机械系统总体设计课件.ppt
,第二章 机械系统总体设计,机械系统设计,机械系统总体设计概述,机械系统总体设计是产品设计的关键阶段，对产品的技术性能、经济指标和外观造型均有决定性意义。,机械系统总体设计分为功能原理设计和结构总体设计两阶段，主要包括功能设计、原理方案设计、总体布局（确定各子系统之间关系）、主要技术参数的确定及技术经济分析等内容。,2.1 功能原理设计概述,功能原理设计又称为概念设计阶段，资料表明，产品全生命周期内7080的成本由功能原理设计阶段决定。,功能原理设计是发散收敛过程。从功能分析入手，通过创新构思探求多种方案，然后经技术经济评价，优选得到最佳方案。,功能原理设计的内容,功能设计：,功能的抽象、表达、分解和推理。,原理方案设计：,构思能实现功能目标的解法原理。,需求域,功能域,结构域,功能原理设计过程,功能原理设计步骤与方法,2.1.1 功能,Miles 1947,必要功能,非必要功能,分类,基本功能,附加功能,系统具有转化能量、运动或其他物理量的特性。产品或系统特定工作能力抽象化描述。系统输入/输出间参数或状态变化的一种抽象描述。,功能的描述,准确、简洁、合理,取核桃仁问题,举例,抓问题本质,设计一糖果包装机,可见：功能原理不同，工艺动作（运动规律）也不同，执行机构型式自然不一样。,2.1.2 功能原理设计举例,设计一台加工内孔的机床,功能原理设计举例,车床 镗床 钻床 拉床,设计草坪剪草机（1）,功能原理设计举例,对杂草进行剪修通常的办法：拉可以拉断草，但无法控制被拉断草的高度，即无法使草地整齐。割断像割麦一样，需要握住草的上部才能割断。剪断利用剪刀刃的合拢可以剪断草。显然，选择剪断是较合理的方案，并且将剪刀做成像理发推子那样，这就是传统的剪草机的解法原理。,设计草坪剪草机（2）,功能原理设计举例,鞭子断纸,绳子割草,功能原理设计特点,功能原理方案设计就是针对某一确定的功能要求，构思并求得能实现功能目标的新的解法原理。功能原理设计要求设计人员有一种新想法、新构思。功能原理设计使所设计的系统发生质的变化。,系统理论为基础,2.1.3 总功能求解黑箱法,定义：,根据系统输入输出关系来研究实现系统功能目标的一种方法。即用技术系统所具有的转化能量、物料、信息等物理量的特性描述其功能。,通过抽象化可清晰地掌握所设计系统(产品)的基本功能和主要约束条件，从而突出设计中的主要矛盾，抓住问题的本质。,关键：,黑箱,黑箱法（Block Box）特点,通过“黑箱”与输入、输出量及周围环境的信息联系，了解系统(产品)的功能、特性，进一步探索出系统的机理和结构，逐步使“黑箱”透亮，直至方案拟定。它摆脱了具体设计对象，而按系统(产品)的功能和对三大流进行定性描述来进行思考，使问题简化，以利于启发设计人员构思出更新、更好的功能原理方案来。,黑箱法示意图,黑箱法举例车床总功能,黑箱法举例,挖掘机总功能,黑箱法举例自行车功能结构,自行车（黑箱）,输入,输出,蹬力或推力,车的行走,2.1.4 功能分解,一般技术系统都比较复杂，难以直接求出满足总功能的原理解。可利用系统工程分解性原理将功能系统按总功能、分功能、功能元进行分解，化繁为简，以便通过各功能元解的有机组合求得系统解。,功能分解模型,Pahl和Beitz,2.1.4.1 功能结构,功能的分解和组合关系称为功能结构。,三种基本类型,链式结构,并联结构,循环结构,2.1.4.2 功能元,功能元是能直接从技术效应(如物理效应、化学效应等)及逻辑关系中找到可以满足功能要求的最小单位。机械设计中常用的基本功能元有物理功能元、数学功能元和逻辑功能元。,定义：,常用的五种物理功能元,包括各种类型能量之间的转变、运动形式的转变、材料性质的转变、物态的转变及信号种类的转换等；,指各种物理量(如位移、速度、力)的放大和缩小等,包括能量流、物料流、信息流的结合或分离（如运动的合成与分解）。,体现三大流在一定时间范围内保存的功能，如弹簧、电池、录音带、光盘等的贮存。,反映能量流、物料流、信息流的位置变化。如离合器、开关、阀门等。,功能元（分功能）的求解,功能元的求解方法主要有：参考有关资料、专刊或产品求解法；利用各种创造性方法以开阔思想去探讨求解法；利用设计目录求解法。,2.1.5 设计目录,定义：,设计目录是一种设计信息的载体，是一定设计任务或分功能的已知解或经过考验的解的汇编，它通过对设计过程中所需的大量信息有规律地加以分类、排序、存储，以便设计者查找和使用。,对象目录,解法目录,分类,操作目录,基本功能元解法目录举例,机械一次增力功能元解法目录举例,四杆机构运动转换解法目录,设计目录应用实例,操作手柄旋转运动；打孔针作直线往复运动；杆件数目为4个；省力。,设计手动订书打孔机（1）,设计要求：,确定总功能(打孔)。总功能分解(输入的旋转运动变为输出的直线移动运动；力增大)。由于是一个由旋转运动变为移动运动的四杆机构，故可查图213以寻求解法。选取2、4、7、9四个方案。增力机构选取杠杆机构，订书打孔机的四种原理方案解见图。,设计手动订书打孔机（2）,解题步骤：,设计手动订书打孔机（3）,原理方案解：,2.1.6 原理解的组合与评价方法简介,形态学矩阵：,把系统功能元和其所对应的各个解分别作为坐标，列出“功能求解矩阵”，然后从每个功能元中取出一个对应解进行有机组合，以构成一个系统解的方法。,评价方法,相容性矩阵,选择表,多目标多级模糊综合评价法,2.1.7 功能原理设计综合实例,露天矿开采挖掘机（1）,第一步 用黑箱法求出总功能：,露天矿开采挖掘机（2）,第二步 总功能分解：,露天矿开采挖掘机（3）,第二步 总功能继续分解：,露天矿开采挖掘机（4）,第三步 建立功能结构：,露天矿开采挖掘机（5）,第三步 继续完善功能结构：,露天矿开采挖掘机（6）,第四步 寻找原理解法及原理解组合：,露天矿开采挖掘机（7）,第五步 原理解评价选优：,不再详述,模糊评价方法：,由Zedeh提出，它是一种对不精确信息的处理方法。用模糊语义值表示权重，采用加权计算法得出方案的模糊优序关系。,2.2 结构总体设计,任务：,将原理方案设计结构化，即包括初步总体布置到具体装配结构设计全过程。,明确原则,简单原则,安全可靠原则,原则,2.2.1 结构总体设计步骤,2.2.2 总体布置设计,基本要求：,功能合理结构紧凑、层次清晰、比例协调考虑可扩展性,基本类型：,按布置方向可分为水平式、倾斜式、直立式、圆弧式；,按运动方式可分为回转式、直线式、振动式；,按相对位置可分为前置式、中置式、后置式；,总体布置设计顺序,执行系统,传动系统,动力系统,操纵系统,支撑系统,从粗到细从简到繁反复多次,任务分配原理,稳定性原理,合理力流原理,2.2.3 结构总体设计的原理,自补偿原理,变形协调原理,力平衡原理,等强度原理,自增强,自平衡,自保护,2.2.4 总体参数的确定,性能参数,尺寸参数,运动参数,动力参数,总体设计举例,自动检测系统,待检的电动自行车,检测后的电动自行车,电能,控制信号,信号能,热能、振动、噪声,各种检测信息,总功能抽象化描述：,黑箱法描述：,机械系统创新设计,功能分解,电动自行车自动检测系统原理框图,功能设计流程,建立系统功能结构：,确定评价指标,建立评价模型,结构总体设计,结构设计：,测控系统硬件设计,当日检测简要报告,检测时输入 该车详细信息,电动车各项 待测指标,动态显示检测过程,控制系统软件设计,检测参数动态曲线,电机特性曲线绘制,设计总结与样机实验,作业一,建立订书机的功能结构。提示：建立黑箱功能示意图；总功能分解、细化；观察、分析实物的每个部件。,作业二,结构设计基本原理举例。要求：1）至少四种，每种原理至少一个例子；同一个的实例不能在三个以上同学中出现；课本上的例子除外。,
