机械系统的功能原理设计.ppt

1,2 机械系统的总体设计,2.1 机械设计的基本原则2.2 机械设计的一般过程 2.3 机械系统的方案设计2.4 机械系统的功能分析2.5 机械系统的功能原理设计2.6 机械系统的总体布局设计,复习思考题,2,2.1 机械设计基本原则,2.1.1 机械设计的类型2.1.2 机械设计的原则,3,2.1.1 机械设计的类型,（1）开发性设计（2）适应性设计（3）变型性设计,在主功能的实现原理或者结构方案保持基本不变的情况下，增加或减少产品的某些功能，使产品适应特定的使用条件或者用户特殊要求所进行的设计。,在全部功能或主要功能的实现原理和结构未知的情况下，运用成熟的科学技术成果所进行的新型的机械产品设计。,在功能原理和结构都保持不变的情况下，变动部分零部件的技术性能和结构尺寸参数，扩大规格或补齐系列，以满足更大范围功能参数需要的设计。又称变参数设计。,4,机械设计的基本原则,（1）实用性原则：功能明确原则（2）创造性原则：继承与创新（3）系统性原则:整体和相关（4）优化原则（5）可靠性与安全性原则（6）经济性原则（7）评价审核原则（8）及时性原则,5,2.2 机械设计的一般过程,设计就是创造，是从创意、构思到实现的过程。,6,2.2 机械设计的一般过程,7,2.2 机械设计的一般过程,（1）设计规划阶段（2）方案设计阶段（3）技术设计阶段（4）施工设计阶段,明确任务、需求和可行性分析，提交可行性报告；明确功能和设计要求，提出设计任务书。,功能原理方案设计,产品的总体、结构设计,完成产品制造所需的全部图样和技术文件,8,9,2.3 机械系统的方案设计,2.3.1 基本概念2.3.2 方案设计程序2.3.3 方案构思的常用方法,10,2.3.1 基本概念,从全局的角度，以系统的观点，所进行的有关整体方面的设计。,机械系统总体设计方案及其论证评价决策是产品设计的关键，也是详细设计时的指导性文件。,11,2.3.2 方案设计程序,方案设计的三个基本活动：创造、分析和决策,明确设计思想,方案设计程序,分析综合要求,决定性能参数,调研同类机械,拟定总体草图,方案对比定型,编写总体设计论证书,12,2.3.3 方案构思的常用方法,（1）黑箱法：功能原理分析法（2）列举法（3）移植法（4）筛选法,利用对未知系统的外部观测，分析该系统与环境之间的输入与输出，通过输入和输出的转换关系确定系统的功能、特性所需具备的工作原理和内部结构。即：从功能出发设计产品。,13,金属切削黑箱示意图,输入,输出,机床工作时对周围环境的影响,周围环境对机床工作性能的干扰,机床的总功能：将毛坯加工成所需零件。,14,2.3.3 方案构思的常用方法,（1）黑箱法：功能原理分析法（2）列举法（3）移植法（4）筛选法,列举现有功能相似的机械，分析其优缺点，列举其不足（或不足）之处，在继承的基础上创新。,15,2.3.3 方案构思的常用方法,（1）黑箱法：功能原理分析法（2）列举法（3）移植法（4）筛选法,受其他事物的启迪，触发灵感，运用联想将其原理合理地应用到自己的课题上。,16,金属轧制,17,2.3.3 方案构思的常用方法,（1）黑箱法：功能原理分析法（2）列举法（3）移植法（4）筛选法,将有可能实现该功能要求的工作原理、工艺动作及实现该运动的基本机构和组合机构尽可能按层次罗列出来，进行排列组合；,按可行性、先进性、方便性、经济性等设计原则逐个分析审查，筛选最优方案。,18,2.4 机械系统的功能分析,2.4.1 机械的分类与功能组成 2.4.2 机械的功能分析 2.4.3 典型机械功能分析实例：家用缝纫机,19,2.4.1 机械的分类与功能组成,一、机械的定义二、机械的分类三、从不同角度看机械的组成四、从功能观点看机械的组成,20,一、机械的定义,由两个或两个以上相互联系配合的构件所组成的联合体，通过其中某些构件的限定的相对运动，能将某种原动力和运动转变，在人或其它智能体的控制下，以执行人们预期的工作，实现为之设计的某种或某几种功能。,21,二、机械的分类,从不同角度出发，分类方法多种多样。,按产业划分,按服务领域划分,按重量划分,按功能划分,农业机械、林业机械矿山机械、冶金机械化工机械、造纸机械食品机械、纺织机械工程机械、交通运输机械物料搬运机械橡胶机械、塑料机械等。,轻工机械重型机械等。,（1）能量转换机械（2）生产各种产品的机械（3）从事各种服务的机械（4）家庭和个人生活中应用的机械（5）各种机械武器等。,工艺类机械：对物料进行工艺性加工的机械非工艺类机械：不对物料进行工艺性加工，只是实现某种需求的功能,22,三、从不同角度看机械的组成,从机构学的角度从结构学的角度从专业的角度从功能的角度,机械由各种基本机构组合而成,机械由一系列基本构件组装而成,常以主要部件来看机械的组成,以功能的观点来观察和认识机械,23,四、从功能观点看机械的组成,机器的总功能由多个分功能组成，而每个分功能都有相应的功能载体。,24,25,车床的功能原理图1-工件 2-车刀,26,利用刀具对旋转工件进行切削,工件旋转,刀具进给,27,2.4.2 机械的功能分析,一、机械的功能和系统功能分析二、功能分解和功能单元三、功能树和功能结构图,28,2.4.2 机械的功能分析,一、机械的功能和系统功能分析,1.功能：对于某一机械产品工作能力的抽象化描述。它和人们常用的“功用”、“用途”、“性能”、“能力”等概念既有联系又有区别。是一个机器（或装置）所具有的应用特性。,系统工程学用“黑箱”来描述功能，如下图。,“功能”是一个技术系统在以实现某种任务为目标时，其输入量和输出量之间相互转换的关系。,例：硬币计数包卷机,2.系统功能分析：对总功能进行分解。,31,二、功能分解和功能单元,1.功能分解,复杂的技术系统的总功能可分解成较为简单的、具有一定的独立性、可直接求解的功能单元。,32,二、功能分解和功能单元,功能的基本单位。包括：物理功能元、逻辑功能元、数学功能元。,材料拉伸试验机的功能分解,2.功能单元,硬币计数包卷机的七个功能单元,1 硬币堆放、输送功能单元2 硬币排列、分选、挑残功能单元3 硬币分选计数功能单元4 硬币堆码、整理功能单元5 送纸、撕纸功能单元6 硬币包卷功能单元 7 卷边功能单元,例：硬币机的功能分解,35,三、功能树和功能结构图,用树状功能图来描述其功能分解情况。,材料拉伸试验机的功能分解,1.功能树,36,2.功能结构图,上述功能分解方式不能充分表达各分功能之间的相互配合关系。用来表示各分功能之间关系的框图，叫“功能结构”图。它比功能分解图更好地反映了各分功能之间的联系和配合。,由总功能分功能功能结构图，被称为“功能分析”，也可称为“系统分析”。,三、功能树和功能结构图,37,硬币机功能结构分析,硬币机“功能结构”图,39,三、功能树和功能结构图,3.基本功能结构,各分功能（或功能元）组合时有三种基本形式,（a）串联：各分功能按顺序相继作用；（b）并联：各分功能并列作用；（c）回路：各分功能组成环状循环回路，体现反馈作用。,40,三、功能树和功能结构图,3.基本功能结构,两种功能结构的对比,例：,41,2.4.3 典型机械功能分析实例：家用缝纫机,手工线迹与家用缝纫机线迹对比a)手工线迹 b)缝纫机线迹,（1）用针尖引线代替针尾引线；（2）采用双线互锁交织以代替线的反复穿刺；,一、家用缝纫机的总功能 将线按一定规律缝于缝料上,二、家用缝纫机的功能分析1.主要功能1）引面线造环功能 由机针特殊结构实现。,缝纫机针的形状1-针尖 2-针刃 3-针柄 4-平面5-引入槽 6-引出孔 7-针孔,线环形成过程a)穿刺缝料 b)、c)引线 d)、e)成环1-线环 2、5-面线 3-摆梭尖 4-针槽,摆梭,二、家用缝纫机的功能分析1.主要功能2）钩面线扩环，使底面线交织的功能 靠一个在线环中摆进摆出的摆梭组件来实现。,摆梭钩线扩环，完成底面线交织的工艺过程1-摆梭 2-底线 3-面线 4-梭心套 5-针,二、家用缝纫机的功能分析1.主要功能3）供给和收回面线的功能 靠挑线杆（工作头）带着面线上下摆动来实现。,挑线机构a)滑杆式 b)凸轮式 c)连杆式,二、家用缝纫机的功能分析1.主要功能4）输送缝料的功能 靠送布牙挤压推送布料来实现。,送布牙送料时的工作情况1-压脚 2-缝料 3-送布牙 4-送布牙槽 5-针板,送布牙运动轨迹,二、家用缝纫机的功能分析2.辅助功能1）调节面线和底线的阻尼功能,面线和底线的交织状况a)面线过紧 b)底线过紧 c)正确,二、家用缝纫机的功能分析2.辅助功能1）调节面线和底线的阻尼功能 靠旋动夹面线螺母来实现调节面线松紧。靠拧动压紧底线的螺纹来实现调节底线松紧。,面线和底线的张力调节a)底线调紧，面线调松 b)面线调紧，底线调松,二、家用缝纫机的功能分析2.辅助功能2）调节压脚压紧力的功能 靠调节压脚压力的螺纹来实现。,不同缝料调压螺纹旋入的情况,二、家用缝纫机的功能分析2.辅助功能3）调节送布针距的功能 由送布牙送料距离钮决定。,调节送布针踞,二、家用缝纫机的功能分析2.辅助功能4）绕底线功能 把梭心装到绕线轴上，由高速转动的手轮使上摩擦轮带动绕线轴旋转，而是梭心缠绕底线。,绕底线1-线 2-绕线轴 3-梭心 4-上摩擦轮 5-手轮 6-过线架 7-轴线,二、家用缝纫机的功能分析3.控制功能1）机械控制功能 由传动机构的巧妙配合进行控制。传动机构的时序分配主要由凸轮和连杆机构的工作相位配合来实现。2）人机控制功能 缝纫信息传入操作者的感官，再用手作为执行器来控制缝料运动，完成缝纫要求。人机控制功能通过人机接口实现。包括：缝针工作区、手轮、机针前方布面、脚踏板等。3）电子控制功能 现代缝纫机可用微机进行程序控制。,52,2.5 机械系统的功能原理设计,2.5.1 功能原理设计的概念和特点2.5.2 功能原理设计的内容与步骤2.5.3 设计任务的功能目标2.5.4 寻找作用原理2.5.5 形态学矩阵 功能原理设计实例,53,功能原理设计的概念和特点,1.功能原理设计的基本概念针对产品的主要功能提出一些原理性的构思。这种针对主要功能的原理性设计，可以简称为“功能原理设计”。功能原理设计的重点在于提出创新构思，使思维尽量“发散”，力求提出较多的解法供比较选优。对构件的具体结构、材料和制造工艺等则不一定要有成熟的考虑，因此常只需用简图或示意来表示所构思的内容。如船用抽水机功能原理设计。,54,船用抽水机功能原理构想,利用船体摆动带动活塞往复运动,利用船的起伏通过杠杆使活塞运动,利用涨潮的水位落差，使水排出,55,2.5.1 功能原理设计的概念和特点,2.功能原理设计的工作特点（1）功能原理设计往往是用一种新的物理效应来代替旧的物理效应，使机器的工作原理发生根本的变化的设计。（2）功能原理设计中往往要引入某种新技术(新材料、新工艺、)，但首先要求设计人员有一种新想法(New Idea)、新构思。（3）功能原理设计使机器品质发生质的变化。机械表不论在技术上如何改进，其走时的精确性始终不可能和石英电子表相媲美。当然，在实践中，每一个功能原理设计不一定都能体现上述三个特点，而能体现这三个特点的，则应该是高品位的功能原理设计。,56,2.5.2 功能原理设计的内容与步骤,内容：构思能实现功能目标的新的解法原理步骤与方法：,各阶段的工作内容,解决该内容的方法,57,2.5.3 设计任务的功能目标,设计的依据，鉴定验收的标准,设计的量化指标、约束条件,59,2.5.4 寻找作用原理,提出创新构思，使思维“发散”，力求提出较多的解法供比较选择。,1.任何一种机械的更新换代都存在三个途径。1.改革工作原理；海尔同心洗洗衣机 2.改进工艺、结构和材料提高技术性能：如液晶材料、石英材料的实用化，促使钟表的工作原理发生了本质的变化。冰箱(造型设计、纳米材料)；3.加强辅助功能使其更适应使用者的心理；,61,香皂-纸壳,圆珠笔不出水,63,2.5.4 寻找作用原理,实现同样的功能可以有不同的物理效应；同样的物理效应有不同的实现方式；已知一个机械产品作用原理，也可以构思出不同的产品。,功能原理设计的任务：针对某一确定的“功能目标”，寻求一些“物理效应”并借助某些“作用原理”来求得一些实现该功能目标的“解法原理”。,2.以发散思维寻找作用原理,64,例1：粉碎机。“粉碎”的五种物理效应。前四种属于使用静力，后一种是应用动能。一般在两种以上效应的综合作用下粉碎。物理效应的选择：根据物料的特性、料块的大小、所要求的细化程度来选择。坚硬物料：挤压、弯曲和劈裂；脆性物料：冲击和劈裂；料块较大：劈裂和弯曲；料块较小或排料粒度要求很小：冲击和研磨。,p.19,66,例2：洗衣机。目的：使污垢与纤维分离。各种洗涤的物理效应包括：控制水流波轮式洗衣机、滚筒洗衣机电磁高频振荡电磁洗衣机气泡破裂洗涤气流洗衣机高真空使水沸腾并产生气泡冷沸腾洗衣机水雾喷雾洗衣机超声波超声波洗衣机,67,例3：点钞机。1-推刮 2-摩擦 3-离心力 4-重力 5-粘力 6-气吹 7-气吸 8-静电,68,例4：风扇。目的：降温。可通过不同结构、造型、运动形式来实现。不同结构：台扇、落地扇、吊扇、壁扇等；不同造型：圆形、方形、动物造型等；不同尺寸：大型工业排风扇、蚊帐内的小吊扇等；不同方式：多速风扇、单速风扇等；不同运动形式：普通风扇，外罩不转，叶片转；鸿运风扇，叶片不转，外罩转等。不同原理：从调节温度的角度，无叶片风扇、压缩式空调器，其功能比风扇还好。,69,例5：风扇功能原理：压力差使空气产生流动。鼓风机：为炉灶送风助燃；抽风机：厨房的抽油烟机吸尘器：吸尘同一个功能可用不同的作用原理解决，同一个作用原理也可解决不同的功能。,70,形态综合法：如表所示，将系统的功能元列为纵坐标，各功能元相应的解法列为横坐标，构成形态学矩阵，从每项功能元中取出一种解进行有机组合，即得到一个系统解。最多可以组合出N种方案：,系统解的形态学矩阵,2.5.5 形态学矩阵,71,2.5.5 形态学矩阵,在多解的前提下，获得理想原理设计方案的关键（1）所得方案具有全解系的性质。即把方案的全部解和各解的全部可能形态列举出来，经组合后将所有可能的解包罗无疑。（2）具有形式化性质。要求对问题进行系统分析并借此确定出影响方案解的重要的功能元及其可能形态。,72,2.5.6 功能原理设计实例：行走式挖掘机的原理方案求解。,解：（1）总功能：提取物料。（2）功能分解：（3）找出各分功能的可能形态，列挖掘机的形态学矩阵。,可能组合的方案数为：如：履带式挖掘机 液压轮胎式挖掘机,73,（4）对众多方案，由定性到定量进行优选，删去不符合设计要求的解以及各分功能不相容的解，选出几个可行方案，进行原理性试验和评价、决策，从中选出符合功能目标的最佳原理方案。不相容例：运行时挖掘机，A1与B5、C4、D4等分功能解不相容，不能共同组合成可实现的原理方案。,74,2.6 机械系统的总体布局设计,机器的有关零部件在整机中的相对空间位置的合理配置叫做总体布局。原则：简单、合理、经济。总体布局必须要有全局观点，不仅要考虑机械本身的内部因素，还要考虑人机关系、环境条件等各种外部因素，按照简单、合理、经济的原则妥善地确定机械中各零部件之间的相对位置和运动关系。,75,总体布局设计一般是先布置执行系统，然后再布置传动系统、操纵系统及支承形式等，通常都是从粗到细，从简到繁，需要反复多次才能确定。,76,2.6.1 总体布局的基本要求,保证工艺过程的连续性和流畅降低质心高度、减小偏置保证精度、刚度及抗震性等要求充分考虑产品系列化的发展要求结构紧凑、层次分明操作、维修、调整简便造型合理、实用美观提高人机系统的整体效能,77,2.6.2 执行系统的布置要求,（1）为使执行系统简单紧凑，工艺动作协调，准确无误，应尽量减少构件和运动副的数目，缩小构件的几何尺寸，以减小其磨损和变形对执行机构运动精度的影响。（2）使原动件尽量接近执行机构。在布置相互联系型的多个执行机构时，应尽量将各原动件集中在一根或少数几根轴上，对外露的执行机构，最好将其原动件隐蔽布置，以提高操作安全性。（3）由于执行构件往往与作业对象直接接触，所以布置执行构件和中间联接件时应考虑作业对象装卡和传送方便、安全。,78,2.6.3 传动系统的布置要求,（1）简化传动链。（2）合理安排传动机构顺序。（3）注意传动系统的润滑和密封的可靠性。,79,设齿轮副和蜗杆副的传动误差分别为 和，齿轮传动比为3，蜗杆传动比为30。图左所示方案的总误差图右所示方案的总误差,80,2.6.5 总体布置设计实例,1.汽车的总体布置 汽车总体布置型式是指发动机、驱动轴和车身（或驾驶室）的相互位置关系和布置特点。,81,根据发动机与车身相对位置的不同，可分为三种布置型式：发动机前置式、中置式和后置式。,82,根据发动机与驾驶室相对位置的不同，可分为四种布置型式：长头式、短头式、平头式和偏置式。长头式：将驾驶室布置在发动机之后；短头式：将发动机的一小部分伸人到驾驶室内；平头式：将驾驶室布置在发动机之上；偏置式：将驾驶室偏置于发动机的一旁，它是平头式或长头式的一种变型。,83,汽车总体布置,货车 客车,84,85,复习思考题,机械设计分为几类？设计中要把握的基本原则有哪些？说明机械系统方案设计的一般程序及常用的方法。什么是机械系统的功能？请解释功能分析方法。阐述功能原理设计的基本思想和步骤。试进行小型家用代步车的功能原理设计。,86,参考书目,1.黄雨华等编现代机械设计理论与方法，东北大学出版社，2001 2.黄靖远等主编机械设计学，机械工业出版社，19993.刘跃南主编机械系统设计，机械工业出版社，20004.机械设计大典,