机械系统总体设计方法.ppt

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1、机械系统设计,第二章 机械系统总体设计,产品设计,明确任务要求,功能分析,搜寻解法,方案综合,决策 确定最佳原理解,功能面变形 构形 联接变形 材料变形,定材料、尺寸,最佳结构总装配图,部件装配图,零件图,设计任务书要求明细表,评价,评价,试 制,各种技术文件,原理图,总装配图,零部件图样技术文件,功能原理方案设计阶 段,结构总体设计阶段,技术设计阶段,机械系统总体设计,机械系统总体设计的内容：1.机械系统功能原理设计;2.总体布局（各子系统如动力系统、传动系统、执行系统、操纵和控制系统等之间的相互关系）;3.主要技术参数（如尺寸参数、运动参数和动力参数等）的确定;4.技术经济分析等。,机械系

2、统总体设计,2.1 机械系统的功能原理设计2.2 结构总体设计,2.1 机械系统的功能原理设计,一、功能的定义及其分类1.定义：功能是系统必须实现的任务，或者说是系统具有转化能量、运动或其他物理量的特性。2.分类：,功能与产品,产品是功能的实现形式，企业通过产品设计来满足用户的需要。,自行车系统,结构式功能系统图实例,二、功能原理设计及特点,功能原理设计:针对所设计产品的主要功能提出一些原理性的构思，亦即针对产品的主要功能进行原理性设计。功能原理方案设计的任务：针对某一确定的功能要求，去寻求一些物理效应并借助某些作用原理来求得一些实现功能目标的解法原理；或者说，功能原理设计的主要工作内容是：构

3、思能实现功能目标的新的解法原理。,二、功能原理设计及特点,思路要广阔，呈发散状。,功能原理设计,特点：由一种新的物理效应来代替旧的物理效应，使所设计系统的工作原理发生根本变化。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、新构思。功能原理设计使所设计的系统发生质的变化。创新的思维是发散的。,三、功能原理设计的设计方法“黑箱法”,“黑箱法”-暂时摒弃那些附加功能和非必要功能，突出必要功能和基本功能，并将这些功能用较为抽象的形式（如输入量和输出量）加以表达。突出设计中的主要矛盾，抓住问题的本质。,“黑箱法”是指只知道输入量和输出量而不知道其内部结构的表述设计任

4、务的一种模式。,自行车系统,黑箱法,把技术系统看成一个黑箱，其输入和输出用信息流S、能量流E和物料流M来描述；输出用相应的S、E、M来描述。,来自外界的影响,对外界的影响,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。,三、功能原理设计的设计方法“黑箱法”,“黑箱法”-根据系统的输入、输出关系来研究实现系统功能目标的一种方法，即根据系统的某种输入及要求获得某种输出的功能要求，从中寻找出某种物理效应或原理来实现输入输出之间的转换，得到相应的解决办法，从而推求出“黑箱”的功能结构，使“黑箱”逐渐变成“灰

5、箱”、“白箱”的一种方法。,黑箱,白箱,灰箱,输入,输出,例：硬币计数包卷机,一台硬币计数包卷机，它的功能是用来整理、清点、计数，最后按一定的枚数将硬币用纸包卷起来或装入袋内。,用黑箱法描述的硬币机的总功能。,硬币机功能分解,一般的机械执行系统都比较复杂，难以直接求得满足总功能的原理解。如果利用系统工程分解的原理，将总功能进行分解，则可化繁为简。如硬币计数包卷机可分解为图中所示的的7个分功能，各功能单元具有一定的独立性。,硬币机功能分解,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

6、元 7-卷边功能单元,功能分解,功能分解可表示为树状的功能结构，称为功能树。功能树起于总功能，按分功能、二级分功能分解，末端为功能元。功能元是可以直接求解的系统最小组成单元。,总功能,分功能1,分功能n,二级分功能1,二级分功能m,功能树,.,家用缝纫机的功能分解,如家用缝纫机的功能分解：家用缝纫机的总功能是缝制衣物。要用多个分功能才能综合实现其总功能，具体分解如下：,1.功能元由于一个系统可以分解成一些子系统，所以，一个系统的总功能也能分解为一些分功能；如果有些分功能还太复杂，则还可以进一步分解到更低更层次的分功能，直到分解到最后不能再分解的基本功能单位为止，这个基本功能单位就叫功能元。功能

7、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。,四、功能元、功能结构,（1）物理功能元,物理功能元反映系统中能量流、物料流及信息流的基本物理动作。“变换”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；“放大、缩小”功能元是指各种能量、信号向量（如力、速度）、物理量的放大和缩小及物料性质的缩放（如压敏材料电阻随外压的变化等）；,（1）物理功能元,物理功能元反映系统中能量流、物料流及信息流的基本物理动作。“合并、分离”功能元是指包括能量流、物

8、料流及同一性质或不同性质的信息流在数量上的结合或分离；“传导、绝缘”功能元是反映能量流、物料流、信息流的位置变化的。“贮存”功能元是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。,（1）物理功能元,（2）数学功能元,主要用于机械系统中有一些与数学的加、减、乘、除等有关的功能要求，如差动轮系、求积仪、机械式计算机等。,（3）逻辑功能元,主要用于信息及控制系统中，基本的逻辑功能元有“与”、“或”、“非”元。,2.功能结构,将总功能分解成分功能，并相应找出实现各分功能的原理方案，从而简化了实现总功能的原理构思。反之，同一层次的功能单位组合起来，应能满足上层功能的要求，最后

9、组合成的整体应能满足总功能要求。这种功能的分解和组合关系称为功能结构。串联结构又称链式结构，它表示各分功能之间是按顺序依次进行的。并联结构其几个分功能处于并联关系，几个分功能同时起作用才能实现预期的功能。循环结构又称环状结构，起反馈作用。,在建立功能结构图时应注意：,建立系统功能结构图的方法有两种：一是从总功能出发来层层分解；二是先建立输入、输出两端的分功能，再根据总功能要求将两端联接起来；建立功能结构图时，应首选所列的基本功能元；功能结构图应尽可能简单，能找到相应的技术效应时就不要再继续分解下去了；要把原理方案构思同功能结构图的建立结合起来。,3.建立功能结构图的流程,材料拉伸试验机的功能结

10、构图,力变形测量,五、功能元（分功能）求解,功能元求解是寻找或创造实现总功能或分功能的载体，完成功能元要求的运动指标。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。,设计目录是把实现某种功能元的各种原理和结构综合在一起的一种表格或分类资料。,六、系统原理方案的综合,把各种功能元的局部解合理地予以组合，就可以得到一个系统的多个原理解。组合的方法可以采用形态矩阵法。形态矩阵法是把系统功能元和其所对应的各个解分别作为纵、横坐标，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。,1.形态

11、矩阵的组成,形态学矩阵是表达方案综合的一种较为清晰的形式。由每个分功能解中挑选一个解，经过组合可以形成一个包括全部分功能的整体方案。理论上，可以组成整体方案的数量，为各行解法个数的连乘积。,六、系统原理方案的综合,把各种功能元的局部解合理地予以组合，就可以得到一个系统的多个原理解。组合的方法可以采用形态矩阵法。形态矩阵法是把系统功能元和其所对应的各个解分别作为纵、横坐标，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。1、相容性矩阵 为了便于检验和了解有联系的分功能（功能元）之间的相容性，可以列出相容性矩阵。2、选择表 对于复杂的问题，从模幅箱中筛选

12、有价值的组合方案，可以采用选择表。,2.形态学矩阵的要点,尽可能多列分功能解法。对复杂机械，先建立各分功能的形态学矩阵，分别考虑局部方案，再综合为总体方案。相容性。分功能解法之间必须相容，否则不能组合。审核其物理学原理上的相容性和动力性能的匹配性。舍弃明显不合理的解法。检验其技术的可行性、经济性、运动性能和尺寸的适宜性等方面。不满足设计要求和约束条件的应舍弃，例：成本偏高、效率低、污染严重、不安全、加工困难。优先选用主要分功能的较好解法。由该解法出发，选择与它相容的其它分功能解法。特别注意防止按旧框框设计。要处理好继承与创新的矛盾。,3.挖掘机的方案设计,1）明确任务要求2）功能分析 确定总功

13、能：挖掘机的总功能为物料取移。,总功能分解：,3.挖掘机的方案设计,3）各功能元解及形态学矩阵,挖掘机的方案设计,4）方案组合可能组合的方案数 N=65443=1440不同的组合（相容性矩阵与选择表）可以得到不同的方案如：A3-B4-C3-D2-E1 履带式挖掘机 A5-B5-C2-D4-E2 液压轮胎式挖掘机,挖掘机的方案设计,通过形态学矩阵虽然可以得到许多方案，但不是所有的方案都具有实际意义，也不是所有的功能元解都能互相匹配和适应。因此，应首先根据不相容性和设计边界条件的限制删去不可行方案和明显不理想的方案，选择较好的几个方案，然后通过综合评价的方法进行比较、优化，最后求得最佳方案。方法：相容性矩阵 选择表,4.功能原理设计的步骤,第一步：明确设计要求第二步：功能分析 总功能：建立黑箱模型 总功能分解第三步：功能元求解 第四步：功能元解的组合第五步：评价与决策:（评价表）,习题与思考 作业P59：2、3、4；,