第二章机械系统的方案设计与总体设计

1、机械系统设计机械系统设计制造销售制造销售内部设计内部设计外部设计外部设计计划计划研究计划书、设计任务书研究计划书、设计任务书调查研究调查研究可行性研究可行性研究系统计划系统计划可行性报告可行性报告系统开发计划书系统开发计划书工作图设计工作图设计技术设计技术设计系统分析系统分析系统分解系统分解初步设计、方案设计初步设计、方案设计鉴定和评审鉴定和评审定型设计定型设计小批试制小批试制改进设计改进设计样机鉴定和评审样机鉴定和评审样机试制样机试制销售销售第二章第二章 机械系统的方案设计与总体设计机械系统的方案设计与总体设计 2-1 机械系统的方案设计机械系统的方案设计机械系统设计机械系统设计制造销售制造

2、销售内部设计内部设计外部设计外部设计计划计划工作图设计工作图设计技术设计技术设计系统分析系统分析系统分解系统分解初步设计、初步设计、方案设计方案设计鉴定和评审鉴定和评审 方案设计是整个机械系统设计的方案设计是整个机械系统设计的核心环节核心环节，方案设计方案设计是保证设计水平和是保证设计水平和质量的重要工作，在很大程度上决定了机械系统设计的成败。质量的重要工作，在很大程度上决定了机械系统设计的成败。 方案设计是一个方案设计是一个创造性思维创造性思维的过程，在进行方案设计时，重要的是要创的过程，在进行方案设计时，重要的是要创新，采用新，采用新原理、新技术、新机构、新工艺新原理、新技术、新机构、新工

3、艺，才能设计出有突破性的新产品。，才能设计出有突破性的新产品。 方案设计的方案设计的内容内容包括：包括： ( (1) )研究给定的设计任务，对机械产品的功能进行分析和分解；研究给定的设计任务，对机械产品的功能进行分析和分解； ( (2) )提出实现功能的工艺原理；提出实现功能的工艺原理；( (3) )确定技术过程，引进技术系统；确定技术过程，引进技术系统；( (4) )分析结构布局，拟定设计方案；分析结构布局，拟定设计方案； ( (5) )综合评价设计方案，找出最佳方案。综合评价设计方案，找出最佳方案。 一、研究给定的设计任务一、研究给定的设计任务 方案设计之前，我们已经通过方案设计之前，我们

4、已经通过设计任务书设计任务书，明确了设计任务、目的和要，明确了设计任务、目的和要求，并且提出了产品设计的求，并且提出了产品设计的可行性报告可行性报告以及以及系统开发的计划书系统开发的计划书。 在系统开发计划书中说明了对设计的各项要求，但这些要求尚未实现，在系统开发计划书中说明了对设计的各项要求，但这些要求尚未实现，其中有其中有不确定的，过高或过低的，甚至有些是相互矛盾的不确定的，过高或过低的，甚至有些是相互矛盾的。 设计人员要仔细研究设计任务，对各项要求逐个分析，明确核心要求和设计人员要仔细研究设计任务，对各项要求逐个分析，明确核心要求和约束条件，对约束条件，对相互矛盾的要求相互矛盾的要求要能

5、够提出要能够提出修改、补充和完善修改、补充和完善的建议，要能够的建议，要能够获得获得两方面都可兼顾的折衷的两方面都可兼顾的折衷的解决办法。解决办法。T2T1，n2n1能量不灭定理能量不灭定理系统系统T1n1T2n2二、设计任务的抽象化（二、设计任务的抽象化（“思维方式和工作方法思维方式和工作方法”） 思维可以有思维可以有定势思维定势思维和和创造性思维创造性思维。1 0 0 04 01 01 0 0 02 01 0 0 01 0 0 03 0+?1 4 4 9 91+?5 0 0 01 5 0 0 0 定势思维是定势思维是“懒汉懒汉”的思维方法，由于其在设计的过程中会扼杀许多新的思维方法，由于其

6、在设计的过程中会扼杀许多新的创造发明，因此，我们只有有意识地破除它，这样才会有许多发现和发明。的创造发明，因此，我们只有有意识地破除它，这样才会有许多发现和发明。4 1 0 01 4 5 0 0 机械系统的抽象：任何机械系统都可以看成是实现某种机械系统的抽象：任何机械系统都可以看成是实现某种能量流能量流、物料流物料流和和信息流信息流传递和转化的装置。传递和转化的装置。化学能化学能热能热能机械能机械能内燃机能量流内燃机能量流包装机械包装机械包装容器包装容器包装物件包装物件包装后成品包装后成品包装机械物料流包装机械物料流 创造性思维创造性思维则是则是创作发明创作发明的基础。的基础。 发明有发明有原

7、创性发明原创性发明和和组合式发明组合式发明，原创性发明是指在原理上具有新突破，原创性发明是指在原理上具有新突破的发明，对于世界和人类来讲具有一定的难度，是比较少见的。而我们所听的发明，对于世界和人类来讲具有一定的难度，是比较少见的。而我们所听到的发明多数都属于组合式发明，也就是在成熟理论的基础上，进一步的改到的发明多数都属于组合式发明，也就是在成熟理论的基础上，进一步的改进和完善，从而得到一种新的技术和理论。进和完善，从而得到一种新的技术和理论。照相机照相机光强信号光强信号图像信号图像信号光圈电机信号光圈电机信号调整电机控制信号调整电机控制信号傻瓜照相机信息流傻瓜照相机信息流 在一些较复杂的机

8、械系统中，能量流、物料流和信息流都存在，如自走在一些较复杂的机械系统中，能量流、物料流和信息流都存在，如自走式合物联合收获机。式合物联合收获机。 从这个意义上讲，机械系统可抽象为：从这个意义上讲，机械系统可抽象为：实现输入的能量、物料、信息实现输入的能量、物料、信息和和输出的能量、物料、信息转化输出的能量、物料、信息转化的机械装置。的机械装置。 机机 械械 装装 置置（待定的技术系统）（待定的技术系统） 物料物料能量能量信息信息物料物料能量能量信息信息来自外界的影响来自外界的影响输输 入入对外界的影响对外界的影响输输 出出 在方案设计的初期，把要设计的机械系统看成只知道输入量、输出量以在方案设

9、计的初期，把要设计的机械系统看成只知道输入量、输出量以及与外界的相互影响的及与外界的相互影响的“黑箱黑箱”，“黑箱黑箱”内部是全然不知待定的技术系统，内部是全然不知待定的技术系统，这就是设计任务抽象化的方法。这就是设计任务抽象化的方法。（黑箱）（黑箱） 用用“黑箱黑箱”抽象地表示技术过程，不需要事先涉及具体的解决方法，就抽象地表示技术过程，不需要事先涉及具体的解决方法，就可以知道机械系统的基本功能和约束条件：可以知道机械系统的基本功能和约束条件：基本功能为物料、能量、信息的基本功能为物料、能量、信息的传递和转化传递和转化，约束条件表现为内、外部系统的相互作用和相互影响约束条件表现为内、外部系统

10、的相互作用和相互影响。这样可。这样可以突出设计中的主要矛盾，明确设计追求的主要目标，明确影响产品性能的以突出设计中的主要矛盾，明确设计追求的主要目标，明确影响产品性能的主要因素；避免设计者受一些框文的约束。主要因素；避免设计者受一些框文的约束。 确定确定“黑箱黑箱”作业对象（物料、能量、信息）转化的作业对象（物料、能量、信息）转化的工艺原理工艺原理，是打开，是打开“黑箱黑箱”的先决条件。的先决条件。 三、确定工艺原理三、确定工艺原理所谓工艺原理是所谓工艺原理是指自然科学中各种定理、定律、原理及效应的具体应用指自然科学中各种定理、定律、原理及效应的具体应用。 机械系统的机械系统的“黑箱黑箱”建立

11、以后，打开建立以后，打开“黑箱黑箱”， 实现实现“黑箱黑箱”的透明化的透明化就成为了主要工作。就成为了主要工作。对于同一种作业对象的转化，可以采用不同的工艺原理。对于同一种作业对象的转化，可以采用不同的工艺原理。 采用不同的工艺原理，就会设计出不同的机械系统，它们的性能和经济采用不同的工艺原理，就会设计出不同的机械系统，它们的性能和经济效益各不相同。效益各不相同。 以齿轮齿廓曲线的切制为例，可采用以齿轮齿廓曲线的切制为例，可采用仿形法仿形法，在铣床上用铣刀铣削；也，在铣床上用铣刀铣削；也可用可用范成法范成法，在滚齿机、插齿机或刨齿机上用专用刀具滚削、插削或刨削加，在滚齿机、插齿机或刨齿机上用专

12、用刀具滚削、插削或刨削加工。工。齿轮加工齿轮加工范成原理范成原理仿形原理仿形原理工作原理不同，运动方案不同工作原理不同，运动方案不同剃齿剃齿工作原理相同，运动方案不同工作原理相同，运动方案不同插齿插齿滚齿滚齿切断作切断作物桔杆物桔杆冲击冲击搓擦搓擦 使谷粒和谷穗分离使谷粒和谷穗分离滚压滚压筛分、振动、重筛分、振动、重力、气流使谷粒、力、气流使谷粒、茎杆、颖壳杂物茎杆、颖壳杂物分离分离 在联合收割机的机械系统中，采用了多种工艺原理，工作过程中完成了在联合收割机的机械系统中，采用了多种工艺原理，工作过程中完成了多次转化，设计的关键则是多次转化，设计的关键则是不同工艺原理的组合与连接不同工艺原理的组

13、合与连接，以及它们之间的，以及它们之间的适适应性与相容性应性与相容性。 作业对象的作业对象的简单转化简单转化，可以只采用，可以只采用一个工艺原理一个工艺原理就完成；但作业对象的就完成；但作业对象的复杂转化，复杂转化，往往要采用往往要采用多种工艺原理经多次转化多种工艺原理经多次转化才能完成。才能完成。以谷物联合收割机为例，它的工艺原理可用下图所示：以谷物联合收割机为例，它的工艺原理可用下图所示：四、确定技术过程四、确定技术过程 技术过程是按选定的工艺原理，确定作业对象转化的流程，规定每一个技术过程是按选定的工艺原理，确定作业对象转化的流程，规定每一个转化程序的相应功能要求。转化程序的相应功能要求

14、。 技术过程的技术过程的主线主线是作业对象（物料）是作业对象（物料）的转化的转化，用，用双线箭头双线箭头表示表示。在转化过程中，。在转化过程中，不断有不断有物料、能量和物料、能量和信息的支持和补充信息的支持和补充，要产生许多辅助功能，要产生许多辅助功能，如要解决各转化程序如要解决各转化程序间的连接和支承问题，间的连接和支承问题，要解决检测、操纵、要解决检测、操纵、调整和控制的问题。调整和控制的问题。技术过程的一般模式如下图：技术过程的一般模式如下图： 技术过程是若干个分过程和工序组合而成的复合技术过程是若干个分过程和工序组合而成的复合过程过程。谷物谷物 扶持谷物茎杆扶持谷物茎杆 切断谷物茎杆切

15、断谷物茎杆 脱脱 粒粒长茎杆长茎杆图图2-4 自走式谷物联合收获机的技术过程流程方框图自走式谷物联合收获机的技术过程流程方框图清选清选筛分筛分气流气流振动振动杂余（断穗）杂余（断穗）等等复脱复脱谷粒谷粒短 茎 杆 轻 混短 茎 杆 轻 混合物（颖壳、合物（颖壳、灰尘）等等灰尘）等等下图是根据工艺原理图画出的自走式联合收获机的技术过程主流程图。下图是根据工艺原理图画出的自走式联合收获机的技术过程主流程图。 对对设计对象的目标和要求不同设计对象的目标和要求不同，技术系统的组成、相应的功能结构以及，技术系统的组成、相应的功能结构以及系统边界的划分就不相同；即便是设计对象的目标和要求相同，由于设计者系

16、统边界的划分就不相同；即便是设计对象的目标和要求相同，由于设计者的的着眼点不同着眼点不同，技术系统及系统边界划分也会有较大差别。，技术系统及系统边界划分也会有较大差别。五、引进技术系统并确定系统边界五、引进技术系统并确定系统边界技术系统是技术系统是实现技术过程各项转化的实现技术过程各项转化的人为系统。人为系统。 技术过程中作业对象的转化，有一些是完全靠机械系统来完成，而有一技术过程中作业对象的转化，有一些是完全靠机械系统来完成，而有一些是在人的参与下完成。些是在人的参与下完成。良好的技术系统应是机械系统与人的完美结合良好的技术系统应是机械系统与人的完美结合。 以洗衣机为例，对人的参与程度要求不

17、同，可设计出全自动、半自动和以洗衣机为例，对人的参与程度要求不同，可设计出全自动、半自动和非自动的洗衣机；就全自动洗衣机而言，由于设计者的着眼点不同，可设计非自动的洗衣机；就全自动洗衣机而言，由于设计者的着眼点不同，可设计出立式和卧式洗衣机，它们各有优缺点。出立式和卧式洗衣机，它们各有优缺点。 引进技术系统就是根据技术过程的要求，引进技术系统就是根据技术过程的要求，确定机械系统的功能结构和功确定机械系统的功能结构和功能载体的组合能载体的组合。( (一一) )引进技术系统引进技术系统1 1确定机械系统的确定机械系统的功能结构功能结构 引进技术系统一般分两步进行：引进技术系统一般分两步进行： 功能

18、是机械系统的属性，是机械系统价值的体现。机械系统的功能表现功能是机械系统的属性，是机械系统价值的体现。机械系统的功能表现为可以实现物料、能量、信息的传递和转化。为可以实现物料、能量、信息的传递和转化。 机械系统的功能往往有多种形式，为便于分析和研究，应进行机械系统的功能往往有多种形式，为便于分析和研究，应进行功能分解功能分解。 功能载体功能载体是实现功能转化的实体结构。是实现功能转化的实体结构。 功能分解是在功能分解是在系统分解系统分解的基础上进行的。对各子系统的功能可逐项分解，的基础上进行的。对各子系统的功能可逐项分解，直至得到不能再分解的直至得到不能再分解的功能元功能元为止。为止。进行功能

19、分解的要注意以下两点：进行功能分解的要注意以下两点： (1) (1)总功能的分解程度以能找到相应的总功能的分解程度以能找到相应的技术物理效应技术物理效应和和功能载体功能载体来实现该来实现该功能为依据；功能为依据；(2)(2)同级功能的组合应能满足上级功能的要求。同级功能的组合应能满足上级功能的要求。 技术物理效应技术物理效应是将物理学原理通过一定的结构形式，在工程技术上加是将物理学原理通过一定的结构形式，在工程技术上加以应用。以应用。功能元是指有确定功能的不可功能元是指有确定功能的不可再分解的单元功能。再分解的单元功能。 对总功能进行分解，可得出如下一对总功能进行分解，可得出如下一些分功能：些

20、分功能：容纳衣物和水容纳衣物和水、添加洗涤剂添加洗涤剂、搅动衣物和水搅动衣物和水，控制旋转方向控制旋转方向、时时间和速度间和速度，甩干衣物上的水甩干衣物上的水，排出脏水排出脏水，能量供应能量供应、转化和传递转化和传递、联接与支联接与支承承等。等。 洗洗 衣衣 机机（黑（黑 箱）箱）地基地基湿度湿度温度温度噪噪声声振振动动信息信息能量能量洗涤剂洗涤剂清水清水脏衣物脏衣物显示信号显示信号驱动能驱动能脏水脏水干净衣物干净衣物洗衣机的黑箱示意图洗衣机的黑箱示意图 洗衣机，它的洗衣机，它的总功能是洗涤脏衣物总功能是洗涤脏衣物。 可以用可以用树状图像模型功能图树状图像模型功能图形象地表达功能分解的结果。形

21、象地表达功能分解的结果。 能量运动传递能量运动传递转向控制转向控制转速控制转速控制时间控制时间控制双向旋转双向旋转单向旋转单向旋转波轮旋转波轮旋转搅动衣物和水搅动衣物和水联接与支承联接与支承能量供应与转换能量供应与转换排水排水甩干脱水甩干脱水旋转控制旋转控制添加洗涤剂添加洗涤剂容纳衣物和水容纳衣物和水脏衣物脏衣物的洗涤的洗涤洗衣机的功能结构图洗衣机的功能结构图 联接与支承联接与支承能量转换能量转换能量传递能量传递能量能量搅动脏衣搅动脏衣物和水物和水容纳脏衣容纳脏衣物和水物和水排水排水甩干甩干洗涤剂洗涤剂洗涤剂洗涤剂脏衣脏衣物水物水脏水脏水干净干净衣物衣物信息信息控制控制决策决策调整定时调整定时

22、方向、速度、方向、速度、时间选择时间选择显示显示信号信号按树状功能图还可以作出按树状功能图还可以作出功能结构图功能结构图。如洗衣机的功能结构图如下：。如洗衣机的功能结构图如下： 从树状功能图可看出功能分解的过程，从功能结构图可看出各项功能元从树状功能图可看出功能分解的过程，从功能结构图可看出各项功能元以及分功能之间的结构关系。以及分功能之间的结构关系。 由洗衣机的树状功能图和功能结构图可以看出洗衣机具有的主要分功能：由洗衣机的树状功能图和功能结构图可以看出洗衣机具有的主要分功能：容纳衣物和水（容纳衣物和水（A）、搅动衣物和水（搅动衣物和水（B）、运动传递（运动传递（C）和和控制（控制（D），通

23、过对各个分功能寻找功能载体，便可以做出洗衣机相应的通过对各个分功能寻找功能载体，便可以做出洗衣机相应的形态学矩阵形态学矩阵（用（用其来表示所有可能组成的总体方案）。其来表示所有可能组成的总体方案）。电脑自控电脑自控机械定时机械定时人工控制人工控制齿轮传动齿轮传动带传动带传动超声波超声波电磁振荡电磁振荡机械摩擦机械摩擦陶瓷桶陶瓷桶玻璃钢桶玻璃钢桶塑料桶塑料桶金属桶金属桶D（控制）（控制）C（运动传递）（运动传递）B（洗涤原理）（洗涤原理）A（容纳衣物水）（容纳衣物水）4321功能载体功能载体分功能分功能洗衣机的形态学矩阵洗衣机的形态学矩阵电脑自控电脑自控机械定时机械定时人工控制人工控制齿轮传动齿

24、轮传动带传动带传动超声波超声波电磁振荡电磁振荡机械摩擦机械摩擦陶瓷桶陶瓷桶玻璃钢桶玻璃钢桶塑料桶塑料桶金属桶金属桶D（控制）（控制）C（运动传递）（运动传递）B（洗涤原理）（洗涤原理）A（容纳衣物水）（容纳衣物水）4321功能载体功能载体分功能分功能洗衣机的形态学矩阵洗衣机的形态学矩阵理论上可组合出技术方案：理论上可组合出技术方案：N=4323=72 功能结构图如何建立？功能结构图如何建立？下图是材料试验机的功能结构图的制作过程：下图是材料试验机的功能结构图的制作过程： 材料试验机的总功能：利用力和变形的关系，检验试件的力学性能。材料试验机的总功能：利用力和变形的关系，检验试件的力学性能。建立

25、材料试验机的建立材料试验机的“黑箱黑箱”示意图：示意图：材料试验机材料试验机（黑箱）（黑箱）a a）材料试验机的）材料试验机的“黑箱黑箱”示意图示意图加载能量加载能量试件试件信号信号变形试件变形试件变形能变形能变形信号变形信号力信号力信号噪声噪声振动振动温度温度风力风力 材料试验机的材料试验机的“黑箱黑箱”示意图中，涉及到示意图中，涉及到3个输入元素、个输入元素、4个输出元素以个输出元素以及内、外系统间的相互作用和影响。及内、外系统间的相互作用和影响。b）材料试验机的功能分解图）材料试验机的功能分解图建立材料试验机的功能分解图（初步简单的功能结构图）：建立材料试验机的功能分解图（初步简单的功能

26、结构图）：通过功能分解，可以把材料试验机的总功能分解成通过功能分解，可以把材料试验机的总功能分解成4个主要的分功能：个主要的分功能：把能量转换为力和位移；把能量转换为力和位移；试件加载；试件加载；测力；测力；测变形。测变形。能量转换为能量转换为力和位移力和位移控制信号控制信号加载能量加载能量试件加载试件加载试件试件变形能变形能变形后的试件变形后的试件测变形测变形变形信号变形信号测力测力力信号力信号b）材料试验机的功能分解图）材料试验机的功能分解图能量转换为能量转换为力和位移力和位移控制信号控制信号加载能量加载能量试件加载试件加载试件试件变形能变形能变形后的试件变形后的试件测变形测变形变形信号变

27、形信号测力测力力信号力信号建立材料试验机完善的功能结构图：建立材料试验机完善的功能结构图：c c）材料试验机的功能结构图）材料试验机的功能结构图通过增加分功能进一步完善其功能结构：通过增加分功能进一步完善其功能结构：调节能量的大小；调节能量的大小；装卡装卡试件试件试件试件加载加载变形能变形能变形后变形后试件试件试件试件调节能调节能量大小量大小加载能量加载能量控制信号控制信号能量转能量转换为力换为力和位移和位移各测量值的放大；各测量值的放大； 比较标准值和实际值。比较标准值和实际值。测量值放大测量值放大测力测力测变形测变形力信号力信号变形信号变形信号比较标准值和比较标准值和实际值实际值辅助辅助能

28、量能量标准量标准量试件加载前要装卡；试件加载前要装卡；b）材料试验机的功能分解图）材料试验机的功能分解图能量转换为能量转换为力和位移力和位移控制信号控制信号加载能量加载能量试件加载试件加载试件试件变形能变形能变形后的试件变形后的试件测变形测变形变形信号变形信号测力测力力信号力信号材料试验机的功能结构图材料试验机的功能结构图装卡装卡试件试件试件试件加载加载变形能变形能变形后变形后试件试件试件试件调节能调节能量大小量大小加载能量加载能量控制信号控制信号能量转能量转换为力换为力和位移和位移测量值放大测量值放大测力测力测变形测变形力信号力信号变形信号变形信号比较标准值和比较标准值和实际值实际值辅助辅助

29、能量能量标准量标准量 经过功能分解后，各个分功能或功能元与相应的技术物理效应及功能载经过功能分解后，各个分功能或功能元与相应的技术物理效应及功能载体相对应，得到功能分解图和功能结构图。体相对应，得到功能分解图和功能结构图。 对于像自走式联合收割机等对于像自走式联合收割机等结构过于复杂的机械产品结构过于复杂的机械产品，要用一张图表示，要用一张图表示它的功能结构，不仅绘制困难，而且看起来也显得杂乱无章。这时把它的功能结构，不仅绘制困难，而且看起来也显得杂乱无章。这时把机械系机械系统分解成几个子系统统分解成几个子系统，如把谷物联合收获机分解成：收割系统、脱粒系统、，如把谷物联合收获机分解成：收割系统

30、、脱粒系统、清粮系统、行走系统、传动系统、输送系统、控制系统、支承系统等清粮系统、行走系统、传动系统、输送系统、控制系统、支承系统等8个子系个子系统，统，分别画出各子系统的功能结构图分别画出各子系统的功能结构图，这样可使复杂的问题简化。，这样可使复杂的问题简化。 绘制子系统功能结构图时，可与功能相当的机械系统作比较。对谷物联绘制子系统功能结构图时，可与功能相当的机械系统作比较。对谷物联合收获机的子系统，收割系统与收割机，脱粒系统与脱粒机，清粮系统与清合收获机的子系统，收割系统与收割机，脱粒系统与脱粒机，清粮系统与清选机、行走系统与拖拉机汽车作对比。选机、行走系统与拖拉机汽车作对比。 用形态学方

31、法建立形态学矩阵，可找出所有的组合方案。在做这项工作用形态学方法建立形态学矩阵，可找出所有的组合方案。在做这项工作时，要集思广义，广开言路，避免犯偏听偏信、先入为主、主观片面的错误。时，要集思广义，广开言路，避免犯偏听偏信、先入为主、主观片面的错误。 2功能载体的组合功能载体的组合实现一项功能可采用多种功能载体，这就是机械系统设计的实现一项功能可采用多种功能载体，这就是机械系统设计的多解性多解性。 对机械系统按功能进行分解，对分解出的每一项功能找到可行的功能载对机械系统按功能进行分解，对分解出的每一项功能找到可行的功能载体，将这些功能载体组合起来，就得到了机械系统一系列的总体方案。体，将这些功

32、能载体组合起来，就得到了机械系统一系列的总体方案。引进技术系统一般分两步进行：引进技术系统一般分两步进行：以行走式挖掘机为例，说明机械系统技术方案确定的过程：以行走式挖掘机为例，说明机械系统技术方案确定的过程： 位置位置1的物料的物料 位置位置2的物料的物料能量能量 驱动能驱动能信息信息显示信号显示信号噪声噪声废气废气振动振动温度温度湿度湿度道路道路 行走式挖掘机行走式挖掘机 （黑箱）（黑箱）行走式挖掘机的黑箱示意图行走式挖掘机的黑箱示意图1）作出行走式挖掘机的）作出行走式挖掘机的“黑箱黑箱”示意图。示意图。行走式挖掘机的功能结构图行走式挖掘机的功能结构图2）功能分解：）功能分解：移物移物C（

33、挖掘机移动）（挖掘机移动）放物传动放物传动D（挖掘斗运动）（挖掘斗运动）驱动能驱动能显示信号显示信号信号信号能量能量移物传动移物传动B（将动力传动（将动力传动至行走装置）至行走装置）驱动能驱动能显示信号显示信号信号信号能量能量取物传动取物传动D（挖掘斗的运动）（挖掘斗的运动）驱动能驱动能显示信号显示信号信号信号能量能量放物放物E（堆放）（堆放）（位置（位置2）物料物料取物取物E（挖取）（挖取）（位置（位置1）物料物料行走式挖掘机有行走式挖掘机有3个基本功能：挖取物料、移动物料和堆放物料。个基本功能：挖取物料、移动物料和堆放物料。 由功能结构图可知，行走式挖掘机有由功能结构图可知，行走式挖掘机有

34、5项分功能：动力源项分功能：动力源( (A) )、移位传动、移位传动( (B) )、移物、移物( (C) )、取物传动、取物传动( (D) )、取放物、取放物( (E)()(取物、放物合二为一，用一个功取物、放物合二为一，用一个功能载体实现能载体实现) )。行走式挖掘机的功能结构图行走式挖掘机的功能结构图移物移物C（挖掘机移动）（挖掘机移动）放物传动放物传动D（挖掘斗运动）（挖掘斗运动）驱动能驱动能显示信号显示信号信号信号能量能量移物传动移物传动B（将动力传动（将动力传动至行走装置）至行走装置）驱动能驱动能显示信号显示信号信号信号能量能量取物传动取物传动D（挖掘斗的运动）（挖掘斗的运动）驱动能

35、驱动能显示信号显示信号信号信号能量能量放物放物E（堆放）（堆放）（位置（位置2）物料物料取物取物E（挖取）（挖取）（位置（位置1）物料物料方案总数：方案总数：N=ABCDE=65443=1440钳式斗钳式斗抓斗抓斗挖斗挖斗液压缸液压缸传动传动气缸传动气缸传动绳传动绳传动拉杆拉杆气垫气垫履带履带轮胎轮胎轨道及车轮轨道及车轮液力耦液力耦合器合器链传动链传动带传动带传动蜗杆传蜗杆传动动齿轮传动齿轮传动气动马达气动马达液动机液动机透平机透平机柴油机柴油机汽油机汽油机电动机电动机挖掘机的形态学矩阵挖掘机的形态学矩阵E(取放物取放物)D(取放物传动取放物传动)C(移位移位)B(移物传动移物传动)A(动力源

36、动力源)654321功能载体功能载体分功能分功能A3 +B4+C3+D2+E1柴油机柴油机 链传动链传动 履带履带 绳传动绳传动 挖斗挖斗 3）作出挖掘机的形态学矩阵：）作出挖掘机的形态学矩阵：履带式挖掘机履带式挖掘机A5+B5 + C2 + D4 + E2 对那些合理的可行方案，应进行综合评价。可从对那些合理的可行方案，应进行综合评价。可从物理学相容原理物理学相容原理、技术技术经济效益经济效益、功率功率、速度速度、尺寸等功能参数方面尺寸等功能参数方面，对这些方案进行，对这些方案进行复核、检验、复核、检验、评审评审，从中找出几个较好的方案。，从中找出几个较好的方案。 对于对于像自走式联合收获机

37、这类像自走式联合收获机这类比较复杂比较复杂的机械产品的机械产品，如果对整机采用一，如果对整机采用一个形态学矩阵，就过于庞大了，这时个形态学矩阵，就过于庞大了，这时可可分别分别建立各子系统的形态学矩阵，考建立各子系统的形态学矩阵，考虑各子系统的方案，然后再虑各子系统的方案，然后再综合综合成整个机械产品的方案成整个机械产品的方案。 通过形态学矩阵得到的某一些方案，可能没有实际意义，甚至有一些功通过形态学矩阵得到的某一些方案，可能没有实际意义，甚至有一些功能载体无法匹配，所以应首先舍去那些不合理或没有实际意义的方案。能载体无法匹配，所以应首先舍去那些不合理或没有实际意义的方案。液压轮胎式挖掘机液压轮

38、胎式挖掘机液动机液动机 液力耦合器液力耦合器 轮胎轮胎 液压缸传动液压缸传动 抓斗抓斗( (二二) )确定系统边界确定系统边界系统边界是技术系统功能范围的界限，即内部系统与外部系统的分界系统边界是技术系统功能范围的界限，即内部系统与外部系统的分界。 外部环境的温度、湿度、尘埃、振动、噪声、外部输入能量的稳定性等外部环境的温度、湿度、尘埃、振动、噪声、外部输入能量的稳定性等因素，都会影响或干扰技术过程的转化；同样，技术过程的转化也会影响外因素，都会影响或干扰技术过程的转化；同样，技术过程的转化也会影响外部环境。部环境。是否对这些影响和干扰进行控制，就涉及到系统的边界是否对这些影响和干扰进行控制，

39、就涉及到系统的边界。 1 1人参与技术系统的程度人参与技术系统的程度 人参与技术系统的程度涉及到人参与技术系统的程度涉及到操纵系统操纵系统和和控制系统控制系统的功能。有许多分功的功能。有许多分功能如机床加工机械零件时，被加工工件的定位、夹紧、移位、调整和测量等能如机床加工机械零件时，被加工工件的定位、夹紧、移位、调整和测量等分功能可以分功能可以由人完成由人完成也可也可由机械系统完成由机械系统完成。人和机械系统的不同分工，就体。人和机械系统的不同分工，就体现了机械系统的机械化和自动化程度，人参与程度不同，机械系统的复杂程现了机械系统的机械化和自动化程度，人参与程度不同，机械系统的复杂程度和成本也

40、不相同。度和成本也不相同。2 2外部系统和内部系统的相互影响外部系统和内部系统的相互影响确定系统的边界时应考虑下面两个因素：确定系统的边界时应考虑下面两个因素：六、确定基本结构布局六、确定基本结构布局 技术方案确定后，功能载体的组合关系就明确了，但结构元件在空间的技术方案确定后，功能载体的组合关系就明确了，但结构元件在空间的相互位置还可以进行不同的处理，即相互位置还可以进行不同的处理，即相同的功能载体关系，可以构成不同的相同的功能载体关系，可以构成不同的结构布局结构布局。 发动机发动机A后置后置；驾驶台驾驶台B在发动机前侧、左方；在发动机前侧、左方；粮箱粮箱C前置；前置；脱粒机顶盖脱粒机顶盖D

41、在粮箱在粮箱C下方。下方。优点：对发动机尺寸没有限制，发动机优点：对发动机尺寸没有限制，发动机工作条件好，保养空间大，适合布置尺工作条件好，保养空间大，适合布置尺寸大的发动机。寸大的发动机。结构特点：结构特点：缺点：检查保养发动机，需从尾部爬上缺点：检查保养发动机，需从尾部爬上顶盖；粮箱尺寸受限制。顶盖；粮箱尺寸受限制。发动机发动机A前置前置；驾驶台驾驶台B在粮箱在粮箱C的前方、发动机左侧；的前方、发动机左侧；脱脱粒粒机顶盖机顶盖D在粮箱在粮箱C下方。下方。优点：发动机靠近驾驶台，保养维护发动优点：发动机靠近驾驶台，保养维护发动机方便。机方便。结构特点：结构特点：缺点：发动机尺寸受限制，驾驶员

42、受发动缺点：发动机尺寸受限制，驾驶员受发动机影响，有振动、噪声和高温。机影响，有振动、噪声和高温。发动机发动机A后置；后置；粮箱粮箱C位于发动机位于发动机A与驾驶台与驾驶台B之间之间；脱脱粒粒机顶盖机顶盖D在粮箱在粮箱C下方。下方。优点：发动机尺寸不受限制，发动机工作优点：发动机尺寸不受限制，发动机工作条件好，保养空间大；由于粮箱条件好，保养空间大；由于粮箱C的隔离的隔离作用，发动机的振动、噪声和高温对驾驶作用，发动机的振动、噪声和高温对驾驶员影响较小。员影响较小。结构特点：结构特点：缺点：保养发动机要从侧面或后面爬上，缺点：保养发动机要从侧面或后面爬上，较困难。较困难。驾驶台驾驶台B前置；前

43、置； 2）短头式短头式：发动机一小部分伸入驾驶室之下。优点：可以改善驾驶员的：发动机一小部分伸入驾驶室之下。优点：可以改善驾驶员的视野，减小轴距和车的长度，改善机动性，减轻自重。缺点：发动机保养不视野，减小轴距和车的长度，改善机动性，减轻自重。缺点：发动机保养不方便，发动机工作产生的噪声、振动和高温对驾驶员有影响。方便，发动机工作产生的噪声、振动和高温对驾驶员有影响。载重汽车的载重汽车的发动机与驾驶室发动机与驾驶室相对位置有相对位置有3种三种方案（型式）：种三种方案（型式）： 1）长头式长头式：驾驶室在发动机之后。优点：保养发动机方便；缺点：驾驶：驾驶室在发动机之后。优点：保养发动机方便；缺点

44、：驾驶员的视线受影响，车辆的轴距和长度较大，机动性不好，自重较大。员的视线受影响，车辆的轴距和长度较大，机动性不好，自重较大。 3）平头式平头式：发动机在驾驶室之下。优点：驾驶员视野开阔，车辆的轴距：发动机在驾驶室之下。优点：驾驶员视野开阔，车辆的轴距和长度小，机动性好，自重轻。缺点：保养发动不方便，驾驶员受发动机工和长度小，机动性好，自重轻。缺点：保养发动不方便，驾驶员受发动机工作产生的噪声、振动、高温的影响。作产生的噪声、振动、高温的影响。 1）发动机前置发动机前置：发动机在车箱之前。优点：操纵简单，发动机冷却条件：发动机在车箱之前。优点：操纵简单，发动机冷却条件好，保养维修方便。缺点：车

45、箱里噪声大，有油烟味和热气，车辆的面积利好，保养维修方便。缺点：车箱里噪声大，有油烟味和热气，车辆的面积利用较差。用较差。大型客车大型客车发动机与车箱发动机与车箱的相对位置有的相对位置有3种方案：种方案： 2）发动机中置发动机中置：发动机在车箱中下方。优点：车内噪声小，条件好，乘：发动机在车箱中下方。优点：车内噪声小，条件好，乘坐舒适，驾驶员视野开阔。缺点：发动机保养维修困难。坐舒适，驾驶员视野开阔。缺点：发动机保养维修困难。 3）发动机后置发动机后置：发动机在车箱之后，横置或者纵置。优点：车内噪声小，：发动机在车箱之后，横置或者纵置。优点：车内噪声小，条件好，乘坐舒适，驾驶员视野开阔。缺点：

46、操纵困难。条件好，乘坐舒适，驾驶员视野开阔。缺点：操纵困难。七、方案评价七、方案评价( (一一) )方案评价的方案评价的目的目的和和内容内容( (二二) )方案评价的方案评价的指标体系指标体系、评价原则评价原则和和权重分配权重分配( (三三) )方案方案评价方法评价方法（自学）（自学） 在进行总体设计时，不仅要考虑内部系统，而且要考虑内部系统与外部在进行总体设计时，不仅要考虑内部系统，而且要考虑内部系统与外部系统的联系，使内部系统与外部系统相协调和适应，以求设计得更加完善。系统的联系，使内部系统与外部系统相协调和适应，以求设计得更加完善。2-2 2-2 机械系统的总体设计机械系统的总体设计 总

47、体设计总体设计是机械系统设计第是机械系统设计第3阶段阶段内部设计阶段的内部设计阶段的主要部分主要部分，是以后，是以后进行系统技术设计的进行系统技术设计的依据依据。总体设计总体设计必须在方案设计基础上进行。必须在方案设计基础上进行。总体设计的内容总体设计的内容 1总体布置设计；总体布置设计；2确定主要的总体参数；确定主要的总体参数； 3绘制总体设计图样；绘制总体设计图样； 4编制总体设计报告及技术说明书等文件。编制总体设计报告及技术说明书等文件。( (一一) )总体布置设计的基本要求总体布置设计的基本要求 一、总体布置设计一、总体布置设计总体布置设计的目的：总体布置设计的目的：确定各零、部件的相

48、互位置和运动关系确定各零、部件的相互位置和运动关系。总体布置设计的原则：总体布置设计的原则：简单简单、合理合理、经济经济。 总体布置设计的顺序：先布置执行系统，再布置传动、操纵及支承系统总体布置设计的顺序：先布置执行系统，再布置传动、操纵及支承系统等，最后布置动力和控制系统。要等，最后布置动力和控制系统。要从粗到细从粗到细，由简而繁由简而繁，经多次反复修改，经多次反复修改，才能最后确定。才能最后确定。 机械系统各零部件布置的合理与否，对机械系统的工艺过程有很大影响，机械系统各零部件布置的合理与否，对机械系统的工艺过程有很大影响，对工作条件较恶劣，工作状况较复杂的机械系统影响更大。对工作条件较恶

49、劣，工作状况较复杂的机械系统影响更大。1保证工艺过程的连续和流畅保证工艺过程的连续和流畅 保证机械系统内部的能量流、物料流和信息流的保证机械系统内部的能量流、物料流和信息流的流动途径合理流动途径合理，各零部，各零部件运动时件运动时不产生干涉不产生干涉，是对机械系统总体布置的首要要求。，是对机械系统总体布置的首要要求。 有些机械系统完成不同作业，有多种工作状况，质心位置会发生变化，有些机械系统完成不同作业，有多种工作状况，质心位置会发生变化，此时应考虑最危险状况，必要时要留出加配重的位置。此时应考虑最危险状况，必要时要留出加配重的位置。 以谷物联合收获机为例，从谷物被割倒到进入脱粒滚筒，直至谷粒

50、进入以谷物联合收获机为例，从谷物被割倒到进入脱粒滚筒，直至谷粒进入粮箱，桔杆、颖壳及其它杂物排出，都应运行连续流畅，不能粮箱，桔杆、颖壳及其它杂物排出，都应运行连续流畅，不能堵塞堵塞和和断挡断挡。 载重汽车，若货箱与驾驶室后壁间的距离太小，当汽车紧急制动时，会载重汽车，若货箱与驾驶室后壁间的距离太小，当汽车紧急制动时，会引起两者相互撞击或摩擦。引起两者相互撞击或摩擦。2降低质心高度，减小偏置降低质心高度，减小偏置 为保证机械系统能平衡、稳定地工作，就应当尽量使机械系统的为保证机械系统能平衡、稳定地工作，就应当尽量使机械系统的质心高质心高度较低，尽量相对于支承对称布置度较低，尽量相对于支承对称布

51、置，这对于，这对于行走式机械和工程机械行走式机械和工程机械尤为重要。尤为重要。 因此，进行总体布置设计时，因此，进行总体布置设计时，零部件运动产生的惯性力零部件运动产生的惯性力，弹性变形以及弹性变形以及过载变形等影响过载变形等影响，应充分考虑。，应充分考虑。 清粮机构中的筛子距发动机较近，发动机工作过程产生的振动会影响筛清粮机构中的筛子距发动机较近，发动机工作过程产生的振动会影响筛子正常工作，从而影响清粮效果。子正常工作，从而影响清粮效果。3保证精度、刚度及抗振性的要求保证精度、刚度及抗振性的要求 以机床为例，以机床为例，机床的总体布置对机床的精度有较大的影响机床的总体布置对机床的精度有较大的

52、影响。为能加工出。为能加工出一定精度的零件，机床车身要具有更高的几何精度、传动精度和动态精度。一定精度的零件，机床车身要具有更高的几何精度、传动精度和动态精度。 对机械系统对机械系统传动系统传动系统，为提高传动精度，在总体布置时，应，为提高传动精度，在总体布置时，应合理安排传合理安排传动顺序动顺序，应，应简化或缩短传动链简化或缩短传动链。 机械产品的刚度不足或抗振性不好，也会使机械产品不能正常工作，使机械产品的刚度不足或抗振性不好，也会使机械产品不能正常工作，使机械产品的动态精度降低。机械产品的动态精度降低。 机床的床身，如果其刚度不足或抗振性不好，机床的加工精度会降低。机床的床身，如果其刚度

53、不足或抗振性不好，机床的加工精度会降低。床身用床身用整体式铸造结构整体式铸造结构或或框架式焊接结构框架式焊接结构，来提高其刚度和抗振性。，来提高其刚度和抗振性。 对机械系统的对机械系统的执行系统执行系统，应尽量使，应尽量使振动源远离执行系统振动源远离执行系统，采用，采用分离驱动分离驱动的方法，把电动机和变速箱、主轴箱分置，用有缓冲减振的传动装置将它们的方法，把电动机和变速箱、主轴箱分置，用有缓冲减振的传动装置将它们联接起来，就可使振源与执行系统隔开。联接起来，就可使振源与执行系统隔开。 在总体布置设计时，不仅要解决眼前存在的问题，还应有发展的眼光，在总体布置设计时，不仅要解决眼前存在的问题，还

54、应有发展的眼光，要要考虑变型设计或系列设计的可能性考虑变型设计或系列设计的可能性，要注意产品更新换代的适应性问题要注意产品更新换代的适应性问题。如设计一台木工锯床，要考虑，以后可发展成能锯、钻、刨、铣的组合机床，如设计一台木工锯床，要考虑，以后可发展成能锯、钻、刨、铣的组合机床，在总体布置设计及传动系统、机架设计上采取一些措施，是很有意义的。在总体布置设计及传动系统、机架设计上采取一些措施，是很有意义的。 4充分考虑产品系列化的发展的要求充分考虑产品系列化的发展的要求5结构紧凑、层次分明结构紧凑、层次分明 机械产品结构紧凑，可机械产品结构紧凑，可节省空间节省空间，减少零部件减少零部件，提高产品

55、的可靠性和经提高产品的可靠性和经济性济性，并，并为总体造型设计创造条件为总体造型设计创造条件。 机械产品布局设计层次分明，这样机械产品布局设计层次分明，这样便于安装便于安装、调试调试、维修维修、保养保养。 以车床为例，电动机、床头箱、溜以车床为例，电动机、床头箱、溜板箱、尾座分别设计成独立部件，将它板箱、尾座分别设计成独立部件，将它们安装在床身上，就做到们安装在床身上，就做到层次分明层次分明，安，安装、调试、维修、保养方便。装、调试、维修、保养方便。 电动机电动机电动机电动机执行构件执行构件工件、刀具工件、刀具 以四工位专用机床为例，把电动机、传动部件、操纵控制部件安装在支以四工位专用机床为例

56、，把电动机、传动部件、操纵控制部件安装在支承大件之内，就可作到承大件之内，就可作到结构紧凑结构紧凑，节省空间，外观也较好看。，节省空间，外观也较好看。 机械产品还有许多要调整的部位机械产品还有许多要调整的部位，在总体布置设计时，在总体布置设计时，要考虑调整的方要考虑调整的方便便。如谷物联合收获机的脱粒滚筒与凹板间的间隙要随作物情况及外界环境。如谷物联合收获机的脱粒滚筒与凹板间的间隙要随作物情况及外界环境的情况变化能够进行调整，同时还要注意使的情况变化能够进行调整，同时还要注意使调节机构简单实用调节机构简单实用，把调节部位，把调节部位布置在便于操作的地方。布置在便于操作的地方。 6使机械系统操纵

57、、维修和调整方便使机械系统操纵、维修和调整方便 机械系统的操纵件和控制装置的布置应使操纵者感到方便舒适，减少操机械系统的操纵件和控制装置的布置应使操纵者感到方便舒适，减少操纵时的脑力和体力消耗。纵时的脑力和体力消耗。 在总体布置设计时，还应考虑维修方便的要求。在总体布置设计时，还应考虑维修方便的要求。经常要维修的部位要布经常要维修的部位要布置机器的外部便于维修处置机器的外部便于维修处。P25图图2-6所示的谷物联合收获机的发动机、驾驶所示的谷物联合收获机的发动机、驾驶室、粮箱布置，发动机要经常维修和保养，一定要考虑保养空间，满足保养室、粮箱布置，发动机要经常维修和保养，一定要考虑保养空间，满足

58、保养的工作条件。的工作条件。7外形美观外形美观 机械产品的外观是对用户的第一印象，是用户购买时要考虑的主要因素机械产品的外观是对用户的第一印象，是用户购买时要考虑的主要因素之一。之一。机械产品的外形、色彩和表现特征应符合美学原则机械产品的外形、色彩和表现特征应符合美学原则，并要，并要适应产品的适应产品的特点和销售地区的时尚特点和销售地区的时尚。 在总体布置上应使各零部件的在总体布置上应使各零部件的组合匀称协调组合匀称协调，符合一定的比例关系符合一定的比例关系，前前后左右的轻重关系要对称和谐后左右的轻重关系要对称和谐，有稳定感和安全感有稳定感和安全感，否则用户就不敢购买。，否则用户就不敢购买。

59、机械产品的色彩要适应产品的特点机械产品的色彩要适应产品的特点，比如家用电冰箱应采用冷颜色，给，比如家用电冰箱应采用冷颜色，给人的感觉是冷和干净，而在农田作业的拖拉机，色彩要醒目。人的感觉是冷和干净，而在农田作业的拖拉机，色彩要醒目。 机械产品的外形轮廓机械产品的外形轮廓最好由直线或光滑的曲线构成，要有灵感和整体感。最好由直线或光滑的曲线构成，要有灵感和整体感。轿车的外形轮廓在这方面的要求特别高。轿车的外形轮廓在这方面的要求特别高。(二二)绘制总体布置图绘制总体布置图 总体设计阶段，对各候选方案要画出总体布置图。总体设计阶段，对各候选方案要画出总体布置图。 总体布置图要按照总体布置图要按照“执行

60、系统执行系统传动系统、操纵系统及支承系统传动系统、操纵系统及支承系统动力动力系统和控制系统系统和控制系统”的思路来进行。同时，机械系统的总体布置图很难一次完的思路来进行。同时，机械系统的总体布置图很难一次完成，要成，要由简到繁由简到繁、由子系统到整机由子系统到整机、由草图到正式图由草图到正式图逐渐完成。逐渐完成。 利用总体布置图不仅可以利用总体布置图不仅可以确定确定整机的布置型式和主要尺寸整机的布置型式和主要尺寸，也可以基本，也可以基本确定确定各部件的基本型式和特性参数各部件的基本型式和特性参数，主要零部件的尺寸主要零部件的尺寸、质量及其加工要求质量及其加工要求等数据，还可以根据该图进行等数据