第一章机械系统设计绪论

1、机械系统设计机械系统设计东华大学机械工程学院授课教师：马晓建2016.9参考教材：机械系统设计段铁群主编 科学出版社前言前言 传统机械设计：解决运动学、动力学问题传统机械设计：解决运动学、动力学问题 现代机械设计：现代机械设计：解决机解决机、电、光、液一体化复、电、光、液一体化复杂技术杂技术系统的设计系统的设计问题问题 本课程从本课程从整整机和机和整个整个系统的角度阐述机械产品系统的角度阐述机械产品设计规律和特点。设计规律和特点。第一章第一章 绪绪 论论1.11.1机械系统的基本概念机械系统的基本概念1.1.11.1.1机械与机械系统机械与机械系统1.1.系统的含义系统的含义 所谓系统是指具有

2、所谓系统是指具有特定功能特定功能、相互之间具有有机、相互之间具有有机联系的许多联系的许多要素要素构成的一个构成的一个整体整体。（1 1）系统由相互联系的要素构成）系统由相互联系的要素构成 （2 2）系统与环境发生关系）系统与环境发生关系 2.2.机械系统机械系统机械系统的定义：机械系统的定义： 由若干机构、部件、零件组成能完成特定功能由若干机构、部件、零件组成能完成特定功能的的系统系统广义广义机械系统：机械系统： 机械系统机械系统-内部系统内部系统 人和人和环境环境-外部系统外部系统机械系统的组成：机械系统的组成： 动力系统、传动系统、执行系统、操控系统动力系统、传动系统、执行系统、操控系统

3、1.1.2 1.1.2 机械系统的特征机械系统的特征1.1.目的性目的性 完成完成特定功能是机械系统存在的目的，是系统价值的特定功能是机械系统存在的目的，是系统价值的体现体现2.2.整体性整体性 机械系统机械系统由若干个机械子系统构成。系统整体功能的实由若干个机械子系统构成。系统整体功能的实现取决于各要素之间相互影响和综合作用。现取决于各要素之间相互影响和综合作用。 所有所有机械子系统完美机械子系统完美并非并非一定一定能获得完善的机械系统，能获得完善的机械系统，机械系统机械系统强调的强调的是各子系统间的统一和协调性。是各子系统间的统一和协调性。3 3. .相关性相关性 机械系统机械系统内部各子

4、系统之间的有机联系和相互作用。内部各子系统之间的有机联系和相互作用。相关性包括各子系统之间的层次结构、输入输出、子系统性相关性包括各子系统之间的层次结构、输入输出、子系统性质与系统整体性能间的关系。质与系统整体性能间的关系。4. .环境适应性环境适应性 外部环境总是变化的，系统对外部变化的环境和外部环境总是变化的，系统对外部变化的环境和干扰须有良好的适应性干扰须有良好的适应性 任何产品的设计都不是一次完成的，需根据实任何产品的设计都不是一次完成的，需根据实践和新的研究加以改进。践和新的研究加以改进。1.1.3 1.1.3 机械系统的组成机械系统的组成 1 1. .动力系统动力系统 机械系统机械

5、系统的动力源的动力源 一一次动力次动力-把自然界的能源转变为机械能的机械，如把自然界的能源转变为机械能的机械，如内燃机、汽轮机、燃气轮机等。内燃机、汽轮机、燃气轮机等。 二二次动力次动力-把二次能源（电能、液能、气能）转变为把二次能源（电能、液能、气能）转变为机械能的机械，如电动机、液压马达、气动马达等。机械能的机械，如电动机、液压马达、气动马达等。选择动力机应考虑能源条件、执行机械特性，机械系统选择动力机应考虑能源条件、执行机械特性，机械系统的使用环境、工况、操作和维修条件，机械系统对起动、过的使用环境、工况、操作和维修条件，机械系统对起动、过载、调速及运行平稳性要求，应有良好的经济性和可靠

6、性。载、调速及运行平稳性要求，应有良好的经济性和可靠性。 2 2. .执行系统执行系统 执行执行系统包括机械的执行机构和构件，是利用系统包括机械的执行机构和构件，是利用机械能改机械能改变变作业对象的性质、状态、形状或位置，或对作业对象进作业对象的性质、状态、形状或位置，或对作业对象进行检测、度量等的装置。行检测、度量等的装置。3.3.传动系统传动系统 把动力机的动力和运动传递给执行机械的中间装置。 其其功能有功能有：（1）减速或增速，以适应执行系统工作的需要；（2）变速，满足执行系统多种速度的要求；（3）改变运动规律， 连续运动间隙运动 旋转运动直线运动 匀速运动变速运动（4）传递动力，供给执

7、行系统完成任务所需的功率、转矩或力。 4.4.操控系统操控系统 操作系统和控制系统用于协调动力、传动、执行系统，保证准确完成整机功能的装置。 操作系统：操作系统： 通过人工实现上述要求的装置。包括起动、离合、制动、变速、换向等 控制系统：控制系统： 通过经由人工操作或检测元件获得的控制信号，经控制器使控制对象改变其工作参数或运行状态的装置。1.2 1.2 机械系统设计的任务与过程机械系统设计的任务与过程机械系统设计的目的是提供优质、高效、有市场竞争力的产品。产品质量和经济效益取决于设计、制造和管理综合水平，设计是关键。产品质量事故50%由设计造成；产品成本6070%取决于设计。机械系统设计时特

8、别强调和重视从系统观点出发。1.2.1.1 1.2.1.1 机械系统的基本要求机械系统的基本要求所谓“产品”是泛指单独进行研究和实验考核的对象，可以是零件、部件、装置或是整机系统。评价机械产品优良与否，主要根据技术指标和经济指标来综合评价。机械系统一般应具备的基本要求：1.功能要求产品存在的必要性体现为产品的功能属性。产品的复杂程度与其实现的功能密切相关，用户购买产品就是购买产品的功能。按功能性质分按功能性质分： 基本功能-用户直接要求的功能，体现产品存在的基本价值 辅助功能-为改善基本功能而附加在产品上的功能按满足用户要求分按满足用户要求分： 使用功能-满足用户使用要求的功能，是体现产品实际

9、使用价值的功能，属必要功能； 外观功能-对产品起美化、装饰作用的功能，起到增强产品竞争力和吸引顾客的作用。2.性能要求性能是指产品为保证功能的实现而表现出来的技术特征，通常包括工作范围、运动要求、动力性能、精确程度等。3.可靠性要求可靠性可靠性是指产品在规定的工作条件下和的使用时间内能够完成规定功能的能力或概率。是衡量产品质规定量的一个重要指标。可靠性包括产品零部件的可靠性和整机的可靠性。可靠性与产品（零部件）的重要程度、使用寿命和工作条件密切相关。产品（零部件）越重要、使用寿命越长，对可靠性要求越高。但可靠性越高，产品的制造要求成本会越高，可靠性选择要适当。 衡量可靠性的指标衡量可靠性的指标

10、（1）可靠度R(t) 指产品在规定条件下和规定时间内完成规定功能时不发生故障或失效的概率。（2）失效概率F(t) 指产品在规定条件下和规定时间内完成规定功能时发生故障或失效的概率。（3）失效率(t) 指产品工作到某一时刻后，在单位时间内发生失效或故障的概率。也称故障率，常用单位1%/(103h)或1%/(106h)（4）平均无故障工作时间MTBF(Mean Time Between Failures) 指产品在使用寿命期内某段观察期间累计工作时间与故障次数之比，用于衡量可修复产品的可靠性指标。)(1)(tRtF（5）失效前平均工作时间MTTF(Mean Time To Failures) 指发

11、生故障后不能修复的产品从开始使用直至失效的平均工作时间。（6）维修度M(t) 指在规定条件下使用的产品，在规定时间内按规定的程序和方法维修，保持或恢复到能完成规定功能状态的概率。（7）有效度A(t) 可修复产品在规定使用维修条件下，在规定时间内，维持其功能处于正常状态的概率。也称可用率。提高机械系统可靠性的措施提高机械系统可靠性的措施 最有效方法是进行可靠性设计，采取下述一些措施，有助于提高机械系统可靠性：（a）.分析失效，查找原因；（b）.把可靠性设计应用到零件中去（c）.提高维修性（d）.简化结构，提高标准化程度4.工作效率要求工作效率是指产品在单位时间内完成的工作量。工作效率受工作时间和

12、辅助时间的影响，主要取决于工作速度和自动化程度。自动化程度高，单位时间内完成工作量所需时间和辅助时间短-工作效率高。但自动化程度高会带来产品复杂程度高、设计制造困难、产品价格高。产品设计时要综合考虑工作效率。5.适应性要求适应性是指工作状况和环境条件（作业对象、工作负荷、工作速度、环境条件等）发生变化时产品的适应程度。产品适应性应根据产品工作状态和环境要求合理确定。否则会给产品的设计、制造、维护带来困难。6.6. 经济性要求经济型是指单位时间内生产价值与同一时间内使用费用的差值。经济性主要反映在成本上，包括生产成本和使用成本。生产成本由直接成本和间接成本两部分构成直接成本-研究与设计、材料及采

13、购、加工和装配等与生产直接有关的成本；间接成本-管理、销售和佣工、广告、租赁、公用事业、保险、福利和奖励、研究和发展、专利、利息等分摊到该产品的成本。7.寿命要求寿命是指产品保持其应具有的功能和性能的时间。寿命决定了产品正常工作时间产品寿命通常包括三个方面：功能寿命-设备开始使用至主要功能丧失而报废所经历的时间；技术寿命-设备从开始使用至因技术落后而被淘汰所经历的时间；经济寿命-设备从开始使用至继续使用其经济效益变差所经历的时间。通常设备的技术寿命、经济寿命大大短于功能寿命。按成本最低的观点，设备更新的最佳时间应由其经济寿命确定。现代机械的功能要求（1）运动：速度、加速度、转速、调速范围、行程

14、、运动轨迹及运动的精确性等；（2）动力：传递的功率、转矩、力、压力等；（3）可靠性和寿命：机械和零部件执行功能的可靠性、零部件的耐磨性和使用寿命等；（4）安全性：强度、刚度、热力学性能、摩擦学特性、振动稳定性、系统工作的安全机操作人员的安全等；（5）体积和重量：尺寸、重量、功率质量比等；（6）经济性：设计和制造的经济型、使用和维修的经济性等；（7）环境保护：噪声、振动、防尘、防毒、“三废”的排放和治理、周围人员和设备的安全保护；（8）产品造型：外观、色彩、装饰、形体及比例、人-机-环境的协调等；（9）其它：一些特殊机械的的特殊要求。机械系统设计的特点： 机械系统的设计必须考虑整个系统的性能，而

15、不是只关心各组成部分的工作状态和性能。在满足系统整体工作状态和性能最好的情况下，确定各个零部件的基本要求及它们之间的协调和统一。 同时，也必须重视外部环境对该系统的作用和影响。如市场要求（功能、价格、销售量、尺寸、质量、外观等）和约束条件（资金、材料、设备、技术、人员培训、信息、使用环境产、检修、售后服务、基础和地基、法律和政策等）。 内部系统设计与外部系统设计相结合是系统设计的特点！1.2.1.2 1.2.1.2 机械系统机械系统的的任务任务 机械系统设计的任务就是为市场提供优质、高效、价廉物美的产品，在市场竞争中取得优势，赢得用户、并取得良好的经济效益。 机械系统设计时，要做到以下几点：

16、1 1 合理地确定系统功能合理地确定系统功能 一项产品的推出总是以社会需求为前提，没有需求也就没有市场，也就失去了产品存在的价值和依据。社会需求是变化的，不同的时期、不同地点、不同的社会环境都会有不同的需求。 所谓需求就是对功能的需求。确定系统功能时，应当遵守保证保证基本功能、满足使用功能、增清添新颖功能、剔除多余功能基本功能、满足使用功能、增清添新颖功能、剔除多余功能，以降低成本，提高功能价值，力求产品达到物美价廉的境界。 2、增强系统可靠性 可靠性是指产品在规定的条件和规定的时间内完成规定的功能的能力或概率。 增强产品可靠性的方法是进行可靠性设计，也称概率设计 3、提高经济性 机械系统的经

17、济性体现在设计、制造、使用、维护主、维修及回收的全部过程。 （1）提高设计、制造的经济性提高设计、制造的经济性 1）合理确定可靠性和安全系数 2）贯彻标准化 可以大大提高产品的通用性和互换性，加快开发速度、缩短生产准备时间，节约了原材料、提高了产品质量、可靠性和生产率，改善了维修性。 3）采用新技术 4）改善零部件的结构工艺性 （2）提高使用和维修的经济性提高使用和维修的经济性 1）提高产品的效率 减少产品的使用能耗；提高材料的利用率；提高生产效率； 2）合理确定经济寿命 3）提高维修保养的经济性4、保证安全 （1）机械系统执行预期功能的安全性 强度、刚度、稳定性、耐磨性、耐腐蚀性等 （2）人

18、-机-环境的安全性 包括操作人员的安全以及环境的保护等。1.2.2 1.2.2 机械系统的设计类型机械系统的设计类型1.1.开发性设计开发性设计在工作原理、结构等完全未知的情况下，根据用途和功能，应用科技知识和手段进行产品的设计。也称之为创新型设计或原始设计。特点是：设计者需根据产品的用途和功能选择其工作原理，设计产品结构，参考资料少，设计难度大。2.2.适应性设计适应性设计在原有工作原理保持不变的情况下，为使产品适应新的性能或功能需要对其结构进行的调整性设计。3.3.变异设计变异设计在机械系统工作原理和结构形式均不变的情况下，为适应产品某些量值方面的变化要求而对其局部结构或尺寸进行的设计。机

19、械产品设计中，大多是对原有产品进行改造或更新，属于适应性或变异设计的范畴。1.2.3 1.2.3 机械系统的一般设计过程机械系统的一般设计过程现代机械产品应以产品全生命周期的理念进行设计。产品生命周期全过程包括市场需求、产品策划、产品设计、产品制造、产品销售、产品运行和产品报废与回收等阶段。一个好的机械产品首先取决于产品设计。机械系统的一般设计过程可划分为总体设计、技术设计、工作设计和文档设计几部分。1.1.总体设计总体设计总体设计包含拟定设计要求、原理方案设计、结构总体设计。内容包括收集资料，根据产品功能和使用要求提出设计要求（拟定设计任务书）；拟定多套可行的原理方案，进行比较、分析、评价，

20、确定最终可行方案；实现方案的结构化，确定结构总体布置，主要技术参数，绘制产品总体结构图。2.2.技术设计技术设计在总体设计的基础上，对机械产品各子系统（部件和装置）进行机构设计，并进行运动学、动力学分析计算；进行机械结构的详细设计，包括装配设计和计算校核。装配设计应在总体设计的框架下进行，装配设计会对总体设计产生影响，相应调整总体设计。3.3.工作设计工作设计机械产品的全部零件设计工作。4.4.文档设计文档设计产品各类技术文件编制和整理工作。产品设计计算书、各类零件明细表、检验标准、产品使用说明书、产品维修保养说明书及产品各类验收（鉴定）材料等。一般新机械产品的设计不可能一次完善，要经多次反复

21、验证修改，才能逐步达到设计成熟。设计时要尽可能采用新技术、新材料、新工艺。考虑到加工、检验、装配、调试、运输、使用、保养、维修等环节。平时多注意积累。1.3 机械系统设计的发展1.3.1 机械设计的发展简史 1.机械设计起源和直觉设计阶段直觉设计阶段又称古代机械设计阶段，一直延续到17世纪。这一阶段机械的设计与制造两者是统一的，设计多从自然现象中直接得到启示或凭直观感觉来完成，与科学几乎没关系。机械设计制造的目的是减低人类生产、生活中的劳动强度。 2.经验设计阶段这一阶段，机械设计与制造仍然是一体的，机械设计主要依靠前人积累的有限技术知识，凭直观想象和工作经验来完成。物理学、力学、和零散有限的

22、机械学知识开始逐步应用于机械设计。机械设计制造的目的重点是省力和提高劳动效率。 3.理论设计阶段19世纪以后，机械设计逐渐形成独立的理论体系。在这一阶段，加强了机械设计基础理论的研究，逐步形成了完成的机械设计理论体系和设计方法，实现了技术人员与操作者的分离。提供出大量的图册、图表、手册、数据等设计信息。实现了机械产品的系列化、通用化和标准化，提高了机械设计的速度和质量，减低了机械产品的制造成本。 4.现代设计阶段二十世纪40年代开始，人们对新的设计思想、设计方法及创造性设计进行了探索和研究。五六十年代现代设计方法的研究才逐渐引起人们的重视。80年代后现代设计方法的研究出现了高潮，计算机技术的应

23、用进一步促进了现代设计方法的发展。现代设计方法是一种广义的设计和分析方法，是科学方法论在设计中的应用。是在机械强度与振动、摩擦学、腐蚀、可靠性、流体理论、热工学、电工学等知识基础上，综合考虑工业美学、人机工程学、材料学、环境学以及计算机应用技术、现代管理技术等科学知识多学科交叉的综合性技术。现代设计技术包含信息论、控制理论、优化理论、智能理论、寿命理论、离散理论、模糊理论、突变理论和艺术论方法等。其特征可归纳为以下几个方面其特征可归纳为以下几个方面：（1）目标与手段特征：在稳定分析基础上考虑多变量动态特性，以广义优化为目标，运用自动设计工具的设计与分析方法。（2）质量特征：能大幅度提高机械设计

24、的准确性、快速性和稳定性的设计与分析方法（3）哲理特征：以感知、经验、类比为基础，上升为更科学、逻辑和哲理的设计与分析方法。（4）时域特征：今后会继续发展与研究的设计与分析方法。1.3.2 1.3.2 机械系统设计的发展趋势和前沿技术机械系统设计的发展趋势和前沿技术 1 1. .模块化设计模块化设计模块化设计是在产品功能分析的基础上，把产品分解成具有某种功能的一个或几个模块，通过选择和组合这些模块形成不同的机械产品。特征：具备特定功能 连接的通用接口模块化设计可以在开发具有多功能的不同产品时，不必对每种产品的所有部分单独设计，而是精心设计出多种模块，组合成形式不同的产品，以解决产品品种、规格、与设计制造周期、成本之间的矛盾。模块化设计可以提高工作