方案设计与总体设计(第章)

第二章机械系统的方案设计

和总体设计

第一节机械系统的方案设计原则：研究设计的功能要求，确定机械系统实现功能的工作原理方案，选择工艺原理和技术过程，确定机械运动方案，引进技术系统(功能结构)，分析结构布局，通过评价得到最佳方案。一、研究给定的设计任务对给定的设计任务仔细研究,分析其可行性,提出修改、补充建议，完善设计任务。例:设计减速器,要求传递功率为200KW,输入转速为1500r/min,输出转速为900r/min.主要用于钢厂的送、引风机。例：自走式谷物联合收割机二、设计任务抽象化明确设计任务的简单模型，不考虑具体设计方法，有助于设计创新。如黑箱法设计：对必须根据保证功能而提出限制条件来设计的机械，由于条件的定性和定量要求不同，对系统的主次功能认识不清，可根据输入输出关系，通过黑箱模拟确定设计任务的主要约束条件，通过设计逐步进行功能分析和协调，细化系统结构。确定内部结构，实现输入与输出的转化。系统的输入和输出量一般为物料、能量、信息等。以联合收割机设计为例：功能要求：谷粒与秸杆脱离。输入：带粒秸杆、动力、信号；输出：谷粒、秸杆、信号等。黑箱包括：输送、脱粒、分离、秸杆切割、秸杆收集等子系统。黑箱黑箱自走式谷物联合收获机黑箱个三、确定工艺原理工艺原理:是指完成功能要求的各种物理效应包括物理的、化学的、生物学等自然科学的定理、定律、原理及效应的具体应用。同一物理效应可以实现多种转化。例：杠杆效应可以实现力的放大，也可以实现位移的放大。同一转化可由不同效应和功能结构来实现。例：力的放大和传递可以用杠杆效应的齿轮机构来实现；也可以用摩擦效应的摩擦轮机构来实现。简单的作业，一种工艺原理即可；复杂的作业，需要多种工艺原理来实现。三、确定工艺原理谷物切割机：1、用刀将作物的茎杆切断；2、将切下的作物通过冲击、摩擦和挤压作用使谷粒与谷穗分离；3、利用振动、重力、气流将谷粒、茎杆、谷壳等分离。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实现转化所需流程。流程中规定了每一转化程序的相应功能要求。要求在功能分析和确定工作原理的基础上，进行工艺动作构思和分解，拟订各执行构件动作相互协调配合的运动循环，提出运动方案和运动简图。四、确定技术过程个个四、确定技术过程可2-4五、引进技术系统、确定系统边界技术系统：是实现技术过程的人为系统。设计要求不同，技术系统的组成、功能结构、系统边界不同。有的转化是靠机械来完成的；有的转化是靠人的参与完成的；良好的技术系统应该是机械与人的完美结合。（一）引进技术系统引进技术系统：根据技术过程的要求，确定系统的功能结构。1、功能结构的确定（1）功能分解直至不能再分解的功能元。即找到满意的功能元和相应的功能载体。（一）引进技术系统

功能元：具有确切功能的基本单元。功能载体：实现相应功能的实体结构。（2）功能结构功能的分解和组合关系称为功能结构。根据技术过程的要求，确定系统的功能结构。同级分功能组合起来，应满足上一级分功能要求，最后组成整体应能满足总功能的要求。

1、功能结构的确定（3）建立功能结构图的要求功能结构图的建立是技术系统由抽象转为具体的重要环节，可明确实现系统总功能所需要的分功能、功能元及其顺序关系。分功能、功能元与一定的物理效应及实现结构相对应，可提出实体结构设计方案。要求：a）确定顺序关系；b）分功能和功能元的划分及排列应有理论依据或经验；c）不能漏掉必要的分功能；d）分功能应简单明了，便于确定实体结构。1、功能结构的确定(4)建立功能结构图的步骤a）分析技术过程划定技术系统的边界，确定总功能；b）划分分功能及功能元；c)建立功能结构图；2、功能载体的组合

实现一项功能，可以采用多种不同的功能载体，功能载体的不同组合将得到不同的总体方案。功能组合可用形态学矩阵方法。实现同一总功能的功能载体（结构）可有多种，通过形态学矩阵改变功能载体（结构）组合（变化功能结构图）可开发出新产品。2、功能载体的组合A3+B3+C2+D2+E1---数控机床A1+B1+C1+D1E2---普通车床自行车的形态学矩阵例如：A1+B1+C1+D1+E1---胶皮闸有车架横梁防振型22自行车。A1+B2+C1+D2+E1---胶皮闸有车架横梁24自行车

A2+B3+C2+D1E2---抱闸无车架横梁的防振型26自行车2、功能载体的组合功能载体（结构）组合原则：分析原理相容性、技术可行性、先进性、动力匹配性、尺寸合理性，找出合理可行的组合方案。功能载体（结构）组合途径：1）分功能的进一步分解或组合；2）顺序改变；3）改变连接形式；4）系统边界改变。对复杂的结构，先建立分功能的形态学矩阵，分别考虑局部的设计方案，然后再综合为整体方案。3、将总功能分解为分功能应注意

(1)不同工艺动作的运动规律与机构的关系；(2)同一运动规律与不同机构的关系；(3)同一种功能可用不同的机构来实现；(4)同一种工作原理可用不同的机构及其组合来实现。4、根据机构在运动转换中的功能，机构可分为(1)实现运动变换；(2)运动合成与分解；(3)实现运动轴线位置变换；(4)实现转速变换；(4)实现运动分支、连接、离合、过载保护等其他功能。（二）确定系统的边界边界:是功能范围的界限。要考虑人参与系统的程度和外部环境因素的影响。人参与系统的程度涉及到系统的控制、操纵系统功能，体现自动化程度。自动化程度高，人参与系统的程度减少，可简化结构、提高性能等。六、确定基本结构布局结构布局不考虑具体布置和尺寸参数，确定各结构元件的空间相互位置关系。同样的功能载体组合可以有不同的结构布局。影响系统的外形、总体布局、技术性能。七、方案评价1、评价内容技术性：能否完成系统预定功能要求，技术的可行性、先进性、完美性等；经济性：性能价格比、投入产出比等；外部环境：社会和环境效益、经济发展、环境适应性、资源和能源的利用等。七、方案评价2、评价原则客观性原则：人员不带偏见、资料真实可靠；可比性原则：尽可能采用量化指标或能明确区分程度的文字说明合理性原则：评价指标和尺度要合理，能反映预定的评价目的；整体性原则：评价指标应全面，有代表性，反映系统的整体性能，区分单项指标对整体性能的影响程度。第二节机械系统的总体设计总体设计是技术设计的基础，对系统的性能、尺寸、质量等影响很大。总体设计的内容:总体布置设计;确定总体主要参数;绘制通体设计图;编写总体设计报告书及技术说明书等文件资料。一、总体布局设计

总体布局是指系统的有关零部件在整机中相对空间位置、联系尺寸的合理分配、确定运动动力的传递方式及主要技术参数。即装配图（一）基本要求1、保证工艺过程的连续和流畅：考虑惯性力、变形、误差等影响，保证零部件不发生运动干涉；2、降低质心高度、减小偏置：保证载荷分配、系统稳定性、着附性等，如起重机结构；3、保证精度、刚度、抗振性、热稳定性等要求：简化运动链可提高传动精度，采用框架封闭结构或双立柱对称布置可提高刚度和稳定性；必要时可采用隔振和隔热措施；（一）基本要求4、考虑产品系列化发展要求：主参数应符合标准要求，简化品种提高标准化；5、结构紧凑层次分明：减少空间便于安装调试；6、操作维修调整简便：结合人机系统要求，操作观察维修方便；7、造型合理实用美观：美学要求，匀称协调，有稳定感和安全感；8、提高人机系统整体效益。（二）总体布置图安执行系统----传动系统-----操纵系统---支撑形式等顺序布置。总体布置图基本确定主要零部件的尺寸、加工要求等。先粗----细；由繁---简单；由草图---正规图多种方案设计。分析确定最佳功能结构方案，综合调整各机构尺寸。（二）总体布置图一般步骤：分解总功能、绘制工作循环图、确定执行机构、绘制机构运动简图。（二）总体布置图1、执行系统的布置根据拟定的工艺要求将执行构件布置在预定的位置上，然后布置原动件和中间连接件。1）减少构件的数目和几何尺寸，提高运动精度；2）原动件尽量靠近执行机构；3）连接件和执行构件应考虑作业对象的装夹、传送的便利和安全。（二）总体布置图2、传动系统的布置1）简化传动链：提高可靠性和效率：2）合理安排传动顺序：机构的传动性能对效率、精度、动力学性能有影响。提高降速传动链的传动精度，应尽量增大最后一级传动副的传动比；传递动力时，应尽量减小最后一级传动副的传动比；一般把转换运动形式的机构和传动布置在低速端，与执行机构靠近；传动带布置在高速端，减少摩擦；链传动布置在低速端。3）润滑和密封:可靠便利。油浴、油雾、油循环润滑。（二）总体布置图3、操纵件的布置1）便于操作观察，符合人与环境要求；2）按习惯，相对于操纵人员，被加工的工件应自左向右或顺时针运动、操纵件的运动方向与被加工件运动方向一致、调速手轮顺时针转动为增速；3）设有指示牌；4）对大型复杂设备采用连动装置可以在不同位置实现操纵。（三）总体设计布置示例液力偶合器的总体布局（三）总体设计布置示例（偶合器）K（三）总体设计布置示例（偶合器总图）合乎二、总体主要参数确定1、尺寸参数：总体轮廓尺寸、特性（加工范围、中心高度等）、主要零部件的工作行程、位置、安装尺寸等，用联系尺寸标出。尺寸参数应通过分析计算确定。2、运动参数：执行机构的转速或调速范围。工作速度与工艺过程、条件、生产率有关。调速范围，须考虑工作要求计算。3、动力参数输入功率及机械特性（电机功率），是计算零件承载能力及尺寸的依据。三、绘制总体设计图，编写设计文件总体设计图：总装配图、总体布置图，是零件设计的