第十九章机械系统设计综述

第十九章

机械系统设计综述教学目标1、了解机械构思设计方法的基本原理；2、了解机械系统的设计方法和设计程序；3、掌握机械系统传动系统设计4、了解现代设计方法；§19.1机械系统（产品）的构思设计

机械系统（产品）的设计是创造性地建立满足功能要求的技术系统的活动过程。设计的目的是满足社会生产发展不断提出的一定功能要求，从而促进机械系统（产品）的发展。机械系统（产品）的设计工作是影响机械系统（产品）性能、质量、成本和企业经济效益的一项重要工作。

机械产品的性能和质量首先是设计出来的。机械设计是研制新机器和新产品的第一道工序，设计工作的质量和水平，直接关系到机械产品的质量、性能、研制周期长短和技术经济效益，影响机械产品在国内外市场的竞争力。为了适应我国经济建设形式不断发展的需要，必须努力推广和研究发展机械系统（产品），提高设计水平。一、机械系统(产品)的构思设计方法

1、构思设计方法的原理构思设计方法是研究如何合理进行设计思维的科学，是研究解决设计课题进程的一般性理论；一方面研究进程的战略（即进程总路线），另一方面研究各工作步骤相应的战术方法，在总结规律性的同时，启发创造性，采用现代化的先进技术和理论方法，使设计过程完善合理。在机械设计中采用这种方法，能使所设计的机械系统（产品）推陈出新，在质量、经济价值、进程速度等方面有较大改进。1）技术过程和技术系统构思设计方法的理论基础是建立在系统理论的基础之上的。所谓系统就是具有特定功能的、相互间有联系的许多要素构成的一个整体。根据需要，系统可以进一步划分为子系统和系统单元。系统的功能是指具有特定结构的系统，在其内部和外部的联系和关系中表现出来的能够满足需要的特性和能力。设计就是实现既定的功能要求。人类社会发展过程中有各种形式的需要，这些需要可以概括为物料、能量、信号的转换，这一转换过程被称为技术过程。技术过程是一个人工过程，它是在人和技术系统的共同作用下，按照预期的目标实现物料、能量和信号转换的过程。技术系统是设计时分析研究的对象，即机械系统。2）黑箱法（BlackBox）黑箱法是一种寻求系统总功能的创造性思维方法。“黑箱”就是一个未知其内部机理和结构的箱子，“黑箱法”就是将所研究的复杂系统看作一个黑箱，在不打开它的前提下，暂时忽略次要因素，首先集中考虑系统的输入输出关系，通过观测与分析黑箱和外部环境的相互关系，求解待设计系统的功能，从而进一步了解其内部结构的机理。例如：电铃（功能：机械信号变为声音信号）机→黑箱→声发电机（功能：机械能变位电能）机→黑箱→电3）功能分析功能分析是从功能的角度寻找设计问题的解决办法。首先根据设计任务确定系统的总功能，体现在将输入条件转换为系统的输出条件上。总功能确定后，在进行功能分解，将总功能分解为分功能、子功能直到功能元。功能元是最小的功能单位，是可以直接从物理效应、逻辑关系方面找到解法的基本功能单元。例如，拉伸材料试验机的总功能是：试件拉伸、测量力和相应的变形值。可以将总功能分解为功能单元如下图。

4）方案确定及评价方案的确定过程就是功能结构组合过程，也就是将系统的分功能元进行综合得到总功能的过程。由于将各个功能单元的局部解相互组合，可能会产生很多的设计方案。由于设计方案的数目过大，难以逐一进行评价，所以一般需要首先进行筛选，将明显不合适设计方案淘汰，只保留少数几个难以分辨差异（功能性、经济性等）方案功评价决策使用。初步筛选必须遵守以下原则：1）相容性：分功能之间必须相容，否则给予淘汰。2）优先选用主要分功能的最佳解，由该解出发选择与之相容的其它分功能解。3）删除对设计要求、约束条件不满足，或令人不满意的解，如成本高、效率低、污染大、不安全、难加工等。经过以上的筛选可能留下不多的备选方案，此时必须对每个方案进行科学的评价，最终确定我们的设计方案。所谓评价就是对方案的质量、价值或就其某一性质作出说明；所谓决策就是对评价结果或对所提供的某些情况，根据预定目标作出选择或决定，其结果就是拟采用的方案。常用的评价方法有经验评价法、数学分析法和试验评价法三种。当方案不多、问题比较简单时，可以采用经验评价法，即根据评价者的经验，对方案作粗略的定性评价。数学分析法是使用数学工具进行分析、推导和计算得到定量的评价参数作为决策参考，常用的的有名次记分法、评分法、技术经济评价法和模糊评价法等。对于比较重要的方案，用数学分析法计算后仍没有足够把握时，应该通过模拟试验或样机试验对方案进行试验评价，这种方法得到的评价准确，但是代价较高。（我们后面课程技术经济学会涉及这部分内容）§19.2机械系统（产品）的设计方法和程序

一、现代机械系统的组成我们在课程开始时就已经说过：任何现代机械系统，尽管构造和用途繁多，但是其结构组成均包括：原动机、传动系统和工作机构三个部分。此外，为保证机械系统的正常工作，还应有操作装置或控制系统。例如，如图所示的球磨机是由电动机（原动机）驱动齿轮减速器和开式齿轮传动（传动系统）带动内装研磨钢球的滚筒（工作机构）及带有操作装置、控制装置的进料部分、给料部分和出料部分组成。现代机械系统的结构组成如图所示，各部分的作用主要是：1）原动机：是机械系统完成工作任务的动力来源，提供或转换机械能，最常用的为电动机。2）传动系统：是将原动机的运动和动力传给工作机构的中间传动装置，常用的有各种机械传动和液压传动。机械传动系统可用于传递平行轴、相交轴或交错轴间的回转运动和动力，有时也用作运动形式的转换，如将回转运动或摆动变换为往复运动或间歇运动等。机械传动系统的作用是通过减速（或增速）、变速、换向或变换运动形式，将原动机的运动或动力传递并分配给工作机构，使之获得所需的运动形式和生产能力。

3）工作机构：是直接完成生产任务的执行装置，又称执行机构。其结构形式完全取决于机械系统本身的用途。4）操作及控制装置：是操作及控制机械系统各组成部分协调动作并准确可靠地完成工作任务的装置。此外，为了保证机械系统的正常工作和使用寿命，现代机械系统还需要装设一些辅助装置，如冷却、润滑、计数和照明等装置。因此，现代机器的定义应该是：在人或其它智能体的操作和控制下，能实现确定的功能，具有确定运动的机械运动，完成有用的机械功或能量、物料和信息的转换和传递的具有两个以上构件组装而成的装置。二、机械系统(产品)的设计方法及设计程序

机械系统（产品）种类繁多。形式多样、用途各异，但在设计方法上基本相同，大致可以划分为三类：1．理论设计主要是根据一定的科学理论及试验结论进行设计，可以分为设计计算与校核计算两种。设计计算是指根据机械系统中零件运动要求、受力情况、材料性能及失效形式等，用理论公式计算出零件危险剖面的尺寸，然后根据结构与工艺等方面的要求，设计出机械零件的具体结构。校核计算则是参照已有的实物、图纸和经验数据，即根据零件的形状和尺寸，通过理论公式校核其强度是否满足使用要求。2．经验设计是根据现有机械系统在使用中总结出来的经验数据或公式进行设计，或与同类机械系统相类比进行设计。经验设计简便、可靠，避免了繁琐费时的计算过程，是一种实用有效的设计方法。但有时由于缺乏相似形式的机械系统相类比，而使此法受到一定限制。3．模型试验设计对于一些巨大的、结构复杂的重要机械系统，由于往往难以进行可靠的理论设计，可采用模型试验设计。通过模型试验，测定其主要零部件的实际应力分布情况和极限承载能力，并根据试验结果修正初步设计的模型，这样便弥补了理论设计和经验设计的不足。设计一个新的机械系统（产品）是一项复杂细致的工作，要提供性能好、质量好、成本低、竞争能力强、受用户欢迎的新的机械产品，必须有一套科学的工作程序。基本程序如图所示。1）制定设计任务书任务书可以由主管部门指令性下达或由用户提出，也可由设计部门根据需要提出。不论设计任务书是谁提出的，都应由主管部门召开可行性论证会，通过专家评议审查，才能确定设计任务书。设计任务书中应明确规定：产品的名称（代号）、功用、生产率、主要性能指标、可靠性和使用维护要求、工作条件、生产批量、预期成本、设计和制造完成日期以及其它特殊要求等等。2）方案设计（构思设计方法）

根据设计任务书规定的要求，进行充分的调查研究，包括：收集类似产品的技术数据及有关图纸资料；了解国内外的生产状况；了解制造单位的设备、材料供应情况等等，根据产品的性能要求，提出若干个切实可行的方案，召开方案审查会，对方案进行对比分析、可行性分析，必要时还可以进行试验分析，最后选定一种较好的方案。方案设计包括机械产品的整体方案、传动系方案及工作机构选择等等，它是下一步技术设计的基础。方案设计的好，可以说设计成功了一半，如果方案设计不好，将影响设计甚至导致设计的失败。

3）技术设计方案确定之后，为实现设计方案就要进行技术设计，其中包括运动设计、动力设计、结构设计和主要零部件工作能力（强度、刚度、寿命等）设计。这一阶段要完成装配图、零件工作图及编写设计计算说明书等技术文件，它是把设计方案变成技术文件的过程。4）样机试制用技术设计所提供的图纸等技术文件进行样机试制。5）样机测试对试制提供样机进行试验，检测样机是否达到设计要求，发现问题对图纸进行进一步修改。6）技术经济评价进行技术经济评价可以从多种设计方案的比较中找到理想的设计方案，遇到两个评价相似的方案，其中之一技术价值较高，而另一个经济价值较高，这时最好选择技术价值较高的方案。7）修改设计针对样机试验和技术经济评价中暴露的问题，修改原来设计方案，使设计趋于完善。8）生产设计根据修改设计后所得的图纸等技术文件，考虑生产批量，进行工艺流程和工艺装备的设计，以确保产品的性能和质量。9）正式投产按照修改后的技术文件和确定的批量，正式组织生产合格的产品，投放市场。§19.3机械系统原动机的选择一、原动机的运动参数我们知道机械系统都是由原动机驱动的。原动机的运动形式比较单一，现代机械系统多采用作回转运动的原动机，如电动机、内燃机、旋转式液压马达等。电动机具有结构简单、价格便宜、效率高、控制使用方便等优点，所以应有最为广泛。电动机的运动参数为转速（r/min）。当工作机构的转速或移动速度较高时，应选用高转速的电动机。因为这样不但可以减小电动机的尺寸和重量、降低电动机的价格，还能缩短运动链和提高传动系统的机械效率。但是，当工作机构的转速或移动速度很低时，则不应采用高速电动机，否则传动链过长、零件增多、机械效率降低，反而不经济。因此，确定电动机的转速时，应综合考虑电动机的重量、尺寸、价格、机械传动系统的复杂程度以及机械效率等因素。

电动机的主要指标有功率P（kW）、转矩T（Nm）和转速n（r/min），它们之间的关系为：电动机的容量（功率）选择是否合适，会影响到电动机的工作性能和经济性。容量小于工作要求，则不能保证工作机正常工作，或使电动机过早损坏；容量过大，则造成浪费。

选择电动机的容量，以电动机工作时温度升高数值不超过允许值为原则，方法较为复杂。对于静载荷作用下长期运行的电动机，可以选择电动机的额定功率Ped略大于传动系统的输入功率Pd，一般不必验算发热和起动力矩。当工作机构和原动机的运动参数确定以后，就可以计算出运动链的总传动比，然后选择机构和进行机构的组合设计。二、原动机类型的选择

原动机的类型影响机械传动形式和机构类型的选择。例如原动机的运动形式、速度、驱动转矩、调速和制动性能好坏以及可否逆转等一系列因素的不同，都将对机械传动形式和机构类型提出不同要求。因此，首先应选好原动机。机械系统比较常用的几种原动机及主要特点见下表格。电动机的选择，主要根据机械系统的工作环境（温度、湿度、粉尘、酸碱等），工作特点（起动频繁程度、起动载荷大小等等），并考虑各种电动机的特点及供应情况等而选型。在生产中，对于一些不经常起动和无特殊要求的机械系统，应尽量采用三相鼠笼式异步电动机；对于经常起动、制动和正反转的场合（如起重、提升设备），要求电动机具有较大的过载能力和较小的转动惯量，应选用起重及冶金设备用的三相异步电动机。对于野外工作机械、移动式机械及特殊要求的机械可用内燃机、液压马达等作为动力机。§19.4传动系统设计

一、机械系统的传动方案传动装置是将动力机的动力和运动传递给执行装置的中间装置。设计机械传动系统时，首先应根据生产工作需要提出的动作要求，拟定产品的传动方案。一般以传动动力为主的传动称为动力传动，以传动运动为主的传动称为运动传动。机器中采用不同的传动方式构成的传动装置可以起到以下作用：1）改变运动规律，如减速、增速、间歇运动等。2）改变运动形式，将连续的匀速旋转运动变为按某种规律变化的旋转、非旋转的其它运动，如曲柄滑块机构、齿轮齿条机构等。3）实现由一个动力机驱动若干个运动形式和速度各异的驱动机构，如弯曲成型机等。4）传递动力，即将动力机的动力传递给执行机构。5）物料输送，如生产线上的物料输送装置。传动方案是否合适，对机械产品的设计质量具有决定性影响，所以拟定产品的传动系统是设计中至关重要的一环。传动方案与机械产品的工作原理密切相关，而机械产品的工作原理又是多种多样的，即使是完成同一任务，也可以有多种不同的工作原理来完成。例如，加工齿轮可以采用仿形法或展成法。工作原理不同，传动方案不同，即使工作原理相同也可以拟定几种不同方案。因此，在设计机械产品时，应综合考虑各方面因素，对各种传动方案加以比较，选择其中的最佳方案。二、机械传动型式与选择

我们前面已经学习过各种传动方式，这里进行综合回顾。根据不同的传动原理，机械传动可以分为摩擦传动。啮合传动和推压传动三类，见下图。根据传动比能否改变，机械传动可分为固定传动比传动、可调传动比传动和变传动比传动三类。可调传动比又分为有级变速和无级变速。机械传动类型选择关系到整个机械系统的传动方案设计和工作性能参数。1、选择机械传动类型的依据工作机的性能参数和工况；原动机的机械特性和调速性能；对机械传动系统的性能、尺寸、重量和安装布置上的要求；工作环境要求；制造工艺性和经济性要求等。2、选择传动系统的原则1）简化传动环节a）当原动机的功率、转速和运动形式完全符合工作机构的工况要求时，可将原动机的输出轴与工作机构的输入轴用联轴器直接联接。这种方式结构最简单、传动效率也最高。但是当原动机的输出轴与工作机构的输入轴不在同一轴线上时，如两轴平行、相交或交错，就需要采用一定类型的机械传动装置；b）若原动机可调速而工作机构的载荷又变化不大，或者工作机构有调速要求并与原动机调速范围相适应，可采用固定传动比的机械传动装置。c）当工作机构要求的调速范围比较大，而原动机调速的机械特性不能满足要求时，可采用可调传动比的机械传动装置。在满足工作要求的前提下应尽量采用有级变速传动，尽量不用结构复杂、造价较高的无级变速传动。

2）提供机械传动效率a）高速、大功率、长期工作的工况，应选