机械系统设计概述 -

MechanicalSystemDesign机械系统设计概述Introduction本章内容：系统的含义和特性；机械系统的定义、构成和功能要求；机械系统设计的基本思想和特点；机械系统设计的任务；机械系统设计的一般过程。本章重点：机械系统的定义、构成和功能要求；机械系统设计的任务；机械系统设计的一般过程。一、机械、系统、机械系统（1）系统：由具有特定功能的、相互间具有有机联系的许多

要素构成的一个整体。2.系统（system）1.机械(machine)：关于机械的定义，目前尚无严格的定论，一般可归纳为：须由两个以上的零、部件组成；这些零、部件的运动部件，应按设计要求作确定的运动；将外来的能源转变为有用的机械功。机械产品：汽车、拖拉机、机床、钟表……系统由相互联系的要素组成系统与环境发生关系，不是孤立的两重含义柔性制造系统的加工组成和结构要素（element）：就是构成系统的各组成部分，是分析研究对象的具体单元。又称单元或元素。系统功能：系统对外部环境联系的效能和有利的作用。系统结构：系统内部各要素相互联系的方式和作用秩序。子系统：组成系统的每个要素，或组成大系统的每个小系统。内部系统：研究对象本身构成的系统。例：机械产品。外部系统：与研究对象有关的事物构成的系统。全系统：将内部系统与外部系统合并一起。系统结构具有层次性。系统可以根据需要划分若干子系统，子系统还可以继续划分直至系统要素。系统通过边界与周围环境或其他系统相分离，并通过输入量和输出量与外界相联系。子系统1平面分解子系统2子系统3子系统4

系统子系统1子系统1-1分级分解子系统2子系统3子系统1-2子系统2-1子系统2-2子系统3-1子系统3-2子系统3-3

系统子系统3子系统1子系统2子系统4子系统4子系统4-1子系统4-2子系统5-1子系统5-2组合分解内部系统部系统外部系统外输入1输入2输入3输出2输出1输出3内部系统输入1输入2输入3输出1输出3输出2

内部系统和外部系统的输入与输出例：人－机－环境。（操作者+机器+运行空间）图a，内部系统与外部系统的联系（相互作用和影响）图b，c外部系统的输出=内部系统的输入；内部系统的输出＝外部系统的输入。内部系统：研究对象本身构成的系统。例：机械产品。外部系统：与研究对象有关的事物构成的系统。全系统：将内部系统与外部系统合并一起。整体性

要素服从整体功能；要素联系不能分割。相关性

系统的要素之间、要素与系统之间、系统与环境之间形成特定的结构关系，包括入与出关系、层次联系、排列组合形式等。系统是要素与结构的统一。

目的性

实现特定的功能是系统存在的目的。是系统价值的体现。自组织性与动态性（环境适应性）

环境是变化的，系统是动态的，以使系统具有良好的运行状态。优化原则

系统通过要素的重组、自调节活动，达到系统在一定环境下的最佳结构。（2）系统的特性3.机械系统（Mechanicalsystem）（1）机械系统：由若干个零、部件及装置组成的，彼此间有机联系，并能完成特定功能的系统。内部系统部系统外部系统外输入1输入2输入3输出2输出1输出3内部系统输入1输入2输入3输出1输出3输出2

内部系统和外部系统的输入与输出（2）机械系统的构成物料流系统：直接与物料接触且使物料发生形状和状态变化的部分。能量流系统：提供能量、转换能量和传递能量的部分。信息流系统：对系统内的信息和指令进行处理的部分。动力装置传动装置供料输送（储存、搬运）物料流系统能量流系统信息流系统控制装置操纵装置操作者机械系统边界定位（装夹）执行装置

机械运动系统

传动系统

执行系统

操纵系统物料流系统中的执行装置能量流系统中的传动装置信息流系统中的操纵装置操纵系统n控制系统支承系统n行走系统动力系统传动系统执行系统安全系统冷却系统润滑系统计数系统机器基础U道路、轨道（固定式机械）（移动式机械）机械系统边界根据机械系统的功能要求，还可有润滑、冷却、计数、行走、转向、安全等系统。

动力系统：是机械系统工作的动力源执行系统：是系统的执行输出部分传动系统：把运动和动力由动源传递给执行系统的中间环节操纵、控制系统：使前三者协调动作和运行支承系统：支承和联系各机件传动系统有下列主要功能：a.减速或增速

把动力机的速度降低或增高，适应执行系统工作的需要。b.变速

实现有级变速或无级变速，满足执行系统多种速度的要求。c.改变运动规律或形式

改变动力机的均匀连续转动，满足执行系统的运动要求。d.传递动力

供给执行系统完成预定任务所需的功率、转矩或力。当动力机能量的输出形式完全符合执行系统工作的要求时，可以省略传动系统。传动系统：把动力机的动力和运动传递给执行系统的中间装置。操纵系统：通过人工操作以实现上述要求的装置，通常包括起动、离合、制动、变速、换向等装置；控制系统：通过人工操作或测量元件获得的控制信号，经由控制器，使控制对象改变其工作参数或运行状态而实现上述要求的装置，如伺服机构、自动控制装置等。操纵系统和控制系统

操纵系统和控制系统都是为了使动力系统、传动系统、执行系统彼此协调运行，并准确可靠地完成整机功能的装置。二者的主要区别支承系统

它是用于安装和支承动力系统、传动系统、执行系统、操纵系统和控制系统等，是机械系统中必不可少的部分。它包括基础件（如床身、底座、立柱等）和支承件（如支架、箱体等），又统称为机架。

机械系统主要依靠支承系统来保证承载能力、各部件之间的相对位置精度、运动部件（如工作台、刀架等）的运动精度。不同的机械系统对支承系统的性能（如刚度、支承面之间的相对位置精度等）有不同的要求。例1：汽车组成示意图。这里发动机是动力系统；从发动机到四个车轮之间的各种齿轮、离合器、变速机构等是传动系统；四个车轮则是执行系统（也是行走系统）；它们都固定在汽车的底盘上，同时汽车的壳体、座位也固定在底盘上，所以底盘是汽车的支承系统；而方向盘、操纵杆和加速、停车踏板则是操纵系统；另外，还有电路系统、供油系统、制动系统、冷却系统、润滑系统。现代汽车还装有防滑控制系统，由防抱死制动系统ABS(Anti-LockBrakeSystem)和驱动力控制系统TCS(TractionControlSystem)组成。ABS作用是在汽车制动时，防止车轮抱死及在路面上滑拖。TCS在驱动过程中(特别是在起步、加速和转弯过程中)，防止车轮滑转。ABS/TCS提高了汽车制动和驱动过程中的方向稳定性、转向控制能力、缩短制动距离和加速性能。例2：将自行车作为一个系统来分析，各零件就是系统要素，要素间通过一定的联接关系构成部件，各部件按串联、并联或反馈关系组成系统。其边界条件是使用人和骑车环境，系统输入是骑车人及其自力，输出是得到前行方向和速度的骑车人。从输出与输入的差异和关系可分析出系统的功能，自行车系统的功能是用自力使人得到前进的方向和速度。当人们把机械、设备、仪器看作一个系统时，首先考虑系统的总功能，即输入－输出关系。由图可以看出，自行车系统除支架外，可以划分为驱动和控制两部分。

驱动控制支架变速转向制动转动输出输入自行车系统4.现代机械系统的功能要求运动要求：如：速度、加速度、转速、调速范围、行程、运动轨迹以及运动的精确性等动力要求：传递的功率、转矩、力、压力等。可靠性和寿命要求：机械和零部件执行功能时的可靠性和寿命，零部件的强度、硬度、耐磨性等。安全性：强度、刚度、热力学性能、摩擦学性能、振动稳定性、系统工作的安全性及操作人员的安全性等。体积和重量精度：运动精度、定位精度等。经济性：机械的设计、制造及使用、维修的经济性。环境保护要求：噪声、振动、防尘、工业三废的处理与排放。产品造型要求：外观、色彩、装饰、人－机－环境的协调性等其他特殊要求二、机械系统设计的任务与过程1.机械系统设计的基本思想在机械系统（热机）设计时不应追求局部（燃料的经济性）最优，而是应该追求整体的最优（燃料的经济性加上热机的可靠性、强度、寿命、尺寸等综合性能）。2.机械系统设计的特点内部设计与外部设计相结合是系统设计的特点⑴机械系统设计特别强调系统的观点：必须考虑整个系统的运行，而不是只关心各组成部分的工作状态和性能。不应只考虑各零部件的工作状态和性能，不能追求局部的最好，而应该在满足系统整体工作状态和性能最好的前提下，确定各零部件的基本要求及它们之间的协调和统一。⑵采用内部设计与外部设计相结合的方法。外部设计：从全系统的概念出发来决定内部系统的要求；内部设计：进行内部系统的设计。

一般先外部设计，后内部设计，才能产生确实好的设计。二者结合，可以使设计尽量做到周密、合理、以获得总体最优化；可以使设计、少走弯路，避免不必要的返工和浪费，以尽可能少的投资获取尽可能大的效益。其技术、经济、社会效果、往往随系统复杂程度的增加而越趋明显。必须搞清外部环境对该机械的作用和影响

在调查研究的基础上，明确市场对该机械的要求(包括功能、价格、销售量、尺寸、质量、工期、外观等)和约束条件(包括资金、材料、设备、技术、人员培训、信息、使用环境、后勤供应、检修、售后服务、基础和地基、法律与政策等)，这些都对内部系统设计有直接影响，不仅影响机械系统的总体方案、经济性、可靠性和使用寿命等指标，也影响具体零部件的性能参数、结构和技术要求，甚至可导致设计失败。不能忽略机械系统对外部环境的作用和影响包括该产品运行中对环境、操作人员及周围其他人员的影响，该产品投入市场后对市场形势、竞争对手的影响，如竞争对手及潜在竞争对手的反映，该市场竞争格局的变化等。3.机械系统设计的任务机械系统设计时，特别强调和重视要从系统的观点出发，合理确定系统功能、增强可靠性、提高经济性、保证安全性。(1)合理确定系统功能V=F/CV（Value）－价值；F（Function）－功能；C（Cost）－成本价值：用来评价功能与成本的统一程度，即产品的价廉物美程度。基本功能辅助功能按功能的性质分使用功能外观功能按功能满足用户要求的性质分基本功能：是用户直接要求的功能，体现了产品存在的基本价值。辅助功能：是为了实现基本功能而附加在产品上的功能，是实现基本功能的手段。为实现同一基本功能可采用不同的辅助功能，辅助功能不同则技术方案也不同。例：为了实现执行构件的直线移动功能(这是产品要求的基本功能)，可以采用曲柄滑块机构、齿轮齿条机构、螺旋机构、气压缸、液压缸、近似直线机构或直线移动电动机等不同的技术方案，各方案所需的辅助功能有很大差别。辅助功能往往不是一个而是一群。使用功能：是能够满足用户使用要求的功能，是体现产品实际使用价值的功能，当然属必要功能。外观功能：是在使用功能基础上，对产品起美化、装饰作用的功能，可以起到增加产品竞争力和吸引顾客的作用。外观功能应服从使用功能，要在保证产品性能好、质量高的基础上，讲究造型、色彩、装饰等功能，为此适当多花费一些成本是必要的，尤其是投向国际市场的产品，更应对外观功能下足够的功夫。对外观功能无要求的产品，如地下管道、海底电缆等，则在外观上的任何费用支出都是多余的。确定现代机械系统功能应遵循的原则：(1)保证基本功能、满足使用功能、剔除多余功能、增添新颖功能、巧用外观功能，(2)降低现实成本，提高功能价值，追求产品的尽善尽美。(2)增强可靠性Concept：产品在规定的条件和规定的时间内完成规定功能的能力。最有效方法：进行可靠性设计，也成概率设计。

可靠性规定的条件产品规定的功能规定的时间失效产品丧失规定的功能。故障对可修复的产品。可靠性：是产品在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力。是衡量产品质量的一个重要指标。产品：泛指单独进行研究和试验考核的对象，可以是整机系统，也可以是零件、部件或装置。规定条件：是对产品进行可靠性考核时所规定的使用条件和环境条件，包括载荷状况、工作制度、应力水平、温度、湿度、尘砂、腐蚀等，也包括操作规程、操作技术、维修方法等，凡是影响产品功能的使用条件和环境条件均需明确规定。规定时间：是对产品可靠性考核时所规定的时间，包括运行时间、应力循环次数、汽车行驶里程等，因为可靠性是时间的函数。规定功能：是对产品考核的具体功能。失效：产品规定功能的丧失。故障：产品规定功能的丧失可修复。可靠性技术：是研究产品发生故障或失效的原因及预防措施的一门技术。提高设计和制造的经济性：合理地确定可靠性要求和安全系数；贯彻标准化（物品标准、方法标准、基础标准）；采用新技术；改善零部件的结构工艺性（铸造工艺性、锻造工艺性、冲压工艺性、焊接工艺性和装配工艺性等）。提高使用和维修的经济性：提高产品的效率；合理地确定经济寿命；提高维修保养的经济性。(3)提高经济性经济性表现在设计、制造、使用、维修乃至回收的全过程中。功能寿命：设备从开始使用至其主要功能丧失而报废所经历的时间；技术寿命：设备从开始使用到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。功能寿命良好的维修适时的技术改造技术寿命经济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。定期维修：即按照规定的维修程序，每隔一定时间进行一次维修，把设备中某些易损件及时进行更换或修复。维修周期主要根据使用经验和统计资料确定。定期维修方式的总维修费用较高

；按需维修：就是采用故障诊断技术，不断地对系统中主要零部件进行特性值的测定，当发现某种故障征兆时就进行更换或修理。总的经济效益较高，但需配备可靠性高的监控和测试装置，所以只在重要的和价格昂贵的机械系统中采用。(4)保证安全性机械系统执行预期功能的安全性（系统本身的安全性）为了避免机械系统由于意外原因造成故障或失效，常需配置过载保护、安全互锁等装置。人－机－环境系统的安全性：人－机安全；环境保护。人－机安全：为了保障操作人员的安全，应有警告，并实行切实有效的保护。如：设置防护罩、防护盖、安全挡板或隔离板等，把危险部位和危险区与人体隔离开。对人体易误入的危险区，必须设置可靠的保护装置或报警装置。人－机安全另一方面的内容是人对机器运行安全性的影响。如美国的AV一8A垂直起落飞机装备部队后，从1973年到1977年的五年中，发生16起事故，其中有11起是由飞行员的操作错误引起的，占68%。因此，如何从总体设计上尽量减少系统的不安全因素，是确保“安全”性的一个非常重要的方面。环境保护：如工业三废（废气、废水、废渣）的治理，除尘，防毒，防暑降温，采光，采暖与通风，放射保护，噪声和振动的控制等。4.机械系统设计的一般过程

机械系统设计过程并没有一个通用的固定的顺序，而须按具体情况确定。根据系统论的原理，任何产品的设计都可看作一个完整的系统。因此，在设计中不仅要研究设计的各个环节，而且要研究各个设计环节间的联系，把全部设计过程按系统化方法联结成一个严密的、符合逻辑规则的整体，以便全面考虑问题，使设计过程科学化。产品规划系统技术设计制造销售了解设计任务，明确设计目的和功能要求。总体设计：分析和确定系统目的和要求，选择工作原理，设计总体方案。（前期试验）技术设计：进行子系统的选型和设计，计算和确定主要尺寸，绘制总图和