方案設(shè)計與總體設(shè)計(第章)

第二章機(jī)械系統(tǒng)的方案設(shè)計

和總體設(shè)計

第一節(jié)機(jī)械系統(tǒng)的方案設(shè)計原則：研究設(shè)計的功能要求，確定機(jī)械系統(tǒng)實現(xiàn)功能的工作原理方案，選擇工藝原理和技術(shù)過程，確定機(jī)械運動方案，引進(jìn)技術(shù)系統(tǒng)(功能結(jié)構(gòu))，分析結(jié)構(gòu)布局，通過評價得到最佳方案。一、研究給定的設(shè)計任務(wù)對給定的設(shè)計任務(wù)仔細(xì)研究,分析其可行性,提出修改、補(bǔ)充建議，完善設(shè)計任務(wù)。例:設(shè)計減速器,要求傳遞功率為200KW,輸入轉(zhuǎn)速為1500r/min,輸出轉(zhuǎn)速為900r/min.主要用于鋼廠的送、引風(fēng)機(jī)。例：自走式谷物聯(lián)合收割機(jī)二、設(shè)計任務(wù)抽象化明確設(shè)計任務(wù)的簡單模型，不考慮具體設(shè)計方法，有助于設(shè)計創(chuàng)新。如黑箱法設(shè)計：對必須根據(jù)保證功能而提出限制條件來設(shè)計的機(jī)械，由于條件的定性和定量要求不同，對系統(tǒng)的主次功能認(rèn)識不清，可根據(jù)輸入輸出關(guān)系，通過黑箱模擬確定設(shè)計任務(wù)的主要約束條件，通過設(shè)計逐步進(jìn)行功能分析和協(xié)調(diào)，細(xì)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。確定內(nèi)部結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)輸入與輸出的轉(zhuǎn)化。系統(tǒng)的輸入和輸出量一般為物料、能量、信息等。以聯(lián)合收割機(jī)設(shè)計為例：功能要求：谷粒與秸桿脫離。輸入：帶粒秸桿、動力、信號；輸出：谷粒、秸桿、信號等。黑箱包括：輸送、脫粒、分離、秸桿切割、秸桿收集等子系統(tǒng)。黑箱黑箱自走式谷物聯(lián)合收獲機(jī)黑箱個三、確定工藝原理工藝原理:是指完成功能要求的各種物理效應(yīng)包括物理的、化學(xué)的、生物學(xué)等自然科學(xué)的定理、定律、原理及效應(yīng)的具體應(yīng)用。同一物理效應(yīng)可以實現(xiàn)多種轉(zhuǎn)化。例：杠桿效應(yīng)可以實現(xiàn)力的放大，也可以實現(xiàn)位移的放大。同一轉(zhuǎn)化可由不同效應(yīng)和功能結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。例：力的放大和傳遞可以用杠桿效應(yīng)的齒輪機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)；也可以用摩擦效應(yīng)的摩擦輪機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)。簡單的作業(yè)，一種工藝原理即可；復(fù)雜的作業(yè)，需要多種工藝原理來實現(xiàn)。三、確定工藝原理谷物切割機(jī)：1、用刀將作物的莖桿切斷；2、將切下的作物通過沖擊、摩擦和擠壓作用使谷粒與谷穗分離；3、利用振動、重力、氣流將谷粒、莖桿、谷殼等分離。四、確定技術(shù)過程技術(shù)過程：是按選定的工藝原理確定作業(yè)對象實現(xiàn)轉(zhuǎn)化所需流程。流程中規(guī)定了每一轉(zhuǎn)化程序的相應(yīng)功能要求。要求在功能分析和確定工作原理的基礎(chǔ)上，進(jìn)行工藝動作構(gòu)思和分解，擬訂各執(zhí)行構(gòu)件動作相互協(xié)調(diào)配合的運動循環(huán)，提出運動方案和運動簡圖。四、確定技術(shù)過程個個四、確定技術(shù)過程可2-4五、引進(jìn)技術(shù)系統(tǒng)、確定系統(tǒng)邊界技術(shù)系統(tǒng)：是實現(xiàn)技術(shù)過程的人為系統(tǒng)。設(shè)計要求不同，技術(shù)系統(tǒng)的組成、功能結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)邊界不同。有的轉(zhuǎn)化是靠機(jī)械來完成的；有的轉(zhuǎn)化是靠人的參與完成的；良好的技術(shù)系統(tǒng)應(yīng)該是機(jī)械與人的完美結(jié)合。（一）引進(jìn)技術(shù)系統(tǒng)引進(jìn)技術(shù)系統(tǒng)：根據(jù)技術(shù)過程的要求，確定系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)。1、功能結(jié)構(gòu)的確定（1）功能分解直至不能再分解的功能元。即找到滿意的功能元和相應(yīng)的功能載體。（一）引進(jìn)技術(shù)系統(tǒng)

功能元：具有確切功能的基本單元。功能載體：實現(xiàn)相應(yīng)功能的實體結(jié)構(gòu)。（2）功能結(jié)構(gòu)功能的分解和組合關(guān)系稱為功能結(jié)構(gòu)。根據(jù)技術(shù)過程的要求，確定系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)。同級分功能組合起來，應(yīng)滿足上一級分功能要求，最后組成整體應(yīng)能滿足總功能的要求。

1、功能結(jié)構(gòu)的確定（3）建立功能結(jié)構(gòu)圖的要求功能結(jié)構(gòu)圖的建立是技術(shù)系統(tǒng)由抽象轉(zhuǎn)為具體的重要環(huán)節(jié)，可明確實現(xiàn)系統(tǒng)總功能所需要的分功能、功能元及其順序關(guān)系。分功能、功能元與一定的物理效應(yīng)及實現(xiàn)結(jié)構(gòu)相對應(yīng)，可提出實體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。要求：a）確定順序關(guān)系；b）分功能和功能元的劃分及排列應(yīng)有理論依據(jù)或經(jīng)驗；c）不能漏掉必要的分功能；d）分功能應(yīng)簡單明了，便于確定實體結(jié)構(gòu)。1、功能結(jié)構(gòu)的確定(4)建立功能結(jié)構(gòu)圖的步驟a）分析技術(shù)過程劃定技術(shù)系統(tǒng)的邊界，確定總功能；b）劃分分功能及功能元；c)建立功能結(jié)構(gòu)圖；2、功能載體的組合

實現(xiàn)一項功能，可以采用多種不同的功能載體，功能載體的不同組合將得到不同的總體方案。功能組合可用形態(tài)學(xué)矩陣方法。實現(xiàn)同一總功能的功能載體（結(jié)構(gòu)）可有多種，通過形態(tài)學(xué)矩陣改變功能載體（結(jié)構(gòu)）組合（變化功能結(jié)構(gòu)圖）可開發(fā)出新產(chǎn)品。2、功能載體的組合A3+B3+C2+D2+E1---數(shù)控機(jī)床A1+B1+C1+D1E2---普通車床自行車的形態(tài)學(xué)矩陣?yán)纾篈1+B1+C1+D1+E1---膠皮閘有車架橫梁防振型22自行車。A1+B2+C1+D2+E1---膠皮閘有車架橫梁24自行車

A2+B3+C2+D1E2---抱閘無車架橫梁的防振型26自行車2、功能載體的組合功能載體（結(jié)構(gòu)）組合原則：分析原理相容性、技術(shù)可行性、先進(jìn)性、動力匹配性、尺寸合理性，找出合理可行的組合方案。功能載體（結(jié)構(gòu)）組合途徑：1）分功能的進(jìn)一步分解或組合；2）順序改變；3）改變連接形式；4）系統(tǒng)邊界改變。對復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，先建立分功能的形態(tài)學(xué)矩陣，分別考慮局部的設(shè)計方案，然后再綜合為整體方案。3、將總功能分解為分功能應(yīng)注意

(1)不同工藝動作的運動規(guī)律與機(jī)構(gòu)的關(guān)系；(2)同一運動規(guī)律與不同機(jī)構(gòu)的關(guān)系；(3)同一種功能可用不同的機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)；(4)同一種工作原理可用不同的機(jī)構(gòu)及其組合來實現(xiàn)。4、根據(jù)機(jī)構(gòu)在運動轉(zhuǎn)換中的功能，機(jī)構(gòu)可分為(1)實現(xiàn)運動變換；(2)運動合成與分解；(3)實現(xiàn)運動軸線位置變換；(4)實現(xiàn)轉(zhuǎn)速變換；(4)實現(xiàn)運動分支、連接、離合、過載保護(hù)等其他功能。（二）確定系統(tǒng)的邊界邊界:是功能范圍的界限。要考慮人參與系統(tǒng)的程度和外部環(huán)境因素的影響。人參與系統(tǒng)的程度涉及到系統(tǒng)的控制、操縱系統(tǒng)功能，體現(xiàn)自動化程度。自動化程度高，人參與系統(tǒng)的程度減少，可簡化結(jié)構(gòu)、提高性能等。六、確定基本結(jié)構(gòu)布局結(jié)構(gòu)布局不考慮具體布置和尺寸參數(shù)，確定各結(jié)構(gòu)元件的空間相互位置關(guān)系。同樣的功能載體組合可以有不同的結(jié)構(gòu)布局。影響系統(tǒng)的外形、總體布局、技術(shù)性能。七、方案評價1、評價內(nèi)容技術(shù)性：能否完成系統(tǒng)預(yù)定功能要求，技術(shù)的可行性、先進(jìn)性、完美性等；經(jīng)濟(jì)性：性能價格比、投入產(chǎn)出比等；外部環(huán)境：社會和環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、環(huán)境適應(yīng)性、資源和能源的利用等。七、方案評價2、評價原則客觀性原則：人員不帶偏見、資料真實可靠；可比性原則：盡可能采用量化指標(biāo)或能明確區(qū)分程度的文字說明合理性原則：評價指標(biāo)和尺度要合理，能反映預(yù)定的評價目的；整體性原則：評價指標(biāo)應(yīng)全面，有代表性，反映系統(tǒng)的整體性能，區(qū)分單項指標(biāo)對整體性能的影響程度。第二節(jié)機(jī)械系統(tǒng)的總體設(shè)計總體設(shè)計是技術(shù)設(shè)計的基礎(chǔ)，對系統(tǒng)的性能、尺寸、質(zhì)量等影響很大?？傮w設(shè)計的內(nèi)容:總體布置設(shè)計;確定總體主要參數(shù);繪制通體設(shè)計圖;編寫總體設(shè)計報告書及技術(shù)說明書等文件資料。一、總體布局設(shè)計

總體布局是指系統(tǒng)的有關(guān)零部件在整機(jī)中相對空間位置、聯(lián)系尺寸的合理分配、確定運動動力的傳遞方式及主要技術(shù)參數(shù)。即裝配圖（一）基本要求1、保證工藝過程的連續(xù)和流暢：考慮慣性力、變形、誤差等影響，保證零部件不發(fā)生運動干涉；2、降低質(zhì)心高度、減小偏置：保證載荷分配、系統(tǒng)穩(wěn)定性、著附性等，如起重機(jī)結(jié)構(gòu)；3、保證精度、剛度、抗振性、熱穩(wěn)定性等要求：簡化運動鏈可提高傳動精度，采用框架封閉結(jié)構(gòu)或雙立柱對稱布置可提高剛度和穩(wěn)定性；必要時可采用隔振和隔熱措施；（一）基本要求4、考慮產(chǎn)品系列化發(fā)展要求：主參數(shù)應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)要求，簡化品種提高標(biāo)準(zhǔn)化；5、結(jié)構(gòu)緊湊層次分明：減少空間便于安裝調(diào)試；6、操作維修調(diào)整簡便：結(jié)合人機(jī)系統(tǒng)要求，操作觀察維修方便；7、造型合理實用美觀：美學(xué)要求，勻稱協(xié)調(diào)，有穩(wěn)定感和安全感；8、提高人機(jī)系統(tǒng)整體效益。（二）總體布置圖安執(zhí)行系統(tǒng)----傳動系統(tǒng)-----操縱系統(tǒng)---支撐形式等順序布置?？傮w布置圖基本確定主要零部件的尺寸、加工要求等。先粗----細(xì)；由繁---簡單；由草圖---正規(guī)圖多種方案設(shè)計。分析確定最佳功能結(jié)構(gòu)方案，綜合調(diào)整各機(jī)構(gòu)尺寸。（二）總體布置圖一般步驟：分解總功能、繪制工作循環(huán)圖、確定執(zhí)行機(jī)構(gòu)、繪制機(jī)構(gòu)運動簡圖。（二）總體布置圖1、執(zhí)行系統(tǒng)的布置根據(jù)擬定的工藝要求將執(zhí)行構(gòu)件布置在預(yù)定的位置上，然后布置原動件和中間連接件。1）減少構(gòu)件的數(shù)目和幾何尺寸，提高運動精度；2）原動件盡量靠近執(zhí)行機(jī)構(gòu)；3）連接件和執(zhí)行構(gòu)件應(yīng)考慮作業(yè)對象的裝夾、傳送的便利和安全。（二）總體布置圖2、傳動系統(tǒng)的布置1）簡化傳動鏈：提高可靠性和效率：2）合理安排傳動順序：機(jī)構(gòu)的傳動性能對效率、精度、動力學(xué)性能有影響。提高降速傳動鏈的傳動精度，應(yīng)盡量增大最后一級傳動副的傳動比；傳遞動力時，應(yīng)盡量減小最后一級傳動副的傳動比；一般把轉(zhuǎn)換運動形式的機(jī)構(gòu)和傳動布置在低速端，與執(zhí)行機(jī)構(gòu)靠近；傳動帶布置在高速端，減少摩擦；鏈傳動布置在低速端。3）潤滑和密封:可靠便利。油浴、油霧、油循環(huán)潤滑。（二）總體布置圖3、操縱件的布置1）便于操作觀察，符合人與環(huán)境要求；2）按習(xí)慣，相對于操縱人員，被加工的工件應(yīng)自左向右或順時針運動、操縱件的運動方向與被加工件運動方向一致、調(diào)速手輪順時針轉(zhuǎn)動為增速；3）設(shè)有指示牌；4）對大型復(fù)雜設(shè)備采用連動裝置可以在不同位置實現(xiàn)操縱。（三）總體設(shè)計布置示例液力偶合器的總體布局（三）總體設(shè)計布置示例（偶合器）K（三）總體設(shè)計布置示例（偶合器總圖）合乎二、總體主要參數(shù)確定1、尺寸參數(shù)：總體輪廓尺寸、特性（加工范圍、中心高度等）、主要零部件的工作行程、位置、安裝尺寸等，用聯(lián)系尺寸標(biāo)出。尺寸參數(shù)應(yīng)通過分析計算確定。2、運動參數(shù)：執(zhí)行機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速或調(diào)速范圍。工作速度與工藝過程、條件、生產(chǎn)率有關(guān)。調(diào)速范圍，須考慮工作要求計算。3、動力參數(shù)輸入功率及機(jī)械特性（電機(jī)功率），是計算零件承載能力及尺寸的依據(jù)。三、繪制總體設(shè)計圖，編寫設(shè)計文件總體設(shè)計圖：總裝配圖、總體布置圖，是零件設(shè)計的