机械系统设计-第1章-绪论

,机械系统设计,1,课堂授课：每周2学时,上课时间(12，5-18周),从系统的观点出发，以机、电、液、气结合的机械系统为对象，阐述机械系统设计的一般规律和特点，介绍机械系统设计的设计原理、设计过程和设计方法，结构和零部件的造型，系统的设计计算以及大型复杂机械系统设计的一些最新研究成果。,课程简介,本课程属于机械设计及其自动化专业的一门课程。突出三点：机械、系统、设计（与机械原理、机械零件课程的区别）,嫦娥三号发射探月3D模拟全过程,系统:,本课程从系统的观点出发，叙述机械系统的组成、工作原理、应用条件、特点以及他们的设计方法和一般要求。第1章绪论第2章机械系统的总体设计第3章机械系统的载荷特性和动力机选择第4章执行系统第5章传动系统第6章操纵系统第7章控制系统第8章支承系统第9章机械基础设计,本课程学习目的是充分利用学到的有关课程（机械原理、机械设计、理论力学、材料力学、金属材料及热处理等）会进行合理的机械系统设计。突出的是系统设计而不是单一零件的设计。,学习内容,1）从系统的角度认识机械系统并开展机械系统的总体设计；,学习目的,2）引入现代设计方法和理论的基本概念；,3）掌握机械系统中典型子系统的分类、组成、设计方法；,4）掌握利用以前学到的关于机械系统设计有关的基础知识，根据特定的功能来设计机械系统，这是这门课的核心内容；,5）明确如何判定一个设计方案是否是优秀的方案的原则。,4,教材,机械系统设计全国本科院校机械类创新型应用人才培养规划教材作者孙月华,教学方法,书本结合个人实际讲解，与教材内容略有差异，需预习与课后复习。,成绩评定方法,平时成绩(30)作业、考勤、课堂表现,考试成绩(70)闭卷考试,基本要求：不无故缺课，不迟到、不早退尽量靠前集中就坐，不要出现前空后挤现象不看手机带齐学习用品（教材、草稿纸、笔记本等）上课不睡觉（随时叫醒身边睡觉同学）,课堂作业(选作),自选内容，作一幻灯片,1-2人一组，自由组合。内容在教材相关章节内选，题目为教材的2级或3级标题，要求各组内容不重复（学习委员处登记）且未讲授过的。按教材章节顺序,在教学进程中派一代表演示。时间：5-10分钟。分数作为该门课程的平时成绩的一部分。,第1章绪论,1-1系统与机械系统一、系统1、系统的定义系统具有特定功能的、相互间具有有机联系的许多要素构成的一个整体。一般认为，由两个或两个以上的要素组成的具有一定结构和特定功能的整体，都可以看作是一个系统。任何机械都是由若干个零件、部件和装置组成的一个特定系统。机械零件是组成机械系统的基本要素，部件和装置是组成机械系统的子系统。设计机械系统时常分为：内部系统机械本身构成的系统。外部系统人和环境构成的系统。内部系统和外部系统之间存在着一定的联系，即相互间有作用和影响。这样人机环境又是一个大的系统。,2、系统的特性,1）整体性系统所具有的最重要和最基本的特性。系统是由若干个要素构成的统一体，虽然各要素具有各自不同的性能，但它们结合后必须服从整体功能的要求，相互间必须协调和适应。2）相关性系统内部各要素（或子系统）之间是有联系的。3）目的性系统完成特定功能。4）环境适应性系统对外部环境的各种变化和抗干扰有良好的适应性。,二、机械系统的组成,二、机械系统的组成,1、动力系统,提供动力、实施能量转换,水轮机：,电动机：,机械能,水能,电能,机械能,加热炉工件输送机,包括动力机及其配套装置，是机械系统的动力源。动力机：一次动力机，如内燃机、汽轮机、燃气轮机等。二次动力机，如电动机、液压马达、气压马达等。特点：输出运动多为转动，且转速较高。选择动力机时，全面考虑现场的能源条件，执行机构的机械特性、使用环境、工况、操作和维修等。,2、传动系统,是将动力和运动传递给执行系统的中间装置,主要功能：1）减速或增速；2）变速（有级或无级变速）；3）改变运动规律或形式；将动力机输出的均匀连续旋转运动转变为按某种规律变化的旋转或非旋转、连续或间歇运动，或改变运动方向；4）传递动力；供给执行系统所需的功率、转矩或力,3、执行系统,完成工艺动作的机构或工作机,包括机械的执行机构和执行构件，通常称为机械系统的工作机。执行系统通常处于机械系统的末端，直接与作业对象接触，其功能是机械系统的主要功能。,4、操纵及控制系统,使各部分协调动作,1）目的：使动力、传动、执行系统彼此协调运行，并准确地完成整机功能。2）区别：操纵系统多指通过人工操作以实现上述要求的装置，通常包括启动、离合、制动、变速、换向等装置。控制系统是指通过人工操作或由测量元件获得的信号，经控制器使控制对象改变工作参数或运行状态的装置，如伺服机构。,5、支承、连接及辅助装置,如机架、冷却、润滑、记数、照明,以汽车为例机械系统的组成,动力系统,传动系统,执行系统,操纵及控制系统,辅助装置,冷却、润滑、记数、照明,MAZDA新车型设计,三、现代机械系统的功能要求对于普遍的机械系统产品的功能要求大致为：1、运动要求如速度、加速度、转速、调速范围、行程（位移）、运动轨迹等；2、动力要求包括传递功率、转矩、力、压力等；3、可靠性和寿命要求4、安全性包括强度、刚度、热力学性能、振动稳定性、系统工作的安全性及操作人员的安全性等；5、体积与重量要求如尺寸、重量、功率质量比等。6、经济性要求设计和制造的经济性+使用和维修的经济性；7、环境保护要求除尘、排污等；8、产品造型要求外观、色彩、形体，人机环境协调性；9、其它特殊要求如食品、医药加工机械的卫生要求。,12机械系统设计的任务和原则机械系统设计的目的：为市场（用户）提供优质高效、价廉物美的机械产品，即要求产品质量高、经济效益好。产品质量和经济效益取决于设计、制造和管理的综合水平，而产品设计是关键。要从系统观点出发，合理地确定系统功能。一、从系统的观点出发既要重视内部系统设计，也要重视内、外部系统的联系。1、内部系统设计零部件结构设计，满足使用功能。2、外部系统的作用和影响如市场要求、约束条件。3、机械系统设计对外部环境的作用和影响二、合理确定系统功能树立市场观念，以社会需求和为用户服务作为最基本出发点。,产品的价值:V=F（产品的功能)/C(产品的成本)为提高产品的价值，一般采取五种措施：1）增加功能，成本不变；2）功能不变，降低成本；3）增加一些成本，得到更多的功能；4）降低一些功能，以便降低更多的成本；5）增加功能，同时降低成本。（最理想的、也是最困难的）在设计的每个阶段都应进行价值分析，采用多种方案进行经济比较，取得最佳方案。应遵循保证基本功能（用户直接要求的功能）、满足使用功能、剔除多余功能、增添新颖功能、恰倒好处地利用外观功能的原则，降低成本，提高功能价值。三、提高可靠性可靠性是衡量系统质量的一个重要指标。可靠性是指系统在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。,四、提高经济性1、以寿命周期成本最低为目标寿命周期成本LCC产品从计划、设计、制造和使用直至报废的整个寿命周期内所花费用的总和。,寿命周期成本=生产成本+使用成本=直接成本+间接成本+运行成本+维修成本,2、提高设计和制造的经济性目的：生产成本低、物质消耗少、生产周期短，以提高制造厂方的经济效益。1）合理确定可靠性要求和安全系数在进行可靠性设计时，需把各设计参数作为随机变量处理。当缺乏这些必要的数据和资料时，应用安全系数计算。2）贯彻标准化标准化可以使生产技术活动获得必要的统一协调和最好的经济效果。标准化通常包括产品标准化、系列化和通用化。我国标准分国家标准、专业标准和企业标准三级。3）采用新技术可以使产品具有更好的性能和经济性，具有更强的竞争力。4）改善零部件结构工艺性能用最有效最经济的工艺方法进行加工、测试和装配，并使生产过程最简单、周期最短且最经济。5）采用经济的技术要求精度等级、粗糙度、材料力学性能等。,3、提高使用和维修的经济性，提高用户的经济效益1）提高产品的效率机械设备的效率主要取决于传动系统和执行系统的效率。2）合理确定经济寿命使用寿命愈长，系统的性能愈差，相应的使用费用也愈多，使用经济性愈低。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。对设备进行适时的技术改造和良好的维修可延长其经济寿命。3）提高维修的经济性设备维修的原则：以尽可能少的维修费用换取尽可能多的使用经济效益。（1）定期维修目前应用较多的一种。维修周期主要根据使用经验、主观判断或统计资料确定。,特点：可以安排在非生产时间；无法准确估计故障的因素和时间，维修次数过多，有的零件未失效就提前换掉，维修费用高。,（2）故障诊断不断对系统中主要零部件进行特征值的测定（如温度、压力、材料、噪声等），当发现某种故障征兆时进行更换或修理。特点：能提高系统有效运行时间，充分利用零部件的功能潜力，同时减少维修次数，总的经济效益较高。只在重要和价格昂贵的机械系统中使用。五、保证安全性1、机械系统执行预期功能的安全性系统运行时本身的安全性，如：必须满足强度、刚度、耐磨性、稳定性等要求。为防意外造成故障和失效，常配置过载保护、安全互锁等装置。2、人机环境系统的安全性机械本身应有良好的安全性，使用机械的人员和周围环境应有良好的安全性。以人为主体，统一协调三者，便于操作和使用。,13机械系统设计的一般过程,一、机械系统的设计方法1）传统设计方法2）现代设计方法,传统设计方法：经验设计方法、半经验半理论的设计方法,经验设计方法：设计者主要是凭借直觉和经验，以生产的经验数据为设计依据，运用一些基本的设计计算理论，借助类比、模拟和试凑等设计方法来进行设计。,经验设计方法特点：1）用这种方法设计的机械只能满足基本功能要求2）结构的安全系数较大，经济性差3）只是依靠对原型机运行试验进行整机的综合性能分析。4）产品研制周期长，产品的质量低、成本高。,传统设计方法半经验半理论的设计方法,半经验半理论设计方法：1）加强了设计基础理论和专业机械设计理论的研究2）为设计提供了大量的信息，如设计数据、图表图册等；3）加强了关键零部件的试验研究，使整机试验趋于完善，大大提高了设计速度和成功率；4）加强了零件标准化、部件通用化、产品系列化的研究。,半经验设计方法与经验设计方法相比，大大减少了设计的盲目性，有效地缩短了设计周期提高了机械产品的质量和寿命降低了成本。,传统设计方法因其简易方便至今仍被广泛应用，但其不足之处主要表现在：在设计理论上，主要集中在揭示设计对象的内在机理，而未将“设计”本身作为一门学科进行研究，对设计对象内在机理的分析也仅局限于采用简化模型；在设计方法上，未能将局部与系统、定性与定量、静态与动态、技术与经济、技术与美学、设计与销售等关系辩证地统一起来，融会贯通于设计之中，因而设计方法上有很大的局限性；在设计本质上，未能将创造性设计提高到应有高度来认识和研究，使具体设计缺乏创造性的思维方法。,机械系统的现代设计方法现代设计方法现代设计方法是现代广义设计和分析科学方法学的简称。是科学方法论在设计中的应用。这些方法可以应用到各行各业，应用到机械设计中，则称为机械系统的现代设计方法。,现代设计方法的内容主要包括：信息论方法如信息分析法、技术预测法，是现代设计方法的前提系统论方法如系统设计法、人机工程等控制论方法如动态分析设计法优化论方法优化设计法是现代设计的目标对应论方法如相似设计法智能论方法如CAD、CAM等，是核心寿命论方法如可靠性设计和价值工程等离散论方法如有限元和边界分析设计法模糊论方法如模糊设计法突变论方法如创造性设计等，是现代设计法的基础艺术论方法如艺术造型设计,现代设计方法,二、机械系统设计过程1、计划了解设计任务，明确设计目的和功能的要求。2、外部系统设计（简称外部设计）1）调查研究市场调查，掌握外部环境条件。2）可行性研究进行技术研究和费用预测，成本与效益分析。3）系统计划明确设计任务、目的和要求，制定系统开发计划书。,3、内部（系统）设计1）初步设计制定工作原理、总体方案和总体布局设计，关键性零、部件的实验研究。2）系统分解将总体分解成子系统，绘制系统图，以便于分析和设计。3）系统分