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1、机械系统设计制造销售内部设计外部设计计划 研究计划书、设计任务书调查研究可行性研究系统计划可行性报告系统开发计划书工作图设计技术设计系统分析系统分解初步设计、方案设计鉴定和评审定型设计小批试制改进设计样机鉴定和评审样机试制销售第二章 机械系统的方案设计与总体设计 第一节 机械系统的方案设计看课本P16表1-1阶段步骤 方法主 要 指 导 理 论产品规划设计方法预测技术设计方法学技术预测理论市场学信息学信息集约可行性报告、设计要求项目表产品设计任务预测调研可行性分析明确任务要求阶段步骤 方法主 要 指 导 理 论原理方案设计系统化设计法创造技法评价决策方法系统工程学形态学创造学思维心理学决策论模
2、糊数学总功能分析原理参数表、方案原理图功能分解功能载体组合功能原理方案(多个)功能元求解原理试验评价决策最优原理方案阶段步骤 方法 主要指导理论技术设计价值设计优化设计可靠性设计宜人性设计产品造型设计系列化设计机械性能设计工艺性设计自动化设计价值工程学最优化方法、工程遗传算法可靠性理论与实验人机工程学工业美学模块化设计、相似理论有限元法、动态设计、摩擦学设计、高等机构学机械设计的工艺基础控制理论、智能工程、人工神经元计算方法、专家系统结构方案(多个)结构价值分析试验模型 试验总体设计结构设计 造型设计造型价值分析外观方案(多个)评价决策 评价决策最优结构方案 最优造型方案最优技术设计方案总体布
3、置图、装配草图、技术文件总体效果图、外观效果模型阶段步骤 方法主要指导理论施工设计各种制造、装配、造型、装饰、检验等方法各种工艺学批量生产销售零件工作图 外观件加工工艺、面饰工艺规程部件装配图 效果图、检验标准技术文件 造型工艺文件试制修改批量生产技术服务用户访问计算机辅助制造反馈控制法机械系统设计制造销售内部设计外部设计计划工作图设计技术设计系统分析系统分解初步设计、方案设计鉴定和评审 方案设计是一个创造性思维的过程，在进行方案设计时，重要的是要创新，在制定方案时采用新原理、新技术、新机构、新工艺，这样才能设计出有突破性的新产品。方案设计是机械系统设计第三阶段，也是内部设计阶段要做的第一项工
4、作。它是机械系统设计的核心环节，方案设计是保证设计水平和质量的重要工作，在很大程度上决定了机械系统设计的成败。方案设计的内容包括：(1)研究给定的设计任务，对机械产品的功能进行分析和分解；(2)提出实现功能的工艺原理；(3)确定技术过程，引进技术系统；(4)分析结构布局，拟定设计方案；(5)综合评价设计方案，找出最佳方案。一、研究给定的设计任务 方案设计之前，已经接到了设计任务书，明确了设计任务、目的和要求，搞清了外部系统和内部系统之间的相互作用和影响，提出了可行性报告，制定了系统开发的计划。在系统开发计划书中说明了对设计的各项要求，但这些要求尚未实现，其中有不确定的，过高或过低的，甚至有些是
5、相互矛盾的。设计人员要仔细研究设计任务，对各项要求逐个分析，明确核心要求和约束条件，提出修改、补充和完善的建议，对相互矛盾的要求提出两方面都可兼顾的折衷的解决办法。T2T1，n2n1能量不灭定理系统T1n1T2n2二、设计任务的抽象化（是一种“思维方式和工作方法”）思维可以有思维定势和创造性思维。其中思维定势是扼杀创造发明的杀手，是“懒汉”的思维方法，有意识地破除它，会有许多发现和发明。1 0 0 04 01 01 0 0 02 01 0 0 01 0 0 03 0+?1 4 4 9 91+?创造性思维则是创作发明的基础。发明有原创性发明和组合式发明，原创性发明是指在原理上具有新突破的发明，对
6、于世界和人类来讲具有一定的难度，是比较少见的。而我们所听到的发明多数都属于组合式发明，也就是在成熟理论的基础上，进一步的改进和完善，从而得到一种新的技术和理论。总之，思维定势是懒汉的思维方式，有意识的破除他，我们会有更多的发现和发明。面对一个设计任务，有经验的设计人员马上可提出一些设计方案，这虽然可加快设计速度，但由于受到个人经验和所掌握资料的限制，在思维定势作用下，使设计方案缺乏创造性和创新性。任何机械系统都可以看成是实现某种能量流、物料流和信息流传递和转化的装置。化学能 热能机械能内燃机能量流包装机械包装容器包装物件包装后成品包装机械物料流照相机光强信号图像信号光圈电机信号调整电机控制信号
7、傻瓜照相机信息流例如：在一些较复杂的机械系统中，能量流、物料流和信息流都存在，如自走式合物联合收获机。从这个意义上讲，机械系统可抽象为：实现输入的能量、物料、信息和输出的能量、物料、信息转化的函数关系的机械装置。可表示如下：机 械 装 置（待定的技术系统）（黑箱）物料能量信息物料能量信息来自外界的影响输 入对外界的影响输 出 在方案设计的初期，把要设计的机械系统看成只知道输入量、输出量以及与外界的相互影响的“黑箱”，“黑箱”内部是全然不知待定的技术系统，这就是设计任务抽象化的方法。用“黑箱”抽象地表示技术过程，不需要事先涉及具体的解决方法，就可以知道机械系统的基本功能和约束条件：基本功能为物料
8、、能量、信息的传递和转化，约束条件表现为内、外部系统的相互作用和相互影响。这样可以突出设计中的主要矛盾，明确设计追求的主要目标，明确影响产品性能的主要因素；避免设计者受一些框文的约束。确定“黑箱”作业对象（物料、能量、信息）转化的工艺原理，是打开“黑箱”的先决条件。三、确定工艺原理（“黑箱”变成“玻璃箱”）所谓工艺原理是指自然科学中各种定理、定律、原理及效应的具体应用。表示机械系统的“黑箱”建立以后，打开“黑箱”，实现“黑箱”的透明化就成为了主要工作。对于作业对象的一种转化，可以采用不同的工艺原理。以齿轮齿廓曲线的切制为例，将齿轮坯变为齿轮，可以有不同的转化：可采用仿形法，在铣床上用铣刀铣削，
9、用分度头分度；也可用范成法，在滚齿机、插齿机或刨齿机上用专用刀具滚削、插削或刨削加工。齿轮加工范成原理仿形原理剃齿插齿滚齿 采用不同的工艺原理，就会设计出不同的机械系统，它们的性能和经济效益各不相同。切断作物桔杆冲击搓擦 使谷粒和谷穗分离滚压筛分、振动、重力、气流使谷粒、茎杆、颖壳杂物分离 在联合收割机的机械系统中，采用了多种工艺原理，工作过程中完成了多次转化，设计的关键则是不同工艺原理的组合与连接，以及它们之间的适应性与相容性。作业对象的简单转化，可以只采用一个工艺原理就完成；但作业对象的复杂转化，往往要采用多种工艺原理经多次转化才能完成。以谷物联合收割机为例，它的工艺原理可用下图所示：四、
10、确定技术过程 技术过程是按选定的工艺原理，确定作业对象转化的流程，规定每一个转化程序的相应功能要求。技术过程的一般模式如下图。下图是根据工艺原理图画出的自走式联合收获机的技术过程主流程图。技术过程的主线是作业对象（物料）的转化，用双线箭头表示，在转化过程中，不断有物料、能量和信息的支持和补充，要产生许多辅助功能，如要解决各转化程序间的连接和支承问题，要解决检测、操纵、调整和控制的问题。技术过程是若干个分过程和工序组合而成的复合过程。谷物 扶持谷物茎杆 切断谷物茎杆 脱 粒长茎杆图2-4 自走式谷物联合收获机的技术过程流程方框图清选筛分气流振动杂余（断穗）等复脱谷粒短茎杆轻混合物（颖壳、灰尘）等
11、等 对设计对象的目标和要求不同，技术系统的组成、相应的功能结构以及系统边界的划分就不相同；即便是设计对象的目标和要求相同，由于设计者的着眼点不同，技术系统及系统边界划分也会有较大差别。五、引进技术系统并确定系统边界技术系统是实现技术过程各项转化的人为系统。技术过程中作业对象的转化，有一些是完全靠机械系统来完成的，而有一些是在人的参与下完成的。良好的技术系统应是机械系统与人的完美结合。以洗衣机为例，对人的参与程度要求不同，可设计出全自动、半自动和非自动的洗衣机；就全自动洗衣机而言，由于设计者的着眼点不同，可设计出立式和卧式洗衣机，它们各有优缺点。引进技术系统就是根据技术过程的要求，确定机械系统的
12、功能结构和功能载体的组合。(一)引进技术系统引进技术系统一般分两步进行：1确定机械系统的功能结构 功能是机械系统的属性，是机械系统价值的体现。机械系统的功能表现为可以实现物料、能量、信息的传递和转化。洗 衣 机（黑 箱）地基 湿度 温度噪声振动信息能量洗涤剂清水脏衣物显示信号驱动能脏水干净衣物洗衣机的黑箱示意图 机械系统的功能往往有多种形式，为便于分析和研究，应进行功能分解。可以用树状图像模型功能图形象地表达功能分解的结果：能量运动传递转向控制转速控制时间控制双向旋转单向旋转波轮旋转搅动衣物和水联接与支承能量供应与转换排水甩干脱水旋转控制添加洗涤剂容纳衣物和水脏衣物的洗涤 洗衣机，它的总功能是
13、洗涤脏衣物。对总功能进行分解，可得出如下一些分功能：容纳衣物和水、添加洗涤剂、搅动衣物和水，控制旋转方向、时间和速度，甩干衣物上的水，排出脏水，能量供应、转化和传递、联接与支承等。功能载体是实现功能转化的实体结构。同一功能转化，可找出不同的功能载体。如传递回转运动这一功能转化，可采用摩擦轮传动、带传动、齿轮传动、链传动、蜗杆传动等功能载体。功能分解是在系统分解的基础上进行的。对各子系统的功能可逐项分解，直到得到不能再分解的功能元为止。功能元是指有确定功能的不可再分解的单元功能。进行功能分解的要注意以下两点：(1)总功能的分解程度以能找到相应的技术物理效应和功能载体来实现该功能为依据；(2)同级
14、功能的组合应能满足上级功能的要求。技术物理效应是将物理学原理通过一定的结构形式，在工程技术上加以应用。按树状功能图还可以作出功能结构图。如洗衣机的功能结构图如下：洗衣机的功能结构图 联接与支承能量转换能量传递能量搅动脏衣物和水容纳脏衣物和水排水甩干洗涤剂洗涤剂脏衣物水脏水干净衣物信息 控制 决策调整定时方向、速度、时间选择显示信号 从树状功能图可看出功能分解的过程，从功能结构图可看出各项功能元以及分功能之间的结构关系。由洗衣机的树状功能图和功能结构图可以看出洗衣机具有的主要分功能：容纳衣物和水（A）、搅动衣物和水（B）、运动传递（C）和控制（D），通过对各个分功能寻找功能载体，便可以做出洗衣机
15、相应的形态学矩阵（用其来表示所有可能组成的总体方案）。电脑自控 机械定时 人工控制齿轮传动 带传动超声波 电磁振荡 机械摩擦陶瓷桶 玻璃钢桶 塑料桶 金属桶D（控制）C（运动传递）B（洗涤原理）A（容纳衣物水）4 3 2 1功能载体分功能洗衣机的形态学矩阵理论上可组合出技术方案：N=4323=72 下图是材料试验机的功能结构图的制作过程：材料试验机的总功能为：利用力和变形的关系，检验试件的力学性能。建立材料试验机的“黑箱”示意图：材料试验机（黑箱）a）材料试验机的“黑箱”示意图加载能量试件信号变形试件变形能变形信号力信号噪声 振动温度 风力 在材料试验机的“黑箱”示意图中，有3个输入元素：加载
16、能量、试件和信号；有4个输出元素：变形能、变形试件、力信号和变形信号，内、外系统间有相互作用和影响。b）材料试验机的功能分解图建立材料试验机的功能分解图（初步简单的功能结构图）：通过功能分解，可以把材料试验机的总功能分解成4个主要的分功能：把能量转换为力和位移；试件加载；测力；测变形。能量转换为力和位移控制信号加载能量试件加载试件变形能变形后的试件测变形变形信号测力力信号b）材料试验机的功能分解图能量转换为力和位移控制信号加载能量试件加载试件变形能变形后的试件测变形变形信号测力力信号建立材料试验机的完善的功能结构图：c）材料试验机的功能结构图通过增加分功能来进一步完善材料试验机的功能结构：调节
17、能量的大小；装卡试件试件加载变形能变形后试件试件调节能量大小加载能量控制信号能量转换为力和位移各测量值的放大；比较标准值和实际值。测量值放大测力测变形力信号变形信号比较标准值和实际值辅助能量标准量试件加载前要装卡；b）材料试验机的功能分解图能量转换为力和位移控制信号加载能量试件加载试件变形能变形后的试件测变形变形信号测力力信号材料试验机的功能结构图装卡试件试件加载变形能变形后试件试件调节能量大小加载能量控制信号能量转换为力和位移测量值放大测力测变形力信号变形信号比较标准值和实际值辅助能量标准量 经过功能分解后，一项总功能被分解成一系列分功能或功能元，与相应的技术物理效应及功能载体相对应，得到功
18、能分解图和功能结构图。对于像自走式联合收割机等结构过于复杂的机械产品，要用一张图表示它的功能结构，不仅绘制困难，而且看起来也显得杂乱无章。这时可把机械系统分解成几个子系统，如把谷物联合收获机分解成：收割系统、脱粒系统、清粮系统、行走系统、传动系统、输送系统、控制系统、支承系统等8个子系统，分别画出各子系统的功能结构图，这样可使复杂的问题简化。在绘制子系统功能结构图时，可与功能相当的机械系统作比较。对谷物联合收获机的子系统，收割系统与收割机，脱粒系统与脱粒机，清粮系统与清选机、行走系统与拖拉机汽车作对比。用形态学方法建立形态学矩阵，可找出所有的组合方案。在做这项工作时，要集思广义，广开言路，避免
19、犯偏听偏信、先入为主、主观片面的错误。2功能载体的组合实现一项功能往往可采用多种功能载体，这就是机械系统设计的多解性。对机械系统按功能进行分解，对分解出的每一项功能找到可行的功能载体，将这些功能载体组合起来，就得到了机械系统一系列的总体方案。以行走式挖掘机为例，说明机械系统技术方案确定的过程：位置1的物料 位置2的物料能量 驱动能信息显示信号噪声 废气 振动温度 湿度 道路 行走式挖掘机（黑箱）行走式挖掘机的黑箱示意图 1）作出行走式挖掘机的“黑箱”示意图。由图可表明机械系统的互动能量；物料的取、移、放；环境对它的约束条件。行走式挖掘机的功能结构图 2）功能分解：行走式挖掘机有3个基本功能：挖
20、取物料、移动物料和堆放物料，作出该机的功能结构图。移物C（挖掘机移动）放物传动D（挖掘斗运动）驱动能 显示信号信号 能量移物传动B（将动力传动至行走装置）驱动能 显示信号信号 能量取物传动D（挖掘斗的运动）驱动能 显示信号信号 能量放物E（堆放）（位置2）物料取物E（挖取）（位置1）物料 由功能结构图可看出，行走式挖掘机有5项分功能：动力源(A)、移位传动(B)、移物(C)、取物传动(D)、取放物(E)(取物、放物合二为一，用一个功能载体实现)。找出各分功能可行的功能载体，就可以作出挖掘机的形态学矩阵。方案总数：N=ABCDE=65443=1440钳式斗 抓斗 挖斗液压缸传动气缸传动 绳传动
21、拉杆气垫 履带 轮胎 轨道及车轮液力耦合器链传动 带传动蜗杆传动齿轮传动气动马达 液动机 透平机 柴油机 汽油机 电动机挖掘机的形态学矩阵E(取放物)D(取放物传动)C(移位)B(移物传动)A(动力源)6 5 4 3 2 1功能载体分功能A3+B4+C3+D2+E1履带式挖掘机柴油机 链传动 履带 绳传动 挖斗 3）作出挖掘机的形态学矩阵：液动机 液力耦合器 轮胎 液压缸传动 抓斗 A3+B4+C3+D2+E1履带式挖掘机柴油机 链传动 履带 绳传动 挖斗A5+B5+C2+D4+E2液压轮胎式挖掘机 对那些合理的可行方案，应进行综合评价。可从物理学相容原理、技术经济效益、功率、速度、尺寸等功能
22、参数方面，对这些方案进行复核、检验、评审，从中找出几个较好的方案。对于像自走式联合收获机这类比较复杂的机械产品，如果对整机采用一个形态学矩阵，就过于庞大了，这时可分别建立各子系统的形态学矩阵，考虑各子系统的方案，然后再综合成整个机械产品的方案。通过形态学矩阵得到的某一些方案，可能没有实际意义，甚至有一些功能载体无法匹配，所以应首先舍去那些不合理或没有实际意义的方案。思考题：1、举例说明什么是“黑箱”，为什么要把待定的设计对象抽象为“黑箱”，从“黑箱”图中可以看出什么问题。2、举例说明怎么针对设计对象确定工艺原理，技术过程和寻找功能载体。3、以你最熟悉的机械产品为例，说明机械系统方案设计的方法，
23、要求画出“黑箱”示意图，树状功能图，功能结构图和形态学矩阵，并且组合可能的方案。外部环境的温度、湿度、尘埃、振动、噪声、外部输入能量的稳定性等因素，都会影响或干扰技术过程的转化；同样，技术过程的转化也会影响外部环境。是否对这些影响和干扰进行控制，就涉及到系统的边界。(二)确定系统边界 系统边界是技术系统功能范围的界限，即内部系统与外部系统的分界。1人参与技术系统的程度 人参与技术系统的程度涉及到操纵系统和控制系统的功能。有许多分功能如机床加工机械零件时，被加工工件的定位、夹紧、移位、调整和测量等分功可以由人完成也可由机械系统完成。人和机械系统的不同分工，就体现了机械系统的机械化和自动化程度，人
24、参与程度不同，机械系统的复杂程度和成本也不相同。2外部系统和内部系统的相互影响确定系统的边界时应考虑下面两个因素：人参与技术系统的程度；外部系统与内部系统的相互作用和影响。例如：普通轿车和越野车，外部环境道路不同，要求内部系统车的适应性不同，要求操纵系统不同，越野车要能适应较为恶劣的外部环境。造纸设备，对外部环境的影响污水，要经过处理以后才能排放，因此要把污水处理放到系统之内，这就是系统边界问题。六、确定基本结构布局 技术方案确定后，功能载体的组合关系就明确了，但结构元件在空间的相互位置还可以进行不同的处理，即相同的功能载体关系，可以构成不同的结构布局。发动机A后置；驾驶台B在发动机前侧、左方
25、；粮箱C前置；脱粒机顶盖D在粮箱C下方。优点：对发动机尺寸没有限制，驾驶员工作条件好，保养空间大，适合布置尺寸大的发动机。结构特点：缺点：检查保养发动机，需从尾部爬上顶盖，不方便；粮箱尺寸受限制，不能太大。发动机A前置；驾驶台B在粮箱C的前方、发动机左侧；脱粒机顶盖D在粮箱C下方。优点：发动机靠近驾驶台，保养维护发动机方便；粮仓容积可以较大。结构特点：缺点：发动机尺寸受限制，驾驶员受发动机影响，有振动、噪声和高温。发动机A后置；粮箱C位于发动机A与驾驶台B之间；脱粒机顶盖D在粮箱C下方。优点：发动机尺寸不受限制，驾驶员工作条件好，保养空间大；由于粮箱C的隔离作用，发动机的振动、噪声和高温对驾驶
26、员影响较小。结构特点：缺点：保养发动机要从侧面或后面爬上，较困难。驾驶台B前置；2）短头式：发动机一小部分伸入驾驶室之下。优点：可以改善驾驶员的视野，减小轴距和车的长度，改善机动性，减轻自重。缺点：发动机保养不方便，发动机工作产生的噪声、振动和高温对驾驶员有影响。载重汽车的发动机与驾驶室相对位置有3种三种方案（型式）：1）长头式：驾驶室在发动机之后。优点：保养发动机方便；缺点：驾驶员的视线受影响，车辆的轴距和长度较大，机动性不好，自重较大。3）平头式：发动机在驾驶室之下。优点：驾驶员视野开阔，车辆的轴距和长度小，机动性好，自重轻。缺点：保养发动不方便，驾驶员受发动机工作产生的噪声、振动、高温的
27、影响，另外，发生撞车后对司机保护不利。1）发动机前置：发动机在车箱之前。优点：操纵简单，发动机冷却条件好，保养维修方便。缺点：车箱里噪声大，有油烟味和热气，车辆的面积利用较差。大型客车发动机与车箱的相对位置有3种方案：2）发动机中置：发动机在车箱中下方。优点：车内噪声小，条件好，乘坐舒适，驾驶员视野开阔。缺点：发动机保养维修困难，冷却防尘难，地板高度也不易降低。3）发动机后置：发动机在车箱之后，横置或者纵置。优点：车内噪声小，条件好，乘坐舒适，车厢内地板平坦，驾驶员视野开阔。缺点：发动机冷却不好解决，散热条件差，操纵困难。行进中车尾负压及车轮灰尘，使进气环境恶化，后桥易超载。七、方案评价（自学
28、）例4：四工位专用机床 四工位专用机床是在四个工位上分别完成工件的装卸、钻孔、扩孔、铰孔工作的专用加工设备。机床的执行动作有两个：一是装有工件的回转工作台的间歇转动；二是装有三把专用刀具的主轴箱的往复移动（刀具的转动由专用电机驱动）。两个执行动作由同一台电机驱动，工作台转位机构和主轴箱往复运动机构按动作时间顺序分支并列，组合成一个机构系统。加工孔，如下图。材料：HT200装拆工件 钻底孔 扩孔 铰孔（工位）（工位）（工位）（工位）该机床技术成熟，设计任务抽象化、确定工艺原理、确定技术过程就省略了。一、设计要求和主要参数1.对主轴箱移动A3的要求原始距离S=65mm快速送进：慢进切削：（据材料、
29、工艺等确定该数据）快速退回：2.对刀具切削运动的要求刀具转速：n（刀）=？r/min(由工艺员定）刀具移动速度V（刀）=3.工件装拆时间10s（否则装拆来不及）4.生产率：由生产量和机床数量决定。理论生产率：件/小时5.原动机为Y系列电动机，装在机体之内，执行构件露在外面。二、功能结构图三、机械运动循环情况1.工作台转一圈（完成一个工件时间）周期2.工作台回转情况静止时间：用于装拆工件，不转时才能装拆 转动时间：转动速度：四工位专用机床运动循环图：四、机构选型与方案评定 功能转化图如下：形态学矩阵（五个分功能）分功能功能载体1 2 3 4 5减速A 带传动 链传动 蜗杆传动 齿轮传动 摆线针轮
30、减速B 带传动 链传动 蜗杆传动 齿轮传动 行星齿轮分动C 齿轮传动连续转动变为间歇转动D圆柱凸轮式简谐运动机构弧面凸轮机构曲柄摇杆-棘轮机构不完全 齿轮机构槽轮机构连续转动变为移动E移动推杆圆柱凸轮机构移动推杆盘形凸轮机构摆动推杆、盘形凸轮摆动滑块机构曲柄滑 块机构六杆机构（带滑块）总方案个数：5X5x1x5x5=625个其中一个可行方案为：A5+B1+C1+D5+E1画机构运动简图：A5（摆线针轮传动）+B1（带传动）+C1（齿轮分动）+D5（槽轮传动）+E1（移动推杆圆柱凸轮）思考题：4、举例说明在确定机械系统边界时应考虑哪些因素。系统边界不同对机械系统有什么影响。5、举例说明同一技术方
31、案可以找出不同的结构布局。各种结构布局的特点是什么。6、画出四工位专用机床的功能转换图和机构运动简图。7、每位同学构思设计一台中、小型机器或机械装置,要有新意(创新性),进行方案设计,提出其具有的结构和功能.做出黑箱模型,确定其工艺原理、技术过程和功能载体,画出结构原理简图.在进行总体设计时，不仅要考虑内部系统，而且要考虑内部系统与外部系统的联系，使内部系统与外部系统相协调和适应，以求设计得更加完善。第二节 机械系统的总体设计一、总体设计的内容 1总体布置设计；2确定主要的总体参数；3绘制总体设计图样；4编制总体设计报告及技术说明书等文件。总体设计是机械系统设计第3阶段内部设计阶段的主要部分，
32、是以后进行系统技术设计的依据。总体设计对机械的性能、尺寸、外形、质量及生产成本具有重大影响。总体设计必须在方案设计基础上进行。(一)总体布置设计的基本要求(7个方面)二、总体布置设计机械系统总体布置设计的目的是确定各零、部件的相互位置和运动关系。在进行总体布置设计时，不仅要考虑内部因素，还要考虑人与机械、机械与环境的关系等外部因素，按简单、合理、经济的原则进行机械系统的总体布置。机械系统总体布置的顺序：先布置执行系统，再布置传动、操纵及支承系统等，最后布置动力和控制系统。要从粗到细，由简而繁，经多次反复修改，才能最后确定。机械系统各零部件布置得合理与否，对机械系统的工艺过程有很大影响，对工作条
33、件较恶劣,工作状况较复杂的机械系统影响更大。1保证工艺过程的连续和流畅 保证机械系统内部的能量流、物料流和信息流的流动途径合理，各零部件运动时不产生干涉，使机械系统的工艺过程连续和流畅，是对机械系统总体布置的首要要求。有些机械系统完成不同作业，有多种工作状况，质心位置会发生变化，此时应考虑最危险状况，必要时要留出加配重的位置。以谷物联合收获机为例，从谷物被割倒到进入脱粒滚筒，直至谷粒进入粮箱，桔杆、颖壳及其它杂物排出，都应运行连续流畅，不能堵塞和断挡。又如载重汽车，若货箱与驾驶室后壁间的距离太小，当汽车紧急制动时，由于惯性会引起两者相互撞击或摩擦。2降低质心高度，减小偏置 为保证机械系统能平衡
34、、稳定地工作，就应当尽量使机械系统的质心高度较低，尽量相对于支承对称布置，这对于行走式机械和工程机械尤为重要。因此进行总体布置设计时，零部件运动产生的惯性力，弹性变形以及过载变形等影响，都应充分考虑,确保不发生运动干涉.例如,清粮机构中的筛子如果距发动机太近，发动机工作过程产生的振动会影响筛子正常工作，从而影响筛分效果。因此在总体布置时必须验算机器的质心位置,控制质心偏置量.3保证精度、刚度及抗振性的要求 以机床为例，为能加工出一定精度的零件，机床车身要具有更高的几何精度、传动精度和动态精度。机床的总体布置对机床的精度有较大的影响。对执行系统，应尽量使振动源远离执行系统，采用分离驱动的方法，把
35、电动机和变速箱、主轴箱分置，用有缓冲减振的传动装置将它们联接起来，就可使振源与执行系统隔开。对机械传动系统，为提高传动精度，在总体布置时，应合理安排传动顺序，应简化或缩短传动链。机械产品的刚度不足或抗振性不好，也会使机械产品不能正常工作，使机械产品的动态精度降低。机床的床身，如果其刚度不足或抗振性不好，机床的加工精度会降低。床身用整体式铸造结构或框架式焊接结构，来提高其刚度和抗振性。在总体布置设计时，不仅要解决眼前存在的问题，还应有发展的眼光，要考虑变型设计或系列设计的可能性，要注意产品更新换代的适应性问题。如设计一台木工锯床，要考虑，以后可发展成能锯、钻、刨、铣的组合机床，在总体布置设计及传
36、动系统、机架设计上采取一些措施，是很有意义的。4充分考虑产品系列化和发展的要求 以车床为例，电动机、床头箱、溜板箱、尾座分别设计成独立部件，将它们安装在床身上，就做到层次分明，安装、调试、维修、保养方便。5结构紧凑、层次分明 机械产品结构紧凑，可节省空间，减少零部件，提高产品的可靠性和经济性，并为总体造型设计创造了条件。机械产品布局设计层次分明，这样便于安装、调试、维修、保养。电动机电动机执行构件工件、刀具 以四工位专用机床为例，把电动机、传动部件、操纵控制部件安装在支承大件之内，就可作到结构紧凑，节省空间，外观也较好看。6使机械系统操纵、维修和调整方便 机械系统的操纵件和控制装置的布置应使操
37、纵者感到方便舒适，减少操纵时的脑力和体力消耗。机械系统的操作要符合人-机工程学，使人感到舒适。人机工程学是运用生理学、心理学和医学等有关科学知识，研究组成人机系统的机器和人的相互关系，以提高整个系统功效的新型边缘科学。只要是人所使用的产品，都应在人机工程上加以考虑。我们可以将它们描述为：以心理为圆心，生理为半径，用以建立人与物之间和谐关系的方式，最大限度地挖掘人的潜能，综合平衡的使用人的肌能，保护人体健康，从而提高生产率。机械产品还有许多要调整的部位，在总体布置设计时，要考虑调整的方便。如谷物联合收获机的脱粒滚筒与凹板间的间隙要随作物情况及外界环境的情况变化能够进行调整，同时还要注意使调节机构
38、简单实用，把调节部位布置在便于操作的地方。例如，减速器外伸轴的联轴器，设计时就注意不用拆卸联轴器的情况下就能打开减速器的上下箱体。在总体布置设计时，还应考虑维修方便的要求。经常要维修的部位要布置机器的外部便于维修处。P25图2-6所示的谷物联合收获机的发动机、驾驶室、粮箱布置，发动机要经常维修和保养，一定要考虑保养空间，满足保养的工作条件。7外形美观 机械产品的外观是对用户的第一印象，是用户购买时要考虑的因素之一。机械产品的外形、色彩和表现特征应符合美学原则，并要适应产品的特点和销售地区的时尚。在总体布置上应使各零部件的组合匀称协调，符合一定的比例关系，前后左右的轻重关系要对称和谐，有稳定感和
39、安全感，否则用户就不敢购买。例如起重机的外观要给人稳定感和安全感，否则用户不敢购买。轿车的外形轮廓具有流线美感，用户才喜爱。机械产品的色彩要适应产品的特点，比如家用电冰霜应采用冷颜色，给人的感觉是冷和干净，工程机械色彩要醒目。消防车采用红色为主体，红色有很好的注目性和远视效果，使消防车畅行无阻。机械产品的外形轮廓最好由直线或光滑的曲线构成，要有灵感和整体感。轿车的外形轮廓在这方面的要求特别高。(二)绘制总体布置图 方案设计阶段，对各候选方案有时也要画出总体布置图。如P25图2-6，在确定自走式谷物联合收获机的基本结构布局时，就画出了发动机、驾驶室和粮箱3种方案的布置图，以此作为评价方案的依据。
40、画总体布置图对确定机械系统各零部件的基本结构、型式、配置，对系统的构型设计、初步计算和运动分析都有益处。在总体布置设计阶段，要画出相应的总体布置图。而总体布置图很难一次完成，要由简到繁、由子系统到整机、由草图到正式图逐渐完成。而在进行总体布置时，要按照“执行系统传动系统、操纵系统及支承形式动力系统和控制系统”的思路来进行。例如，对机床先布置刀具、卡具，再布置传动系统、动力系统。总体布置图绘制后有重要意义。利用总体布置图不仅可以确定整机的布置型式和主要尺寸，也可以基本确定各部件的基本型式和特性参数，主要零部件的尺寸、质量及其加工要求等影响制造成本的数据，还可以根据该图进行计算或估算，可以进行技术
41、经济分析。课本P33图2-8，为自走式谷物收获机的总体布置图。当执行系统中有相互联系的多个执行机构时，应尽量将各执行机构的联接件和原动件布置在一根或少数几根轴上。例如多缸内燃机，它有多个进排气门机构，把各进排气门机构的凸轮布置在一根轴上，既可使原动件凸轮接近执行构件气门，又容易满足各气门间的运动关系。总体布置的过程：1执行系统的布置 布置执行系统时应首先确定执行构件的位置。例如在四工位专用机床进行总体布置时，首先把执行构件刀具和工件布置好。然后再布置执行机构的原动件和中间联接件。布置执行机构应注意下面3个问题：（1）尽量减少执行机构的运动副和构件数目，减小构件的几何尺寸。减小构件的几何尺寸，可
42、减小执行机构的几何尺寸。（2）使原动件尽量接近执行构件 减小执行机构的运动副和构件的数目，可以减小因运动副磨损和构件发生变形而造成的误差积累，从而提高执行机构的运动精度。运动副越多，误差积累越大。电动机电动机执行构件工件、刀具 当有外露的执行构件时，最好将执行机构的联接件和原动件隐蔽布置，以提高作业的安全性。如四工位专用机床，执行构件刀具和工件必须外露，而执行机构的联接件和原动件都包在箱体里。自走式谷物联合收获机，要把直立的谷物割倒并输送走，执行机构的构件割刀滚轮等的位置应能保证谷物传送方便与安全。（3）应保证作业对象装卡和传送方便与安全 例如:四工位专用机床，在作业过程中，要经常装拆工件，在
43、总体布置时，要考虑装拆工件的方便与安全。（1）简化运动链 在保证传统系统功能的前提下，运动链越简单，零件的数目和运动副数目就越少，材料的消耗和制造费用就越低，传动效率和精度、可靠度就越高。为简化运动链，对要求减速比较大的传动系统，可采用少齿差行星齿轮传动、摆线针轮传动、谐波齿轮传动。2传动系统的布置 传动系统在机械产品中占有重要的地位，例如在汽车拖拉机制造过程中，制造传动系统的工作量占总工作量的50%以上，金属切削机床制造过程中，占60%以上。因此，传动系统的好坏，对产品的质量和经济性影响很大。对机械产品进行总体布局设计时，布置传动系统应考虑下面3个问题：一般情况下，机械的传动系统是由一些传动
44、机构组合而成，传动机构的先后顺序对传动系统的性能影响较大。而对于较复杂的传动系统，设计时应设法将其分解成几条简单的传动链，分别由各自的动力机驱动。四工位专用机床采用两台电动机，分别驱动不同的执行系统。横梁式移动龙门铣床，有4台电动机分别驱动4条运动链。（2）合理安排传动系统中各机构的顺序 例1：由齿轮传动和蜗杆传动组成的传动系统，其可以组成“齿轮蜗杆”减速装置和“蜗杆齿轮”减速装置(按从高速级到低速级的顺序命名)。试比较两种减速装置的性能有何差异。（1）齿轮蜗杆减速装置的传动精度较高 设两种传动方案中各零件的制造精度和参数相同，齿轮副的传动误差为，蜗杆副的传动误差为 且两者数值比较接近。设齿轮
45、副的传动比和蜗杆副的传动比分别为：则总传动比为：a）b）齿轮蜗杆减速装置的输出传动误差为：蜗杆齿轮减速装置的输出传动误差为：分别表示a)、b)方案减速装置输出的传动误差。、,即齿轮蜗杆减速装置的传动误差较小，运动精度较高。显然 与齿轮传动相比较，蜗杆传动的效率要低的多，因此在齿轮副与蜗杆副组成的传动系统中，蜗杆副的传动效率起主要作用。（2）齿轮蜗杆减速装置的传动效率较低。结论：为了提高传动链的传动精度，应尽可能增大传动链中最后一级传动副的传动比。高速级的传动误差反映到输出运动上，被低速级的速比缩小了。蜗杆主动时，蜗杆副的啮合效率为：蜗杆的导程角；蜗杆副的当量摩擦角。式中：由公式可看出：在蜗杆导
46、程角不变时，1主要决定于蜗杆副的当量摩擦角v。v越大，效率1越低。当量摩擦角v与滑移速度Vs有关。对于钢蜗杆和青铜蜗轮，v与Vs的关系见机械设计(邱宣怀主编)P268表13.6。表示传动系统的效率表示齿轮副的传动效率 表示蜗杆副的传动效率效率的乘积 0.950.98是轴承效率与搅油损失蜗杆传动的效率主要决定于啮合效率1。分别为啮合效率、搅油效率和轴承效率。滑移速度当量摩擦角当量摩擦系数0.013 0.016 0.022 0.035 0.045 0.055 0.080 0.110045 055 116 200 235 309 434 61724 10 5 2.0 1.0 0.50 0.10 0.
47、01 由上表可看出，滑移速度Vs提高，当量摩擦角v和当量摩擦系数v大大降低，从而啮合效率1提高。齿轮蜗杆减速装置，蜗杆副在低速级，而蜗杆齿轮减速装置，蜗杆副在高速级。滑移速度：（式中n1蜗杆转速)由上式可以看出：齿轮蜗杆减速装置蜗杆副的滑移速度远低于蜗杆齿轮减速装置，从而使传动效率较低。对以传递动力为主要要求的传动系统，由于传递的载荷较大，应优先采用蜗杆齿轮减速装置；（3）齿轮蜗杆减速装置噪声大、承载能力低 齿轮传动布置在高速级且悬臂布置，使其传动噪声大，承载能力低；而蜗杆传动布置在低速级，滑移速度Vs较小，在蜗杆副摩擦面之间不易形成流体动压油膜，若传动的载荷较大，容易发生齿面胶合，同时蜗杆传
48、动在低速级，作用在蜗杆上的力较大，对蜗杆的刚度和强度不利，这些因素都限制了齿轮蜗杆减速装置的承载能力。对以传递运动为主要要求的传统系统，由于对传动精度要求较高，应优先采用齿轮蜗杆减速装置。由以上3点可得出结论：(课程设计中让设计齿轮-蜗杆减速器是为了绘图简单）例2：试比较“带齿轮链”减速装置和“链齿轮带”减速装置性能的优劣。“带齿轮链”减速装置“链齿轮带”减速装置 两种减速装置相比较，“带齿轮链”减速装置较为合理：（1）带传动适于在较高速度下进行传动，具体表现为：传递相同的功率，在较高的转速下，传递的转矩T小，带所受的拉力F小，带不容易产生打滑现象；带传动的弹性滑动率较小，速度损失小；带受的拉
49、力小，带的寿命较长；带传动的外廓尺寸也较小。普通V带传动的最高带速的范围为：（2）链传动适于在较低速度下进行传动 链传动主要的缺点是“多边形效应”，其表现为：被动链轮的转速和链速发生周期性的变化，传动过程中要产生多种形式的动载荷和冲击载荷。链的速度越高，“多边形效应”越严重。滚子链传动的最高链速为：变回转运动为往复直线运动或摆动的机构，如凸轮机构、曲柄滑块机构、曲柄摇杆机构等，运动过程中产生较大的加速度和惯性力，从而引起冲击，放在运动链的低速端，可减小系统的惯性冲击。例3：变回转运动为往复直线运动或摆动的机构，应放在运动链的低速端。（3）应保证传动系统润滑密封可靠 传动系统经常是由于润滑和密封
50、装置失效而失去工作能力的。总体布置对润滑和密封也有影响。如与水平轴减速器相比较，铅垂轴减速器就难解决润滑和密封问题。在进行总体布置时，要注意有利于各级传动的润滑与密封。对食品机械、药品机械、纺织机械等要特别注意密封，防止污染产品。3操纵件的布置 操纵系统中产生操纵力或发生操作信号的构件叫操纵件，如拉杆、手柄、手轮、按钮、按键、脚踏板等，都是操纵件。人通过操纵件和机械系统发生关系，机械系统随操纵件的动作运行。操纵件的布置既要考虑对机械系统操纵方便，又要照顾到操纵者使用方便。以驾驶汽车为例，驾驶员要通过方向盘、变速器、离合器及制动器踏板、油门、喇叭按钮、各种灯的开关等操纵件驾驶车辆行走，这些操纵件