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1、机械系统设计教材：刘跃南，机械系统设计，机械工业出版社，2000参考书：朱龙根，机械系统设计，机械工业出版社，2001考试课成绩评定：平时30%，期末考试70%第一章 绪 论第二章 机械系统总体设计第三章 执行系统设计第四章 机械传动系统设计第五章 机电传动系统及其设计计算第六章 框架支承系统设计第七章 操纵控制系统设计第八章 机械系统设计实例第九章 机械系统设计的评价第一章 绪 论第一节 机械与机械系统2、系统的定义 是指具有特定功能的、相互间具有有机联系的若干个要素所组成的一个整体。要素可以是子系统，也可以是元素。两个或两个以上的要素可以构成一个系统，大系统可含子系统。如工厂，部门等。机械
2、制造工厂组织结构厂长生产厂长技术厂长兼总工程师供应销售厂长技术部门研究所或技术中心产品室 零部件室制造技术室系统分类：流系统和结合系统流系统：有一组输入流（如物质流、能量流、信息流）通过提供一共同的要素（如子系统，机器、设备或装置）进行传递转换，最后边为一组输出流。供电系统、通讯系统、供水系统等。（要素间“柔性”连接）结合系统：两组或两组以上的自成系统的要素组成，各要素有各自的输入及输出流，各要素有机结合实现总的功能。汽车（要素间“刚性”连接）3、机械系统的定义定义：任何机械都是由若干装置、部件和零件组成的一个特定系统，是一个由确定的质量、刚度和阻尼的物体组成的，彼此有机联系的，并能完成特定功
3、能的系统。机械又称机械系统全地面起重机汽车起重机履带起重机水上浮吊港口起重机塔式起重机电动葫芦5、机械系统组成的基本要素 机械零件是组成机械系统的基本要素，它们为完成一定的功能相互联系而分别组成了各个子系统。6、内部系统：机械本身构成的系统7、外部系统：人和环境构成的系统8、现代机械系统的概念定义：由计算机信息网络协调与控制、用于完成包括机械力、运动和能量流等动力学任务的机械和（或）机电部件相互联系的系统。美国机械工程师协会（ASME）二、机械系统的特性（1）整体性 整体性是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，但它们在结合时必须服从整
4、体功能的要求，相互间须协调和适应。*各个要素应有机结合*要素的随意组合不能 构成系统*系统是不可分割的*子系统不是独立的（3）目的性 系统的组成都是为了达到某一目的，系统的价值体现在其功能上，完成特定的功能是系统存在的目的。因此，系统的目的性是很明确的，即实现要求的功能。（4）环境适应性 任何一个系统都存在于一定的环境中，因而它必然要与环境产生的物质、能量和信息方面交流。外部环境的变化，会使系统的输入发生变化，甚至产生干扰，引起系统功能的变化。因此，为了使系统运行良好，具有确定的特定功能，必须使系统对外部环境的各种干扰有良好的适应性。三、机械系统的组成（一）动力系统 动力系统包括动力机及其配套
5、装置，是机械系统工作的动力源。按能量转换性质的不同，动力机可分为一次动力机和二次动力机。一次动力机是把自然界的能源转变为机械能的机械，如内燃机、汽轮机、水轮机等。二次动力机是把二次能源（如电能、液能、气能）转变为机械能的机械，如电动机、液压马达、气动马达等。动力机输出的运动通常为转动，而且转速高。（二）执行系统 执行系统包括机械的执行机构和执行构件，是利用机械能来改变作业对象的性质、状态、形状和位置，或对作业对象进行检测、度量等，以进行生产或达到其他预定要求的装置，根据不同的功能要求，各种机械的执行系统也不同，而且对运动和工作载荷的机械特性要求也不相同。执行系统通常处在机械系统的末端，直接与作
6、业对象接触，其输出也是机械系统的主要输出。因此，执行系统工作性能的好坏，直接影响整个系统的性能，执行系统除应满足强度、刚度、寿命等要求外，还应充分注意其运动精度和动力学特性等要求。装载机的执行系统铲斗工作装置旋臂吊执行系统电动葫芦（三）传动系统 装载机的传动系统变矩器、变速箱、传动轴、驱动桥 传动系统是把动力机的动力和运动传递给执行系统的中间装置。传动系统有下列主要功能：（1）减速和增速 把动力机的速度降低或增高，以适应执行系统工作的需要。（2）变速 当使用动力机变速不经济、不可能或不能满足要求时，通过传动系统实现变速（有级或无级），以满足执行系统多种速度的要求。（3）改变运动规律或形式 把动
7、力机输出的匀速连续旋转运动转变为按某种规律变化的旋转或非旋转、连续或间歇的运动，或改变运动方向，以满足执行系统的运动要求。（4）传递动力 把动力机输出的动力传递给执行系统，供给执行系统完成预定任务所需的转矩或力。如果动力机的工作性能完全符合执行系统工作的要求，传动系统也可省略，而将动力机与执行系统直接连接。（四）支承结构系统 支承结构系统包括基础件和支承构件，它是用于安装和支承动力系统、传动系统、执行系统和操纵系统等，是机械系统中必不可少的部分。机械中各部件之间的相对位置及位置精度、运动部件的运动精度、机械系统承载的能力等主要依靠支承系统来保证。（五）操纵控制系统 操纵系统和控制系统都是为了使
8、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，二者的主要区别是操纵系统多指通过人工操作来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；平地机驾驶室控制系统是指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。此外，根据机械系统的功能要求，还可有冷却、润滑、计量、行走等系统。GPS自动找平汽车起重机控制系统四、机械系统的功能要求（1）运动要求 如速度、加速度、转速、调速范围、行程、运动轨迹以及移动的精确性等。（2）动力要求 包括传递的功率、转矩、力等。（3）体积和重量
9、要求 如尺寸、重量、功率、重量比等。（4）可靠性和寿命要求 包括机械和零部件执行功能的可靠性、零部件的耐磨性和使用寿命等。（5）安全性要求 包括强度、刚度、热力学性能、摩擦学特性、振动稳定性、系统工作的安全性及操作人员安全性等。（6）经济性要求 包括机械设计和制造的经济性、使用和维修的经济性等。（7）环境保护要求 如噪声、振动、防尘、防毒、“三废”的排放和治理、周围人员和设备的安全性等。（8）产品造型要求 如外观、色彩、与环境的协调性等。图为与BMW 328面对面BMW Iseetta 12或13马力的功率，50年代 黄金二十年代BMW 315 1929年（9）其他要求 不同机械还可有一些特殊
10、要求，如精密机械要求长期保持精度并有良好的防振性；经常搬动的机械要求安装、拆卸、运输方便；户外型机械要求良好的防护、防腐和密封；食品和药品机械要求不污染被加工产品等。第二节 机械系统设计的任务和原则 机械系统设计的任务:开发新的机械产品和改造老的机械产品。设计必须体现时代性和创造性。产品的质量事故有50%是由于设计失误造成的，产品的成本60%70%以上取决于设计。没有高质量的设计，就不可能有高质量的产品。一、满足需要原则 满足需要原则:是指所设计的机械产品的性能应最大限度的满足用户的要求。所谓需求:就是对功能的需求。用户购买产品实际:就是购买产品的功能。产品的功能:是与技术、经济等因素密切相关
11、的。通常，随着功能的增加，产品的成本也随之上升。二、可靠性原则 可靠性原则是指在规定使用条件和规定时间内，产品能完成规定功能的可靠程度要高，即运行中不出或少出故障。三、经济合理原则 经济合理原则是指所设计机械产品应该结构先进、功能好、成本低、使用维修方便，在产品的寿命周期内，用最低的成本实现产品的规定功能，即物美价廉。从设计角度出发，实现经济合理原则有以下几方面措施：1合理确定可靠性要求和安全系数 可靠性要求应根据系统的重要程度、工作要求、维修难易和经济性要求等多方面的因素综合考虑确定。可靠性与经济性是一对矛盾。在选取安全系数值时，考虑可靠性的要求。当可靠性要求高时，安全系数值可相应取大些，反
12、之可取小些。2采用新技术 随着科学技术的发展，各种新技术（包括新产品、新方法、新工艺、新材料等）不断问世，在设计中采用新技术可以使产品具有更好的性能和经济性，因而具有更强的竞争力。设计人员要善于学习和掌握各种新技术，不断充实和改进产品。3改善零部件结构工艺性 零部件结构工艺性包括铸造工艺性、锻造工艺性、冲压工艺性、焊接工艺性、热处理工艺性、切削加工工艺性和装配工艺性等。良好的工艺性是减小劳动量、提高生产率、缩短生产周期、降低材料消耗和制造成本的前提，也是实现设计目标、减少差错、提高产品质量的基本保证。影响结构工艺性的因素很多，如生产批量、设备和工艺条件、原材料的供应等。当生产条件改变时，零部件
13、的结构往往也随之改变。改善零部件结构工艺性的具体措施、原则和规范，可参阅有关设计手册和资料。4提高产品的效率 对属于生产资料的机械设备，提高其生产率，提高原材料的利用率，降低能耗，也是提高其效率的重要途径。机械设备的效率主要取决于传动系统和执行系统的效率，传动系统的效率通常与传动的结构型式、运动副的工作表面性态、摩擦润滑状况、润滑剂种类和润滑方式以及工作条件等有关，执行系统的效率主要决定于执行机构的效率，它与机构类型、机构参数有关。设计人员应在方案设计和结构设计时充分考虑提高效率的措施。5合理确定经济寿命 一般说来，希望产品有长的使用寿命，但在设计中单纯追求长寿命是不适当的。系统正常运行的寿命
14、是可以延长的，但必须以相应的维修为代价。使用寿命愈长，系统的性能愈差，效率愈低，相应的使用费用（包括维修保养、操作、材料及能源消耗等费用）愈多，使用经济性愈低，此时应考虑设备更新。同时，由于科学技术的进步，不断有一些技术更先进、性能价格比更高的新设备出现，或是由于企业生产规模的发展、产品品种的扩大或改变等，这也是应考虑更新设备的原因。设备从开始使用至其主要功能丧失而报废所经历的时间称为功能寿命。根据设备使用费用最低、经济效益最高所确定的寿命称为经济寿命。通常，设备的经济寿命要比功能寿命短。通过技术经济分析，合理确定机械设备的经济寿命，适时更新设备，是促进企业技术进步、不断提高企业经济效益的措施
15、之一。四、标准化原则 标准化原则:是指所设计的机械产品的规格、参数应符合国家标准，零部件应能最大限度地与同类产品的零部件通用，同一产品中的零部件尽可能互换，产品应成系列发展，以便用较少的品种、规格，满足各类用户的需要。实施标准化是国家的一项重要技术法规。标准化的水平，是衡量设计现代化程度的一个重要标志。轴承机械工业的技术标准有以下三大类：（1）基础标准 是以机械工业各领域的标准化工作中具有共性的一些基本要求或前提条件为对象制订的标准，如计量单位、优先数系、公差配合、图形符号、名词术语等标准。（2）方法标准 是以生产技术活动中的重要程序、规划、方法为对象制订的标准，如设计计算、工艺、测试、检验等
16、标准。（3）产品标准 是以产品及其生产过程中使用的物质器材为对象制订的标准 如机械设备、仪器仪表、工装、包装容器、原材料等标准。我国标准分国家标准（GB）、部标准（JB）（专业标准）和企业（XG）标准三级。国家标准和部标准的适用面虽然有所不同，但都是全国性的。各级标准在规定的范围内具有约束力，国家标准是各部门都必须遵照执行的法规。国际标准主要是指国际标准化组织ISO和国际电工委员会IEC两个国际性的标准化机构公 布 的 标 准。我 国 是 ISO和 IEC的 成 员 国。在设计中贯彻标准化，提高标准化程度和水平，将直接提高产品的质量和经济性。五、安全性原则 安全性原则是指要保证操作者的安全和机
17、械设备本身的安全，以及保证设备对周围环境无危害。机械系统的安全性包括机械系统执行预期功能的安全性和人机环境系统的安全性。1.机械系统执行预期功能的安全性 机械系统执行预期功能的安全性是指机械运行时系统本身的安全性，如满足必要的强度、刚度、稳定性、耐磨性等要求。为此，应根据机械的工作载荷特性及机械本身的要求，按有关规范和标准进行设计和计算。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。2.人机环境系统的安全性 机械是为人类服务的，同时它又在一定的环境中工作，人机环境三者构成了一个特定的系统。在机械工作时，不仅机械本身应有良好的安全性，而且对使用机械的人员及周围环境
18、也应有良好的安全性。第三节 机械系统设计的方法 一、概述（一）设计的内涵及种类 设计的含义是：设计是人们根据客观需求，改造自然的基本活动，设计是复杂的思维过程，设计过程蕴含着创新和发明。设计的目的是将预定的目标，经过规划与分析决策，产生一定的信息，即形成设计，并通过制造，使设计成为产品，以满足人类的需求。设计上可归为四大类：（1）环境设计 环境设计主要是指环境本身的设计，包括区域规划，房屋、道路、桥梁等设计，为人们提供工作、学习、生活、活动空间。（2）系统设计 系统设计主要是指构成系统整体的设计。根据系统的不同,分为流系统设计和结合系统设计,其中结合系统设计往往与产品设计相仿,因此可纳入产品设
19、计.（3）产品设计 产品设计是指由许多零部件甚至是子系统集合而成的整体,以实现一种或一组功能的设计。包括结合系统的设计.例如发电机、汽车、电动机和泵的设计。这类设计一般较复杂,方案构思、总体设计、零件材料、尺寸、结构形状等的变化对产品的性能、质量和成本影响较大。（4）零件设计 零件设计是指不能再分解的、由单一材料组成的单元体的设计。常用零件的设计，如标准件（紧固件）或通用件（联轴器），设计时只需注意规格的选择及互换性要求。在所有的机械设计中75%的机械是已经设计过的，有样机可供参考，有25%的机械是未曾设计过的，无样机参考。从有无样机可供参考的角度，机械设计可分为三类：（1）开发（创新）性设计
20、 在设计原理、结构等完全未知的情况下，从对产品的抽象要求出发，设计出过去没有的新产品。这是一完全创新的设计。（2）适应性设计 在原理方案基本保持不变的前提下，对产品作局部的变更或设计一个新部件，使产品在质和量方面更能满足使用要求。（3）变型设计 在工作原理和功能结构都不变的情况下，变更现有产品的配置和尺寸，使之适应于容量（如功率、转矩、尺寸范围、转速范围等）方面所变更的要求。在机械产品设计中，开发性设计目前还占少数，为了充分发挥现有机械产品的潜力，适应性设计和变型设计就显得格外重要。（二）传统设计与现代设计1传统设计 传统设计是指经验设计和半理论半经验设计。2.现代设计 现代设计包括一系列新兴
21、学科分支，主要有创造性设计、系统化设计、优化设计、可靠性设计、计算机辅助设计（CAD）等。现代设计显著特点和先进性：设计指导思想：经验、类比提高到逻辑的、理性的、系统的设计设计对象：考虑人机环境协调性设计方法：应用CAD、优化设计、可靠性设计、工业艺术造型、创新设计设计手段：应用计算机、自动绘图、数据库管理详见表1-1（三）机械系统设计过程1机械系统设计一般程序（1）明确任务 机械系统设计首先必须明确设计任务和要求，对于开发性设计必须进行需求分析、市场预测、可行性分析、确定设计参数及制约条件，最后给出详细的设计任务书，作为设计、评价和决策的依据。一般需拟订可行性报告，见P12（2）方案设计 包
22、括产品功能分析、功能原理求解、方案的综合评价决策，最后得到一个优化的初步总体设计方案。（3）技术设计 任务是将功能原理方案得以具体化，使其成为机器及其零部件的合理结构，在此阶段要完成产品的总体设计（包括总体布置图、传动系统图、液压系统图、电气系统图等）、部件的结构设计，最后得到装配总图。（4）施工设计 包括绘制出全部生产图样、绘制总装图、编制技术文件、产品试制。2.机械产品设计阶段 产品设计一般分为三个阶段：功能原理设计阶段、实用化设计阶段、商品化设计阶段。详见P13 3.并行工程：集成、并行地进行产品设计、制造、市场、流通、更新、消亡的全过程的系统优化。二、机械系统设计的方法 机械设计一般应
23、遵循如下规律：1、从抽象到具体，力求创新构思2、从发散到收敛：力求多凡案中选优3、继承与创新：相结合4、结合与分析：交互进行5、评价与决策：引导设计方向正确机械系统设计的方法：1、系统化设计方法1）系统化设计思想2）系统分解2、黑箱法 暂时忽略次要因素，先集中考虑系统的输入-输出关系，寻求了解清楚系统总貌后，再由总体到局部，逐步进行功能分析和功能协调的细化研究。3、功能分析与综合 总功能可分解为分功能，分功能继续进行分解直至功能元；功能综合是将系统的分功能元进行组合。4、设计原理方案与构形 通过上述步骤可得多设计原理方案，然后进行评价、决策、选优。全过程考虑，保证功能、提高性能、降低成本。第四
24、节 机械结构设计的基本原则和原理 一、结构设计的基本原则 确定和选择结构方案时应遵循的基本原则：1明确(1）功能明确 所选结构应能达到预期的功能，每个分功能应有确定的结构来分担，既不能遗漏，也不应重复。（2）工作原理明确 所选结构的物理作用明确，从而可靠的实现能量流（力流）、物料流和信号流的转换和传导。（3）使用工况及应力状态明确 材料选择和尺寸计算要依据载荷情况进行，不应盲目采取双重保险措施。（4）其他 凡与结构设计有关的其他方面都应在图样或技术文件中予以明确体现。2简单 简单是指整机、部件和零件的结构，在满足总的功能前题下，尽量力求结构形状简单、零部件数量少。简单的好处在于不但降低了产品的
25、制造成本，而且还提高了产品工作的可靠性。比如，由平面、圆柱面、圆锥面、球面或其他对称形状所构成的零件很容易加工、检验。因此，可用较少的工时获得较高的精度，以确保其功能的实现；另一方面，上述规则形体便于计算，不但节省计算时间和试验费用，而且计算结果接近实际，从而提高了零件的工作可靠性。3安全可靠 安全可靠是指机器安全和为了保证安全可靠而采取的技术措施。安全技术可分为直接安全技术法、间接安全技术法和提示性安全技术法。（1）直接安全技术法 在结构设计中充分满足安全可靠要求，保证在使用中不出现危险。主要遵循下列三个原理：安全存在原理组成系统的各零件和部件之间的联接在规定载荷和时间内完全处于安全状态。这
26、就必须做到：构件中受力、使用时间和使用环境是清楚的；选择的计算理论和方法、材料经过验证是可靠的；试验负荷要高于工作负荷；严格限制使用时间和范围。有限损坏原理使用中，当出现功能干扰或零件出现断裂时，不会是主要部件或整机遭到破坏。这就要求失效的零件易于查找和更换，或者能被另一零件所代替。如采用安全销、安全阀和易损件等。对于可能松脱的零件加以限位，使其不脱落造成机器事故。冗余配置原理当系统发生故障或失效时会造成人身安全或重大设备事故，为了提高可靠性，常采用重复的设备系统。如飞机发动机的双驱动、三驱动和副油箱；压力容器中的两个安全阀等，一旦主功能失效，便可启动备用装置。（2）间接安全技术法 通过防护系
27、统和防护装置来实现技术系统的安全可靠。防护系统应能防止机器在超负荷下工作，可自动脱险。如液压、气动系统中的安全阀，电路系统中的保险丝，机床中的安全离合器等，都是当设备出现危险或超负荷时，自行脱离危险状态。（3）提示性安全技术法 在事故出现以前发出报警和信号，提示人们注意，如提示灯、警铃等。二、结构设计的基本原理 1任务分配原理结构设计中必须根据所要求的功能合理地选择载体，即选择零件以承担功能。任务分配:也就是功能与载体之间关系的确定。分配不外有三种可能：一载体承担多种功能；一载体承担一种功能；多载体承担一种功能。功能集中于一载体，可以减少零件数量、减轻重量、降低成本；功能与载体一一对应，便于达
28、到“明确”、“可靠”，便于实现结构优化及准确计算；多载体承担同一功能，可以减轻零件负荷，延长使用寿命。（1）同一功能任务分配 同一功能可以由一个构件来承担，也可以由多个构件来承担。当功率和尺寸达到一定限度时，就需要把同一功能分配给若干个功能相同的构件来分担。（2）不同功能任务分配 在同一零件中，可在不同位置采用不同材料分别承担不同功能。如蜗轮采用青铜齿圈与铸铁轮体的组合，V带靠强力绳芯来承受拉力，靠胶带体改善挠性，靠包层增加与带轮间的摩擦力及耐磨性。2.自补偿原理 通过选择元件及其在系统中的配置关系，自动实现加强功能、减载和平衡作用，称为自补偿。在自补偿结构中，其总效应由初始效应和辅助效应共同
29、产生。初始效应保证系统初始状态可靠，辅助效应是在力的作用下功能得以加强。（1）自增强 当辅助效应与初始效应的作用方向相同时，使得总效应加强。（2）自平衡 在工作状态下，使辅助效应和初始效应相反并达到平衡或部分平衡状态，以克服不利影响。如齿轮泵径向力平衡、结构预应力强化等。（3）自保护 超载时，特别是超载有可能反复出现时，采取自动防止破坏的措施，即使其结构元件产生保护效应，使系统免于受损。如摩擦式离合器，带传动在过载时通过打滑实现自保护。3.力传递原理 结构的强度刚度问题，应使结构设计合理，避免应力集中。4变形协调原理 变形协调，就是使相联接的两零件在外载荷的作用下所产生变形的方向相同，并尽可能
30、减小相对变形。5力平衡原理 在机器工作时，常产生一些无用的力或称无用功，如惯性力、斜齿轮的轴向力等，这些力不但增加了轴和轴承等零件的负荷，降低其精度和寿命，同时也降低了机器的传动效率。力平衡就是指采取结构措施部分或全部平衡掉无用力，以减轻或消除其不良影响。这些结构措施主要有采用平衡元件、采取对称布置等。6等强度原理 对于同一个零件来说，各处应力相等，各处寿命相同，称为等强度。按等强度原理设计的结构，材料可以得到充分利用，从而减轻了重量，降低了成本。7.稳定性原理 系统结构的稳定性原理是指当出现干扰使系统状态发生变化时，会产生一种与干扰作用相反的、使系统恢复稳定状态的效应。对于热变形而产生的干扰称为热稳定性问题，需要在机构设计中采取措施，使其消除。