机械创新设计7 (2)

第一节 总体方案设计
三、建立优化设计评价系统 工程设计问题往往是复杂和多解的。通过功能分 析获得尽可能多的方案，然后通过评价从中选择最佳 方案，在发散——收敛的过程中创新，这是设计 的基 本思路，也是产品优化的过程。 在确定工作原理方案、选择机构、传动、设计结 构的过程中，都要对方案进行分析和评价，其不足要 加以改进和完善。
第一节 总体方案设计
对产品（或技术方案）的评价目标一般包含3个方 面的内容： （1）技术评价目标：工作性能、加工装配工艺性、维 护使用性、技术上的先进性等； （2）经济评价目标：成本、利润、投资回报率等； （3）社会评价目标:社会效益、市场效应、环境保护、 宜人性、节能、可待续发展等。
第一节 总体方案设计
第一节 总体方案设计
第二节 结构设计
结构设计是机械设计中的一个十分重要的阶段， 也是涉及问题最多、最具体、工作量最大的工作 阶段。结构设计实际上就是确定产品、零部件的 材料、形状、尺寸及相互配置关系，它是原理方 案设计的具体化，以满足产品的功能要求。
第二节 结构设计
结构设计是一个从抽象到具体、从粗略到精确的 过程，它根据既定的原理方案，确定部体空间布局、 选择材料和加工方法，通过计算确定尺寸，检查空间 相容性等。由主到次逐步进行结构的细化；结构设计 也具有多解性特征，因此需反复、交叉进行分析计算 和修改，寻求最好的设计方案，最后完成总体方案结 构设计图。
第一节 总体方案设计
机械的总体方案设计是紧紧围绕功能的分析、 求解和组合实施的。 现代机械各类繁多，但从功能分析的角度看， 仍主要归纳为动力、传动、执行、测控四大系统 组成。
第一节 总体方案设计
动力系统的功能是为机械提供能量，其功能载体为各种 形式的原动机； 传动系统则实现动力与执行系统间运动和动力的传递功 能，包括运动形式、方向、大小、性质的变化，其功 能载体可以是电力、液压或机械装置； 执行系统通过不同的执行元件为实现工作目的而完成执 行功能； 测控系统实现传感和控制功能，它将机器工作过程中的 各种参数和善检测出来，转化成可测定和控制的物理 量。传达到信息处理装置进行处理，并及时发出对各 种系统装置的工作指令和控制信号。
第一节 总体方案设计
初选有4种方案 4种传动系统的方案简图如图7-4所示。
第一节 总体方案设计
（4）方案的评价与决策 以结构紧凑、效率高等7项要求作为评价目标，采用 5分制作技术评价（隐含经济观点，如制造简单、寿 命长等）。表7-5显示了各方案的评分及评价结果。方 案一、二、四的技术价值均超过0.7，技术性能较好， 尤其是方案二价值最高，只需一台两级圆柱齿轮减速 器。根据评价结果，决定采用方案二。
第二节 结构设计
为了简化产品结构、减少零件个数、降低加工成 本、便于装配、缩小体积等，可将多项功能集中于一 个功能载体，将功能不同，但运动情况一致位置相近 的零件结合，结构上设计成一个整体，由一个零件或 部件承担多个功能。 V带结构实现了功能集中，角接触轴承也具有功 能集中的特点，即能承受径向载荷，又能同时承受轴 向载荷。
第一节 总体方案设计
例1：数控车床功能分析 数控车床的主功能是将加工过程信息化、自动复现 数控程序、通过切削（车削）使零件加工成形。其目 标是实现快速生产、主要特征是柔性自动化。它有能 将数控程序转化为工件和刀具运动控制命令的信息处 理功能，要求能按运动控制命令运动的伺服系统，要 有保证加工精度的结构功能，数控车床还可能拥有自 动换刀、自动装夹工件、自动排屑等辅助功能。数控 车床的功能树如图7-1所示。
第一节 总体方案设计
• 解： • （1）明确任务要求 • 带式运输机的功能结构、、。一般情况下，驱动 （原动机）为电动机，执行总分为运输带，往往只要 选定就可以了，因此本例主要介绍传动方案的设计。 • 总传动比i=n1/n2=1000/85=11.76 。根据传动比的大 小，可采取两级减速传动。 • 由于该传动系统较简单，设计时有些步骤可省略。
第一节 总体方案设计
一、总体方案设计 总体方案设计首先要根据产品的功能要求构思工作 原理，功能要求与产品的用途、性能等概念不完全相 同，如电动机的用途是作原动机，可以是驱动水泵或 车床，但反映其特定工作能力的功能是能量转化—— 将电能转化为机械能。
第一节 总体方案设计
机电产品系统的功能体现为能量、物料、信息的 变化，并且与周围环境有密切联系，根据能量、物料、 信息的变化，分析产品系统的总功能和分功能，分析 系统中动力源、传动系统、执行系统、检测和控制系 统的具体组成和特点。
第七章 机械的创新设计
第七章 机械的创新设计
机械设计一般要经过总体设计和结构设计两个重 要的工作阶段。总体方案设计往往是发散——收敛的 过程，它从功能分析入手构思探求多种方案，然后进 行技术经济评价，经优化筛选求得最佳原理方案。而 结构设计是在总体设计的基础上，根据所确定的原理 方案，设计满足功能要求的机械结构，确定最好的技 术方案。
第二节 结构设计
一、结构设计的基本步骤 由于结构设计过程相当复杂，我们只能介绍原则 性的设计步骤。 （1）明确决定结构的要求及空间边界条件。决定结 构的要求主要包括： 1）与尺寸有关的要求，如传动功率、流量、联接尺 寸、工作高度等； 2）与结构布置有关的要求，如物料的流向、运动方 位、零部件的运动分配等； 3）与确定材料有关的要求，如耐磨性、疲劳寿命、 抗腐能力等。空间边界条件主要包括装配限制范围、 轴间距、轴的方位。最大外形尺寸等。
第一节 总体方案设计
• 例4：钟表的功能分析如表7-2所示
第一节 总体方案设计
对于钟表以功能分析的不同解法，列出计时 装置的形态学矩阵，如表7-3，经组合可得计时装 置的多种新方案。
第一节 总体方案设计
• 新方案1：指针式石英电子表 • 电池（化学能——电能）——石英晶体振荡器（电磁 摆）轮系——指针刻度——旋钮（即A3+B2+C1+D1+E1） • 新方案2：液晶式石英电子钟 • 电能——石英晶体振荡器（电磁摆）——驱动电路— —液晶数字显示——按钮（即A2+B2+C2+D2+E2）
第二节 结构设计
（2）对主功能载体进行粗略结构条件。主功能载体就 是实现主功能的构件，如减速器的轴和齿轮、机车的 主轴、内燃机的曲轴等。在结构设计时，应首先对主 功能载体进行粗略构形，初步确定主要形状、尺寸， 如轴的最小直径、齿轮直径、容器壁厚等，并按比例 初步确定主要形状、尺寸，如轴的最小直径、齿轮直 径，容器壁厚等，并按比例初步绘制结构设计草图。 设计的结构方案可以是多个，要从功能要求出发， 选出一种或几种较优的草案，以便进一步修改。
评价目标确定后，应制订评价方法以便从多种方 案中选取最佳方案。常用的评价方法有：评分法、加 权系数法、模糊评价法等。 （1）评分法：用分值作为衡量方案优劣的定量评价， 评委对各方案每一评价目标分项评分，再求各方案总 分。 （2）加工权系数法：首先根据各目标的重要程度设置 加权系数，评委对各方案一项评价目标分项评分，再 加权求各方案总分。 （3）模糊评价法是用优、良、中、差等不定量的“模 糊概念”来评价。近年来通过模糊数学理论将模糊信 息数值化以进行量化评价的方法已广泛用于工程方案 设计。
第二节 结构设计
为合理地进行结构设计，应考虑如下结构设计准则： 1.满足功能要求的设计准则 产品设计的主要目的是实现预定的功能要求，在设计 产品时，通常有必要将任务合理分配，即将一个功能 分解成多个分功能，每一个分功能 由一个功能载体承 担。V带的结构是任务分配的一个例子。
第二节 结构设计
纤维绳用来承受拉力，橡胶层承受带弯曲时的拉伸 与压缩，而传动所需要的摩擦力则通过包布层与 带轮轮槽的作用产生。
第一节 总体方案设计
• 最近，根据显示时间这个功能本质设计出了新型 计时装置——电波表，由国家标准实验室原子钟（精 度百万分之一秒）发出时间播放信号，经无线电台播 出。电波表只需接受并显示时间信号，它计时精度高， 结构简单。北京中华世纪坛就采用了电波表作为计时 装置。
第一节 总体方案设计
二、编制设计目录 用功能设计法进行原理方案设计后，结合设计的 过程和需要，编写内容清晰、条理性强、提取方便， 信息面广 的设计目录。
第一节 总体方案设计
第一节 总体方案设计
• 例3：挖掘机的功能 结构图如图7-3所示， 其中分功能铲入还 可以进一步分解为 推压功能元和铲斗 功能元。
第一节 总体方案设计
通过调查分析，可找出各功能元（子功能）的可能解， 并可作出相应的形态学矩阵。
第一节 总体方案设计
第一节 总体方案设计
用形态学矩阵进行方案综合，可获得多种设计方 案，表7-1所示挖掘机形态学矩阵可得的方案多达 3×3×2×1×4×4×3×4=10368种，如将 （A1+B1+C2+D2+E1+F1+G2+H2+I1）综合在一起组成一 种方案， 履带式正铲机械挖掘机，若将 （A3+B1+C1+D2+E1+F2+G3+H1+I2）综合在一起，又可 组成另一种方案，为轮胎式正铲液压挖掘机。 对如此众多的方案，必须剔除那些明显不适用、 不满足设计要求，原理结构不相容的方案，只保留少 数较好的可行方案进行评价，并从中确定较优的设计 方案。
第二节 结构设计
（5）对设计时行经济综合评价。 从多个结构设计草案中选择满足功能要求、性能优 良、结构简单、成本低的较优方案。 （6）结构方案的完善、检查错误。 消除综合评价时已发现的弱点，检查在功能、空间 相容性等方面是否存在缺陷或干扰因素（如运动干 扰），应注意零件的结构工艺性，如轴的圆角、倒角、 铸件壁厚、拔模斜度、铸造圆角等，必要时对结构加 以改进，并可采纳已放弃方案中的可用结构，通过优 化的方法来进一步完善。
第一节 总体方案设计
• （2）功能分析 • 系统的总功能是传递运动和转矩，每级传动可 作为其功能，列出形态学矩阵，如表7-4所示。