第二章机械系统的总体设计

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第二章机械系统的总体设计
(污)衣物 净水 洗涤剂
主功能
(动洗力涤功衣能物)
(净)衣物 脏水
动力功能
控制功能
驱损 动耗 能能
洗涤方式 输入
洗涤过程 显示
结构
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第二章机械系统的总体设计
2.系统的原理方案总体分析 例1：制造一个零件 采用切削加工；采用挤压成型；采用激光烧结快速成型
02第二章机械系统的总 体设计
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2020/12/10
第二章机械系统的总体设计
本章内容： 1.机械系统总体设计的基本步骤和形成的技术文件； 2.设计任务的形成与确定； 3.机械系统的功能描述、功能分解与求解； 4.机械系统总体方案设计和求解； 5.机械系统方案的评价原则和方法； 6.机械系统的结构方案和总体布局设计； 7.机械系统的主要技术参数、技术指标和总体设计图要求。
不允许有重复！
下周二（9月7日）上课前交上来！
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第二章机械系统的总体设计
任务 功能综合
原理综合
构型综合 确定方案
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功能分析 功能分解 功能分类
创新技法 形态矩阵 冲突矩阵 解法目录 资源利用
机构构型 结构构型
方案评价
技术冲突解决原理 （TRIZ理论）
第二章机械系统的总体设计
课堂作业：对于三种设计任务的类型举例说明。
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第二章机械系统的总体设计
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：开发性设计、变型设计和仿型设计。
1. 开发性设计（New Product Design） 在工作原理、结构等完全未知的情况下，应用成熟 的科学技术或经过试验证明是可行的新技术，设计过 去没有过的新型机械。这是一种完全创新的设计。世 界上第一台电话的设计就属于完全创新设计。 2. 变型设计（Improving Design） 有同类产品可供参考，原理和结构完全已知。原理 不变，为适应用户某些新的要求，或克服产品市场调 查所反映的缺点，所进行的发展性设计。在结构设计 或造型设计方面有创新，可获得实用新型专利或外观 设计专利。
1.形态学矩阵 形态学矩阵法：一种系统搜索和程式化求解的分功能组合 求解方法。
因素：指构成机械产品总功能的各个分功能。
形态：相应的实现各分功能的执行机构和技术手段。
例如：分功能：间歇运动 表现形态：棘轮机构、槽轮机构、间歇凸轮机构
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第二章机械系统的总体设计
形态学矩阵：在形态学中，将各子系统的目标（功能）及 基本可能实现的办法（可以是物理效应、作用原理或功能 载体）列入一个矩阵形式的表中，这个表就称为～，也称 模幅箱图。
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第二章机械系统的总体设计
2.设计任务的来源 （1）指令性设计任务（政府和军队等部门下达的） （2）来自市场的设计任务（用户根据自己的需要提出的） （3）考虑前瞻的预研设计任务（根据市场的发展动向） 3.拟定设计任务书 （1）拟定设计任务书的一般原则
“详细而明确，合理而先进”
详细：针对具体设计项目尽可能列出全部设计要求，特别 是不要遗漏重要的设计要求。 明确：对设计要求尽可能定量化。 合理：对设计要求提得适度，实事求是。 先进：与国内外同类产品相比，在产品功能、技术性能、 经济指标方面都有先进性。
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第二章机械系统的总体设计
4.功能求解
分功能的求解就是寻求完成分功能的技术实体——功能载体。 求解的过程是从基础科学研究揭示的一般科学原理开始，经过 应用研究探明具体的技术原理，然后寻求实现该技术原理的技 术手段和主要结构。 为了简单起见，把科学原理、技术原理一起称作工作原理。 分功能求解的基本思路可以简明地表达为：
A3＋B4＋C3＋D2＋E1—→履带式挖掘机 A5＋B5＋C2＋D4＋E2—→液压轮胎式挖掘机
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第二章机械系统的总体设计
对于复杂机械，若采用一个形态学矩阵表示整个系统功能的 解法，则该矩阵将过于庞大，此时可先建立各分功能的形态 学矩阵，分别考虑局部的设计方案，然后再综合为整体方案。
（2）功能集成
本章重点： 1.机械系统总体设计的技术文件； 2.机械系统的功能分解与求解； 3.机械系统总体方案设计和求解；
本章难点： 1.机械系统的功能分解与求解； 2.机械系统的方案求解（形态学矩阵）； 3. 机械系统方案的评价方法（模糊评价法）。
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第二章机械系统的总体设计
机械系统设计的第一个环节是总体设计， 它是产品设计的关键，对产品的技术性能，经 济指标，外观造型等具有决定性意义。
如何将求解所得的功能载体进行集成？ 最主要的工作：接口设计
功能集成需要考虑各功能载体在机械结构上的关联与控制信息 上的关系两个方面，是一个充分考虑如何确定合理的整体布局 形式，采用恰当的传动和支承结构，检测控制硬件、信息处理 方法等的过程。
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第二章机械系统的总体设计
例如：传统的双桶洗衣机的脱水及洗涤分别由两套机构实现 （在设计较完善时，脱水运动与洗涤运动之间不发生动力学 的相互影响）；
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2.总体方案求解
（1）求解原则
① 相 容 性 鉴 别
功能结构中的能量流、物料流及信息流能否不
计
受干扰地连续流过？
算
机
功能元的原理方案在几何学和运动学上是否有 完
矛盾？
成
② 从技术、经济效益较好的角度，初选几个较有希望的方案。
a) 要考虑设计要求及附加要求。
b) 不仅针对某项具体功能元，还要兼顾到全局及其他相关的 功能元，最好能将几个功能元用同一类原理实现，使原理 方案简化。
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一、设计任务的形成与确定
1.设计任务的类型 （1）开发性设计
创新
“零”
“原型”的创新开发
（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，变更现有产品的结 构配置和尺寸，使之适应于更多的量的要求。
洗涤对象:普通衣物;毛毯、牛仔服；羊毛、丝绸等。 入口水压：0.1~0.6MPa 环境：远离热源、振动等，要有水源、电源
动力：额定输入功率400W左右。 外形尺寸：小于550mmX550mmX900mm 整机质量：小于30kg
额定洗涤、脱水容量：3.8kg（干衣）
整机可靠度要求达到99.9%以上。
一次性使用寿命5年，多次性维修使用寿命10年
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（2）产品设计要求 对整机而言，通用的主要要求如下：
产品功能要求；（V=F/C） 适应性要求；（产品的适应范围） 性能要求；（产品的技术特征） 生产能力要求；（产品的重要技术指标） 制造工艺要求； 可靠性要求； 使用寿命要求； 人机工程要求； 安全性要求
（3）设计任务书的格式
全自动微电脑控制单桶洗衣机只采用一个电动机实现脱水与 洗涤（两者不是同时进行的，则产生了关联）。
例如：数控车床在做差补运动时，为复现运动轨迹，要求各 运动轴联动（关联表现在运动学上）；
机器人手臂各关节之间不仅有运动学的关联，也有动力学的 关联。
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第二章机械系统的总体设计
四、机械系统方案的评价
1.方案评价的概念 评价：指在设计过程中，对解决设计问题的各方案进行比较
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第二章机械系统的总体设计
例2-1 更换普通自行车的传动系统，并改变部分结构后 开发的变速赛车；发动机作四缸、六缸、直列、V形等 改型设计。 多数产品属于变型设计。随着技术水平的提高和市场 需求的变化，应掌握产品生命周期的特征，适时地对 老产品进行改进。 3. 仿型设计（Selecting Design） 它是指有同类产品可供参考，原理和结构完全或部分 已知。原理、结构和性能一般不变，只作工艺性变化 ，以适应本企业的生产特点和技术装备要求。通常采 用反求设计（Reverse Design）方法。
切削机床 压力加工机床 激光快速成型设备
在分析或设计一个现代机械系统时，首先应该从主功能着手。
例2：洗衣机的设计
采用搓洗
采用振洗
波轮式的洗衣机 振动式的洗衣机
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第二章机械系统的总体设计
例3：螺纹加工机的总体原理方案分析
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第二章机械系统的总体设计
3.功能分解与功能树
一般情况下，机械系统都比较复杂， 此时满足总功能的系统方案如何确定？
作业
(1)查阅有关书籍或利用网上资源，自己交上一份有 关某机械产品的设计任务书，手写或打印都可以！ (2)对该机械产品进行功能分析。
不允许有重复！
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第二章机械系统的总体设计
三、机械系统的方案设计
总功能 若干子功能或功能元
形成若干个总体方案
方案设计的过程实际上就是对子功能方案进行方案综合的过程
二、机械系统的功能及指标分解
1.系统功能的描述
系
主功能－物料的输入、转换与输出功能（物料流）
统 的
动力功能－能量传递与变换功能（能量流）
总 功
控制功能－信息传递与控制功能（信息流）
能
结构功能
主功能－直接实现系统目的，表明了系统的主要特征和功能； 动力Leabharlann Baidu能－为系统提供必要的能量； 控制功能－包括信息检测、处理和控制，是使系统正常运行， 达到精确、可靠、节能、协调所必需的； 结构功能－系统各要素组合起来，进行空间配置、形成一个统 一的整体，并保证系统工作中的强度和刚度。
方案3：A2+B3+C1 结构简单的热胀增压式洗衣机
方案4：A1+B2+C2 利用电磁振荡原理分离脏物的洗衣机
方案5：A1+B4+C2
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超声波洗衣机的设想 第二章机械系统的总体设计
例2：挖掘机的总体方案设计
其主要功能有，取物(包括传动、取物)和运物(包括传动、移位)， 可建立其形态学矩阵如表所示，可能的组合方案数为 N＝6×5×4×4×3＝1440
机械系统总体设计的主要内容包括：
1.系统的原理方案的构思 2.结构方案设计 3.总体布局与环境设计 4.主要参数及技术指标的确定 5.总体方案的评价与决策
在总体设计过程中，应逐步形成下列技术文件： 系统工作原理简图；主要部件的工作原理图； 方案评价报告；总体设计报告；系统总体布置图。
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可按系统工程分解性原理进行功能分解，建立功能结构图 即功能树，化繁为简。
总功能
二级分功能1 …… 功能元1
一级分功能1 二级分功能2 …… 功能元2
一级分功能2
…… 功能元：组成总功能或分功能
……
……
的具有确切功能的基本单元。
功能树起于总功能，末端为功能元。 前级功能是后级功能的目的功能，后级功能是前级功能的手段功能。 同一层次的功能元组合起来，应能满足上一层功能的要求，最后合成 的整体功能应能满足系统的要求。
700元左右（含材料、设计、制作加工、管理费用）
操作方便（面板式操作，全自动控制洗涤过程，可简单编 程）；显示清晰；造型美观
保证人身、设备安全（漏电保护功能、洗涤过程异常时的
自动报警功能等）
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作业
查阅有关书籍或利用网上资源，自己交上一份有关 某机械产品的设计任务书，手写或打印都可以！
“明细表或合同书”等方式表达
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第二章机械系统的总体设计
编号 设计单位 主要设计人员
1
功能
2
适应性
3
4 5 6 7 8
9
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性能
洗涤能力 可靠度
使用寿命 经济成本 人机工程
安全性
名称
微电脑全自动洗衣机
起止时间
设计费用
设计要 求
主要功能:洗涤脏衣服; 辅助功能:毛衣物上的毛绒过滤等。
功能→工作原理→功能载体
波纹管水泵；
输 送
负压效应（压力与容积的关系；流速与压力的关系） 惯性力效应 离心泵
柱塞泵； 文丘里喉管
液
体
毛细管效应
热管（用于人造卫星和冻土层输油管保温等）
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第二章机械系统的总体设计
c) 对于关键性的功能元，应多考虑采用创造性方法解决。
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第二章机械系统的总体设计
例1：单缸洗衣机的总体方案设计 功能分解 功能求解 列形态学矩阵并进行方案综合
理论上可组合出4×4×3＝48 种方案 方案1：A1+B1+C1 一种最原始的洗衣机
方案2：A1+B1+C2 最简单的普及型单缸洗衣机