机械系统设计

第1章 绪 论
习题与思考题
1-1 什么是机械系统？它有哪些基本特征？ 1-2 机械系统由哪些主要部分组成？各子系统有何功用？ 1-3 机械系统有哪些方面的基本要求？ 1-4 机械系统有哪三种设计类型？各有何特点？ 1-5 简述机械系统的设计过程和工作内容。 1-6 机械设计可分为哪几个发展阶段？简述现代设计与 传统理论设计之间的区别。 1-7 简述机械系统设计的发展趋势和前沿技术。
机械系统设计
哈尔滨理工大学
主讲教师：段铁群 教授 主讲教师：
课程介绍： 课程介绍：
一、培养目标： 培养目标： 1.对机械系统的认知理解 对机械系统的认知理解； 1.对机械系统的认知理解； 2.对机械系统的分析能力 对机械系统的分析能力； 2.对机械系统的分析能力； 3.对机械系统的设计能力 对机械系统的设计能力。 3.对机械系统的设计能力。 二、课程特点 ： 综合前导课程知识，从系统的观点出发， 综合前导课程知识，从系统的观点出发，介绍了 机械系统的功能原理和总体设计方法， 机械系统的功能原理和总体设计方法，各子功能部 分的组成、基本要求、工作原理、 分的组成、基本要求、工作原理、设计方法和理论 计算等，结合课程设计等实践教学环节， 计算等，结合课程设计等实践教学环节，使学生们 掌握机电产品分析、设计和计算基本技能。 掌握机电产品分析、设计和计算基本技能。
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六、教学内容： 教学内容： 第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 绪论 总体设计 传动系统设计 执行系统设计 支承系统设计 控制系统设计
第1章 绪论
1.1 机械系统的基本概念 1.2 机械系统设计的任务 1.3 机械系统设计的发展 习题与思考题
第1章 绪 论
1.1 机械系统的基本概念
第1章 绪 论
图1-4 产品的产生和生命周期流程
第1章 绪 论
1.3 机械系统设计的发展
1.3.1 机械设计的发展简史
1.机械设计起源和直觉设计阶段 1.机械设计起源和直觉设计阶段 延续到17世纪。 设计多是从自然现象中直接得到启示或是凭直观感觉 来完成，与科学几乎不发生联系。机械设计制造的目 的主要是降低劳动强度 降低劳动强度。 降低劳动强度 2.经验设计阶段 2.经验设计阶段 机械设计主要是依靠前人积累的 有限技术知识，凭借的直观想象和工作经验来完成， 物理学、数学、力学和零散有限的机械学知识已经逐 渐用于机械设计。机械设计制造的目的重点在于省力 省力 和提高劳动效率。 和提高劳动效率
第1章 绪 论
图1-3 机械系统的主要组成
第1章 绪 论
1.2 机械系统设计的任务
开发新产品和改造老产品，其目的是为市场 提供高质量、高性能、高效率、低能耗、低成本 的机械产品，以获取最大的经济和社会效益。 据统计，产品的设计成本约占产品总成本 5%~7%，却决定着产品制造成本的60％~70%；由 于设计不当造成的产品质量事故约占总事故率的 50% 。由此可见，机械系统设计的重要性。
第1章 绪 论
3.绿色设计 3.绿色设计 在产品的整个生命周期内(策划、设计、 制造、运输、运行、报废与回收等)着重考虑产品的 环境属性(自然资源的利用、对环境和人的影响、可 拆卸性、可回收性、可重复利用性等)，并将其作为 设计目标，在满足环境目标要求的同时，并行地考虑 并保证产品应有的基本功能、使用寿命、经济性和质 量等。 在绿色设计过程中，兼顾需求和环境，全面考虑 从原材料提炼、材料加工、制造装配、产品包装、产 品运输、产品使用、以及产品报废后的回收、重用和 处理等在整个生命周期中对环境造成的总负荷作用。
第1章 绪 论
3.理论设计阶段 3.理论设计阶段 19世纪以后，加强了机械设计基 础理论的研究，逐渐形成了完整的机械设计的理论体 系和设计方法，实现了技术人员与操作者的分离。 4.现代设计阶段 4.现代设计阶段 始于20世纪40年代。现代设计方 法是一种广义的设计和分析方法，其实质是科学方法 论在设计中的应用。它在机械强度与振动、磨擦学、 腐蚀、可靠性、流体理论、热工学、电工学等知识基 础上，综合考虑工业美学、人机学、制造工艺、材料 学、环境学，以及计算机应用技术、现代管理技术等 科学知识，是一门多学科、多专业相互交叉的综合性 很强的技术。
第1章 绪 论
1.3.2 机械系统设计的发展趋势和前沿技术
1.模块化设计 1.模块化设计 从规划产品的角度，在产品功能分 析的基础上，把产品分解成具有某种功能的一个或几 个模块，通过选择和组合这些模块形成不同的机械产 品。 产品结构层次： 产品结构层次：产品、功能组成、主要功能组件 和功能元件。 模块主要特征： 模块主要特征：①具备特定功能；②连接的通用 接口。 在设计时，精心设计出多种模块，经过不同方式 的组合形成不同的产品，以解决产品品种、规格与设 计制造周期、成本之间的矛盾。
第1章 绪 论
1.2.3 机械系统的一般设计过程
产品的产生和生命周期
图1 - 4
1.总体设计 1.总体设计 包含：拟定设计要求、原理方案设计 和结构总体设计。 2.技术设计 2.技术设计 包含:装配设计(绘制装配图)和计算校 核两方面工作。 3.工作设计 3.工作设计 机械产品的全部零件设计工作。 4.文档设计 4.文档设计 对产品各类技术文件编制和整理的过 程。 产品图样的审查(结构审查、工艺性审查、标准 化审查等)也是机械系统设计中必不可少的一项内容。
第1章 绪 论
5.动态设计 5.动态设计 主要解决设计中动态性能的问题。 动态设计技术是一门综合各种科学理论与实验技 术的边缘学科。涉及振动理论、材料疲劳断裂理论， 以及计算机技术、有限元分析技术、模态分析技术、 试验测试技术等。 动态设计技术可分为动态分析和动态设计两类问 题。动态分析 动态分析是在已知系统模型、外部激励载荷和机 动态分析 械系统工作条件的基础上，研究和分析机械系统的动 态性能；动态设计 动态设计是以动态性能满足机械系统预定要 动态设计 求为目标，建立系统模型，实现动态修改、优化和在 设计过程。动态设计比动态分析具有更高的技术水平 和更大的技术难度。
1.1.1 系统与机械系统
1.系统 1.系统 是指具有特定功能的、相互间具有有机联系的 许多要素所构成的一个整体。 即由两个或两个以上要素组成的具有一定结构和特 定功能的整体都称为系统。 系统的含义： 系统的含义： ①系统由相互联系的许多要素构成； ②系统要完成特定功能，就必然与环境发生关系。 要素 是构成系统的各组成部分，决定着系统的性质。 有什么样的要素，就有什么样的系统。
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1.2.2 机械系统的设计类型
1.开发性设计 1.开发性设计 在工作原理、结构等完全未知的情况 下，根据用途和功能，应用科技知识对产品进行的设 计。是一种“完全创新性”的设计 。 2.适应性设计 2.适应性设计 在原有工作原理保持不变的前提下， 为使已有产品适应新的性能或功能需要而对其结构进 行的调整性设计。 3.变异设计 3.变异设计 在机械系统的工作原理和结构形式均不 变的情况下，为适应产品某些量值方面的变化要求而 对其局部结构或尺寸进行的设计。
第1章 绪 论
2.协同设计 2.协同设计 在计算机支持的协同工作环境中，通 过对复杂结构产品设计过程的重组、建模优化等建立 产品协同开发流程，利用现代产品数据管理、CAD/ CAM/CAPP、虚拟设计等集成技术与工具，进行系统化 的协同设计工作模式。 协同设计的主要内容： 协同设计的主要内容：①开放、可视、互联的协 同环境；②协同设计支撑平台；③协同设计应用接口； ④各种协同应用系统。 它把时间上分离、空间上分开、工作上互依赖的 两个或两个以上的协同设计主体和活动有机地组织起 来，通过一定的信息交换和协同机制针对不同的设计 任务来共同完成统一的设计目标。
第1章 绪 论
2.机械系统 2.机械系统 由若干机械要素组成，彼此间有机联系， 并能完成特定功能的系统。 机械系统是一个广义的概念，其含义可根据不同 的研究对象加以具体化。一般来说，机器、机构等均 可以称之为机械系统。
例如：
机构作为机械系统，组成要素是构件； 机器作为机械系统，组成要素是机构或装置； 生产线作为机械系统，组成要素是机器。
三、学时： 学时： 总计：40学时 总计：40学时 理论：34学时 实验： 学时） 学时、 （理论：34学时、实验：6学时） 学分： 四、学分： 2学分 成绩的评定： 五、成绩的评定： 1.成绩构成 成绩构成： 1.成绩构成： 平时成绩占30% 期末成绩占70% 30%， 平时成绩占30%，期末成绩占70% 2.平时成绩 平时成绩： 2.平时成绩： 出勤占1/3 作业占1/3 实验占1/3 1/3， 1/3， 出勤占1/3，作业占1/3，实验占1/3 3.期末成绩 期末成绩： 3.期末成绩：闭卷笔试
能的要求，相互间需要协调和适应； 机械系统的层次结构 图1-2 4.环境适应性 4.环境适应性 适应性。
第1章 绪 论
图1-2 机械系统的层次结构
第1章 绪 论
1.1.3 机械系统的组成
图1 - 3 1.动力系统 1.动力系统 为机械系统提供运动和动力。 2.执行系统 2.执行系统 直接完成工作任务的部分。 3.传动系统 3.传动系统 是动力系统与执行系统的中间环节。 4.支承系统 4.支承系统 将机械系统各部分支承和联系起来。 5.控制系统 5.控制系统 使动力系统、传动系统和执行系统 各部分彼此协调运行，包含：控制和操纵。 根据机械系统的不同要求还可以有：润滑、 冷却、密封等系统。
三、学时： 学时： 总计：36学时 总计：36学时 理论：32学时 实验： 学时） 学时、 （理论：32学时、实验：4学时） 学分： 四、学分： 2学分 成绩的评定： 五、成绩的评定： 1.成绩构成 成绩构成： 1.成绩构成： 平时成绩占20% 期末成绩占80% 20%， 平时成绩占20%，期末成绩占80% 2.平时成绩 平时成绩： 2.平时成绩： 出勤占1/3 作业占1/3 实验占1/3 1/3， 1/3， 出勤占1/3，作业占1/3，实验占1/3 3.期末成绩 期末成绩： 3.期末成绩：闭卷笔试
第1章 绪 论
1.2.1 机械系统的基本要求
1.功能要求 1.功能要求 产品存在的必要性是实现产品功能。 2.性能要求 2.性能要求 保证功能实现表现出的技术特征。 3.可靠性要求 3.可靠性要求 在规定的工作条件下和预期的使用 时间内，能够完成系统功能的概率。 4.工作效率要求 4.工作效率要求 在单位时间内完成的工作量。 5.适应性要求 5.适应性要求 对工作状态和环境的适应程度。 6.经济性要求 6.经济性要求 单位时间内生产价值与使用费用的 差值；包含：生产成本和使用成本。 7.寿命要求 7.寿命要求 产品保持其功能和性能的时间。 此外，还可能包括：制造工艺性、人机工程学、 造型与色彩、法律与法规等方面要求。
第1章 绪 论
4.虚拟设计 4.虚拟设计 在虚拟现实环境中从事设计活动。 虚拟设计为机械系统的设计和验证提供了理 想的支持手段，通过虚拟样机取代物理样机进行 设计验证，通过虚拟交互环境对产品样机进行模 拟，根据用户的要求及时对设计方案进行修改和 完善，从而缩短产品开发周期，降低开发成本， 提高用户满意度，最终达到提高企业竞争力的目 的。 虚拟设计的目的在于增加产品一次性开发的 成功率，避免传统开发产品中采用物理样机验证 设计所带来的人力和财物损耗，缩短产品开发周 期，降低开发成本，以及提高用户的满意程度。
广义的机械系统 图1 - 1
第1章 绪 论
图1-1 内部系统与外部系统
第1章 绪 论
1.1.2 机械系统的特征
1.目的性 1.目的性 2.整体性 2.整体性 3.相关性 3.相关性 完成特定的功能； 各要素构成的整体，必须服从整体功 各要素之间形成有机联系和相互作用； 系统对外部环境的变化有良好的