【正文】 第一章 緒論重點：機械，機械系統(tǒng)的相關(guān)概念及學科中的位置。難點：學習機械系統(tǒng)設計課程的重要性。講授提示與方法：回顧機械工程的發(fā)展歷程，注重機械系統(tǒng)的整體性，提高學生對機械系統(tǒng)設計的認知程度。一、機械工程科學1. 機械工程科學的定義：機械工程科學是研究機械產(chǎn)品（或系統(tǒng)）的性能、設計和制造的基礎理論與技術(shù)的科學。2. 機械工程科學的組成：（1） 機械學：機械設計過程（核心部分）；（2） 機械制造：機械制造過程（基礎部分）。3. 機械學所包含的內(nèi)容：二、機械、機械系統(tǒng)、系統(tǒng)1. 機械：關(guān)于機械的定義，目前尚無嚴格的定論，一般可歸納為：（1） 須由兩個以上的零、部件組成；（2） 這些零、部件的運動部件，應按設計要求作確定的運動；（3） 將外來的能源轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏玫臋C械功?！九e例】 機械產(chǎn)品：汽車、拖拉機、機床、鐘表……2. 系統(tǒng)：是指具有特定功能的、相互間具有一定聯(lián)系的許多要素構(gòu)成的一個整體。即由兩個或兩個以上的要素組成的具有一定結(jié)構(gòu)和特定功能的整體都是系統(tǒng)。3. 機械系統(tǒng)：由若干個零、部件及裝置組成的，彼此間有機聯(lián)系，并能完成特定功能的系統(tǒng)，稱之為機械系統(tǒng)。4. 系統(tǒng)應具有下述特性：（1） 目的性：完成特定的功能（2） 相關(guān)性與整體性：1） 相關(guān)性：各構(gòu)成要素之間是相互聯(lián)系的2） 整體性：評價一個系統(tǒng)的好與壞要看該系統(tǒng)的整體功能（3） 環(huán)境的適應性：系統(tǒng)對外部環(huán)境變化和干擾有良好適應性三、機械系統(tǒng)的組成：1. 動力系統(tǒng)：為系統(tǒng)提供能源（動力源）2. 執(zhí)行系統(tǒng)：是系統(tǒng)的執(zhí)行輸出部分3. 傳動系統(tǒng)：把運動和動力由動源傳遞給執(zhí)行系統(tǒng)的中間環(huán)節(jié)4. 操縱、控制系統(tǒng)：使前三者協(xié)調(diào)動作和運行5. 支承系統(tǒng)：支承和聯(lián)系各機件6. 潤滑、冷卻與密封系統(tǒng)：四、機械系統(tǒng)的地位與作用幾乎任何產(chǎn)品都離不開機械系統(tǒng)，它涉及到社會的各領域。、基本原則及要求一、機械系統(tǒng)設計的任務及設計類型：1. 機械系統(tǒng)設計的任務：是開發(fā)新的產(chǎn)品和改造老產(chǎn)品。最終目的是為市場提供優(yōu)質(zhì)高效、價廉物美的機械產(chǎn)品，以取得較好的經(jīng)濟效益。2. 設計類型：（1） 全創(chuàng)新設計（2） 適應性設計（3） 變異性設計二、機械系統(tǒng)設計的基本原則及要求1. 設計的基本原則和法規(guī)：（1） 需求原則（2） 信息原則（3） 系統(tǒng)原則（4） 優(yōu)化、效益原則2. 設計要求：（1） 功能要求（2） 適應性要求（3） 可靠性要求（4） 生產(chǎn)能力要求（5） 使用經(jīng)濟性要求（6） 成本要求 三、產(chǎn)品設計、產(chǎn)生過程 產(chǎn)品策化 產(chǎn)品設計 產(chǎn)品生產(chǎn) 產(chǎn)品銷售 產(chǎn)品運轉(zhuǎn) 產(chǎn)品報廢回收一、機械系統(tǒng)的設計方法1. 傳統(tǒng)設計方法靜態(tài)的半理論半經(jīng)驗的設計方法2. 現(xiàn)代設計方法是一種廣義的設計和分析科學方法學的簡稱，其實質(zhì)是科學方法論在設計中的應用。（1） 現(xiàn)代設計方法的特征1） 時域特征2） 哲理特征3） 質(zhì)量特征4） 目標與手段特征（2） 現(xiàn)代設計方法的主要內(nèi)容信息方法、系統(tǒng)論方法、控制論方法、優(yōu)化方法、對應論方法、智能論方法、壽命論方法、離散論方法、模糊論方法、突變論方法、藝術(shù)論方法等。3. 現(xiàn)代設計方法與傳統(tǒng)設計方法的比較二、機械設計發(fā)展簡史1. 直覺設計階段2. 經(jīng)驗類比設計階段3. 傳統(tǒng)設計階段（定性設計階段）4. 現(xiàn)代設計階段（計算機輔助設計階段）三、發(fā)展方向及前沿技術(shù)1. 計算機輔助設計2. 并行工程設計3. 虛擬設計4. 動態(tài)設計5. 快速設計6. 設計自動化技術(shù)7. 工業(yè)設計[作業(yè)題與思考題]1. 什么是機械工程科學？它由那幾個部分組成？2. 機械的基本特征有哪些？3. 什么叫機械系統(tǒng)？它有哪些主要組成部分？4. 什么是系統(tǒng)？它有哪些特征？5. 機械系統(tǒng)有哪些種設計類型？6. 機械系統(tǒng)設計有哪些基本設計原則和法規(guī)？7. 機械系統(tǒng)設計應滿足哪些設計要求？8. 機械系統(tǒng)設計中傳統(tǒng)設計方法與現(xiàn)代設計方法有哪些區(qū)別？9. 機械設計可以分為哪幾個發(fā)展階段？第二章 機械系統(tǒng)總體設計重點：功能原理設計的基本概念，主要設計參數(shù)及其確定方法。難點：各主要設計參數(shù)的特點及所適用場合。講授提示與方法：強調(diào)總體設計在機電產(chǎn)品開發(fā)應用中的重要性，強化機械系統(tǒng)的設計方法和步驟；充分利用多媒體課件，多以實例說明解釋各概念和各項設計參數(shù)。總體設計是產(chǎn)品設計的關(guān)鍵，對產(chǎn)品的技術(shù)性能，經(jīng)濟指標，外觀造型等具有決定性意義。內(nèi)容包括：功能原理設計、總體布局、主要技術(shù)參數(shù)、技術(shù)經(jīng)濟分析。一、功能的定義及其分類1. 功能：是系統(tǒng)必須實現(xiàn)的任務，或者說是系統(tǒng)具有轉(zhuǎn)化能量、運動或其它物理量的特性?；蚍Q：指輸入、輸出量之間的因果關(guān)系。2. 功能的分類： 基本功能必要功能功能 附加功能非必要功能二、功能原理設計及其特點1. 功能原理設計：是針對所設計產(chǎn)品的主要功能提出一些原理性的構(gòu)思?！尽考舨輽C 【】平板玻璃制造 2. 功能原理方案設計的任務：針對某一確定的功能要求，去尋求一些物理效應并借助某些作用原理來求得一些實現(xiàn)該目標的解法原理。3. 主要工作內(nèi)容：構(gòu)思能實現(xiàn)功能目標的新的解法原理。盡可能多地提出創(chuàng)新構(gòu)思。比較后擇優(yōu)。4. 工作步驟：分析 綜合 評價決策5. 功能原理設計具有如下特點：（1） 功能原理設計是用一種新的物理效應來代替舊的物理效應，使所設計系統(tǒng)的工作原理發(fā)生根本變化。（2） 功能原理設計中往往要引入某種新技術(shù)、新材料、新工藝……，但首先要求設計人員有一種新想法、新構(gòu)思。（3） 功能原理設計的系統(tǒng)發(fā)生質(zhì)的變化。三、功能原理設計的設計方法－－“黑箱法”“黑箱法”是根據(jù)系統(tǒng)的輸入、輸出關(guān)系來研究實現(xiàn)系統(tǒng)功能目標的一種方法，即根據(jù)系統(tǒng)的某種輸入及要求獲得某種輸出的功能要求，從中尋找出某種物理效應或原理來實現(xiàn)輸入－輸出之間的轉(zhuǎn)換，得到相應的解決辦法，從而推求出“黑箱”的功能結(jié)構(gòu)，使“黑箱”逐漸變成“灰箱”、“白箱”的一種方法。1. “黑箱法”原理：用“黑箱法”與輸入量、輸出量及周圍環(huán)境的信息聯(lián)系。了解系統(tǒng)（產(chǎn)品）的功能、特性，進一步探索系統(tǒng)的機理與功能。 2. 注意的問題：（1） 突出必要功能和基本功能。（摒棄附加功能和非必要功能）。（2） 輸入、輸出量的內(nèi)容：1） 物料流：材料、毛坯、半成品、成品、液體、氣體等。2） 能量流：電能、光能、機械能、熱能等。3） 信息流：數(shù)據(jù)、測量值、控制信號、波形等。（3） 擺脫具體的設計對象。（按系統(tǒng)功能和三大流的描述來簡化問題）【例圖】自行車功能原理系統(tǒng)圖 【例圖】車床“黑箱”示意圖 四、功能元、功能結(jié)構(gòu)1. 功能元：只能直接從技術(shù)效應（物理效應、數(shù)學效應等）及邏輯關(guān)系中找到可以滿足功能要求的最小單位。總功能 分功能 …… 基本功能單元（功能元）（1） 物理功能元：輸入、輸出量（能量、物料、信號流）的基本物理動作。（2） 數(shù)學功能元：機械傳動中的數(shù)學關(guān)系。（3） 邏輯功能元：主要用信息和控制系統(tǒng)中。2. 功能結(jié)構(gòu)：功能的分解和組合關(guān)系稱為功能結(jié)構(gòu)。（1） 功能結(jié)構(gòu)示意圖：（2） 以功能元為基礎，組合成功能結(jié)構(gòu)的方式有三種基本類型：串聯(lián)結(jié)構(gòu)、并聯(lián)結(jié)構(gòu)和循環(huán)結(jié)構(gòu)（又稱環(huán)狀結(jié)構(gòu)）。（3） 功能結(jié)構(gòu)圖的繪制步驟：注意問題：需逐漸完善系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)，不是一次完成，要隨設計不斷修改?！尽坎牧侠煸囼灆C的功能結(jié)構(gòu)圖 五、功能元（分功能）求解 功能元是功能結(jié)構(gòu)圖中最基本的單位，每個功能元都要找出相應的技術(shù)、物理效應來實現(xiàn)。功能元的求解方法：1. 參考有關(guān)資料、?？虍a(chǎn)品求解法（利用所學知識類比）；2. 利用各種創(chuàng)造性方法以開闊思想去探討求解法（新構(gòu)思）；3. 利用設計目錄求解法（把各種機構(gòu)綜合成表）P24~、113【】設計手動訂書打孔機設計要求：手柄旋轉(zhuǎn)、打孔針直線往復運動、桿件數(shù)目為4個、省力。求解步驟：第一步：確定總功能第二步：總功能分解第三步：查目錄求解 第四步：增力機構(gòu) 第五步：繪制原理方案圖 六、系統(tǒng)（產(chǎn)品）原理方案的綜合各功能元的局部解合理地組合，就可以得到一個系統(tǒng)的多個原理解。組合的方法可以用形態(tài)矩陣法（模幅箱法——利用形態(tài)方法建立）。1. 形態(tài)矩陣法（模幅箱法）：把每個（系統(tǒng)的）功能元和所對應的各解分別作為縱、橫坐標，列出“功能求解矩陣”，然后從每個功能元中取一個對應解進行組合，以構(gòu)成系統(tǒng)解的方法?！尽吭囋O計露天礦開采挖掘機的原理方案求解步驟：第一步：總功能轉(zhuǎn)換關(guān)系——“黑箱法” 第二步：總功能分解（1） 分解依據(jù) （2） 總功能分解 第三步：建立功能結(jié)構(gòu)圖 （1） 輸入、輸出關(guān)系（2） 建立一級功能結(jié)構(gòu)圖（3） 建立二級功能結(jié)構(gòu)圖第四步：尋找原理解和原理解組合 組合方案數(shù)==10368方案1為履帶式正鏟機械挖掘機(A1+B1+C2+D2+E1+F1+G2+H2+I1)方案2為輪胎式正鏟液壓挖掘機(A3+B1+C1+D2+E1+F2+G3+H1+I2)根據(jù)設計對功率的要求可知，在能量傳遞與分配過程中，采用鏈傳動和皮帶傳動是不相容的，應去掉。故組合方案數(shù)==5184。在眾多的方案中，進行定性篩選，然后進行詳細評價，最后決策最佳方案。2. 相容性：兩種功能或結(jié)構(gòu)比較后的可行性分析結(jié)果。（1） 相容性矩陣 （2） 選擇表 、七、功能原理設計舉例【】瓶蓋整列裝置的原理方案設計設計要求：把一堆不規(guī)則放置的瓶蓋整列成口朝上的位置逐個輸出。瓶蓋質(zhì)量為m=10g；整列速度100個/分鐘；能量為220V交流和高壓氣（）；。求解步驟：第一步：明確任務要求第二步：功能分析（1） 總功能 P32圖一（2） 總功能分解 P32圖二第三步：功能元求解 第四步：功能元組合 解的方案數(shù)：N=86637=6048種第五步：評價與決策 一、結(jié)構(gòu)總體設計的任務和原則1. 結(jié)構(gòu)總體設計的任務及重要性（1） 結(jié)構(gòu)總體設計的任務：是將原理方案設計結(jié)構(gòu)化，即繪制結(jié)構(gòu)總圖。（2） 結(jié)構(gòu)總體設計的重要性：滿足功能要求，保證產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性，降低產(chǎn)品成本等。工作包括兩個方面，即“質(zhì)”的設計和“量”的設計。所謂“質(zhì)”的設計是指“定形”設計，有系統(tǒng)的定形和零部件的定形。這部分工作對產(chǎn)品的質(zhì)量有決定性意義?！傲俊钡脑O計則指選擇材料、確定尺寸和零部件進一步詳細設計等。2. 結(jié)構(gòu)總體設計原則（1） 明確原則：包括功能明確、工作情況明確和結(jié)構(gòu)的工作原理明確。（2） 簡單原則：在滿足使用要求（總功能）的前提下，盡量使整機，部件和零件的結(jié)構(gòu)簡單，且數(shù)目少。同時具有簡化、簡便、簡明、簡易、減少等多重含義。（3） 安全可靠原則：包括構(gòu)件的可靠性、功能的可靠性、工作安全性和環(huán)境安全性。二、結(jié)構(gòu)總體設計步驟1. 初步設計：（1） 設計要求（2） 主要功能載體的初步設計主要功能載體：完成主要功能的構(gòu)件。（3） 按比例繪制主要結(jié)構(gòu)草圖（4） 檢查主、輔功能載體結(jié)構(gòu)（5） 設計結(jié)果初評及選擇2. 詳細設計：（1） 各功能載體的詳細設計（2） 補充、完善結(jié)構(gòu)總體設計草圖（3） 對完善的結(jié)構(gòu)總體草圖進行審核（4） 進行技術(shù)、經(jīng)濟評價3. 結(jié)構(gòu)總體設計的完善和審核：主要對關(guān)鍵問題和薄弱環(huán)節(jié)進行技術(shù)經(jīng)濟分析（是否達到目標）。方法：優(yōu)化設計、可靠性設計、專家系統(tǒng)使用、經(jīng)濟性評價等。三、總體布置設計就是確定機械系統(tǒng)中各子系統(tǒng)之間的相對位置關(guān)系及相對運動關(guān)系，使總系統(tǒng)具有一個協(xié)調(diào)完善的造型?？紤]問題：設計內(nèi)容、人——機關(guān)系、對環(huán)境的適應性、對外界環(huán)境的影響（性能、操作、觀察、調(diào)整、控制、防護等）。1. 總體布置設計的基本要求：（1） 功能合理（2） 結(jié)構(gòu)緊湊、層次清晰、比例協(xié)調(diào)（3） 充分考慮產(chǎn)品的系列化及發(fā)展2. 機械系統(tǒng)總體布置的基本類型：（1） 按工作機構(gòu)的空間幾何位置可分為：1） 平面式2） 空間式（2） 按執(zhí)行機構(gòu)的布置方向可分為：1） 平式2） 直立式3） 傾斜式4） 圓弧式（3） 按原動機與機架的相對位置可分為：1） 前置式2） 中置式3） 后置式（4） 按工作機構(gòu)的運動關(guān)系可分為：1） 轉(zhuǎn)式2） 直線式3） 振動式（5） 按機架（或機殼）的形式可分為：1） 整體式2） 剖分式3） 組合式4） 單柱式（開式）5） 龍門式（閉式）6） 懸臂式 四、總體（主要）參數(shù)的確定總體參數(shù)是結(jié)構(gòu)總體設計和零部件設計的依據(jù)。1. 性能參數(shù)（生產(chǎn)能力）：機械系統(tǒng)的理論生產(chǎn)能力是指設計生產(chǎn)能力——在單位時間內(nèi)完成的產(chǎn)品數(shù)量，亦可以稱之為機械系統(tǒng)的生產(chǎn)率。設加工一個工件或裝備一個組件所需的循環(huán)時間為式中：T——機械系統(tǒng)的一個工作循環(huán)時間或稱工作周期時間，常用單位有小時、分鐘等；－－工作時間；－－輔助工作時間。則機械系統(tǒng)的生產(chǎn)率Q為生產(chǎn)率Q的單位由工件的計量和計時單位而定，常用的單位有件/小時、米/分鐘、米/分鐘、米/小時、千克/分鐘等。2. 尺寸參數(shù)：尺寸參數(shù)主要是指影響機械性能和工作范圍的主要結(jié)構(gòu)尺寸和作業(yè)位置尺寸。如：外形尺寸、主要部件尺寸、工作行程、加工范圍等。