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1、第二章机械系统总体设计本章重点:1.功能原理设计方法—黑箱法2.结构总体设计的原则和步骤3.挖掘机的原理方案4.结构总体设计的基本原理2.1机械系统的功能原理设计好的功能原理设计应既有创新构思,又能满足用户的需求.既重视机构结构设计有注重功能原理设计.如新概念汽车,结构,原理,能源新概念一.功能的定义及分类功能—是系统必须实现的任务(让学生讲出15个汽车的功能)分类—必要功能(基本功能—必须保证(附加功能---技术条件,结构非必要功能(以汽车为例)---可有可无让学生讲出汽车那些是基本功能,那些是
2、附加,非必要功能二.功能原理设计及其特点现在草地非常多,日常维护工作量比较大,剪草机用量大.让学生说出草地剪草有几种方法.让学生锻炼分析问题,解决问题以及创新能力.针对所设计的产品主要功能提出一些原理性构思例:草地剪草机:[拉—无法使草地整齐[割断—手把住上部才行[剪断---利用剪刀刃合拢可剪断[高速尼龙绳功能原理方案设计的任务:针对某一特定的功能要求,去寻找一些物理效应并借助某些作用原理来求得一些实现该功能目标的解法原理来.功能原理方案设计步骤分析阶段:设计任务—求总功能(黑箱法)—总功能分解(
3、逐级分解)—综合阶段:寻求子功能解(创造性方法,目录法,调查分析法)---原理解综合(形态学矩阵法)---评价和决策阶段:评价与决策(各种评价方法)---最佳原理方案功能原理设计特点:1.是一种新的物理效应替代旧的,工作原理变化2.引入新材料,新工艺,新技术等,设计人员有新想法3.使系统发生质的变化三.功能原理设计的设计方法-黑箱法输入输出黑箱自行车功能原理系统图黑箱法基本内容即根据系统的某种输入及要求获得某种输出的功能要求，从中寻找出某种物理效应或原理来实现输入输出之间的转换，得到相应的解决办法
4、，从而推求出“黑箱”的功能结构，使“黑箱”逐渐变成“灰箱”、“白箱”的一种方法。这样就摆脱了具体设计对象，而按系统（产品）的功能和对三大流进行定性描述来进行思考，使问题简化，以利于启发设计人员构思出更新、更好的功能原理方案来。四.功能元,功能结构1.功能元:由于一个系统可以分解成一些子系统，所以，一个系统的总功能也能分解为一些分功能；如果有些分功能还太复杂，则还可以进一步分解到更低层次的分功能，直到分解到最后不能再分解的基本功能单位为止，这个基本功能单位就叫功能元。机械设计中常用的基本功能元有:物
5、理功能元、数学功能元和逻辑功能元。2.功能结构五.功能元求解例2.4设计手动订书打孔机设计要求：1.操纵手柄旋转运动2.打孔针作直线运动3.杆件数目为44.省力步骤：1.确定总功能2.总共能分解3.旋转运动变为移动运动的四杆机构设计四种可行方案：六.系统原理方案综合例2.5设计露天矿开采挖掘机的原理方案步骤：1.用黑想法寻找总功能的转换关系2.总功能分解3.建立功能结构图4.寻找原理解法和原理解组合技术过程流程图：总功能分解图：功能结构图（上）：功能结构图（下）：从表中可知：组合方案数=3X3X2
6、X3X1X4X4X3X4=10368方案一：履带式正铲挖掘机（A1+B1+C2+D2+E1+F1+G2+H2+I1）方案二：轮胎式正铲挖掘机（A3+B1+C1+D2+E1+F2+G3+H2+I2）通过此例可看到能得到很多方案，这给设计者很多选择，一般采用相容性矩阵或选择表来对众多原理进行筛选1.相容性矩阵为便于检验和了解有联系的分功能之间的相容性，可以列出相容性矩阵。表2.5为一示例。此矩阵可以检验功能元F1和功能元F2所对应的技术物理效应之间的相容性。由表可得：判断功能元F1和F2的技术、物理效
7、应之间是否相容，有三种情况：相容（A3、B1、D1）、条件相容（A1、B3、C1、C3）和不相容。2.选择表对于复杂问题可以采用选择表法。建立选择表之前，拟出选择标准，例如：1.与设计任务相符2.应能满足各项必要要求3.在原理上可实现4.成本可行5.符合安全和人机工程学6.在技术水平、材料供应、制造方法、专利和标准方面可行选择表示例：功能原理设计举例例：瓶盖整列装置的原理方案设计设计要求：把一堆不规则放置的瓶盖整列成口朝上的位置逐个输出。尺寸如图，瓶盖质量m=10g，整列速度100个/min，能量
8、为220V交流，高气压0.6MPa，其余要求参见下表步骤：一.明确任务要求二.功能分析1、总功能：通过黑箱模型示意2.总共能分解：3、功能元求解。采用设计目录法，如下表4.功能元组合。组合功能元的解为N=8X6X6X3X7=60485.评价与决策。评价中用“++”表示“很好”，“+”表示“好”“-”表示不好2.2结构总体设计产品的使用性能，尺寸，外形，重量，生产成本等都与总体设计有密切关系。且不是孤立的系统。本节重点:1.结构总体设计的任务,及设计步骤2.车床和大客车的总体布置一、
