机械系统设计

系统是具有特定功能的、相互间具有有机联系的许多要素构成的一个整体。 ? 构成一个系统必须具备三个条件： ①系统由两个以上的要素组成；

②要素之间存在着相互联系、相互作用（interaction）； ③系统具有不同于各个组成要素的整体功能

系统组成

（1）要素 又称元素。是系统的组成部分，又称为子系统。 （2）结构 系统各要素相对稳定的相互联系、相互作用的方式。 （3）功能 系统整体在内部与外部的联系中表现的作用和能力。 （4）边界 系统所包含的要素的界限，结构表明须有确定边界。 （5）环境 存在于系统外与系统发生作用的各种因素的总体。 功能表明系统需要与环境发生关系。 （6）输入 通过边界进入到系统的事物。 输出 通过边界进入到环境的事物。 1. 系统的6个原理

(1)整体性原理(Principle of system integrality)

系统的整体性的主要表现在于：

系统的性质、功能和运动规律只有从整体上才能显示出来。

整体与部分相对应，整体是各个部分综合的产物。系统整体不等于部分和，表现出了系统的非加和性，即要素的相互作用具有非线性。 整体性至少有两层含义：

①要素联系不能分割。 ②要素服从整体功能。

(2)结构性原理(Principle of system structure)。

系统的结构性是指要素与要素、要素与整体的相互联系、相互作用的特性。

? 结构性又称为系统内部的相关性。

? 结构是系统保持整体性和目的性的内在根据。 ? 任何系统都是时空结构系统。

? 结构是功能的基础，功能是结构的表现。 ? 结构决定功能，功能又反作用于结构。

(3)开放性原理 (Principle of open properties of system)

? 系统的开放性是指系统与环境发生交换关系的属性。

? 开放性又称为系统外部的相关性，它是由系统内在结构所决定的。 ? 输入与输出是表征系统开放性的两个方面。

? 系统需要开放，是由于系统的存在和发展离不开环境。 ? 开放性是在与环境的相互作用中实现的。 ? 环境选择系统，系统也选择环境。

? 系统世界应该是一个和谐发展的世界。

(4)动态性原理 (Principle of dynamic property of system)。

? 任何具体系统都要经历产生、发展、稳定、老化和衰亡的过 程，系统状态是时间的

函数，这就是系统的动态性。 ? 运动是系统的存在方式。系统内部各要素的相互作用是系统 运动的内因，系统与环

境的相互作用是系统运动的外因。

? 系统具有绝对的动态性，并不否认系统具有相对的稳定性。

? 系统的稳定性是指系统在外界干扰和内部故障的作用下，持续保持结构、功能和性质的恒定性和有序性。

? 相对稳定性是系统存在和发展的必要条件。 动态性对设计工作的启示：

①要以发展变化的观点来研究问题，把握设计对象的发展趋势和变化规律，在实践中防止退化， 促成进化。

②由于系统的动态变化，就会出现这样或那样的时机可以利用。因此，要认识时机，抓住时机。

③要保持系统的稳定有序状态，必须在动态中平衡系统。在条件具备时，平衡是可以打破的。打破之后要在新的基础上建立新的动态平衡，以维 持新的稳定有序状态。 (5)层次性原理 (Principle of system levels)

? 系统的层次性是指系统的一种垂直结构，即，系统由一定的要素组成，这些要素是由低一级要素组成的子系统，而系统本身又是高一级系统的组成要素。

? 系统层次性的基本内容有3点：

①任何系统都具有层次结构。

②任何系统从简单到复杂的发展过程是分层次的。 ③不同层次的系统之间是相互影响的。

? 高层次系统与低层次系统形成一种纵向联系。

? 在同—层次的各(子)系统之间形成复杂的横向联系。

(6)目的性原理(Principle of systempurposiveness)

? 系统的目的性是指系统以追求有序稳定结构为目的的特性。 目的是行为的结果。 ? 系统要实现一定的功能是系统自身存在的目的。

? 如果系统不具备有序稳定结构，就不具有保持自身的能力，就会在外力和内力的影

响下分解、崩溃。任何系统都具有内部(结构)和外部(功能)的 二重性。

1. 系统论第一定律

系统的属性种类总是多于组成它的各个事物在孤立状态时的属性种类之和，对于可量度的某具体属性的值，系统可能起到放大或缩小作用，也可能不发生变化，究竟起何作用取决于该属性的本质、系统的结构以及系统内协同作用的强弱。 2. 系统的第二定律

在保证实现环境允许系统达到的功能的前提下，整个系统对空间、时间、物质、 能量和信息的利用率将趋于最高。 该定律又称之为五率最高原则。

如果一个系统没有使上述五率达到最高， 那么这个系统是不稳定的，必然是下列两种情况之一：

⑴系统本身不变化，或变化的速度太慢，五率远未达到条件所许可的程度，这类系统在与五率更高的系统的竞争中必然趋于毁灭；

⑵系统的要素与结构发展变化，不断提高五率，在这个过程中，系统由低级到高级，由简单到复杂不断完善 注意：

⑴第二定律指的系统对空间、时间、物质、能量和信息的利用率达到最高，是这五者的综合利用率达最高，而不是片面地追求某一个。因此，在设计一个机械系统时，决不可片面追求某种功能或属性。

⑵系统在不同的环境条件下对空间、时间、物 质、能量和信息的利用率是不相同的。 3. 系统的第三定律

不同的系统在某种意义上存在着一定程 度的相似性，从一个系统上得出的规 律，可以推广或还原到与之相似的其它 系统上去。 3. 系统的相关性

1. 系统要素与要素之间的关系

? 系统要素与要素之间的是相互作用。

? 恩格斯说：“相互作用是事物的真正的终极原因。”

? 系统通过要素的相互作用，形成了全新的整体效 应，有新质产生。作用各方一般没有明显的对称 性，即具有非线性关系。

2. 系统要素与整体的关系 (1)要素服从整体 (2)局部薄弱环节制约全局 设计的类型

三分法

按照人－社会－自然的相互关系， 将设计分为三种类型： ⑴环境设计

Environmental Design ⑵产品设计 Product Design ⑶传达设计

Communication Design 四分法

按照人－机－环境的相互关系分

⑴环境设计：对人类生存空间环境的设计。

例3-1 区域规划，工程，建筑，桥梁，道路，园林等。 ⑵过程设计：对事物发展过程的计划和安排。

例3-2 对流程系统的设计。工艺设计，程序设计。

⑶产品设计：对由许多元件结合成为整体的技术实体的设计。对结合系统的设计。 ⑷工业设计：对工业产品的技术设计和艺术设计，艺术设计部分称为工业造型设计，产品商品化

机械系统的组成

1.动力系统：动力机及其配套装置，动力源

一/二次动力机：一/二次能源→机械能。 2.运动系统:

1)执行系统：执行机构和执行构件，工作机

改变对象的性质、状态、形状或位置，或检测、度量。 2)传动系统：1和2的中间装置。传递动力和运动。

⑴减速或增速；⑵变速；⑶改变运动规律。⑷传递动力 3.操控系统：使123彼此协调运行。

⑴操纵系统：通过人工操作，起动、离合、制动、变速、换向； ⑵控制系统：通过控制器自动实现，如伺服机构、微机控制。 4.支承系统：用于安装和支承1234。基础件+支承件 = 机架 5.辅助系统：润滑、冷却、计数、行走、安全 设计对象所具有的共同性质

性质1：任何一个设计对象都有确定的技术过程。 性质1所确定的技术过程可以分为：

⑴主要过程：亦称工作过程，实现主要的转换。 ⑵辅助过程：为保证主要过程所必需的技术过程。 ⑶驱动过程：提供所需的能量。

⑷控制过程：对工作过程进行必要的操纵和调整。 ⑸联接过程和支承过程。

性质2：任何一个设计对象都具有接受物料、能量与信息，并按照一定的时序转换物料、能量与信息状态的功能。

功能：是某个子系统对其作业对象施加作用，并取得一定效应的能力。

效应：是由于该系统对作业对象施加作用，使得作业对象的性质或状态产生转换的结果。 在设计中，可将拟定的技术系统分解成功能的分层结构。同一层次的分功能组合起来，可以满足上一层次功能的要求，最后组成为功能的整体，以满足总功能的设计要求 性质3：任何一个设计对象都是由许多元素(设施、设备、机器、零部件、元器件等)集合而成的技术系统。

结构：是由许多具有不同复合程度的要素组成子系统 复合而成。这些要素表现为各种类型的机体。这些机体可分为：

⑴工作机体：执行主要功能和直接的工作作用。 ⑵辅助机体：提供辅助工作或准备工作的作用。 ⑶动力机体：供给技术系统中各机体的所需动力。 ⑷控制机体：处理信息、接受和发出控制信号。 ⑸连接和支承机体：连接、传输、支承与固定。

性质4：任何一个设计对象都是经人规划、设 计、加工、建立和使用的人工系统。 性质4所确定的人工系统的形成，是设计思维的最终结果。设计思维的原则反映了设计者在解决新系统的设计构思时所遵循的构思规则。 产品的市场生命周期

产品的市场生命周期：（又称寿命周期）

是指一个产品从进入市场到退出市场的过程。

销售量

试销期

初步稳定期 失望期 成长后期

4个阶段： 投入期 成长期 成熟期 衰退期

时间

自然环境

产品 设计 产品 计划

机械系统的设计过程

产品 制造 产品开发 市场开发 产品 销售 产品 报废 产品 使用 社会环境

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