hq第一章第二章华侨大学机械设计学.ppt

1,华侨大学机电学院 余龙2,第一章 绪论,3,小游戏：硬币穿孔,有这样一张纸，在纸中间有一个大小正好相当于5角硬币的圆孔。请问：如果不把纸弄破，如何才能使1元钱的硬币从这个孔中穿过？,4,第一节 机械产品设计的重要性,随着工业生产的发展，机械产品的功能和结构日趋复杂，产品设计在整个生命周期内占有越来越重要的位置。通常，产品的设计成本只占产品总成本的5%，而往往决定70%80%的产品总成本。我们所处的二十一世纪是市场经济国际化、全球一体化的世纪，产品竞争是国际化的竞争，竞争日益加剧。为了适应这一需要，世界各国普遍重视提高产品的设计水平，以增强产品竞争力。 产品设计的根本目的就是要创新产品，满足市场需求和占领更大市场。产品设计本身是创造性的劳动，设计的本质是创新。因此，重视创新设计是增加机械产品竞争力的根本途径。,5,设计与文明,人类的物质文明和精神文明都是设计的产物！,“仓廪实而（则）知礼节，衣食足而（则）知荣辱”,出自春秋时期辅佐齐桓公成为第一霸主的管仲之口,人类所有的物质和精神文明都是经由人类预先的设想和计划得以实现。,6,设计与国家竞争力,7,中华民族是勤劳智慧的民族，我国古代的指南针、造纸、印刷术和火药的发明，曾对世界科技进步作过巨大的贡献。我国的科技曾处于世界领先水平，我国的经济曾经走在世界前列。 有人曾作过测算，1820年中国的国内生产总值（GDP）是当时世界GDP总量的32.4，居世界首位。此后一路下跌：1890年降为13.2，1919年又降为9.1，到1950年时下降到7。一个曾经是世界上经济实力最强的国家，到了新中国成立前夕竟然沦为世界上最贫穷的国家。 中国落后的原因是多方面的，其中重要的原因之一就是我国科技创新能力的衰退。,8,关键技术的自给率低,关键技术大部分来自进口： 工程机械高技术产品80%以上； 数控机床70%；石油化工装备76%； 集成电路芯片制造设备80%； 光纤制造装备100%； 通讯、半导体、生物、医药和计算机行业60%90%； DVD产量占全球70%以上，但没有掌握核心专利技术； 彩电、手机和微机的CPU都是掌握在别人手里。,9,第二节 近代设计科学的重大发展 一、“设计学”从古代到现代的三个发展阶段 第一阶段：由于生产、生活和战争的需要，推动了各种简单工具及武器的发明，为实现某种功能目标而发明的某种器械，其中所用知识涉及初步的材料力学和力学原理，这一时期的设计体现个人设计艺术的天才。如：中国的水排，指南车等。这一时期以16世纪达芬奇的创造活动为顶点产生原始的功能思想。达芬奇构思的齿轮、螺旋为当时设计的最高水平。 第二阶段：1854年德国的劳登莱克(Rodenacker)提出将力学和机械制造作为机械设计学的基础，这一时期作为机械学各分支学科如(机械原理与零件、机构学、磨擦学、疲劳寿命等)发展迅速，这一时期的设计方法实质上就是机械学，而忽略了其核心内容“功能”。当然，这一时期机械学的发展为以后机械设计学的发展提供了坚实的理论基础。,10,第三阶段：以1947年美国的麦尔斯(L.D.Miles)重新提出“功能”的概念为起点，这一时期，对设计学有深远影响的三个重要学科内容被提出，并逐渐发展和成熟。即：(1)“功能”思想的重新提出和发展，(2)“人机工程学”思想的形成与发展，(3)“工业设计”学术体系的发展和成熟。从此开始，人们逐渐研究设计学的内涵，并成立了一些世界性组织，如欧洲设计研究组织（WDK），从此，设计学作为一门新兴学科，快速发展起来。,11,二、近代“设计学”的重大发展 l “功能”(Function)思想的提出和发展“适人” 2 “人机学”(Ergonomics，Human Factor)思想的形成和发展-“宜人” 3“工业设计”(Industrial Design)学科体系的发展与成熟-“迷人” 以上三项是近代设计学发展的核心内容。 同时：价值工程、优势理论、CAD/CAM技术、可靠性技术、有限元、优化、并行工程等技术都推动设计学的发展。,12,三、近代设计在国外,20世纪50年代初，联邦德国有感于“Made in USA”产品充斥德国市场，提出“关键在于设计”，63-64年举行全国性的“薄弱环节在于设计”的研讨。 20世纪60年代后，日本开始有关设计方法和CAD的研究，并改进工程技术教育，产品开发更新速度惊人。 美国人二战后始终以科技大国自居，57年10月4日前苏联卫星上天，受到一次强烈冲击；80中后期到90年代作为汽车大国的美国，到处跑的都是日本汽车，日本电器产品也占主导地位，美国人才恍然大悟，提出“为竞争的优势而设计”,13,四、现代机械设计在中国,早在20世纪20年代，中国的一些工科大学就开设了机械设计课程，主要由外籍教授讲授。 50年代以后，全面引进了当时苏联的机械原理和机械零件教材以及全面的教学手段(习题、模型、实验、课程设计) 。其教学内容基本上类同于德国的学术体系。 进入70年代以后，世界各先进工业国家逐渐认识到面对世界市场竞争，人们手中的重要武器就是“设计”。它们很早就把“设计学”从“机械学”中分列出来，并逐渐发展了各有持色的面向市场竞争的设计技术和设计教育体系,14,到80年代我们还没处理好“机械学”和“设计学”的关系，那时的学术气氛非常浓厚，到处可以听到达到或超过世界先进水平、填补国内空白、国内首创的说法。 面对21世纪、我们必须清醒地认识到，只有改善设计教育、研究和实践，使之和“市场竞争”紧密联系起来，我们的设计工作才能真正发挥对国民经济的重要支持作用。这对中国的未来是至关重要的。,15,第三节 机械设计的原则和基本程序 一、机械设计原则 在设计工作中应遵循如下基本原则： (1)实用性原则 又称功能明确原则。主要表现为机器应具有明确合理的功能，能完成一定的功能。 实用性-市场需要,16,(2)创造性原则 创造性设计是机械设计最基本的特点。设计者只有大胆创新，才能有所发明、有所创造、有所改进。 设计者应处理好创新和继承的关系，在继承的基础上重新。 创新 建立优势 才能赢得市场竞争,17,(3)可靠性原则 可靠性是衡量机械产品质量好坏的一个重要指标。是产品功能实现的关键！ (4)优化原则 设计者初步判定的设计方案或模型常是原始的，并且有经验性的，必须经过推理、分析和计算，使设计成果达到当代科学技术的先进水平和该产品制造及使用条件的最佳水平（价值最优），在技术、经济等方面，经全面分析和计算而达到最优化的结果。,18,(5)安全性原则 机械产品的不安全因素常会导致机械和人身事故，甚至造成重大的经济损失和严重的社会影响。 (6)经济性原则 产品的经济性好坏是产品具有市场竞争力的一个重要方面，主要表现又在确保产品功能的前提下，尽力降低产品成本，提高经济效益。 (7)评价审核原则 机械设计是一个复杂的工作过程，涉及到很多因素和方面，因而设计过程也是一种信息加工、处理分析、判断决策和修正的过程。,19,二、机械设计的基本程序 1、机械设计的类型 机械设计按其创新程度可分为以下三种类型（德国学派）： (1)开发性设计 在全部功能或主要功能的实现原理和结构未知的情况下，运用成熟的科学技术成果所进行的新型的机械产品设计。 (2)适应性设计 在主功能的实现原理或者结构方案保持基本不变的情况下，增补或减少产品的某些功能，或局部更改某些功能的原理或结构，使产品适应特定的使用条件或者用户特殊要求所进行的设计。 老产品改进、引进消化、仿造,20,(3)变型性设计 在功能原理和结构都保持不变的情况下变动产品部分零部件的技术性能和结构尺寸参数，扩大规格或补齐系列，以满足更大范围功能参数需要的设计，又称变参数设计。变型性设计是产品系列化的手段。,美国学派则把设计分为两类 1）创新设计 2）更新设计,21,2、机械设计的基本程序 其基本程序可以分为四个阶段： 1）设计规划：机械设计首先必须明确任务和要求。 2）方案设计：就是新产品的功能原理设计 3）技术设计：其任务是将功能原理方案具体化，寻求机器及其零部件的合理结构。 4）施工设计：其主要内容是完成产品制造所需的全部图样和技术文件,22,3.机械产品设计的步骤 从综合的角度看机械产品设计可以归纳为三大步-即创意、构思和实现。 创意的重点在于新颖性，但这种新颖性必须具有潜在的需求。 构思的重点在于创造即要构思一种新的技术方向或功能原理来实现某创意。 实现的重点在于验证构思的合理性，可以通过模型或样机来检验构思和设计的合理性。,23,创意,构思,实现,认识需求,界定目标,求解问题,分析和优选,评价与决策,表达,实现,概念设计,功能原理设计,可行和不可行性报告,模型,样机,市场检验,24,连点的方法,如图，一笔画出4根直线把9个点连接起来。你能做到吗？,25,26,一、功能原理设计 实质是：原理方案的构思与拟定过程。此阶段应用创造性 思维，加上借鉴前人有效的设计经验，寻求满足功能要求的原 理性方案。如何借鉴前人的设计？学习、参观、实践、实验 1.一个待设计的产品或系统要考虑那些因素呢？ 输入量、输出量、特性、空间尺寸，以及相应的约束条件， 可以用黑箱来表示并求解未知的机械系统。,第四节 机械设计中的几个主要环节,27,2.功能原理设计的表达方式： 主要用简图和示意图来表达功能原理方案的构思。 如：原油抽油机的换向机构： 1 电机换向、 2 机械换向（曲柄、摩擦、行星） 船用自动抽水机的原理方案设计。 3.功能原理设计是一个形象思维与逻辑思维推理过程 功能原理设计是创新和开发设计的关键阶段。从本质 上决定了机械设计水平。 功能原理试验阶段：模型试验，证明构思的可行性。,28,二.实用化设计-原理方案的结构化 确定所需零件的材料、形状、尺寸、加工方法及总体布局。 该阶段涉及到如下技术问题：如：材料学、工艺学、精度、 设计计算方法、制图、实验和测试技术。 实用化设计还要涉及到总体布局和一系列外围问题，除应 用创新性思维活动外，更多的是分析和校核工作，但不应局限 在零件设计水平上，而应该更多考虑功能的可靠性，制造及装 配工艺性，使用性能及成本,所以实用化设计是一个多循环的， 由初级阶段向高级阶段发展的设计阶段。 该设计阶段可以衡量一位设计师的水平(基本功）。,29,该设计阶段有如下要求： 1.安全、可靠、结构简单、成本低、寿命长； 2.设计者要控制相关因素在各自规定的范围内，如应力、变形、 振动、腐蚀、重量、体积、成本等； 3.要求遵循以下的设计原理： 等强度原理、合理力流原理、变形协调原理、力平衡原理、 自补偿原理、稳定性原理； 4.实验：实用化设计阶段要做样机实验（测试各项性能指标， 如强度、刚度、可靠性、振动、稳定性、噪音、抗腐蚀， 以便发现问题和修改设计）。,30,三、商品化设计 此阶段要注意以下三个方面内容： 技术方面-设计原理和技术参数的先进性（材料、工艺、精度、性能、寿命、可靠性等）。 经济方面-实施费用和可能取得的经济效益之比，（技术经济分析或价值分析）。 社会方面-社会效益，如提高社会生产力，推动技术进步，增加社会福利，环保要求。（具体讲，如：造型设计，人机关系，附加功能，维修性，互换性，回收性，售后服务。） 从价值工程角度-机械设计应以功能分析为核心，以科学的分析计算方法为工具，用最低的成本实现必须的功能。,31,第五节 机械设计的思维特点和方法特点 前面讲到，设计是一个创新的过程，是在多种相互矛盾的需求和约束条件下反复进行协调和折衷的过程。 从思维角度：设计是针对总功能目标的发散性思维和收敛求解的交替过程，是一种多解问题求优的思维过程。,海阔天空 九九归一,32,一、设计是一个创新和综合的过程 1、创新需要充分发挥设计人员的三种能力： 抽象思维（抓住问题的本质） 创造性思维（求多解） 形象思维（头脑设计阶段） 创新是建立在科学的基础之上，没有科学基础甚至背离它去搞所谓的创新是徒劳无益的，如永动机。 2、信息的交流与综合是创新的前提 （如：要充分利用信息高速公路），所以创新是在继承基础上的创新。,33,二、设计是一格迭代过程（即信息反馈、反复求优的过程） 三、设计过程是在约束条件下求优过程（约束优化问题） 包括：方案优化、设计参数优化、结构形状优化和整体 布局方案优化。 （设计者要善于协调设计要求和各种约束条件之间的关系， 从中寻求相对最优解，不是理想最优解）。,四、机械设计过程是求解一个待定的技术系统的过程,34,（人类几千年的发展史一直伴随着机械构思和机械设计，从石刀、石斧的石器时代到目前的卫星、飞船的太空时代，构成了机械设计发展史。） 自然、社会、科技文化都影响着机械设计的发展（农业、工业、军事等需求导致科学和设计的发展，促进社会物质文明建设，引起社会生活的变化。高科技反过来促进设计理论和设计手段的发展）。 如：一战，飞机，非洲自给自足的部落社会 二战，飞机，导弹，V-1，V-2，原子弹，潜艇,第六节 机械设计的发展简史,35,机械设计经历了一个逐渐发展的过程 总体上看，机械的发展由简到繁，由粗到精。 （ 第一次工业革命：蒸汽机； 第二次工业革命：计算机； 第三次工业革命：低温超导的应用）。 在一系列工业革命中，机械设计大致经历了三个阶段： 直觉设计阶段 ： 人们从自然现象中得到启发（如鲁班），全凭直觉来 设计和制造工具和设备，逐渐转向分析机械的工作原理。 与数学结合，产生力学和机械学。,36,经验设计阶段： 自17世纪以来，人们开始运用经验公式来解决设计中的 一些问题，如材料强度，结构件的应力和强度、机器功率及 成本等。直到19世纪，人们还不能提出更多的设计理论与方 法来指导各类设计。20世纪初才出现了设计图纸，直到今天， 各国的设计者多数仍采用图纸设计法。 特点：主要是依靠个人的才能和经验，运用一些基本设 计计算理论，借助类比、模拟和试凑等方法来进行设计， 因此，设计仅能满足基本的功能要求，局限性大、周期长， 不易实现最优。,37,半理论半经验设计阶段 特点：该阶段设计理论主要集中在揭示具体设计对象 的内在机理上，还未能将设计作为一门学科来研究。 （设计的成功与失败与设计者的经历，经验有紧密的 联系。对许多具体设计对象的内在机理的研究很不成 熟，设计带有很大的条件性和经验性。如：滑动轴承 设计，只能依靠验算P和PV值）。 此阶段的设计方法未能完全将局部与系统，定性 与定量，静态与动态，技术与经济，技术与美学 统一 起来。,38,此阶段的理论研究工作包括： 材料应力-应变理论，疲劳理论，材料蠕变理论，流体 润滑和弹性流体动力润滑，摩擦磨损理论，断裂力学，可靠 性分析。 分析计算带有很多假设条件，应用了很多经验公式。 关键零件的实验研究（如轴的强度问题），零件的标准 化，部件的通用化和系列化，都可以提高设计速度、设计质 量、降低成本。 所以加强设计理论和方法的研究，可以减少设计的盲目 性，提高设计效率和质量，使设计向理论设计阶段发展。 未来的理论设计阶段：应是智能化的无纸化设计，CAD-CAM,39,设计的发展过程为： 运动学设计强度设计刚度设计动力设计学 稳定性设计热力学设计摩擦学设计动态设计 疲劳设计CAD专家系统人工智能设计。） 设计发展的总趋势： 近几十年，每10年知识翻一番，在新兴学科和技术 不断涌现、科学的交叉与综合、新的理论和方法不断出 现的基础上： 分析，计算，试验从宏观走向微观； 设计从静态走向动态； 方案设计从单目标设计走向多目标设计； 设计周期越来越短。,第七节 机械设计的现状和展望,40,（设计的发展体现在如下4个方面） 一、产品功能原理的发展 产品功能直接受科技发展的影响，如：电子管半导体半导体元件超集成化。低温超导使磁悬浮列车产生飞跃。功能原理的创新一方面源于科技进步，一方面源于设计者的创造性思维。 二、产品质量的提高 科技进步对产品质量的提高起着主要的作用，如：新材料 （发动机缸体，飞机，.），新工艺等。 产品质量包括以下两方面内容： 基本性能：运动和动力特性，操作性能，经济性能等、 适应能力：对工况、条件的适应能力，如：物料形状尺寸、 温度、湿度、粘度、载荷、速度、加速度、振动等。 （对产品上述行为的研究将有助于质量的提高。）,41,三、设计方法和手段的发展 传统的设计方法占去了设计时间的3/4，而采用CAD设计 可以很快完成结构设计和参数优化分析，可以存储、调用、查 阅大量资料和信息。专家系统将使CAD更加完善） 四、机电液一体化技术的产生和发展 机械工业发展方向为：信息化、柔性化、智能化，集中体 现为机电液一体化。 一体化的特点： 自动检测、自动数据处理（运算，判断，存储记忆）、 自动显示、自动调节、控制、诊断、自动保护，使人机关 系发生根本性变化，向智能化方向发展。,42,第八节 概念设计,一、什么是概念设计 概念设计是由分析用户需求到生成概念产品的一系列有序的、可组织的、有目标的设计活动，它表现为一个由粗到精、由模糊到清晰、由具体到抽象的不断进化的过程。概念设计即是利用设计概念并以其为主线贯穿全部设计过程的设计方法。概念设计是完整而全面的设计过程，它通过设计概念将设计者繁复的感性和瞬间思维上升到统一的理性思维从而完成整个设计。,43,概 念 设 计,例子 ： 1、现有的挖掘机。 2、概念挖掘机。,概念设计不同于现实中真实的产品设计，概念产品的设计往往具有一定的超前性，它不考虑现有的生活水平、技术和材料，而是在设计师能力所能达到的范围来考虑人们未来的产品形态，它是一种针对人们的潜在需求的设计。,44,产品功能的概念化,产品概念的可视化,概念设计商品化,概念设计,二、概念设计的目的： 在产品开发的前期对将要进入市场的新产品、新技术、新设计进行全方位的验证，提出新的功能和创意，探索解决问题的方案，并为将来新产品的设计、生产、广告宣传和上市销售做好充分准备。,45,在产品概念设计的前期，将产品的功能划分、市场定位、目标客户、价格区间等概念，用草图的形式确定下来。产品功能的概念化是设计师在概念设计中最艰巨的任务。 产品功能的概念化的实质就是要提出问题，即在解决问题之前首先弄清目前存在那些问题，有什么问题需要在设计中解决，找出构成这些问题的主要因素，提出解决问题的设想和方案，这样才能准确地把握我们将要做的产品概念设计的风格与形式。,1、产品功能的概念化,46,2、设计概念的可视化,就是把文字和草图形式的产品概念定义，通过图样与样机模型转化为更直观、更容易被普通人所理解的可视化形态。也就是把设计概念具象化的表现出来，使原来“无形”的概念成为“有形”的概念产品。 这些概念设计图样或模型可以用于企业各部门在开发过程中的协调与沟通。也可用来征求目标客户和企业内部生产与销售等部门的意见，经过对各方面的意见收集与研讨，最终得到的结论可以作为一个产品设计定型的决策依据。,47,这款新型的MP3播放器，既保持小巧的身姿，又能够兼顾CD 音乐媒体，大部分时候它都像是普通的MP3播放器一样工作，但是如果你想听一下CD的时候，只需要将CD插入插槽，通过一端的转轴将CD光盘固定住，它就可以读取CD上的音乐了。,MP3播放器,48,就是把一个富有创意的概念设计转化为真正的商品，在概念设计的前期，人们对创新的期待与需求赋予了设计师很大的自由创作空间，而在概念设计商品化的过程中，设计师往往不得不对原来的概念产品设计进行必要的修改，把一个概念产品变成具有市场竞争力的商品，并大批量的生产和销售之前有很多问题需要解决，工业设计师必须与结构设计师、市场销售人员密切配合，对他们提出的设计中一些不切实际的新创意进行修改。对于概念设计中具有可行性的设计成果也要敢于坚持自己的意见，只有这样才能把设计中的创新优势充分发挥出来。,3、概念设计的商品化,49,概念设计的作用和特点,概念设计最主要的作用在于产品设计的创新，若没有新的创意，概念设计就失去了意义。一个合格的设计师在进行设计之前都会对自己将要设计的产品设定一个新的产品概念定义，这个新的概念定义一般都会包含较大的范围，目的是在初期的创意阶段不会受到过多的束缚从而使设计更有新意。如，电话机（信息传递机械）的设计。 概念设计的最大特点就是创新和标新立异，概念设计要有创造性，设计师可充分发挥自己的潜力进行设计创新。,50,概念飞行汽车,大城市堵车现象严重，广阔天空就是未来开发的对象，这辆“G440 概念飞行汽车”可能就是未来交通工具的雏形。,它有四个涡轮、7个座位、可垂直离开地面和登陆。操作简化更接近汽车操作，当然它不会像客机或直升机那样飞的很高，以低空飞行为主。,51,普通机床,电 风 扇,割 草 机,返回,52,数数看有几个黑点！,53,54,第二章 机器的组成及典型机器的功能分析,55,现代机器的定义： 机器是由两个或两个以上相互联系配合的构件所组成的联合体，通过其中某些构件的限定的相对运动，能将某种原动力或运动转变，以执行人们预期的工作，在人或其它智能体的操作和控制下，实现为之设计的某种或某几种功能。,第一节 机器的定义,56,一、传统的观点看机器的组成 二、从不同的角度看机器的组成 三、从功能观点看机器的组成,第二节 机器的组成,57,“任何机器是由原动机、传动机和工作机三部分组成的。”-马克思 随着科学技术的发展，又增添了控制器。,第二节 机器的组成,一、传统的观点,58,即： 原动机 传动机 机器 工作机 机械装置 控制器 电子控制系统,一、传统的观点,第二节 机器的组成,59,1）从机构学的角度看，机器是由各种基本机构组合而成的。 2）从结构学的角度看，机器是一系列基本构件组装而成的。 3）从专业的角度看，常常以主要部件特征来看机器的组成。（专用部件和通用部件组成）,二、从不同的角度看机器的组成,第二节 机器的组成,60,汽车的组成,图2-1 汽车的组成 1-底盘 2-发动机 3-车身,61,图2-2 车床组成图 1床身 2尾座 3刀架 4主轴箱 5进给箱 6床腿 7溜板箱,CA