機械設(shè)計學(xué)第1章

機械設(shè)計學(xué)1本課程的主要內(nèi)容功能原理設(shè)計實用化設(shè)計商品化設(shè)計2教材名稱《機械設(shè)計學(xué)》，第三版，黃靖遠(yuǎn)主編，機械工業(yè)出版社參考資料：各種有關(guān)產(chǎn)品設(shè)計、設(shè)計方法學(xué)的教材書籍3考核方式平時成績*50%+期末大作業(yè)成績*50%平時成績:到課情況+平時作業(yè)4課程教學(xué)基本要求以及課程教學(xué)主要內(nèi)容

一、課程教學(xué)基本要求（1）掌握功能原理設(shè)計的基本方法；（2）了解方案評價與選擇的基本方法；（3）了解總體設(shè)計的基本原則；（4）理解掌握進(jìn)行機械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原理和方法；（5）理解和掌握商品化設(shè)計的基本原理和方法；（6）了解磨損和可靠性的基本知識；5（7）了解產(chǎn)品設(shè)計試驗的基本要求和基本方法；（8）

了解優(yōu)勢設(shè)計的基本思想和方法。二、課程教學(xué)主要內(nèi)容本課程是一門涉及知識面較寬的課程，需要學(xué)生對機械制圖、工程力學(xué)、機械原理、機械設(shè)計，機械制造等機械設(shè)計制造方面的基礎(chǔ)課程有較好的掌握。主要通過課堂教學(xué)與作業(yè)來實現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。6第一章緒論§1-1基本概念§1-2改善設(shè)計工作對中國的未來至關(guān)重要§1-3近代設(shè)計科學(xué)的重大發(fā)展§1-4機械產(chǎn)品設(shè)計的一般過程§1-5機械設(shè)計的類型§1-6機械設(shè)計的原則7經(jīng)濟(jì)競爭引發(fā)對設(shè)計的新的認(rèn)識：1、人類一切物質(zhì)文明都是設(shè)計的產(chǎn)物2、設(shè)計、科研、技術(shù)的出發(fā)點、目標(biāo)、結(jié)果、過程都不同3、為競爭的優(yōu)勢而設(shè)計---市場驅(qū)動，要注重針對產(chǎn)品的設(shè)計理論與方法的研究圖1—1展示了人類自古至今的各種設(shè)計創(chuàng)造的產(chǎn)物。8“制造業(yè)的競爭實質(zhì)就是產(chǎn)品設(shè)計的競爭”。產(chǎn)品設(shè)計是一個集功能分析、知識獲取、概念設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計、性能仿真、加工制造及試驗等于一體的復(fù)雜的過程。9§1-1基本概念

一、什么是設(shè)計

設(shè)計是人的創(chuàng)造性活動，是通過創(chuàng)造性思維創(chuàng)造出過去沒有的或比過去更好的物質(zhì)產(chǎn)品的勞動。是從合理的目標(biāo)參數(shù)出發(fā)，通過各種方法和手段創(chuàng)造出一個所需的優(yōu)化系統(tǒng)或結(jié)構(gòu)的過程。其實質(zhì)是創(chuàng)新（即在設(shè)計工作中努力采用新原理、新方案、新結(jié)構(gòu)、新材料及新工藝等），其最高境界是創(chuàng)造具有極端市場競爭力的產(chǎn)品。市場的實踐是檢驗設(shè)計好壞的唯一標(biāo)準(zhǔn)10二、什么是機械

機械是機器和機構(gòu)的統(tǒng)稱。例1)鴻運扇2)割草機3)虛擬軸機床電風(fēng)扇割草機11普通機床vs虛擬軸機床1213機械設(shè)計是設(shè)計者為滿足社會和人們對機械產(chǎn)品功能的需要，運用基礎(chǔ)知識、專業(yè)知識、實踐經(jīng)驗和系統(tǒng)工程等方法，對機械的工作原理、結(jié)構(gòu)、運動方式、力和能量的傳遞方式、各個零件的材料和形狀尺寸、潤滑方式等進(jìn)行設(shè)想和構(gòu)思、計算和分析，最后以技術(shù)文件的形式，提供產(chǎn)品制造依據(jù)的全過程工作。努力目標(biāo)在各種限定的條件下設(shè)計出較好的機械產(chǎn)品——優(yōu)化設(shè)計。三、機械設(shè)計的概念14機械設(shè)計的任務(wù):都是圍繞著開發(fā)新的機械產(chǎn)品或改造老的機械產(chǎn)品而進(jìn)行的，機械設(shè)計的最終目的是提供滿足人們需求、具有一定功能、優(yōu)質(zhì)高效、價廉物美，并具有市場競爭力的機械產(chǎn)品。機械設(shè)計具有如下主要特點:(1)多解性(2)系統(tǒng)性(3)創(chuàng)新性。15機械（產(chǎn)品）設(shè)計學(xué)機械設(shè)計學(xué)是闡述產(chǎn)品設(shè)計的思想、理論、技術(shù)和方法的一般理論，研究產(chǎn)品的總體的設(shè)計問題。包括怎樣產(chǎn)生產(chǎn)品的概念、怎樣評價產(chǎn)品的概念，以及怎樣組織產(chǎn)品設(shè)計的過程以便獲得有競爭力的產(chǎn)品。是將機械產(chǎn)品設(shè)計的共性技術(shù)與理性化的設(shè)計方法有機的結(jié)合在一起而形成的一門獨立的、綜合性的學(xué)科。研究機械產(chǎn)品設(shè)計的規(guī)律、過程、原理、方法、設(shè)計原則以及其他機械產(chǎn)品設(shè)計的共性技術(shù)。

戰(zhàn)略---解決方向的問題，規(guī)劃性的問題。四、機械設(shè)計學(xué)16五、學(xué)科產(chǎn)生的原因①開發(fā)新產(chǎn)品的需要：世界市場競爭的加劇，使得各先進(jìn)工業(yè)國家首先在設(shè)計過程中總結(jié)規(guī)律，以提高設(shè)計質(zhì)量和設(shè)計效率。從這個角度來講，“設(shè)計學(xué)”和“機械學(xué)”是兩個不同的概念。②改進(jìn)舊產(chǎn)品的需要：隨著工業(yè)產(chǎn)品的復(fù)雜程度的提高，直觀的工作方法很難對產(chǎn)品提出有效的改進(jìn)措施，因此功能分析和價值分析為改進(jìn)舊產(chǎn)品提供了強有力的工具。③應(yīng)用工具的產(chǎn)生：計算機和信息技術(shù)的發(fā)展，為設(shè)計學(xué)的研究提供了物質(zhì)基礎(chǔ)條件。17

現(xiàn)代機械設(shè)計在中國的發(fā)展簡史

早在20世紀(jì)20年代，中國的一些工科大學(xué)就開設(shè)了機械設(shè)計課程，主要由外籍教授講授。20世紀(jì)50年代以后，全面引進(jìn)了當(dāng)時蘇聯(lián)的機械原理和機械零件教材以及全面的教學(xué)手段(習(xí)題、模型、實驗、課程設(shè)計……)

?！?-3改善設(shè)計工作對中國的未來至關(guān)重要18進(jìn)入70年代以后，世界各先進(jìn)工業(yè)國家逐漸認(rèn)識到面對世界市場競爭，人們手中的重要武器就是“設(shè)計”。它們很早就把“設(shè)計學(xué)”從“機械學(xué)”中分列出來，并逐漸發(fā)展了各有特色的面向市場競爭的設(shè)計技術(shù)和設(shè)計教育體系。面對21世紀(jì)、我們必須清醒地認(rèn)識到，只有改善設(shè)計教育、研究和實踐，使之和“市場競爭”緊密聯(lián)系起來，我們的設(shè)計工作才能真正發(fā)揮對國民經(jīng)濟(jì)的重要支持作用。這對中國的未來是至關(guān)重要的。

19§1-4產(chǎn)品設(shè)計、科學(xué)研究、技術(shù)20§1-5近代設(shè)計科學(xué)的重大發(fā)展

一、“設(shè)計學(xué)”從古代到現(xiàn)代的三個發(fā)展階段-------設(shè)計學(xué)的發(fā)展簡史

①第一階段：從古代人類發(fā)明工具開始算起，有了原始的功能思想（力學(xué)尚未成熟）：由于生產(chǎn)、生活和戰(zhàn)爭的需要，推動了各種簡單工具及武器的發(fā)明，為實現(xiàn)某種功能目標(biāo)而發(fā)明的某種器械，其中所用知識涉及初步的材料知識和力學(xué)原理，這一時期的設(shè)計體現(xiàn)個人設(shè)計藝術(shù)的天才。如：中國的水排，指南車等。這一時期國外以16世紀(jì)達(dá)芬奇的創(chuàng)造活動為頂點。達(dá)芬奇構(gòu)想：齒輪、螺旋。21②第二階段：

設(shè)計學(xué)發(fā)展的第二階段以1854年德國學(xué)者勞萊克斯作為起點：他寫了《機械制造中的設(shè)計學(xué)》一書。提出將力學(xué)和機械制造作為機械設(shè)計學(xué)的基礎(chǔ)，建立了機械設(shè)計的基本體系，把設(shè)計學(xué)分為“機構(gòu)學(xué)”和“機械零件”兩門課程。這一時期作為機械學(xué)各分支學(xué)科如(機械原理與零件、機構(gòu)學(xué)、磨擦學(xué)、疲勞壽命等)發(fā)展迅速，這一階段的“設(shè)計學(xué)”實質(zhì)上只是“機械學(xué)”，而忽略了設(shè)計學(xué)的核心內(nèi)容——功能，而一心一意去研究運動學(xué)、動力學(xué)和強度、斷裂、摩擦等問題。當(dāng)然，這一時期機械學(xué)的發(fā)展為以后機械設(shè)計學(xué)的發(fā)展提供了堅實的理論基礎(chǔ)。22③第三階段：設(shè)計學(xué)發(fā)展的第三階段以1947年美國的麥爾斯(L.D.Miles)重新提出“功能”的概念為起點，這一時期，對設(shè)計學(xué)有深遠(yuǎn)影響的三個重要學(xué)科內(nèi)容被提出，并逐漸發(fā)展和成熟。即：(1)“功能”思想的重新提出和發(fā)展，(2)“人機工程學(xué)”思想的形成與發(fā)展，(3)“工業(yè)設(shè)計”學(xué)術(shù)體系的發(fā)展和成熟。從此，設(shè)計學(xué)作為一門新興學(xué)科，快速發(fā)展起來。23二、近代“設(shè)計學(xué)”的重大發(fā)展：二戰(zhàn)以后，機構(gòu)設(shè)計取得進(jìn)一步的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展促使設(shè)計方法和技術(shù)的現(xiàn)代化。三維實體CAD數(shù)字建模、計算機輔助制造CAM技術(shù)、結(jié)構(gòu)有限元分析、機械系統(tǒng)動力學(xué)建模與仿真（數(shù)字樣機構(gòu)建）、產(chǎn)品設(shè)計優(yōu)化、可靠性技術(shù)、并行工程等技術(shù)得益于日新月異的計算機軟件工具的支持，已廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計領(lǐng)域。1．“功能”(Function)思想的提出和發(fā)展 名言：顧客購買的不是產(chǎn)品本身，而是產(chǎn)品所具有的功能(美國麥爾斯(L.D.Miles)) 功能思想的提出，人們開始打破傳統(tǒng)習(xí)慣，尋找不同的原理、結(jié)構(gòu)和外形來實現(xiàn)同一種功能。新興技術(shù)的應(yīng)用，使產(chǎn)品的功能和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大的變化。正向著機械-電子-信息一體化的技術(shù)方向發(fā)展。24二、近代“設(shè)計學(xué)”的重大發(fā)展：2．“人機學(xué)”(Ergonomics，HumanFactor)思想的形成和發(fā)展：“宜人”的宗旨已經(jīng)成為現(xiàn)代機械設(shè)計不能疏忽的觀念。3．“工業(yè)設(shè)計”(IndustrialDesign)學(xué)科體系的發(fā)展和成熟以上三項是近代設(shè)計學(xué)發(fā)展的核心內(nèi)容。25機械設(shè)計學(xué)學(xué)科體系是以機械設(shè)計學(xué)為核心構(gòu)成的。依據(jù)產(chǎn)品開發(fā)的三階段，包括以下三方面:(1)功能原理設(shè)計(2)實用化設(shè)計(3)商品化設(shè)計

三、“機械設(shè)計學(xué)”的學(xué)科組成26機械設(shè)計中的功能原理設(shè)計、實用化設(shè)計和商品化設(shè)計的特點一、功能原理設(shè)計1．

實質(zhì)：原理方案的構(gòu)思和擬定的過程2．設(shè)計方法：以簡圖或示意圖來進(jìn)行方案構(gòu)思（例：船用抽水機）

272829二、實用化設(shè)計1．工作：設(shè)計結(jié)構(gòu)、選擇材料、確定尺寸2．特點：從初步設(shè)計到詳細(xì)設(shè)計再到設(shè)計完善的由粗到細(xì)的過程3.要求：明確、簡單、安全可靠、掌握和遵循其內(nèi)在規(guī)律和一般原理。實用化設(shè)計的核心是要使產(chǎn)品具有優(yōu)良的性能，好用。30三、商品化設(shè)計（技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、社會）1．技術(shù)方面的評價：軟件質(zhì)量（設(shè)計原理、技術(shù)參數(shù)的選取、實現(xiàn)功能目標(biāo)的技術(shù)先進(jìn)性等）；硬件質(zhì)量（材質(zhì)、工藝精度、性能、壽命、可靠性）、2．經(jīng)濟(jì)方面的評價：成本與效益的比較3．社會方面的評價：產(chǎn)品可能產(chǎn)生的社會效益31從設(shè)計構(gòu)思的角度看．可以歸納為三大步，即創(chuàng)意、構(gòu)思和實現(xiàn)。創(chuàng)意的重點在于新穎性，但這種新穎性必須具有潛在的需求。構(gòu)思的重點在于創(chuàng)造．即要構(gòu)思一種新的技術(shù)方向或功能原理來實現(xiàn)某創(chuàng)意。實現(xiàn)的重點在于驗證構(gòu)思的合理性，可以通過模型或原理樣機來檢查構(gòu)思的合理性。即制作出實用化的樣機并通過實用樣機的試驗才能考慮進(jìn)行商品化設(shè)計和投產(chǎn)的可能性?！?-6機械產(chǎn)品設(shè)計的一般過程32§1-7機械設(shè)計的類型1．創(chuàng)新設(shè)計2．變型設(shè)計3．適應(yīng)性設(shè)計機械設(shè)計按其創(chuàng)新程度可分為以下三種類型：33奔馳車結(jié)構(gòu)設(shè)計：正向碰撞時力的作用情況奔馳車結(jié)構(gòu)設(shè)計：側(cè)向碰撞時力的作用情況34§1-7機械設(shè)計的類型創(chuàng)新設(shè)計：基本原理方面有實質(zhì)性的創(chuàng)新。為開發(fā)性設(shè)計，即在全部功能或主要功能的實現(xiàn)原理和結(jié)構(gòu)未知的情況下，運用科學(xué)技術(shù)進(jìn)行的新型機械產(chǎn)品的設(shè)計。變型設(shè)計：不改變基本功能原理，但在機構(gòu)、結(jié)構(gòu)、輔助原理等方面有較大變動。變動產(chǎn)品部分零部件的技術(shù)性能和結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，擴(kuò)大規(guī)格或補齊系列，以滿足更大范圍功能參數(shù)需要的設(shè)計，又稱變參數(shù)設(shè)計。變型性設(shè)計是產(chǎn)品系列化的手段。由于需要傳遞的轉(zhuǎn)矩或速比改變而重新設(shè)計減速器的傳動系統(tǒng)和尺寸，屬于變型設(shè)計35§1-7機械設(shè)計的類型適應(yīng)性設(shè)計：在主功能的實現(xiàn)原理或者結(jié)構(gòu)方案保持基本不變的情況下，產(chǎn)品局部的變更或設(shè)計,增補或減少產(chǎn)品的某些功能，或局部更改某些功能的原理或結(jié)構(gòu)，使產(chǎn)品適應(yīng)特定的使用條件或者用戶特殊要求所進(jìn)行的設(shè)計。內(nèi)燃機----增加增壓器----輸出功率增大36§1-8概念設(shè)計概念設(shè)計：是指對一種產(chǎn)品的創(chuàng)意性的形象化描述，對產(chǎn)品總體設(shè)計方面的一些有特殊意義的想法。這些想法有以下特點：1、有突出的創(chuàng)意。2、其效果是為同類產(chǎn)品開創(chuàng)一個全新的方向或創(chuàng)造出一種全新的產(chǎn)品。3、和需求關(guān)系密切，有廣闊應(yīng)用前景。4、提出的概念和當(dāng)今科技水平適應(yīng)。產(chǎn)品的概念：對產(chǎn)品的一個總體的想法，它就是概念設(shè)計的主要研究內(nèi)容。3721世紀(jì)概念車38概念自行車39機械設(shè)計的原則在設(shè)計工作中應(yīng)遵循如下基本原則：(1)實用性原則又稱功能明確原則。主要表現(xiàn)為機器應(yīng)具有明確合理的功能，能完成一定的功能。(2)創(chuàng)造性原則創(chuàng)造性設(shè)計是機械設(shè)計最基本的特點。設(shè)計者只有大膽創(chuàng)新，才能有所發(fā)明、有所創(chuàng)造、有所改進(jìn)。設(shè)計者應(yīng)處理好創(chuàng)新和繼承的關(guān)系。40(3)優(yōu)化原則設(shè)計者初步判定的設(shè)計方案或模型常是原始的，并且有經(jīng)驗性的，必須經(jīng)過推理、分析和計算，使設(shè)計成果達(dá)到當(dāng)代科學(xué)技術(shù)的先進(jìn)水平和該產(chǎn)品制造及使用條件的最佳水平，在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等方面，經(jīng)全面分析和計算而達(dá)到最優(yōu)化的結(jié)果。(4)可靠性原則可靠性是衡量機械產(chǎn)品質(zhì)量好壞的一個重要指標(biāo)。

41(5)安全性原則機械產(chǎn)品的不安全因素常會導(dǎo)致機械和人身事故，甚至造成重大的經(jīng)濟(jì)損失和嚴(yán)重的社會影響。(6)經(jīng)濟(jì)性原則產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性好壞是產(chǎn)品具有市場競爭力的一個重要方面，主要表現(xiàn)又在確保產(chǎn)品功能的前提下，盡力降低產(chǎn)品成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。(7)評價審核原則機械設(shè)計是一個復(fù)雜的工作過程，涉及到很多因素和方面，因而設(shè)計過程也是一種信息加工、處理分析、判斷決策和修正的過程。

42提出需求調(diào)查研究掌握信息提出明確詳細(xì)設(shè)計要求原理性方案構(gòu)思評價和初選選擇模型確定參數(shù)詳細(xì)設(shè)計制造加工樣機測試設(shè)計鑒定批量生產(chǎn)銷售使用機械設(shè)計過程43設(shè)計階段的具體任務(wù)可分為四個階段：可行性研究、初步設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計和改進(jìn)設(shè)計1．可行性研究：從分析需求出發(fā)，經(jīng)過信息交流、尋找問題的解法、進(jìn)行原理性方案構(gòu)思，最終得到一組可行的原理性方案；2．初步設(shè)計：選出最優(yōu)的方案，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行設(shè)計參數(shù)的分析，將設(shè)計參數(shù)定量并加以優(yōu)化；3．詳細(xì)設(shè)計：總體設(shè)計（零部件的形狀、數(shù)量和相互配置關(guān)系，繪制總裝圖以及技術(shù)文件）；4.改進(jìn)設(shè)計：對反饋環(huán)節(jié)所反映的問題進(jìn)行技術(shù)處理。

44機械設(shè)計的基本程序

其基本程序可以分為四個階段：1）設(shè)計規(guī)劃：機械設(shè)計首先必須明確任務(wù)和要求。

2）方案設(shè)計：就是新產(chǎn)品的功能原理設(shè)計

3）技術(shù)設(shè)計：其任務(wù)是將功能原理方案具體化，尋求機器及其零部件的合理結(jié)構(gòu)。

4）施工設(shè)計：其主要內(nèi)容是完成產(chǎn)品制造所需的全部圖樣和技術(shù)文件

45§1-9“設(shè)計過程”研究及其新發(fā)展設(shè)計過程（DesignProcess）“設(shè)計過程”的思想要點為：1、“設(shè)計過程”是由一連串的“設(shè)計階段”組成的一種有組織的活動過程。2、這些“設(shè)計階段”大體上是互相銜接的，但其進(jìn)行方式不一定是單行線方式，而更多可能是相互搭接、反復(fù)迭代、循環(huán)進(jìn)行的。3、每一個“設(shè)計階段”中還有一些各不相同的活動內(nèi)容，要進(jìn)行多次決策，根據(jù)決策的結(jié)果，決定是進(jìn)入下一個階段還是回到某個初始階段重新開始。46并行工程（SimultaneosEngineering）

美國人接受了這個設(shè)計過程的思想以后，加以應(yīng)用和發(fā)展，提出了“并行工程”，把傳統(tǒng)的“拋過墻”的設(shè)計過程改造為各個設(shè)計階段互相“搭接”的過程模式。例如聘請制造工程師的代表參加到設(shè)計隊伍中，以便于他們在設(shè)計過程中與設(shè)計人員之間互相溝通。47協(xié)同設(shè)計（ConcurrentDesign）

20世紀(jì)80年代以后，“并行工程”的理念又被擴(kuò)展為“協(xié)同設(shè)計”，到90年代又發(fā)展為“產(chǎn)品及工藝集成設(shè)計”。

協(xié)同設(shè)計的重要思想就是同時關(guān)注產(chǎn)品的更新設(shè)計和與之相關(guān)的制造工藝，迫使工程師們在設(shè)計產(chǎn)品時，將精力投入到這兩個重要方面。48設(shè)計↘←廢品處理部門供貨商↗↙制造↑售后服務(wù)人員材料專家→↖銷售人員協(xié)同設(shè)計49§1-10質(zhì)量功能配置和質(zhì)量屋質(zhì)量功能配置（QFD）

當(dāng)人們確定了一個項目并明確了想要的設(shè)計產(chǎn)品概念之后，隨后要做的工作是確定產(chǎn)品的特性：1、產(chǎn)品的特性或目標(biāo)。2、這個目標(biāo)的競爭力如何。3、從顧客的觀點看，什么事重要的。用數(shù)字表達(dá)出上述特性或目標(biāo)。50QFD方法是收集和細(xì)化功能要求的好方法，它幫助我們生產(chǎn)設(shè)計過程中所需的工程設(shè)計說明書所需的信息。51END?52樹立質(zhì)量法制觀念、提高全員質(zhì)量意識。3月-253月-25