机械设计学第1章

1机械设计学2本课程的主要内容•功能原理设计•实用化设计•商品化设计3教材名称•《机械设计学》，第三版，黄靖远主编，机械工业出版社•参考资料：•各种有关产品设计、设计方法学的教材书籍4考核方式•平时成绩*50%+期末大作业成绩*50%•平时成绩:到课情况+平时作业5课程教学基本要求以及课程教学主要内容一、课程教学基本要求（1）掌握功能原理设计的基本方法；（2）了解方案评价与选择的基本方法；（3）了解总体设计的基本原则；（4）理解掌握进行机械产品结构设计的基本原理和方法；（5）理解和掌握商品化设计的基本原理和方法；（6）了解磨损和可靠性的基本知识；6（7）了解产品设计试验的基本要求和基本方法；（8）了解优势设计的基本思想和方法。二、课程教学主要内容本课程是一门涉及知识面较宽的课程，需要学生对机械制图、工程力学、机械原理、机械设计，机械制造等机械设计制造方面的基础课程有较好的掌握。主要通过课堂教学与作业来实现教学目标。7第一章绪论•§1-1基本概念•§1-2改善设计工作对中国的未来至关重要•§1-3近代设计科学的重大发展•§1-4机械产品设计的一般过程•§1-5机械设计的类型•§1-6机械设计的原则8•经济竞争引发对设计的新的认识：•1、人类一切物质文明都是设计的产物•2、设计、科研、技术的出发点、目标、结果、过程都不同•3、为竞争的优势而设计---市场驱动，要注重针对产品的设计理论与方法的研究图1—1展示了人类自古至今的各种设计创造的产物。9•“制造业的竞争实质就是产品设计的竞争”。产品设计是一个集功能分析、知识获取、概念设计、详细设计、性能仿真、加工制造及试验等于一体的复杂的过程。10§1-1基本概念一、什么是设计设计是人的创造性活动，是通过创造性思维创造出过去没有的或比过去更好的物质产品的劳动。是从合理的目标参数出发，通过各种方法和手段创造出一个所需的优化系统或结构的过程。其实质是创新（即在设计工作中努力采用新原理、新方案、新结构、新材料及新工艺等），其最高境界是创造具有极端市场竞争力的产品。市场的实践是检验设计好坏的唯一标准11二、什么是机械机械是机器和机构的统称。例1)鸿运扇2)割草机3)虚拟轴机床电风扇割草机12普通机床vs虚拟轴机床1314•机械设计•是设计者为满足社会和人们对机械产品功能的需要，运用基础知识、专业知识、实践经验和系统工程等方法，对机械的工作原理、结构、运动方式、力和能量的传递方式、各个零件的材料和形状尺寸、润滑方式等进行设想和构思、计算和分析，最后以技术文件的形式，提供产品制造依据的全过程工作。•努力目标•在各种限定的条件下设计出较好的机械产品——优化设计。三、机械设计的概念15•机械设计的任务:•都是围绕着开发新的机械产品或改造老的机械产品而进行的，机械设计的最终目的是提供满足人们需求、具有一定功能、优质高效、价廉物美，并具有市场竞争力的机械产品。•机械设计具有如下主要特点:•(1)多解性(2)系统性(3)创新性。16机械（产品）设计学•机械设计学是阐述产品设计的思想、理论、技术和方法的一般理论，研究产品的总体的设计问题。包括怎样产生产品的概念、怎样评价产品的概念，以及怎样组织产品设计的过程以便获得有竞争力的产品。•是将机械产品设计的共性技术与理性化的设计方法有机的结合在一起而形成的一门独立的、综合性的学科。研究机械产品设计的规律、过程、原理、方法、设计原则以及其他机械产品设计的共性技术。•战略---解决方向的问题，规划性的问题。四、机械设计学17五、学科产生的原因①开发新产品的需要：世界市场竞争的加剧，使得各先进工业国家首先在设计过程中总结规律，以提高设计质量和设计效率。从这个角度来讲，“设计学”和“机械学”是两个不同的概念。②改进旧产品的需要：随着工业产品的复杂程度的提高，直观的工作方法很难对产品提出有效的改进措施，因此功能分析和价值分析为改进旧产品提供了强有力的工具。③应用工具的产生：计算机和信息技术的发展，为设计学的研究提供了物质基础条件。18现代机械设计在中国的发展简史早在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。20世纪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……)。§1-3改善设计工作对中国的未来至关重要19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，并逐渐发展了各有特色的面向市场竞争的设计技术和设计教育体系。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。20§1-4产品设计、科学研究、技术出发点目标结果科学研究求知欲、好奇心发现自然规律认识客观世界产品设计需求发明新产品创造更好的世界技术制造开发新工艺、新材料制造更好的零件和产品21§1-5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-------设计学的发展简史①第一阶段：从古代人类发明工具开始算起，有了原始的功能思想（力学尚未成熟）：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知识和力学原理，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。这一时期国外以16世纪达芬奇的创造活动为顶点。达芬奇构想：齿轮、螺旋。22②第二阶段：设计学发展的第二阶段以1854年德国学者劳莱克斯作为起点：他写了《机械制造中的设计学》一书。提出将力学和机械制造作为机械设计学的基础，建立了机械设计的基本体系，把设计学分为“机构学”和“机械零件”两门课程。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，这一阶段的“设计学”实质上只是“机械学”，而忽略了设计学的核心内容——功能，而一心一意去研究运动学、动力学和强度、断裂、摩擦等问题。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。23③第三阶段：设计学发展的第三阶段以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，设计学作为一门新兴学科，快速发展起来。24二、近代“设计学”的重大发展：•二战以后，机构设计取得进一步的发展，科学技术的发展促使设计方法和技术的现代化。三维实体CAD数字建模、计算机辅助制造CAM技术、结构有限元分析、机械系统动力学建模与仿真（数字样机构建）、产品设计优化、可靠性技术、并行工程等技术得益于日新月异的计算机软件工具的支持，已广泛地应用于现代产品设计领域。•1．“功能”(Function)思想的提出和发展•名言：顾客购买的不是产品本身，而是产品所具有的功能(美国麦尔斯(L.D.Miles))•功能思想的提出，人们开始打破传统习惯，寻找不同的原理、结构和外形来实现同一种功能。•新兴技术的应用，使产品的功能和结构产生很大的变化。正向着机械-电子-信息一体化的技术方向发展。25二、近代“设计学”的重大发展：•2．“人机学”(Ergonomics，HumanFactor)思想的形成和发展：“宜人”的宗旨已经成为现代机械设计不能疏忽的观念。•3．“工业设计”(IndustrialDesign)学科体系的发展和成熟•以上三项是近代设计学发展的核心内容。26机械设计学学科体系是以机械设计学为核心构成的。依据产品开发的三阶段，包括以下三方面:(1)功能原理设计(2)实用化设计(3)商品化设计三、“机械设计学”的学科组成27机械设计中的功能原理设计、实用化设计和商品化设计的特点•一、功能原理设计•1．实质：原理方案的构思和拟定的过程•2．设计方法：以简图或示意图来进行方案构思（例：船用抽水机）282930•二、实用化设计•1．工作：设计结构、选择材料、确定尺寸•2．特点：从初步设计到详细设计再到设计完善的由粗到细的过程•3.要求：明确、简单、安全可靠、掌握和遵循其内在规律和一般原理。•实用化设计的核心是要使产品具有优良的性能，好用。31•三、商品化设计（技术、经济、社会）•1．技术方面的评价：软件质量（设计原理、技术参数的选取、实现功能目标的技术先进性等）；硬件质量（材质、工艺精度、性能、寿命、可靠性）、•2．经济方面的评价：成本与效益的比较•3．社会方面的评价：产品可能产生的社会效益32•从设计构思的角度看．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，可以通过模型或原理样机来检查构思的合理性。即制作出实用化的样机并通过实用样机的试验才能考虑进行商品化设计和投产的可能性。§1-6机械产品设计的一般过程33§1-7机械设计的类型•1．创新设计•2．变型设计•3．适应性设计机械设计按其创新程度可分为以下三种类型：34奔驰车结构设计：正向碰撞时力的作用情况奔驰车结构设计：侧向碰撞时力的作用情况35§1-7机械设计的类型创新设计：基本原理方面有实质性的创新。为开发性设计，即在全部功能或主要功能的实现原理和结构未知的情况下，运用科学技术进行的新型机械产品的设计。变型设计：不改变基本功能原理，但在机构、结构、辅助原理等方面有较大变动。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。由于需要传递的转矩或速比改变而重新设计减速器的传动系统和尺寸，属于变型设计36§1-7机械设计的类型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，产品局部的变更或设计,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。内燃机----增加增压器----输出功率增大37§1-8概念设计•概念设计：是指对一种产品的创意性的形象化描述，对产品总体设计方面的一些有特殊意义的想法。这些想法有以下特点：•1、有突出的创意。•2、其效果是为同类产品开创一个全新的方向或创造出一种全新的产品。•3、和需求关系密切，有广阔应用前景。•4、提出的概念和当今科技水平适应。•产品的概念：对产品的一个总体的想法，它就是概念设计的主要研究内容。3821世纪概念车39概念自行车40机械设计的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。(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。41(3)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，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。(4)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。42(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。43提出需求调查研究掌握信息提出明确详细设计要求原理性方案构思评价和初选选择模型确定参数详细设计制造加工样机测试设计鉴定批量生