第二章 机械的设计与相关课程简介

第二章机械的设计与相关课程简介

机器的认知实践 通过上周的认知实践，我们已经认识了几种典型的机器： 内燃机 牛头刨床 汽 车 电池自动分拣机 工业机器人

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第一章机械的组成、分类与发展

机器和它的分类

机器中的几个基本概念 机器的组成 机械发展历程概述

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第二章机械的设计与相关课程简介

内容提要第一节 机械设计的要求和内容第二节 机械设计的过程和方法第三节 机械设计类课程简介

什么是机械设计 ？

第一节    机械设计的要求和内容

机械设计的基本内容

机械设计的基本要求

机械设计的重要地位

什么是机械设计？

机械设计是一个工作过程。

构思 决策 分析 计算 绘图

设计计算书 全套图样　　 使用说明书

机械的工作原理

外观 运动和力的 传递方式

各个零件的材料、形状、尺寸

机械的结构

根据社会需求确定设计任务

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机械设计的基本要求

　功能性要求　可靠性要求　经济性要求　社会性要求

1 ．功能性要求机械产品必须完成规定的功能。机械的功能可表达为一个或几个功能指标。

例：电池自动分拣机

图 1 － 8 电池自动分拣机

电池托盘

z向进给机构

输送装置

机械手

主要功能指标：

每分钟分拣电池的个数。

主要功能指标：（ 1）被加工工件的尺寸范围；（ 2）滑枕应具有若干种不同的往

复运动速度，以满足不同切削工艺的要求；

（ 3）工作台沿横向应能实现若干种不同的进给量；

（ 4）应能供给并传递足够的功率，以克服切削力；

（ 5）应能保证一定的加工精度。

例：牛头刨床

机械功能指标的确定：　　　　　　　　　　由用户提出 由设计者与用户协商确定

机械的功能指标是机械设计最基本的出发点。

2 ．可靠性要求机械零件的内部和表面产生应力和变形

磨损

曲轴折断

潘存云教授研制

齿轮损坏

机械要传递力和力矩

有可能导致零件的失效

机械应能保证在规定的使用寿命期限内，零件不发生各种型式的失效。 为此要进行强度、刚度和寿命的计算，这些计算在整个设计工作量中占了很大的比例。

3 ．经济性要求

制造成本

使用成本

简化结构选用适当的材料确定合理的加工精度标准化、系列化和通用化

降低机械的能量损失考虑到维修的方便性和经济性

成本

设计阶段的工作如何，就基本上决定了一个产品成本的高低。

4 ．社会性要求 所设计的产品不应对人、环境和社会造成消极影响。

操作者的安全性和舒适性 机械的造型和色彩美观、大方、宜人 符合国家在环境保护方面的法规

数控加工中心

机械是否满足社会性要求，完全取决于设计。

对机械设计的四项基本要求

功能性要求

经济性要求

可靠性要求

社会性要求

例：汽 车载货（客）量

速度

返回

舒适性

排放量

美观

安全性

… …… …

耐用性

耗油量

价格

机械设计的基本内容

方案设计 确定工作原理

确定机械系统运动方案

1. 方案设计根据机械的功能要求，确定机械的总体方案。

螺纹加工方法

车削加工

丝锥加工 滚压加工

例：

比重不同

重选

磁性不同

磁选

对特定液体泡沫的吸附性不同

浮选

例：选矿机械的 工作原理 矿石

脉石

磁 铁

选矿机械的工作原理螺纹加工的工作原理

机械的工作原理不同，机械的面貌就 完全不同。 确定工作原理是方案设计的第一步。

方案设计 确定工作原理

确定机械系统运动方案

1. 方案设计根据机械的功能要求，确定机械的总体方案。

确定执行构件的运动选择原动机采用哪些机构实现运动形式的转换采用哪些机构实现运动速度的转换确定传动装置的布局

确定机械系统

运动方案

方案设计是机械设计中至关重要的一步。 它从根本上影响机械的结构、性能、成本。 应充分调查研究，并集思广益，提出多种方案，并按照四项基本要求，认真地进行比较、分析，以选择出最优方案。

方案设计 确定工作原理

确定机械系统运动方案

确定传动装置中各机构的基本几何参数。 例如：牛头刨床：确定连杆机构的各杆杆长，来保证滑枕的速度规律符合要求；内燃机：确定连杆机构的尺寸，凸轮的轮廓曲线，齿轮的齿数等。

2. 　运动学分析与设计

保证零件在一定的使用期限内不发生失效。通过设计确定零件的参数和基本尺寸。例如：轴的直径齿轮的大小和齿的大小

3. 工作能力分析与设计

　　对运转速度较高的机械，会产生振动和速度波动等有害的动力学现象，应进行必要的动力学分析。

　　 在此基础上对参数进行必要的修改，或采取一些措施减轻其影响。

4. 动力学分析与设计

在确定了各个零件基本参数的基础上，对各零件的结构进行构思，确定零件的全部尺寸。

这部分设计工作主要体现在图样上。

5. 　结构设计

作为制造的依据，应绘制出整个机械的装配图、组成机械的各个部件的装配图，以及全部非标准化零件的零件图。

　　图样上应标明制造所需要的全部信息：材料、热处理、基本参数和所有必要的尺寸，以及加工精度等技术条件。此外，还应提出所有外购件的明细表。

6. 装配图和零件图的绘制

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机械设计的重要地位

中国启动了创新型国家的建设

拥有自主的知识产权，机械设计至关重要

在若干重要领域掌握一批核心技术，拥有一批自主知识产权，造就一批具有国际竞争力的企业，大幅度提高国家竞争力。

培养造就富有创新精神的人才队伍。

真正的核心技术、关键技术 是买不来的，必须依靠自主创新。

建设创新型国家。

机械的功能指标是机械设计最基本的出发点。

方案设计……从根本上影响机械的结构、性能、成本。

机械应能保证不发生各种型式的失效。为此要进行强度、刚度和寿命的计算，占设计工作的很大比例。

设计阶段的工作如何，就基本上 决定了一个产品成本的高低。

机械是否满足社会性要求，完全取决于设计。

功能性要求

可靠性要求

经济性要求

社会性要求

实现自主创新拥有独立知识产权

的关键环节

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机械设计的过程

第二节   机械设计的过程和方法

机械设计的方法

一、机械设计的过程

设计的类型

适应性设计

开发性设计

参数化设计

工作 原理

主体 结构

功能

三者中至少应该有一项是首创的

开发性设计 三者中至少应该有一项是首创的

实例

照相机　　 数码照相机　　 手机上的照相机

工作原理

功能 主体结构

老式照相机　　 数码照相机　　 手机上的照相机

单缸洗衣机 　　　 双缸洗衣机　　

普通车床 　　　

工作原理

功能 主体结构

双缸洗衣机　　

立式车床 　　　

立式车床 　　　

三者中至少应该有一项是首创的

实现自主创新，拥有自主自主知识产权主要依靠开发性设计。创新性最强、过程最完整。

对现有的机械进行局部的修改或增补 。

不改变机械的基本结构、只改变机械功能的范围、机械的尺度和参数。

一、机械设计的过程

设计的类型

适应性设计

开发性设计

参数化设计

工作 原理

主体 结构

功能

三者中至少应该有一项是首创的

机械设计的完整过程

投产以后

计划阶段

方案设计阶段

试制试验阶段

技术设计阶段

提出设计任务（市场需求，用户委托，主管部门下达） 可行性研究 （重大问题应召开论证会） 编制设计任务书

计划阶段

提出机械的工作原理 （通过调查研究和必要的分析，还可能需要进行原理性试验 ） 提出几种机械系统运动方案 （进行必要的运动学设计，一般是初步的、粗略的） 确定出最佳总体方案 （经过分析、对比和评价，作出决策）

方案设计阶段

运动学分析与设计 工作能力分析与设计 动力学分析与设计 结构设计 装配图和零件图的绘制

技术设计阶段

通过试制和试验 ，发现问题，加以改进，修改某一部分设计结果。

试制试验阶段

收集用户反馈意见，研究使用中发现的问题，进行改进。 收集市场变化的情况，为可能提出新的设计计划准备资料。

投产以后

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二、机械设计的方法

常规设计方法

现代设计方法

工业革命以来力学和材料科学的发展运动学分析与设计动力学分析与设计工作能力的分析与设计

产生的时代：产生的基础：基本内容：

产生的时代：产生的基础：

20世纪下半页计算机的发明与快速发展

方案设计

运动学分 析与设计

动力学分析与设计

零件工作 能力设计 结构设计

创造性

主要依靠经验，通过类比方法进行

主要依赖于设计者的灵感

有系统的理论方法，但往往只能近似满足运动学要求

受到计算手段的制约，分析较简单。

常将复杂问题简化，得出近似公式或经验公 式。一般按静载荷计算，引入动载系数

常采用类比的方法

常规设计方法有如下不足： 方案设计过分依赖设计者个人的经验和水平； 一般满足于获得一个可用方案，而不是最佳方案； 受计算手段的限制，简化假定较多，影响了设计质量； 设计工作周期长、效率低，不能满足市场竞争激烈、产品更新速度加快的新形势。

尽管现代设计方法已经兴起，但常规设计目前仍被广泛应用。

设计者应该首先掌握常规设计方法，才能进一步学习现代设计方法。

本课程的内容主要是介绍常规设计方法。

现代设计方法

计算机辅助设计机械设计专家系统优化设计动态设计可靠性设计创造性设计

近数十年来，社会需求呈现多样化的趋势，产品更新速度加快。如果设计速度慢，就会贻误商机，造成不可弥补的经济损失。

计算机辅助设计 （ Computer-Aided Design, CAD)

计算绘图工作量太大

有的计算工作量大到根本无法用手工方法计算的程度。

图样总数可能达到数百、数千张。

繁琐的重 复性工作

提高设计速度成为设计方法革新的最主要的目标。

优越性： 提高效率，缩短设计周期，加快产品更新换代，增强市场竞争能力。 给出多个方案，供设计者比较、选择，确定最佳方案。 从繁琐的重复性工作中解脱出来，将时间和精力集中到创造性的工作上。

计算机辅助设计

运算快速准确

存储量大 逻辑判断功能强

辅助设计者进行设计

机械设计专家系统 （ Expert System ） 计算机辅助设计在上世纪 90年代的新发展。 专家系统是一种计算机程序，它使计算机具有学习、推理、决策和创造等智能行为，并能够在专家的水平上工作。

CAD

机械设计活动

数值计算型的工作 （计算与绘图）

符号推理型的工作 （方案设计、结构设计）

专家系统

优化设计（ Optimal Design ）可行方案与最优方案最优，就是使某一项指标达到最小（如重量）或最大（如效率）。机械设计的问题一般都较复杂，求最小值或最大值的问题并不是用微分方法求极值就能简单地予以解决的。数学领域的分支——数学规划理论，提供了很多求优的

数值方法，这些方法都以在计算机上进行的大量的数值叠代计算为基础。为了采用这些优化方法，就需要将具体设计问题的物理模型转化为一个数学模型。

高速化推动了机械动力学的发展。 精密化要求机械的实际运动尽可能与期望运动相一致。在分析误差时必须尽可能地计入各种因素的影响。 振动和噪声过大，则会影响车辆的舒适性并污染环境。 动态设计：考虑机械的动态载荷和系统的动特性，以动力学分析为基础来设计机械。 需要在计算机上用数值叠代算法求解微分方程。所以，动态设计在计算机获得普遍应用后才 能发展起来。

动态设计 (Dynamic Design)

可靠性设计（ Reliability Design ） 将概率论、数理统计引入机械设计中而形成的一

种设计技术。 将物理量都视为按某种规律分布的随机变量，用

概率统计的方法确定零、部件的主要参数和尺寸，使机械满足所提出的可靠性指标。

二次世界大战期间，美国由于飞行故障而损失的飞机比被击落的飞机多 1.5倍。

应航天计划的需要，兴起在上世纪 60年代的美国。

可靠性设计已应用于从宇宙飞船到家用电器的广阔领域。

创造性设计（ Creative Design ）利用人类已有的科技成果，充分发挥设计者的创造力，

设计出新机构和新机械产品的设计过程。

几千年来，机械的发明依靠的是能工巧匠和专家学者的灵感和创造性的思维。

如何产生灵感？如何进行创造性的思维？在历史的长河中，这些智慧的火花是零散的而非系统的，多种多样的而非单一的。

对历史上大量发明构思的过程进行了分析和归纳，总结出一些进行创造性思维的方法，形成了“创造学”。

创造性设计，特指以创造学理论为基础进行机械创新的方法。

现代设计方法

计算机辅助设计机械设计专家系统优化设计动态设计可靠性设计创造性设计

对设计者的基本要求

第三节   机械设计类课程简介

机械设计类课程简介

机械原理与机械设计课程

对设计者的基本要求

基本理论基本知识 基本技能

创新精神 团队精神认真作风

在大学机械类专业的教学计划中 ，安排了一组机械设计类课程。 这些课程的目的是向学生提供机械设计方面的基本理论和知识，并通过各种教学环节使学生具备进行机械设计的基本能力，并具备进行机械试验 的动手能力。通过这些课程和相关的实践活动，培养同学们的创新精神、团队精神和工作作风。

机械设计类课程简介

机械设计系列课程

机械制图 机械设计 机械原理

机械创新设计 现代设计方法

必修课

选修课

机械设计的基本内容

机械制图 机械设计 机械原理

必修课

机械原理与机械设计 课程体系

机械原理与机械设计 课程体系

机构的组成与分析机构是怎样组成的 ?机构具有确定运动的条件机构的结构分类如何用机构简图表示机构

机械原理与机械设计 课程体系

常用机构及其设计连杆机构、凸轮机构、齿轮机构和间歇运动机构等。分章介绍这些机构的结构、类型、原理、运动、应用、分析和设计。

机械原理与机械设计 课程体系

机器动力学 分析机器在运转过程中的受力情况 分析机器在已知外力下的运动情况 解决机器在运转中的速度波动和振动问题

机械原理与机械设计 课程体系

机械零部件的工作能力设计

常用机械零件的类型、原理、标准、应用、失效、分析和设计方法。

机械原理与机械设计 课程体系

机械零部件的结构设计

常用机械零件的结构设计方法。

机械原理与机械设计 课程体系

机械系统方案的设计 机构的选型和组合 机械系统运动方案设计 结合课程设计，使学生具有： 初步的拟定机械系统运动方案的能力。 设计由通用零件组成的机械传动系统的能力。

掌握了设计理论与方法掌握了方案设计的基本知识进行了设计机械的基本训练

学习机械原理与机械设计课程的目的

为后续的专业课程的学习奠定基础认识机械

分析机械

设计机械

掌握了分析方法，对机械的认识提高到理性认识的高度具备了对现有的机械进行分析的能力

为今后参 加实际工程中的机械设计奠定了基础