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1、华中科技大学机械学院 杨家军,机械设计基础,华中科技大学机械学院 杨家军,0.1 机械设计概述,0.1.1 设计的本质设计是复杂的思维过程，设计过程蕴涵着创新和发明的源泉。设计就是尽可能少地消耗以材料、能源、劳动力、资金等形态存在的资源，创造出满足预先设想功能要求的物质实体，设计是人类进行的一种有目的、有意识、有计划的创造活动。,华中科技大学机械学院 杨家军,现代设计强调创造能力开发和充分发挥人的创造性；重视原理方案的设计、开发和创新产品。现代设计已不再把时间花费在烦琐的计算推导及平面图纸的设计上，现代设计在设计过程中，综合考虑、分析市场需求、设计、生产、管理、使用、销售能各方面的因素；综合运
2、用优化系统工程、可靠性理论、价值工程、技术等学科的知识，探索多种解决设计问题的科学途径。在这样一个迅猛发展的时代,人们的要求越来越高,也就对设计工作者提出了更高的水准。设计向什么方向发展,设计如何解决现代人的需求,已经成为重要的研究课题。机械设计基础课程在产品设计中的作用?,华中科技大学机械学院 杨家军,机械设计的一般进程大体上可划分为产品规划、概念设计、详细设计试制生产四个阶段需要强调的是,在概念设计阶段,其中诸如建立功能结构、寻求作用原理、构思总体原理解及布局造型等等,都是最具创造性的工作因此也是决定新产品开发成败与否的最关键阶段。设计进程本身是一个不断反馈循环的过程,设计者在每一步都可能
3、获得新的信息,从而反馈到前面的步骤。因此,一个出色的设计者往往要经历多次反复才能真正达到其最优效果。,华中科技大学机械学院 杨家军,创新设计是指充分发挥设计者的创造力，利用人类已有的相关科学技术成果（含理论、方法、技术原理等）进行创新构思设计出具有新颖性、创造性及实用性的机构或机械产品的一种实践活动。归纳起来创新设计具有如下特点:创新设计是涉及到多种学科,包括设计学、创造学、经济学、社会学、心理学等的复合性工作,其结果的评价也是多指标、多角度的；创新设计中相当一部分工作是非数据性、非计算性的,而是要依靠对各学科知识 的综合理解与交融,对已有经验的归纳与分析,运用创造性的思维方法与创造学的基本原
4、理开展工作；创新设计不只是因为问题而设计,更重要的是提出问题,解决问题；创新设计是多种层次的,不在乎规模的大小,也不在乎理论的深浅,注重的是新颖性、独创性；创新设计必须具有实用性，其最终目的在于应用。学起于思，思缘于疑，如生活中会出现饮水机在倒水时手推开关会把一次性水杯压扁；台灯写字时手会遮住光线留下影子；用墨水瓶吸墨水时会把笔弄脏；电梯按钮不适合不同身高的人，且只有视觉提示，没有考虑盲人等特殊人群等问题，将这些问题解决就是创新设计。,华中科技大学机械学院 杨家军,012 设计的原则,华中科技大学机械学院 杨家军,“不以规矩、不成方圆”,华中科技大学机械学院 杨家军,1、创新原则,创新就是通过
5、引入新概念、新思想、新方法、新技术等或对已有产品的革新来创造具有相当社会价值的事物或形式。,创新概念,华中科技大学机械学院 杨家军,【案例分析】,洗衣机的发展与创新,第一台电动洗衣机,第一台手摇洗衣机,单缸单洗洗衣机,双缸半自动洗衣机,全自动滚筒洗衣机,华中科技大学机械学院 杨家军,华中科技大学机械学院 杨家军,华中科技大学机械学院 杨家军,雪地自行车,华中科技大学机械学院 杨家军,【案例分析】,3、经济原则,木桶,塑料水桶,多功能自行车,华中科技大学机械学院 杨家军,【案例分析】,4、美观原则,华中科技大学机械学院 杨家军,武器 枪,5、道德原则,道德是观念，产品设计时必须考虑它与人、社会、
6、环境的关系，要尊重他人知识产权、技术的成果。发明的产品不能伤害别人的身体，不能污染环境，如发明的带高压电的防盗网,激光致盲防盗锁、恐怖玩具就不满足道德原则，也是法律不允许的。,华中科技大学机械学院 杨家军,6、技术规范原则,技术规范是有关开发产生技术的知识、领域、方法和规定的总和。技术规范有强制性的，也有推荐性的；技术规范是随科学技术发展而发展的。机械产品设计中要求系列化、通用化、标准化，以便满足零部件之间方便互换的要求，如螺栓、螺母、垫片与港口运货的集装箱（图0.9）、标准齿轮等，都满足技术规范原则。而各种手机电池、充电器没有采用统一技术标准，给用户使用中带来许多麻烦。,华中科技大学机械学院
7、 杨家军,螺栓,华中科技大学机械学院 杨家军,7、可持续发展原则,白色污染,技术设计的可持续性发展原则是指产品的设计既满足当代发展的需求，又考虑未来发展的需求，不以牺牲后人的利益和长远的利益为代价来满足当代人的需求，产品的设计要考虑到人类长远的发展，资源与能源的合理利用，生态的平衡等可持续发展的因素。,华中科技大学机械学院 杨家军,太阳能汽车,华中科技大学机械学院 杨家军,8、安全原则,安全是人类对产品最基本的需求，产品设计必须考虑安全问题。机械安全基本要求是有足够的抗破坏能力、良好的可靠性和对环境的适应性，可靠有效的安全防护，履行安全人机学的要求，通过选用适当的设计结构尽可能避免或减少危险，
8、采用本质安全技术，避免锐边、尖角和凸出部分，防止超载应力，避免交变应力，进行回转件的平衡，采用机械化和自动化技术，减少操作者涉入危险区的时间，并设置安全装置。,华中科技大学机械学院 杨家军,吊具 抓斗,华中科技大学机械学院 杨家军,9、科学性原则,设计应当符合自然规律（科学性原则），否则产品就没有其生存空间。如灵巧机械手、航天飞机的发明符合科学性原则。电动机、发电机设计遵循了电磁感应的科学原理，永动机构想则违背能量守恒定律和转化原理，不符合科学性原则。,华中科技大学机械学院 杨家军,灵巧机械手 航天飞机,华中科技大学机械学院 杨家军,课程的性质与任务,是一门介绍常用机构和通用机械零件的基本知识
9、和基本设计方法的技术基础课。,华中科技大学机械学院 杨家军,教学内容1、研究机构的组成及具有确定运动的条件。2、研究四种基本机构的特性和设计方法。3、讨论机械零部件的设计方法，如零部件的工作能力、参数设计、结构设计、加工工艺等。,华中科技大学机械学院 杨家军,本课程的基本学习方法,1 着重基本概念的理解和基本设计方法的掌握，不强调系统的理论分析；,2 着重理解公式建立的前提、意义和应用,不 强调对理论公式的具体推导；,3 注意密切联系生产实际，努力培养解决工程 实际问题的能力。,华中科技大学机械学院 杨家军,机械(machinery),机器,机构,华中科技大学机械学院 杨家军,机器(machi
10、ne)执行机械运动的装置，它用来变换和传递能量、物料与信息,华中科技大学机械学院 杨家军,用来传递运动和力或改 变运动形式的构件系统,机构(machanism),华中科技大学机械学院 杨家军,机构和机器的区别,机构只是一个构件系统，而机器除构件系统外，还包含电气、液压等其它系统 机构只用来传递运动和力，而机器除传递运动和力外，还具有变换或传递能量、物料和信息的功能,华中科技大学机械学院 杨家军,机器是由机构组成的。例：内燃机,连杆机构凸轮机构齿轮机构,机构运动简图,华中科技大学机械学院 杨家军,由若干机械装置组成的、完成特定功能的系统。,机械系统,华中科技大学机械学院 杨家军,构件和零件,机器
11、中的独立运动单元,零件 机器中的制造单元,机构的组成和运动副,机构的组成要素是构件和运动副,构件,华中科技大学机械学院 杨家军,其中，运动规律已知的活动构件称为原动件，输出运动或动力的从动件称为输出件。,华中科技大学机械学院 杨家军,1-连杆体2-螺栓3-螺母4-连杆盖,由若干零件组成的构件连杆,华中科技大学机械学院 杨家军,二、运动副及其分类,运动副：机构中两构件直接接触的可动联接。,运动副元素：两构件上参加接触而构成运动副 的部分，如点、线、面。,华中科技大学机械学院 杨家军,运动副的分类,根据运动副的接触形式，运动副归为两类1）低副：面接触的运动副。如:,移动副,转动副,华中科技大学机械
12、学院 杨家军,运动副的分类,2）高副：点或线接触的运动副。如:,齿轮副,凸轮副,机械零件,水轮机叶片、活塞、曲轴,本课程重点讨论通用零件的设计。,1-2 机械零件的工作能力和计算准则,一、设计机械零件的基本要求,1、满足功能要求，能够准确实现预定的功能；2、工作可靠在预定的工作期限内不能失效；3、成本低廉。,失效丧失工作能力或达不到设计要求的性能，不仅仅指 破坏。主要有：,断裂。如轴、齿轮轮齿发生断裂,表面点蚀。工作表面片状剥落,塑性变形。零件发生永久性变形,过大弹性变形,过度磨损,过大振动和噪声、过热等,工作能力不失效条件下零件的安全工作限度。这个限度通常是以零件承受载荷的大小来表示，所以又
13、常称为“承载能力”,吊钩最大起重量50 kN工作能力或承载能力50 kN,二、承载能力判定条件,同一零件可能发生各种不同形式的失效,轴可能的失效形式：,断裂、过大弹性变形、塑性变形、共振,强度条件：工作应力许用应力 或,刚度条件：实际变形量许用变形量 y y、,耐磨性条件,振动和噪声条件,热平衡条件,三、机械零件的一般设计步骤,3、选择材料,4、确定计算准则,5、理论设计计算,1、类型选择,2、受力分析,6、结构设计,7、绘制零件工作图,8、编写设计计算说明书,许用应力和安全系数,一、载荷及应力的分类,1、载荷的分类,静载荷变载荷,不随时间改变或变化缓慢,随时间作周期性或非周期性变化,工作载荷
14、名义载荷计算载荷,根据原动机功率求得的载荷,对名义载荷进行修正得到的近似值,计算载荷,名义载荷,=,K,？,实际工作条件下的载荷,2、应力的分类,静应力变应力,不随时间改变或变化缓慢,随时间作周期性或非周期性变化,变应力,稳定变应力周期性循环变应力,非稳定变应力非周期性循环变应力,稳定变应力,非对称循环变应力,对称循环变应力,脉动循环变应力,t,对称循环变应力,脉动循环变应力,非对称循环变应力,静应力,O,几个应力参数,循环特征：,表示应力变化的情况,对称循环 r=,1；,脉动循环 r=,0；,非对称循环,r 0 且|r|1;,静应力 r=,+1,平均应力：,应 力 幅：,对称循环:m=0;a
15、=max,脉动循环:m=a=max/2,注意：,变载荷 变应力,静载荷 静应力？,或变应力,a,二、静应力作用下的强度问题,主要失效形式：断裂或塑性变形,强度条件：或,塑性材料：,许用应力：,lim、lim 极限应力 s 安全系数,lim=s；lim=s,脆性材料：,lim=B；lim=B,s、s 材料屈服极限B、B 材料强度极限,三、变应力作用下的强度问题,主要失效形式：疲劳破坏,强度条件：,lim=？,疲劳破坏与零件的变应力循环次数有关,N 应力循环次数,rN 疲劳极限（对应于N）,N0 循环基数,r 持久极限,由此得：,与应力状态有关的指数,四、安全系数 S,通常 S 1,变应力时，取 lim=r（无限寿命）或 lim=rN（有限寿命）,各种材料的r可从有关手册中查取,教 材,1、机械设计基础，杨家军、张卫国主编，华工出版社；2、机械设计，吴昌林主编，华工出版社；3、机械设计现场教学指导书，自编；4、机械设计实验指导书，自编。（东一楼东边，周晓安老师）5、机械原理，杨家军主编，华中科技大学出版社；,华中科技大学机械学院 杨家军,结束,
