華中科技大學(xué)機械設(shè)計基礎(chǔ)講義.ppt

1、華中科技大學(xué)機械學(xué)院 楊家軍,機械設(shè)計基礎(chǔ),華中科技大學(xué)機械學(xué)院 楊家軍,0.1 機械設(shè)計概述,0. 1.1 設(shè)計的本質(zhì) 設(shè)計是復(fù)雜的思維過程，設(shè)計過程蘊涵著創(chuàng)新和發(fā)明的源泉。 設(shè)計就是盡可能少地消耗以材料、能源、勞動力、資金等形態(tài)存在的資源，創(chuàng)造出滿足預(yù)先設(shè)想功能要求的物質(zhì)實體， 設(shè)計是人類進(jìn)行的一種有目的、有意識、有計劃的創(chuàng)造活動。,華中科技大學(xué)機械學(xué)院 楊家軍,現(xiàn)代設(shè)計強調(diào)創(chuàng)造能力開發(fā)和充分發(fā)揮人的創(chuàng)造性；重視原理方案的設(shè)計、開發(fā)和創(chuàng)新產(chǎn)品。 現(xiàn)代設(shè)計已不再把時間花費在煩瑣的計算推導(dǎo)及平面圖紙的設(shè)計上，現(xiàn)代設(shè)計在設(shè)計過程中，綜合考慮、分析市場需求、設(shè)計、生產(chǎn)、管理、使用、銷售能各方面的因

2、素；綜合運用優(yōu)化系統(tǒng)工程、可靠性理論、價值工程、技術(shù)等學(xué)科的知識，探索多種解決設(shè)計問題的科學(xué)途徑。 在這樣一個迅猛發(fā)展的時代 , 人們的要求越來越高, 也就對設(shè)計工作者提出了更高的水準(zhǔn)。 設(shè)計向什么方向發(fā)展, 設(shè)計如何解決現(xiàn)代人的需求, 已經(jīng)成為重要的研究課題。 機械設(shè)計基礎(chǔ)課程在產(chǎn)品設(shè)計中的作用 ?,華中科技大學(xué)機械學(xué)院 楊家軍,機械設(shè)計的一般進(jìn)程大體上可劃分為 產(chǎn)品規(guī)劃、概念設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計試制生產(chǎn)四個階段 需要強調(diào)的是, 在概念設(shè)計階段, 其中諸如建立功能結(jié)構(gòu)、尋求作用原理、構(gòu)思總體原理解及布局造型等等, 都是最具創(chuàng)造性的工作 因此也是決定新產(chǎn)品開發(fā)成敗與否的最關(guān)鍵階段。 設(shè)計進(jìn)程本身是一

3、個不斷反饋循環(huán)的過程, 設(shè)計者在每一步都可能獲得新的信息, 從而反饋到前面的步驟。 因此, 一個出色的設(shè)計者往往要經(jīng)歷多次反復(fù)才能真正達(dá)到其最優(yōu)效果。,華中科技大學(xué)機械學(xué)院 楊家軍,創(chuàng)新設(shè)計是指充分發(fā)揮設(shè)計者的創(chuàng)造力，利用人類已有的相關(guān)科學(xué)技術(shù)成果（ 含理論、方法、技術(shù)原理等）進(jìn)行創(chuàng)新構(gòu)思設(shè)計出具有新穎性、創(chuàng)造性及實用性的機構(gòu)或機械產(chǎn)品的一種實踐活動。 歸納起來創(chuàng)新設(shè)計具有如下特點 : 創(chuàng)新設(shè)計是涉及到多種學(xué)科, 包括設(shè)計學(xué)、創(chuàng)造學(xué)、經(jīng)濟學(xué)、社會學(xué)、心理學(xué)等的復(fù)合性工作, 其結(jié)果的評價也是多指標(biāo)、多角度的； 創(chuàng)新設(shè)計中相當(dāng)一部分工作是非數(shù)據(jù)性、非計算性的, 而是要依靠對各學(xué)科知識 的綜合理解與

4、交融, 對已有經(jīng)驗的歸納與分析, 運用創(chuàng)造性的思維方法與創(chuàng)造學(xué)的基本原理開展工作； 創(chuàng)新設(shè)計不只是因為問題而設(shè)計, 更重要的是提出問題, 解決問題； 創(chuàng)新設(shè)計是多種層次的, 不在乎規(guī)模的大小, 也不在乎理論的深淺, 注重的是新穎性、獨創(chuàng)性； 創(chuàng)新設(shè)計必須具有實用性，其最終目的在于應(yīng)用。 學(xué)起于思，思緣于疑，如生活中會出現(xiàn)飲水機在倒水時手推開關(guān)會把一次性水杯壓扁；臺燈寫字時手會遮住光線留下影子；用墨水瓶吸墨水時會把筆弄臟；電梯按鈕不適合不同身高的人，且只有視覺提示，沒有考慮盲人等特殊人群等問題，將這些問題解決就是創(chuàng)新設(shè)計。,華中科技大學(xué)機械學(xué)院 楊家軍,012 設(shè)計的原則,華中科技大學(xué)機械學(xué)院

5、楊家軍,“不以規(guī)矩、不成方圓”,華中科技大學(xué)機械學(xué)院 楊家軍,1、創(chuàng)新原則,創(chuàng)新就是通過引入新概念、新思想、新方法、新技術(shù)等或?qū)σ延挟a(chǎn)品的革新來創(chuàng)造具有相當(dāng)社會價值的事物或形式。,創(chuàng)新概念,華中科技大學(xué)機械學(xué)院 楊家軍,【案例分析】,洗衣機的發(fā)展與創(chuàng)新,第一臺電動洗衣機,第一臺手搖洗衣機,單缸單洗洗衣機,雙缸半自動洗衣機,全自動滾筒洗衣機,華中科技大學(xué)機械學(xué)院 楊家軍,華中科技大學(xué)機械學(xué)院 楊家軍,華中科技大學(xué)機械學(xué)院 楊家軍,雪地自行車,華中科技大學(xué)機械學(xué)院 楊家軍,【案例分析】,3、經(jīng)濟原則,木桶,塑料水桶,多功能自行車,華中科技大學(xué)機械學(xué)院 楊家軍,【案例分析】,4、美觀原則,華中科技大

6、學(xué)機械學(xué)院 楊家軍,武器 槍,5、道德原則,道德是觀念，產(chǎn)品設(shè)計時必須考慮它與人、社會、環(huán)境的關(guān)系，要尊重他人知識產(chǎn)權(quán)、技術(shù)的成果。發(fā)明的產(chǎn)品不能傷害別人的身體，不能污染環(huán)境，如發(fā)明的帶高壓電的防盜網(wǎng),激光致盲防盜鎖、恐怖玩具就不滿足道德原則，也是法律不允許的。,華中科技大學(xué)機械學(xué)院 楊家軍,6、技術(shù)規(guī)范原則,技術(shù)規(guī)范是有關(guān)開發(fā)產(chǎn)生技術(shù)的知識、領(lǐng)域、方法和規(guī)定的總和。技術(shù)規(guī)范有強制性的，也有推薦性的；技術(shù)規(guī)范是隨科學(xué)技術(shù)發(fā)展而發(fā)展的。機械產(chǎn)品設(shè)計中要求系列化、通用化、標(biāo)準(zhǔn)化，以便滿足零部件之間方便互換的要求，如螺栓、螺母、墊片與港口運貨的集裝箱（圖0.9）、標(biāo)準(zhǔn)齒輪等，都滿足技術(shù)規(guī)范原則。而各

7、種手機電池、充電器沒有采用統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，給用戶使用中帶來許多麻煩。,華中科技大學(xué)機械學(xué)院 楊家軍,螺栓,華中科技大學(xué)機械學(xué)院 楊家軍,7、可持續(xù)發(fā)展原則,白色污染,技術(shù)設(shè)計的可持續(xù)性發(fā)展原則是指產(chǎn)品的設(shè)計既滿足當(dāng)代發(fā)展的需求，又考慮未來發(fā)展的需求，不以犧牲后人的利益和長遠(yuǎn)的利益為代價來滿足當(dāng)代人的需求，產(chǎn)品的設(shè)計要考慮到人類長遠(yuǎn)的發(fā)展，資源與能源的合理利用，生態(tài)的平衡等可持續(xù)發(fā)展的因素。,華中科技大學(xué)機械學(xué)院 楊家軍,太陽能汽車,華中科技大學(xué)機械學(xué)院 楊家軍,8、安全原則,安全是人類對產(chǎn)品最基本的需求，產(chǎn)品設(shè)計必須考慮安全問題。機械安全基本要求是有足夠的抗破壞能力、良好的可靠性和對環(huán)境的適應(yīng)性

8、，可靠有效的安全防護(hù)，履行安全人機學(xué)的要求，通過選用適當(dāng)?shù)脑O(shè)計結(jié)構(gòu)盡可能避免或減少危險，采用本質(zhì)安全技術(shù)，避免銳邊、尖角和凸出部分，防止超載應(yīng)力 ，避免交變應(yīng)力，進(jìn)行回轉(zhuǎn)件的平衡，采用機械化和自動化技術(shù)，減少操作者涉入危險區(qū)的時間，并設(shè)置安全裝置。,華中科技大學(xué)機械學(xué)院 楊家軍,吊具 抓斗,華中科技大學(xué)機械學(xué)院 楊家軍,9、科學(xué)性原則,設(shè)計應(yīng)當(dāng)符合自然規(guī)律（科學(xué)性原則），否則產(chǎn)品就沒有其生存空間。如靈巧機械手、航天飛機的發(fā)明符合科學(xué)性原則。電動機、發(fā)電機設(shè)計遵循了電磁感應(yīng)的科學(xué)原理，永動機構(gòu)想則違背能量守恒定律和轉(zhuǎn)化原理，不符合科學(xué)性原則。,華中科技大學(xué)機械學(xué)院 楊家軍,靈巧機械手 航天飛機,

9、華中科技大學(xué)機械學(xué)院 楊家軍,課程的性質(zhì)與任務(wù),是一門介紹常用機構(gòu)和通用機械零件的基本知識和基本設(shè)計方法的技術(shù)基礎(chǔ)課。,華中科技大學(xué)機械學(xué)院 楊家軍,教學(xué)內(nèi)容 1、研究機構(gòu)的組成及具有確定運動的條件。 2、研究四種基本機構(gòu)的特性和設(shè)計方法。 3、討論機械零部件的設(shè)計方法，如零部件的工作能力、參數(shù)設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、加工工藝等。,華中科技大學(xué)機械學(xué)院 楊家軍,本課程的基本學(xué)習(xí)方法,1 著重基本概念的理解和基本設(shè)計方法的掌握，不強調(diào)系統(tǒng)的理論分析；,2 著重理解公式建立的前提、意義和應(yīng)用,不 強調(diào)對理論公式的具體推導(dǎo)；,3 注意密切聯(lián)系生產(chǎn)實際，努力培養(yǎng)解決工程 實際問題的能力。,華中科技大學(xué)機械學(xué)院

10、 楊家軍,機械(machinery),機器,機構(gòu),華中科技大學(xué)機械學(xué)院 楊家軍,機器(machine) 執(zhí)行機械運動的裝置，它用來變換和傳遞能量、物料與信息,華中科技大學(xué)機械學(xué)院 楊家軍,用來傳遞運動和力或改 變運動形式的構(gòu)件系統(tǒng),機構(gòu)(machanism),華中科技大學(xué)機械學(xué)院 楊家軍,機構(gòu)和機器的區(qū)別,機構(gòu)只是一個構(gòu)件系統(tǒng)， 而機器除構(gòu)件系統(tǒng)外，還包含電氣、液壓等其它系統(tǒng) 機構(gòu)只用來傳遞運動和力， 而機器除傳遞運動和力外，還具有變換或傳遞能量、物料和信息的功能,華中科技大學(xué)機械學(xué)院 楊家軍,機器是由機構(gòu)組成的。 例：內(nèi)燃機,連桿機構(gòu) 凸輪機構(gòu) 齒輪機構(gòu),機構(gòu)運動簡圖,華中科技大學(xué)機械學(xué)院

11、楊家軍,由若干機械裝置組成的、完成特定功能的系統(tǒng)。,機械系統(tǒng),華中科技大學(xué)機械學(xué)院 楊家軍,構(gòu)件和零件,機器中的獨立運動單元,零件 機器中的制造單元,機構(gòu)的組成和運動副,機構(gòu)的組成要素是構(gòu)件和運動副,構(gòu)件,華中科技大學(xué)機械學(xué)院 楊家軍,其中，運動規(guī)律已知的活動構(gòu)件稱為原動件， 輸出運動或動力的從動件稱為輸出件。,華中科技大學(xué)機械學(xué)院 楊家軍,1-連桿體 2-螺栓 3-螺母 4-連桿蓋,由若干零件組成的構(gòu)件連桿,華中科技大學(xué)機械學(xué)院 楊家軍,二、運動副及其分類,運動副：機構(gòu)中兩構(gòu)件直接接觸的可動聯(lián)接。,運動副元素：兩構(gòu)件上參加接觸而構(gòu)成運動副 的部分，如點、線、面。,華中科技大學(xué)機械學(xué)院 楊家軍

12、,運動副的分類,根據(jù)運動副的接觸形式，運動副歸為兩類 1）低副：面接觸的運動副。如 :,移動副,轉(zhuǎn)動副,華中科技大學(xué)機械學(xué)院 楊家軍,運動副的分類,2）高副：點或線接觸的運動副。 如 :,齒輪副,凸輪副,機械零件,水輪機葉片、活塞、曲軸,本課程重點討論通用零件的設(shè)計。,1-2 機械零件的工作能力和計算準(zhǔn)則,一、設(shè)計機械零件的基本要求,1、滿足功能要求，能夠準(zhǔn)確實現(xiàn)預(yù)定的功能； 2、工作可靠在預(yù)定的工作期限內(nèi)不能失效； 3、成本低廉。,失效喪失工作能力或達(dá)不到設(shè)計要求的性能，不僅僅指 破壞。主要有：,斷裂。如軸、齒輪輪齒發(fā)生斷裂,表面點蝕。工作表面片狀剝落,塑性變形。零件發(fā)生永久性變形,過大彈性

13、變形,過度磨損,過大振動和噪聲、過熱等,工作能力不失效條件下零件的安全工作限度。 這個限度通常是以零件承受載荷的大小來表示， 所以又常稱為“承載能力”,吊鉤最大起重量50 kN 工作能力或承載能力50 kN,二、承載能力判定條件,同一零件可能發(fā)生各種不同形式的失效,軸可能的失效形式：,斷裂、過大彈性變形、塑性變形、共振,強度條件：工作應(yīng)力許用應(yīng)力 或 ,剛度條件： 實際變形量許用變形量 y y、 、 ,耐磨性條件,振動和噪聲條件,熱平衡條件,三、機械零件的一般設(shè)計步驟,3、選擇材料,4、確定計算準(zhǔn)則,5、理論設(shè)計計算,1、類型選擇,2、受力分析,6、結(jié)構(gòu)設(shè)計,7、繪制零件工作圖,8、編寫設(shè)計計

14、算說明書,許用應(yīng)力和安全系數(shù),一、載荷及應(yīng)力的分類,1、載荷的分類,靜載荷 變載荷,不隨時間改變或變化緩慢,隨時間作周期性或非周期性變化,工作載荷 名義載荷 計算載荷,根據(jù)原動機功率求得的載荷,對名義載荷進(jìn)行修正得到的近似值,計算載荷,名義載荷,=,K ,？,實際工作條件下的載荷,2、應(yīng)力的分類,靜應(yīng)力 變應(yīng)力,不隨時間改變或變化緩慢,隨時間作周期性或非周期性變化,變應(yīng)力,穩(wěn)定變應(yīng)力周期性循環(huán)變應(yīng)力,非穩(wěn)定變應(yīng)力非周期性循環(huán)變應(yīng)力,穩(wěn)定變應(yīng)力,非對稱循環(huán)變應(yīng)力,對稱循環(huán)變應(yīng)力,脈動循環(huán)變應(yīng)力,t,對稱循環(huán)變應(yīng)力,脈動循環(huán)變應(yīng)力,非對稱循環(huán)變應(yīng)力,靜應(yīng)力,O,幾個應(yīng)力參數(shù),循環(huán)特征：,表示應(yīng)力變

15、化的情況,對稱循環(huán) r =,1；,脈動循環(huán) r =,0；,非對稱循環(huán),r 0 且 | r | 1;,靜應(yīng)力 r =,+1,平均應(yīng)力：,應(yīng) 力 幅：,對稱循環(huán):m= 0; a=max,脈動循環(huán):m=a=max / 2,注意：,變載荷 變應(yīng)力,靜載荷 靜應(yīng)力 ？,或變應(yīng)力, a,二、靜應(yīng)力作用下的強度問題,主要失效形式：斷裂或塑性變形,強度條件： 或 ,塑性材料：,許用應(yīng)力：,lim 、lim 極限應(yīng)力 s 安全系數(shù),lim = s ；lim = s,脆性材料：,lim = B ；lim = B,s、s 材料屈服極限 B、B 材料強度極限,三、變應(yīng)力作用下的強度問題,主要失效形式：疲勞破壞,強度條件： ,lim = ？,疲勞破壞與零件的變應(yīng)力循環(huán)次數(shù)有關(guān),N 應(yīng)力循環(huán)次數(shù),rN 疲勞極限（對應(yīng)于N）,N0 循環(huán)基