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

回顾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

回顾第一章机械的组成、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

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

第一节机械设计的要求和内容 什么是机械设计？机械设计的基本要求机械设计的基本内容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。

根据社会需求确定设计任务 构思决策分析计算绘图机械的结构机械的工作原理各个零件的材料、形状、尺寸外观全套图样使用说明书设计计算书运动和力的传递方式返回

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

z向进给机构 例：电池自动分拣机输送装置机械手电池托盘图1－8 电池自动分拣机 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。主要功能指标：每分钟分拣电池的个数。

例：牛头刨床 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。

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。

磨损潘存云教授研制曲轴折断齿轮损坏 2．可靠性要求机械零件的内部和表面产生应力和变形有可能导致零件的失效机械要传递力和力矩

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。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。

简化结构 选用适当的材料确定合理的加工精度标准化、系列化和通用化制造成本降低机械的能量损失考虑到维修的方便性和经济性使用成本 3．经济性要求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。

数控加工中心 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 要求可靠性要求对机械设计的四项基本要求经济性要求社会性要求

载货（客）量 速度耗油量安全性舒适性价格美观排放量返回例：汽车耐用性 … … … …

机械设计的基本内容 1. 方案设计根据机械的功能要求，确定机械的总体方案。确定工作原理方案设计确定机械系统运动方案

例：螺纹加工方法车削加工滚压加工丝锥加工

脉石矿石磁铁对特定液体泡沫的吸附性不同比重不同磁性不同重选磁选浮选例：选矿机械的工作原理

螺纹加工的工作原理 选矿机械的工作原理 • 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。

确定工作原理 方案设计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。

确定机械系统运动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

确定工作原理 方案设计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。

2.　运动学分析与设计 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。

3. 工作能力分析与设计 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

4. 动力学分析与设计 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。

5.　结构设计 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。

6.装配图和零件图的绘制 返回作为制造的依据，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。

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

建设创新型国家。 • 真正的核心技术、关键技术是买不来的，必须依靠自主创新。 • 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。

实现自主创新 拥有独立知识产权的关键环节方案设计……从根本上影响机械的结构、性能、成本。功能性要求可靠性要求经济性要求社会性要求机械的功能指标是机械设计最基本的出发点。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。返回机械是否满足社会性要求，完全取决于设计。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。

第二节机械设计的过程和方法 机械设计的过程机械设计的方法

三者中至少应该有一项是首创的 主体结构工作原理功能设计的类型开发性设计适应性设计参数化设计一、机械设计的过程

功能工作原理主体结构开发性设计实例手机上的照相机数码照相机　　老式照相机　　数码照相机　　手机上的照相机三者中至少应该有一项是首创的照相机　　

功能工作原理主体结构双缸洗衣机　　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单缸洗衣机　　　普通车床　　　

三者中至少应该有一项是首创的 主体结构工作原理功能设计的类型开发性设计适应性设计参数化设计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。

机械设计的完整过程 方案设计阶段技术设计阶段试制试验阶段投产以后计划阶段

计划阶段 • 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

方案设计阶段 • 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）

技术设计阶段 • 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

试制试验阶段 • 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。

投产以后 • 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。返回

常规设计方法 现代设计方法产生的时代：产生的基础：基本内容：产生的时代：产生的基础：二、机械设计的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 20世纪下半页计算机的发明与快速发展

主要依靠经验，通过类比方法进行 受到计算手段的制约，分析较简单。有系统的理论方法，但往往只能近似满足运动学要求常将复杂问题简化，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主要依赖于设计者的灵感方案设计创造性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

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。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

有的计算工作量大到根本无法用手工方法计算的程度。有的计算工作量大到根本无法用手工方法计算的程度。计算绘图工作量太大繁琐的重复性工作图样总数可能达到数百、数千张。计算机辅助设计（Computer-Aided Design, CAD) 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。提高设计速度成为设计方法革新的最主要的目标。

计算机辅助设计 运算快速准确辅助设计者进行设计逻辑判断功能强存储量大 • 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。

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