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1、王小芳王小芳第一章第一章 绪论绪论机械设计是机械类专业的一门技术基机械设计是机械类专业的一门技术基础课，既直接面向工程实际，又是后面所础课，既直接面向工程实际，又是后面所学设计类专业课的基础。是初步掌握机械学设计类专业课的基础。是初步掌握机械设计能力的必然环节。设计能力的必然环节。课程的性质：课程的性质：1.1 1.1 机器和机械零件的基本概念机器和机械零件的基本概念机械设计中需要解决的两个问题机械设计中需要解决的两个问题1 1、为了设计机器部件和装置，必须会设计、为了设计机器部件和装置，必须会设计组成系统的各个零件。组成系统的各个零件。2 2、同时，也必须能够把各个零件组合成能、同时，也必须
2、能够把各个零件组合成能满足顾客需要的系统。满足顾客需要的系统。机器是日常生活和工业生产中能满足人们机器是日常生活和工业生产中能满足人们某种需要，用来执行机械运动、变换或传某种需要，用来执行机械运动、变换或传递能量、物料、信息的装置。递能量、物料、信息的装置。例如：机床、汽车、洗衣机、水泵等等。例如：机床、汽车、洗衣机、水泵等等。一、机器的概念一、机器的概念机器组成：机器组成：原动机原动机传动装置传动装置工作机工作机控制系统控制系统辅助系统（如仪表、照辅助系统（如仪表、照明等）明等）轿车组成：轿车组成： 任何机任何机器都是由许多器都是由许多零件零件组合而成组合而成的。的。二、机械零件的概念二、机
3、械零件的概念零件零件：组成机器的组成机器的不可拆的基本单元不可拆的基本单元（即即制造制造的基本单元的基本单元） 。部件部件：为完成为完成同一使命同一使命而协同工作的许多而协同工作的许多零件的组合零件的组合。滚动轴承滚动轴承联轴器联轴器。用途用途专用零部件专用零部件：只在只在一定类型机器一定类型机器中使用的零件，如曲轴中使用的零件，如曲轴。通用零部件通用零部件：各种机器各种机器中普遍使用的零部件，如齿轮、螺栓中普遍使用的零部件，如齿轮、螺栓。标准件标准件：制定了：制定了国家标准国家标准，并由，并由专门工厂生产专门工厂生产的零部件。的零部件。 如：滚动轴承、螺栓等。如：滚动轴承、螺栓等。本课程是以
4、一般通用零件的设计为核心，本课程是以一般通用零件的设计为核心，论述它们的基本设计理论与方法的设计性论述它们的基本设计理论与方法的设计性技术基础课技术基础课目的：目的：1 1、通用机械零部件通用机械零部件的设计计算的设计计算。2、综合运用本课程和其它先修课程的知识，综合运用本课程和其它先修课程的知识，设计机械传动装置设计机械传动装置 和一般机械。和一般机械。1.2 1.2 机械设计的要求和设计程序机械设计的要求和设计程序一、设计机器应满足的基本要求一、设计机器应满足的基本要求1 1、功能要求、功能要求实现预定功能，工作可靠。实现预定功能，工作可靠。措施：措施：2 2、经济性要求、经济性要求三方面
5、：生产成本低、使用消耗小、维护费用低。三方面：生产成本低、使用消耗小、维护费用低。1 1）设计中采用）设计中采用“三化三化”零部件；零部件；标准化、系列化、通用化标准化、系列化、通用化2 2）应用成熟的新技术、新材料。）应用成熟的新技术、新材料。3 3）选用高效率设备，减少动力、燃料消耗。）选用高效率设备，减少动力、燃料消耗。3 3、外观造型要求、外观造型要求颜色、造型颜色、造型4 4、环保要求、环保要求噪音、废气、废液。噪音、废气、废液。例例1 1：深水水样采集器：深水水样采集器设计一种可以抛入水中自动沉入设计一种可以抛入水中自动沉入500500米深处米深处采集水样的装置，要求每次采集采集水
6、样的装置，要求每次采集0.50.5升体积升体积的水样，然后自动浮出水面，采集的水样的水样，然后自动浮出水面，采集的水样深度误差在正负深度误差在正负1010米范围米范围例例2 2 可折叠变升程梯可折叠变升程梯设计一种可以折叠的新型梯子，要求具有设计一种可以折叠的新型梯子，要求具有变升程功能，最大高度可达变升程功能，最大高度可达6 6米，载重量可米，载重量可达达200200公斤，要求使用方便、可以实现完全公斤，要求使用方便、可以实现完全折叠、强度可靠、总量限定在可以人力搬折叠、强度可靠、总量限定在可以人力搬运的范围内。运的范围内。二、二、 设计方法设计方法1.1.内插式设计内插式设计: : 这种方
7、法有成功的经验可以借鉴。设计时作一些技这种方法有成功的经验可以借鉴。设计时作一些技术改进。术改进。 无论所设计的装置多么新颖独特，对实现类似功能无论所设计的装置多么新颖独特，对实现类似功能的装置的了解都是十分重要。的装置的了解都是十分重要。2.2.外推式设计外推式设计: : 有部分经验可以借鉴，但外推部分处于未知领域。有部分经验可以借鉴，但外推部分处于未知领域。3.3.开发性设计开发性设计: : 应用新原理，新技术设计新型技术装备。应用新原理，新技术设计新型技术装备。机械设计的一般程序机械设计的一般程序 市场调市场调研研可行性可行性研究研究原原理理方方案案设计设计技技 术术设设 计计试试制制试
8、验试验小批生小批生产试销产试销投投产产设设计计任任务务书书定定出出最最佳佳方方案案装配图、装配图、零件图、零件图、技术文技术文件件样样机机评评价价改改进进考核考核工艺工艺性收性收集用集用户意户意见见产产品品销销售售机械设计是一个机械设计是一个创新创新与与借鉴借鉴相结合的过程相结合的过程1.3 1.3 机械零件的设计要求和设计过程机械零件的设计要求和设计过程一、一、 机械零件设计要求：机械零件设计要求： 零件：满足功能、安全可靠、成本低零件：满足功能、安全可靠、成本低廉廉 。 1.1.安全可靠：需要根据可能发生的失效，确定零安全可靠：需要根据可能发生的失效，确定零件在强度、刚度、振动稳定性、件在
9、强度、刚度、振动稳定性、 耐磨性、耐温耐磨性、耐温性等方面必须满足的条件。（这些条件是判断零性等方面必须满足的条件。（这些条件是判断零件工作能力准则）件工作能力准则）2.2.成本低廉：成本低廉： 设计和制造考虑：正确选材，结设计和制造考虑：正确选材，结 构合理，公差等级合理，构合理，公差等级合理， 加工和加工和 安装的工艺性。安装的工艺性。 3.3.设计是一个比较、优化的过程设计是一个比较、优化的过程二、设计过程二、设计过程1.1.确定零件的载荷确定零件的载荷-根据零件的工作情况根据零件的工作情况和简化计算方案和简化计算方案 - -名义载荷：名义载荷：根据额定功率，用力学公根据额定功率，用力学
10、公式式 计算出作用在零件上的载荷。计算出作用在零件上的载荷。F F - - 计算载荷：计算载荷：反映了实际载荷不均匀反映了实际载荷不均匀性性 及其它影响。及其它影响。F Fc c=KF=KF 由于载荷作用的不平稳性、分布的不均匀由于载荷作用的不平稳性、分布的不均匀 性等因素，性等因素， 实际载荷大于名义载荷实际载荷大于名义载荷。载荷系数载荷系数K K2.2.选择零件的材料选择零件的材料-根据零件的工作要求，考虑材料的根据零件的工作要求，考虑材料的力学性能、物理、性质、经济因素、可力学性能、物理、性质、经济因素、可获得性获得性3.3.确定零件的主要尺寸确定零件的主要尺寸-根据工作能力准则确定，标
11、准化或根据工作能力准则确定，标准化或圆圆 整。整。4.4.绘制零件图绘制零件图1.41.4零件的计算方法和标准化原理零件的计算方法和标准化原理一、零件的计算方法：一、零件的计算方法：1.1.设计计算设计计算-根据零件的工作情况和根据零件的工作情况和 选定的工作准则拟定安全条件选定的工作准则拟定安全条件 - -求出危险剖面尺寸求出危险剖面尺寸2.2.校核计算校核计算-参照现有的图纸、实参照现有的图纸、实 物、和经验数据拟定有关尺寸，根物、和经验数据拟定有关尺寸，根 据工作准则据工作准则-校核危险剖面安全性校核危险剖面安全性 精确校核计算精确校核计算-充分考虑各有关因充分考虑各有关因 素的校核计算
12、。素的校核计算。3.3.条件性计算条件性计算( (设计、校核）设计、校核） - -合理的简化计算合理的简化计算。4.“4.“安全安全-寿命寿命”和和“破损破损-安全安全” 的设计思想的设计思想 “ “安全安全-寿命寿命”：没有裂纹为基础。：没有裂纹为基础。 为本教材所介绍的方法为本教材所介绍的方法 “ “破损破损-安全安全”：允许裂纹存在，掌：允许裂纹存在，掌 握裂纹的扩展规律。握裂纹的扩展规律。5.5.经验数据经验数据, ,模型试验模型试验, ,实物实验的重要性实物实验的重要性 机械零件的设计不能完全依赖于理论计算，机械零件的设计不能完全依赖于理论计算，对于复杂的零件，有时可以通过模型试验或
13、实物对于复杂的零件，有时可以通过模型试验或实物试验进行确定，尤其是复杂零件。试验进行确定，尤其是复杂零件。 6.6.优化设计的思想优化设计的思想 首先是建立能反映设计变量与工作性能首先是建立能反映设计变量与工作性能 关系的数学模型，然后在给定的约束条件关系的数学模型，然后在给定的约束条件 下，每改变一组设计变量即可构成一种设下，每改变一组设计变量即可构成一种设 计方案，经过若干次计算机运算，可从中计方案，经过若干次计算机运算，可从中 选择最佳的设计方案。选择最佳的设计方案。二、二、 标准化、系列化、通用化标准化、系列化、通用化标准化标准化：通过对零件的尺寸、结构要素、材料：通过对零件的尺寸、结
14、构要素、材料性能、检验方法、设计方法、制图要求等，制性能、检验方法、设计方法、制图要求等，制定出各式各样的大家共同遵守的标准。定出各式各样的大家共同遵守的标准。系列化系列化：按尺寸大小系列化。：按尺寸大小系列化。通用化通用化：系列之间和之内尽量采用同一结构和：系列之间和之内尽量采用同一结构和尺寸。尺寸。 目前我国的标准化体系分为：国家标准（目前我国的标准化体系分为：国家标准（GBGB）、）、专业标准、行业标准、企业标准、国际标准等。专业标准、行业标准、企业标准、国际标准等。目前的标准体系正逐渐向国际标准靠近和接轨。目前的标准体系正逐渐向国际标准靠近和接轨。采用三化具有以下一些优点采用三化具有以
15、下一些优点：1) 1) 减轻设计工作量，避免重复劳动，节省精力以减轻设计工作量，避免重复劳动，节省精力以应用于关键设计的活动中；应用于关键设计的活动中；2) 2) 可以减少技术过失的重复出现，增大互换性，可以减少技术过失的重复出现，增大互换性，便于维修和装配；便于维修和装配；3) 3) 可以安排专门工厂采用专业设备和先进技术生可以安排专门工厂采用专业设备和先进技术生产标准零件，实现最优的技术经济性能；产标准零件，实现最优的技术经济性能；4) 4) 有利于提高产品的设计、制造速度，增加产品有利于提高产品的设计、制造速度，增加产品品种、扩大生产批量，达到产品的优质、高产和品种、扩大生产批量，达到产
16、品的优质、高产和低消耗。低消耗。三化程度是衡量产品性能的重要指标之一。三化程度是衡量产品性能的重要指标之一。1.5 1.5 机械设计学科现状和对设计人员的要求机械设计学科现状和对设计人员的要求一、机械设计学科的发展一、机械设计学科的发展 1 1相关新学科的出现带动机械设计学科的进步相关新学科的出现带动机械设计学科的进步 摩擦学，断裂力学；摩擦学，断裂力学；2 2动态设计成为机械设计的发展方向动态设计成为机械设计的发展方向 传统的机械设计每个零件的设计过程相对孤立，传统的机械设计每个零件的设计过程相对孤立，随着机械动力学学科的发展，特别是计算机技术随着机械动力学学科的发展，特别是计算机技术的发展
17、，目前正向以多种零件的综合或整机系统的发展，目前正向以多种零件的综合或整机系统为对象的动态设计方向发展；为对象的动态设计方向发展； 3 3计算机辅助设计推动了机械设计的新发展计算机辅助设计推动了机械设计的新发展 一系列先进的设计方法的出现，如：优化设一系列先进的设计方法的出现，如：优化设计系统设计、可靠性设计、设计方法学、价值工计系统设计、可靠性设计、设计方法学、价值工程、造型设计、模块化设计、并行设计、反求设程、造型设计、模块化设计、并行设计、反求设计、优势设计、绿色设计、有限元方法、数值模计、优势设计、绿色设计、有限元方法、数值模拟、人工智能等；拟、人工智能等； 4 4机械设计学科正面临重
18、要的机遇和挑战机械设计学科正面临重要的机遇和挑战 机械设计的机械设计的CADCAD技术的发展，其功能已经不技术的发展，其功能已经不是简单地数值计算和绘图，已经能够利用计算机是简单地数值计算和绘图，已经能够利用计算机进行逻辑推理、智能化设计、方案构思、决策判进行逻辑推理、智能化设计、方案构思、决策判断等人力难以完成的工作断等人力难以完成的工作 ，因此，传统的机械设，因此，传统的机械设计学科正面临新的转折和挑战计学科正面临新的转折和挑战 ；5 5微纳米技术为机械设计提出了新的发展领域微纳米技术为机械设计提出了新的发展领域 以纳米尺度的机器和零部件为设计对象以纳米尺度的机器和零部件为设计对象 。二、
19、对设计人员的要求二、对设计人员的要求1 1要不断学习新知识、富于探索和进取精神；要不断学习新知识、富于探索和进取精神；2 2要有高度的责任心，强化法律和道德观念；要有高度的责任心，强化法律和道德观念；3 3要培养和具备创新的能力。要培养和具备创新的能力。复习思考题复习思考题1 1、通用零件和专用零件有何区别？、通用零件和专用零件有何区别？2 2、本课程的学习目的是什么？、本课程的学习目的是什么？3 3、设计机器应满足的要求有哪些？、设计机器应满足的要求有哪些？4 4、常用设计方法有哪几种？、常用设计方法有哪几种？5 5、机器的一般设计程序是怎样的？、机器的一般设计程序是怎样的？6 6、何谓零件的工作能力准则？、何谓零件的工作能力准则？7 7、零件的一般设计步骤如何？、零件的一般设计步骤如何？8 8、何谓名义载荷和计算载荷？两者有何关系、何谓名义载荷和计算载荷？两者有何关系？9 9、何谓机械零件的、何谓机械零件的“三化三化”？1010、国标代号是什么？、国标代号是什么？SEMINAR TOPIC结合实际谈谈机械设计在工程实际中的重要性。通过本章学习使你对机械设计的认识又有了哪些方面的改变和提高？
