機械設計濮良貴第一章

機械設計

MechanicalEngineeringDesign

MachineElementsDesign機械工程及自動化學院SchoolofMechanicalEngineeringandAutomation第一節(jié)引言（§1Foreword）第一章緒論Chapter1Introduction機械設計一、機械的定義（DefinitionofMachinery）機械：機器與機構(gòu)的總稱

Machinery：

Generallymeansmachinesandmechanisms機構(gòu)：人為的構(gòu)件組合、構(gòu)件間具有確定的相對運動Mechanism：acombinationofrigidorresistantbodies,formedandconnectedsothattheymovewithdefiniterelativemotionswithrespecttooneanother機器：人為的構(gòu)件組合、構(gòu)件間具有確定的相對運動、能作有用的機械功或完成能量、物料和信息傳遞的裝置Machine:anassemblageofpartsthattransmitforces,motionandenergyinapredeterminedmanner.１.１以下哪些屬于機械Whichonebelongstomachinery

車站station飛機plane立交橋cloverleafjunction太陽系solar動車RailTrain三峽大壩threegorgedam長城greatwall數(shù)控機床CNCMachine醫(yī)療機器人Medicalrobot中華世紀壇Chinesealtar槍gun坦克tank動物animal1.2機器的其他形式

(OthertypeofMachine)鍋爐Boiler過濾裝置Separator空氣凈化器Airfilter器械（裝置、設備）：進行物料傳遞和變換的機器，如：蒸汽鍋爐、過濾和分離裝置等Apparatus(Equipment,Device):amachineformaterialconversionandexchanging,suchas,boiler,filterandseparator.照相機camera三坐標測量儀Coordinatemeasuringmachine打字機Typewriter儀器：進行信息傳遞和變換的機器，如測量儀、照相機和打字機等Instrument:amachineforinformationrecording,measuring,controllingandexchanging,suchas,measuringequipment,,camera,typewriter.機械系統(tǒng)：由許多機器、裝置、監(jiān)控儀器等組成的大型工程系統(tǒng)MechanicalSystem:asystemcomposedofmachines,apparatusandinstruments.1.3機器的用途

移動物體轉(zhuǎn)換能量形式成形獲取信息處理信息Applications:ObjectsCarryingEnergytransferManufacturingInformationAcquiringInformationProcessing1.4機器的組成單元：(Structureofmachine)機械原理：構(gòu)件—運動單元，由一個或多個零件組成，如：連桿由連桿體、連桿頭、螺栓和螺母組成。MechanismsandMachineTheory:link–basic(component)elementinkinematicsanalysis,composedoneormoreelements,suchas,connectingrodiscomposedofthebody,head,boltsandnuts.

機械設計：零件—制造單元，如：螺母、連桿頭MechanicalDesign:machineelements–basicmanufacturingunit,suchas,nutandhead.nutheadbodybolt1.5零件分類(Typeofcomponents)

通用零件：各種機器中普遍使用的零件，如：螺栓Generalpurposecomponents:

commonlyusedinallkindsofmachines,suchas,bolts

專用零件：在一定類型的機器中使用的零件，連桿頭Specialpurposecomponents:onlyusedinspecializedmachine,suchas,connectingrodhead標準件：經(jīng)過優(yōu)選、簡化、統(tǒng)一，并給以標準代號的零件和部件Standardmachinecomponents:machinecomponentsorassembly,viaoptimization,simplificationandunification,definedbystandardcode,suchas,nutsandrollingbearing“三化”：系列化、標準化、通用化

Series、Standardization、Generalization

“三化”程度是衡量產(chǎn)品優(yōu)劣的重要指標易損件：正常運轉(zhuǎn)條件下，在規(guī)定期限內(nèi)必須更換的零件或部件Damageablecomponents:machinecomponentsorassemblymustbereplacedinspecifiedperiodduringnormalworkingcondition1.6機器的基本組成

BasicstructureofMachine

原動機(Power)：驅(qū)動機器的動力源，電機、柴油機執(zhí)行部分(Executive)：完成機器功能的組成部分傳動部分(Transmission)：運動形式、動力參數(shù)的轉(zhuǎn)變，機械、液壓、電氣傳動輔助系統(tǒng)(Accessory)：照明、潤滑、顯示、結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)(Control)：控制

汽車的組成發(fā)動機車身底盤控制器(控制)電動機(原動)帶(傳動)減速器(傳動)波輪(工作)分析自動洗衣機的組成：機械設計第一節(jié)引言（§1Foreword）第一章緒論Chapter1Introduction二、設計的概念(ConceptofDesign)設計是應用創(chuàng)造性獲得特定問題最優(yōu)結(jié)果并且將此結(jié)果與其他人交流的過程Designistheapplicationofcreativitytoobtainedtheoptimumsolutionofagivenproblemandthecommunicationofthatplantoothers.機械設計：設計機器或機構(gòu)的技術(shù)活動MachineryDesign:Technologicalactivitiesformachineandmechanism.“Designcanbeart.Designcanbeaesthetics.Designissosimple,that’swhyitissocomplicated”PaulRandAmericanDesigner“Designisnotjustwhatitlookslikeandfeelslike.Designishowitworks”StevenPaulCo-founder&ChairmanofAppleComputerInc設計的本質(zhì)是創(chuàng)新

thenatureofdesigniscreativity設計的優(yōu)劣對國民經(jīng)濟發(fā)展至關(guān)重要

economicdevelopmentdeterminedbythedesign

65~70%的利潤來自設計，designproduce65~70%productsprofit設計與文明Design&Civilization

設計是人類特有的思維活動

Designisathinkingprocess.

一切物質(zhì)文明都是設計的產(chǎn)物Designprovidesthingsforcivilizationandsurvive.

Inventionis1%inspirationand99%perspiration設計與國際競爭DesignandInternationalCompetition

在制造能力相對不足的時代，商品競爭的主要手段是提高生產(chǎn)能力。

在制造能力相對過剩的時代，商品競爭的主要手段是提高設計水平。

德國人認為，對比起‘制造技術(shù)’來，‘設計技術(shù)’是‘瓶頸’美國人認為，‘現(xiàn)代設計技術(shù)’是‘現(xiàn)代制造技術(shù)’的前提和重點美國人在二十世紀九十年代提出了：“為競爭的優(yōu)勢而設計”(DesigningforCompetitiveAdvantage)的口號美國“為競爭的優(yōu)勢而設計”白皮書美國“再工業(yè)化”、“制造業(yè)回歸”正強力推動并改寫著全球制造業(yè)格局。2009-2012年，奧巴馬政府推出了多項政策復興制造業(yè)?！顿徺I美國貨》《制造業(yè)促進法案》《五年出口倍增計劃》《內(nèi)保就業(yè)促進倡議》《調(diào)整稅收政策降低制造業(yè)的稅收負擔》《多邊自由貿(mào)易協(xié)定》北美、哥倫比亞、韓國美國制造業(yè)勞動力成本從2002至2010年，單位勞動力成本累計降低了10.8%。

工人的工資水平從2005至2010年，以每年19%的速度遞增，工人全負荷成本只增加了4%。取消業(yè)務在海外的美國公司所享稅務優(yōu)惠，促使那些公司把業(yè)務回流美國。為保持高端制造業(yè)領(lǐng)先地位：美國2012年財政年度：

增加了財政預算支持：國家科學基金國家標準和技術(shù)研究院

啟動先進制造技術(shù)公會項目公私合作伙伴方式來增加制造業(yè)研發(fā)投資，縮短從創(chuàng)新到投放市場的周期。美國再工業(yè)化：

本質(zhì)是產(chǎn)業(yè)升級

核心是高端制造領(lǐng)域是

納米技術(shù)高端電池能源材料生物制造新一代微電子研發(fā)高端機器人德國工業(yè)4.0（Industrie4.0）德國國家《高技術(shù)戰(zhàn)略2020》內(nèi)涵：以智能制造為主導的第四次工業(yè)革命，或革命性的生產(chǎn)方法。主題：“智能工廠”重點研究智能化生產(chǎn)系統(tǒng)及過程，以及網(wǎng)絡化分布式生產(chǎn)設施的實現(xiàn)；“智能生產(chǎn)”主要涉及整個企業(yè)的生產(chǎn)物流管理、人機互動以及3D技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)過程中的應用等。目標：新一代工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)（即信息物理系統(tǒng)）的供應國和主導市場。中國已成為全球制造大國世界銀行數(shù)據(jù)庫和聯(lián)合國統(tǒng)計數(shù)據(jù)庫制造業(yè)增加值（美元）

2011年，中國1.90萬億，美國1.88萬億；2012年，中國2.08萬億，美國1.01萬億；

中國工業(yè)增加值2014年22.8萬億元，占全國GDP的比重為35.85%，占全球制造業(yè)比重超過1/5，位居第一。22個工業(yè)產(chǎn)品大類中的7大類產(chǎn)品產(chǎn)量位居世界第一，其中包括220種工業(yè)產(chǎn)品產(chǎn)量居世界第一，其他主要產(chǎn)品雖不是第一，但也舉足輕重；相當一部分具有較強的競爭力。中國已成為全球制造大國2013年我國裝備制造業(yè)產(chǎn)值突破20萬億元，占全球1/3。發(fā)電設備產(chǎn)量1.2億千瓦，占全球的60%；造船完工量4534萬載重噸，占全球比重41%；汽車產(chǎn)量2211萬輛，占全球比重25%；機床產(chǎn)量95.9萬臺，占全球比重38%。美國歐洲日本中國單產(chǎn)能耗（噸標煤/萬美元）2.621.721.6013.56CO2排放（噸/萬美元）2.031.250.9310污水排放（噸/萬美元）14.713.630.3229人均產(chǎn)值（萬美元）3.72.72.80.22中國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級十分迫切中國制造存在問題制造業(yè)大而不強自主創(chuàng)新能力弱核心技術(shù)高端裝備對外依存度高企業(yè)為主體創(chuàng)新體系不完善產(chǎn)品檔次不高缺乏世界名牌國際化程度低全球化經(jīng)營能力弱資源能源利用率低環(huán)境污染突出高端裝備制造生產(chǎn)性服務業(yè)發(fā)展滯后信息化水平低兩化融合度弱改善設計工作對中國的未來至關(guān)重要中國的設計曾經(jīng)輝煌

記里鼓車

美國學者羅伯特·坦普爾：現(xiàn)代社會賴以建立的基礎，有一半要依賴于中國人的發(fā)明。馬克思：中國的三大發(fā)明是資本主義發(fā)展的必要前提。木牛流馬

我國傳統(tǒng)的計劃經(jīng)濟體制制約了設計技術(shù)的發(fā)展，它使生產(chǎn)者失去開發(fā)新產(chǎn)品的內(nèi)在動力。改革開放初期的市場繁榮使生產(chǎn)能力得到迅速發(fā)展，但是普遍的商品總量不足使得買賣雙方都缺乏改善設計的欲望。

企業(yè)合資使我們看到外資的商品開發(fā)模式，

歸國留學生使我國引進了所有先進的單項設計技術(shù)，國家曾多次大力推廣多項單項技術(shù)及管理方法，但是中國的大量企業(yè)仍受到自主開發(fā)能力不足的困擾。

我國傳統(tǒng)的設計教育強調(diào)對知識體系的完整、深入的理解，強調(diào)對基本理論，基本方法，基本技能的掌握。我國的設計人員可以應用正確的方法對設計模型進行精確的分析，作出在給定模型條件下的優(yōu)秀設計，但是在提出的新模型、新方法方面表現(xiàn)出能力不足。

改善設計工作對中國的未來至關(guān)重要優(yōu)秀的設計是使產(chǎn)品占領(lǐng)市場的關(guān)鍵因素。

裝備制造業(yè)是國家的戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，振興裝備制造業(yè)是共和國國家的意志。

中國制造20252020年，基本實現(xiàn)工業(yè)化，制造業(yè)大國地位進一步鞏固，制造業(yè)信息化水平大幅提升。2025年，制造業(yè)整體素質(zhì)大幅提升，創(chuàng)新能力顯著增強，全員勞動生產(chǎn)率明顯提高，兩化(工業(yè)化和信息化)融合邁上新臺階。2035年，我國制造業(yè)整體達到世界制造強國陣營中等水平。2049年，制造業(yè)大國地位更加鞏固，綜合實力進入世界制造強國前列。知識回顧第一節(jié)引言一、機械的定義1.1以下哪些屬于機械？1.2機器的其他形式1.3機器的用途1.4機器的組成單元1.5零件分類1.6機器的基本組成二、機械設計的概念作業(yè)：1、請找出兩種中國古代機械發(fā)明并描述其工作原理要求：畫出機構(gòu)原理圖，每5人一組，提交電子文檔2、MOOC（MassiveOpenOnlineCourse，大規(guī)模在線開放課程），請你找到與機械設計相關(guān)的國內(nèi)外課程并進行對比和分析，并給出你對本課程學習的想法和打算。第一章緒論第二節(jié)本課程內(nèi)容及學習方法Contentsandstudymethodology一、內(nèi)容（Contents）聯(lián)接：螺紋聯(lián)接、鍵聯(lián)接、螺旋傳動Joint:threaded

fasteners,key,threadeddrive

傳動：帶傳動、鏈傳動、齒輪傳動、蝸桿傳動Drive:beltdrive,sprocketdrive,geardrive,wormdrive軸系：軸、滑動軸承、滾動軸承、聯(lián)軸器和離合器Shaftsystem:shaft,journalbearing,rollingbearing,couplingandclutch二、性質(zhì)(Properties)技術(shù)基礎課(Fundamentaloftechnologicalcourses)考試(Exam)連接專業(yè)課和基礎課的橋梁(Bridgebetweenthefundamentalandtechnologicalcourses)三、任務(Task)掌握通用零件設計原理、方法和機械設計的一般規(guī)律MasterthecommonrulesfordesigningprinciplesandmethodologyongeneralpurposeComponents)樹立正確設計思想，了解國家當前有關(guān)技術(shù)經(jīng)濟政策Establishcorrectdesignidea,acquaintancethetechnologicalandeconomicalpolicy具有運用標準、規(guī)范、手冊和圖冊等查閱有關(guān)技術(shù)資料的能力Acquiretheabilityofutilizingstandardization,criterion,manualanddrawings.掌握典型零件的實驗方法，獲得實驗技能Masterexperimentalmethodoftypicalcomponents,andgaintheexperimentalskills對機械設計新方法有所了解Knownewdevelopmentofdesignmethodologies四、特點characteristics

實踐性強

Practical

經(jīng)驗有關(guān)experienced考慮問題全面Allthingsconcerned

運動kinematics、動力dynamic、結(jié)構(gòu)structure、強度intensity、剛度inflexibility等知識綜合Knowledgesynthesis

力學mechanics、工藝manufacturingtechniques、數(shù)學mathematics、材料material等五、注意事項Notice

公式推導、經(jīng)驗公式、數(shù)表、曲線來歷只作一般了解

Understandtheoriginsofequationderivation,empiricalformula,table,curvesetc.

設計決非是計算，零件和機器的最后尺寸往往由結(jié)構(gòu)設計而定

Designisnotequaltocomputation,thedimensionsmostlyaredeterminedbystructuraldesign.計算結(jié)構(gòu)設計再計算結(jié)構(gòu)設計機械設計凸輪機構(gòu)連桿機構(gòu)齒輪齒條傳動繩傳動汽車的開窗機構(gòu)

螺旋機構(gòu)壓力傳動教材中例題、習題僅僅表明如何用基礎知識和經(jīng)驗資料去解決一個實際問題，不是唯一。

Theexamplesandpracticesdemonstratedintextbookareonlyshowshowtosolvetheseproblems,notanuniquesolution.六、學習方法Studymethodology

聽課、看書、獨立完成作業(yè)

Listencarefully,readingwidely,dopracticeindependently七、評分原則

作業(yè)：２０％

Homework

大作業(yè)：１０％

Projects

期末考試：70％

Exam

作業(yè)和大作業(yè)分級：Ａ（２０）、Ｂ（１６）、Ｃ（１４）、Ｄ（１２）、Ｅ（８）五級?！白ァ?？不抓？劉獻君教授：教學的目的、任務不在“教”，而在“學”，學生學習了就有教育，沒有學習就沒有教育。教育最根本的是要從以“教”為中心，向以“學”為中心轉(zhuǎn)變，要從“課堂、教師、教材”老三中心，向“學生、學習、學習過程”新三中心轉(zhuǎn)變。態(tài)度決定一切！凡事重在參與

積極的態(tài)度盡心就是完美

過程最重要快樂就在當下

享受進取人生英國教育家阿弗烈·諾夫·懷海德(AlfredNorthWhitehead)教育就是把你在課堂上學的東西全部忘記了，把你為考試背的東西全部忘記了，剩下的東西就是教育。如果你什么也沒有剩下，就意味著你完全沒有受過教育，白上了學。那剩下的東西是什么呢？是自主學習的能力；是智力活動的習慣和融入身心的原理；是校園文化所浸潤、滋養(yǎng)形成的為人處世的自發(fā)行為規(guī)范。美國普林斯頓大學的本科生培養(yǎng)目標：具有清晰的思維、表達和寫作能力；具有以批評的方式系統(tǒng)推理的能力；具有形成概念和解決問題的能力；具有獨立思考的能力；具有敢于創(chuàng)新及獨立工作的能力；具有與他人合作的能力；具有判斷什么意味著徹底理解某種東西的能力；具有辨別重要的東西與瑣碎的東西、持久的東西與短暫的東西的能力；熟悉不同的思維方式；具有某一領(lǐng)域知識的深度；具有觀察不同學科、文化、理念相關(guān)之處的能力；具有一生求學不止的能力。第二節(jié)本課程內(nèi)容及學習方法一、內(nèi)容二、性質(zhì)三、任務四、特點五、注意六、學習方法七、評分原則第一章緒論第三節(jié)機械設計過程簡介IntroductiontomachineryDesignProcess

3.1機器和機械零件設計應滿足的基本要求

(Basicrequirementsinmachineandmachinecomponentsdesign)

機器(machine)：

功能(Function)成本(cost)安全(safety)環(huán)境(environment)壽命(Life)使用(useable)效率(efficiency)維修(maintenance)外觀（appearance）噪音(noise)民族(nationality)習慣(custom)重量(weight)制造(manufacturability)機械零件(machinecomponents)：強度：Strength剛度：Stiffness壽命：Life工藝性：Manufacturability裝配：Assemblability運輸：Transportation可靠性：Reliability3.2機器和機械零件設計過程DesignProcessforMachineandMachineComponents機器設計過程:

創(chuàng)造性過程、繼承和創(chuàng)新相結(jié)合、科學設計Designprocess:creativeprocess,inheritandinnovatecombined,scientificdesign一、產(chǎn)品規(guī)劃階段(Plan)

任務書(workscheme)，機器的功能(function)，經(jīng)濟性估計(economic)、制造要求(manufacturing)，使用要求(use)，完成設計時間(designperiod)。例如：擦玻璃機器人windowmoppingrobot剝核桃機器walnutrindmachine等。二、原理方案設計schemedesign根據(jù)任務書確定功能參數(shù)，提出方案

Functionalparametersdeterminedbydesigntask,theschemesareproposed.

原動機(power)N1

執(zhí)行機構(gòu)(executive)N2

傳動方案(transmission)N3

總體方案total：N=N1*N2*N3三、技術(shù)設計階段technical(detail)design

裝配圖assembledrawing

草圖draft

部件圖subassemblydrawing

零件圖partsdrawing

運動學分析kinematicanalysis

動力學分析dynamiticanalysis

零部件工作能力partworkabilities

系統(tǒng)工作能力systemabilities四、施工設計writetechnicalfile

說明書(specificationsheets)工藝文件(manufacturingtechniquesfile)等

機械零件設計過程1）建立零件受力模型，確定計算載荷2）分析可能的失效形式6）零件的結(jié)構(gòu)設計7）繪制零件的工作圖，并編寫計算說明書3）確定零件的設計計算準則4）建立零件設計的強度條件5）確定零件的設計參數(shù)，并標準化和圓整受載荷類型失效形式設計準則強度條件確定設計參數(shù)結(jié)構(gòu)設計繪制零件圖工作原理結(jié)構(gòu)特點3.3機械設計的方法和新發(fā)展Designmethodologyanditsnewdevelopment一、設計方法

Designmethodology理論設計:科學理論結(jié)合實踐總結(jié)的設計方法Theoreticalmethod經(jīng)驗設計：無充分理論分析，但根據(jù)實踐經(jīng)驗，參考同類零件的類比設計方法Experiencedmethod模型和實驗設計：較新較高要求的零件，無資料參考或計算方法Modelandexperimentalmethod二、新發(fā)展newdevelopment有限元法:

有限力學單元、平衡關(guān)系、變形協(xié)調(diào)、解強度、剛度、穩(wěn)定性FiniteElementMethod斷裂力學：允許有裂紋存在，科學掌握擴展特性，預估安全效果Fracturemechanics優(yōu)化:Optimaldesign可靠性:ReliabilitydesignＣＡＤ:彈性流體動力潤滑理論:Elasticfluiddynamiclubricationtheory設計方法學Designmethodology虛擬設計VirtualDesign生命周期設計Lifecycledesign00年45萬輛汽車報廢，世界每年1000億噸垃圾并行工程設計Concurrentengineeringdesign反求工程Reverseengineering現(xiàn)代設計方法學理論新三論：突變論，智能論，模糊論。古五論：功能論，優(yōu)化論，離散論，對應論，藝術(shù)論。老三論：系統(tǒng)論，信息論，控制論。十一論1987設計方法學，優(yōu)化設計，造型設計，可靠性設計，疲勞設計，有限元法，模塊化設計，專家系統(tǒng)，三次設計，價值工程，反求工程，智能工程，計算機輔助設計，機械動態(tài)設計。19922000并行設計，虛擬設計，穩(wěn)健設計，綠色設計，優(yōu)勢設計，模糊設計。概念設計，創(chuàng)新設計，協(xié)同設計，智能設計，反求設計，數(shù)字化設計。2001穩(wěn)健設計，并行設計，智能設計，機電一體化設計，計算機輔助設計。創(chuàng)新設計，生命周期設計，有限元設計，虛擬設計，優(yōu)化設計，面向裝配的設計＝可裝配設計，面向制造的設計＝可加工設計，面向環(huán)境的設計＝生態(tài)化設計，面向成本的設計＝成本設計，面向質(zhì)量的設計＝保質(zhì)設計，面向維修的設計，面向回收的設計。DFX仿生設計，機械仿真設計，相似設計，可重組設計，快速設計，面向?qū)ο笤O計，抗振設計，摩擦學設計，降噪聲設計，防腐蝕設計，大批量定制設計，其他第三節(jié)機械設計過程簡介3.1機器和機械零件設計應滿足的基本要求3.2機器和機械零件設計過程一、計劃階段二、方案設計三、技術(shù)設計階段四、編制技術(shù)文件3.3機械設計的方法和新發(fā)展一、設計方法二、新發(fā)展(１)強烈的創(chuàng)新欲望：具有強烈的好奇心，尋根究底(２)豐富的想象能力：求異思維能力，舉一反三、觸類旁通(３)正確的創(chuàng)新思維:思維的流暢性、變通性和獨特性(４)良好的知識結(jié)構(gòu):豐富的知識基礎和文化底蘊，有善于學習、善于綜合、善于開拓新領(lǐng)域的能力(５)健全的創(chuàng)新人格:具有敢于懷疑、敢于批判、敢于冒險的科學精神和在挫折面前能很快調(diào)整自我心態(tài)，不動搖自我信念，不因一時困難和挫折而放棄個人的想法和計劃

英國威斯敏斯特教堂的地下室的圣公會主教墓碑上寫著這樣的一段話當我年輕的時候，我的想像力沒有受到任何限制，我夢想改變整個世界。當我漸漸成熟明智的時候，我發(fā)現(xiàn)這個世界是不可能改變的，于是我將眼光放得短淺了一些，那就只改變我的國家吧！但是這也似乎很難。當我到了遲暮之年，抱著最后一絲希望，我決定只改變我的家庭、我親近的人--但是，唉！他們根本不接受改變。現(xiàn)在在我臨終之際，我才突然意識到：如果起初我只改變自己，接著我就可以改變我的家人。然后，在他們的激發(fā)和鼓勵下，我也許就能改變我的國家。再接下來，誰知道呢，或許我連整個世界都可以改變。TechnologicalInnovationResistanceSelf-propel