机械设计方法学.docx
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机械设计方法学
影响产品竞争力的三个机械设计方法学
第一章绪论
1影响产品竞争力的三个关键设计环节(“机械设计学”学科组成的三
大部分):
功能原理设计、实用化设计、商品化设计。
2创造是一种从构思到实现的过程,是为了满足某种需求而进行的一
种人类特有的活动,这种活动叫做设计。
31991年美国提出了为竞争的优势而设计的口号,作为改善他们设计
教育的方向。
4市场的实践是检验设计好坏的唯一标准。
5设计是核心,制造是基础,两者不可偏废。
6科学是指那些基础性的研究,例如数学、物理、化学、天文、地理、
生物;技术主要是指制造工艺以及各种制造的技巧、经验等。
7日本80年代提出“技术立国”的口号,90年代提出“科学立国”的
口号,21世纪提出“知识立国”的口号。
8设计学的发展:
A“功能”思想的提出和发展B“人际学”思想的形
成和发展C“工业设计”学科体系的发展和成熟。
9德国出现的“包豪斯”提出了“技术第一,艺术第二”的正确口号。
10工业设计的宗旨:
为大批量生产的工业产品进行造型和色彩设计,
使产品的视觉形象更具有迷人的效果。
工业设计的根本目:
为了达到人、产品、环境的适应和协调。
11设计创造活动(三大步七小步):
A创意——1认识需求,2界定目标;B构思——3求解问题,4分析和优选,5评价和决策;C实现——
6表达,7实现。
12机械设计类型(德国学派):
(1)适应性设计:
改变一些尺寸、外形以适应某种新的情况;
(2)变型设计:
不改变基本原理,但在结构机构以及辅助原理方面有较大变动;(3)创新设计:
基本原理有实质性
创新。
(美国):
创新设计、更新设计
13“概念设计”含义:
对一种产品的创意性的形象化描述。
特点:
1)有突出的创意2)其效果是为同类产品开创出一个全新的方向或是创造出一个全新的产品3)和需求的关系更加密切4)这种概念不应该是一种空想,而应该和当前的科学和技术发展水平相
适应的。
14:
设计与科研的区别:
出发点目标
结果
科学研究求知欲、好奇心发现自然规律更好的
认识客观世界
产品设计需求发明新产品创造一
个更好的新世界
在实际工作中,设计和科学研究是相互渗透的
15:
技术与设计的区别:
出发点目标
结果
技术制造开发新工艺和新材料制造
出更好的零件和产品
设计需求发明新产品创造
一个更好的新世界
16:
“功能”是产品的核心和本质
17:
“概念设计”的确切含义是指对一种产品的创意性的形象化描述。
18:
“概念设计”的想法有以下几个特点:
1.有突出的创意;
2.其效果是为同类产品开创出一个全新的方向
或是创造出一种全新的产品。
3.和需求的关系更加密切,可能将产生广阔的应用前景。
4.这种概念不应该是一种空想,而应该和当前的科学和技术发展水平
相适应的。
第二章机器的组成及典型机器的功能分析
1现代机器:
机器是由两个或两个以上相互联系配合的构件所组成的联合体,通过其中某些构件限定的相对运动,能转变某种原动力和运动,以执行人们预期的工作,在人或其他智能体的操作和控制之下,
实现为之设计的某种或某几种功能。
2从功能的观点看,机器分工艺类和非工艺类。
工艺类:
那些对物料进行工艺性加工的机器,这类机器的主要特征是具有专用的工作头并进行独特的工艺加工动作;非工艺类:
不对任何物料进行工艺性加工,而只是实现某些特殊的动作性功能(每一种机器都有各自独有的工作
方式和规律)。
第三章机械产品的功能原理设计
1功能原理设计的重点:
提出创新构思,使思维尽量发散,力求提出
较多的解法供比较选优。
2机器更新换代的3种途径:
1)改革工作原理2)通过改进工艺、结构和材料提高技术性能3)加强辅助功能使其更适应使用者的心理。
3功能原理设计的工作特点:
1)功能原理设计往往是用一种新的物理效应来代替旧的物理效应,使机器的工作原理发生根本变化是设计;2)功能原理设计中往往要引入某种新技术,但首先要求设计人员有一种新想法、新构思;3)功能原理设计使机器品质发生本质变化。
4功能原理设计的任务:
针对某一确定的功能目标,寻找一些物理效应并借助某些作用原理来求得一些实现该功能目标的“解法原理”。
5功能:
某一机器(或装置)所具有的转化能量、运动或其他物理量的特性。
(一个技术系统在以实现某种任务为目标时,其输入量和输出
量之间相互转换的关系)
6功能分析:
由总功能分解为分功能,最后作出功能结构图,这样一
个过程,称为“功能分析”,或系统分析。
7功能原理设计的特点:
1)功能原理设计是一种综合;2)功能原理设计所要求解的问题是有多解的问题,而且也很难得到绝对理想的解。
8“关键技术”:
作为某个企业或部门独有的技术,暂时还没有被别人
掌握。
(广义物理效应:
机、光、电、磁、热、化)
9简单动作功能:
由两个或两个以上的具有特殊几何形状的构件组成,
利用他们形体上的特征,可以实现相互运动或锁合的运动。
10六种基本机构:
连杆、齿轮、挠性、凸轮、螺旋、间歇机构。
11复杂动作功能的设计求解思路:
基本机构组合法
12工艺功能的特点:
工作头的形状、运动方式和作用场是完成工艺功
能的三个主要因素。
13与产品的关键技术有关的方面:
1)材料2)制造工艺3)设计
最优秀的设计:
有最佳的性能价格比的产品
14关键技术功能的特点:
由于特殊的工作条件(约束)或特殊的使用要求,用常规技术或已有技术以达到技术难点,或是别人目前尚难以买实现的技术高度,总的来说,它的技术要求高,而解决的方法也往
往是出奇制胜。
15关键技术功能的求解思路:
技术矛盾分析法
16综合技术功能特点:
在某些特定的条件下,采用广义物理效应,有
可能实现比纯机械方法更好的动作或工艺功能。
综合技术功能的求解思路:
物理效应引入发。
17:
这种针对主要功能的原理性设计,可以简称为“功能原理设计”
18:
功能原理设计的主要任务是:
“寻找一种物理效应和相应的作用原理”以实现所追求的“功能目标”功能原理设计的主要工作内容是构思能实现功能目标的新的解法原理。
19:
功能原理设计的工作要点:
1.明确所要设计的任务的功能目标;
2.调查分析已有的的解法原理;
3.进行创新构思,寻求更合理的解法原理;
4.初步预想实用化的可能性;
5.认真进行原理性实验;
6.评价、对比、决策
20:
设计工作过程中,有两项重大决策问题:
一是在创意阶段,这是决定产品方向的决策。
二是在公司阶段,这是决定产品的技术方向
的决策。
第四章机械功能原理的实现——机械运动系统的方案设计
一.机构能实现那些动作功能?
1利用机构实现运动形式或运动规律变化的动作功能:
1)匀速运动与非匀速运动的变换;2)连续转动与间歇式转动或摆动间的变换;3)实现预期的运动轨迹运动。
2利用机构实现开关、联锁和检测等动作功能:
1)用来实现运动离合或开停;2)用来换向、超越和反向制动;3)用来实现联锁、过载保护、安全制动;4)实现锁止、定位、夹压等;
5)实现测量、放大、比较、显示、记录、运算等。
3利用机构实现程序控制或手动控制的功能:
1)利用时间序列进行控制;2)利用动作序列进行控制;3)利用运动的变化等进行控制。
二.较宜用机构来实现的动作功能:
1)功率性的机械运动形式或规律的变换功能2)固定轨迹或简单可调的轨迹功能3)在特定条件下能优先地实现开关、联锁和检测等功能4)简单的固定程序或可变程序的控制功能
三.传动机构和执行机构:
(一切机器包含四部分:
动力机、传动机构、执行机构和控制机构)1.传动机构:
作用是将原动机的运动和动力传递给执行机构,已完成预期的功能。
其主要目的:
1)运动速度或力的大小变换,常见实现机构形式如下:
啮合方式、摩擦方式、楔块原理和流体作用原理。
2)运动形式和传动方式的变换。
2执行机构:
带动工作头进行工作并使之获得工作力或者力矩的机构。
1)实现特定运动规律;2)实现特定运动轨迹;3)实现特殊信息传递。
3.工作头:
直接接触并携带工作对象完成一定的工作,或是在其上完成一定的工艺动作。
工作头作用:
1)加持2)搬运、输送及转换工位3)施力
四.选择机构类型和拟定机构简图中的几个问题:
1)使机构最简单,传动链最短2)使机构具备有利的传力条件3)使机构有尽可能好的动力特性4)使机器操纵方便,调整容易,安全耐用。
五.功能原理分解的原则:
使分级恩出的分功能能够用一个简单机构去完成,故经常将复杂的动作功能分解为一组由直线和圆弧组成的运动,因为直线和圆弧是机构能够最容易且最精确完成的运动。
六.1.如何创造出新的机械系统:
1)改变机构的某些尺寸参数,使机构出现一种新的功能2)运用机构的串联组合,改变机构的运动特性3)运用机构的并联组合,得到某种特殊的运动规律或轨迹4)运用机构组成原理发现新的机构5)引进当前最新技术,使旧的机械功能得到新的生命。
2.送布机构按功能原理做机械运动系统方案设计的内容及过程:
1)送布机构功能原理要求2)功能原理分解3)实现子功能的机构选择4)送布机构机械运动系统的方案设计。
七.1.机械运动协调控制方法:
1)集中驱动,分散控制2)集中控制,分散驱动。
2.运动循环图:
1)两种表现形式:
极坐标运动循环图和直角坐标循环图。
2)绘制运动循环图应注意:
(1)以工艺过程开始点做做起点,并定出最先开始工作的机构的初始位置
(2)不在分配轴上凸轮,应将其所对中心角换成分配轴转角(3)尽可能使机构动作重合,以缩短运动周期,提高效率(4)几个机构动作作用在同一构建上时,应相隔2-3度,以防发生干涉(5)在不影响工艺要求和生产率的情况下,应尽量使动作对应中心角增大,以减小压力角。
第五章机械功能原理的实现——机械运动系统的方案设计
一.产品设计的核心1.活动的阶段:
了解社会需求、量化设计要求、拟定设计任务、进行功能原理设计、实用化设计和商品化设计,制造和销售。
2核心技术指实现总功能的主要要求的技术。
关键技术指实现某种功能过程中要解决的技术难题。
3设计中,抓住核心技术,突破关键技术。
促进核心技术发展的技术手段分为经营管理和设计生产两方面。
经营管理方面包括社会、信息资料、专利、竞争对手、售后服务、法规等。
二.外围设计:
1.设计要求分为主要要求和其他要求:
。
1)主要设计要求是针对产品的功能,性能,技术经济等指标所提出的直接要求:
(1)功能
(2)适应性(3)性能(4)生产能力(5)可靠性(6)使用寿命(7)效率(8)成本(9)人机工程(10)安全性(11)包装、运输要求。
2)其他要求是针对产品质量所提出的间接要求:
(1)强度和刚度
(2)制造工艺(3)零件加工技术(4)工作循环图要求
三.1实用化设计是在功能原理设计的基础上,将原理方案结构化、实
体化,把关于原理方案设计的构思转化为具有实用水平的、达到设计要求的实体产品。
2实用化设计的步骤:
构思并绘制总体布置图和总装草图,通过总装草图绘制零、部件草图,经审核后绘制完成零部件工作图和总装配图,编制技术文件,如设计说明书、使用说明书、标准件明细表、外购件明细表等.
四.1总体设计的基本任务的类型:
1)开发新产品,适应新的社会需求;2)扩展已有产品的功能,提高产品的性能,扩大产品的使用范围3)选用新材料、新工艺、新结构,降低产品成本,提高市场竞争力。
2.总体设计的内容:
1)确定功能原理方案2)确定机器的基本参数3)确定总体设计的指导思想4)确定机械系统运动方案并拟定运动简图5)机器总体布局6)机械驱动系统设计7)控制系统设计8)人机学设计9)附属装置设计10)产品造型设计11)产品故障分析与对策12)绘制全部装配图及零件施工图13)编写全部设计技术文件14)编制易损件、产品包装及运输要求。
五.选择功能原理应考虑的问题:
1)原理方案的先进性及成熟程度2)实现功能的可能性与可靠性3)合理的运动设计4)工作效率与设计要求相适应,经济上合理。
六.整机总体参数的确定方法:
1)理论计算方法:
(1)机械设计理论生产率Q;
(2)功率参数;(3)质量参数;(4)总体结构参数。
2)经验公式法3)相似类比法4)实验法
七.1根据机械设备在生产中的作用及工作特点,机械设备分为:
1)主要工艺设备2)辅助工艺装备3)物料存储装置4)控制装置。
2总体布局的任务:
合理布置各零、部件在整机中的位置,按照简单、合理、安全的原则,使其实现工作要求,确定机器重心位置,确定总体尺寸。
3生产机械总体布局的原则:
1)有利于功能的实现2)结构紧凑3)动力传递路线力求简短、直接、提高传动效率4)各零、部件的位置安排应有利于方便装配、调整、维修、拆卸,对操作者和设备提供可靠的安全保护。
八.1机械传动系统包括:
定比传动机构、变速机构、运动转换机构、操纵控制机构等。
按所传动的能量流动路线传动系统分为:
单流传动、分流传动、汇流传动、混流传动。
2.机械驱动系统设计步骤:
1)求出机器操作所需载荷;2)选择和设计机器介面;3)计算面损失4)选择或设计变速系统;5)变速器零件的大小;6)画出变速器零件;7)计算变速器的损失;8)机器的载荷;9)计算在驱动主轴上惯性载荷10)选择驱动器。
九.具有稳健性的产品设计可以允许较大的制造误差,可以在较恶劣的环境下工作,可以允许温度、压力、载荷在较大的范围内变化,可以具有较长的使用寿命,所以稳健性设计有助于降低产品成本,提高产品的性能,延长使用寿命。
十.公理设计两条最基本公理:
1独立公理(功能需求为设计所必须满足的独立需求的最小集合)即表征设计目标的功能需求必须始终保持独立。
2信息公理(信息量最小的设计)最满足独立公理设计中,具有最小信息量的设计最优。
第六章
●机械零件在机械结构中的基本功能:
承担载荷,传递运动和动力,以保证机械装置实现正确的运动规律和运动轨迹。
●连接表面设计方法虽较灵活,但应遵守以下的原则:
1、不影响工作表面的功能;
2、不影响零件运动;
3、不影响操作。
●结构设计的基本原理:
1、明确(功能明确;原理明确;工作状态明确);2、简单;3、安全可靠(设计要求的功能要可靠的实现;在工作中,特别是在出现故障的情况下,保证操作机器的人员的安全、机器设备本身及相关设备的安全)。
●实现安全可靠通常采用的方法:
直接安全技术;间接安全技术;提示性安全技术。
●结构设计的原理:
1、等强原理
1)、如果在某些结构中追求等强会增大成本,则放弃等强原理;
2)、不同结构要素的工作原理不同,承载能力的差别很大,使工作原理不同的结构要素的承载能力相同可能会使结构比例不协调;
3)、为保护重要零部件,设计中使某个零件的承载能力较低,通过牺牲廉价易更换零件的方法保护重要零部件;
4)、有些结构参数有标准系列值,在按照等强原理进行设计后应按标准系列圆整参数。
2、变形协调原理;
3、任务分配原理;
1)、多个零件共同完成一个功能;
2)、一个零件完成一个功能;
3)、一个零件完成多个功能。
4、自助原理;
1)、自加强;2)、自平衡;3)、自保护。
5、稳定性原理。
●提高静强度的设计方法:
1、采用合理的截面形状;2、载荷分流;3、载荷均匀;4、改善轴系支撑结构;5、充分发挥材料特性;6、合理强化。
●提高静刚度的设计方法:
1、采用桁架结构;2、合理布置支撑;3、合理布置隔板与肋板。
●提高疲劳强度的设计方法:
缓解应力集中;避免应力集中源的聚集;降低应力幅。
●提高接触强度与接触刚度的设计方法:
增大综合曲率半径;增大接触元素数量;用低福代替高副;通过预紧提高接触刚度。
●提高精度的设计方法:
1、有利于减少原始误差的结构设计措施;2、补偿系统误差;3、误差均匀;4、利用误差传递规律;5、合理配置精度;6、选择较好的近似机构;7、采用有利于施工的结构;8、阿贝原理;9、减少回程误差。
●阿贝原理则是指导测量仪器及其它精密仪器设计重要的指导性原理。
●装配工艺性:
紧配合面不宜太长;多个紧配合面不宜同时装入;减少装配差错;复杂结构允许分块集中装配。
●调整、维修、拆卸工艺性:
不同工作参数的调整应互相独立;易损零件应便于拆卸;装配关系应互相独立;为需要拆卸的紧配合设置铺助拆卸结构。
●复合材料的优点:
比强度和比模量高;韧性和抗冲击性高;化学稳定性高;减模、耐磨、自润滑性好;耐热性高;导热性好;导电性好;耐烧蚀性、耐辐照性、耐蠕变性以及特殊的光、电、磁性能能等。
第八章
●未来竞争的关键,不在于工厂能生产什么产品,而在于其产品所提供的附加价值
●市场竞争包括销售、经营、设计。
●检验设计的唯一标准是市场
●产品竞争力三要素:
首先是产品功能原理的新颖性,这是竞争力的核心要素;其次是产品技术性能的先进性,优良的技术性能是产品竞争力的基础要素;三是迎合顾客心理,提高产品的吸引力,还必须具备产品竞争力的心理要素。
●产品的形态、结构、尺寸等要独具特色,追求科学技术与形态塑造的完美统一,这就是产品的艺术造型设计
●产品的结构件和组合件要实现三化:
标准化、系列化、模块化
●绿色产品消除或减轻环境污染以满足特定的环境保护要求。
●实用、经济、美观是造型设计的三项基本原则
●造型设计的要素:
功能基础;物质技术基础;艺术形象;
●机械产品造型设计的美学法则:
统一与变化;对比与调和;稳定与轻巧;对称与均衡;比例与尺度。
机械产品造型设计中常用的表现技法包括设计草图、设计效果、产品模型等。
●模块化设计:
通过对产品功能分析、划分基本模块、通用模块或专用模块,以模块为基础而进行设计
●产品的标准化、系列化、模块化设计在商品化设计中的体现:
1、缩短产品设计和制造周期,从而缩短了供货期限,有利于市场争取客户;
2、有利于新产品开发和产品更新换代,是企业对市场的快速应变能力增强;
3、有利于提高产品质量,降低成本,提高产品的市场竞争力,便于安排专门工厂采用先进技术大规模集中生产标准零件和模块,从而有利于合理使用材料。
应用成组技术及CAD系统,保证产品质量和降低成本。
4、可减少技术过失的重复出现,增大互换,便于维修管理,因此产品的标准化、系列化、模块化设计程度高低是评价产品优劣的指标之一。
●产品性能使用性变化:
适用性改变;开发新用途;增添附加功能,拓宽使用面。
●绿色设计GD也称生态设计ED、环境设计DFE、生命周期设计LCD、环境意识设计ECD
●绿色设计的特点:
1、扩大了产品的生命周期;2、绿色设计是并行闭环设计;3、绿色设计有利于保护环境,维护生态系统平衡;4、绿色设计可以防止地球上矿物资源的枯竭;5、绿色设计的结果是减少了废弃物数量及其处理的棘手问题。
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- 关 键 词:
- 机械设计 方法