《机械设计基础》课件

《机械设计基础》欢迎来到《机械设计基础》的课堂本课程旨在为学生提供机械设计领域的核心概念、原理和方法通过本课程的学习，您将掌握机械零件的设计、机构的运动分析与设计、机械系统的可靠性分析等关键技能课程内容涵盖了从材料选择到创新设计的全过程，旨在培养学生的工程实践能力和创新思维让我们一起开启机械设计的探索之旅！课程简介课程目标课程内容本课程旨在帮助学生理解和掌握机械设计的基本原理、方法和技能课程内容包括机械设计的基本概念、机械零件的材料选择、强度计，培养学生的创新意识和工程实践能力，为学生今后从事机械设计算、机构的运动分析与设计、机械系统的可靠性分析、设计过程中工作奠定坚实的基础通过理论学习与实践操作相结合的方式，使的人机工程学和安全因素考虑、计算机辅助设计（CAD）技术的学生能够独立完成简单的机械零件和机构的设计任务应用以及创新设计思维的培养等机械设计工程师的职责设计与开发分析与优化12机械设计工程师负责根据产品他们需要对机械系统的性能进需求，进行机械零件、组件和行分析和优化，包括强度分析系统的设计与开发这包括绘、振动分析、热分析等，以确制设计图、进行结构分析、选保机械系统在各种工况下都能择合适的材料和制造工艺，确稳定可靠地运行此外，还需保设计满足性能、成本和可靠要不断改进设计，提高产品的性要求性能和效率测试与验证3机械设计工程师需要参与机械产品的测试与验证工作，包括制定测试方案、进行实验测试、分析测试数据，验证设计是否符合要求，并根据测试结果对设计进行改进和优化机械设计的基本步骤需求分析明确设计任务的功能、性能、环境等要求，了解设计目标和约束条件方案设计提出多种设计方案，进行比较和评估，选择最佳方案详细设计对选定的方案进行详细设计，包括零件设计、结构设计、传动设计等设计验证通过计算、仿真、实验等手段验证设计的可行性和可靠性机械零件的材料选择强度刚度耐磨性材料必须具有足够的强度，以承受工作载材料必须具有足够的刚度，以保证零件在对于摩擦零件，材料必须具有良好的耐磨荷而不发生断裂或塑性变形需要考虑材工作载荷下变形量不超过允许范围需要性，以延长零件的使用寿命需要考虑材料的抗拉强度、屈服强度、疲劳强度等考虑材料的弹性模量和剪切模量料的硬度、摩擦系数和润滑性能机械零件的强度设计静强度设计疲劳强度设计静强度设计是指在静载荷作用下，疲劳强度设计是指在变载荷作用下保证零件不发生断裂或塑性变形的，保证零件不发生疲劳破坏的设计设计方法主要依据材料的强度极方法主要依据材料的疲劳极限和限和屈服极限，以及零件的几何形零件的应力循环次数，以及零件的状和载荷情况进行计算表面质量和尺寸效应等因素进行计算冲击强度设计冲击强度设计是指在冲击载荷作用下，保证零件不发生断裂的设计方法主要依据材料的冲击韧性和零件的冲击载荷大小，以及零件的几何形状和质量分布等因素进行计算轴系设计轴的材料选择1通常选用碳素钢或合金钢，根据轴的强度、刚度和耐磨性要求选择合适的材料牌号轴的结构设计2确定轴的直径、长度、支承方式等，考虑轴的强度、刚度和稳定性要求轴的校核计算3对轴的强度、刚度和稳定性进行校核计算，确保满足设计要求键和销的设计键销键是用于连接轴和轮毂，传递转矩的销是用于定位、连接或传递较小载荷零件常见的键有平键、半圆键、切的零件常见的销有圆柱销、圆锥销向键等键的设计主要考虑键的强度、开口销等销的设计主要考虑销的和连接的可靠性强度和连接的可靠性弹簧的设计结构设计确定弹簧的类型（如螺旋弹簧、板弹簧、2碟形弹簧等）、几何尺寸和参数，考虑弹材料选择簧的刚度、强度和稳定性要求1选择合适的弹簧材料，如弹簧钢、不锈钢、铜合金等，根据弹簧的工作环境、载荷特性和精度要求选择性能计算对弹簧的刚度、强度和稳定性进行计算，3确保满足设计要求轴承的设计类型选择尺寸选择润滑与密封根据轴承的载荷特性、转速、精度要求和根据轴承的载荷大小和寿命要求，选择合选择合适的润滑方式和润滑剂，以及合适工作环境等因素，选择合适的轴承类型，适的轴承尺寸通常需要进行轴承的额定的密封方式，以保证轴承的正常工作和延如滚动轴承、滑动轴承等寿命计算长使用寿命齿轮传动的设计精度等级1齿轮材料2参数选择3类型选择4齿轮传动的设计是一个复杂的过程，需要综合考虑多种因素首先要选择合适的齿轮类型，然后确定齿轮的参数，再选择齿轮的材料，最后确定齿轮的精度等级只有综合考虑这些因素，才能设计出性能优良的齿轮传动装置链传动的设计链条张紧1链轮材料2参数选择3链传动的设计需要考虑链条的类型选择、链轮的参数选择、链轮的材料选择以及链条的张紧方式等因素，以确保链传动的平稳性、可靠性和寿命链传动具有结构简单、传递功率大等优点，在许多机械设备中得到广泛应用带传动的设计V带平带同步带带传动是依靠带与带轮之间的摩擦力传递动力和运动的机械传动方式根据带的形状不同，带传动可以分为V带传动、平带传动和同步带传动等在机械设计中，需要根据具体的工况选择合适的带传动类型，并进行带的张紧力、带轮的尺寸等参数的设计计算液压传动的设计液压元件油路设计液压传动系统由液压泵、液压缸、液压阀等元件组成设计时需要液压油路的设计需要考虑油路的压力损失、流量分配和散热等因素根据系统的压力、流量和控制要求选择合适的液压元件，并进行元，以保证系统的效率和稳定性通常需要进行油路的压力损失计算件的连接和布置和流量分配计算电动机传动的设计电动机类型控制方式根据负载特性和工作要求，选择合适的电动机类型，如三相异步电动机、根据控制要求，选择合适的控制方式，如直接启动、星三角启动、变频调直流电动机、同步电动机等速等还需要设计电动机的控制电路，以实现电动机的启动、停止、调速等功能电动机传动是利用电动机将电能转换为机械能，驱动机械设备运动的传动方式在机械设计中，需要根据负载特性和工作要求选择合适的电动机类型和控制方式，并进行电动机的功率计算和控制电路设计机构设计的基本原理运动简图自由度12运动简图是表示机构运动关系自由度是指机构在空间中可以和构件之间连接关系的图形独立运动的数目自由度是机绘制运动简图是机构设计的第构的重要参数，它决定了机构一步，它可以帮助设计师清晰的运动能力和复杂程度地了解机构的运动规律传动比3传动比是指机构输入构件和输出构件的角速度之比传动比是机构的重要性能指标，它决定了机构的传动效率和输出力矩平面四杆机构设计确定类型根据设计要求，确定四杆机构的类型，如曲柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇杆机构等尺寸设计根据运动特性要求，设计四杆机构的杆长尺寸，满足运动轨迹、速度和加速度等要求运动分析对设计的四杆机构进行运动分析，验证其运动特性是否满足设计要求凸轮机构设计凸轮轮廓2根据从动件的运动规律，设计凸轮的轮廓曲线，保证从动件的运动准确平稳运动规律1根据设计要求，确定从动件的运动规律，如等速运动、简谐运动、摆线运动等压力角校核对凸轮机构的压力角进行校核，防止压力3角过大导致机构运动不畅或损坏棘轮机构设计棘爪设计1棘轮齿数2类型选择3棘轮机构是一种间歇运动机构，其设计主要包括棘轮类型选择、棘轮齿数确定、棘爪设计等棘轮机构广泛应用于各种需要单向间歇运动的场合，如千斤顶、计数器等差速器设计行星齿轮扭矩分配差速器的核心部件是行星齿轮机构，它能够根据车辆的行驶状态，差速器的设计需要合理分配左右车轮的扭矩，避免车轮打滑，提高自动调整左右车轮的转速差，保证车辆平稳转弯车辆的驱动性能和行驶安全性机械设计中的失效模式断裂磨损腐蚀由于材料强度不足或受到过大的载荷作由于摩擦作用导致零件表面材料逐渐损由于化学或电化学作用导致零件材料发用，导致零件发生断裂破坏断裂可以失，影响零件的精度和性能磨损可以生腐蚀，降低零件的强度和寿命腐蚀是脆性断裂或塑性断裂，需要根据材料是粘着磨损、磨粒磨损、腐蚀磨损等，可以是均匀腐蚀、局部腐蚀、晶间腐蚀的性质和载荷情况进行分析需要采取相应的措施进行预防等，需要选择合适的防腐材料和措施疲劳强度设计材料的曲线应力集中系数1S-N2材料的S-N曲线是描述材料在不应力集中系数是指零件在几何同应力水平下疲劳寿命的曲线形状突变处（如孔、圆角等）它是疲劳强度设计的重要依的应力增高程度应力集中会据显著降低零件的疲劳强度表面处理3通过表面处理（如喷丸、渗碳等）可以提高零件的表面硬度和耐磨性，从而提高零件的疲劳强度塑性变形设计屈服强度应变硬化屈服强度是材料发生塑性变形的临界应力在塑性变形设计中，需应变硬化是指材料在塑性变形过程中，强度和硬度提高的现象利要保证零件的应力不超过材料的屈服强度用应变硬化可以提高零件的承载能力设计中的可靠性分析失效模式分析1识别所有可能的失效模式，并评估其发生的概率和后果可靠性指标2确定可靠性指标，如平均无故障工作时间（MTBF）、可靠度等可靠性设计3采取措施提高产品的可靠性，如冗余设计、容错设计等设计中的人机工程学用户体验工作效率人机工程学关注产品与用户之间的交互，旨在提高产品的易用性、通过优化产品的设计，可以减少用户的操作负担，提高工作效率，舒适性和安全性，从而提升用户体验降低疲劳程度设计中的安全因素安全防护安全警示设计中需要考虑各种安全防护措施在产品上设置明显的安全警示标志，如安全罩、防护栏、紧急停止按，提醒用户注意安全事项，避免发钮等，以防止人员受到伤害生事故安全标准设计必须符合相关的安全标准和法规，确保产品在设计、制造、使用和维护过程中都是安全的机械设计中的材料加工工艺铸造锻造切削加工铸造是将熔融金属注入铸型中，待冷却凝锻造是利用冲击力或压力使金属坯料产生切削加工是利用刀具从零件上切除多余材固后获得零件的成形方法适用于制造形塑性变形，从而获得零件的成形方法可料，从而获得所需形状和尺寸的加工方法状复杂、尺寸较大的零件以提高零件的强度和韧性可以获得较高的加工精度和表面质量机械设计中的尺寸公差保证精度尺寸公差是指允许零件尺寸变化的范围合理选择尺寸公差可以保证零件的装配精度和互换性降低成本过高的精度要求会增加制造成本在满足使用要求的前提下，应尽量选择较低的精度等级标准规范尺寸公差的选择应符合相关的标准规范，如GB、ISO等机械设计中的表面粗糙度密封性能表面粗糙度会影响零件的密封性能较小2的表面粗糙度可以提高密封效果摩擦磨损1表面粗糙度会影响零件的摩擦磨损性能较小的表面粗糙度可以降低摩擦系数美观，减少磨损表面粗糙度会影响零件的美观程度较小的表面粗糙度可以使零件表面更加光滑美3观产品可制造性设计简化结构标准化工艺性在满足功能要求的前提下，尽量简化产品尽量采用标准件和通用件，减少非标零件设计应充分考虑产品的工艺性，选择易于的结构，减少零件数量，降低制造成本的使用，提高生产效率加工的材料和工艺方法，提高生产效率和产品质量计算机辅助设计设计效率设计质量CAD软件可以大大提高设计效率，缩短设计周期CAD软件可以进行三维建模和仿真分析，提高设计质量计算机辅助设计（CAD）是指利用计算机技术辅助完成机械产品的设计工作CAD软件具有强大的绘图、建模和仿真分析功能，可以大大提高设计效率和设计质量虚拟仿真在机械设计中的应用运动仿真结构仿真12虚拟仿真可以模拟机械机构的虚拟仿真可以分析机械零件的运动过程，分析机构的运动特应力、应变和变形情况，评估性和性能零件的强度和刚度流体仿真3虚拟仿真可以模拟流体在机械系统中的流动情况，分析系统的流体动力性能模块化设计在机械设计中的应用灵活性可重用性模块化设计可以将产品分解为多个独模块化设计可以提高零件的重用性，立的模块，可以根据用户需求灵活组降低设计成本和生产成本合，满足不同的客户需求机械设计中的标准化互换性降低成本提高效率标准化可以保证零件的互换性，方便产品标准化可以降低设计成本、制造成本和维标准化可以提高设计效率、生产效率和管的装配和维修护成本理效率机械设计中的合理简化关键功能1核心性能2基本需求3机械设计中的合理简化是指在满足产品功能和性能要求的前提下，尽量简化产品的结构和零件数量，降低制造成本和提高可靠性合理简化需要抓住产品的基本需求、核心性能和关键功能机械设计中的经济性分析经济性分析是机械设计中不可或缺的环节，通过对不同设计方案的成本、效益和风险进行评估，选择最具经济效益的方案，从而实现资源优化配置和降低产品成本机械设计中的环境因素考虑节能减排可回收性在设计中应尽量采用节能材料和工艺，减少能源消耗和污染物排放在设计中应考虑产品的可回收性，方便产品的回收利用，减少资源浪费随着环境保护意识的日益增强，机械设计需要充分考虑环境因素，减少对环境的影响，实现可持续发展环境因素考虑包括节能减排、可回收性、无害化设计等方面机械设计中的美学因素色彩协调2产品的色彩应协调统一，符合用户的审美需求造型美观1产品的造型应符合美学原则，具有良好的视觉效果人机协调产品的造型应符合人机工程学原理，方便3用户操作和使用专利申请在机械设计中的应用技术保护市场竞争技术许可通过申请专利可以保护自己的技术成果，拥有专利可以提高产品的市场竞争力，获可以将专利技术许可给他人使用，获取经防止他人侵权得更大的市场份额济收益机械设计中的创新思维发散思维1从不同的角度思考问题，提出多种解决方案联想思维2将不同的事物联系起来，产生新的创意逆向思维3从相反的方向思考问题，寻找新的突破口机械设计中的知识产权保护专利权著作权商标权专利权是对发明创造的保护，包括发明专著作权是对设计图纸、软件代码等作品的商标权是对产品品牌和标识的保护利、实用新型专利和外观设计专利保护机械设计中的产品生命周期管理设计制造1产品生命周期的起点，需要考虑产品的各将设计转化为实际产品的过程，需要严格个方面2控制质量报废使用4产品报废后需要进行回收和处理，减少对产品在使用过程中需要维护和保养，以延3环境的影响长使用寿命机械设计中的知识管理知识获取1从各种渠道获取机械设计相关的知识知识存储2将获取的知识进行分类整理，存储到知识库中知识共享3将知识库中的知识共享给团队成员知识应用4将知识应用于实际的机械设计工作中机械设计中的团队合作沟通协作团队成员之间需要进行充分的沟通，团队成员之间需要互相协作，共同完确保信息畅通成设计任务机械设计中的持续改进问题识别1原因分析2改进措施3持续改进是指不断地对设计过程和产品进行改进，提高设计质量和效率持续改进需要识别问题、分析原因并采取改进措施机械设计中的工程伦理诚信责任机械设计师应秉持诚信的原则，真机械设计师应对自己的设计负责，实客观地进行设计工作，不弄虚作确保产品的安全可靠假公正机械设计师应公正地对待所有利益相关者，不偏袒任何一方机械设计中的社会责任安全环保可持续发展确保设计的机械产品在使用过程中是安全在设计过程中考虑环境保护，尽量采用环在设计中考虑可持续发展，使产品在使用的，不会对用户造成伤害保材料和工艺，减少对环境的污染寿命结束后能够被回收利用，减少资源浪费机械设计中的可持续发展环境友好资源节约在设计中考虑减少对环境的污染，采用环保材料和工艺在设计中考虑节约资源，提高材料利用率，减少浪费机械设计中的可持续发展是指在满足当前需求的同时，不损害未来世代满足其需求的能力可持续发展需要考虑环境友好、资源节约和社会公平等因素机械设计中的未来趋势智能化网络化12机械产品将越来越智能化，具机械产品将越来越网络化，可有自主感知、自主决策和自主以实现远程监控、远程诊断和执行能力远程维护绿色化3机械产品将越来越绿色化，采用环保材料和工艺，减少对环境的影响。