《东北大学机械设计课件：机械设计基础教程》

东北大学机械设计基础教程欢迎来到东北大学机械设计基础教程！这门课程将带领大家踏上机械设计的世界，探索从基础知识到实际应用的广阔领域课程介绍与学习目标课程目标学习目标本课程旨在帮助学生掌握机械设计的基本理论、方法和技能，通过学习本课程，学生将能够培养学生的工程思维和设计能力，为今后的学习和研究打下坚理解机械设计的定义和意义•实的基础掌握机械设计的基本流程和设计思维•运用工程材料知识进行材料选择•进行机械零件的受力分析和强度计算•了解机械连接、传动系统和轴系的结构设计•掌握机械设计中的公差与配合•熟悉机械制图与技术•CAD了解机械设计的优化方法和可靠性分析•认识绿色设计与可持续性发展•学习机械创新设计方法和知识产权保护•机械设计的定义与意义机械设计定义机械设计的意义12机械设计是将科学理论、工程技术和制造工艺相结机械设计是现代工业的基础，它不仅推动着科技进合，对机械产品进行创造性设计的过程，旨在满足步，而且为人们的生活提供了各种便捷和舒适人们对机械产品的各种需求机械设计在工程中的重要性核心地位应用范围机械设计是各种工程领域的核心，它直接影响着产品的性机械设计应用广泛，涵盖了汽车、航空航天、机器人、医能、可靠性、成本和制造效率疗器械、能源设备等各个领域机械设计的基本流程需求分析1明确设计目标、功能要求和技术指标方案设计2提出多种设计方案，进行比较和评估详细设计3确定方案细节，绘制工程图纸，进行计算和分析制造工艺设计4制定制造工艺流程，选择加工方法和设备样机试制5制作样机，进行性能测试和改进批量生产6根据样机进行批量生产设计思维与创新方法设计思维以用户为中心，通过发散性思维、原型设计和迭代改进，寻找问题的最佳解决方案创新方法包括理论、仿生设计、逆向设计等，用于突破现有技术瓶颈TRIZ，创造新的设计理念工程材料的基本性能强度硬度塑性材料抵抗外力破坏的能材料抵抗局部压痕的能材料在断裂前发生永久力，包括抗拉强度、抗力，常用指标包括布氏变形的能力，常用指标压强度、抗剪强度等硬度、洛氏硬度等包括延伸率、断面收缩率等弹性材料在外力作用下发生变形，当外力去除后，材料恢复原来形状的能力金属材料的分类与特性有色金属铜、铝、锌等金属，具有导电性、导热2性好、耐腐蚀性强的特点，如铝合金、黑色金属铜合金铁、锰、铬等金属，具有强度高、1价格低的特点，如钢、铁贵金属3金、银、铂等金属，具有化学稳定性高、价格昂贵的特点非金属材料在机械设计中的应用塑料陶瓷复合材料重量轻、耐腐蚀、易加工，广泛应用硬度高、耐高温、耐磨损，用于刀具将两种或多种材料复合而成，具有轻于齿轮、轴承、外壳等部件、轴承、绝缘体等质高强、耐高温、耐腐蚀等优点，应用于航空航天、汽车等领域材料选择的基本原则性能要求1材料应满足机械零件的强度、硬度、塑性、韧性等性能要求成本控制2选择性价比高的材料，避免过度追求高性能材料加工工艺3选择易于加工、成型和表面处理的材料环境因素4考虑材料的耐腐蚀性、耐高温性等，以适应工作环境的要求机械零件受力分析基础受力分析步骤明确作用力确定外力、惯性力等

1.建立力平衡根据静力学原理，分析各力的方向和大小绘制受力图将各力绘制到零件的示意图上，清晰地展示力的关系静力学分析方法平衡方程根据牛顿定律，建立物体受力的平衡方程力矩平衡根据力矩平衡原理，分析物体受力矩的平衡状态虚拟功原理利用虚拟功原理，分析物体在约束条件下的平衡状态应力与应变的基本概念σ应力物体内部单位面积上所承受的力，单位为帕斯卡（）Paε应变物体在外力作用下发生的形变程度，是一个无量纲量应力应变曲线解读-弹性阶段应力与应变成正比，卸载后恢复原状屈服阶段应力超过屈服强度，产生塑性变形强化阶段应力继续增加，材料产生显著的塑性变形颈缩阶段材料强度下降，开始发生断裂材料强度理论最大应力理论1认为材料破坏时，最大正应力达到材料的抗拉强度最大剪应力理论2认为材料破坏时，最大剪应力达到材料的抗剪强度能量理论3认为材料破坏时，单位体积上的应变能达到材料的断裂韧性机械零件疲劳设计疲劳破坏疲劳设计目标机械零件在交变载荷作用下，即使应力低于屈服强度，也保证零件在规定的载荷条件下，具有足够的使用寿命会因反复应力循环而导致破坏疲劳载荷与寿命预测载荷类型1包括弯曲载荷、扭转载荷、拉伸载荷等寿命预测2利用曲线、疲劳极限等方法，估算零件的疲劳寿命S-N失效分析与预防失效分析对失效零件进行分析，确定失效原因和失效模式预防措施根据失效分析结果，采取措施预防类似失效再次发生机械连接技术螺纹连接1利用螺纹副，将两个或多个零件连接在一起键连接2利用键将轴与轮毂连接在一起，用于传递转矩销连接3利用销将两个或多个零件连接在一起，用于定位和传递剪切力焊接连接4利用高温熔化金属，将两个或多个零件连接在一起螺纹连接设计强度计算预紧力螺纹类型确保螺纹连接在载荷在螺纹连接中施加预选择合适的螺纹类型作用下不会发生失效紧力，以提高连接的，以满足不同的连接强度和稳定性需求键连接与销连接1键连接键连接适用于传递较大转矩，常用于轴与轮毂的连接2销连接销连接适用于传递较小的载荷，常用于定位和固定焊接连接技术气焊2利用燃烧气体产生的高温火焰，将两个或多个零件连接在一起电弧焊1利用电弧产生的高温熔化金属，将两个或多个零件连接在一起激光焊利用激光束产生的高温，将两个或3多个零件连接在一起机械传动系统基础传动类型设计原则包括齿轮传动、带传动、链传动等，用于传递运动和功率根据传动要求，选择合适的传动类型，并进行结构设计和强度计算齿轮传动设计原理齿形设计选择合适的齿形，保证啮合精度和传动效率齿数选择根据传动比和齿轮强度要求，确定齿轮的齿数强度校核确保齿轮在工作载荷下，不会发生弯曲疲劳或接触疲劳带传动与链传动带传动利用带子传递运动和功率，适用于低速、轻载荷传动链传动利用链条传递运动和功率，适用于高速、重载荷传动轴系设计与校核轴的结构设计1根据载荷和工作条件，选择合适的轴径、轴段长度和轴端结构强度校核2确保轴在工作载荷下，不会发生弯曲或扭转失效刚度校核3确保轴的挠度和振动满足设计要求轴承选型与安装载荷能力转速润滑选择能够承受工作载荷的轴承选择能够适应工作转速的轴承选择合适的润滑方式，保证轴承的正常工作密封技术与设计密封类型密封设计包括静态密封、动态密封、气体密封等，用于防止介质泄根据工作条件和密封介质，选择合适的密封材料和结构漏机械设计中的公差与配合公差1允许零件尺寸的偏差范围，用以控制零件的精度配合2是指两个配合零件的尺寸关系，包括间隙配合、过渡配合和过盈配合配合制度基础基本尺寸指设计图纸上标注的尺寸，是理论上的尺寸公差带指允许尺寸偏差的范围，用符号和数字表示配合种类根据公差带之间的关系，可以分为间隙配合、过渡配合和过盈配合几何公差与尺寸链几何公差尺寸链1用于控制零件的形状、位置和方向指由多个尺寸组成的闭合回路，用2精度于分析尺寸偏差的累积效应机械制图与技术CAD机械制图采用图纸的形式，表达机械产品的形状、尺寸、材料和加工工艺等信息技术CAD利用计算机辅助设计软件，进行机械产品的设计、绘图和分析三维建模基础建模软件常见的建模软件包括、、等SolidWorks AutodeskInventor CATIA建模方法包括草图绘制、特征创建、实体操作等模型操作包括模型编辑、渲染、动画制作等工程图绘制规范视图选择尺寸标注图纸格式根据零件的形状和结构，选择合适的按照国家标准进行尺寸标注，确保尺遵循国家标准，统一图纸的格式和布视图来表达零件的信息寸的准确性和可读性局，便于交流和保存机械系统动力学分析运动学分析1分析机械系统的运动规律，包括速度、加速度、位移等动力学分析2分析机械系统的受力和运动关系，计算力和力矩运动学与动力学基础牛顿定律描述物体运动的规律，包括牛顿第一定律、牛顿第二定律和牛顿第三定律功和能描述物体做功和能量变化的关系运动学方程描述物体在不同运动状态下的运动规律机械振动与平衡1振动分析分析机械系统在工作过程中产生的振动，包括振动频率、振幅和振动方向2平衡设计通过设计和调整机械系统的结构，减小或消除振动，提高系统的稳定性和工作可靠性机电一体化设计机电一体化设计理念将机械、电子、控制等技术有机地结合在一起，实现系统以系统功能为目标，注重机械结构与电子控制的协调配合功能的优化和提升液压与气动系统设计液压系统1利用液体的压力传递能量，具有功率大、控制灵活的特点气动系统2利用压缩空气的压力传递能量，具有安全可靠、响应速度快的特点控制系统基础控制目标通过控制系统，实现对机械系统的运动、速度、位置等参数的控制控制方法包括开环控制、闭环控制、自适应控制等机械设计的优化方法优化目标提高机械产品的性能、可靠性、经济性、环保性等指标优化方法包括参数优化、形状优化、拓扑优化等有限元分析技术有限元法1将连续体划分为有限个单元，利用数值方法求解结构的应力、应变和位移应用范围2广泛应用于结构分析、热分析、流体分析等领域，用于评估机械产品的性能和可靠性计算机辅助设计CAD CAM利用计算机进行机械产品的造型设计、绘图和分析利用计算机进行机械产品的加工制造过程的控制和管理机械设计的可靠性分析可靠性分析2评估机械产品的可靠性水平，并找出影响可靠性的主要因素可靠性指标1包括、、可靠度、失效MTBF MTTR率等可靠性设计在设计阶段采取措施，提高机械产3品的可靠性设计分析failure mode1失效模式指机械产品可能发生的失效现象和失效方式2失效机理指失效模式产生的根本原因和失效过程可靠性评估方法试验评估通过实际试验，评估机械产品的可靠性计算评估利用数学模型，计算机械产品的可靠性统计分析对失效数据进行统计分析，评估机械产品的可靠性绿色设计与可持续性绿色设计1在产品设计过程中，将环境保护和资源节约作为重要设计目标可持续性2满足当前需求，又不损害未来世代满足其自身需求的能力环境友好型设计材料选择工艺优化产品寿命选择环保、可回收的材料优化制造工艺，减少污染排放和资源设计耐用、可维护的产品，延长产品浪费的使用寿命生态设计原则生命周期评估评估产品从原材料开采到最终处置的整个生命周期对环境的影响减量化设计减少产品材料用量，降低资源消耗循环利用设计可拆卸、可回收的产品，提高材料的循环利用率机械创新设计方法理论仿生设计TRIZ利用矛盾分析、个发明原从生物体的结构和功能中获40理等方法，解决设计中的技取灵感，设计具有优异性能术矛盾的机械产品逆向设计通过分析现有产品，设计出具有相同功能或改进功能的新产品创新理论TRIZ个发明原理矛盾矩阵40提供解决技术矛盾的通用方法，引导设计师进行创新设计用于识别设计中的技术矛盾，并找到相应的解决方法专利与知识产权专利申请1对具有新颖性、创造性和实用性的发明进行保护，并获得专利权知识产权保护2通过专利、商标、版权等方式，保护自己的知识产权，避免侵权行为工程实践案例分析12案例选择案例分析选择具有代表性的机械设计案例，进行分析和讲解从设计需求、设计方案、设计过程、设计结果等方面进行分析机械系统设计流程需求分析明确设计目标、功能要求和技术指标方案设计提出多种设计方案，进行比较和评估详细设计确定方案细节，绘制工程图纸，进行计算和分析制造工艺设计制定制造工艺流程，选择加工方法和设备样机试制制作样机，进行性能测试和改进批量生产根据样机进行批量生产工程项目管理项目计划项目执行项目评估制定项目目标、时间安排、资源分配根据计划进行项目实施，并进行进度对项目成果进行评估，并总结经验教等计划跟踪和控制训毕业设计指导选题指导设计过程指导12帮助学生选择与专业相关指导学生进行毕业设计的的毕业设计课题各个环节，包括方案设计、详细设计、制造和测试论文撰写指导3指导学生撰写毕业设计论文，并进行答辩职业发展与未来展望机械工程师科研人员管理人员从事机械产品的设计进行机械设计相关领负责机械制造企业的、研发、制造、管理域的科学研究和技术生产管理、质量管理等工作创新等工作课程总结与学习建议课程总结本课程系统地介绍了机械设计的基础知识、理论、方法和技能，为学生今后的学习和工作打下了坚实的基础学习建议建议学生注重理论学习和实践操作，加强动手能力，积极参与项目实践，并不断学习新的技术和方法。