機械設計學1本課程的主要內容功能原理設計實用化設計商品化設計2教材名稱《機械設計學》，第三版，黃靖遠主編，機械工業出版社參考資料：各種有關產品設計、設計方法學的教材書籍3考核方式平時成績*50%+期末大作業成績*50%平時成績:到課情況+平時作業4課程教學基本要求以及課程教學主要內容

一、課程教學基本要求（1）掌握功能原理設計的基本方法；（2）了解方案評價與選擇的基本方法；（3）了解總體設計的基本原則；（4）理解掌握進行機械產品結構設計的基本原理和方法；（5）理解和掌握商品化設計的基本原理和方法；（6）了解磨損和可靠性的基本知識；5（7）了解產品設計試驗的基本要求和基本方法；（8）

了解優勢設計的基本思想和方法。二、課程教學主要內容本課程是一門涉及知識面較寬的課程，需要學生對機械制圖、工程力學、機械原理、機械設計，機械制造等機械設計制造方面的基礎課程有較好的掌握。主要通過課堂教學與作業來實現教學目標。6第一章緒論§1-1基本概念§1-2改善設計工作對中國的未來至關重要§1-3近代設計科學的重大發展§1-4機械產品設計的一般過程§1-5機械設計的類型§1-6機械設計的原則7經濟競爭引發對設計的新的認識：1、人類一切物質文明都是設計的產物2、設計、科研、技術的出發點、目標、結果、過程都不同3、為競爭的優勢而設計---市場驅動，要注重針對產品的設計理論與方法的研究圖1—1展示了人類自古至今的各種設計創造的產物。8“制造業的競爭實質就是產品設計的競爭”。產品設計是一個集功能分析、知識獲取、概念設計、詳細設計、性能仿真、加工制造及試驗等于一體的復雜的過程。9§1-1基本概念

一、什么是設計

設計是人的創造性活動，是通過創造性思維創造出過去沒有的或比過去更好的物質產品的勞動。是從合理的目標參數出發，通過各種方法和手段創造出一個所需的優化系統或結構的過程。其實質是創新（即在設計工作中努力采用新原理、新方案、新結構、新材料及新工藝等），其最高境界是創造具有極端市場競爭力的產品。市場的實踐是檢驗設計好壞的唯一標準10二、什么是機械

機械是機器和機構的統稱。例1)鴻運扇2)割草機3)虛擬軸機床電風扇割草機11普通機床vs虛擬軸機床1213機械設計是設計者為滿足社會和人們對機械產品功能的需要，運用基礎知識、專業知識、實踐經驗和系統工程等方法，對機械的工作原理、結構、運動方式、力和能量的傳遞方式、各個零件的材料和形狀尺寸、潤滑方式等進行設想和構思、計算和分析，最后以技術文件的形式，提供產品制造依據的全過程工作。努力目標在各種限定的條件下設計出較好的機械產品——優化設計。三、機械設計的概念14機械設計的任務:都是圍繞著開發新的機械產品或改造老的機械產品而進行的，機械設計的最終目的是提供滿足人們需求、具有一定功能、優質高效、價廉物美，并具有市場競爭力的機械產品。機械設計具有如下主要特點:(1)多解性(2)系統性(3)創新性。15機械（產品）設計學機械設計學是闡述產品設計的思想、理論、技術和方法的一般理論，研究產品的總體的設計問題。包括怎樣產生產品的概念、怎樣評價產品的概念，以及怎樣組織產品設計的過程以便獲得有競爭力的產品。是將機械產品設計的共性技術與理性化的設計方法有機的結合在一起而形成的一門獨立的、綜合性的學科。研究機械產品設計的規律、過程、原理、方法、設計原則以及其他機械產品設計的共性技術。

戰略---解決方向的問題，規劃性的問題。四、機械設計學16五、學科產生的原因①開發新產品的需要：世界市場競爭的加劇，使得各先進工業國家首先在設計過程中總結規律，以提高設計質量和設計效率。從這個角度來講，“設計學”和“機械學”是兩個不同的概念。②改進舊產品的需要：隨著工業產品的復雜程度的提高，直觀的工作方法很難對產品提出有效的改進措施，因此功能分析和價值分析為改進舊產品提供了強有力的工具。③應用工具的產生：計算機和信息技術的發展，為設計學的研究提供了物質基礎條件。17

現代機械設計在中國的發展簡史

早在20世紀20年代，中國的一些工科大學就開設了機械設計課程，主要由外籍教授講授。20世紀50年代以后，全面引進了當時蘇聯的機械原理和機械零件教材以及全面的教學手段(習題、模型、實驗、課程設計……)

。§1-3改善設計工作對中國的未來至關重要18進入70年代以后，世界各先進工業國家逐漸認識到面對世界市場競爭，人們手中的重要武器就是“設計”。它們很早就把“設計學”從“機械學”中分列出來，并逐漸發展了各有特色的面向市場競爭的設計技術和設計教育體系。面對21世紀、我們必須清醒地認識到，只有改善設計教育、研究和實踐，使之和“市場競爭”緊密聯系起來，我們的設計工作才能真正發揮對國民經濟的重要支持作用。這對中國的未來是至關重要的。

19§1-4產品設計、科學研究、技術20§1-5近代設計科學的重大發展

一、“設計學”從古代到現代的三個發展階段-------設計學的發展簡史

①第一階段：從古代人類發明工具開始算起，有了原始的功能思想（力學尚未成熟）：由于生產、生活和戰爭的需要，推動了各種簡單工具及武器的發明，為實現某種功能目標而發明的某種器械，其中所用知識涉及初步的材料知識和力學原理，這一時期的設計體現個人設計藝術的天才。如：中國的水排，指南車等。這一時期國外以16世紀達芬奇的創造活動為頂點。達芬奇構想：齒輪、螺旋。21②第二階段：

設計學發展的第二階段以1854年德國學者勞萊克斯作為起點：他寫了《機械制造中的設計學》一書。提出將力學和機械制造作為機械設計學的基礎，建立了機械設計的基本體系，把設計學分為“機構學”和“機械零件”兩門課程。這一時期作為機械學各分支學科如(機械原理與零件、機構學、磨擦學、疲勞壽命等)發展迅速，這一階段的“設計學”實質上只是“機械學”，而忽略了設計學的核心內容——功能，而一心一意去研究運動學、動力學和強度、斷裂、摩擦等問題。當然，這一時期機械學的發展為以后機械設計學的發展提供了堅實的理論基礎。22③第三階段：設計學發展的第三階段以1947年美國的麥爾斯(L.D.Miles)重新提出“功能”的概念為起點，這一時期，對設計學有深遠影響的三個重要學科內容被提出，并逐漸發展和成熟。即：(1)“功能”思想的重新提出和發展，(2)“人機工程學”思想的形成與發展，(3)“工業設計”學術體系的發展和成熟。從此，設計學作為一門新興學科，快速發展起來。23二、近代“設計學”的重大發展：二戰以后，機構設計取得進一步的發展，科學技術的發展促使設計方法和技術的現代化。三維實體CAD數字建模、計算機輔助制造CAM技術、結構有限元分析、機械系統動力學建模與仿真（數字樣機構建）、產品設計優化、可靠性技術、并行工程等技術得益于日新月異的計算機軟件工具的支持，已廣泛地應用于現代產品設計領域。1．“功能”(Function)思想的提出和發展 名言：顧客購買的不是產品本身，而是產品所具有的功能(美國麥爾斯(L.D.Miles)) 功能思想的提出，人們開始打破傳統習慣，尋找不同的原理、結構和外形來實現同一種功能。新興技術的應用，使產品的功能和結構產生很大的變化。正向著機械-電子-信息一體化的技術方向發展。24二、近代“設計學”的重大發展：2．“人機學”(Ergonomics，HumanFactor)思想的形成和發展：“宜人”的宗旨已經成為現代機械設計不能疏忽的觀念。3．“工業設計”(IndustrialDesign)學科體系的發展和成熟以上三項是近代設計學發展的核心內容。25機械設計學學科體系是以機械設計學為核心構成的。依據產品開發的三階段，包括以下三方面:(1)功能原理設計(2)實用化設計(3)商品化設計

三、“機械設計學”的學科組成26機械設計中的功能原理設計、實用化設計和商品化設計的特點一、功能原理設計1．

實質：原理方案的構思和擬定的過程2．設計方法：以簡圖或示意圖來進行方案構思（例：船用抽水機）

272829二、實用化設計1．工作：設計結構、選擇材料、確定尺寸2．特點：從初步設計到詳細設計再到設計完善的由粗到細的過程3.要求：明確、簡單、安全可靠、掌握和遵循其內在規律和一般原理。實用化設計的核心是要使產品具有優良的性能，好用。30三、商品化設計（技術、經濟、社會）1．技術方面的評價：軟件質量（設計原理、技術參數的選取、實現功能目標的技術先進性等）；硬件質量（材質、工藝精度、性能、壽命、可靠性）、2．經濟方面的評價：成本與效益的比較3．社會方面的評價：產品可能產生的社會效益31從設計構思的角度看．可以歸納為三大步，即創意、構思和實現。創意的重點在于新穎性，但這種新穎性必須具有潛在的需求。構思的重點在于創造．即要構思一種新的技術方向或功能原理來實現某創意。實現的重點在于驗證構思的合理性，可以通過模型或原理樣機來檢查構思的合理性。即制作出實用化的樣機并通過實用樣機的試驗才能考慮進行商品化設計和投產的可能性。§1-6機械產品設計的一般過程32§1-7機械設計的類型1．創新設計2．變型設計3．適應性設計機械設計按其創新程度可分為以下三種類型：33奔馳車結構設計：正向碰撞時力的作用情況奔馳車結構設計：側向碰撞時力的作用情況34§1-7機械設計的類型創新設計：基本原理方面有實質性的創新。為開發性設計，即在全部功能或主要功能的實現原理和結構未知的情況下，運用科學技術進行的新型機械產品的設計。變型設計：不改變基本功能原理，但在機構、結構、輔助原理等方面有較大變動。變動產品部分零部件的技術性能和結構尺寸參數，擴大規格或補齊系列，以滿足更大范圍功能參數需要的設計，又稱變參數設計。變型性設計是產品系列化的手段。由于需要傳遞的轉矩或速比改變而重新設計減速器的傳動系統和尺寸，屬于變型設計35§1-7機械設計的類型適應性設計：在主功能的實現原理或者結構方案保持基本不變的情況下，產品局部的變更或設計,增補或減少產品的某些功能，或局部更改某些功能的原理或結構，使產品適應特定的使用條件或者用戶特殊要求所進行的設計。內燃機----增加增壓器----輸出功率增大36§1-8概念設計概念設計：是指對一種產品的創意性的形象化描述，對產品總體設計方面的一些有特殊意義的想法。這些想法有以下特點：1、有突出的創意。2、其效果是為同類產品開創一個全新的方向或創造出一種全新的產品。3、和需求關系密切，有廣闊應用前景。4、提出的概念和當今科技水平適應。產品的概念：對產品的一個總體的想法，它就是概念設計的主要研究內容。3721世紀概念車38概念自行車39機械設計的原則在設計工作中應遵循如下基本原則：(1)實用性原則又稱功能明確原則。主要表現為機器應具有明確合理的功能，能完成一定的功能。(2)創造性原則創造性設計是機械設計最基本的特點。設計者只有大膽創新，才能有所發明、有所創造、有所改進。設計者應處理好創新和繼承的關系。40(3)優化原則設計者初步判定的設計方案或模型常是原始的，并且有經驗性的，必須經過推理、分析和計算，使設計成果達到當代科學技術的先進水平和該產品制造及使用條件的最佳水平，在技術、經濟等方面，經全面分析和計算而達到最優化的結果。(4)可靠性原則可靠性是衡量機械產品質量好壞的一個重要指標。

41(5)安全性原則機械產品的不安全因素常會導致機械和人身事故，甚至造成重大的經濟損失和嚴重的社會影響。(6)經濟性原則產品的經濟性好壞是產品具有市場競爭力的一個重要方面，主要表現又在確保產品功能的前提下，盡力降低產品成本，提高經濟效益。(7)評價審核原則機械設計是一個復雜的工作過程，涉及到很多因素和方面，因而設計過程也是一種信息加工、處理分析、判斷決策和修正的過程。

42提出需求調查研究掌握信息提出明確詳細設計要求原理性方案構思評價和初選選擇模型確定參數詳細設計制造加工樣機測試設計鑒定批量生產銷售使用機械設計過程43設計階段的具體任務可分為四個階段：可行性研究、初步設計、詳細設計和改進設計1．可行性研究：從分析需求出發，經過信息交流、尋找問題的解法、進行原理性方案構思，最終得到一組可行的原理性方案；2．初步設計：選出最優的方案，建立相應的數學模型并進行設計參數的分析，將設計參數定量并加以優化；3．詳細設計：總體設計（零部件的形狀、數量和相互配置關系，繪制總裝圖以及技術文件）；4.改進設計：對反饋環節所反映的問題進行技術處理。

44機械設計的基本程序

其基本程序可以分為四個階段：1）設計規劃：機械設計首先必須明確任務和要求。

2）方案設計：就是新產品的功能原理設計

3）技術設計：其任務是將功能原理方案具體化，尋求機器及其零部件的合理結構。

4）施工設計：其主要內容是完成產品制造所需的全部圖樣和技術文件

45§1-9“設計過程”研究及其新發展設計過程（DesignProcess）“設計過程”的思想要點為：1、“設計過程”是由一連串的“設計階段”組成的一種有組織的活動過程。2、這些“設計階段”大體上是互相銜接的，但其進行方式不一定是單行線方式，而更多可能是相互搭接、反復迭代、循環進行的。3、每一個“設計階段”中還有一些各不相同的活動內容，要進行多次決策，根據決策的結果，決定是進入下一個階段還是回到某個初始階段重新開始。46并行工程（SimultaneosEngineering）

美國人接受了這個設計過程的思想以后，加以應用和發展，提出了“并行工程”，把傳統的“拋過墻”的設計過程改造為各個設計階段互相“搭接”的過程模式。例如聘請制造工程師的代表參加到設計隊伍中，以便于他們在設計過程中與設計人員之間互相溝通。47協同設計（ConcurrentDesign）

20世紀80年代以后，“并行工程”的理念又被擴展為“協同設計”，到90年代又發展為“產品及工藝集成設計”。

協同設計的重要思想就是同時關注產品的更新設計和與之相關的制造工藝，迫使工程師們在設計產品時，將精力投入到這兩個重要方面。48設計↘←廢品處理部門供貨商↗↙制造↑售后服務人員材料專家→↖銷售人員協同設計49§1-10質量功能配置和質量屋質量功能配置（QFD）

當人們確定了一個項目并明確了想要的設計產品概念之后，隨后要做的工作是確定產品的特性：1、產品的特性或目標。2、這個目標的競爭力如何。3、從顧客的觀點看，什么事重要的。用數字表達出上述特性或目標。50QFD方法是收集和細化功能要求的好方法，它幫助我們生產設計過程中所需的工程設計說明書所需的信息。51END?52樹立質量法制觀念、提高全員質量意識。3月-253月-25