机械设计学2课件

第六章内容总结要求掌握的内容如下:1、结构件的功用2、零件的相关（含义、分类）3、结构方案设计的几个基本原理（共7个，含义，特点，用途）4、如何提高结构件的强度和刚度5、载荷分流、载荷均化、载荷抵消属于那些原理的应用6、如何从结构上保证支承件的刚度7、零件选择材料的时候应该注意什么？第七章机械产品设计中的几个主要技术问题§7-1机械疲劳设计§7-2机械的抗振性设计与低躁声设计§7-3人机学设计§7-1机械疲劳设计一、疲劳破坏的机制和特点1.机制疲劳裂纹的萌生-扩展-失稳断裂2.特点1）疲劳破坏是在循环应力或循环应变作用下的破坏，疲劳条件下的破断应力低于材料的抗拉强度，而且可能低于屈服强度2）疲劳破坏必须经历一定的载荷循环次数3）零件在整个疲劳过程中不发生宏观塑性变形，其断裂方式类似于脆性断裂4）疲劳断口上明显地分为两个区域。二、载荷类型对称循环、脉动循环、不对称循环循环特性r=-1对称循环r=0脉动循环-1<r<1不对称循环载荷谱：每个工作周期载荷的变化历程随机载荷三、疲劳应力与疲劳强度、疲劳曲线、疲劳极限1、疲劳应力与疲劳强度疲劳失效：在交变应力作用下，构件因发生疲劳破坏而使其丧失正常工作性能的现象疲劳强度：试件抵抗疲劳失效的能力疲劳极限：衡量材料或结构疲劳强度大小的指标2、疲劳曲线在交变载荷作用下，零件承受的交变应力和断裂循环周次之间的关系，用疲劳曲线来表示。四、影响疲劳强度的因素1、应力集中的影响2、尺寸效应3、表面状态的影响五、疲劳设计1、名义应力疲劳设计法2、局部应力应变分析法3、损伤容限设计法4、疲劳可靠性设计§7-2机械的抗振性设计与低噪声设计一、抗振性设计1、振动按产生的原因可以分为自由振动、受迫振动和自激振动1）自由振动：系统平衡破坏后，只靠其弹性恢复力来维持的振动。频率为系统的固有频率2）受迫振动：在外界持续激振力作用下，使系统被迫产生振动。3）自激振动：由系统自身产生并控制的交变力所激发引起的一种周期性的振动。例：刀具切削工件时，表面切深的变化，引起切削力的变化。切削力的变化，进一步改变切深。2、动刚度的基本概念及其影响因素1）动刚度：机器结构在振动状况下，激振力幅值与振幅之比。例：以受简谐激振力并具有粘性阻尼的单自由度系统受迫振动为例来说明动刚度。K----系统弹簧的静刚度Z----频率比,其值为,为激振力的频率,p为系统的固有圆频率,m为系统的质量

-----阻尼比,.r为系统的粘性阻尼系数因而其动刚度为:在不同的频率比范围内,各参数对动刚度的影响是不同的,可大致分为三个区:准静态区、共振区和惯性区。（1）准静态区（z<0.7)1)若z<0.3,动静刚度近似相等。2）若激振力的频率为0，系统只受到静载荷的作用，动静刚度相等。提高动刚度的措施：1）提高静刚度2）降低频率比，也就是减少激振力频率或提高固有圆频率（2）惯性区（z>1.3)提高动刚度的措施：1）提高激振力的频率2）增加系统的质量（3）共振区（0.7<z<1.3)提高动刚度的措施：1）适当增加系统的阻尼2）加大激振力的频率和固有圆频率的差别3、在设计中提高机器结构动刚度的措施（1）提高机器结构的静刚度1）采用能够能提高静刚度的截面形状2）合理布置加强筋和隔板3）尽量避免在载荷作用区开孔或减少开孔尺寸4）加强联接部位的局部刚度，防止局部刚度的突然变化（2）改善系统的固有圆频率（3）改善机器结构的阻尼特性二、降低噪声设计1、机械振动引起噪声，低噪声设计的本质是减少机器振动2、措施（1）降低激振力1）减少或避免运动部件的冲击和碰撞2）提高运动部件的平衡精度3）用连续运动代替间歇运动4）减小运动件的重量和速度（2）提高机器抗振性提高机器的动刚度（3）采用隔声、吸声、消声等措施（4）主动消噪技术§7-3机械动态设计一、概述1、定义：机械动态设计是根据一定的动载工况，根据对设计对象提出的功能要求及设计准则，按照结构动力的分析方法和实验方法，对机械进行分析和设计的一种现代设计方法。2、目的：解决机械结构的模态分析、动力响应以及动力修改等重要问题3、主要研究内容：1）响应预估：已知激励(输入)及系统特性,研究其响应.用于确定机械结构的动强度、动刚度、振动及噪声等。2）系统辨识：已知激励（输入）和响应，研究系统特性（即建立系统的数学模型，若系统的数学模型已知，则问题变为参数识别）。用来获取机械结构中的共振频率及有害振型。3）载荷识别：已知系统特性和响应，研究输入。用以实现工作环境模拟，以便进行疲劳寿命实验及强化实验。二、机械动态设计的模态分析法1、结构的模态和模态分析1）模态：指结构在其自由振动时所具有的若干阶固有频率的基本振型。2）模态参数：表示模态特征的一组数值。一般包括固有频率、固有振型、模态质量、模态刚度和阻尼比等。3）模态分析：建立振动系统的运动方程并确定其模态参数的过程。建模方法：传递矩阵、有限元、实验模态和混合2、模态分析原理（1）动力学模型运用模态分析方法，必须将振动系统离散成若干个质量集中的子结构，子结构之间由等效弹簧和等效阻尼器联接起来，表示子结构之间的联接刚度和阻尼，构成一个动力学模型。动力学方程为：[m]:质量矩阵[k]:刚度矩阵[c]:阻尼矩阵[p]:激振力（2）固有频率和主振型已知系统自由振动可以分解为一系列简谐振动的叠加，所以其解的形式为：代入上式，可以得到{A}为非零解的条件是主振型为：2)运动方程的解耦:弹性系统动力学运动方程组,通常都是内部耦合的,可通过坐标变换来解耦,使方程组中每个方程都成为独立的单自由度形式的运动方程式,坐标变换关系为:2)主振型的共轭性任选振动系统的两阶固有频率以及对应的主振型,可以证明3、模态坐标和模态参数由于主振型对于[m]和[k]都具有共轭性，因此以主振型组成的矩阵作为变换矩阵，对原方程进行坐标转换，便可使质量矩阵和刚度矩阵对角化而解耦，这是可以证明的。新坐标下的运动方程为：可写成[m]与[K]矩阵中非对角元素符合共轭性，数值为零，对角元素不为零，构成对角阵，即可表示为这样，完全解决了耦合的运动方程称为模态方程，式中参数称为模态参数3、模态分析的目的和意义目的:1)获得机械动态特性和工作载荷下的响应等方面的可靠数据,并能了解结构之间的关系和整个系统的动力特性.2)对现有机械的承载能力、动态特性等的鉴定和改进提供可靠的方法。意义：1）利用模态分析法可以把求解多自由度耦合的复杂系统，变成求解对角化的单自由度独立系统的叠加处理。2）对机械动态性能起主要影响的只是低频段有限的几阶模态。3）利用模态综合技术，可以由子结构推知组合系统的动态特性4）理论模态和实验模态分析都实现了计算机计算和数据分析处理。§7-3人机学设计一、概述1、人机工程学定义1）国际人机工程学会（InternationalErgonomicsAssociation）：研究人在某种工作环境中的解剖学、生理学和心理学等方面的因素，研究人和机器及环境的相互作用，研究在工作中、生活中和休假时怎样统一考虑工作效率、人的健康、安全和舒适等问题的学科。2）《中国企业管理百科全书》将人机工程学定义为：研究人和机器、环境的相互作用及其合理结合，使设计的机器与环境系统适合人的生理、心理等特点，达到在生产中提高效率、安全、健康和舒适的目的。综上所述可以认为：人机工程学是以人的生理、心理特性为依据，应用系统工程的观点，分析研究人与机械、人与环境以及机械与环境之间的相互作用，为设计操作简便省力、安全、舒适，人—机—环境的配合达到最佳状态的工程系统提供理论和方法的科学。因此，人机工程学可定义为：按照人的特性设计和改善人—机—环境系统的科学。2、近期国内外人机工程学研究的方向归纳如下1）工作负荷研究，包括体力活动、智力活动、工作紧张等因素引起的生理负荷和心理负荷。2）工作环境的研究，包括各种工作环境条件下的生理效应，以及一般工作与生活环境中振动、噪音、空气、照明等因素的人机工程学的研究。3）工作场地、工作空间、工具装备的人机工程学的研究。4）信息显示的人机工程学问题，特别是计算机终端显示中人的因素研究。5）计算机设计与人机工程学研究。6）工作成效的测量与评定。7）机器人设计的智能模拟等。8）人—机—环境系统中心理学的研究。3、人机工程学研究的方法：

测量人体各部分静态和动态数据；调查、询问或直接观察人在作业时的行为和反应特征；对时间和动作的分析研究；测量人在作业前后以及作业过程中的心理状态和各种生理指标的动态变化；观察和分析作业过程和工艺流程中存在的问题；分析差错和意外事故的原因；进行模型实验或用计算机进行模拟实验；运用数字和统计学的方法找出各变数之间的相互关系，以便从中得出正确的结论或发展有关理论。目前常用的研究方法有：研究方法观察法实测法实验法计算机数值仿法调查研究法分析法专题操纵装置设计操纵装置的特征编码与识别旋钮、手柄、按钮、按键设计工作椅设计的主要依据手握式工具的设计操纵装置的特征编码与识别形状编码大小编码颜色编码标志编码形状编码形象化的飞机操纵器形状与功能有直接的联系，如轮形的操纵器可用来操纵飞机的起落架，翼形操纵器则用于副翼或襟翼的操纵，这种形象化的操纵器有利于减少飞行事故。形状编码旋钮的形状编码在(a)、(b)、(c)三类旋钮之间不易混淆，而同一类之间容易混淆；(a)和(b)类旋钮适合作360度以上旋转操作；(c)类旋钮适合360度以内旋转操作；(d)类适合作定位指示调节。大小编码操纵器采用大小编码时，一般说来，大操作器的尺寸要比小操纵器的大20%以上，才有准确操纵的把握，而这一点是较难保证的，所以，大小编码形式的使用是有限的。颜色编码形体和颜色是物体的外部特征，因此，可用颜色编码来区分操纵器，人眼虽然分辨各种颜色,但用于操纵器的编码颜色，一般只有红、橙、黄、绿等五种，色相多了，容易混淆。操纵器的颜色编码一般只能同形状和大小编码合并使用，而且只能靠视觉辨认，还容易受照度的影响，故使用范围有限。颜色编码标志编码

当操纵器数量很多，而形状又难区分时，可采用标志编码，即在操纵器上刻以适当的符号以示区别，符号的设计应只靠触觉就能清楚地识别。因此，符号应当简明易辨，有很强的外形特征。如下列所示：可用触觉辨别的标志编码旋钮、手柄、按钮、按键设计旋钮的形体设计旋钮的操纵力和适宜尺寸（mm)旋钮、手柄、按钮、按键设计旋钮的形体设计指示型旋钮的尺寸和式样旋钮、手柄、按钮、按键设计手柄的形体设计手柄形式和着力方式比较要求：手握舒适、施力方便，不产生滑动，同时还需控制它的动作，因此，手柄和尺寸应按手的结构特征设计：旋钮、手柄、按钮、按键设计手柄的形体设计转动手柄的推荐尺寸旋钮、手柄、按钮、按键设计按钮的形体设计

其外形常为圆心和矩形，有的还带有信号灯。按钮通常用作系统的启动和关停。其工作状态有单工位和双工位，单工位按钮是手按后，它处于工作状态，手指一离开按钮就自动脱离工作状态，回复原位；双工位的按钮是一经手指按下就一直处于工作状态，当手指在按一下时，它才回复原位。在选用时，要注意它们的区别。

按钮的尺寸主要按成人手指端的尺寸和操作要求而定。一般圆弧形按钮直径以8—18mm为宜，矩形按钮以10*10、10*15或15*20为宜，按钮应高出盘面5—12mm，行程为3—6mm,按钮间距一般为12.5—25mm,最小不得小于6mm。旋钮、手柄、按钮、按键设计按键的形体设计常用计算机键盘（QW—ERTY)键盘的设计应考虑人手指按压键盘的力度、回弹时间及使用频度、手指移动距离等因素。人们使用键盘的最高击键速度可以达到15次/s,一个熟练的使用者平均击键速度为5次/s.旋钮、手柄、按钮、按键设计按键的形体设计按键的形式和尺寸电话数字键盘与计算器数字键盘为什么不一样？工作椅设计主要依据坐姿的优点

当人站立时，人体的足裸、腰部、臀部和脊椎等关节部位受到静肌力作用，以维持直立状态，而坐时，可免除这些肌力，减少人体能耗，消除疲劳，坐姿态比站立更有利于血液循环，而且有利于保持身体的稳定。

目前，大多数办公室人员、脑力劳动者、部分体力劳动者都采用坐姿工作。随着技术的进步，愈来愈多的体力劳动者也将采取坐姿工作，因而工作坐椅设计和相关的坐姿分析日益成为人机工程学工作者和设计师们关注的研究课题。工作椅设计主要依据脊柱结构—坐姿生理学712554工作椅设计主要依据腰曲弧线—坐姿生理学从坐姿生理学角度，应保证腰弧曲线正常。工作椅设计主要依据—坐姿生理学腰椎后突和前突工作椅设计主要依据—坐姿生物力学体压分布工作椅设计主要依据—坐姿生物力学股骨受力分析工作椅设计主要依据—坐姿生物力学椎间盘受力分析从坐姿生物力学角度，应保证肢体免受异常力作用。工作椅设计主要依据1、使操作者在工作中保持身体舒适、稳定并能进行准确的控制和操作。2、座高（360—480mm)和腰靠高(165—210mm)必须是可调节的。3、椅坐面和腰靠结构应使其感到安全、舒适。4、腰靠结构应具有一定的弹性和足够的刚性，腰靠倾角不得超过115度。5、工作坐椅一般不设扶手，需设扶手的必须保证操作人员作业活动的安全。6、其结构材料应耐用、阻燃、无毒。坐垫、腰靠、扶手的覆盖层应使用柔软、防滑、透气性好、吸汗的不导电材料制造。设计要点工作椅设计主要依据座椅的结构形式工作椅设计主要依据主要参数坐面倾角：3—4度腰靠倾角：110度手握式工具设计手的解剖及其与工具使用有关的疾患人体手部的掌侧观模型手握式工具设计手的解剖及其与工具使用有关的疾患腕关节动作状态手握式工具设计手握式工具设计设计原则：必须有效地实现预定的功能；必须与操作者身体成适当比例，使操作者发挥最大效率；适当考虑性别、训练程度和身体素质的差异；作业姿势不能引起过度疲劳。手握式工具设计几个避免问题：避免静肌负荷手握式工具设计避免手碗处于顺直状态手握式工具设计把手弯曲式工具设计手握式工具设计避免掌部组织受压力手握式工具设计避免手指重复动作手握式工具设计把手设计参数：直径：着力抓握30—40；精密抓握8—16长度：100—125；形状：圆形、三角形、矩形、丁字形、斜丁字形等；弯角：10度左右；双把手工具与用手习惯和性别差异：第八章机械产品的商品化设计§8-1产品的市场竞争力和商品化设计§8-2措施一:机械产品的艺术造型§8-3措施二:价值优化设计§8-4措施三:产品的标准化、系列化、模块化设计§8-1产品的市场竞争力和商品化设计一、产品竞争力三要素1）产品功能原理的新颖性-----竞争力的核心要素2）产品技术性能的先进性-----竞争力的基础要素3）适应市场需求------竞争力的心理要素二、商品化设计措施1、注重外观设计2、降低产品成本3、提高适用性和缩短设计周期§8-2措施一：机械产品的艺术造型一、机械产品造型设计的概念1、以机械产品为主要对象，着重对于造型有关的功能、结构、材料、工艺、美学基础、宜人性以及市场关系等诸方面进行综合的创造性设计活动2、造型设计是产品设计的重要内容之一二、造型设计的基本原则1、实用：造型设计必须有良好的使用功能2、经济：用价值工程理论指导产品造型，使材料和工艺恰如其分的运用，构成产品的经济品质3、美观：产品整体各种美感的综合体现三、造型设计的要素1、功能基础功能是产品特定的技术功能，功能将决定产品形体的整体布局和外型轮廓2、物质技术基础主要指的是结构、材料、工艺、配件的选择。3、艺术形象四、机械产品造型设计的美学法则1、统一与变化2、对比与调和3、稳定与轻巧4、对称与均衡5、比例与尺度§8-3措施之三：价值优化设计一、价值和价值优化设计1、价值定义：产品的功能与实现该功能所耗成本V=F/C2、价值优化1）V=F/C,表示通过改进产品设计，提高产品功能同时降低成本，使产品的价值得到较大的提高2）V=F/C,表示保持产品成本不变的情况下，由改进设计来提高产品功能，从而提高产品的价值3）V=F/C，表示保持产品功能不变的条件下，通过改进设计或采用新工艺、新材料或改进实现功能的手段等，使成本有所降低，从而使产品的价值得到提高4）V=F/C,表示成本略有提高的情况下改进设计使产品的功能大幅度提高5）V=F/C,表示不影响产品主要功能前提下，改进设计略降低某些次要功能或减少某些无关功能，以求得产品成本大大降低达到提高产品的价值。3、价值优化设计研究的两个方面1）进行功能分析，保证产品必要的功能，去除多余功能，提高产品性能2）进行成本分析注意改善产品的经济性，考虑最大幅度降低产品成本，提高产品价值二、价值优化对象的选择1、选择的依据提高产品功能和降低成本上有较大潜力的产品都可以作为选择对象2、选择方法（1）功值系数法1）功能系数：表示零件对产品功能的影响，反映了该零件在产品中的重要程度。功能系数越大，该零件对产品功能影响越大、越重要。例：设有零件A、B、C等8种，首先根据在产品中的重要性对比，分别为各零件评分。例如A较B重要，则取A/B为1，否则为0。则零件的总评分为：零件A的功能系数为：零件名称一对一比较评分Pi功能系数FiABCDEFGHAX110111160.214B0X10111150.170C00X0111130.107D111X111170.250E0000X01010.036F00001X1020.073G000000X000H0010111X40.1432)成本系数：表示零件所占总成本的份额。若第i种零件成本为Ci，产品总成本为C总,则成本系数定义为3）功值系数：零件功能系数与成本系数之比（2）“ABC”分析法首先要按产品的零部件列出各自所占总成本的份额，然后按所占成本份额的大小进行排列，最后将一产品的全部零部件分为ABC三类取占零件总数的10%，但其成本约占产品总成本的60%-70%的零件属于A类取占零件总数的20%，成本约占总成本的20%的零件属于B类取占零件总数的70%，成本约占总成本的10%-20%的零件属于C类§8-4措施之三：标准化、系列化和模块化标准化：通过对零件尺寸、结构要素、材料性能及检验、设计方法和制图要求等制订出各种各样的大家共同遵守的标准系列化：按标准化原理，以基型产品为基础，依据社会需求，将其主要参数及形式变化排成系列，以设计出同一系列内各种形式、规格的产品。模块化：在市场调研基础上，通过对产品功能分析，划分基本模块、通用模块或专用模块，以模块为基础进行设计。第九章设计试验设计试验：用来验证产品在设计过程中，其功能原理的可行性，设计参量的合理性以及力学性能的确实性而采用的一种方法§9-1功能原理设计阶段的模型试验§9-2模型试验中的相似理论§9-3实用化设计阶段中的样机试验§9-1功能原理设计阶段的模型试验§9-2模型试验中的相似理论一、相似概念、相似比和相似模型1、相似：在相应时刻、相应参数之间的比例关系应保持为常数2、相似模型：将原型的各种物理现象如长度、时间、力、速度等缩小或扩大并据此作出样品来进行试验的装置二、相似定理1、第一相似定理：彼此相似的现象必定具有数值相同的同名相似准则，且相应的相似指标等于12、第二相似定理：有n个物理量所表示的物理系统，其中k个物理量的量纲是相互独立的，则此n个物理量可表示为(n-k)个相似准则的函数关系3、第三相似定理：判断同一现象（过程）相似的必要和充分条件是单值条件相似和同名的决定性相似准则相等。三、模型设计时应遵循的条件1）模型和原型应几何相似2）模型和原型的现象应属于同一类的性质3）模型和原型的对应同名物理量应相似4）模型和原型的同名已定的相似准则在数值上应相等5）模型和原型的初始条件与边界条件应相似6）模型材料应尽量与原型相同四、模型设计中几个注意的问题1、模型材料的选择2、模型尺寸确定3、模型结构设计复习提纲第一章：绪论1、具有竞争力的产品须经过的三个设计阶段2、近代设计科学的三项重大的发展3、设计任务的三种类型第二章：机器的组成和典型机器的功能分析1、现代机器的定义2、现代机器的组成（各种角度）3、功能观点下的机器的分类第三章：功能原理设计1、功能原理的特点2、功能原理设计的任务和工作内容3、功能原理设计的基本步骤4、功能的概念（系统工程学角度和传统意义）5、黑箱法求解系统的总功能6、功能结构的三种形式7、功能结构图的设计步骤8、功能分析方法的应用9、功能原理的类型10、各种功能原理类型的特点及其对应的求解思路第四章:机械功能原理的实现1、选择机构来实现功能原理的原则和范围2、选择机构类型和拟定机构简图应注意的问题3、机械运动系统的方案设计的概念4、机械运动系统的协调设计的概念5、机构创新设计常采用的途径有哪些6、分配轴的概念7、运动循环图的概念、形式、能读懂运动循环图，分析执行机构动作的先后关系第五章：机械产品的实用化设计1、产品设计的核心和外围问题有哪些2、实用化设计的任务和内容3、机械化生产线和生产作业机械的布置原则4、机械传动系统的类型、特点和用途5、外联传动和内联传动的概念、设计时注意的问题习题课1、硬币分选计数机的总功能如下图所示，试分析要实现总功能，必须要有哪些分功能单元，画出功能结构图，并简要说明计数功能如何实现。

解：硬币分选计数机必须包括计数、包卷、堆放，输送、分选排列、分选计数2、以前制造平板玻璃，采用“垂直引上法”，是将半流体的玻璃从熔池中不断上引，开始时通过轧辊控制厚度，以后边向上引边凝固。这种方法制造出来的玻璃表面总是有波纹并且厚度不均。试用物—场分析法分析产生波纹和厚度不均问题的原因，并说明改进措施。

用物场分析法分析，可以看出，在整个工艺过程中，玻璃S2在凝固前大部分时间中缺少F和S1（重力无积极效果，不看作为F）。 近年来出现了一种新工艺，让液态玻璃漂浮在低熔点金属的表面上，边向前流动边凝固。这样制成的平板玻璃不但厚薄均匀，而且没有波纹，这就是“浮法”制造平面玻璃的功能原理解法。显然，浮法工艺是补充了低熔点合金的液面作为S1，又利用该合金液体的表面张力作为一种特殊的力场F，既浮起了玻璃又使玻璃表面保持水平、光滑、均匀。3、图示为车螺纹的传动链，图中U1、U2为变传动比的传动机构，分析该设计方案是否合理，并说明理由，指出改进方案。