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机械设计学主讲：张金中教学安排本课程共分七章第一章机械设计学概述２第二章机械创新设计原理与方法４第三章机械功能原理设计８第四章实用化设计及其技术方法１２第五章商品化设计８第六章评价与决策４第七章设计试验.４第7—12周共48学时其中课堂讲授42，总结复习2，机动2，考试２考试时间：07.01.05，19:00～21:00第一章机械设计学概论第一节机械产品设计的重要性和关键步骤第一节机械产品设计的重要性和关键步骤１.重要性随着工业生产的发展，机械产品的功能和结构日趋复杂，产品设计在整个生命周期内占有越来越重要的位置。通常，产品的设计成本只占产品总成本的5%，而往往决定70%～80%的产品总成本。我们所处的二十一世纪是市场经济国际化、全球一体化的世纪，产品竞争是国际化的竞争，竞争日益加剧。为了适应这一需要，世界各国普遍重视提高产品的设计水平，以增强产品竞争力。产品设计的根本目的就是要创新产品，满足市场需求和占领更大市场。产品设计本身是创造性的劳动，设计的本质是创新。因此，重视创新设计是增加机械产品竞争力的根本途径。第一节机械产品设计的重要性和关键步骤2.机械产品设计过程的主要步骤对于机械产品设计过程的不同理解，从本质上说是由于对设计的内涵有不同的认识和对设计理论有不同的理解。设计过程的模型国内外已有很多的论述，归纳起来主要有三种：一是Pahl和Beitz认为：机械设计分为明确任务、概念设计、技术设计和施工设计等四个阶段[1]。二是Koller认为：机械设计分为产品规划、功能设计、定性设计和定量设计等四个阶段[2]。三是邹慧君教授提出：机械设计分为产品规划、方案设计、详细设计和改进设计等四个阶段[3]。总之，产品设计过程中十分重视的步骤是功能设计、定性设计。第二节现代广义设计观什么叫设计？至今人们有着不同的理解和解释。但不弄清设计的内涵与实质，就不可能对设计过程的特征、规律、原理原则、方法步骤等等，有一个清晰的认识，更不会将现代设计法作为一门多元交叉的横断学科去加以总结研究，从而在根本上就不可能将整个设计提到更高的水平。但首先必须建立现代广义设计观，即对设计、广义、现代三个术语有一个正确的观点。2.1设计的内涵及种类一、设计的内涵英文Design(设计)，起源于拉丁语Designare。由De（记下）与Signare（符号、记号、图形等）两词组成。因此，Design的最初含义为将符号、记号、图形之类记下来的意思。随着生产的不断发展，科学技术的进步，设计不断向深度和广度发展，以至人类活动的一切领域几乎都离不开设计。面对种类繁多、形式多样的设计，日本川添登在他的《什么是设计》一书中，通过对人、社会、自然三者间的相互关系分析后提出，有三类设计：传递表达设计（CommunicationDesign)产品设计(ProductDesign)环境设设计（EnvironmentalDesign)如图1—1所示。图1—1三类设计的相互关系人的个体，通过复杂的组织机构加以集合，组成社会，进而构成当今的世界。人们用语言、文字、图形、符号等等用来构通人们的思想。整个社会就是依靠这类信息的传递表达来实现其功能的。因此人与社会之间通过传递设计相联系。自然界既是人们生活、工作、活动的场所，又为人们提供赖以生存的一切必要条件。人与自然界的关系是索取与提供的矛盾。人们通过产品设计不断加强、提高自身的机能以便更好地利用、开发、改造自然，使之更好地为人类服务。社会：人的个体，通过复杂的组织机构加以集合，进而构成当今的世界。语言、文字、图形、符号等等用来构通人们的思想。整个社会就是依靠这类信息的传递表达来实现其功能的。因此人与社会之间通过传递设计相联系。图1—1三类设计的相互关系这三类设计既有差别又不能绝然分开。传递表达设计、环境设计中涉及到产品设计，产品设计中涉及到传递表达设计，如各种显示装置的设计和环境设计（如工作位置、空间环保等设计）。当代一些环境设计往往也包含有传递表达设计的内容，如长江大桥桥头堡的造型设计。2.1设计的内涵及种类由此可见，通过人—社会—自然三者关系，将广义设计分为三种类型有其一定的科学道理，但是这种分类法对现代设计的内涵、特点、实质和形式以及所采用的设计方法等方面均未能清晰地表达出来。如果避开传递表达设计中那些较为特殊的设计，例如广告、路标等设计，那么根据系统论原理，整个设计基本上可按图1—2所示来划分。人—机器—工作—环境组成了一个完整的总系统，彼此之间相互作用影响。由此可得到四种类型的设计：环境设计，系统设计，产品设计和零件设计。1.环境设计环境设计包括区域规划，房屋、道路、桥梁等等设计，为人们提供工作、学习、生活、活动空间。这类设计的特点是带有“战略”意义的、一次性设计施工，设计优劣的判断准则为对客观情况发生变化时的适应性如何，而这种客观情况的变化往往事先很难详细预料。图1—22.1设计的内涵及种类2.系统设计所谓系统是指具有特定功能的、相互间有着有机联系的若干个要素所组成的一个独立整体。系统设计就是指这类整体的设计。系统可分为两种：一种为流系统，有一组输入流（为物质流、能量流、信息流）通过提供统一性共同的要素（如子系统，机器、设备或装置等）进行传递转换，最后变为一组输出流。如供电系统、通信系统、供水系统，一个工艺流程，一条生产流水线等等均属该种流系统。另一种为结合系统。它由两组或两组以上的、自成系统的要素组成，各组要素有各自的输入流并产生各自的输出流，通过各要素的有机结合来实现系统的总功能。例如一辆汽车，有它的传动系统、电路系统、供油系统、制动系统、冷却系统、润滑系统、操作系统等等，各系统有各自的输入和输出量，这些系统的有机结合便组成一辆汽车，实现汽车的总功能。这两种系统在性质上有所不同。流系统中各组成要素间的连接，相对而言呈“柔性”连接，而结合系统各要素间的连接呈“刚性”连接。因此，前者的系统设计往往包括提出流系统的总体设计要求，各种流的流程综合，各组成要素的位置布置及接口设计等等，但不包括各要素的设计。图1—3为一典型的流系统设计示意图2.1设计的内涵及种类图1－3流系统设计过程提出流系统功能提出流系统要求物质流功能综合—工艺流程机器位置综合—机器流程图能流功能综合—能量流程图信息流功能综合—信息流程图接口设计1接口设计32流系统设计机器设计产品设计2.1设计的内涵及种类产品设计是指由许多零部件甚至是分系统集装而成的整体以实现一种或一组功能的这类设计，包括结合系统的设计。例如发动机，汽车，电动机，泵。这类设计的特点一般较复杂。方案构思，总体设计，零件的材料，尺寸、结构形状，加工要求以及零件间的装配位置等方面的变化往往对产品的性能，质量，成本影响很大。因此，设计人员需花很大的努力才能得到满意的设计结果。零件设计是指不能再分解的、由单一材料组成的单元体的设计。大多数情况，针对不同的产品，这类零件需要单独设计。根据整个产品的设计要求不难确定对这些零件的设计要求。此外，常用零件的设计，多设计成标准件或通用件，设计时只需要注意规格的选择及互换性要求。2.1设计的内涵及种类通过上述人—机—环境间的相互关系的分析，将绝大多数设计归为四种类型，这样就比较清楚地揭示了各种设计的内涵、性质、特点、要求及其与设计方法之间的关系。在实际中，由于设计项目不同，设计类型的侧重是不同的。有的侧重于环境设计，有的侧重于流系统或产品设计，也有的涉及全部设计类型。但不管哪类设计，都涉及到三大要素：人、机器和环境。这里的机器是指广义的机器，包括工具、用具、设备、设施等。人、机器与环境构成了完整的系统。因此设计时应从这种系统角度来考虑。又由于人与机器在设计中所占的侧重不同，产生了两种基本设计指导思想：见图1—4图1—4两种设计指导思想示意图以人为中心，逐步向机器、环境扩展（见图1—4b）。图1—4a是以机器为中心，逐步向人，环境扩展，这是广大工程技术人员所习用的设计思路；从理论上讲，只要真正从系统设计角度来考虑，这两种设计指导思想均是正确的，只是针对不同的矛盾采用不同的思想方法而已。2.1设计的内涵及种类一般的设计过程不管大到一个机电产品（或系统），小到一支自动铅笔，整个设计总是在一定的时间和空间内，按自身的规律进行的。这个过程如图1—5所示。图1—5设计一般过程框图从人需求出发提出设计任务调查研究掌握信息提出明确、详细的设计要求方案构思初步评价方案选择模型确定参数详细设计信息交流制造方案硬件化批量生产投入使用样机试验设计评定没有客观的需求，就没有设计任务，因此一切设计起源于客观的需求，又归宿于满足这种需求。设计的过程就是将提供的资源转化为技术装置以满足客观需求的过程。在这过程中，各个步骤之间存在着严密的逻辑关系，既不能颠倒，也不能随意跳越。产品投入使用后，该产品的设计暂告一段落。随着时间的推移，产品的竞争、销售地点的不同，原来能满足需求的产品，可能会变成不能满足客观需要，于是对产品又要进行改进设计、进行新的循环。产品就是经过这种反复循环，不断改进、更新、升级甚至换代，呈螺旋型向前发展的。在一次设计过程中，为了获得满意的产品设计，在各个步骤间也存在着各种循环。因此设计又是一种根据各种信息反复作出判断的过程。但图1—5未能生动地反映出设计过程如何在时间与空间范围内运动，更未能形象地反映出设计过程与各种知识软件间的关系，从而未能进一步揭示设计的实质。2.1设计的内涵及种类所谓设计形态是指设计过程所表现的形式、状态。可用图1—6可以形象地表达出产品设计与时间的关系。在整个设计过程中，“详细设计要求”是后面设计、制造加工、设计鉴定及用户是否尝试的依据，它像一个圆筒一样笼罩着后面各项工作。这样，我们不难设想设计要求实际上起着一种边界的作用，将整个设计“空间”分为内外两部分：内部为设计应遵循的各个过程，其任务是使资源转为“硬件”以满足需求，这是设计的最终目的，故称这一内部空间为设计核心；外部为支持设计所需的各种“软件”，它包括自然科学、技术科学、社会科学等必要的知识、经验及技能。设计的过程，实际上就是一方面遵循设计自身的规律进行运动，另一方面随时随地调用外部软件进行反复信息交流的过程。图1—６设计进展模式2.1设计的内涵及种类上述设计形态是根据产品设计过程剖析得出的，对于环境设计，流系统设计，零件设计同样适用，只是设计核心的内涵有所不同。因此，这种设计形态具有一定的普遍性。总之，设计的实质是：根据客观需求，通过人们创造性思维，经过反复判断，作出决策并用各种设计模型使之定量化，借此将提供的资源（人、物、信息）转化为技术装置、设施或系统（包括社会系统）以满足人类与社会的功能要求，并取得最满意的社会与经济效益。一个设计人员若想更好地胜任当今的设计工作，不仅要充分了解掌握设计核心部分的内在特点、规律、原理、原则，步骤与方法，了解掌握外部设计软件的各种知识，并且还必须具备科学思维方法，分析、综合判断各种信息的能力，集各种知识和技能于整个设计中的才能。2.2广义化是当代科学的重要特征一、广义化是科学综合性、交叉性的必然结果社会科学与技术科学的复杂性，引起综合解题与交叉解题的必然性，这种综合与交叉又导致了科学技术、概念、方法、名词的广义化。目前“工程”“设计”等词已扩大理解为包括社会问题；“法”字已不仅指方法，还包括法规、规律、途径、步骤等等；“数据”不仅指数字，实际上是指一切信息的纪录（包括图形、法则、数值、消息等）；“机构”一词现已理解为机械、电气、液压、气动、小五金部件等；名词术语的广义化，也说明了只有跨行业、垮学科才能解决一项工程问题的必然趋向。优化方法过去往往被理解为数学规划的最优化方法，其实，这是一种误解，实际包括数学方法、计算机方法、试验方法、方法论、设计观等都与优化有关，所以我们从开拓事业出发，为了达到真正的全域优化，必须提倡“广义优化”，它是现代设计的目标。另外，优化域内的优化与非优化域内的优化同等重要，因为大量的现象是在非优化域内，真正在优化城内的情况为数不多