第六章內容總結要求掌握的內容如下:1、結構件的功用2、零件的相關（含義、分類）3、結構方案設計的幾個基本原理（共7個，含義，特點，用途）4、如何提高結構件的強度和剛度5、載荷分流、載荷均化、載荷抵消屬于那些原理的應用6、如何從結構上保證支承件的剛度7、零件選擇材料的時候應該注意什么？第七章機械產品設計中的幾個主要技術問題§7-1機械疲勞設計§7-2機械的抗振性設計與低躁聲設計§7-3人機學設計§7-1機械疲勞設計一、疲勞破壞的機制和特點1.機制疲勞裂紋的萌生-擴展-失穩斷裂2.特點1）疲勞破壞是在循環應力或循環應變作用下的破壞，疲勞條件下的破斷應力低于材料的抗拉強度，而且可能低于屈服強度2）疲勞破壞必須經歷一定的載荷循環次數3）零件在整個疲勞過程中不發生宏觀塑性變形，其斷裂方式類似于脆性斷裂4）疲勞斷口上明顯地分為兩個區域。二、載荷類型對稱循環、脈動循環、不對稱循環循環特性r=-1對稱循環r=0脈動循環-1<r<1不對稱循環載荷譜：每個工作周期載荷的變化歷程隨機載荷三、疲勞應力與疲勞強度、疲勞曲線、疲勞極限1、疲勞應力與疲勞強度疲勞失效：在交變應力作用下，構件因發生疲勞破壞而使其喪失正常工作性能的現象疲勞強度：試件抵抗疲勞失效的能力疲勞極限：衡量材料或結構疲勞強度大小的指標2、疲勞曲線在交變載荷作用下，零件承受的交變應力和斷裂循環周次之間的關系，用疲勞曲線來表示。四、影響疲勞強度的因素1、應力集中的影響2、尺寸效應3、表面狀態的影響五、疲勞設計1、名義應力疲勞設計法2、局部應力應變分析法3、損傷容限設計法4、疲勞可靠性設計§7-2機械的抗振性設計與低噪聲設計一、抗振性設計1、振動按產生的原因可以分為自由振動、受迫振動和自激振動1）自由振動：系統平衡破壞后，只靠其彈性恢復力來維持的振動。頻率為系統的固有頻率2）受迫振動：在外界持續激振力作用下，使系統被迫產生振動。3）自激振動：由系統自身產生并控制的交變力所激發引起的一種周期性的振動。例：刀具切削工件時，表面切深的變化，引起切削力的變化。切削力的變化，進一步改變切深。2、動剛度的基本概念及其影響因素1）動剛度：機器結構在振動狀況下，激振力幅值與振幅之比。例：以受簡諧激振力并具有粘性阻尼的單自由度系統受迫振動為例來說明動剛度。K----系統彈簧的靜剛度Z----頻率比,其值為,為激振力的頻率,p為系統的固有圓頻率,m為系統的質量

-----阻尼比,.r為系統的粘性阻尼系數因而其動剛度為:在不同的頻率比范圍內,各參數對動剛度的影響是不同的,可大致分為三個區:準靜態區、共振區和慣性區。（1）準靜態區（z<0.7)1)若z<0.3,動靜剛度近似相等。2）若激振力的頻率為0，系統只受到靜載荷的作用，動靜剛度相等。提高動剛度的措施：1）提高靜剛度2）降低頻率比，也就是減少激振力頻率或提高固有圓頻率（2）慣性區（z>1.3)提高動剛度的措施：1）提高激振力的頻率2）增加系統的質量（3）共振區（0.7<z<1.3)提高動剛度的措施：1）適當增加系統的阻尼2）加大激振力的頻率和固有圓頻率的差別3、在設計中提高機器結構動剛度的措施（1）提高機器結構的靜剛度1）采用能夠能提高靜剛度的截面形狀2）合理布置加強筋和隔板3）盡量避免在載荷作用區開孔或減少開孔尺寸4）加強聯接部位的局部剛度，防止局部剛度的突然變化（2）改善系統的固有圓頻率（3）改善機器結構的阻尼特性二、降低噪聲設計1、機械振動引起噪聲，低噪聲設計的本質是減少機器振動2、措施（1）降低激振力1）減少或避免運動部件的沖擊和碰撞2）提高運動部件的平衡精度3）用連續運動代替間歇運動4）減小運動件的重量和速度（2）提高機器抗振性提高機器的動剛度（3）采用隔聲、吸聲、消聲等措施（4）主動消噪技術§7-3機械動態設計一、概述1、定義：機械動態設計是根據一定的動載工況，根據對設計對象提出的功能要求及設計準則，按照結構動力的分析方法和實驗方法，對機械進行分析和設計的一種現代設計方法。2、目的：解決機械結構的模態分析、動力響應以及動力修改等重要問題3、主要研究內容：1）響應預估：已知激勵(輸入)及系統特性,研究其響應.用于確定機械結構的動強度、動剛度、振動及噪聲等。2）系統辨識：已知激勵（輸入）和響應，研究系統特性（即建立系統的數學模型，若系統的數學模型已知，則問題變為參數識別）。用來獲取機械結構中的共振頻率及有害振型。3）載荷識別：已知系統特性和響應，研究輸入。用以實現工作環境模擬，以便進行疲勞壽命實驗及強化實驗。二、機械動態設計的模態分析法1、結構的模態和模態分析1）模態：指結構在其自由振動時所具有的若干階固有頻率的基本振型。2）模態參數：表示模態特征的一組數值。一般包括固有頻率、固有振型、模態質量、模態剛度和阻尼比等。3）模態分析：建立振動系統的運動方程并確定其模態參數的過程。建模方法：傳遞矩陣、有限元、實驗模態和混合2、模態分析原理（1）動力學模型運用模態分析方法，必須將振動系統離散成若干個質量集中的子結構，子結構之間由等效彈簧和等效阻尼器聯接起來，表示子結構之間的聯接剛度和阻尼，構成一個動力學模型。動力學方程為：[m]:質量矩陣[k]:剛度矩陣[c]:阻尼矩陣[p]:激振力（2）固有頻率和主振型已知系統自由振動可以分解為一系列簡諧振動的疊加，所以其解的形式為：代入上式，可以得到{A}為非零解的條件是主振型為：2)運動方程的解耦:彈性系統動力學運動方程組,通常都是內部耦合的,可通過坐標變換來解耦,使方程組中每個方程都成為獨立的單自由度形式的運動方程式,坐標變換關系為:2)主振型的共軛性任選振動系統的兩階固有頻率以及對應的主振型,可以證明3、模態坐標和模態參數由于主振型對于[m]和[k]都具有共軛性，因此以主振型組成的矩陣作為變換矩陣，對原方程進行坐標轉換，便可使質量矩陣和剛度矩陣對角化而解耦，這是可以證明的。新坐標下的運動方程為：可寫成[m]與[K]矩陣中非對角元素符合共軛性，數值為零，對角元素不為零，構成對角陣，即可表示為這樣，完全解決了耦合的運動方程稱為模態方程，式中參數稱為模態參數3、模態分析的目的和意義目的:1)獲得機械動態特性和工作載荷下的響應等方面的可靠數據,并能了解結構之間的關系和整個系統的動力特性.2)對現有機械的承載能力、動態特性等的鑒定和改進提供可靠的方法。意義：1）利用模態分析法可以把求解多自由度耦合的復雜系統，變成求解對角化的單自由度獨立系統的疊加處理。2）對機械動態性能起主要影響的只是低頻段有限的幾階模態。3）利用模態綜合技術，可以由子結構推知組合系統的動態特性4）理論模態和實驗模態分析都實現了計算機計算和數據分析處理。§7-3人機學設計一、概述1、人機工程學定義1）國際人機工程學會（InternationalErgonomicsAssociation）：研究人在某種工作環境中的解剖學、生理學和心理學等方面的因素，研究人和機器及環境的相互作用，研究在工作中、生活中和休假時怎樣統一考慮工作效率、人的健康、安全和舒適等問題的學科。2）《中國企業管理百科全書》將人機工程學定義為：研究人和機器、環境的相互作用及其合理結合，使設計的機器與環境系統適合人的生理、心理等特點，達到在生產中提高效率、安全、健康和舒適的目的。綜上所述可以認為：人機工程學是以人的生理、心理特性為依據，應用系統工程的觀點，分析研究人與機械、人與環境以及機械與環境之間的相互作用，為設計操作簡便省力、安全、舒適，人—機—環境的配合達到最佳狀態的工程系統提供理論和方法的科學。因此，人機工程學可定義為：按照人的特性設計和改善人—機—環境系統的科學。2、近期國內外人機工程學研究的方向歸納如下1）工作負荷研究，包括體力活動、智力活動、工作緊張等因素引起的生理負荷和心理負荷。2）工作環境的研究，包括各種工作環境條件下的生理效應，以及一般工作與生活環境中振動、噪音、空氣、照明等因素的人機工程學的研究。3）工作場地、工作空間、工具裝備的人機工程學的研究。4）信息顯示的人機工程學問題，特別是計算機終端顯示中人的因素研究。5）計算機設計與人機工程學研究。6）工作成效的測量與評定。7）機器人設計的智能模擬等。8）人—機—環境系統中心理學的研究。3、人機工程學研究的方法：

測量人體各部分靜態和動態數據；調查、詢問或直接觀察人在作業時的行為和反應特征；對時間和動作的分析研究；測量人在作業前后以及作業過程中的心理狀態和各種生理指標的動態變化；觀察和分析作業過程和工藝流程中存在的問題；分析差錯和意外事故的原因；進行模型實驗或用計算機進行模擬實驗；運用數字和統計學的方法找出各變數之間的相互關系，以便從中得出正確的結論或發展有關理論。目前常用的研究方法有：研究方法觀察法實測法實驗法計算機數值仿法調查研究法分析法專題操縱裝置設計操縱裝置的特征編碼與識別旋鈕、手柄、按鈕、按鍵設計工作椅設計的主要依據手握式工具的設計操縱裝置的特征編碼與識別形狀編碼大小編碼顏色編碼標志編碼形狀編碼形象化的飛機操縱器形狀與功能有直接的聯系，如輪形的操縱器可用來操縱飛機的起落架，翼形操縱器則用于副翼或襟翼的操縱，這種形象化的操縱器有利于減少飛行事故。形狀編碼旋鈕的形狀編碼在(a)、(b)、(c)三類旋鈕之間不易混淆，而同一類之間容易混淆；(a)和(b)類旋鈕適合作360度以上旋轉操作；(c)類旋鈕適合360度以內旋轉操作；(d)類適合作定位指示調節。大小編碼操縱器采用大小編碼時，一般說來，大操作器的尺寸要比小操縱器的大20%以上，才有準確操縱的把握，而這一點是較難保證的，所以，大小編碼形式的使用是有限的。顏色編碼形體和顏色是物體的外部特征，因此，可用顏色編碼來區分操縱器，人眼雖然分辨各種顏色,但用于操縱器的編碼顏色，一般只有紅、橙、黃、綠等五種，色相多了，容易混淆。操縱器的顏色編碼一般只能同形狀和大小編碼合并使用，而且只能靠視覺辨認，還容易受照度的影響，故使用范圍有限。顏色編碼標志編碼

當操縱器數量很多，而形狀又難區分時，可采用標志編碼，即在操縱器上刻以適當的符號以示區別，符號的設計應只靠觸覺就能清楚地識別。因此，符號應當簡明易辨，有很強的外形特征。如下列所示：可用觸覺辨別的標志編碼旋鈕、手柄、按鈕、按鍵設計旋鈕的形體設計旋鈕的操縱力和適宜尺寸（mm)旋鈕、手柄、按鈕、按鍵設計旋鈕的形體設計指示型旋鈕的尺寸和式樣旋鈕、手柄、按鈕、按鍵設計手柄的形體設計手柄形式和著力方式比較要求：手握舒適、施力方便，不產生滑動，同時還需控制它的動作，因此，手柄和尺寸應按手的結構特征設計：旋鈕、手柄、按鈕、按鍵設計手柄的形體設計轉動手柄的推薦尺寸旋鈕、手柄、按鈕、按鍵設計按鈕的形體設計

其外形常為圓心和矩形，有的還帶有信號燈。按鈕通常用作系統的啟動和關停。其工作狀態有單工位和雙工位，單工位按鈕是手按后，它處于工作狀態，手指一離開按鈕就自動脫離工作狀態，回復原位；雙工位的按鈕是一經手指按下就一直處于工作狀態，當手指在按一下時，它才回復原位。在選用時，要注意它們的區別。

按鈕的尺寸主要按成人手指端的尺寸和操作要求而定。一般圓弧形按鈕直徑以8—18mm為宜，矩形按鈕以10*10、10*15或15*20為宜，按鈕應高出盤面5—12mm，行程為3—6mm,按鈕間距一般為12.5—25mm,最小不得小于6mm。旋鈕、手柄、按鈕、按鍵設計按鍵的形體設計常用計算機鍵盤（QW—ERTY)鍵盤的設計應考慮人手指按壓鍵盤的力度、回彈時間及使用頻度、手指移動距離等因素。人們使用鍵盤的最高擊鍵速度可以達到15次/s,一個熟練的使用者平均擊鍵速度為5次/s.旋鈕、手柄、按鈕、按鍵設計按鍵的形體設計按鍵的形式和尺寸電話數字鍵盤與計算器數字鍵盤為什么不一樣？工作椅設計主要依據坐姿的優點

當人站立時，人體的足裸、腰部、臀部和脊椎等關節部位受到靜肌力作用，以維持直立狀態，而坐時，可免除這些肌力，減少人體能耗，消除疲勞，坐姿態比站立更有利于血液循環，而且有利于保持身體的穩定。

目前，大多數辦公室人員、腦力勞動者、部分體力勞動者都采用坐姿工作。隨著技術的進步，愈來愈多的體力勞動者也將采取坐姿工作，因而工作坐椅設計和相關的坐姿分析日益成為人機工程學工作者和設計師們關注的研究課題。工作椅設計主要依據脊柱結構—坐姿生理學712554工作椅設計主要依據腰曲弧線—坐姿生理學從坐姿生理學角度，應保證腰弧曲線正常。工作椅設計主要依據—坐姿生理學腰椎后突和前突工作椅設計主要依據—坐姿生物力學體壓分布工作椅設計主要依據—坐姿生物力學股骨受力分析工作椅設計主要依據—坐姿生物力學椎間盤受力分析從坐姿生物力學角度，應保證肢體免受異常力作用。工作椅設計主要依據1、使操作者在工作中保持身體舒適、穩定并能進行準確的控制和操作。2、座高（360—480mm)和腰靠高(165—210mm)必須是可調節的。3、椅坐面和腰靠結構應使其感到安全、舒適。4、腰靠結構應具有一定的彈性和足夠的剛性，腰靠傾角不得超過115度。5、工作坐椅一般不設扶手，需設扶手的必須保證操作人員作業活動的安全。6、其結構材料應耐用、阻燃、無毒。坐墊、腰靠、扶手的覆蓋層應使用柔軟、防滑、透氣性好、吸汗的不導電材料制造。設計要點工作椅設計主要依據座椅的結構形式工作椅設計主要依據主要參數坐面傾角：3—4度腰靠傾角：110度手握式工具設計手的解剖及其與工具使用有關的疾患人體手部的掌側觀模型手握式工具設計手的解剖及其與工具使用有關的疾患腕關節動作狀態手握式工具設計手握式工具設計設計原則：必須有效地實現預定的功能；必須與操作者身體成適當比例，使操作者發揮最大效率；適當考慮性別、訓練程度和身體素質的差異；作業姿勢不能引起過度疲勞。手握式工具設計幾個避免問題：避免靜肌負荷手握式工具設計避免手碗處于順直狀態手握式工具設計把手彎曲式工具設計手握式工具設計避免掌部組織受壓力手握式工具設計避免手指重復動作手握式工具設計把手設計參數：直徑：著力抓握30—40；精密抓握8—16長度：100—125；形狀：圓形、三角形、矩形、丁字形、斜丁字形等；彎角：10度左右；雙把手工具與用手習慣和性別差異：第八章機械產品的商品化設計§8-1產品的市場競爭力和商品化設計§8-2措施一:機械產品的藝術造型§8-3措施二:價值優化設計§8-4措施三:產品的標準化、系列化、模塊化設計§8-1產品的市場競爭力和商品化設計一、產品競爭力三要素1）產品功能原理的新穎性-----競爭力的核心要素2）產品技術性能的先進性-----競爭力的基礎要素3）適應市場需求------競爭力的心理要素二、商品化設計措施1、注重外觀設計2、降低產品成本3、提高適用性和縮短設計周期§8-2措施一：機械產品的藝術造型一、機械產品造型設計的概念1、以機械產品為主要對象，著重對于造型有關的功能、結構、材料、工藝、美學基礎、宜人性以及市場關系等諸方面進行綜合的創造性設計活動2、造型設計是產品設計的重要內容之一二、造型設計的基本原則1、實用：造型設計必須有良好的使用功能2、經濟：用價值工程理論指導產品造型，使材料和工藝恰如其分的運用，構成產品的經濟品質3、美觀：產品整體各種美感的綜合體現三、造型設計的要素1、功能基礎功能是產品特定的技術功能，功能將決定產品形體的整體布局和外型輪廓2、物質技術基礎主要指的是結構、材料、工藝、配件的選擇。3、藝術形象四、機械產品造型設計的美學法則1、統一與變化2、對比與調和3、穩定與輕巧4、對稱與均衡5、比例與尺度§8-3措施之三：價值優化設計一、價值和價值優化設計1、價值定義：產品的功能與實現該功能所耗成本V=F/C2、價值優化1）V=F/C,表示通過改進產品設計，提高產品功能同時降低成本，使產品的價值得到較大的提高2）V=F/C,表示保持產品成本不變的情況下，由改進設計來提高產品功能，從而提高產品的價值3）V=F/C，表示保持產品功能不變的條件下，通過改進設計或采用新工藝、新材料或改進實現功能的手段等，使成本有所降低，從而使產品的價值得到提高4）V=F/C,表示成本略有提高的情況下改進設計使產品的功能大幅度提高5）V=F/C,表示不影響產品主要功能前提下，改進設計略降低某些次要功能或減少某些無關功能，以求得產品成本大大降低達到提高產品的價值。3、價值優化設計研究的兩個方面1）進行功能分析，保證產品必要的功能，去除多余功能，提高產品性能2）進行成本分析注意改善產品的經濟性，考慮最大幅度降低產品成本，提高產品價值二、價值優化對象的選擇1、選擇的依據提高產品功能和降低成本上有較大潛力的產品都可以作為選擇對象2、選擇方法（1）功值系數法1）功能系數：表示零件對產品功能的影響，反映了該零件在產品中的重要程度。功能系數越大，該零件對產品功能影響越大、越重要。例：設有零件A、B、C等8種，首先根據在產品中的重要性對比，分別為各零件評分。例如A較B重要，則取A/B為1，否則為0。則零件的總評分為：零件A的功能系數為：零件名稱一對一比較評分Pi功能系數FiABCDEFGHAX110111160.214B0X10111150.170C00X0111130.107D111X111170.250E0000X01010.036F00001X1020.073G000000X000H0010111X40.1432)成本系數：表示零件所占總成本的份額。若第i種零件成本為Ci，產品總成本為C總,則成本系數定義為3）功值系數：零件功能系數與成本系數之比（2）“ABC”分析法首先要按產品的零部件列出各自所占總成本的份額，然后按所占成本份額的大小進行排列，最后將一產品的全部零部件分為ABC三類取占零件總數的10%，但其成本約占產品總成本的60%-70%的零件屬于A類取占零件總數的20%，成本約占總成本的20%的零件屬于B類取占零件總數的70%，成本約占總成本的10%-20%的零件屬于C類§8-4措施之三：標準化、系列化和模塊化標準化：通過對零件尺寸、結構要素、材料性能及檢驗、設計方法和制圖要求等制訂出各種各樣的大家共同遵守的標準系列化：按標準化原理，以基型產品為基礎，依據社會需求，將其主要參數及形式變化排成系列，以設計出同一系列內各種形式、規格的產品。模塊化：在市場調研基礎上，通過對產品功能分析，劃分基本模塊、通用模塊或專用模塊，以模塊為基礎進行設計。第九章設計試驗設計試驗：用來驗證產品在設計過程中，其功能原理的可行性，設計參量的合理性以及力學性能的確實性而采用的一種方法§9-1功能原理設計階段的模型試驗§9-2模型試驗中的相似理論§9-3實用化設計階段中的樣機試驗§9-1功能原理設計階段的模型試驗§9-2模型試驗中的相似理論一、相似概念、相似比和相似模型1、相似：在相應時刻、相應參數之間的比例關系應保持為常數2、相似模型：將原型的各種物理現象如長度、時間、力、速度等縮小或擴大并據此作出樣品來進行試驗的裝置二、相似定理1、第一相似定理：彼此相似的現象必定具有數值相同的同名相似準則，且相應的相似指標等于12、第二相似定理：有n個物理量所表示的物理系統，其中k個物理量的量綱是相互獨立的，則此n個物理量可表示為(n-k)個相似準則的函數關系3、第三相似定理：判斷同一現象（過程）相似的必要和充分條件是單值條件相似和同名的決定性相似準則相等。三、模型設計時應遵循的條件1）模型和原型應幾何相似2）模型和原型的現象應屬于同一類的性質3）模型和原型的對應同名物理量應相似4）模型和原型的同名已定的相似準則在數值上應相等5）模型和原型的初始條件與邊界條件應相似6）模型材料應盡量與原型相同四、模型設計中幾個注意的問題1、模型材料的選擇2、模型尺寸確定3、模型結構設計復習提綱第一章：緒論1、具有競爭力的產品須經過的三個設計階段2、近代設計科學的三項重大的發展3、設計任務的三種類型第二章：機器的組成和典型機器的功能分析1、現代機器的定義2、現代機器的組成（各種角度）3、功能觀點下的機器的分類第三章：功能原理設計1、功能原理的特點2、功能原理設計的任務和工作內容3、功能原理設計的基本步驟4、功能的概念（系統工程學角度和傳統意義）5、黑箱法求解系統的總功能6、功能結構的三種形式7、功能結構圖的設計步驟8、功能分析方法的應用9、功能原理的類型10、各種功能原理類型的特點及其對應的求解思路第四章:機械功能原理的實現1、選擇機構來實現功能原理的原則和范圍2、選擇機構類型和擬定機構簡圖應注意的問題3、機械運動系統的方案設計的概念4、機械運動系統的協調設計的概念5、機構創新設計常采用的途徑有哪些6、分配軸的概念7、運動循環圖的概念、形式、能讀懂運動循環圖，分析執行機構動作的先后關系第五章：機械產品的實用化設計1、產品設計的核心和外圍問題有哪些2、實用化設計的任務和內容3、機械化生產線和生產作業機械的布置原則4、機械傳動系統的類型、特點和用途5、外聯傳動和內聯傳動的概念、設計時注意的問題習題課1、硬幣分選計數機的總功能如下圖所示，試分析要實現總功能，必須要有哪些分功能單元，畫出功能結構圖，并簡要說明計數功能如何實現。

解：硬幣分選計數機必須包括計數、包卷、堆放，輸送、分選排列、分選計數2、以前制造平板玻璃，采用“垂直引上法”，是將半流體的玻璃從熔池中不斷上引，開始時通過軋輥控制厚度，以后邊向上引邊凝固。這種方法制造出來的玻璃表面總是有波紋并且厚度不均。試用物—場分析法分析產生波紋和厚度不均問題的原因，并說明改進措施。

用物場分析法分析，可以看出，在整個工藝過程中，玻璃S2在凝固前大部分時間中缺少F和S1（重力無積極效果，不看作為F）。 近年來出現了一種新工藝，讓液態玻璃漂浮在低熔點金屬的表面上，邊向前流動邊凝固。這樣制成的平板玻璃不但厚薄均勻，而且沒有波紋，這就是“浮法”制造平面玻璃的功能原理解法。顯然，浮法工藝是補充了低熔點合金的液面作為S1，又利用該合金液體的表面張力作為一種特殊的力場F，既浮起了玻璃又使玻璃表面保持水平、光滑、均勻。3、圖示為車螺紋的傳動鏈，圖中U1、U2為變傳動比的傳動機構，分析該設計方案是否合理，并說明理由，指出改進方案。