Upload
lykiet
View
295
Download
14
Embed Size (px)
Citation preview
Chapter 1
Introduction to Mechanical Engineering
Design
Lecture Slides
© 2015 by McGraw-Hill Education. This is proprietary material solely for authorized instructor use. Not authorized for sale or distribution in any manner. This document may not be copied, scanned, duplicated, forwarded, distributed, or posted on a website, in whole or part.
หวขอ
Shigley’s Mechanical Engineering Design
การออกแบบ
การออกแบบทางวศวกรรมเครองกล
กระบวนการในการออกแบบ (ขอควรพจารณา)
เครองมอชวยและแหลงขอมล
มาตรฐานและรหส
ความปลอดภย
ความไมแนนอน
ตวประกอบในการออกแบบ และคาความปลอดภย
ความนาเชอถอ
ขนาดและพกดคาความเผอ
ระบบหนวย
Shigley’s Mechanical Engineering Design
บทนา
นกวทยาศาสตร ใชวธทางวทยาศาสตรศกษาหาความรถงความเปนจรงท
เกดขนตามธรรมชาตของปรากฏการณหรอสงของตางๆ
ความอยากร อยากเหน และชอเสยง
วศวกร นาเอาความร ทมอยทางวทยาศาสตรไปประยกตใชในการ
ออกแบบและสรางสงของขน
ความตองการของสงคม
Shigley’s Mechanical Engineering Design
ความรเดม
ความอยากรอยากเหนทาง
ตงสมมตฐาน
การวเคราะหตามหลกเหตผล
พสจน
เผยแ
พรค
วามร
ความรเดม
ความตองการทางสงคม*
ออกแบบรปรางทวไป
การวเคราะหรายละเอยด
สรางหรอผลต
การย
อมรบ
ทางส
งคม
วธทางวทยาศาสตร วธการออกแบบ
Shigley’s Mechanical Engineering Design
การออกแบบ (Design)
การออกแบบเปนกระบวนการทตองใชความคดสรางสรรค
มขนตอนทตองทาซาจนกวาจะไดสงทตองการ
เปนกระบวนการทตองการใหมการตกลง (ตดสนใจ)
*** วศวกรตองทกษะในการออกแบบ ***
- ทกษะการสอสารทมความละเอยดออน
- ทกษะในการเขยนและการใชคาอธบาย
- ทกษะในการทางานรวมกน
- ความคดรเรมสรางสรรค
- ความรอบรทางดานเทคโนโลย
- etc.
Shigley’s Mechanical Engineering Design
การออกแบบทางวศวกรรมเครองกล
วศวกรรมเครองกล เปนวศวกรรมศาสตรในสาขาทมความเกยวของ...
การผลตชนสวนเครองจกรกล
กระบวนการทางดานพลงงาน
การจดการใหเกดการผลต
เครองมอในการขนสง
เทคโนโลยทางดานระบบอตโนมต
etc.
องคความรทตองเรยน
กลศาสตรวสด, กลศาสตรไหล, กลศาสตรเครองจกรกล
วสดทางวศวกรรมและกรรมวธการผลต
การเขยนแบบทางวศวกรรม
อณหพลศาสตร, ระบบทาความเยน, การถายเทความรอน
ระบบควบคมอตโนมต
การสนทางกล
etc.,
(ตวอยาง)
Shigley’s Mechanical Engineering Design
กระบวนการในการออกแบบ
ศกษาความตอง
กาหนดหลกเกณฑและ
รายละเอยด
ศกษาความเปนไปได
เลอกแบบทเหมาะสม
ออกแบบเบองตนและปรบปรง
ออกแบบรายละเอยด
สรางตนแบบ และทดสอบ
ออกแบบเพอการผลต
จาหนายผลตภณฑ
ทบทว
นการ
ออกแ
บบ
Shigley’s Mechanical Engineering Design
ขอควรพจารณาในการออกแบบ
การออกแบบเครองมอ, อปกรณ, ระบบ หรอกรรมวธตางๆ มจดมงหมาย
• ราคา
• เวลา
• หลกเกณฑในการคดเลอก
• ความเปนไปได
• สมรรถภาพ
• การผลต
• ความสวยงาม
• การเปนทยอมรบของตลาด
ทาใหตองมวธการทแนนอนท
จะใชในการออกแบบ เพอให
ไดผลทดและเปนทนยม
“วธในการออกแบบมใชสตรสาเรจตายตว” ทจะรบประกนไดวาสามารถ
ออกแบบของตางๆ ตามความตองการทมได
การออกแบบ (Design) ในโลกปจจบน
เปนการวางแผนเพอใหสอดคลองกบทตองการ
เปนขบวนการทตองการนวตกรรมใหมๆ, มการปรบปรงหรอทาซา, และเกยวของกบ
การตดสนใจ
ตองมการทางานแบบบรณการอยางหลากหลาย
เพอใหไดผลตภณฑท...
◦ สามารถตอบสนองทางานใชงานได
◦ ปลอดภย
◦ มความนาเชอถอ
◦ สามารถแขงขนได (ทางการคา)
◦ สามารถใชงานไดจรง
◦ ผลตหรอสรางไดจรง
◦ ทาการตลาดได (ไดรบความนยม)Shigley’s Mechanical Engineering Design
Shigley’s Mechanical Engineering Design
ตวอยางการออกแบบ (Design) ในโลกปจจบน
เครองมอชวยในการคานวณ (Computational Tools)
คอมพวเตอรชวยในทางวศวกรรม (Computer-Aided Engineering -CAE)
◦ การใชเครองคอมพวเตอรและซอฟตแวรทจะชวยในกระบวนการทางวศวกรรม
คอมพวเตอรชวยในการออกแบบ Computer-Aided Design (CAD)
Drafting, 3-D solid modeling, etc.
คอมพวเตอรชวยในการผลต Computer-Aided Manufacturing (CAM)
CNC tool path, rapid prototyping, etc.
การวเคราะหและการจาลองในทางวศวกรรม Engineering analysis & simulation
Finite element, fluid flow, dynamic analysis, motion, etc.
การแกสมการทางคณตศาสตร Math solvers
Spreadsheet, procedural programming language, equation solver, etc.
Shigley’s Mechanical Engineering Design
แหลงขอมลทางเทคนค (Acquiring Technical Information)
หองสมด
◦ Engineering handbooks, textbooks, journals, patents, etc.
ขอมลจากแหลงสทธบตร
◦ Government agencies, U.S. Patent and Trademark, National Institute for Standards
and Technology, etc.
สมาคมวชาชพ (conferences, publications, etc.)
◦ American Society of Mechanical Engineers, Society of Manufacturing Engineers,
Society of Automotive Engineers, etc.
ผคาพาณชย Commercial vendors
◦ Catalogs, technical literature, test data, etc.
อนเตอรเนท
Access to much of the above information
Shigley’s Mechanical Engineering Design
ความรบผดชอบทางวชาชพวศวกรออกแบบ
ตอบสนองความตองการของลกคา ความรบผดชอบ มจรยธรรม และมความ
เปนมออาชพ
คาแนะนาสาหรบวศวกรมออาชพ
◦ ประสบการณและความชานาญตองานนนๆ
◦ มทกษะในทางปฏบตทดและทนสมย
◦ มการจดเกบเอกสารอยางด เชน การจดการขอมล
◦ มตรวจสอบทแนนอน การสอสารทด และทนเวลา
◦ ทาหนาทอยางมออาชพและมจรยธรรม
Shigley’s Mechanical Engineering Design
Shigley’s Mechanical Engineering Design
มาตรฐาน (Standard) และรหส (Code)
Standard คอ คณลกษณะเฉพาะสาหรบชนสวน วสด หรอกระบวนการ ทถกกาหนด
ขนมาเพอใหมลกษณะทสอดคลองกน, ใหมประสทธภาพ และสามารถควบคมคณภาพ
(เพอจากดความลากหลายและควบคมรายละเอยดเฉพาะตางๆ เชน เครองมอ ขนาด
รปราง ลกษณะประเภท)
Code คอ คณลกษณะเฉพาะสาหรบการวเคราะห การออกแบบ การผลต และการ
สราง เพอใหไดมาซงระดบความปลอดภย ความมประสทธภาพ และสามารถควบคม
คณภาพได
Shigley’s Mechanical Engineering Design
หนวยงานและองคทกาหนดมาตรฐานและรหสความปลอดภย
เศรษฐศาสตร (Economics)
คาใชจายเปนมกจะเปนปจจยสาคญในการออกแบบทางวศวกรรม
ใชขนาดมาตรฐานสาหรบการลดคาใชจาย
ตาราง A-17 แสดงตวอยางขนาดของบางรายการ
สวนประกอบพนฐานบางอยางอาจจะมราคาแพงนอยกวาในขนาดทสตอก
Shigley’s Mechanical Engineering Design
พกดคาเผอ (Tolerances)
Close tolerances generally increase cost◦ Require additional
processing steps◦ Require additional
inspection◦ Require machines with
lower production rates
Fig. 1–2
Shigley’s Mechanical Engineering Design
จดคมทน (Breakeven Points)
A cost comparison between two possible production methods
Often there is a breakeven point on quantity of production
Automatic screw machine
25 parts/hr
3 hr setup
$20/hr labor cost
Hand screw machine
10 parts/hr
Minimal setup
$20/hr labor cost
Breakeven at 50 units
EXAMPLE
Fig. 1–3Shigley’s Mechanical Engineering Design
Stress and Strength
Strength◦ An inherent property of a material or of a mechanical element◦ Depends on treatment and processing◦ May or may not be uniform throughout the part◦ Examples: Ultimate strength, yield strength
Stress◦ A state property at a specific point within a body◦ Primarily a function of load and geometry◦ Sometimes also a function of temperature and processing
Shigley’s Mechanical Engineering Design
Shigley’s Mechanical Engineering Design
ความไมแนนอน (Uncertainty)
เปนปจจยทมความสาคญและเปนสงทวศวกรผออกแบบตองคานงถง
(ตวอยาง) สวนประกอบของวสดและผลกระทบของสมบตวสดทเกดจากการสนสะเทอน
การเปลยนแปลงของสมบตวสดจากกระบวนการขนสง
ผลกระทบทเกดจากกระบวนการผลต
ผลกระทบทเกดจากกระบวนการทางความรอน
ความหนาแนนและการกระจายของภาระใชงาน
อทธพลของความเคนหนาแนน
อทธพลของระยะเวลาในการใชงาน
ผลกระทบจากการกดกรอน
ผลกระทบจากการสกหรอ
etc.,
Shigley’s Mechanical Engineering Design
ความไมแนนอน (Uncertainty)
เทคนคขนพนฐานในการจาลองทางดานการวเคราะหคานวณ
(ปจจยความไมแนนอน)
1) วธกาหนดแฟกเตอรในการออกแบบ (Deterministic)
2) วธทางสถต (Stochastic)
- ตวแปรสม
- คาเฉลย, ความแปรปรวน, สวนเบยงเบนมาตรฐาน
- คาความเชอมน
- ความนาจะเปน
- etc.,
(Design Factor), dn ปจจยในการสญเสยการทางาน
ภาระสงสดทยอมรบได
Example 1–1
Solution
Answer
Answer
Shigley’s Mechanical Engineering Design
Often used when statistical data is not available
Since stress may not vary linearly with load, it is more common to
express the design factor in terms of strength and stress.
All loss-of-function modes must be analyzed, and the mode with the
smallest design factor governs.
Stress and strength terms must be of the same type and units.
Stress and strength must apply to the same critical location in the part.
The factor of safety is the realized design factor of the final design,
including rounding up to standard size or available components.Shigley’s Mechanical Engineering Design
Design Factor Method
dn Loss-of-function strength
Allowable stress (or )S
Example 1–2
Solution
Answer
Answer
Shigley’s Mechanical Engineering Design
Example 1–3
Solution
Shigley’s Mechanical Engineering Design
Example 1–3 (continued)
Shigley’s Mechanical Engineering Design
±2% normal weight
±1% nominal diameter
±1.5% eccentricity
(Suddenly impact load)
Example 1–3 (continued)
Answer
Shigley’s Mechanical Engineering Design
± 3.5% normal strength
Example 1–3 (continued)
Shigley’s Mechanical Engineering Design
Shigley’s Mechanical Engineering Design
ความนาเชอถอ (Reliability: R)
การวดคาทางสถตสาหรบสมบตวสด เพอใหทราบความนาจะเปนทจะไมเกด
ความเสยหาย โดยท 0 1R
(ตวอยาง) : ความนาเชอถอ หมายความวา ชนงานทไดออกแบบม
โอกาสทจะทางานตามฟงกชนทตองการไดอยางถกตองโดยไมเกดความ
เสยหาย 90% (ในการผลต 1,000 ชน จะตองมความเสยหายไดไมเกน 10 ชน)
0.90R
(ตวอยาง) : ความนาเชอถอของระบบเพลาทมแบรง 2 ชน โดยทความ
นาเชอถอของแบรงทงสองมคาเทากบ 95% และ 98% ตามลาดบ สามารถ
พจารณาไดดงน
1 21
0.95(0.98) 0.93n
ii
R R R R
Shigley’s Mechanical Engineering Design
ขนาดและพกดคาความเผอ (Dimension & Tolerances)
ในงานออกแบบทางวศวกรรม การใหขนาดและพกดคาความเผอเปนเรองทสาคญ
และจาเปนอยางมาก
ยกตวอยาง :
(Nominal size) : ขนาดในทางทฤษฎแตกตางจากขนาดทวดไดจรง เชน หากพจารณา
ขนาดจรงปกตของทอขนาด 40-mm หรอโบลทขนาด 12-mm จะหมายความถงทอขนาด
47.5-mm หรอโบลทขนาด 11.8-mm
(Limits) : บงบอกถงขนาดของคาสงสดและตาสด
(Tolerance) : คาความแตกตางระหวางสองขอบเขต
(Bilateral tolerance) : ขนาดพกดเผอในแบบขอบเขต 2 ดาน เชน
(Unilateral tolerance) : ขนาดพกดเผอในแบบขอบเขต 1 ดาน เชน
(Clearance) : ขนาดอางองความพอดของชนสวนทรงกระบอก เชน โบลทและนท
(Interference) : ขนาดอางองความไมพอดของชนสวนทรงกระบอก เชน ชนงานสวมอด
(Allowance) : ขนาดอางองทยอมรบได
25 0.05 mm0.050.00025 mm
Choice of Dimensions
Dimensioning a part is the designer’s responsibility. Include just enough dimensions Avoid extraneous information that can lead to confusion or
multiple interpretations. Example of over-specified dimensions. With +/– 1 tolerances,
two dimensions are incompatible.
Fig. 1–8Shigley’s Mechanical Engineering Design
Choice of Dimensions
Four examples of which dimensions to specify
Fig. 1–9
Shigley’s Mechanical Engineering Design
Example 1–7
Fig. 1–10
Shigley’s Mechanical Engineering Design
Example 1–7 (Continued)
Solution
Answer
Answer
Answer
Shigley’s Mechanical Engineering Design
Shigley’s Mechanical Engineering Design
ระบบหนวย
หนวยทใชกนในทางวศวกรรมมอย 2 ระบบ
หนวยองกฤษ (นยมใชกนมากในองกฤษและอเมรกา)
หนวยเอสไอ (เปนหนวยสากลระหวางประเทศ)
หนวยมลฐาน (หรอหนวยพนฐาน) คอ หนวยวดคาปรมาณตางๆ ทเปนอสระไมขนตอกน
ตวอยาง : สญลกษณทใชแสดงแทนหนวยของสมการกฎขอท 2 ของนวตน2F ma F MLT (แรง) = (มวล) (ความยาว) (เวลา)
Shigley’s Mechanical Engineering Design
Shigley’s Mechanical Engineering Design
การแปลงหนวย
Shigley’s Mechanical Engineering Design
การแปลงหนวย
Shigley’s Mechanical Engineering Design
SI Prefixes
Shigley’s Mechanical Engineering Design
สมบตเชงกลของวสด
ในการออกแบบชนสวนทางกล จาเปนตองใชความรจากกลศาสตรวสดและคา
สมบตเชงกลของวสดตางๆ เชน
คาโมดลสความยดหยน
คาความเคนคราก คาความเคนดงสงสด คาโมดลสความแขงแกรง อตราสวนปวซอง
เปอรเซนตการยดตว/หดตว ของหนาตด