chapter 1 introduction to mechanical engineering...

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