机械设计

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机械设计(Machine Design)

　　机械设计是根据使用要求对机械的工作原理、结构、运动方式、力和能量的传递方式、各个零件的材料和形状尺寸、润滑方法等进行构思、分析和计算，并将其转化为具体的描述以作为制造依据的工作过程。

　　设计是人们根据预定目标来产生满足要求的信息的一种活动。信息的表达形式有图形、文字、数据、符号等。技术是人类改造世界所采用的手段，是人的因素(知识、能力)与物化因素(工具、设备)的统一。设计技术是指从事设计活动所形成的作业程序、方法和技能，以及所用的工具和设备。根据设计技术的特征，可以将机械设计技术的发展分为5个阶段。

　　1．直觉设计(远古～1500年)

　　自人类开始制造工具，就有了设计活动。在古代，设计技术和制造技术体现在同一工匠个体上。他们或是从自然现象得到启示，或是凭借长期劳动所获得的直观感觉来设计和制作产品。

　　2．经验设计(1501～1849年)

　　工匠开始利用力学原理组成各种装置时，简单工具逐渐向传统机械发展。18世纪中期发生的第一次产业革命，使机械技术出现了设计与制造的分工。19世纪初，机械学从力学中独立出来。19世纪后期，机械工程学逐渐成为一门独立学科。机械学是机械工程学的理论基础。由于当时的机械制造尚未形成一个学科体系，所以机械学可作为机械工程学的简称。当时的设计技术主要体现在机械学所研究的基本机构和基础零件之中。设计主要是依靠设计者个人的才能和经验，其局限性和随意陛很大。

　　3．半经验设计(1850～1949年)

　　1851年第一届世界博览会后，出现了大量复杂的机械产品。19世纪中期发生的第二次产业革命，使设计技术在理论和实践上都有明显提高。德国出版《理论运动学》，表明人们对设计的认识第一次从特性上升到个性。20世纪初出现的图样设计法，使成本大大降低。20世纪初开始了有组织的标准化活动，提高了设计的效率和质量。人们通过对关键零、部件的试验和对各种专业产品设计质量的研究，减少了设计的盲目性。但是，该阶段还未将设计本身作为一门学科来研究，设计还存在较大的经验性和局限性。

　　4．半自动设计(1950～1989年)

　　该阶段显著特点是对设计工具的革新和对设计方法的深入研究。20世纪50年代电子计算机用于科学计算，60年代出现了计算机自动绘图，1970年美国推出CAD系统，1971年日本出版了《设计工程学丛书》，1977年德国出版了《设计学》，这表明人们对设计的认识再次从特性上升到共性。20世纪80年代，计算机实现了信息处理自动化，设计者主要从事决策工作，且往往需要群体合作来完成设计。该阶段逐渐形成了机械设计工程学。

　　5．自动化设计(1990年以来)

　　20世纪90年代，形成了建立在决策自动化基础上的计算机集成制造系统(CIMS)。决策自动化本质上是对知识处理和使用的自动化。在该阶段，设计过程中的大量一般性决策及信息处理可以由计算机完成，设计者可以仅作关键性决策。采用虚拟现实技术设计的波音777飞机，就是世界上第一架无图样、无样机升空的飞机。

　　机械设计是规划和设计实现预期功能的新机械或改造原有机械的性能，其大体可分为以下几种模式。

• 新型设计(开发性设计)：应用成熟的科学技术或经过实验证明可行的新技术，设计未曾有过的新型机械，主要包括功能设计和结构设计。
• 继承设计：根据使用经验和技术发展对已有的机械设计更新，以提高性能、降低制造成本或减少运行费用。
• 变型设计：为适应新的需要对已有的机械作部分的修改或增删，从而发展出不同于标准型的变型产品。

　　机械设计是机械工程的重要组成部分，是决定机械性能的最主要因素。由于各产业对机械的性能要求不同而产生了许多专业性的机械设计，如纺织机械设计、矿山机械设计、农业机械设计、船舶设计、汽车设计、机床设计、压缩机设计、内燃机设计、汽轮机设计和泵设计等。

　　机械设计的基本要求是：在完成规定功能的前提下，性能好、效率高、成本低；在规定使用期间内安全可靠、操作方便、维护简单和造型美观等。一般应满足以下几方面要求。

　　(1)使用要求

　　使用要求是对机械产品的首要要求，是指机械产品必须满足用户对所需要的功能的要求，这是机械设计最根本的出发点。

　　(2)可靠性和安全性要求

　　机械产品在规定的使用条件下，在规定的时间内，应具有完成规定功能的能力。安全可靠是机械产品的必备条件。

　　(3)经济性和社会性要求

　　经济性要求是指所设计的机械产品在设计、制造方面周期短、成本低；在使用方面效率高、能耗少、生产率高、维护与管理的费用少等。此外，机械产品应操作方便、安全，具有宜人的外形和色彩，符合国家环境保护和劳动法规的要求。

　　(4)其他特殊要求

　　有些机械产品由于工作环境和要求不同，对设计提出了某些特殊要求。例如对航空飞行器有质量小、飞行阻力小和运载能力大的要求；流动使用的机械(如塔式起重机、钻探机等)要便于安装、拆卸和运输；对机床有长期保持精度的要求；对食品、印刷、纺织、造纸机械等应有保持清洁，不得污染产品的要求等。

　　谈论机械设计应该遵循的原则时，以下六条是被普遍提到的，大家可以在以后的实际工作中慢慢体会。

　　(1)以市场需求为导向的原则

　　机械设计作为一种生产活动，与市场是紧密联系在一起的。从确定设计课题、使用要求、技术指标、设计与制造工期到拿出总体方案、进行可行性论证、综合效用分析(着眼于实际使用效果的综合分析)、盈亏分析直至具体设计、试制、鉴定、产品投放市场后的信息反馈等都是紧紧围绕市场需求来运作的。设计人员要时时刻刻想着如何设计才能使产品具有竞争力，能够占领市场，受到用户青睐。

　　(2)创造性原则

　　创造是人类的本领。如果人类不能发挥自己的创造性，生产就不能得到发展，科技就不会进步，也就没有人类的今天。设计只有作为一种创造性活动才具有强大的生命力。因循守旧，不敢创新，只能永远落在别人后面。特别是在当今世界科技飞速发展的情况下，在机械设计中贯彻创造性原则尤为重要。

　　(3)标准化、系列化、通用化原则

　　标准化、系列化、通用化简称为“三化”。“三化”是我国现行的一项很重要的技术政策，在机械设计中要认真贯彻执行。标准化是指将产品(特别是零部件)的质量、规格、性能、结构等方面的技术指标加以统一规定并作为标准来执行。我国的标准已经形成一个庞大的体系，主要有国家标准、行业标准等。为了与国际接轨，我国的某些标准正在迅速向国际标准靠拢。常见的标准代号有GB、JB等，分别代表中华人民共和国国家标准、机械工业标准。系列化是指对同一产品，在同一基本结构或基本条件下规定出若干不同的尺寸系列。通用化是指在不同种类的产品或不同规格的同类产品中尽量采用同一结构和尺寸的零部件。

　　贯彻“三化”的好处主要是：减轻设计工作量，有利于提高设计质量并缩短生产周期；减少刀具和量具的规格，便于设计与制造，从而降低其成本；便于组织标准件的规模化、专门化生产；易于保证产品质量，节约材料，降低成本；提高互换性，便于维修；便于国家的宏观管理与调控以及内外贸易；便于评价产品质量，解决经济纠纷。

　　(4)整体优化原则

　　设计要贯彻系统化和优化的思想。性能最好的机器其内部零件不一定是最好的；性能最好的机器也不一定是效益最好的机器。只要是有利于整体优化，机械部件也可以考虑用电子或其他元器件替代。总之，设计人员要将设计方案放在大系统中去考虑，寻求最优方案，应从经济、技术、社会效益等各方面去分析、计算，权衡利弊，尽量使设计效果达到最佳。

　　(5)联系实际原则

　　所有的设计都不要脱离实际。设计人员特别要考虑当前的原材料供应情况，企业的生产条件，用户的使用条件和要求等。

　　(6)人机工程原则

　　机器是为人服务的，但也是需要人去操作使用的。如何使机器适应人的操作要求；人机合一后，投入产出比率高，整体效果最好，这是摆在设计人员面前的一个课题。好的设计一定要符合人机工程学原理。

　　在机械设计过程中，根据设计方案和机器的功能，一般将机器分为几个主要部分，然后按照设计过程分别进行技术设计和结构设计，因此，技术设计和结构设计是针对主要零部件的设计，常用的设计和计算方法有以下几种。

　　(1)理论设计。理论设计是一种创造性设计，也称作开放性设计。设计者按机械零件的结构及其工作情况，将它简化成一定的力学模型，运用理论力学、材料力学、弹性力学、塑性力学、流体力学、热学、摩擦学理论等或利用这些理论推导出来的设计公式和实验数据进行设计称为理论设计。按照设计顺序的不同，零件的理论设计计算可分为设计计算和校核计算。

　　设计计算是根据零件的工作情况、要求，进行失效分析，确定零件工作能力准则，并按其理论设计公式确定零件的形状和尺寸；校核计算是先参照已有实物、图纸和经验数据，初步拟定出零件的结构和尺寸，然后根据工作能力准则所确定的理论校核公式进行校核计算。

　　(2)经验设计。经验设计也称作继承性设计，根据某些零件长期以来的设计与使用经验归纳出经验公式，或者设计者根据经验用类比的方法，确定一些尺寸进行设计，称为经验设计。这对于某些典型零件是很有益的设计方法。例如减速箱体、传动件、机床手柄等的某些结构尺寸。

　　(3)模型实验设计。模型实验设计也可以称作实验设计，对于一些尺寸大、结构复杂的重要零件，如大型水轮机、大型轧钢机的关键零件，为了提高设计的可靠性，可以把初步设计的零部件或机器做成小模型或样机，进行实验，根据实验结果改进产品的设计；而对于大量生产的机器(如汽车)，则常用实物进行实验。

　　在一部机器的设计中，有时会综合使用以上三种设计方法，在设计不同部分时使用不同的方法。机器的设计是一项复杂的工程，通常要由一个设计集体合作完成。由于现代机器不仅是由机械部分组成，其他部分的设计与机械设计要配合，一般机械设计是为机器实现其功能提供硬件基础，机器的控制、照明、冷却等其他辅助部分通常在机械设计时都要统筹考虑，预留设计空间，切记机器是一个整体，机械设计是机器设计的一部分。

　　1．规划设计

　　根据用户订货需求、市场需要和新科研成果制订设计任务。市场调查是在明确任务的基础上广泛地开展，内容主要包括用户对产品功能、技术性能、价位、可维修性及外观等的具体要求；国内外同类产品技术经济情报；现有产品的销售情况及对该产品的预测；原材料及配件供应情况；有关产品可持续发展的政策、法规等。可行性分析和报告是针对上述技术、经济、社会等各方面信息进行详细分析，并对开发的可能性进行综合研究，提出产品开发的可行性报告，报告一般包括：

• 产品开发的必要性，市场需求预测。
• 有关产品的国内外水平和发展趋势。
• 预期达到的最低目标和最高目标，包括设计技术水平、经济和社会效益等。
• 在现有条件下开发的可能性论述及准备采取的措施。
• 提出设计、工艺等方面需要解决的关键问题。
• 投资费用预算及项目的进度、期限等。

　　技术任务书下达对开发产品的具体设计要求，它是产品设计、制造、试制等评价决策的依据，也是用户评价产品优劣的尺度之一，内容主要包括：

• 产品功能、技术性能、规格及外形要求。
• 主要物理和力学参数、可靠性、寿命要求。
• 生产能力与效率的要求。
• 环境适应性与安全保护要求。
• 经济性要求。
• 操纵、使用、维护要求。
• 设计进度要求。

　　2．方案设计

　　市场需求的满足是以产品功能来体现的。实现产品功能是产品设计的核心，体现同一功能的原理方案可以是多种多样的。因此，这一阶段就是在功能分析的基础上，通过创新构思、优化筛选，取得较理想的功能原理方案。产品功能原理方案的好坏，决定了产品的性能和成本，关系到产品的水平和竞争力，是这一设计阶段的关键。

　　方案设计包括产品功能分析、功能原理求解、方案的综合及评价决策，最后得到最佳功能原理方案。对于现代机械产品来说，其机械系统(传动系统和执行系统)的方案设计往往表现为机械运动示意图(机械运动方案图)和机械运动简图的设计。

　　3．技术设计

　　技术设计的任务是将功能原理方案得以具体化，成为机器及其零部件的合理结构。在此阶段要完成产品的参数设计(初定参数、尺寸、材料、精度等)、总体设计(总体布置图、传动系统图、液压系统图、电气系统图等)、结构设计、人机工程设计、环境系统设计及造型设计等，最后得到总装配草图。

　　4．施工设计

　　施工设计的工作内容包括由总装配草图分拆零件图，进行零部件设计，绘制零件工作图、部件装配图；绘制总装配图；编制技术文件，如设计说明书、标准件及外购件明细表、备件和专用工具明细表等。

　　5．改进设计

　　改进设计包括样机试制、测试、综合评价及改进，以及工艺设计、小批生产、市场销售及定型生产等环节。根据设计任务书的各项要求对样机进行测试，发现产品在设计、制造、装配及运行中的问题，细化分析问题。在此基础上，对方案、整机、零部件做出综合评价，对存在的问题和不足加以改进。

　　工艺设计包括以下两方面的内容。

• 制定零件制造与装配工艺，设计与生产批量相适应的工艺装备及专用设备。
• 进行标准化、系列化检查，尽量采用标准化、系列化、通用化的零部件，所有文档资料符合标准化的要求。

　　通过小批生产及市场销售反馈对产品设计、工艺设计及生产规模实践考核，在进一步完善的基础上，进入定型生产。

　　6．定型设计

　　定型设计用于成批或大量生产的机械。对于某些设计任务比较简单(如简单机械的新型设计、一般机械的继承设计或变型设计等)的机械设计可省去初步设计程序。

　　必须强调指出，整个机械设计的过程是复杂的，并反复进行。在某一阶段发现问题，必须回到前面的有关阶段进行并行设计。因此，整个机械设计是一个“设计—评估—再设计”不断反复、不断修改、不断优化完善的过程，以期逐渐接近最佳结果。

　　在机械设计中，标准化的作用非常重要。标准化在简化设计工作、缩短设计周期、提高设计质量、便于专业化生产、扩大互换性、便于维修、保证产品质量和降低成本等方面具有重要意义。

　　标准化包括三方面的内容，即零件标准化、产品系列化和部件通用化。

　　零件的标准化是对机械零件的种类、尺寸、结构要素、材料性能、检验方法、设计方法、公差配合及制图规范等制定出相应的标准，供设计、制造及修配中共同遵照使用。如螺栓、螺母、垫圈等的标准化。

　　产品系列化是产品在同一基本结构或基本尺寸的条件下，按一定的规律优化组合成若干个不同规格尺寸的产品。这样可用较少规格的产品满足不同的需要，如圆柱齿轮减速器系列。系列化是标准化的重要组成部分。

　　部件通用化是对不同规格的同类产品或不同类产品，在设计中尽量采用相同的零件或部件，如几种类型不同的轿车可以采用相同的轮胎。通用化是广义的标准化。

　　我国现行标准分为国家标准(GB)、行业标准(如JB、YB等)及企业标准三个等级。标准又分为必须执行的(如制图标准、螺纹标准等)和推荐使用的(如直径标准等)两种。为了便于国际间的交流与合作，我国的国家标准现已尽可能地靠拢、符合和采用国际标准(ISO)。出口产品一般应符合国际标准(ISO)。

　　机械设计中常用的材料有钢、铸铁、有色金属(如铝合金、铜合金等)和非金属材料(如尼龙、工程塑料、橡胶等)。下面介绍常用材料的选用原则。

　　1．满足使用要求

　　满足使用要求是选用材料的最基本原则和出发点。所谓使用要求，是指用所选材料做成的零件，在给定的工况条件下和预定的寿命期限内能正常工作。而不同的机械，其侧重点又有差别。例如，当零件受载荷大并要求质量轻、尺寸小时，可选强度较高的材料；滑动摩擦下工作的零件，应选用减摩性能好的材料；高温下工作的零件，应选用耐热材料；当承受静应力时，可选用塑性或脆性材料；而承受冲击载荷时，必须选用冲击韧度较好的材料等。

　　2．符合工艺要求

　　所谓工艺要求，是指所选材料的冷、热加工性能好，热处理工艺性好。例如，结构复杂而大批量生产的零件宜用铸件，单件生产宜用锻件或焊件。简单盘状零件(如齿轮或带轮等)，其毛坯是采用铸件、锻件还是焊件，主要取决于它们的尺寸大小、结构复杂程度及批量的大小；单件小批生产，宜用焊件；尺寸小、批量大、结构简单，宜用模锻件；结构复杂、大批量生产，则宜用铸件。

　　3．综合经济效益要求

　　综合经济效益好是一切产品追求的最终目标，故在选择零件材料时，应尽可能选择能满足上述两项要求而价格低廉的材料。不能只考虑材料的价格，还应考虑加工成本及维修费用，即考虑综合经济效益。