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機械設計
機械設計是機械工程的重要組成部分，是機械生產的第一步，是決定機械性能的最主要的因素。機械設計的努力目標是：在各種限定的條件(如材料、加工能力、理論知識和計算手段等)下設計出最好的機械，即做出優(yōu)化設計。優(yōu)化設計需要綜合地考慮許多要求，一般有：最好工作性能、最低制造成本、最小尺寸和重量、使用中最可靠性、最低消耗和最少環(huán)境污染。這些要求常是互相矛盾的，而且它們之間的相對重要性因機械種類和用途的不同而異。設計者的任務是按具體情況權衡輕重，統(tǒng)籌兼顧，使設計的機械有最優(yōu)的綜合技術經濟效果。過去，設計的優(yōu)化主要依靠設計者的知識、經驗和遠見。隨著機械工程基礎理論和價值工程、系統(tǒng)分析等新學科的發(fā)展，制造和使用的技術經濟數據資料的積累,以及計算機的推廣應用,優(yōu)化逐漸舍棄主觀判斷而依靠科學計算。
服務于不同產業(yè)的不同機械，應用不同的工作原理，要求不同的功能和特性。各產業(yè)機械的設計，特別是整體和整系統(tǒng)的機械設計，須依附于各有關的產業(yè)技術而難于形成獨立的學科。因此出現了農業(yè)機械設計、礦山機械設計、紡織機械設計、汽車設計、船舶設計、泵設計、壓縮機設計、汽輪機設計、內燃機設計、機床設計等專業(yè)性的機械設計分支學科。但是，這許多專業(yè)設計又有許多共性技術，例如機構分析和綜合、力與能的分析和計算、工程材料學、材料強度學、傳動、潤滑、密封，以及標準化、可靠性、工藝性、優(yōu)化等。此外，還有研究設計工作的內在規(guī)律和設計的合理步驟和方法的新興的設計方法學。將機械設計的共性技術與理性化的設計方法學匯集成為一門獨立的、綜合性的機械設計學科是機械工程實踐和教育工作者正在努力的工作。
機械設計可分為新型設計、繼承設計和變型設計3類。
1、新型設計應用成熟的科學技術或經過實驗證明是可行的新技術，設計過去沒有過的新型機械。
2、繼承設計根據使用經驗和技術發(fā)展對已有的機械進行設計更新，以提高其性能、降低其制造成本或減少其運用費用。
3、變型設計為適應新的需要對已有的機械作部分的修改或增刪而發(fā)展出不同于標準型的變型產品。
機械設計主要過程
1根據用戶訂貨、市場需要和新科研成果制定設計任務。
2、初步設計。包括確定機械的工作原理和基本結構形式，進行運動設計、結構設計并繪制初步總圖以及初步審查。
3、技術設計。包括修改設計（根據初審意見）、繪制全部零部件和新的總圖以及第二次審查。
4、工作圖設計。包括最后的修改（根據二審意見）、繪制全部工作圖（如零件圖、部件裝配圖和總裝配圖等）、制定全部技術文件（如零件表、易損件清單、使用說明等）。
5、定型設計。用于成批或大量生產的機械。對于某些設計任務比較簡單（如簡單機械的新型設計、一般機械的繼承設計或變型設計等）的機械設計可省去初步設計程序。
所討論的設計過程僅指狹義的技術性的設計過程。它是一個創(chuàng)造性的工作過程，同時也是一個盡可能多地利用已有的成功經驗的工作。要很好地把繼承與創(chuàng)新結合起來，才能設計出高質量的機器。作為一部完整的機器，它是一個復雜的系統(tǒng)。要提高設計質量，必須有一個科學的設計程序。雖然不可能列出一個在任何情況下都有效的惟一程序，但是，根據人們設計。
（一）計劃階段
在根據生產或生活的需要提出所要設計的新機器后，計劃階段只是一個預備階段。此時，對所要設計的機器僅有一個模糊的概念。
在計劃階段中，應對所設計的機器的需求情況做充分的調查研究和分析。通過分析，進一步明確機器所應具有的功能，并為以后的決策提出由環(huán)境、經濟、加工以及時限等各方面所確定的約束條件。在此基礎上，明確地寫出設計任務的全面要求及細節(jié)，最后形成設計任務書，作為本階段的總結。設計任務書大體上應包括：機器的功能，經濟性及環(huán)保性的估計，制造要求方面的大致估計，基本使用要求，以及完成設計任務的預計期限等。此時，對這些要求及條件一般也只能給出一個合理的范圍，而不是準確的數字。例如可以用必須達到的要求、最低要求、希望達到的要求等方式予以確定。
（二）方案設計階段
本階段對設計的成敗起關鍵的作用。在這一階段中也充分地表現出設計工作有多個解（方案）的特點。
機器的功能分析，就是要對設計任務書提出的機器功能中必須達到的要求、最低要求及希望達到的要求進行綜合分析，即這些功能能否實現，多項功能間有無矛盾，相互間能否替代等。最后確定出功能參數，作為進一步設計的依據。在這一步驟中，要恰當處理需要與可能、理想與現實、發(fā)展目標與當前目標等之間可能產生的矛盾問題。
確定出功能參數后，即可提出可能的解決辦法，亦即提出可能采用的方案。尋求方案時，可按原動部分、傳動部分及執(zhí)行部分分別進行討論。，較為常用的辦法是先從執(zhí)行部分開始討論。
討論機器的執(zhí)行部分時，首先是關于工作原理的選擇問題。例如，設計制造螺釘的機器時，其工作原理既可采用在圓柱形毛坯上用車刀車削螺紋的辦法，也可采用在圓柱形毛坯上用滾絲模滾壓螺紋的辦法。這就提出了兩種不同的工作原理。工作原理不同，當然所設計出的機器就會根本不同。特別應當強調的是，必須不斷地研究和發(fā)展新的工作原理。這是設計技術發(fā)展的重要途徑。
根據不同的工作原理，可以擬定多種不同的執(zhí)行機構的具體方案。例如僅以切削螺紋來說，既可以采用工件只作旋轉運動而刀具作直線運動來切削螺紋（如在普通車床上切削螺紋），也可以使工件不動而刀具作轉動和移動來切削螺紋（如用板牙加工螺紋）。這就是說，即使對于同一種工作原理，也可能有幾種不同的結構方案。
原動機部分的方案當然也可以有多種選擇。由于電力供應的普遍性和電力拖動技術的發(fā)展，現在可以說絕大多數的固定機械都優(yōu)先選擇電動機作為原動機部分。熱力原動機主要用于運輸機、工程機械或農業(yè)機械。即使是用電動機作為原動機，也還有交流和直流的選擇，高轉速和低轉速的選擇等。
傳動部分的方案就更為復雜多樣了。對于同一傳動任務，可以由多種機構及不同機構的組合來完成。因此，如果用Ⅳ，表示原動機部分的可能方案數，N2和N3分別代表傳動部分和執(zhí)行部分的可能方案數，則機器總體的可能方案數Ⅳ為Ni×N2×N3個。
以上僅是就組成機器的三個主要部分討論的。有時，還須考慮到配置輔助系統(tǒng)，對此，本書不再討論。
在如此眾多的方案中，技術上可行的僅有幾個。對這幾個可行的方案，要從技術方面和經濟及環(huán)保等方面進行綜合評價。評價的方法很多，現以經濟性評價為例略做說明。根據經濟性進行評價時，既要考慮到設計及制造時的經濟性，也要費用考慮到使用時的經濟性。如果機器的結構方案比較復雜，則其設計制造成本就要相對地增大，可是其功能將更為齊全，生產率也較高，故使用經濟性也較好。反過來，結構較為簡單、功能不夠齊全的機器，設計及制造費用雖少，但使用費用卻會增多。評價結構方案的設計制造經濟性時，還可以用單位功效的成本來表示。例如單位輸出功率的成本、單件產品的成本等。
進行機器評價時，還必須對機器的可靠性進行分析，把可靠性作為一項評價的指標。從可靠性的觀點來看，盲目地追求復雜的結構往往是不明智的。一般地講，系統(tǒng)越復雜，則系統(tǒng)的可靠性就越低。為了提高復雜系統(tǒng)的可靠性，就必須增加并聯(lián)備用系統(tǒng)，而這不可避免地會提高機器的成本。
環(huán)境保護也是設計中必須認真考慮的重要方面。對環(huán)境造成不良影響的技術方案，必須詳細地進行分析，并提出技術上成熟的解決辦法。
通過方案評價，最后進行決策，確定一個據以進行下步技術設計的原理圖或機構運動簡圖。
在方案設計階段，要正確地處理好借鑒與創(chuàng)新的關系。同類機器成功的先例應當借鑒，原先薄弱的環(huán)節(jié)及不符合現有任務要求的部分應當加以改進或者根本改變。既要積極創(chuàng)新，反對保守和照搬原有設計，也要反對一味求新而把合理的原有經驗棄置不用這兩種錯誤傾向。
（三）技術設計階段
技術設計階段的目標是產生總裝配草圖及部件裝配草圖。通過草圖設計確定出各部件及其零件的外形及基本尺寸，包括各部件之間的連接，零、部件的外形及基本尺寸。最后繪制零件的工作圖、部件裝配圖和總裝圖。
為了確定主要零件的基本尺寸，必須做以下工作：
1)機器的運動學設計。根據確定的結構方案，確定原動件的參數（功率、轉速、線速度等）。然后做運動學計算，從而確定各運動構件的運動參數（轉速、速度、加速度等）。
2)機器的動力學計算。結合各部分的結構及運動參數，計算各主要零件所受載荷的大小及特性。此時求出的載荷，由于零件尚未設計出來，因而只是作用于零件上的公稱（或名義）載荷。
3)零件的工作能力設計。已知主要零件所受的公稱載荷的大小和特性，即可做零、部件的初步設計。設計所依據的工作能力準則，須參照零、部件的一般失效情況、工作特性、環(huán)境條件等合理地擬定，一般有強度、剛度、振動穩(wěn)定性、壽命等準則。通過計算或類比，即可決定零、部件的基本尺寸。
4)部件裝配草圖及總裝配草圖的設計。根據已定出的主要零、部件的基本尺寸，設計出部件裝配草圖及總裝配草圖。草圖上需對所有零件的外形及尺寸進行結構化設計。在此步驟中，需要很好地協(xié)調各零件的結構及尺寸，全面地考慮所設計的零、部件的結構工藝性，使全部零件有最合理的構形。
5)主要零件的校核。有一些零件，在上述第3）步中由于具體的結構未定，難于進行詳細的工作能力計算，所以只能做初步計算及設計。在繪出部件裝配草圖及總裝配草圖以后，所有零件的結構及尺寸均為已知，相互鄰接的零件之間的關系也為已知。只有在這時，才可以較為精確地定出作用在零件上的載荷，決定影響零件工作能力的各個細節(jié)因素。只有在此條件下，才有可能并且必須對一些重要的或者外形及受力情況復雜的零件進行精確的校核計算。根據校核的結果，反復地修改零件的結構及尺寸，直到滿意為止。
在技術設計的各個步驟中，近三四十年來發(fā)展起來的優(yōu)化設計技術，越來越顯示出它可使結構參數的選擇達到最佳的能力。一些新的數值計算方法，如有限元法等，可使以前難以定量計算的問題獲得極好的近似定量計算的結果。對于少數非常重要、結構復雜且價格昂貴的零件，在必要時還須用模型試驗方法來進行設計，即按初步設計的圖紙制造出模型，通過試驗，找出結構上的薄弱部位或多余的截面尺寸，據此進行加強或減小來修改原設計，最后達到完善的程度。機械可靠性理論用于技術設計階段，可以按可靠性的觀點對所設計的零、部件結構及其參數做出是否滿足可靠性要求的評價，提出改進設計的建議，從而進一步提高機器的設計質量。上述這些新的設計方法和概念，應當在設計中加以應用與推廣，使之得到相應的發(fā)展。
草圖設計完成以后，即可根據草圖業(yè)已確定的零件基本尺寸，設計零件的工作圖。此時，仍有大量的零件結構細節(jié)要加以推敲和確定。設計工作圖時，要充分考慮到零件的加工和裝配工藝性、零件在加工過程中和加工完成后的檢驗要求和實施方法等。有些細節(jié)安排如果對零件的工作能力有值得考慮的影響時，還須返回去重新校核工作能力。最后繪制出除標準件以外的全部零件的工作圖。
按最后定型的零件工作圖上的結構及尺寸，重新繪制部件裝配圖及總裝配圖。通過這一工作，可以檢查出零件工作圖中可能隱藏的尺寸和結構上的錯誤。人們把這一工作通俗地稱為紙上裝配。
（四）技術文件編制階段
技術文件的種類較多，常用的有機器的設計計算說明書、使用說明書、標準件明細表等。
編制設計計算說明書時，應包括方案選擇及技術設計的全部結論性的內容。
編制供用戶使用的機器使用說明書時，應向用戶介紹機器的性能參數范圍、使用操作方法、日常保養(yǎng)及簡單的維修方法、備用件的目錄等。
其他技術文件，如檢驗合格單、外購件明細表、驗收條件等，視需要與否另行編制。
（五）計算機在機械設計中的應用
隨著計算機技術的發(fā)展，計算機在機械設計中得到了日益廣泛的使用，并出現了許多高效率的設計、分析軟件。利用這些軟件可以在設計階段進行多方案的對比，可以對不同的包括大型的和很復雜的方案的結構強度、剛度和動力學特性進行精確的分析。同時，還可以在計算機上構建虛擬樣機，利用虛擬樣機仿真對設計進行驗證，從而實現在設計階段充分地評估設計的可行性?？梢哉f，計算機技術在機械設計中的推廣使用已經并正在改變機械設計的進程，它在提高設計質量和效率方面的優(yōu)勢是難以預估的。
以上簡要地介紹了機器的設計程序。廣義地講，在機器的制造過程中，隨時都有可能出現由于工藝原因而修改設計的情況。如需修改時，則應遵循一定的審批程序。機器出廠后，應該有計劃地進行跟蹤調查；另外，用戶在使用過程中也會給制造或設計部門反饋出現的問題。設計部門根據這些信息，經過分析，也有可能對原設計進行修改，甚至改型。這些工作，雖然廣義上也屬設計程序的組成部分，但是屬于另一個層次的問題，本書不再討論其具體的內容。但是作為設計工作者，應當有強烈的社會責任感，要把自己工作的視野延伸到制造、使用乃至報廢利用的全過程中去，反復不斷地改進設計，才能使機器的質量繼續(xù)不斷地提高，更好地滿足生產及生活的需要。
在設計開始之前，先要制定設計任務。當設計任務比較復雜時，一般采用三階段設計，即初步設計、技術設計和工作圖設計；當任務比較簡單，如簡單機械的新型設計、一般機械的繼承設計或變型設計，則一開始就將設計做到技術設計深度，經審查、修改和批準后做工作圖設計，而成為兩階段設計。在三階段設計中的初步設計階段，設計的主要步驟是：確定工作原理和基本結構型式，運動設計，設計主要零、部件、繪制初步總圖,初步設計審查。在技術設計階段,主要步驟是：根據審查意見修改設計，設計全部零、部件，繪制新的總圖，技術設計審查。在工作圖設計階段，根據審查意見修改設計，繪制全部工作圖和制定全部技術文件。對于批量或大量生產的產品，還要進行定型設計。
在設計的每個步驟中，都可能發(fā)現前面步驟中某些決定不合理，這就需要折回到前面那個步驟，修改不合理的決定，重做隨后的設計工作。
1、制定設計任務 這是設計的前期工作。設計任務的根據是用戶訂貨、市場需要和新的科研成果。設計部門應用各種技術和市場情報，擬列可能方案，比較其利弊，與經營部門和用戶共同商議，制定合理的設計任務目標。這對新型設計特別重要。任務目標的失誤將造成經濟上的嚴重損失，甚至遭到全面失敗。
2、確定工作原理和基本結構型式 如設計任務未作明確規(guī)定,設計的第一個步驟就是確定總體方案,即確定所要應用的工作原理和與之相應的結構型式。例如設計大功率船用柴油機，首先要確定是用二沖程、雙作用、十字頭、低速柴油機，還是用四沖程、單作用、中速柴油機。又例如設計用以粗碎巖石的破碎機械，首先要確定是采用以擠壓和彎折為主要破碎作用的顎式或旋回式破碎機，或者采用以沖擊為主要作用的單轉子或雙轉子沖擊式破碎機。
3、運動設計 設計的總體方案確定之后，接著需要運用機構學的知識，選用合適的機構以得到所需的運動方案。上面提到的顎式破碎機依靠其動顎板的擺動使進入破碎腔的巖石受到擠壓、彎折和劈裂作用而破碎，而動顎板的擺動則可以采用雙肘板機構的簡單擺動，或者采用單肘板機構的復雜擺動。在新型設計中，可能會需要綜合一個新的機構以得到所要求的運動方案，這常是一個困難的工作。因此，設計者一般盡量應用已有的和成熟的機構所提給的運動方案。
4、結構設計和繪制初步總圖 運動設計之后，設計者開始進行結構設計，計算機械各主要零件的受力、強度、形狀、尺寸和重量等，并繪制主要零、部件草圖。這時如發(fā)現原來選用的結構不可行，就必須調整或修改結構。同時還應考慮有無可能產生過熱、過度磨損或振動的部位。
在這一步驟中，設計者通過繪制草圖會發(fā)現各部分的形狀、尺寸、比例等方面的矛盾。為了加強或改進某一方面，可能會削弱或惡化另一方面。這時必須權衡輕重，進行協(xié)調，以達到最佳綜合效果。草圖經反復修改認為初步滿意后，便可繪制初步總圖和估算造價。初步總圖嚴格按比例繪制，選取足夠的視圖和切面圖。
5、初步審查 初步總圖繪制后，需要請對該類機械有經驗的設計、制造和使用人員以及用戶或委托設計單位的代表進行初步審查。審查結果如認為設計不適用(如重量、體積太大,造價太高,對結構的可靠性有懷疑等),則須重新進行運動設計，甚至改用別的工作原理和基本結構型式。多數情況是對設計采取某些改善措施。
6、技術設計 根據初步審查意見,對設計進行修改,并繪制所有的零件和部件圖。對主要的零件和部件進行精確的應力分析，按分析結果修正零件的形狀、尺寸等細節(jié)，并規(guī)定材質和熱處理。確定零件加工精度以及部件和總裝的裝配條件。完成潤滑設計、電氣設計（驅動和控制）。重繪總圖，某些重要的和批量生產的機械有時還要制作出模型。將完成的技術設計提交第二次審查。
7、繪制工作圖 根據第二次審查的意見作最后的修改后，就可以繪制正式的零件圖、部件裝配圖和總裝配圖，編寫零件表、易損零件清單、使用指南等技術文件。設計負責人應注意協(xié)調零件間的尺寸，核對耦合件間的公差配合，復核某些零件的強度和剛度。零件圖完成后開始圖紙核對，這是非常重要的工作。經過仔細校對的圖紙能保證加工后裝配順利。最可靠的校對方法是根據已繪制好的零件圖重繪出一張總裝配圖，所有矛盾之處就會表現出來。在繪制零件圖的同時還需要進行兩項工作：一是工藝性審核,使零件便于加工并降低制造成本;二是標準審核，使零件結構要素、尺寸、公差配合、熱處理技術條件以及標準和通用零件等符合標準的規(guī)定。
8、試生產和定型設計 對于單件或小批生產的機械,經過上述步驟完成的設計圖紙可以投入正式生產。對于成批或大量生產的機械,在正式生產前要先試制樣機,進行功能試驗和鑒定，通過后，再按批量生產工藝進行批量試生產。在批量試生產中所出現的問題還可能需要對設計作相應的修改，方成為可供正式生產使用的定型設計。
機械零件的設計具有眾多的約束條件，設計準則就是設計所應該滿足的約束條件。
1、技術性能準則
技術性能包括產品功能、制造和運行狀況在內的一切性能，既指靜態(tài)性能，也指動態(tài)性能。例如，產品所能傳遞的功率、效率、使用壽命、強度、剛度、抗摩擦、磨損性能、振動穩(wěn)定性、熱特性等。技術性能準則是指相關的技術性能必須達到規(guī)定的要求。例如振動會產生額外的動載荷和變應力，尤其是當其頻率接近機械系統(tǒng)或零件的固有頻率時，將發(fā)生共振現象，這時振幅將急劇增大，有可能導至零件甚至整個系統(tǒng)的迅速損壞。振動性穩(wěn)定準則就是限制機械系統(tǒng)或零件的相關振動參數，如固有頻率、振幅、噪聲等在規(guī)定的允許范圍之內。又如機器工作時的發(fā)熱可能會導致熱應力、熱應變，甚至會造成熱損壞。熱特性準則就是限制各種相關的熱參數(如熱應力、熱應變、溫升等)在規(guī)定范圍內。
2、標準化準則
與機械產品設計有關的主要標準大致有：
概念標準化：設計過程中所涉及的名詞術語、符號、計量單位等應符合標準；
實物形態(tài)標準化：零部件、原材料、設備及能源等的結構形式、尺寸、性能等，都應按統(tǒng)一的規(guī)定選用。
方法標準化：操作方法、測量方法、試驗方法等都應按相應規(guī)定實施。
標準化準則就是在設計的全過程中的所有行為，都要滿足上述標準化的要求?，F已發(fā)布的與機械零件設計有關的標準，從運用范圍上來講，可以分為國家標準、行業(yè)標準和企業(yè)標準三個等級。從使用強制性來說，可分為必須執(zhí)行的和推薦使用的兩種。
3、可靠性準則
可靠性：產品或零部件在規(guī)定的使用條件下，在預期的壽命內能完成規(guī)定功能的概率?？煽啃詼蕜t就是指所設計的產品、部件或零件應能滿足規(guī)定的可靠性要求。
4、安全性準則
零件安全性：指在規(guī)定外載荷和規(guī)定時間內零件不發(fā)生如斷裂、過度變形、過度磨損和不喪失穩(wěn)定性等等。
整機安全性：指機器保證在規(guī)定條件下不出故障，能正常實現總功能的要求。
工作安全性：指對操作人員的保護，保證人身安全和身心健康等等。
環(huán)境安全性：指對機器周圍的環(huán)境和人不造成污染和危害。
設計方法學的目的是將設計思維上升為理性過程，從而使設計能循一定的邏輯進行，使更多的設計人員能作出好的設計。它大致包括以下一些內容：
1、將設計的階段分得很細，使每一階段成為有章可循和有理可據的思維活動。
2、將成功的或良好的設計儲存起來,建立設計資料庫,以供以后設計時參考或采用。
3、在設計工作中引進價值工程的概念和方法，對設計中的矛盾進行功能與成本的權衡,以獲得良好的使用效果。
4、在設計中采用摩擦學、振動學、斷裂力學、有限元法、可靠性設計、優(yōu)化設計、系統(tǒng)工程、人類工程學等新興學科的知識，提高設計的科學性，減少盲目性。
5、將設計工作范圍擴大，向前延伸到市場預測，向后延伸到售后服務。運用計算機輔助設計以減少設計勞動量、提高設計速度和設計質量。