机械设计

不动而刀具作转动和移动来切削螺纹（如用板牙加工螺纹）。这就是说，即使对于同一种工作原理，也可能有几种不同的结构方案。

　　传动部分的方案就更为复杂多样了。对于同一传动任务，可以由多种机构及不同机构的组合来完成。因此，如果用Ⅳ，表示原动机部分的可能方案数，N2和N3分别代表传动部分和执行部分的可能方案数，则机器总体的可能方案数Ⅳ为Ni×N2×N3个。

　　在如此众多的方案中，技术上可行的仅有几个。对这几个可行的方案，要从技术方面和经济及环保等方面进行综合评价。评价的方法很多，现以经济性评价为例略做说明。根据经济性进行评价时，既要考虑到设计及制造时的经济性，也要费用考虑到使用时的经济性。如果机器的结构方案比较复杂，则其设计制造成本就要相对地增大，可是其功能将更为齐全，生产率也较高，故使用经济性也较好。反过来，结构较为简单、功能不够齐全的机器，设计及制造费用虽少，但使用费用却会增多。评价结构方案的设计制造经济性时，还可以用单位功效的成本来表示。例如单位输出功率的成本、单件产品的成本等。

　　环境保护也是设计中必须认真考虑的重要方面。对环境造成不良影响的技术方案，必须详细地进行分析，并提出技术上成熟的解决办法。

　　技术设计阶段的目标是产生总装配草图及部件装配草图。通过草图设计确定出各部件及其零件的外形及基本尺寸，包括各部件之间的连接，零、部件的外形及基本尺寸。最后绘制零件的工作图、部件装配图和总装图。 

　　为了确定主要零件的基本尺寸，必须做以下工作： 

　　1)机器的运动学设计。根据确定的结构方案，确定原动件的参数（功率、转速、线速度等）。然后做运动学计算，从而确定各运动构件的运动参数（转速、速度、加速度等）。 

　　2)机器的动力学计算。结合各部分的结构及运动参数，计算各主要零件所受载荷的大小及特性。此时求出的载荷，由于零件尚未设计出来，因而只是作用于零件上的公称（或名义）载荷。 

　　3)零件的工作能力设计。已知主要零件所受的公称载荷的大小和特性，即可做零、部件的初步设计。设计所依据的工作能力准则，须参照零、部件的一般失效情况、工作特性、环境条件等合理地拟定，一般有强度、刚度、振动稳定性、寿命等准则。通过计算或类比，即可决定零、部件的基本尺寸。 

　　4)部件装配草图及总装配草图的设计。根据已定出的主要零、部件的基本尺寸，设计出部件装配草图及总装配草图。草图上需对所有零件的外形及尺寸进行结构化设计。在此步骤中，需要很好地协调各零件的结构及尺寸，全面地考虑所设计的零、部件的结构工艺性，使全部零件有最合理的构形。 

　　5)主要零件的校核。有一些零件，在上述第3）步中由于具体的结构未定，难于进行详细的工作能力计算，所以只能做初步计算及设计。在绘出部件装配草图及总装配草图以后，所有零件的结构及尺寸均为已知，相互邻接的零件之间的关系也为已知。只有在这时，才可以较为精确地定出作用在零件上的载荷，决定影响零件工作能力的各个细节因素。只有在此条件下，才有可能并且必须对一些重要的或者外形及受力情况复杂的零件进行精确的校核计算。根据校核的结果，反复地修改零件的结构及尺寸，直到满意为止。 

　　在技术设计的各个步骤中，近三四十年来发展起来的优化设计技术，越来越显示出它可使结构参数的选择达到最佳的能力。一些新的数值计算方法，如有限元法等，可使以前难以定量计算的问题获得极好的近似定量计算的结果。对于少数非常重要、结构复杂且价格昂贵的零件，在必要时还须用模型试验方法来进行设计，即按初步设计的图纸制造出模型，通过试验，找出结构上的薄弱部位或多余的截面尺寸，据此进行加强或减小来修改原设计，最后达到完善的程度。机械可靠性理论用于技术设计阶段，可以按可靠性的观点对所设计的零、部件结构及其参数做出是否满足可靠性要求的评价，提出改进设计的建议，从而进一步提高机器的设计质量。上述这些新的设计方法和概念，应当在设计中加以应用与推广，使之得到相应的发展。 

　　草图设计完成以后，即可根据草图业已确定的零件基本尺寸，设计零件的工作图。此时，仍有大量的零件结构细节要加以推敲和确定。设计工作图时，要充分考虑到零件的加工和装配工艺性、零件在加工过程中和加工完成后的检验要求和实施方法等。有些细节安排如果对零件的工作能力有值得考虑的影响时，还须返回去重新校核工作能力。最后绘制出除标准件以外的全部零件的工作图。 

　　按最后定型的零件工作图上的结构及尺寸，重新绘制部件装配图及总装配图。通过这一工作，可以检查出零件工作图中可能隐藏的尺寸和结构上的错误。人们把这一工作通俗地称为纸上装配。 

　　（四）技术文件编制阶段 

　　技术文件的种类较多，常用的有机器的设计计算说明书、使用说明书、标准件明细表等。 

　　编制设计计算说明书时，应包括方案选择及技术设计的全部结论性的内容。 

　　编制供用户使用的机器使用说明书时，应向用户介绍机器的性能参数范围、使用操作方法、日常保养及简单的维修方法、备用件的目录等。 

　　其他技术文件，如检验合格单、外购件明细表、验收条件等，视需要与否另行编制。 

　　（五）计算机在机械设计中的应用 

　　随着计算机技术的发展，计算机在机械设计中得到了日益广泛的使用，并出现了许多高效率的设计、分析软件。利用这些软件可以在设计阶段进行多方案的对比，可以对不同的包括大型的和很复杂的方案的结构强度、刚度和动力学特性进行精确的分析。同时，还可以在计算机上构建虚拟样机，利用虚拟样机仿真对设计进行验证，从而实现在设计阶段充分地评估设计的可行性。可以说，计算机技术在机械设计中的推广使用已经并正在改变机械设计的进程，它在提高设计质量和效率方面的优势是难以预估的。 

　　以上简要地介绍了机器的设计程序。广义地讲，在机器的制造过程中，随时都有可能出现由于工艺原因而修改设计的情况。如需修改时，则应遵循一定的审批程序。机器出厂后，应该有计划地进行跟踪调查；另外，用户在使用过程中也会给制造或设计部门反馈出现的问题。设计部门根据这些信息，经过分析，也有可能对原设计进行修改，甚至改型。这些工作，虽然广义上也属设计程序的组成部分，但是属于另一个层次的问题，本书不再讨论其具体的内容。但是作为设计工作者，应当有强烈的社会责任感，要把自己工作的视野延伸到制造、使用乃至报废利用的全过程中去，反复不断地改进设计，才能使机器的质量继续不断地提高，更好地满足生产及生活的需要。

 步骤　　在设计开始之前，先要制定设计任务。当设计任务比较复杂时，一般采用三阶段设计，即初步设计、技术设计和工作图设计；当任务比较简单，如简单机械的新型设计、一般机械的继承设计或变型设计，则一开始就将设计做到技术设计深度，经审查、修改和批准后做工作图设计，而成为两阶段设计。在三阶段设计中的初步设计阶段，设计的主要步骤是：确定工作原理和基本结构型式，运动设计，设计主要零、部件、绘制初步总图,初步设计审查。在技术设计阶段,主要步骤是：根据审查意见修改设计，设计全部零、部件，绘制新的总图，技术设计审查。在工作图设计阶段，根据审查意见修改设计，绘制全部工作图和制定全部技术文件。对于批量或大量生产的产品，还要进行定型设计。

　　在设计的每个步骤中，都可能发现前面步骤中某些决定不合理，这就需要折回到前面那个步骤，修改不合理的决定，重做随后的设计工作。

　　1、制定设计任务 这是设计的前期工作。设计任务的根据是用户订货、市场需要和新的科研成果。设计部门应用各种技术和市场情报，拟列可能方案，比较其利弊，与经营部门和用户共同商议，制定合理的设计任务目标。这对新型设计特别重要。任务目标的失误将造成经济上的严重损失，甚至遭到全面失败。

　　2、确定工作原理和基本结构型式 如设计任务未作明确规定,设计的第一个步骤就是确定总体方案,即确定所要应用的工作原理和与之相应的结构型式。例如设计大功率船用柴油机，首先要确定是用二冲程、双作用、十字头、低速柴油机，还是用四冲程、单作用、中速柴油机。又例如设计用以粗碎岩石的破碎机械，首先要确定是采用以挤压和弯折为主要破碎作用的颚式或旋回式破碎机，或者采用以冲击为主要作用的单转子或双转子冲击式破碎机。

　　3、运动设计 设计的总体方案确定之后，接着需要运用机构学的知识，选用合适的机构以得到所需的运动方案。上面提到的颚式破碎机依靠其动颚板的摆动使进入破碎腔的岩石受到挤压、弯折和劈裂作用而破碎，而动颚板的摆动则可以采用双肘板机构的简单摆动，或者采用单肘板机构的复杂摆动。在新型设计中，可能会需要综合一个新的机构以得到所要求的运动方案，这常是一个困难的工作。因此，设计者一般尽量应用已有的和成熟的机构所提给的运动方案。

　　4、结构设计和绘制初步总图 运动设计之后，设计者开始进行结构设计，计算机械各主要零件的受力、强度、形状、尺寸和重量等，并绘制主要零、部件草图。这时如发现原来选用的结构不可行，就必须调整或修改结构。同时还应考虑有无可能产生过热、过度磨损或振动的部位。

　　在这一步骤中，设计者通过绘制草图会发现各部分的形状、尺寸、比例等方面的矛盾。为了加强或改进某一方面，可能会削弱或恶化另一方面。这时必须权衡轻重，进行协调，以达到最佳综合效果。草图经反复修改认为初步满意后，便可绘制初步总图和估算造价。初步总图严格按比例绘制，选取足够的视图和切面图。

　　5、初步审查 初步总图绘制后，需要请对该类机械有经验的设计、制造和使用人员以及用户或委托设计单位的代表进行初步审查。审查结果如认为设计不适用(如重量、体积太大,造价太高,对结构的可靠性有怀疑等),则须重新进行运动设计，甚至改用别的工作原理和基本结构型式。多数情况是对设计采取某些改善措施。

　　6、技术设计 根据初步审查意见,对设计进行修改,并绘制所有的零件和部件图。对主要的零件和部件进行精确的应力分析，按分析结果修正零件的形状、尺寸等细节，并规定材质和热处理。确定零件加工精度以及部件和总装的装配条件。完成润滑设计、电气设计（驱动和控制）。重绘总图，某些重要的和批量生产的机械有时还要制作出模型。将完成的技术设计提交第二次审查。

　　7、绘制工作图 根据第二次审查的意见作最后的修改后，就可以绘制正式的零件图、部件装配图和总装配图，编写零件表、易损零件清单、使用指南等技术文件。设计负责人应注意协调零件间的尺寸，核对耦合件间的公差配合，复核某些零件的强度和刚度。零件图完成后开始图纸核对，这是非常重要的工作。经过仔细校对的图纸能保证加工后装配顺利。最可靠的校对方法是根据已绘制好的零件图重绘出一张总装配图，所有矛盾之处就会表现出来。在绘制零件图的同时还需要进行两项工作：一是工艺性审核,使零件便于加工并降低制造成本;二是标准审核，使零件结构要素、尺寸、公差配合、热处理技术条件以及标准和通用零件等符合标准的规定。

　　8、试生产和定型设计 对于单件或小批生产的机械,经过上述步骤完成的设计图纸可以投入正式生产。对于成批或大量生产的机械,在正式生产前要先试制样机,进行功能试验和鉴定，通过后，再按批量生产工艺进行批量试生产。在批量试生产中所出现的问题还可能需要对设计作相应的修改，方成为可供正式生产使用的定型设计。

设计准则　　机械零件的设计具有众多的约束条件，设计准则就是设计所应该满足的约束条件。

　　1、技术性能准则

　　技术性能包括产品功能、制造和运行状况在内的一切性能，既指静态性能，也指动态性能。例如，产品所能传递的功率、效率、使用寿命、强度、刚度、抗摩擦、磨损性能、振动稳定性、热特性等。技术性能准则是指相关的技术性能必须达到规定的要求。例如振动会产生额外的动载荷和变应力，尤其是当其频率接近机械系统或零件的固有频率时，将发生共振现象，这时振幅将急剧增大，有可能导至零件甚至整个系统的迅速损坏。振动性稳定准则就是限制机械系统或零件的相关振动参数，如固有频率、振幅、噪声等在规定的允许范围之内。又如机器工作时的发热可能会导致热应力、热应变，甚至会造成热损坏。热特性准则就是限制各种相关的热参数(如热应力、热应变、温升等)在规定范围内。

　　2、标准化准则

　　与机械产品设计有关的主要标准大致有：

　　概念标准化：设计过程中所涉及的名词术语、符号、计量单位等应符合标准；

　　实物形态标准化：零部件、原材料、设备及能源等的结构形式、尺寸、性能等，都应按统一的规定选用。

　　方法标准化：操作方法、测量方法、试验方法等都应按相应规定实施。

　　标准化准则就是在设计的全过程中的所有行为，都要满足上述标准化的要求。现已发布的与机械零件设计有关的标准，从运用范围上来讲，可以分为国家标准、行业标准和企业标准三个等级。从使用强制性来说，可分为必须执行的和推荐使用的两种。

　　3、可靠性准则

　　可靠性：产品或零部件在规定的使用条件下，在预期的寿命内能完成规定功能的概率。可靠性准则就是指所设计的产品、部件或零件应能满足规定的可靠性要求。

　　4、安全性准则

　　机器的安全性包括：

　　零件安全性：指在规定外载荷和规定时间内零件不发生如断裂、过度变形、过度磨损和不丧失稳定性等等。

　　整机安全性：指机器保证在规定条件下不出故障，能正常实现总功能的要求。

　　工作安全性：指对操作人员的保护，保证人身安全和身心健康等等。

　　环境安全性：指对机器周围的环境和人不造成污染和危害。 

设计方法学　　设计方法学的目的是将设计思维上升为理性过程，从而使设计能循一定的逻辑进行，使更多的设计人员能作出好的设计。它大致包括以下一些内容：

　　1、将设计的阶段分得很细，使每一阶段成为有章可循和有理可据的思维活动。

　　2、将成功的或良好的设计储存起来,建立设计资料库,以供以后设计时参考或采用。

　　3、在设计工作中引进价值工程的概念和方法，对设计中的矛盾进行功能与成本的权衡,以获得良好的使用效果。

　　4、在设计中采用摩擦学、振动学、断裂力学、有限元法、可靠性设计、优化设计、系统工程、人类工程学等新兴学科的知识，提高设计的科学性，减少盲目性。

　　5、将设计工作范围扩大，向前延伸到市场预测，向后延伸到售后服务。⑥运用计算机辅助设计以减少设计劳动量、提高设计速度和设计质量。