机械设计的要求、一般过程及设计方法

机械设计课程是高等工科学校机械类本科专业的一门主干技术基础课，是学习专业课程和从事机械产品设计的必备基础。本课程以机械系统设计为主线，打破传统机械原理课程和机械设计课程的界限，从认知规律出发进行教学内容和实践环节的整合与提高，达到基本机械设计知识的完备，突出创新设计和现代机械系统总体方案设计的训练。课程主要教学内容有：(1)机械设计总论;(2)常用机构及其传动设计;(3)通用零部件设计;(4)机械系统设计。

第1章机械设计概论

提示：

本章阐述机器、机构等概念，简述机械设计的要求、一般过程及具体设计的有关问题。扼要地介绍现代机器的特征及其设计思想和方法。

基本要求：

掌握机器、机构及其组成，特别是机器及机构的特征;掌握机械设计的基本要求和一般过程;了解方案设计、机械零部件设计的要求及内容;掌握机械零部件设计计算准则、标准化及材料选用;了解现代机器的特征及其设计思想和方法。

1.1机器及其组成

1.1.1机器、机构及其结构组成

机械是各类机器的通称。它是人类改造自然、发展进步的主要工具。在日常生活和工作中，我们接触到很多机器。

例如：缝纫机机器人摩托车飞机坦克自行车车床绘图仪汽车电脑绣花机等等

1.1.2机器的功能组成

作为一部完整的机器，仅具有上述的机械部分是不够的，它不能完成预期的工作。从功能和系统的角度来看，机器一般主要由五部分组成，如图所示。

1.1.3现代机器及其主要特征

(1)现代机器及其组成

随着伺服驱动技术、检测传感技术、自动控制技术、信息处理技术、材料及精密机械技术、系统总体技术的飞速发展，使传统机械在产品结构和生产系统结构等方面发生了质的变化，形成了一个崭新的现代机械工业。现代机器已经成为一个以机械技术为基础，以电子技术为核心的高新技术综合系统。

现代机器的定义：由计算机信息网络协调与控制的、用于完成包括机械力、运动和能量转换动力学任务的机械和(或)机电部件相互联系的系统。

这个定义突出计算机在现代机器中的协调控制的核心作用，同时也强调了现代机器的主要功能仍然是执行机械运动、完成有用功和能量的转换。

1.2机械设计概述

1.2.1机械设计的基本要求

机械设计的最终目的是为市场提供优质高效、价廉物美的机械产品，在市场竞争中取得优势，赢得用户，取得良好的经济效益。

产品的质量和经济效益取决于设计、制造和管理的综合水平，而产品设计则是关键。没有高质量的设计，就不可能有高质量的产品;没有经济观念的设计者，决不可能设计出性能价格比好的产品。据统计，产品质量事故，约有50%是设计不当造成的;产品的成本60%～70%取决于设计。因此，在机械产品设计中，特别强调和重视从系统的观点出发，合理地确定系统的功能;重视机电技术的有机结合，注意新技术、新工艺及新材料等的采用;努力提高产品的可靠性、经济性及保证安全性。以下简述机械设计应满足的基本要求。

1.2.2机械设计的类型

机械设计是一项创造性劳动，同时也是对已有成功经验的继承过程。根据实际情况的不同可以分成三种类型：

开发性设计机械产品的工作原理和具体结构等完全未知的情况下，应用成熟的科学技术或经过实验证明是可行的新技术，开发设计新产品，这是一种完全创新的设计。

适应性设计对现有机械产品的工作原理、设计方案不变的前提下，仅作局部变更或增加附加功能，在结构上作相应调整，使产品更能满足使用要求。

变形设计机械产品的工作原理和功能结构不变，为了适应工艺条件或使用要求，改变产品的具体参数和结构。

 1.2.3机械设计的一般过程

机械产品设计的过程是一个复杂的过程，不同类型的产品、不同类型的设计，其产品的设计过程不尽相同。产品的开发性设计过程大致包括规划设计、方案设计、技术设计、施工设计及改造设计等五个阶段,如图示。

1.3方案设计和机械零部件设计简述

 机械系统的方案设计和机械零部件设计是机械设计过程的重要内容，是决定机械产品质量、水平、性能和经济效益的关键。

1.3.1方案设计的主要内容及要求

 1.方案设计的主要内容

机械系统方案设计包括以下几项内容：

⑴功能原理设计根据产品所要实现的功能，提出一些工作原理方案及相应的工艺动作构思，这一过程就是功能原理设计。

⑵机械运动原理方案设计根据功能原理方案设计中提出的工艺动作过程及各动作的运动规律要求，选择若干种类型的机构，用一定的顺序把它们组合成一个机构系统，该系统能合理地、可靠地完成上述工艺动作过程，机械运动原理方案设计又称为机构的型综合。

⑶机械运动简图设计根据各工艺动作的运动规律和运动协调条件，确定机械运动方案中各机构的运动尺寸。上述表达机构系统各机构结构形式、相互间联接情况及运动尺寸的图就是机械运动简图。机械运动简图设计又称为机构的尺度综合。

1.3.2机械零部件设计概述

1.设计的主要内容和要求

机械零部件设计是机械设计的重要组成部分，机械运动方案中的机构和构件只有通过零部件设计才能得到用于加工的零件工作图和部件装配图，同时它也是机械总体设计的基础。机械零部件设计的主要内容包括：根据运动方案设计和总体设计的要求，明确零部件的工作要求、性能、参数等，选择零部件的结构构形、材料、精度等，进行失效分析和工作能力计算，画出零件图和部件装配图。

机械产品整机应满足的要求是由零部件设计所决定的，机械零部件设计应满足的要求为：

①工作能力要求具体有强度、刚度、寿命、耐磨性、耐热性、振动稳定性及精度等;

②工艺性要求加工、装配具有良好的工艺性及维修方便;

③经济性要求主要指生产成本要低。

此外，还要满足噪声控制、防腐性能、不污染环境等环境保护要求和安全要求等。以上要求往往互相牵制，需全面综合考虑。

1.3.3机械零件的材料选用原则

机械零件所用的材料是各种各样的，即使同一种零件也可以选择不同的材料。因此，如何选择零件的材料是零件设计的重要一环。以下提出材料选用的主要原则，供设计时考虑。

1.满足零件的使用要求

机械零件的使用要求主要有以下几点：

(1)零件承受工作载荷的能力，主要从载荷的特点、强度及刚度等方面考虑;

(2)零件的工作条件(运动速度等)及工作环境(温度、潮湿、腐蚀等);

(3)耐磨性、寿命、可靠性等要求;

(4)零件尺寸和质量的要求。

设计零件应以零件承受工作载荷的能力为主，综合考虑其他因素，合理地选择材料。如零件受力较大且有较大的冲击载荷,工作速度较高与可靠性要求高，而且要求零件的尺寸较小、重量较轻，应采用高强度合金钢制造，并要热处理及精加工。

1.4现代机械设计思想和方法的简介

1.4.1传统机械设计的局限性

机械设计是人类为了实现某种预期的目标而进行的一种创造性活动。传统机械设计的特点是：以长期经验积累为基础，通过力学、数学建模及试验等所形成的经验公式、图表、标准及规范作为依据，运用条件性计算或类比等方法进行设计。传统设计在长期运用中得到不断的完善和提高，目前在大多数情况下仍然是有效的设计方法。

1.4.2现代机械设计思想

近30年来，由于科学和技术迅速发展，特别是计算机技术和信息技术的发展和应用，给机械产品设计和制造带来革命性的变化。另一方面，随着社会进步和人类文明的发展，对现代机械产品设计已不能仅考虑产品本身，而且还要充分考虑对系统和环境的影响;不仅考虑当前，还需考虑长远发展。.

汽车设计，不仅要考虑汽车本身的有关技术问题，还要考虑使用者的安全、舒适、操作方便等;此外，还需考虑燃料供应、废气排放污染、车辆存放、道路发展、报废处理等，甚至要考虑地球有限的能源和原料的合理利用问题。

总之，在机械设计已进入现代设计阶段，它要求在继承和发展传统设计的基础上，将自然科学、技术科学、社会科学及艺术科学等有关知识有机地融合在一起，形成一门崭新的设计知识体系。以下概略地介绍现代机械设计思想和方法。

1.4.3现代机械设计方法

由于科学技术的发展，各学科的交叉渗透，机械设计理论和方法已逐渐成为一门崭新的学科。以下扼要介绍机械设计方法的新发展。

1.从"人―机―环境"的系统观及可持续发展战略出发，现代机械设计必须全面考虑、综合平衡、妥善处理系统的各种问题，与此相应的设计方法有：

该方法以机械系统为主，辅助考虑人、环境与机的关系，用功能分析与综合的原理确定机械系统方案，并借助价值工程评价选优。本书的第4篇介绍此方法的内容。

在“人―机―环境”系统中，人与机之间形成一个界面，系统是否良好运转，与这个界面设计的好坏有很大关系。人机工程学的重点就是界面设计。人与机在界面上的耦合可以归纳为基于感觉器官的耦合、基于人体形态的耦合、基于力的耦合，以及人脑和作为现代机械主控设备--计算机之间的耦合。这些耦合涉及人和机各自的特征，界面设计的任务就是深刻认识这些特征，并在界面上建立双方最佳耦合关系。

它是科学与美学、技术与艺术的结合，以产品造型设计为主要对象的创新设计方法。产品造型设计是现代产品具有市场竞争力的要素之一。造型设计研究产品的功能、结构、形态、色彩、肌理(纹理)、装饰等内容，将造型要素(外形、色彩、肌理)按一定原则和方法组合成美的形体，使产品不仅具有实用性、经济性，而且具有良好的人-机-环境的协调性，给人以强烈时代信息的美感、舒适感和安全感。

可持续发展战略从环境的角度，对产品设计提出了全新的要求。绿色产品设计就是把产品视为与人类环境共存的生命体，以其广义生命周期(包括：需求、设计、制造、销售、使用、报废、回收再生等阶段)为研究对象，并行地考虑生命周期内每一个阶段产品与人、环境的相互影响，拟定相应的设计策略，优选设计方案。

2.机械学理论和方法(包括：机构学、机械动力学、摩擦学、机械结构强度学、传动机械学等)及计算机辅助分析(有限元法、模态分析、专家系统等)的不断发展，对机械的方案设计、运动设计、动力设计、工作能力(强度、变形、振动、摩擦与润滑等)设计等关键技术问题能作出很好的处理，一系列新型的设计准则和方法正在形成。

3.可靠性设计

现代机械产品的可靠性已成为其市场竞争力的关键指标之一。可靠性设计是综合可靠性数学、可靠性物理及可靠性工程等学科知识的新兴设计方法。它研究产品全寿命周期内质量指标变化规律，对零部件和整个系统进行可靠性设计。

4.优化设计

机械产品设计的过程就是一个优化的过程。产品的优化是一个从宏观到微观，从全局

到局部，从总体方案到零部件设计的优化过程，即可分为参数优化，结构优化及总体方案优化三个层次。对于三者优化的处理方法还有所不同，但随优化理论和计算机技术的发展，日趋形成完整的优化方法体系。

5.计算机辅助设计

计算机辅助设计(CAD)是把计算机技术引入设计过程，利用计算机完成选型、计算、绘图及其他作业的现代设计方法。CAD技术促成机械设计发生巨大的变化，并成为现代机械设计重要组成部分。目前，CAD技术向更深更广的方向发展，主要表现为以下几个方面：

(1)基于专家系统的智能CAD;

(2)CAD系统集成化，CAD与CAM(计算机辅助制造)的集成系统(CAD/CAM);

(3)动态三维造型技术;

(4)基于并行工程，面向制造的设计技术(DFM);

(5)分布式网络CAD系统。