机械设计

机械设计(machine design)，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。机械设计是机械工程的重要组成部分，是机械生产的第一步，是决定机械性能的最主要的因素。机械设计的努力目标是：在各种限定的条件(如材料、加工能力、理论知识和计算手段等)下设计出最好的机械，即做出优化设计。优化设计需要综合地考虑许多要求，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、最低消耗和最少环境污染。这些要求常是互相矛盾的，而且它们之间的相对重要性因机械种类和用途的不同而异。

设计者的任务是按具体情况权衡轻重，统筹兼顾，使设计的机械有最优的综合技术经济效果。过去，设计的优化主要依靠设计者的知识、经验和远见。随着机械工程基础理论和价值工程、系统分析等新学科的发展，制造和使用的技术经济数据资料的积累,以及计算机的推广应用,优化逐渐舍弃主观判断而依靠科学计算。各产业机械的设计，特别是整体和整系统的机械设计，须依附于各有关的产业技术而难于形成独立的学科。因此出现了农业机械设计、矿山机械设计、泵设计、压缩机设计、汽轮机设计、内燃机设计、机床设计等专业性的机械设计分支学科。机械设计可分为新型设计、继承设计和变型设计3类。

1、新型设计应用成熟的科学技术或经过实验证明是可行的新技术，设计过去没有过的新型机械。2、继承设计根据使用经验和技术发展对已有的机械进行设计更新，以提高其性能、降低其制造成本或减少其运用费用。3、变型设计为适应新的需要对已有的机械工作部分的修改或增删而发展出不同于标准型的变型产品。

1、根据用户订货、市场需要和新科研成果制定设计任务。2、初步设计。包括确定机械的工作原理和基本结构形式，进行运动设计、结构设计并绘制初步总图以及初步审查。3、技术设计。包括修改设计(根据初审意见)、绘制全部零部件和新的总图以及第二次审查。4、工作图设计。包括最后的修改(根据二审意见)、绘制全部工作图(如零件图、部件装配图和总装配图等)、制定全部技术文件(如零件表、易损件清单、使用说明等)。5、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。一部机器的质量基本上决定于设计质量。制造过程对机器质量所起的作用，本质上就在于实现设计时所规定的质量。因此，机器的设计阶段是决定机器好坏的关键。所讨论的设计过程仅指狭义的技术性的设计过程。它是一个创造性的工作过程，同时也是一个尽可能多地利用已有的成功经验的工作。要很好地把继承与创新结合起来，才能设计出高质量的机器。作为一部完整的机器，它是一个复杂的系统。要提高设计质量，必须有一个科学的设计程序。虽然不可能列出一个在任何情况下都有效的惟一程序，但是，根据人们设计机器的长期经验，一部机器的设计程序基本上可以如表2 -1所示。以下对各阶段分别加以简要说明。

(一)计划在计划阶段中，应对所设计的机器的需求情况做充分的调查研究和分析。通过分析，进一步明确机器所应具有的功能，并为以后的决策提出由环境、经济、加工以及时限等各方面所确定的约束条件。在此基础上，明确地写出设计任务的全面要求及细节，最后形成设计任务书，作为本阶段的总结。设计任务书大体上应包括：机器的功能，经济性及环保性的估计，制造要求方面的大致估计，基本使用要求，以及完成设计任务的预计期限等。此时，对这些要求及条件一般也只能给出一个合理的范围，而不是准确的数字。例如可以用必须达到的要求、最低要求、希望达到的要求等方式予以确定。

(二)方案设计根据不同的工作原理，可以拟定多种不同的执行机构的具体方案。例如仅以切削螺纹来说，既可以采用工件只作旋转运动而刀具作直线运动来切削螺纹(如在普通车床上切削螺纹)，也可以使工件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。原动机部分的方案当然也可以有多种选择。由于电力供应的普遍性和电力拖动技术的发展，现在可以说绝大多数的固定机械都优先选择电动机作为原动机部分。热力原动机主要用于运输机、工程机械或农业机械。即使是用电动机作为原动机，也还有交流和直流的选择，高转速和低转速的选择等。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。进行机器评价时，还必须对机器的可靠性进行分析，把可靠性作为一项评价的指标。从可靠性的观点来看，盲目地追求复杂的结构往往是不明智的。一般地讲，系统越复杂，则系统的可靠性就越低。为了提高复杂系统的可靠性，就必须增加并联备用系统，而这不可避免地会提高机器的成本。