機械設計

機械設計(machine design)，根據使用要求對機械的工作原理、結構、運動方式、力和能量的傳遞方式、各個零件的材料和形狀尺寸、潤滑方法等進行構思、分析和計算并將其轉化為具體的描述以作為制造依據的工作過程。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。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、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。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工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。

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。一部機器的質量基本上決定于設計質量。制造過程對機器質量所起的作用，本質上就在于實現設計時所規(guī)定的質量。因此，機器的設計階段是決定機器好壞的關鍵。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，根據人們設計機器的長期經驗，一部機器的設計程序基本上可以如表2 -1所示。以下對各階段分別加以簡要說明。

(一)計劃在計劃階段中，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。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，就必須增加并聯備用系統(tǒng)，而這不可避免地會提高機器的成本。