1.2　設(shè)計機械產(chǎn)品時的要求、方法和一般過程

機械產(chǎn)品首先要滿足一定的要求，機械產(chǎn)品的設(shè)計也要按照一定的方法進行，不同的設(shè)計方法，其設(shè)計過程也不盡相同，本節(jié)討論設(shè)計機械產(chǎn)品時的基本要求、設(shè)計方法和過程。

1.2.1　機械產(chǎn)品的基本要求

機械產(chǎn)品（包括整機、部件和零件）的基本要求取決于其所處的位置、作用及工作條件等。其中主要考慮以下幾個方面的基本要求。

1.功能要求

功能要求是設(shè)計機械產(chǎn)品時應(yīng)滿足的最重要的要求。產(chǎn)品的功能不同，其設(shè)計要求不同，設(shè)計結(jié)果也不同。如車床和銑床的功能不同，其機械結(jié)構(gòu)、外形和使用方法也不同。又如：一般使用條件下的減速器，主要要求保證其轉(zhuǎn)速、扭矩和穩(wěn)定性等性能，但在航空器中所用的減速器，還要保證其體積、質(zhì)量和功率性能。這就使得兩者的設(shè)計目標和要求不同。

同樣，機械產(chǎn)品中的每一個機構(gòu)或零件也應(yīng)滿足其所承擔(dān)的功能要求。

2.壽命要求

各種機械產(chǎn)品都有一定的使用壽命，不同壽命的產(chǎn)品，其設(shè)計結(jié)果也不同。機械產(chǎn)品的壽命大體上是由于磨損、誘蝕等漸變的原因造成，它表現(xiàn)的形式是逐步蛻化。它的故障規(guī)律大體上也可以分為三個階段：

第一個階段是“磨合期”。一般機械產(chǎn)品都需要適當磨合一段時間才能正式使用。

第二個階段是“使用期”。產(chǎn)品在適當磨合后就進入使用期，在這一時期內(nèi)機械產(chǎn)品本身一般是不發(fā)生故障的。故障的發(fā)生往往是由于使用維護不當所造成，因此機械產(chǎn)品本身在使用期的故障率可以認為是零。

第三階段是“蛻化故障期”。機械產(chǎn)品總是在不斷磨損、銹蝕，它的缺陷如裂縫等會慢慢發(fā)展，如滾珠軸承的性能有一個規(guī)定的下限值，使用壽命超過規(guī)定時間后，軸承的性能就有可能低于下限，即進入蛻化故障期。

所以應(yīng)科學(xué)合理地確定各種機械產(chǎn)品及其零部件的壽命，并按照壽命要求設(shè)計機械產(chǎn)品及其零部件。機械產(chǎn)品及其零部件必須能夠在預(yù)定壽命期內(nèi)正常使用。

3.工藝性要求

通常，要求所設(shè)計的機械產(chǎn)品及其零部件要具有良好的工藝性。所謂良好的工藝性，是指在某種具體的生產(chǎn)規(guī)模和生產(chǎn)條件下，能用最少的生產(chǎn)成本制造出所設(shè)計的機械產(chǎn)品及零部件。生產(chǎn)成本包括材料成本、生產(chǎn)準備時間、工具及設(shè)備的使用成本、加工裝配時間等整個生產(chǎn)過程的全部成本。生產(chǎn)規(guī)模指產(chǎn)品的產(chǎn)量和產(chǎn)值；生產(chǎn)條件指所使用的工具、加工設(shè)備和所采用的加工方法。

零部件的工藝性與整個機械產(chǎn)品的工藝性有時是統(tǒng)一的，有時是矛盾的。比如某一零件的工藝性好，但其裝配方法復(fù)雜，調(diào)整較為困難，所以單個零件的工藝性要與整個機械產(chǎn)品的工藝性結(jié)合起來考慮。

設(shè)計機械零件時，要合理選擇零件的材料，在滿足功能的條件下，應(yīng)選擇成本低、便于加工的材料。要合理設(shè)計機械零件的結(jié)構(gòu)，使零件便于加工、裝配和調(diào)整。

機械產(chǎn)品及其零部件的工藝性問題是一個綜合性問題，需要在專門的機械制造工藝課程中學(xué)習(xí)有關(guān)方面的知識。

4.價格要求

在市場經(jīng)濟的條件下，商品的價格由市場決定。而機械產(chǎn)品的價格是其在市場經(jīng)濟條件下有效地參與競爭的重要因素之一，因而降低每個零件的成本對整個機械產(chǎn)品的經(jīng)濟性是重要的。

因此，除機械產(chǎn)品與零部件的批量影響成本外，還應(yīng)該在零件的材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面充分考慮，最終降低整機的生產(chǎn)成本，提高市場競爭力。

5.可靠性要求

任何機械產(chǎn)品及其零件都不能做到百分之百的不出故障，但要盡量提高它們的可靠性。機械的可靠性設(shè)計在機械設(shè)計中具有重要的作用，它對機械是否能夠穩(wěn)定的工作起決定性的作用。

可靠性是指“產(chǎn)品在規(guī)定時間內(nèi)，在規(guī)定的使用條件下，完成規(guī)定功能的能力或性質(zhì)”。可靠性的概率度量稱為可靠度。機械可靠性，是指機械產(chǎn)品在規(guī)定的使用條件下、規(guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。由于工程材料特性的離散性以及測量、加工、制造和安裝誤差等因素的影響，使機械產(chǎn)品的系統(tǒng)參數(shù)具有固有的不確定性，因此考慮這種固有隨機性的可靠性設(shè)計技術(shù)至關(guān)重要。因此設(shè)計機器及零件時，應(yīng)按合理的可靠性要求設(shè)計機械及其零件。

6.人性化要求

機械產(chǎn)品的人性化設(shè)計是指產(chǎn)品根據(jù)人的行為習(xí)慣、人體的生理結(jié)構(gòu)、人的思維方式等情況，進行設(shè)備運作和操作方式的研究。設(shè)計來自人的需求，各種常見的需求構(gòu)成了產(chǎn)品設(shè)計的動力。在此類產(chǎn)品的應(yīng)有功能之上，對機械組織形式或操作方式進行優(yōu)化設(shè)計。使得操作者獲得良好的用戶體驗，滿足使用者習(xí)慣性的操作需要，創(chuàng)造出適應(yīng)人體結(jié)構(gòu)的使用方式。因此，設(shè)計機械產(chǎn)品時應(yīng)充分考慮人與機械的聯(lián)系，人性化設(shè)計是將人放在主要地位，使機械產(chǎn)品的操作符合人體工程學(xué)要求，體現(xiàn)出對操作者的尊重和保護，從而真正實現(xiàn)科技以人為本的目的。

7.維護要求

設(shè)計機械產(chǎn)品時，要考慮機械產(chǎn)品的保養(yǎng)和維修方面的要求。維護是為了保持、延長或改善提高設(shè)備的機械性能而實施的技術(shù)活動，從某種程度上來講，維修不只是排除故障，也是為了減少將來的投資，這對于改善技術(shù)力量，降低成本有非常重要的意義。比如設(shè)計者要考慮機械產(chǎn)品中的易損零件的更換，機械精度的定期校正以及維修時的拆裝要求。

8.標準化要求

標準化、系列化、通用化（簡稱“三化”）是現(xiàn)代機械設(shè)計工作的重要要求之一，“三化”對于降低機械產(chǎn)品制造成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量、實現(xiàn)國際化生產(chǎn)是非常重要的。

1.2.2　機械產(chǎn)品的常用設(shè)計方法

機械設(shè)計方法即根據(jù)機械設(shè)備的工作目的，結(jié)合工作原理、機械結(jié)構(gòu)、運轉(zhuǎn)方式、配件材料的形狀、尺寸等進行整體設(shè)計和計算，并將其描述為具體的步驟，以作為機械制造依據(jù)過程的方式方法。按傳統(tǒng)的分類方法，可將設(shè)計機械產(chǎn)品的方法分為以下幾種。

1.常規(guī)理論設(shè)計

根據(jù)常規(guī)設(shè)計理論和實驗數(shù)據(jù)進行的設(shè)計稱為理論設(shè)計。常規(guī)理論設(shè)計依據(jù)的是長期總結(jié)出來的設(shè)計方法，可以分為設(shè)計計算和校核計算兩部分。這是后面各章中重點介紹的內(nèi)容。

2.類比設(shè)計

按照同類機構(gòu)或零件的設(shè)計與使用實踐，根據(jù)得出的經(jīng)驗公式或用類比的辦法進行的設(shè)計稱為類比設(shè)計。此類方法適用于仿制、改制、使用要求和結(jié)構(gòu)形式已定型的典型機器和零件。例如，對于箱體類零件、機架類零件、傳動零件的各種具體結(jié)構(gòu)要素的設(shè)計就可以采取類比設(shè)計的方法。

3.模型設(shè)計

模型實驗設(shè)計是指按一定的比例，用性質(zhì)相近的材料制做出機械的模型，經(jīng)過實驗分析后，再對模型進行修正的一種設(shè)計方法。

該方法適用于大型或結(jié)構(gòu)復(fù)雜的重要的機械或零件的設(shè)計。對于一些尺寸巨大而結(jié)構(gòu)又很復(fù)雜的重要零件，尤其是一些重型機械零件，為了提高設(shè)計質(zhì)量，通常在模型實驗設(shè)計中，把零部件或機器做成小尺寸樣機，經(jīng)過實驗對其各種特性進行檢驗，再根據(jù)實驗結(jié)果對設(shè)計進行修改和完善。模型實驗設(shè)計方法費時、成本昂貴，因此一般只適用于特別重要的機械設(shè)計，例如新型、重型的設(shè)備，飛機的機身，新型艦船的船體等。

4.計算機輔助機械設(shè)計（CAD）

通過使用CAD應(yīng)用軟件，在計算機及其外圍設(shè)備的輔助下進行的機械設(shè)計稱為計算機輔助機械設(shè)計。目前該方法在國內(nèi)外的機械設(shè)計中被大量采用。

還有其他一些現(xiàn)代設(shè)計方法，如：有限元法、最優(yōu)化設(shè)計法、可靠性設(shè)計法、并行設(shè)計和虛擬設(shè)計等，這些方法將在本書最后進行介紹。

5.創(chuàng)新機械設(shè)計

與實際的機械設(shè)計方法相似，常用的創(chuàng)新機械設(shè)計方法大致可以分為以下幾種。

①綜合創(chuàng)新：綜合，就是將研究對象、現(xiàn)有理論、現(xiàn)有成果進行綜合歸納，構(gòu)思出新成果的一種方法。

②移植創(chuàng)新：所謂移植創(chuàng)新，就是利用、借鑒某一領(lǐng)域的科學(xué)技術(shù)成果或思想，用以變革或改進已有的事物或開發(fā)新產(chǎn)品。移植機械創(chuàng)新設(shè)計，就是利用其他的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)、原理改進所要進行的機械設(shè)計產(chǎn)品，形成機械創(chuàng)新的成果。

③概念創(chuàng)新：所謂概念創(chuàng)新，就是采用完全不同于舊有原理的概念實現(xiàn)原有功能，甚至進一步提高其功能的創(chuàng)新。比如：常規(guī)的機械切削加工一般是依靠刀具對工件的切削過程實現(xiàn)的，這種切削要求刀具的材料硬度必須大于工件的材料硬度。但有些情況下需要加工的工件硬度很高，一般的刀具無法完成這樣的切削任務(wù)。為了解決這一問題，如果沿用常規(guī)的切削加工原理繼續(xù)思考，很難找到解決的方法，或者即使能夠制作出硬度很高的刀具，其成本也是很大的。為此，目前出現(xiàn)了激光加工、線切割、電火花加工等一系列新的加工方法。

④學(xué)科交叉創(chuàng)新：科學(xué)技術(shù)發(fā)展到今天，各門學(xué)科之間的融合越來越頻繁，學(xué)科之間的聯(lián)系日益密切。學(xué)科之間的交叉為創(chuàng)新思維提供了新概念、新原理、新方法，所謂的交叉邊緣學(xué)科往往都是最為活躍的領(lǐng)域其實就說明了這一點。機械設(shè)計也是如此，當在創(chuàng)新設(shè)計過程中出現(xiàn)困難的時候，多學(xué)科的研究者進行交流與溝通可能就會產(chǎn)生突破性的進展。比如，仿生學(xué)在工程中的應(yīng)用。人類從飛鳥想到開發(fā)出飛機，從蝙蝠的聲吶探測開發(fā)出雷達系統(tǒng)，從對海豚皮膚的研究到人造海豚皮的發(fā)明。

⑤技術(shù)組合創(chuàng)新：所謂技術(shù)組合創(chuàng)新，就是通過將若干成熟的技術(shù)，通過有機的組合而形成一種具有新功能的創(chuàng)新設(shè)計成果。在這樣的組合中，每一種技術(shù)都是成熟的、可靠的，設(shè)計時只要能夠使各技術(shù)之間有效銜接，即可完成預(yù)定的功能，雖然單獨看每個技術(shù)模塊沒有什么先進性和創(chuàng)新性，但組合起來后將具有整體的創(chuàng)新性。

1.2.3　機械產(chǎn)品設(shè)計的主要內(nèi)容和過程

機械產(chǎn)品設(shè)計的任務(wù)來源與要求的不同，其設(shè)計內(nèi)容也有所不同。

1.按產(chǎn)品設(shè)計過程分

機械產(chǎn)品的設(shè)計過程一般為功能設(shè)計、方案設(shè)計、總體技術(shù)設(shè)計和施工設(shè)計。

（1）機械產(chǎn)品功能設(shè)計

每個產(chǎn)品都具有特定的功能，這些功能是根據(jù)市場或客戶對該產(chǎn)品的需求而制訂的。功能太多則必然使成本增加、操作復(fù)雜、利用率低；功能太少則不能滿足市場或客戶的要求。故在產(chǎn)品設(shè)計的初步階段，必須使所設(shè)計的產(chǎn)品具備合理的功能，使產(chǎn)品在低成本、易操作的前提下，最大限度地滿足市場或客戶的要求。

（2）機械產(chǎn)品方案設(shè)計

當產(chǎn)品的功能確定完成后，要在該基礎(chǔ)上提出具體實現(xiàn)這些功能的技術(shù)方案，對不同的方案進行論證評價，找出最佳方案，給出具體參數(shù)。

（3）機械產(chǎn)品總體技術(shù)設(shè)計

根據(jù)方案設(shè)計的結(jié)果和具體參數(shù)，設(shè)計產(chǎn)品的具體結(jié)構(gòu)，包括產(chǎn)品的總體裝配圖、部件圖、零件圖，并按照設(shè)計準則，對重要零部件的強度、剛度、振動穩(wěn)定性、可靠性等進行校核和設(shè)計。對設(shè)計結(jié)果還要進行評價和論證。

（4）機械產(chǎn)品施工設(shè)計

機械產(chǎn)品總體技術(shù)設(shè)計完成后，要制造樣機，并為產(chǎn)品的正式生產(chǎn)做好技術(shù)準備。主要是針對生產(chǎn)制造的工藝圖紙、零件清單、技術(shù)文件。

2.按產(chǎn)品的形成過程分

機械產(chǎn)品的形成過程分為初步設(shè)計、試制設(shè)計和定型設(shè)計三個階段。

（1）機械產(chǎn)品初步設(shè)計

對新產(chǎn)品的開發(fā)性設(shè)計工程中，初步設(shè)計的結(jié)果往往是產(chǎn)品的設(shè)計圖紙。這一階段屬于機械產(chǎn)品初步設(shè)計階段。該階段還要對產(chǎn)品設(shè)計結(jié)果進行評價并修改。

（2）機械產(chǎn)品試制設(shè)計

根據(jù)機械產(chǎn)品初步設(shè)計結(jié)果，要進行產(chǎn)品的樣機試制。在這一階段，要針對制造中發(fā)現(xiàn)的問題隨時進行修改。樣機制造完成后，對樣機進行測試。根據(jù)測試的結(jié)果和評價，對設(shè)計圖紙和制造工藝進行修改，使樣機的功能和性能達到規(guī)定的設(shè)計標準要求。

（3）機械產(chǎn)品定型設(shè)計

產(chǎn)品的樣機試制完成并達到設(shè)計要求后，產(chǎn)品將進入到定型設(shè)計階段。該階段是為批量化的正式生產(chǎn)做技術(shù)準備。主要包括產(chǎn)品的國家標準的貫徹、生產(chǎn)工程的工藝裝備系統(tǒng)、質(zhì)量保證系統(tǒng)、維修維護系統(tǒng)等。

具體的設(shè)計內(nèi)容和過程要根據(jù)具體情況來定。現(xiàn)代設(shè)計方法的內(nèi)容和過程往往是并行的、交叉的和互為反饋的。