1.2　機械設計的基本要求與一般程序

1.2.1　機械設計的基本要求

雖然不同的機械其功能、構造和外形都不相同，但它們設計的基本要求大體是相同的，機械設計應滿足的基本要求可以歸納為以下幾個方面。

1.2.1.1　滿足功能、運動和動力性能的要求

實現預定的功能要求是機械設計最基本的出發點。在機械設計過程中，設計者必須使所設計的機械能夠完全實現預定的功能。為此，設計者需確定機械的工作原理，選擇機構的類型，擬定機械傳動系統方案，并使所選擇的機構類型和擬定的機械傳動系統方案能滿足運動和動力性能的要求。

機械的運動要求是指所設計的機械應保證實現規定的運動速度和運動規律，以滿足工作的平穩性、啟動性、制動性等要求。

機械的動力性能要求是指所設計的機械應具有足夠的功率，以滿足機械正常工作的要求。

為此，要正確設計機械的零件，使其結構合理并滿足強度、剛度、耐磨性和振動穩定性等方面的要求。

1.2.1.2　工作可靠性的要求

機械的工作可靠性是指機械在規定的使用條件下，在預定的工作期限內，完成規定功能的能力。工作可靠是機械的必備條件，為滿足這一要求，必須從機械系統的整體設計、零部件的結構設計、材料及熱處理的選擇、加工工藝的制訂等方面加以保證。

隨著機器功能愈來愈先進，結構愈來愈復雜，發生故障的可能環節愈來愈多，機器工作的可靠性受到了愈來愈大的挑戰。機器工作可靠性的高低是用機器的可靠度來衡量的。機器的可靠度是指在規定的使用時間內和預定的環境條件下機器能夠正常工作的概率。對于一部機器來說，其可靠度到底應選多大？從理論上來講，當然是愈大愈好，但可靠度愈大，機器的成本愈高。一般來說，與人的生命、國家的財產息息相關的機器，如飛機、宇宙飛船等，其可靠度設計要高一些。而一般的機械產品，可靠度設計可相對低一些。

1.2.1.3　經濟性的要求

機械設計的經濟性要求是指在滿足機械的功能性要求的前提下，所設計的機器應最大限度地減少成本、減少能源消耗、提高效率、降低管理與維護費用。在市場競爭中，特別是我國加入WTO以后，產品的經濟性是產品推向市場的一個重要性能指標，應貫穿于機械設計的全過程。

機器設計、制造的經濟性表現為機器的成本低；機器使用的經濟性表現為機器的高生產率，高效率，低能耗，低的管理、維護費用等。機器的經濟性體現在設計、制造和使用的全過程，設計機器時就要全面考慮。在機械設計中，自始至終都應把產品設計、制造與銷售三方面作為一個整體來考慮。

1.2.1.4　機械零件工藝性和標準化的要求

（1）機械零件工藝性的要求。機械零件的結構應具有良好的工藝性，是指在滿足使用要求的前提下，設計周期短、加工制造容易、成本低、裝拆與維護方便。設計機械零件時，應從以下幾個方面考慮零件的工藝性。

①毛坯選擇合理。尺寸小的零件可選用型材，尺寸大的零件可選用鍛件，尺寸非常大的零件可選用鑄件；生產批量小的零件可選用型材或焊接件，生產批量大的零件可選用鑄件等。

②結構簡單合理。機械零件的結構形狀應盡量簡單，如僅由平面、圓柱面組合而成；同時追求加工表面數目少，加工量小。

③確定合適的零件精度。一般零件的精度越高，機器的性能會越好。但零件的精度過高，成本將急劇增加。因此，要根據實際情況確定合適的機械零件的加工精度。

（2）機械零件標準化的要求。標準化是長期生產實踐和科學研究的技術總結，是我國現行的一項重要的技術政策。許多機械零件都是標準化的零件。在機械設計中，能采用標準件的地方一定要選用標準零件，除非標準零件不能滿足要求，才可自行設計。選用標準化的零件有如下好處。

①質量好、成本低。標準零件是由專門生產標準零件的標準件廠設計、加工、制造的。標準件廠擁有加工標準零件的專用設備，可進行大批量的生產。這種專用設備是一般的機械加工廠所不具備的。另外，標準件廠生產標準零件時所采用的技術也是最先進的。因此，標準化的零件質量好、成本低。

②互換性好。如標準零件失效，只需花極少代價換上一個同樣型號的標準零件就能解決問題。

③采用標準化的零件可節省設計時間，使設計者能將主要精力用在關鍵零件的設計上。

④交流方便。機械工程技術人員主要是通過圖紙交流設計思想、設計要求等，圖紙的標準化程度越高，越有利于工程技術人員之間的交流。

現行的與機械零件設計有關的標準，從運用范圍上講，可分為國家標準（GB）、行業標準和企業標準三個等級；從使用的強制性來講，可分為強制執行的標準（有關度、量、衡及人身安全等標準）和推薦使用的標準（如標準直徑等）。

1.2.1.5　其他特殊要求

有些機械由于工作環境和要求的不同，對設計提出了某些特殊要求。如高級轎車的變速箱有低噪聲的要求；精密儀器、儀表有防水、防振的要求；機床有在使用期限內保持規定精度的要求；食品、醫藥、紡織機械有不得污染產品的要求；飛行器有重量輕、阻力小的要求；重型機器有便于安裝、拆卸及運輸的要求等。

1.2.2　機械設計的一般程序

機械設計就是建立滿足功能要求的一部機器的創造過程。作為一部完整的機器，它是一個復雜的系統。要提高機械設計質量，必須有一個科學的設計程序。一部機器的設計程序基本上可以用圖1-4表示。

1.2.2.1　明確設計任務

機械設計是一項為實現機器預定目標的、有目的的活動，因此正確地決定設計目標（任務）是機械設計成功的基礎。明確設計任務包括定出機器的總體目標和各項具體的技術要求，這是機械設計、優化、評價、決策的依據。

明確設計任務包括：分析所設計機器的用途、功能、各種技術經濟性能指標和參數范圍及預期的成本范圍等；進行技術、市場調研；對同類或相近產品的技術、經濟指標，同類產品的不完善性及缺陷，用戶的意見和要求，目前的技術水平以及發展趨勢，廣泛收集材料，進行認真的分析研究，以進一步明確設計任務。

在明確設計任務，了解設計產品技術水平、市場狀況的基礎上制訂設計方案，并對設計方案進行可行性論證。

編寫機器設計任務書，包括機器的功能、主要性能指標、基本使用要求、特殊要求、工作環境（條件）、生產批量、經濟性分析及設計進度等。

1.2.2.2　總體設計

一部機器的總體設計是根據設計任務書中確定的機器的功能、主要性能參數、基本使用要求進行全方位設計。要對設計任務書提出的機器功能中必須達到的要求、最低要求及希望達到的要求進行綜合分析，即這些功能能否實現，多項功能間有無矛盾，相互間能否替代等。最后確定出設計機器的功能、性能參數，作為進一步設計的依據。

按照機器設計任務書提出的設計要求，確定機器的工作原理，分別按機器原動部分、傳動部分及執行部分制訂設計方案，并用機構運動簡圖表示。

總體設計時要考慮到機器的操作、維修、安裝、外廓尺寸等要求；確定機器各主要部件之間的相對位置關系及相對運動關系；處理好“人—機—環境”之間的合理關系。

總體設計對機器的制造和使用都有很大的影響，為此，常需做出幾個方案加以分析、比較，通過優化求解得出最佳方案。

1.2.2.3　技術設計

技術設計又稱結構設計。其任務是根據總體設計的要求，確定機器各零部件的材料、形狀、數量、空間相互位置、尺寸、加工和裝配，并進行必要的強度、剛度、可靠性設計，若有幾種方案時，需進行評價決策最后選擇最優方案。技術設計階段的目標是產生總裝配草圖及部件裝配草圖；通過草圖設計確定出各部件及其零件的外形及基本尺寸，包括各部件之間的連接，零、部件的外形及基本尺寸；最后繪制零件的工作圖、部件裝配圖和總裝圖。技術設計的主要內容包括以下幾方面。

（1）根據制訂的設計方案，確定原動機的參數（功率、轉速、線速度等）。然后進行機器運動學計算，從而確定各運動構件的運動參數（轉速、速度、加速度等）。

（2）結合各部分的結構及運動參數，計算各主要零件所受載荷的大小及特性。此時求出的載荷，由于零件尚未設計出來，因而只是作用于零件上的公稱（或名義）載荷。

（3）已知主要零件所受的公稱載荷的大小和特性，即可進行零、部件的初步設計。設計所依據的工作能力準則，須參照零、部件的一般失效情況、工作特性、環境條件等，合理地擬定。通過計算或類比，即可確定零、部件的基本尺寸。

（4）根據已定出的主要零、部件的基本尺寸，設計出部件裝配草圖及總裝配草圖。草圖上需對所有零件的外形及尺寸進行結構化設計。在此步驟中，需要很好地協調各零件的結構及尺寸，全面地考慮所設計的零、部件的結構工藝性，使全部零件有最合理的構形。

（5）在繪出部件裝配草圖及總裝配草圖以后，所有零件的結構及尺寸均為已知，相互鄰接的零件之間的關系也為已知。此時，可以較為精確地定出作用在零件上的載荷，決定影響零件工作能力的各個細節因素。只有在此條件下，才有可能并且必須對一些重要的或者外形及受力情況復雜的零件進行精確的校核計算。根據校核的結果，反復地修改零件的結構及尺寸，直到滿意為止。

技術設計是保證質量、提高可靠性、降低成本的重要工作。技術設計是從定性到定量、從抽象到具體、從粗略到詳細的設計過程。

1.2.2.4　樣機制作、試驗

樣機制作、試驗階段是通過機器樣機制造、樣機試驗，檢查機器的功能及機器各個零部件的強度、剛度、運轉精度、振動穩定性、噪聲等方面的性能，并隨時檢查及修正設計圖紙，以更好地滿足設計要求；同時驗證機器生產制造各工藝流程的正確性，并對不合理的工藝流程進行調整。

根據機器樣機制造、試驗、使用、測試、鑒定所暴露的問題，對設計圖紙中的部分設計參數以及工藝流程都要進行重新修訂。

1.2.2.5　定型、批量生產

機器定型、批量生產階段是根據樣機制作、試驗的結果進一步完善設計圖紙中的各項技術參數，以保證完成機器的功能、主要性能參數、基本使用要求；同時進一步完善機器生產制造各工藝流程，以保證機器制造工藝流程的正確性，提高生產率，降低成本，提高經濟效益的一個階段。

編制各類技術文件，包括機器的設計計算說明書、使用說明書（使用操作方法、日常保養及簡單的維修方法）、標準件明細表、備用件的目錄等；其他技術文件包括檢驗合格單、外購件明細表、驗收條件等機器設計過程是智力活動過程，它體現了設計人員的創新思維活動，設計過程是逐步逼近解答方案并逐步完善的過程。設計過程中還應注意以下幾點。

（1）設計過程要有全局觀點，不能只考慮設計對象本身的問題，而要把設計對象看作一個系統，處理好“人—機—環境”之間的關系。

（2）善于運用創造性思維和方法，注意考慮多方案解，避免解答的局限性。

（3）設計的各階段應有明確的目標，注意各階段的評價和優選，以求出既滿足功能要求又有最大實現可能的方案。

（4）要注意反饋及必要的工作循環。解決問題要由抽象到具體，由局部到全面，由不確定到確定。