1.2　機(jī)械設(shè)計(jì)的基本要求與一般程序

1.2.1　機(jī)械設(shè)計(jì)的基本要求

雖然不同的機(jī)械其功能、構(gòu)造和外形都不相同，但它們設(shè)計(jì)的基本要求大體是相同的，機(jī)械設(shè)計(jì)應(yīng)滿足的基本要求可以歸納為以下幾個(gè)方面。

1.2.1.1　滿足功能、運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力性能的要求

實(shí)現(xiàn)預(yù)定的功能要求是機(jī)械設(shè)計(jì)最基本的出發(fā)點(diǎn)。在機(jī)械設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)者必須使所設(shè)計(jì)的機(jī)械能夠完全實(shí)現(xiàn)預(yù)定的功能。為此，設(shè)計(jì)者需確定機(jī)械的工作原理，選擇機(jī)構(gòu)的類型，擬定機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)方案，并使所選擇的機(jī)構(gòu)類型和擬定的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)方案能滿足運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力性能的要求。

機(jī)械的運(yùn)動(dòng)要求是指所設(shè)計(jì)的機(jī)械應(yīng)保證實(shí)現(xiàn)規(guī)定的運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，以滿足工作的平穩(wěn)性、啟動(dòng)性、制動(dòng)性等要求。

機(jī)械的動(dòng)力性能要求是指所設(shè)計(jì)的機(jī)械應(yīng)具有足夠的功率，以滿足機(jī)械正常工作的要求。

為此，要正確設(shè)計(jì)機(jī)械的零件，使其結(jié)構(gòu)合理并滿足強(qiáng)度、剛度、耐磨性和振動(dòng)穩(wěn)定性等方面的要求。

1.2.1.2　工作可靠性的要求

機(jī)械的工作可靠性是指機(jī)械在規(guī)定的使用條件下，在預(yù)定的工作期限內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。工作可靠是機(jī)械的必備條件，為滿足這一要求，必須從機(jī)械系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)、零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、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(jī)器功能愈來愈先進(jìn)，結(jié)構(gòu)愈來愈復(fù)雜，發(fā)生故障的可能環(huán)節(jié)愈來愈多，機(jī)器工作的可靠性受到了愈來愈大的挑戰(zhàn)。機(jī)器工作可靠性的高低是用機(jī)器的可靠度來衡量的。機(jī)器的可靠度是指在規(guī)定的使用時(shí)間內(nèi)和預(yù)定的環(huán)境條件下機(jī)器能夠正常工作的概率。對于一部機(jī)器來說，其可靠度到底應(yīng)選多大？從理論上來講，當(dāng)然是愈大愈好，但可靠度愈大，機(jī)器的成本愈高。一般來說，與人的生命、國家的財(cái)產(chǎn)息息相關(guān)的機(jī)器，如飛機(jī)、宇宙飛船等，其可靠度設(shè)計(jì)要高一些。而一般的機(jī)械產(chǎn)品，可靠度設(shè)計(jì)可相對低一些。

1.2.1.3　經(jīng)濟(jì)性的要求

機(jī)械設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性要求是指在滿足機(jī)械的功能性要求的前提下，所設(shè)計(jì)的機(jī)器應(yīng)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(hù)費(fèi)用。在市場競爭中，特別是我國加入WTO以后，產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性是產(chǎn)品推向市場的一個(gè)重要性能指標(biāo)，應(yīng)貫穿于機(jī)械設(shè)計(jì)的全過程。

機(jī)器設(shè)計(jì)、制造的經(jīng)濟(jì)性表現(xiàn)為機(jī)器的成本低；機(jī)器使用的經(jīng)濟(jì)性表現(xiàn)為機(jī)器的高生產(chǎn)率，高效率，低能耗，低的管理、維護(hù)費(fèi)用等。機(jī)器的經(jīng)濟(jì)性體現(xiàn)在設(shè)計(jì)、制造和使用的全過程，設(shè)計(jì)機(jī)器時(shí)就要全面考慮。在機(jī)械設(shè)計(jì)中，自始至終都應(yīng)把產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造與銷售三方面作為一個(gè)整體來考慮。

1.2.1.4　機(jī)械零件工藝性和標(biāo)準(zhǔn)化的要求

（1）機(jī)械零件工藝性的要求。機(jī)械零件的結(jié)構(gòu)應(yīng)具有良好的工藝性，是指在滿足使用要求的前提下，設(shè)計(jì)周期短、加工制造容易、成本低、裝拆與維護(hù)方便。設(shè)計(jì)機(jī)械零件時(shí)，應(yīng)從以下幾個(gè)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(chǎn)批量小的零件可選用型材或焊接件，生產(chǎn)批量大的零件可選用鑄件等。

②結(jié)構(gòu)簡單合理。機(jī)械零件的結(jié)構(gòu)形狀應(yīng)盡量簡單，如僅由平面、圓柱面組合而成；同時(shí)追求加工表面數(shù)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(jī)器的性能會(huì)越好。但零件的精度過高，成本將急劇增加。因此，要根據(jù)實(shí)際情況確定合適的機(jī)械零件的加工精度。

（2）機(jī)械零件標(biāo)準(zhǔn)化的要求。標(biāo)準(zhǔn)化是長期生產(chǎn)實(shí)踐和科學(xué)研究的技術(shù)總結(jié)，是我國現(xiàn)行的一項(xiàng)重要的技術(shù)政策。許多機(jī)械零件都是標(biāo)準(zhǔn)化的零件。在機(jī)械設(shè)計(jì)中，能采用標(biāo)準(zhǔn)件的地方一定要選用標(biāo)準(zhǔn)零件，除非標(biāo)準(zhǔn)零件不能滿足要求，才可自行設(shè)計(jì)。選用標(biāo)準(zhǔn)化的零件有如下好處。

①質(zhì)量好、成本低。標(biāo)準(zhǔn)零件是由專門生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)零件的標(biāo)準(zhǔn)件廠設(shè)計(jì)、加工、制造的。標(biāo)準(zhǔn)件廠擁有加工標(biāo)準(zhǔn)零件的專用設(shè)備，可進(jìn)行大批量的生產(chǎn)。這種專用設(shè)備是一般的機(jī)械加工廠所不具備的。另外，標(biāo)準(zhǔn)件廠生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)零件時(shí)所采用的技術(shù)也是最先進(jìn)的。因此，標(biāo)準(zhǔn)化的零件質(zhì)量好、成本低。

②互換性好。如標(biāo)準(zhǔn)零件失效，只需花極少代價(jià)換上一個(gè)同樣型號的標(biāo)準(zhǔn)零件就能解決問題。

③采用標(biāo)準(zhǔn)化的零件可節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間，使設(shè)計(jì)者能將主要精力用在關(guān)鍵零件的設(shè)計(jì)上。

④交流方便。機(jī)械工程技術(shù)人員主要是通過圖紙交流設(shè)計(jì)思想、設(shè)計(jì)要求等，圖紙的標(biāo)準(zhǔn)化程度越高，越有利于工程技術(shù)人員之間的交流。

現(xiàn)行的與機(jī)械零件設(shè)計(jì)有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，從運(yùn)用范圍上講，可分為國家標(biāo)準(zhǔn)（GB）、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)三個(gè)等級；從使用的強(qiáng)制性來講，可分為強(qiáng)制執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)（有關(guān)度、量、衡及人身安全等標(biāo)準(zhǔn)）和推薦使用的標(biāo)準(zhǔn)（如標(biāo)準(zhǔn)直徑等）。

1.2.1.5　其他特殊要求

有些機(jī)械由于工作環(huán)境和要求的不同，對設(shè)計(jì)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(jī)床有在使用期限內(nèi)保持規(guī)定精度的要求；食品、醫(yī)藥、紡織機(jī)械有不得污染產(chǎn)品的要求；飛行器有重量輕、阻力小的要求；重型機(jī)器有便于安裝、拆卸及運(yùn)輸?shù)囊蟮取?/p>

1.2.2　機(jī)械設(shè)計(jì)的一般程序

機(jī)械設(shè)計(jì)就是建立滿足功能要求的一部機(jī)器的創(chuàng)造過程。作為一部完整的機(jī)器，它是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)。要提高機(jī)械設(shè)計(jì)質(zhì)量，必須有一個(gè)科學(xué)的設(shè)計(jì)程序。一部機(jī)器的設(shè)計(jì)程序基本上可以用圖1-4表示。

1.2.2.1　明確設(shè)計(jì)任務(wù)

機(jī)械設(shè)計(jì)是一項(xiàng)為實(shí)現(xiàn)機(jī)器預(yù)定目標(biāo)的、有目的的活動(dòng)，因此正確地決定設(shè)計(jì)目標(biāo)（任務(wù)）是機(jī)械設(shè)計(jì)成功的基礎(chǔ)。明確設(shè)計(jì)任務(wù)包括定出機(jī)器的總體目標(biāo)和各項(xiàng)具體的技術(shù)要求，這是機(jī)械設(shè)計(jì)、優(yōu)化、評價(jià)、決策的依據(jù)。

明確設(shè)計(jì)任務(wù)包括：分析所設(shè)計(jì)機(jī)器的用途、功能、各種技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)和參數(shù)范圍及預(yù)期的成本范圍等；進(jìn)行技術(shù)、市場調(diào)研；對同類或相近產(chǎn)品的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，同類產(chǎn)品的不完善性及缺陷，用戶的意見和要求，目前的技術(shù)水平以及發(fā)展趨勢，廣泛收集材料，進(jìn)行認(rèn)真的分析研究，以進(jìn)一步明確設(shè)計(jì)任務(wù)。

在明確設(shè)計(jì)任務(wù)，了解設(shè)計(jì)產(chǎn)品技術(shù)水平、市場狀況的基礎(chǔ)上制訂設(shè)計(jì)方案，并對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行可行性論證。

編寫機(jī)器設(shè)計(jì)任務(wù)書，包括機(jī)器的功能、主要性能指標(biāo)、基本使用要求、特殊要求、工作環(huán)境（條件）、生產(chǎn)批量、經(jīng)濟(jì)性分析及設(shè)計(jì)進(jìn)度等。

1.2.2.2　總體設(shè)計(jì)

一部機(jī)器的總體設(shè)計(jì)是根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書中確定的機(jī)器的功能、主要性能參數(shù)、基本使用要求進(jìn)行全方位設(shè)計(jì)。要對設(shè)計(jì)任務(wù)書提出的機(jī)器功能中必須達(dá)到的要求、最低要求及希望達(dá)到的要求進(jìn)行綜合分析，即這些功能能否實(shí)現(xiàn)，多項(xiàng)功能間有無矛盾，相互間能否替代等。最后確定出設(shè)計(jì)機(jī)器的功能、性能參數(shù)，作為進(jìn)一步設(shè)計(jì)的依據(jù)。

按照機(jī)器設(shè)計(jì)任務(wù)書提出的設(shè)計(jì)要求，確定機(jī)器的工作原理，分別按機(jī)器原動(dòng)部分、傳動(dòng)部分及執(zhí)行部分制訂設(shè)計(jì)方案，并用機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖表示。

總體設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到機(jī)器的操作、維修、安裝、外廓尺寸等要求；確定機(jī)器各主要部件之間的相對位置關(guān)系及相對運(yùn)動(dòng)關(guān)系；處理好“人—機(jī)—環(huán)境”之間的合理關(guān)系。

總體設(shè)計(jì)對機(jī)器的制造和使用都有很大的影響，為此，常需做出幾個(gè)方案加以分析、比較，通過優(yōu)化求解得出最佳方案。

1.2.2.3　技術(shù)設(shè)計(jì)

技術(shù)設(shè)計(jì)又稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。其任務(wù)是根據(jù)總體設(shè)計(jì)的要求，確定機(jī)器各零部件的材料、形狀、數(shù)量、空間相互位置、尺寸、加工和裝配，并進(jìn)行必要的強(qiáng)度、剛度、可靠性設(shè)計(jì)，若有幾種方案時(shí)，需進(jìn)行評價(jià)決策最后選擇最優(yōu)方案。技術(shù)設(shè)計(jì)階段的目標(biāo)是產(chǎn)生總裝配草圖及部件裝配草圖；通過草圖設(shè)計(jì)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(shù)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容包括以下幾方面。

（1）根據(jù)制訂的設(shè)計(jì)方案，確定原動(dòng)機(jī)的參數(shù)（功率、轉(zhuǎn)速、線速度等）。然后進(jìn)行機(jī)器運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算，從而確定各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)參數(shù)（轉(zhuǎn)速、速度、加速度等）。

（2）結(jié)合各部分的結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)參數(shù)，計(jì)算各主要零件所受載荷的大小及特性。此時(shí)求出的載荷，由于零件尚未設(shè)計(jì)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(jìn)行零、部件的初步設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)所依據(jù)的工作能力準(zhǔn)則，須參照零、部件的一般失效情況、工作特性、環(huán)境條件等，合理地?cái)M定。通過計(jì)算或類比，即可確定零、部件的基本尺寸。

（4）根據(jù)已定出的主要零、部件的基本尺寸，設(shè)計(jì)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(jìn)行結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)。在此步驟中，需要很好地協(xié)調(diào)各零件的結(jié)構(gòu)及尺寸，全面地考慮所設(shè)計(jì)的零、部件的結(jié)構(gòu)工藝性，使全部零件有最合理的構(gòu)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(jié)構(gòu)及尺寸均為已知，相互鄰接的零件之間的關(guān)系也為已知。此時(shí)，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(gè)細(xì)節(jié)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(fù)雜的零件進(jìn)行精確的校核計(jì)算。根據(jù)校核的結(jié)果，反復(fù)地修改零件的結(jié)構(gòu)及尺寸，直到滿意為止。

技術(shù)設(shè)計(jì)是保證質(zhì)量、提高可靠性、降低成本的重要工作。技術(shù)設(shè)計(jì)是從定性到定量、從抽象到具體、從粗略到詳細(xì)的設(shè)計(jì)過程。

1.2.2.4　樣機(jī)制作、試驗(yàn)

樣機(jī)制作、試驗(yàn)階段是通過機(jī)器樣機(jī)制造、樣機(jī)試驗(yàn)，檢查機(jī)器的功能及機(jī)器各個(gè)零部件的強(qiáng)度、剛度、運(yùn)轉(zhuǎn)精度、振動(dòng)穩(wěn)定性、噪聲等方面的性能，并隨時(shí)檢查及修正設(shè)計(jì)圖紙，以更好地滿足設(shè)計(jì)要求；同時(shí)驗(yàn)證機(jī)器生產(chǎn)制造各工藝流程的正確性，并對不合理的工藝流程進(jìn)行調(diào)整。

根據(jù)機(jī)器樣機(jī)制造、試驗(yàn)、使用、測試、鑒定所暴露的問題，對設(shè)計(jì)圖紙中的部分設(shè)計(jì)參數(shù)以及工藝流程都要進(jìn)行重新修訂。

1.2.2.5　定型、批量生產(chǎn)

機(jī)器定型、批量生產(chǎn)階段是根據(jù)樣機(jī)制作、試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)一步完善設(shè)計(jì)圖紙中的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)，以保證完成機(jī)器的功能、主要性能參數(shù)、基本使用要求；同時(shí)進(jìn)一步完善機(jī)器生產(chǎn)制造各工藝流程，以保證機(jī)器制造工藝流程的正確性，提高生產(chǎn)率，降低成本，提高經(jīng)濟(jì)效益的一個(gè)階段。

編制各類技術(shù)文件，包括機(jī)器的設(shè)計(jì)計(jì)算說明書、使用說明書（使用操作方法、日常保養(yǎng)及簡單的維修方法）、標(biāo)準(zhǔn)件明細(xì)表、備用件的目錄等；其他技術(shù)文件包括檢驗(yàn)合格單、外購件明細(xì)表、驗(yàn)收條件等機(jī)器設(shè)計(jì)過程是智力活動(dòng)過程，它體現(xiàn)了設(shè)計(jì)人員的創(chuàng)新思維活動(dòng)，設(shè)計(jì)過程是逐步逼近解答方案并逐步完善的過程。設(shè)計(jì)過程中還應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。

（1）設(shè)計(jì)過程要有全局觀點(diǎn)，不能只考慮設(shè)計(jì)對象本身的問題，而要把設(shè)計(jì)對象看作一個(gè)系統(tǒng)，處理好“人—機(jī)—環(huán)境”之間的關(guān)系。

（2）善于運(yùn)用創(chuàng)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(shè)計(jì)的各階段應(yīng)有明確的目標(biāo)，注意各階段的評價(jià)和優(yōu)選，以求出既滿足功能要求又有最大實(shí)現(xiàn)可能的方案。

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