第章机械设计概论

1、第 2 章 机械设计概论机械工业是国家经济发展的主要基础之一，几乎涉及所有的领域和部门。现代机械设 计与生命科学、信息技术、材料科学等一样，是 21 世纪的主要研究和发展方向。现代机 械设备包括宇宙飞船、智能机械人、全（半）自动工作机械设备、全（半）自动加工机械 设备以及全（半）自动控制动力机械设备等等，它们虽然是多学科综合发展的结果，但机 械的创新设计是功不可殁的。机械设计创新思维方法是所有机械设备完善、发展的第一 步，现代设计方法的应用使创新思维得以实现。2.1 机械设计的基本要求和一般过程2.1.1 机械设计的基本要求机械设计是指创造性地实现具有预期功能的新产品（设备和机械）或改进现有产

2、品， 使其具有新性能的过程。机械产品的功能、成本，在很大程度上取决于设计工作的质量。因此，不论是设计新 产品，还是对现有设备进行技术改造，设计人员都必须以严肃认真、高度负责的态度对待 设计过程的每一个细节，科学缜密的思考，周全细致的校核。物美价廉是产品获得市场竞争力、创造经济效益和社会效益的先决条件，低性价比是 产品的生命力所在，也是设计机械产品的基本要求。尽管机械的类型很多，形状千差万别，功能各不相同，但设计的基本要求大致相同， 主要有以下几方面：1. 功能性要求所谓功能，是被设计机械的功用和性能指标，是机械设计的根本出发点。设计的机械 必须能实现预定的使用功能、满足运动和动力性能的要求，并

3、在规定的工作条件下、规定 的工作周期内正常运行。为此，要正确选择机械的工作原理，科学设计或选用原动机、传 动机构和执行机构，合理配置机械的辅助系统。一般机器的预定功能要求包括：运动性能、动力性能、基本技术指标及外形结构、尺 寸等方面。2. 可靠性要求 机械在预定工作期限内必须具有一定的可靠性，机器的可靠性用可靠度 R 衡量。机 械的可靠度是指机械在规定期限内和规定工作条件下，无故障地完成规定功能的概率。而 机械在规定期限内和条件下不能完成规定功能的概率则称为不可靠度，或称破坏概率，用 F 表示。显然，可靠度与破坏概率间应满足R h - F提高机械可靠度的关键是提高其组成零、部件的可靠度。从机械

4、设计的角度，可通过 确定适当的可靠性水平，简化结构，减少零件数目，选择标准件及选择等可靠度零件，合 理设计机器中的组件和部件，以及选取较大安全系数等措施，提高机器的可靠度。3. 经济性要求机器的经济性体现在设计、制造和使用的全过程中，包括设计制造经济性和使用经济 性，即制造成本和运行成本。设计制造经济性表现为机械的成本低；使用经济性表现为高 生产率、高效率、较低的能源与材料消耗，以及较低的管理和维护费用等。设计机械时应 最大限度的考虑其经济性。考虑经济性的要求有：合理选择零件的材料；合理设计零件结构，使之具有良好的工 艺性和适当的精度；加工时，装夹设备简单；机械在使用过程中便于维护和保养等。在

5、机 械设计中尽量采用标准件，既可以简化设计、保证互换性、便于安装和修配，又有利于保 证零件的质量及降低成本。4. 安全性和社会性要求在设计机械产品时，必须注意操作者的人身安全，加强劳动保护，改善使用条件和减 轻劳动强度，使操作者在安全舒适的环境工作。具体措施有：1) 对外露的运动零件加设防护罩。设置保险、报警装置以消除和避免不正确 操作引起的危害；操纵应简便省力，简单而重复的劳动要利用机械本身的机构完成。2) 降低机械工作时的振动与噪音。防止有毒、有害物质的渗漏；治理废水、 废气、废液，美化机械的外表，使设计的机械符合劳动法规的要求。新设计的机械应具有前瞻性、符合新时代的社会要求。在满足前几项

6、要求的基础上， 应力求其造型美观大方、精巧流畅、色彩明快、雅致，赏心悦目，尤其应满足环保的“绿 色”要求，尽量降低噪音、振动，减少废气、废液和粉尘排放，避免对环境的污染，各项 环保指标应符合国家的相关规定。同时尽量预测到机器报废后的处理，各个部件都有合理 的处理方法，为实现环保的长远目标奠定基础。5. 其他特殊要求有些机械还有特殊的要求。如食品机械必须保持清洁、不能污染产品；机床必须能长 期保持精度；飞机必须质量小、飞行阻力小等。设计时不仅要满足前述共同的基本要求， 还应满足其特殊要求。应统筹兼顾，力求选择各项指标综合评定最优者。2.1.2 机械设计的一般过程机械产品设计是一个通过分析、综合与

7、创新获得满足某些特定要求和功能的机械系统 的过程。设计一种新的机械产品是一项科学、复杂、细致的工作。其科学性在于它必须符 合现已证实的各学科的公理、定理及实践证实的一些常识，同时，又必须有前瞻性，使新 设计的机械在一段时间内有其用武之地，能发挥作用，具有社会价值和经济效益。表2.1机械设计的一般过程阶段程丿予要求I.规划1.根据帀场调研，提出设计任务;2.进行可行性研究；3.编制设计任务书；提出可行性报告和设计任务书n.方案设计1.机器功能的综合分析;2.提出原理性的设计方案；3.进行技术经济的综合评定；4.择优选取，确定决策。提出最佳的原料型设计方案一原理图和 机构运动简图（即传动系统图）皿

8、.技术设计1.设计并绘制总体机构草图2.进行技术经济分析；3. 绘制总机装配图和部件装配图，绘制电路系统图和润滑 系统图等相关图；4. 设计并绘制零件图；5.编制技术文件。1. 提出总装配图部件装配图和电路图润 滑等系统图；2. 提出零件图、计算说明书使用说明书 外购零件明细表工艺文件等。IV .样机试制1.样机试制及实验，进行综合性能的测试；2.报批投产。1. 提出样机试制和实验报告；2. 提出申报投产报告、经济评价报告。V.跟踪反馈1. 收集市场及用户反馈信息；2. 提出完善设计建议和新一代产品的设计方案。对现有产品完善改进，同时提出产品性 能造型、的新要求，为下一代新产品做好准 备。表2

9、-1中介绍的只是一个直线链的设计流程。实际上，在论证、校核、评价及选择的 过程中，都有改进原设计方案甚至推翻原方案进行再设计的可能。因此。在每个设计阶段 中或在各设计阶段之间，都有反复再设计的循环链式的设计流程。设计永远是一个创新、 变革的过程，是一个各阶段紧密相连、缺一不可的过程。1.规划阶段设计任务是一种市场经济需求。在设计新机器前，必须进行科学的市场调研，从实践 中找到设计任务，也可由用户或生产制造商直接提出，应尽可能具有前瞻性。切实可行地 提出设计任务。根据设计任务书进行工程可行性研究，提出评价报告。详见表2-2。表2.2可行性研究内容和要求步 骤研究内容目标机会研究论证产品原理是否先

10、进可行，与科学技术和国民经济发展的 关系，确定是否值得投资。论证投资方向，确定是否投资。初步研究较全面地研究产品的技术先进性、社会实用性和经济性，较 精细地进行成本和投资计算，做出经济效益评价。作经济效益初步评价。详细研究对产品的技术（包括技术水平、技术趋势、生产工艺与技术 现状的适应性、产品的生命期等）、经济（成本、投资金额、资 金筹措、利润、偿还期等）、社会问题（是否存在污染、是否符 合技术政策等）、工程条件（原材料来源、燃料来源、配套件和 协作件的供应等）、市场条件（目前市场需要量、预测市场需要 量、市场竞争能力、销售比例等）进行详细研究，进行多方案比 较。对产品技术经济社会因素工程条件

11、市 场条件等进行详细研究并作比较。评价研究对产品的技术、经济、社会问题、工程条件、市场问题进行 全面评价，做出最后结论提出一个认为最佳的方案，或提出几个方 案陈述利弊供决策者决定，或结论为“不 可行”如可行性研究报告的结论是可行的，则将其完善并提出具体的、详尽的设计任务书。详见表2-3。表2.3设计任务书内容参考表产品功能运动参数：运动形式、方向、转速、变速要求、加速度等；动力特性：能源种类、功率、转矩、效 率、载荷方向及性质等；材料：主要零部件的材料特性及材料供应等；信号：压力、温度、电流、电压等测量方法，控制要求、精度要求等。经济体积尺寸（长、宽、高）重量要；生产率；最高允许成本、生产批量

12、。制造加工：公差、表面粗糙度、特殊加工条件、专用加工设备等；检验：测量和检验的仪器和检验方法 等；装配：装配要求，地基要求和安装现场要求等。使用使用对象、年限、环境、可靠度要求；安全、过载保护装置等；环境要求：噪音标准，废气、废液等 排放要求，特殊环境等；人机学要求：操纵、控制、照明、维护等；工艺美学要求：外观、色彩、造型 等。期限设计完成日期、研制完成日期、供货日期等。2方案设计阶段在机械设计程序中，方案设计是具有战略意义的关键阶段，又称为功能原理设计阶 段。产品的功能是指产品的用途和功用。设计新产品时首先分析其功能。通常，一台机器 总是由若干个部件组成，它的功能可以分解为各个部件的分功能，

13、而分功能还可以分解为 若干个更小的功能单位，称之为功能元。每个功能元通常可由多种原理予以实现，也有多 种解决方案。机械系统主要由原动机、传动系统、执行系统和信息处理控制系统所组成。每个系统 都由若干子系统组成，完成相应的功能。实现这些功能都有许多原理可应用，在诸多方案 中择优选择。具体步骤详见表 2-4。表2.4方案设计内容步骤设 计 内 容阶段成果目标分析根据设计任务书中规定的设计任务进行功能分析，做出工艺动作的分解，明确各个工 艺动作的工作原理。总体方案示 意图创新构思根据各工艺动作的工作原理，构思执行系统的运动方案，包括对执行系统进行运动规 律设计、机构形式设计和协调设计。机构运动简图（

14、草图）方案拟定拟定总体方案，进行执行系统、传动系统和原动机的选择及其基本参数设计。运动循环图方案评价对各可行方案进行运动分析、力分析及有关计算，作模拟设计实验，以进行功能、性 能评价和技术、经济评价。评价报告方案决策在方案评价的基础上，从可行方案中择优，从而确定其总体设计方案，编写总体方案 设计计算说明书。方案设计简图和计算说明书3. 技术设计阶段方案设计简图类似机器的骨架，必须使其具体化，设计出具有实际意义的总体结构 图，即装配图。进一步拆分出各个运动单元（部件）和制造单元（零件）。具体设计步骤 见表2-5。表2.5技术设计一般步骤步骤名称设 计 内 容阶段成果确定原动机根据设计任务书，兼顾

15、经济性、可靠性、稳定性、运输安装、管理维修等因素，确定原 动机类型、型号、运动参数和动力参数。原动机型号造型设计从人机工程、民族风格、用户心理感受、易操作性及美学观念出发，进行产品造型、色 彩和表面处理的设计。全套图纸 设计计算说 明书结构设计从加工工艺、装配工艺、润滑、振动噪音、腐蚀、传热等因素出发，设计零部件的结 构，确定各零部件的相对位置、结构形式及联结方法。零件设计根据运动和动力计算、强度和刚度计算，选择零件材料，热处理方法和要求，确定零件 各部分的形状、尺寸、公差、精度及制造安装的技术条件。确定外购件的标准、元器件规格 和技术要求；编制加工工艺文件。绘制设计图绘制装配图、各类系统图（

16、包括执行系统、传动系统、控制系统、润滑系统、气/液压系统、电力系统等）、部件装配图和零件图，编制设计计算说明书。4. 样机试制这是设计工作的最后一个阶段。根据技术设计完成的图纸，试制样机并实验，测试各 项技术指标是否达到设计要求。在改进原设计达到设计任务书要求后，可组织鉴定，进行 全面的技术经济评价，一切达到预定的要求才报批投产。5. 跟踪反馈、完善产品投入市场后，要跟踪收集用户的反馈信息。切实做到以人为本，用户至上，诚实 守信。在广泛听取各方意见的同时，根据市场的新要求，完善产品的功能，推出符合时代 气息的新一代产品，使设计工作迈向新台阶。2.2 现代设计法应用概述机械设计的目的是将预定的目

17、标，经过一系列的规划、分析、决策，形成一定的信 息，即文字、数据、图形等工程语言，并通过制造，使其成为产品。由于科学技术和生产能力的不断进步，设计方法学和创造方法学的开发运用，计算机 技术的广泛应用，一系列现代设计方法得以实现，使机械设计的步伐加快，设计质量提 高。目前广泛应用的现代设计方法有：计算机辅助设计、优化设计、可靠性设计、价值工程、 工业艺术造型设计、模块化设计、有限元法设计、创新设计等。2.2.1 计算机辅助设计简介常规的机械设计方法，是以实践经验为基础，依据力学、数学和专业知识建立的理论 公式和经验公式，运用数表、图形和手册等技术资料，进行方案拟定、设计计算、绘图和 编写设计说明

18、书。而现代设计方法是以产品为总目标的一系列种类繁多的现代设计法和技 术的综合运用。由于计算机具有运算速度快、数据处理准确、存储量大和具有逻辑判断功 能等特点，因此，它已经成为现代工程设计中分析、计算、综合、决策、数据处理、图形 处理与各种现代设计法相结合的不可替代的重要工具。这种人机交互的设计方法，就是计 算机辅助设计，即 CAD ( computer aided design )。在设计阶段 CAD 的运用，包括初始设计、详细设计和工艺设计，是针对设计方案 的：“信息流”过程。形成设计方案后，制造阶段采用计算机辅助制造，即 CAM ( computer aided manufacture )

19、的运用，包括材料准备、加工、装配、检测等许多环 节。联接CAD和CAM的关键纽带是计算机辅助工艺规程设计CAPP (computer aidedprocess planning ), 它是在成组技术的基础上，用计算机编制合理的零件加工工艺过 程，从而将产品的设计信息转化为制造信息。数控技术的迅速发展，使机械制造工程由产 品设计到制造能全面自动化。能更好地满足现代社会对产品的多品种、中小批量和高性能 的要求，并降低了产品的成本，提高了其质量。1. 计算机辅助设计的常用软件系统CAD 的软件系统包括系统软件、支撑软件和应用软件 3 个层次。( 1)系统软件与硬件和操作系统密切相关的操作系统(DOS

20、 )，用于对系统资源的管理(包括内存分配管理、文件管理、外部设备管理、作业和中断管理)，常用的是 Windows 。( 2)支撑软件指各种 CAD 工具软件和系统。工具不同的作用分为图形处理软件、集成化 CAD /CAM /CAE 软件、工程分析和计算软件、数据管理系统软件等。1) 图形处理软件主要用于生成和编辑基本图形，解决零件图详细设计问题，输出 符合工程要求的零件图和装配图。美国 Autodesk 公司推出的 AutoCAD 是为微机开发的以二维功能为主的交互式工程绘图软件，也具有三维造型和绘图的功能。2）集成化 CAD /CAM /CAE 软件系统 它们提供了定义产品的几何信息和各种非

21、 几何信息，以及控制制造过程的工具。目前流行的主要优秀软件有：Pro/ Engineer 是美国 PTC （ Parametric Technology Corporation）公司为微机的参数化设计和基于特征设计的实体造型的三维集成化软件。该系统建立在统一的数据库 上，有完整和统一的模型，是一种相关性的软件，设计者在产品设计过程中所做的任何修 改，都会自动扩展到整个设计中，自动更新零件、装配、工程图等模块中的2D和3D的尺寸与工程文件，确保了数据的正确性。它将工业设计、功能仿真与制造过程集成在一 起，同时提供了集运动、结构、热力学于一体的大型分析模块，能够进行静态、动态、疲 劳冲击等多种分析

22、。Uni graphic s（UG）和Solid Edge : UG是美国麦道（MD ）公司推出的适用于航空 航天器、汽车、通用机械和模具等的设计、分析和制造的工程软件，它采用基于特征的实 体造型，具有尺寸驱动编辑功能的统一的数据库，实现了CAD 、 CAE 、 CAM 之间无数据交换的自由切换，具有强大的数控加工功能，可以在HP、 Sun、 SGI 等工作站上运行。Solid Edge是该公司为微机开发的基于 Windows的设计与绘图的简便的同类型软 件。Solid Works 美 国 Solid Works 公 司 推 出 的 基 于 微 机 Windows 操 作 系 统 的 CAD/

23、CAM/CAE/PDM 桌面集成系统，它采用自顶向下的设计方法，可以动态模拟装配过 程，采用基于特征的实体建模，具有很强的参数化设计和编辑功能，采用特征树管理几何 特征。CAXA V5 是 北 京 航 空 航 天 大 学 与 全 球 PLM 技 术 领 先 集 团 DASSAULT SYSTEMES共同发布的新一代集成化可扩展二维和三维PLM解决方案，它嵌入了法国 DASSAULT SYSTEMES的CAAV5技术和构件，包括了 5个模块： PDM 是以产品数据为核心的企业级设计、工艺和制造过程的信息集成和业务协作平台； 2D 是集成化全功能企业二维绘图设计环境； 3D 是集成化三维产品设计、

24、工程分析和数 控编程环境； CAPP 是集成化工艺设计和工艺管理环境； MPM 是集成化的生产计划和 生产过程管理平台。3） 工程分析和计算软件如数学方法库、机械设计常规公式库、优化设计、有限元 分析、可靠性设计、动态分析等现代设计方法软件。MATLAB 是美国 Math Works 公司推出的一套功能强大的工程分析和计算软件，被 广泛地应用于自动控制、机械设计、工程优化、流体力学和数理统计等工程领域，它提供 了 30 多个面向不同领域的工具箱，可以高效地求解复杂的工程问题，并可以对系统进行 动态仿真，用强大的图形功能对数据进行可视化处理。4） 数据库管理系统软件用于工程数据的存储、检索、共享

25、、比较、组合和安全管 理。如 Oracle 、 Foxbase 、 Foxpro 和 Paradox 等关系型数据管理系统软件。（ 3）应用软件以支撑软件为基础的面向各种工程设计和分析的专用软件，如动态仿真程序、数控加工编程、机械传动设计计算程序以及数、表、线、图的程序化处理等。一个实用、高效、可靠的集成化 CAD 系统，是以工程数据库为核心，以交互图形系 统为支持，以通用设计方法为工具，以机电工程产品的计算分析为主题的集成化软件系统。2.2.2 创新设计人类 社 会 的发 展 和进 步的 历 史 就是 不 断创 新的 历 史 。 创 新设 计 （ Creative Design ）就是指设计

26、人员在其设计中采用新的技术手段和技术原理，发挥创 造性思维，提出新的方案，探索新解法，提供具有社会价值的、新颖的而且成果独特的设 计。1.创造性思维的特点和类型（1）创造性思维的特点 设计本身就具有创造性。设计人员依据自身的知识、经验、理论和方法对目标设计的 过程就是将头脑中的各种信息重新组合和激活的过程，形成新的联系或成果。在此过程 中，突破各种自然极限，揭示事物的本质，转化出新的、有社会价值的成果和产物，以不 断满足人类的精神和物质的需要，即是创造性思维。其特点如下：1）独创性 具有突破性、求异性的思维，即具有与前人、他人不同的独特见解，能 提出新原理、构思新模式、创造新方法。例如光控式开

27、关在黄昏时使路灯自亮，天明时又自动熄灭；红外线开关能自动准确做 到人入灯亮，人走灯灭。与机械开关相比，它们都具有独创性，并为社会创造了可观的价 值。2）多向性 善于从不同的角度思考问题，这种思维依赖于发散思维（尽量提出多种 设想，多方面、多思路思考问题）、换元思维（灵活变换影响事物的某些因素，从而产生 新的思路）、转向思维（思维在一个方面受阻时立即转向另一方面）和创优（不满足已有 解答，努力寻找最优方案）。3）联动性 由此及彼的联动思维，引导人们从已知探索未知并开阔思路。它包括： 纵向联动（针对问题和现象作纵深思考，探寻其根源从而得到新的启示）、横向联动（从 某一现象联想到与其相似或相关的另一

28、事物，进行“特征转移”，进入新的领域）和逆向 联动（从顺推到逆推，从另一角度探寻新途径）。例如丹麦物理学家奥斯忒发现电流通过导体时，能使磁化的罗盘指针偏转。法拉第据 此作逆向思维，认为如果磁场固定，载流导体就会运动，从而发明了世界上第一台电动 机。4）跨越性 思维的前进跨度大，转换跨度也大，能跨越事物可见度的限制，迅速完 成“虚体”与“实体”之间的转化。例如牛顿受苹果落地的启示，最终发现震惊世界的 “万有引力定律”。（2）创造性思维的类型 创造性思维是多种思维形式的协调统一，也是智力因素和非智力因素的和谐统一。创 造性思维的类型，可从不同的角度划分。根据思维过程是否严格遵守逻辑规则可分为逻辑思

29、维和非逻辑思维。 逻辑思维又称抽象思维，即以反映事物共同属性和本质的抽象概念为思维元素，在该 概念的基础上进行判断、推理，使认识从感性个别到理性一般再到理性个别。而非逻辑思 维的基本形式有联系思维、直觉思维和灵感思维。其中直觉思维和灵感思维对创新设计起 重要作用，因为它们具有产生的突然性、过程的突发性，成果的突破性，同时还具有偶然 性。在此过程中不仅意识起作用，而且潜意识也发挥重要作用。虽然其结论具有短暂性不 总是可靠的，但可以给人们深刻的启迪。在创新设计中，工程技术人员的逻辑思 维和非逻辑思维彼此联动，相互融合、补充和促进，综合发挥作用。例如，北京航空航天大学的高歌教授在研究飞机发动机内气体的燃烧时，发现气体燃 烧湍流紊乱是燃烧不稳定的根本原因。他联想到沙漠中的沙丘在大风中仍能够保持稳定形 状，是因为气流绕过沙丘时漩涡特别稳定的启示，终