機械設計的基本要求和構思方法

李元鵬 王威克

（沈陽航天三菱汽車發動機制造有限公司，遼寧 沈陽 110179）

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，即做出優化設計。優化設計需要綜合地考慮許多要求，設計者的任務是按具體情況權衡輕重，統籌兼顧，使設計的機械有最優的綜合技術經濟效果。

一 機械設計的基本要求

盡管機械的類型很多，但其設計的基本要求都大體相同。主要有以下幾方面：

1.實現預定的功能，滿足運動和動力性能的要求。所謂功能是指用戶提出的需要滿足的使用上的特性和能力，它是機械設計的最基本出發點。在機械設計過程中，設計者一定要使所設計的機械實現功能的要求。為此，必須正確地選擇機械的工作原理、機構的類型和擬訂機械傳動系統方案，并且所選擇的機構類型和擬訂的機械傳動系統方案，能滿足運動和動力性能的要求。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，滿足工作平穩性、起動性、制動性能等要求。動力要求是指所設計的機械應具有足夠的功率，以保證機械完成預定的功能。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。

2.可靠性和安全性的要求。機械的可靠性是指機械在規定的使用條件下，在規定的時間內，完成規定功能的能力。安全可靠是機械的必備條件，為了滿足這一要求，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。

3.市場需要和經濟性的要求。在產品設計中，自始至終都應把產品設計、銷售(市場需要)及制造三方面作為一個整體考慮。只有設計與市場信息密切結合，在市場、設計、生產中尋求最佳關系，才能以最快的速度回收投資，獲得滿意的經濟效益。

4.機械零部件結構設計的要求。機械設計的成果都是以一定的結構形式表現出來的，且各種計算都要以一定的結構為基礎。所以設計機械時，往往要事先選定某種結構形式，再通過各種計算得出結構尺寸，將這些結構尺寸和確定的幾何形狀畫成零件工作圖，最后按設計的工作圖進行制造、裝配組成部件乃全整臺機械，以滿足機械的使用要求。

5.工藝性及標準化、系列化、通用化的要求。機械及其零部件位只有良好的工藝性，即考慮零件的制造方便，加工精應及表面粗糙度適當，易于裝拆。設計時，零部件和機器參數應盡可能標準化、通用化、系列化，以提高設計質量，降低制造成本，并且使設計者將主要精力用在關鍵零件的設計上。

二 構思設計方法的原理

構思設計方法是研究如何合理地進行設計思維的科學，是研究解決設計課題進程的一般性理論，一方面研究進程的戰略即進程總路線、另一方面研究行工作步驟相應的戰術方法。在總結規律基礎上，后發創造性，采用現代化的技術理論方法，使設計過程完善合理。在機械設計中采用這種方法，能使所設計的機械系統(產品)推陳出新，在質量、經濟價值、進程速度等方面有較大的改進。

1.技術過程和技術系統

構思設計方法的重要理論基礎是“系統工程”理論。系統的功能是指具有特定結構的系統，在其內部和外部的聯系和關系中表現出來的能夠滿足需要的特性和能力。技術系統是設計時分析研究的對象，簡而言之，就是要設計的機械系統。構思設計方法把機械、設備、儀器、零件、零件均看作系統。對應技術過程中不同轉換的需要，可以認為機械是主要傳遞能量的技術系統，設備是主要傳遞物料的技術系統，儀器是主要傳遞信號的技術系統。

2.黑箱法

黑箱法是一種尋求系統總功能的創造性思維方法?！昂谙洹本褪且粋€未知其內部機理和結構的箱子?！昂谙浞ā本褪菍⑺芯康膹碗s系統看作一個黑箱，在不打開它的前提下，暫時忽略次要因素，首先集中考慮系統的輸入輸出關系，通過觀測和分析黑箱與外部環境的相互關系，求解待設計系統的功能，從而進一步了解其內部結構的機理。

3.功能分析和模幅箱

功能，簡而言之，就是產品的用途或技術系統能獨立先成的任務。功能分析是從功能的角度尋求設計問題的解決辦法。首先根據設計任務確定系統的總功能。系統的總功能體現在將輸入條件轉換為系統的輸出條件上?？偣δ艽_定后，進行功能分解，將總功能分解為分功能、子功能直至功能元，功能元是最小的功能單位，是可以直接從物理效應、邏輯關系等方面找到解法的基本功能單元。一般把功能元分為物理功能元和邏輯功能元。物理功能元反映了系統中物料、信號和能量的物理基本作用。物理功能元可用物理基本效應求解。機械、儀器中常用的物理效應有；力學效應、電力效應、磁效應、光學效應、熱力學效應、核效應等。同—物理效應能完成不同的功能，同一功能可用不同的物理效應解決。在技術系統中，各種功能只有建立在以自然科學為基礎的技術設置上才能實現?，F代設計方法將技術設置稱為功能元的局部解或功能載體。一個功能元局部或功能載體可能是多個。

所謂模幅箱，實際上是一種形態學矩陣表格，即把機械（系統）的各個功能和功能元作為“列”，而把它們的各種解答作為“行”。

由形態學矩陣組成的設計方案是一種多方案設計，但設計方案數目過大，難以進行評選，一般根據以下原則篩選少數幾個設計方案供評價決策使用：相容性，即分功能解之間必須相容，否則不能組合；優先選用主要分功能的最佳解，由該解法除伐，選擇與它相容的其他分功能解；刪除對設計要求、約束條件不滿足，或令人不滿意的解答，或成本高、效率低、污染嚴重、不安全、加工困難等。

當然，在機械設計中，無論是基本要求，還是構思方法，并不能一成不變，有的已經失去其意義，在生產實踐中，我們要不斷推陳出新，把有利于機械設計的方式和方法推廣到一線去。