機械設計方法與技術

1.任國彪 2.張 強

1.沈陽新松智能驅動股份有限公司 2.沈陽藍英工業自動化裝備股份有限公司

機械設計方法與技術

1.任國彪 2.張 強

1.沈陽新松智能驅動股份有限公司 2.沈陽藍英工業自動化裝備股份有限公司

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。機械設計努力的目標是：在各種限定的條件下設計出最好的機械；現代機械設計的常用方法有：分析設計法、創造性設計方法、機械可靠性設計、有限元分析方法、優化設計方法、動態分析設計法和反求工程設計等。

機械設計方法；設計技術

1.機械設計的分類

機械設計可分為新型設計、繼承設計和變型設計三類。

1)新型設計：應用成熟的科學技術或經過實驗證明是可行的新技術，設計過去沒有過的新型機械。

2)繼承設計：根據使用經驗和技術發展對已有的機械迸行設計更新，以提高其性能、降低其制造成本或減少其運用費用。

3)變型設計：適應新的需要對己有的機械作部分的修改或增刪而發展出不同于標準型的變型產品。

2.機械設計的程序

機器的設計階段是決定機器好壞的關鍵。對一部機器的設計程序的各階段分別加以簡要說明。

(1)計劃階段

在根據生產或生活的需要提出所要設計的新機器后，計劃階段只是一個預備階段。此時，對所要設計的機器僅有一個模糊的概念。

在設計階段中，應對所設計的機器的需求情況做充分的調查研究和分析。通過分析，進一步明確機器所應具有的功能，并為以后的決策提出由環境、經濟、加工以及時限等各方面所確定的約束條件。在此基礎上，明確地寫出設計任務的全面要求及細節，最后形成設計任務書，作為本階段的總結。設計任務大體應包括：機器的功能，經濟性及環保性的估計，制造要求方面的大致估計，基本使用要求，以及完成設計任務的預計期限等。此時，對這些要求及條件一般也只能給出一個合理的范圍，而不是準確的數字。

(2)方案設計階段

本階段對設計的成敗起關鍵的作用。這一階段中也充分地表現出設計工作有多個解(方案)的特點。

機器的功能分析，就是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。最后確定出功能參數，作為進一步設計的依據。在這一步驟中，要恰當處理需要與可能、理想與現實、發展目標與當前目標等之間可能產生的矛盾問題。

確定出功能參數后，即可提出可能的解決辦法，亦即提出可能采用的方案。

尋求方案時，可按原動部分、傳動部分及執行部分分別進行討論。較為常用的辦法是光從執行部分開始討論。

討論執行部分時，首先是關于工作原理的選擇問題。工作原理不同，當然所設計出的機器就會根本不同。特別應強調的是，必須不斷研究和發展新的工作原理。這是設計技術發展的重要途徑。根據不同的工作原理，可以擬定多種不同的執行機構的具體方案。

原動機部分的方案當然也可以有多種選擇。由于電力供應的普遍性和電力拖動技術的發展，現在可以說絕大多數的固定機械都優先選擇電動機作為原動機部分。熱力原動機主要用于運輸機、工程機械或農業機械。即使是用電動機作為原動機，也還有交流和直流的選擇，高轉速和低轉速的選擇等。

傳動部分的方案就更為復雜多樣了。對于同一傳動任務，可以由多種機構及不同機構的組合來完成。因此，如果IV表示原動機部分的可能方案數，N2和N3分別代表傳動部分和執行部分的可能方案數，則機器總體的可能方案數IV為N1×N2×N3個。

以上僅是就組成機器的三個主要部分討論的。有時，還須考慮到配置輔助系統。

進行機器評價時，還必須對機器的可靠性進行分析，把可靠性作為一項評價的指標。從可靠性的觀點來看，盲目地追求復雜的結構往往是不明智的。一般地講，系統越復雜，則系統的可靠性就越低。為了提高復雜系統的可靠性，就必須增加并聯備用系統，而這不可避免地會提高機器的成本。

環境保護也是設計中必須認真考慮的重要方面。對環境造成不良影響的技術方案，必須詳細地進行分析，并提出技術上成熟的解決辦法。

通過方案評價，最后進行決策，確定一個據以進行下步技術設計的原理圖或機構運動簡圖。

在方案設計階段，要正確地處理好借鑒與創新的關系。同類機器成功的先例應當借鑒，原先薄弱的環節及不符合現有任務要求的部分應當加以改進或者根本改變。既要積極創新，反對保守和照搬原有設計，也要反對一味求新而把合理的原有經驗棄置不用這兩種錯誤傾向。

(3)技術設計階段

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外形及基本尺寸，包括各部件之間的連接，零部件的外形及其基本尺寸。最后繪制零件的工作圖、部件裝配圖和總裝圖。

為了確定主要零件的基本尺寸，必須做以下工作：

1)機器的動力學設計。根據確定的結構方案，確定原動件的參數。然后做運動學計算，從而確定各運動構件。

2)機器的動力學計算。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。

3)零件的工作能力設計。己知主要零件所受的公稱載荷的大小和特性，即可做零、部件的初步設計。設計所依據的作能力準則，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，一般有強度、剛度、振動穩定性、壽命等準則。通過計算或類比，即可決定零、部件的基本尺寸。

4)部件裝配草圖及總裝配草圖的設計。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。

(4)技術文件編制階段

技術文件的種類較多，常用的有機器的設計計算說明書、使用說明書、標準件明細表等。

編制設計計算說明書時，應包括方案選擇及技術設計的全部結論性的內容。

編制供用戶使用的機器使用說明書時，應向用戶介紹機器的性能參數范圍、使用操作方法、日常保養及簡單的維修方法、備用件的目錄等。

其他技術文件，如檢驗合格單、外購件明細表、驗收條件等，視需要與否另行編制。

[1]劉俊堯.機械設計技術[M].中國鐵道出版社