1.任國彪 2.張 強(qiáng)

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機(jī)械設(shè)計(jì)方法與技術(shù)

1.任國彪 2.張 強(qiáng)

1.沈陽新松智能驅(qū)動(dòng)股份有限公司 2.沈陽藍(lán)英工業(yè)自動(dòng)化裝備股份有限公司

機(jī)械設(shè)計(jì)是機(jī)械工程的重要組成部分，是機(jī)械生產(chǎn)的第一步，是決定機(jī)械性能的最主要的因素。機(jī)械設(shè)計(jì)努力的目標(biāo)是：在各種限定的條件下設(shè)計(jì)出最好的機(jī)械；現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)的常用方法有：分析設(shè)計(jì)法、創(chuàng)造性設(shè)計(jì)方法、機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)、有限元分析方法、優(yōu)化設(shè)計(jì)方法、動(dòng)態(tài)分析設(shè)計(jì)法和反求工程設(shè)計(jì)等。

機(jī)械設(shè)計(jì)方法；設(shè)計(jì)技術(shù)

1.機(jī)械設(shè)計(jì)的分類

機(jī)械設(shè)計(jì)可分為新型設(shè)計(jì)、繼承設(shè)計(jì)和變型設(shè)計(jì)三類。

1)新型設(shè)計(jì)：應(yīng)用成熟的科學(xué)技術(shù)或經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明是可行的新技術(shù)，設(shè)計(jì)過去沒有過的新型機(jī)械。

2)繼承設(shè)計(jì)：根據(jù)使用經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)發(fā)展對(duì)已有的機(jī)械迸行設(shè)計(jì)更新，以提高其性能、降低其制造成本或減少其運(yùn)用費(fèi)用。

3)變型設(shè)計(jì)：適應(yīng)新的需要對(duì)己有的機(jī)械作部分的修改或增刪而發(fā)展出不同于標(biāo)準(zhǔn)型的變型產(chǎn)品。

2.機(jī)械設(shè)計(jì)的程序

機(jī)器的設(shè)計(jì)階段是決定機(jī)器好壞的關(guān)鍵。對(duì)一部機(jī)器的設(shè)計(jì)程序的各階段分別加以簡要說明。

(1)計(jì)劃階段

在根據(jù)生產(chǎn)或生活的需要提出所要設(shè)計(jì)的新機(jī)器后，計(jì)劃階段只是一個(gè)預(yù)備階段。此時(shí)，對(duì)所要設(shè)計(jì)的機(jī)器僅有一個(gè)模糊的概念。

在設(shè)計(jì)階段中，應(yīng)對(duì)所設(shè)計(jì)的機(jī)器的需求情況做充分的調(diào)查研究和分析。通過分析，進(jìn)一步明確機(jī)器所應(yīng)具有的功能，并為以后的決策提出由環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、加工以及時(shí)限等各方面所確定的約束條件。在此基礎(chǔ)上，明確地寫出設(shè)計(jì)任務(wù)的全面要求及細(xì)節(jié)，最后形成設(shè)計(jì)任務(wù)書，作為本階段的總結(jié)。設(shè)計(jì)任務(wù)大體應(yīng)包括：機(jī)器的功能，經(jīng)濟(jì)性及環(huán)保性的估計(jì)，制造要求方面的大致估計(jì)，基本使用要求，以及完成設(shè)計(jì)任務(wù)的預(yù)計(jì)期限等。此時(shí)，對(duì)這些要求及條件一般也只能給出一個(gè)合理的范圍，而不是準(zhǔn)確的數(shù)字。

(2)方案設(shè)計(jì)階段

本階段對(duì)設(shè)計(jì)的成敗起關(guān)鍵的作用。這一階段中也充分地表現(xiàn)出設(shè)計(jì)工作有多個(gè)解(方案)的特點(diǎn)。

機(jī)器的功能分析，就是要對(duì)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。最后確定出功能參數(shù)，作為進(jìn)一步設(shè)計(jì)的依據(jù)。在這一步驟中，要恰當(dāng)處理需要與可能、理想與現(xiàn)實(shí)、發(fā)展目標(biāo)與當(dāng)前目標(biāo)等之間可能產(chǎn)生的矛盾問題。

確定出功能參數(shù)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(shí)，可按原動(dòng)部分、傳動(dòng)部分及執(zhí)行部分分別進(jìn)行討論。較為常用的辦法是光從執(zhí)行部分開始討論。

討論執(zhí)行部分時(shí)，首先是關(guān)于工作原理的選擇問題。工作原理不同，當(dāng)然所設(shè)計(jì)出的機(jī)器就會(huì)根本不同。特別應(yīng)強(qiáng)調(diào)的是，必須不斷研究和發(fā)展新的工作原理。這是設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展的重要途徑。根據(jù)不同的工作原理，可以擬定多種不同的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的具體方案。

原動(dòng)機(jī)部分的方案當(dāng)然也可以有多種選擇。由于電力供應(yīng)的普遍性和電力拖動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在可以說絕大多數(shù)的固定機(jī)械都優(yōu)先選擇電動(dòng)機(jī)作為原動(dòng)機(jī)部分。熱力原動(dòng)機(jī)主要用于運(yùn)輸機(jī)、工程機(jī)械或農(nóng)業(yè)機(jī)械。即使是用電動(dòng)機(jī)作為原動(dòng)機(jī)，也還有交流和直流的選擇，高轉(zhuǎn)速和低轉(zhuǎn)速的選擇等。

傳動(dòng)部分的方案就更為復(fù)雜多樣了。對(duì)于同一傳動(dòng)任務(wù)，可以由多種機(jī)構(gòu)及不同機(jī)構(gòu)的組合來完成。因此，如果IV表示原動(dòng)機(jī)部分的可能方案數(shù)，N2和N3分別代表傳動(dòng)部分和執(zhí)行部分的可能方案數(shù)，則機(jī)器總體的可能方案數(shù)IV為N1×N2×N3個(gè)。

以上僅是就組成機(jī)器的三個(gè)主要部分討論的。有時(shí)，還須考慮到配置輔助系統(tǒng)。

進(jìn)行機(jī)器評(píng)價(jià)時(shí)，還必須對(duì)機(jī)器的可靠性進(jìn)行分析，把可靠性作為一項(xiàng)評(píng)價(jià)的指標(biāo)。從可靠性的觀點(diǎn)來看，盲目地追求復(fù)雜的結(jié)構(gòu)往往是不明智的。一般地講，系統(tǒng)越復(fù)雜，則系統(tǒng)的可靠性就越低。為了提高復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性，就必須增加并聯(lián)備用系統(tǒng)，而這不可避免地會(huì)提高機(jī)器的成本。

環(huán)境保護(hù)也是設(shè)計(jì)中必須認(rèn)真考慮的重要方面。對(duì)環(huán)境造成不良影響的技術(shù)方案，必須詳細(xì)地進(jìn)行分析，并提出技術(shù)上成熟的解決辦法。

通過方案評(píng)價(jià)，最后進(jìn)行決策，確定一個(gè)據(jù)以進(jìn)行下步技術(shù)設(shè)計(jì)的原理圖或機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖。

在方案設(shè)計(jì)階段，要正確地處理好借鑒與創(chuàng)新的關(guān)系。同類機(jī)器成功的先例應(yīng)當(dāng)借鑒，原先薄弱的環(huán)節(jié)及不符合現(xiàn)有任務(wù)要求的部分應(yīng)當(dāng)加以改進(jìn)或者根本改變。既要積極創(chuàng)新，反對(duì)保守和照搬原有設(shè)計(jì)，也要反對(duì)一味求新而把合理的原有經(jīng)驗(yàn)棄置不用這兩種錯(cuò)誤傾向。

(3)技術(shù)設(shè)計(jì)階段

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(jī)器的動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)。根據(jù)確定的結(jié)構(gòu)方案，確定原動(dòng)件的參數(shù)。然后做運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算，從而確定各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件。

2)機(jī)器的動(dòng)力學(xué)計(jì)算。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。

3)零件的工作能力設(shè)計(jì)。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(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)所依據(jù)的作能力準(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，一般有強(qiáng)度、剛度、振動(dòng)穩(wěn)定性、壽命等準(zhǔn)則。通過計(jì)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(shè)計(jì)。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(duì)所有零件的外形及尺寸進(jìn)行結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)。

(4)技術(shù)文件編制階段

技術(shù)文件的種類較多，常用的有機(jī)器的設(shè)計(jì)計(jì)算說明書、使用說明書、標(biāo)準(zhǔn)件明細(xì)表等。

編制設(shè)計(jì)計(jì)算說明書時(shí)，應(yīng)包括方案選擇及技術(shù)設(shè)計(jì)的全部結(jié)論性的內(nèi)容。

編制供用戶使用的機(jī)器使用說明書時(shí)，應(yīng)向用戶介紹機(jī)器的性能參數(shù)范圍、使用操作方法、日常保養(yǎng)及簡單的維修方法、備用件的目錄等。

其他技術(shù)文件，如檢驗(yàn)合格單、外購件明細(xì)表、驗(yàn)收條件等，視需要與否另行編制。

[1]劉俊堯.機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)[M].中國鐵道出版社