1.2　机械设计的基本要求与一般程序

1.2.1　机械设计的基本要求

虽然不同的机械其功能、构造和外形都不相同，但它们设计的基本要求大体是相同的，机械设计应满足的基本要求可以归纳为以下几个方面。

1.2.1.1　满足功能、运动和动力性能的要求

实现预定的功能要求是机械设计最基本的出发点。在机械设计过程中，设计者必须使所设计的机械能够完全实现预定的功能。为此，设计者需确定机械的工作原理，选择机构的类型，拟定机械传动系统方案，并使所选择的机构类型和拟定的机械传动系统方案能满足运动和动力性能的要求。

机械的运动要求是指所设计的机械应保证实现规定的运动速度和运动规律，以满足工作的平稳性、启动性、制动性等要求。

机械的动力性能要求是指所设计的机械应具有足够的功率，以满足机械正常工作的要求。

为此，要正确设计机械的零件，使其结构合理并满足强度、刚度、耐磨性和振动稳定性等方面的要求。

1.2.1.2　工作可靠性的要求

机械的工作可靠性是指机械在规定的使用条件下，在预定的工作期限内，完成规定功能的能力。工作可靠是机械的必备条件，为满足这一要求，必须从机械系统的整体设计、零部件的结构设计、材料及热处理的选择、加工工艺的制订等方面加以保证。

随着机器功能愈来愈先进，结构愈来愈复杂，发生故障的可能环节愈来愈多，机器工作的可靠性受到了愈来愈大的挑战。机器工作可靠性的高低是用机器的可靠度来衡量的。机器的可靠度是指在规定的使用时间内和预定的环境条件下机器能够正常工作的概率。对于一部机器来说，其可靠度到底应选多大？从理论上来讲，当然是愈大愈好，但可靠度愈大，机器的成本愈高。一般来说，与人的生命、国家的财产息息相关的机器，如飞机、宇宙飞船等，其可靠度设计要高一些。而一般的机械产品，可靠度设计可相对低一些。

1.2.1.3　经济性的要求

机械设计的经济性要求是指在满足机械的功能性要求的前提下，所设计的机器应最大限度地减少成本、减少能源消耗、提高效率、降低管理与维护费用。在市场竞争中，特别是我国加入WTO以后，产品的经济性是产品推向市场的一个重要性能指标，应贯穿于机械设计的全过程。

机器设计、制造的经济性表现为机器的成本低；机器使用的经济性表现为机器的高生产率，高效率，低能耗，低的管理、维护费用等。机器的经济性体现在设计、制造和使用的全过程，设计机器时就要全面考虑。在机械设计中，自始至终都应把产品设计、制造与销售三方面作为一个整体来考虑。

1.2.1.4　机械零件工艺性和标准化的要求

（1）机械零件工艺性的要求。机械零件的结构应具有良好的工艺性，是指在满足使用要求的前提下，设计周期短、加工制造容易、成本低、装拆与维护方便。设计机械零件时，应从以下几个方面考虑零件的工艺性。

①毛坯选择合理。尺寸小的零件可选用型材，尺寸大的零件可选用锻件，尺寸非常大的零件可选用铸件；生产批量小的零件可选用型材或焊接件，生产批量大的零件可选用铸件等。

②结构简单合理。机械零件的结构形状应尽量简单，如仅由平面、圆柱面组合而成；同时追求加工表面数目少，加工量小。

③确定合适的零件精度。一般零件的精度越高，机器的性能会越好。但零件的精度过高，成本将急剧增加。因此，要根据实际情况确定合适的机械零件的加工精度。

（2）机械零件标准化的要求。标准化是长期生产实践和科学研究的技术总结，是我国现行的一项重要的技术政策。许多机械零件都是标准化的零件。在机械设计中，能采用标准件的地方一定要选用标准零件，除非标准零件不能满足要求，才可自行设计。选用标准化的零件有如下好处。

①质量好、成本低。标准零件是由专门生产标准零件的标准件厂设计、加工、制造的。标准件厂拥有加工标准零件的专用设备，可进行大批量的生产。这种专用设备是一般的机械加工厂所不具备的。另外，标准件厂生产标准零件时所采用的技术也是最先进的。因此，标准化的零件质量好、成本低。

②互换性好。如标准零件失效，只需花极少代价换上一个同样型号的标准零件就能解决问题。

③采用标准化的零件可节省设计时间，使设计者能将主要精力用在关键零件的设计上。

④交流方便。机械工程技术人员主要是通过图纸交流设计思想、设计要求等，图纸的标准化程度越高，越有利于工程技术人员之间的交流。

现行的与机械零件设计有关的标准，从运用范围上讲，可分为国家标准（GB）、行业标准和企业标准三个等级；从使用的强制性来讲，可分为强制执行的标准（有关度、量、衡及人身安全等标准）和推荐使用的标准（如标准直径等）。

1.2.1.5　其他特殊要求

有些机械由于工作环境和要求的不同，对设计提出了某些特殊要求。如高级轿车的变速箱有低噪声的要求；精密仪器、仪表有防水、防振的要求；机床有在使用期限内保持规定精度的要求；食品、医药、纺织机械有不得污染产品的要求；飞行器有重量轻、阻力小的要求；重型机器有便于安装、拆卸及运输的要求等。

1.2.2　机械设计的一般程序

机械设计就是建立满足功能要求的一部机器的创造过程。作为一部完整的机器，它是一个复杂的系统。要提高机械设计质量，必须有一个科学的设计程序。一部机器的设计程序基本上可以用图1-4表示。

1.2.2.1　明确设计任务

机械设计是一项为实现机器预定目标的、有目的的活动，因此正确地决定设计目标（任务）是机械设计成功的基础。明确设计任务包括定出机器的总体目标和各项具体的技术要求，这是机械设计、优化、评价、决策的依据。

明确设计任务包括：分析所设计机器的用途、功能、各种技术经济性能指标和参数范围及预期的成本范围等；进行技术、市场调研；对同类或相近产品的技术、经济指标，同类产品的不完善性及缺陷，用户的意见和要求，目前的技术水平以及发展趋势，广泛收集材料，进行认真的分析研究，以进一步明确设计任务。

在明确设计任务，了解设计产品技术水平、市场状况的基础上制订设计方案，并对设计方案进行可行性论证。

编写机器设计任务书，包括机器的功能、主要性能指标、基本使用要求、特殊要求、工作环境（条件）、生产批量、经济性分析及设计进度等。

1.2.2.2　总体设计

一部机器的总体设计是根据设计任务书中确定的机器的功能、主要性能参数、基本使用要求进行全方位设计。要对设计任务书提出的机器功能中必须达到的要求、最低要求及希望达到的要求进行综合分析，即这些功能能否实现，多项功能间有无矛盾，相互间能否替代等。最后确定出设计机器的功能、性能参数，作为进一步设计的依据。

按照机器设计任务书提出的设计要求，确定机器的工作原理，分别按机器原动部分、传动部分及执行部分制订设计方案，并用机构运动简图表示。

总体设计时要考虑到机器的操作、维修、安装、外廓尺寸等要求；确定机器各主要部件之间的相对位置关系及相对运动关系；处理好“人—机—环境”之间的合理关系。

总体设计对机器的制造和使用都有很大的影响，为此，常需做出几个方案加以分析、比较，通过优化求解得出最佳方案。

1.2.2.3　技术设计

技术设计又称结构设计。其任务是根据总体设计的要求，确定机器各零部件的材料、形状、数量、空间相互位置、尺寸、加工和装配，并进行必要的强度、刚度、可靠性设计，若有几种方案时，需进行评价决策最后选择最优方案。技术设计阶段的目标是产生总装配草图及部件装配草图；通过草图设计确定出各部件及其零件的外形及基本尺寸，包括各部件之间的连接，零、部件的外形及基本尺寸；最后绘制零件的工作图、部件装配图和总装图。技术设计的主要内容包括以下几方面。

（1）根据制订的设计方案，确定原动机的参数（功率、转速、线速度等）。然后进行机器运动学计算，从而确定各运动构件的运动参数（转速、速度、加速度等）。

（2）结合各部分的结构及运动参数，计算各主要零件所受载荷的大小及特性。此时求出的载荷，由于零件尚未设计出来，因而只是作用于零件上的公称（或名义）载荷。

（3）已知主要零件所受的公称载荷的大小和特性，即可进行零、部件的初步设计。设计所依据的工作能力准则，须参照零、部件的一般失效情况、工作特性、环境条件等，合理地拟定。通过计算或类比，即可确定零、部件的基本尺寸。

（4）根据已定出的主要零、部件的基本尺寸，设计出部件装配草图及总装配草图。草图上需对所有零件的外形及尺寸进行结构化设计。在此步骤中，需要很好地协调各零件的结构及尺寸，全面地考虑所设计的零、部件的结构工艺性，使全部零件有最合理的构形。

（5）在绘出部件装配草图及总装配草图以后，所有零件的结构及尺寸均为已知，相互邻接的零件之间的关系也为已知。此时，可以较为精确地定出作用在零件上的载荷，决定影响零件工作能力的各个细节因素。只有在此条件下，才有可能并且必须对一些重要的或者外形及受力情况复杂的零件进行精确的校核计算。根据校核的结果，反复地修改零件的结构及尺寸，直到满意为止。

技术设计是保证质量、提高可靠性、降低成本的重要工作。技术设计是从定性到定量、从抽象到具体、从粗略到详细的设计过程。

1.2.2.4　样机制作、试验

样机制作、试验阶段是通过机器样机制造、样机试验，检查机器的功能及机器各个零部件的强度、刚度、运转精度、振动稳定性、噪声等方面的性能，并随时检查及修正设计图纸，以更好地满足设计要求；同时验证机器生产制造各工艺流程的正确性，并对不合理的工艺流程进行调整。

根据机器样机制造、试验、使用、测试、鉴定所暴露的问题，对设计图纸中的部分设计参数以及工艺流程都要进行重新修订。

1.2.2.5　定型、批量生产

机器定型、批量生产阶段是根据样机制作、试验的结果进一步完善设计图纸中的各项技术参数，以保证完成机器的功能、主要性能参数、基本使用要求；同时进一步完善机器生产制造各工艺流程，以保证机器制造工艺流程的正确性，提高生产率，降低成本，提高经济效益的一个阶段。

编制各类技术文件，包括机器的设计计算说明书、使用说明书（使用操作方法、日常保养及简单的维修方法）、标准件明细表、备用件的目录等；其他技术文件包括检验合格单、外购件明细表、验收条件等机器设计过程是智力活动过程，它体现了设计人员的创新思维活动，设计过程是逐步逼近解答方案并逐步完善的过程。设计过程中还应注意以下几点。

（1）设计过程要有全局观点，不能只考虑设计对象本身的问题，而要把设计对象看作一个系统，处理好“人—机—环境”之间的关系。

（2）善于运用创造性思维和方法，注意考虑多方案解，避免解答的局限性。

（3）设计的各阶段应有明确的目标，注意各阶段的评价和优选，以求出既满足功能要求又有最大实现可能的方案。

（4）要注意反馈及必要的工作循环。解决问题要由抽象到具体，由局部到全面，由不确定到确定。