机械设计知识概述
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第二章机械设计概述
机械是人类进行生产和生活的主要体力劳动工具。
随着生产技术的不断发展和人民生活水平的日益提高，机械产品品种和门类日益增多，例如，各种各样的金属切削机床、仪器仪表、工程机械、重型机械、轻工机械、纺织机械、食品包装机械、石油化工机械、产品加工机械、交通运输机械、海洋作业机械、钢铁成套设备、发电设备以及办公设备、家用电器、儿童玩具等等。
在现代社会，人们运用各种类型的机械，以改善劳动条件，提高劳动生产率和产品质量。
同时，随着经济的发展，人们也运用越来越多的机械，以提高自身的生活质量。
可以说，国民经济各部门及人类自身生活中使用机械的程度，是整个社会发展水平的重要标志之一。
机械工程是在西方工业革命后形成系统的技术科学，从明代我国逐步引进了此技术，但是至今我们在机械设计方面不属于世界先进行列。
主要问题是：1、缺乏技术价值观念。
2、缺乏大量技术实践。
3、教学与工厂实际脱离，把机械技术变成了读书，缺乏对机械技术的全面实践，培养的人不能动手，不会设计真实东西。
工业设计师应当是通才。
从专业要求看，必须了解机械工艺、材料、成本等方面的内容，理解工程师的思维方式，才能够较顺利设计产品。
此课程主要培养学生在机械技术和设计方面的职业思维方式和行为方式，对机械产品有实际经验，通过拆装实验，讨论，解决实际产品设计，从中了解设计过程。
照传统说法，一切机器都可分为三部分，动力源、传动和执行机构。
一切机器的作用不外两点，一是利用能量来代替微弱的人力、畜力，另一则用机器的运动来代替人手的动作。
虽然两者都是为了减轻劳动，可是它们发展的历史却很不一样。
能源开发是近代的成就，应该说由水车开始，而且从历史眼光看其发展并不能说很快，一般是量变。
用机器运动来代替手工动作则历史长得多，而且进步也比较大。
只要比较一下上古制作陶器的陶车和近代在人的大脑中进行外科手术的机器人便清楚了。
这可能是因为能源开发虽然艰巨，其目标却是单一的。
用机器运动代替人工劳动，目的是多种多样的，随着人类生活的发展而不断变化。
因此形成很多复杂的行业。
到底机器的哪部分是用来产生代替人手的动作呢?事实上这和传统的原则性的说法略有不同。
倘若机器要执行的动作非常简单，则动力源一传动一执行这划分还是对的。
但近代机器常常极其复杂，对它要求的动作也非常精细而且复杂。
这种精细复杂的运动，通常要从传动中获得。
这就使机器的传动部分和执行部分的界限模糊了，同时也使传动成为更复杂的技术。
表面上好像很简单的问题，做起来可能会很困难。
在这里提及一个历史上的例子：当瓦特设计他的蒸汽机时，他需要一个直线运动来带动阀门。
从表面看这是—个很简单的问题，在今天用一个导轨便成了。
但在那时的加工设备和润滑技术，还不能制出导轨，而须用连杆。
但瓦特想不出这样一种连杆，便要求格拉斯哥大学的数学家们帮忙，但数学家们也想不出。
后来事情传开了，竟发现全世界的数学家都解决不了这问题。
瓦特只得用了一个近似的直线机构。
这问题直到瓦特死后几十年，才由一位法国数学家解决了。
这一事实说明了在机器上对传动机构要求之高和问题解决之难。
只要机器还在使用，传动机构也必然要继续发展。
各种各样的机械是国民经济许多部门及其他领域的重要装备。
随着科学技术和工业生产的发展，对机械产品不时提出新要求，除了优质、高效、低能耗、低廉价格之外，突出的课题是性能优
越的、适应高精尖发展的机械功能。
一般地说，机械设备均为实现某种工艺动作过程，或者实现生产过程与操作自动化。
在新形势下，必须致力搞好创新设计，不断推出新产品来抢占市场，满足客观需求。
机械的创新设计的着重点是机构设计，也就是机械运动方案设计。
机构系统设计的核心，是选择灵巧的工艺动作过程、满意地达到特定的机械功能要求。
机构系统的开发、设计，机构的选用和它们的巧妙组合，就是为了实现特定的机械功能。
机构系统设计的好坏，直接影响机械产品的性能、效率、成本，因此愈来愈为人们重视。
不言而喻，产品设计是决定产品性能、质量、水平和经济效益的重要环节。
随着市场经济的不断发展，商品竞争必然愈来愈剧烈。
一个产品是否具有市场竞争能力，在很大程度上取决于产品的设计。
产品设计如有闪失，则常常是属于根本性的问题，对产品生产、市场竞争的贻误，可能会造成灾难性后果。
因此，必须高度重视设计，尽心尽力搞好设计。
§2.1 机器、机构与机械的基本概念
机械设计的研究对象是机器和机构。
那么什么是“机器”和“机构”呢?
机器这个概念，在18世纪工业革命以后，得以逐步充实和完善。
随着科学技术的飞跃发展，特别是70年代末、80年代初兴起的世界范围的新技术革命，对于机器的设计与制造具有深刻和广泛的影响，“机器”的含义相应逐渐在更新与变化。
对于现代机器，由于广泛采用机电一体化，可以把机器定义为：机器是一种具有操纵控制系统的、作机械运动的装置，它用来变换能量、物料和信息，以代替或减轻人的体力劳动和脑力劳动。
在这个定义中，物料是指被加工的对象、被搬运的重物。
根据机器用途的不同，我们又可把机器分为动力机器、加工机器和信息机器。
动力机器是把任何一种能量变换成机械能，或者把机械能变换成其他形式的能量。
例如，内燃机、压气机、涡轮机、电动机、发电机等等都属于动力机器。
加工机器的用途是完成有用的机械功或搬运物品。
例如，金属切削加工机床、轧钢机、织布机、缝纫机、包装机、汽车、机车、飞机、起重机、输送机等等都是。
信息机器是用来获得和变换信息。
如果信息是以数字形式表示的，则该信息机器就称为计数机
或计算机。
计数机有计算器、机械式积分仪、记账机等。
打字机、绘图仪等等也是属于信息机器。
对于实现数学运算的电子计算机（指CPU、控制器、运算器和内存等），由于它并没有机械运动的存在，从机构学的观点来看，电子计算机不能算是机器，但计算机整机中的软盘驱动器、硬盘（驱动器）、光盘驱动器、电源风扇、CPU风扇等仍包含有机械运动，需要相应的传动机构去完成各种运动要求。
在这里，必须指出的是机器与其他装置(或设备)的主要不同点：机器一定要作机械运动，并用机械运动来实现能量、物料和信息的变换。
凡是在没有人的直接参与下，能完成能量、物料和信息的整个变换过程的机器，称为自动机。
自动机中的各个机械动作，一般都采用各种各样的机构来完成的。
完成一定工艺过程的自动机群，通过自动运输装置联接起来，可组成自动线。
机器，特别是自动机，在正确使用的情况下，能减轻人的劳动、提高生产率和保证高质量地完成工作过程。
随着各种各样新机构的出现，“机构”的定义也应有所变化。
以前人们认为机构只能由刚体所组成（狭义机构），现在已经把液体和气体都认为直接参与机械运动的变换，同时把在特定条件下的可变形体和挠性体参与机械运动的变换（广义机构）。
因此，机构可以定义为：机构是用作把一个或几个刚体的运动变换成其他刚体所需的运动的机械装置。
如果液体或气体也参与运动的变换，这种机构就相应地称为液动机构或气动机构。
从对各种各样机器的分析可以看出，各个机器的主要组成部分都是各种机构。
一部比较复杂的、完整的机器，可能包含多种类型的机构。
例如，内燃机由曲柄滑块机构、凸轮机构和齿轮机构组成的。
但是，简单的机器，也可能只包含一种机构，例如，手工送料的冲床就是由曲柄滑块机构单一机构构成的。
一部机器，特别是自动机，由于要实现较为复杂的工艺动作过程，往往有较多的各种类型的机构来组成的。
近年来，随着机电一体化的广泛应用，一部机器中的机构数目和复杂程度都有下降的趋势，但是从机器必须实现某一工艺动作过程来看，机构还是大多数机器的最重要部分。
此外，在
仪器、设备和日常用具中，也大量用到各种机构；因此，研究机构的结构和设计受到了机械设计人员的重视。
各种类型的机器，尽管它们的用途、结构和性能不相同，但都有如下三个共同的特征：
（1）它们都是人为的实物组合；
（2）它们各部分之间具有确定的相对运动；
（3）在工作时能代替或减轻人类的劳动，或完成有用的机械功，或转换机械能。
作为机构，只具备机器的前两个特征，而不能完成有用的机械功或转换机械能。
为了简化叙述，人们常常用“机械”一词作为“机构”和“机器”的总称。
图0—1所示的内燃机即为常见通用机械之一，它由气缸体(连同机架)、活塞、连杆、曲轴、齿轮、凸轮、进气阀推杆和排气阀推杆等组成。
燃烧的气体膨胀时推动活塞，通过连杆推动曲轴转动。
转动的曲轴通过齿轮带动凸轮轴控制进气与排气，同时输出机械能。
内燃机工作时能将燃气的热能转变为曲轴旋转的机械能，因此，它是一台典型的机器。
能够将其它形式的能量转换为机械能的机器称为原动机，如电动机、内燃机、涡轮机等。
能够利用机械能来完成有用功，或者能将机械能转变为其它形式能量的机器统称为工作机，如金属切削机床、起重机，空气压缩机等。
在图0—1所示的内燃机中，为了将热能
转换为机械能，必须依靠各个最基本的组合体的协调动作。
这些最基本的组合体就是机构。
图中凸轮4、进气阀2的推杆与气缸体1组成一凸轮机构；凸轮5、排气阀3的推杆与气缸体1也组成一凸轮机构；活塞11(称为滑块)、连杆10、曲轴8(称为曲柄)与气缸体1组成曲柄滑块机构；齿轮7、6和气缸体1组成齿轮机构。
机构是由各个具有确定相对运动的运动单元所组成的。
这些运动单元称为构件。
构件可以是单一的零件，也可以是几个零件组成的刚性整体。
例如齿轮、轴和键这三个零件可联接成一个构件。
构件和零件的区别是。
构件是运动的单元，而零件是制造的单元。
在各种机械设备中都会用到的零件，称为通用零件，如螺栓、键、轴承、齿轮等。
只是在某些机械设备中用到的零件，称为专用零件，如活塞、曲轴等。
§2.2 机械设计概述
一、设计基本概念
设计一词的英语为Design，它源于拉丁语Designar，由De（记下）与Signare （符号、记号、图形等）两词组成。
因此，“设计”的最初含义是将符号、记号、图形之类记下来的意思。
随着生产的发展和科学技术的进步，设计的内涵不断向深度和广度发展，设计的含义愈来愈深刻和愈来愈先进。
设计是人类改造自然的基本活动之一，设计是复杂的思维过程，设计过程蕴含着创新和发明的机会。
设计的目的是将预定的目标，经过一系列规划与分析决策，产生一定的信息（文字、数据、图形），形成设计，并通过制造，使设计成为产品，造福人类。
设计过程是指明确设计任务到编制技术文件所进行的整个设计工作的流程。
一般来说，整个设计过程可分为明确设计任务要求、原理方案设计、技术设计、施工设计四个主要阶段。
现代设计是过去设计活动的延伸和发展。
随着设计实践经验的积累，生产和科技的飞速发展，使设计思想、理论、方法和手段得到不断的丰富、充实和发展，促进了传统设计方法的变革，使现代设计方法随之产生。
现代设计方法使机械产品的设计工作发生了质的变化，促进了机械产品的改进、更新、升级、换代速度的加快。
机械产品的设计由于情况不同可以有三类不同的设计：
1．开发性设计：在工作原理、结构等完全未知的情况下，应用成熟的科学技术或经过实验证明是可行的新技术，设计出过去没有过的新型机械。
这是一种完全创新的设计。
2．适应性设计：在原理方案基本保持不变的前提下，对产品作局部的变更或设计一个新部件，使产品在质和量方面更能满足使用要求。
3．变型设计：在工作原理和功能结构都不变的情况下，变更现有产品的结果配置和尺寸，使之适应于更多的容量的要求。
这里的容量含义很广，如功率、转矩、加工对象的尺寸、速比范围等等。
在机械产品设计中，开发性设计目前还占少数，为了充分发挥现有机械产品的潜力，适应性设计和变型设计就显得格外重要。
但是，作为一个设计人员，不论从事哪一类设计，都应该在“创新”上下功夫。
“创新”可以使开发性设计、适应性设计和变型设计别具一格，耳目一新。
市场竞争的日益加剧，设计人员必须把新产品的开发放在重要位置上，使产品不断更新、技术储备更加增强，这样才能在市场竞争中立于不败之地。
二、机械设计发展情况
人类的设计工作大致经历了三个阶段：
(一)直觉设计阶段
为了有效地从事生产、抵御野兽的侵害和其他部落的掠夺，人们发明了弓箭、杠杆、辘轳、轮车、风车、水力机械、畜力机械等等。
那时人们只是从自然现象中得到启示，或是全凭直观感觉来设计制作工具和机械。
一般只知道这些工具和机械能够省力、提高工效，但不知其所以然。
直觉设计往往带有一定的盲目性。
(二)经验设计阶段
自17世纪数学与力学的结合以后，人们开始运用经验数学公式来解决设计中的一些问题，如材料和结构件的应力和强度计算等。
18世纪工业革命后，机器的创造发明层出不穷。
19世纪科技发展更是促进设计工作的发展。
这阶段设计的特点是主要依靠个人的才能和经验，运用一些基本设计计算理论借助类比、模拟和试凑等设计方法来进行的。
一般来说，经验设计只能满足基本的功能要求，但在成本、性能、质量诸方面都可能有很大的局限性。
这一阶段的产品完善周期一般很长，一个产品从发明到实际应用，往往需要几十年甚至上百年的改进演变过程。
(三)半理论半经验设计阶段
本世纪初，图纸设计法替代了试凑法，大大提高了设计效率和设计质量，减少了设计中的浪费。
这个阶段由于加强了设计基础理论和各种专业机械产品设计机理的研究，从而为设计提供了数据、图表和手册等；由于加强了关键零部件的设计研究，大大提高了设计速度和成功率；由于加强了“三化”研究，即零件标准化、部件通用化、产品系列化，进一步提高了设计的速度和质量，降低了产品的成本。
这样也可以使设计减少盲目性，增加合理性。
但是，这一阶段的设计还缺乏系统化的观点，尚无创新开发的办法和综合优化的思想。
因此，它还没有完全摆脱经验设计的局面。
三、现代设计方法的产生
如上所述，现代设计是过去设计活动的延伸和发展。
50年代后期到60年代初期，由于电子计算机日渐广泛的采用、设计方法学和创造方法学的迅速发展以及科学技术的进步，使人们在掌握事物的客观规律与人的思维规律的同时，运用有关科学、技术原理进行复杂的、甚至在这以前认为不可能的计算和设计，从而机械产品的设计工作发生了质的变化。
大约于本世纪六十年代末期，在机械产品设计领域中，国际上相继出现了一系列新兴学科分支，主要有设计方法学、优化设计、价值工程、计算机辅助设计(CAD)、可靠性设计、工业艺术造型设计、模块化设计、反求工程；有限元法、机械动态设计等等；还有不少新的设计方法，如相似性设计、系统化设计、人机学、模态设计、动态设计、疲劳设计等等。
其中不少技术已日趋成熟，并得到广泛应用。
人们把国际上新崛起的有关设计的新兴学科称为现代设计。
现代设计在设计指导思想、设计对象、设计方法和设计手段都有着显著特点和先进性。
从设计指导思想来看，它由过去的经验、类比方法提高到逻辑的、理性的、系统的新设计方法；从设计对象上来看，它考虑了人、机、环境的相互协调，从而发挥产品的最大潜力或提高系统的有效性；从设计方法上来看，它广泛采用CAD、优化设计、可靠性设计、工业艺术造型设计、创造性设计，使设计的水平有一个质的飞跃；从设计手段上来看，它充分采用电子计算机进行计算、自动绘图和数据库管理等。
这样大大提高了设计的准确性、稳定性和设计效率，并且使修改设计十分方便。
设计思想、设计方法、设计工具。
现代设计方法在机械运动简图设计中的应用，必然会使这项设计摆脱经验、类比设计的局面，能在较短的时间内得到一个较为理想的机械运动简图。
四、机械设计的一般进程
机械设计过程并没有一个通用的固定的顺序，而须按具体情况确定。
机械设计的一般
进程，可分为产品规划、方案设计、详细设计和改进设计四个阶段。
下面探讨其各阶段的设计任务。
(一)产品规划阶段
在产品规划阶段的中心任务包括：确定设计目的（需求分析、市场预测）和设计思想，可行性分析，确定设计参数及制约条件，最后给出详细的设计任务书（或要求表），作为设计、评价和决策的依据。
产品开发是从需求识别开始的。
优秀的设计人员应该具有敏锐的预感能力，在市场竞争形势中，分析出社会的需要，并抢在市场需要前完成产品的开发和试制工作。
需求有两种：一种为显需求，即人们都知道的需求；另一种是隐需求，即人们还没有意识到的、但客观存在的那种需求。
设计人员的任务，不仅仅去不断改进、提高那些满足人们显需求的产品，更重要的是要去开发那些满足人们隐需求的产品。
需求：发现现有产品中存在的问题（普遍性问题和难点性问题），包括产品功能、性能质量、数量等的具体要求；竞争对手在技术、经济方面的优缺点；现有产品的销售情况等等。
对产品开发中的重大问题，经过技术、经济、社会各方面条件的详细分析和对开发可能性的综合研究，提出产品开发的可行性报告，报告一般包括以下内容：
(1)产品开发的必要性，市场需求预测；
(2)有关产品的国内外水平和发展趋势；
(3)预期达到的最低目标和最高目标，包括设计水平、技术、经济、社会效益等；
(4)提出设计、工艺等方面需要解决的关键问题；
(5)在现有条件下开发的可能性论述及准备采取的措施；
(6)预算投资费用及项目的进度、期限。
(二)方案设计阶段
市场需求的满足或适应，是以产品的功能来体现的。
产品功能与产品设计是因果关
系，但又不完全相同。
体现同一功能的产品，可以多种多样。
因此这一阶段就是在功能分析的基础上，通过创新构思、探赜索隐、优化筛选，取得较理想的功能原理方案。
对于机械产品来说，机械运动示意图(机械运动方案图)和机械运动简图的设计就是方案设计阶段的主要内容。
产品功能原理方案的好坏，决定着产品性能和成本，关系到产品水平及竞争能力，是这一设计阶段的关键。
方案设计阶段要完成产品功能分析、功能原理求解和评价决策得到最佳功能原理方案，也就是初步完成机械运动方案的设计，为进一步进行机械运动简图设计打下基础。
(三)详细设计阶段
将表述功能原理的机械运动简图使之实现功能原理方案，须得予以具体化，成为机器及其零部件的合理结构，这是详细设计阶段的任务。
因此，要完成产品总体设计、部件和零件设计、全部生产图纸，并编制设计说明书等有关技术文件。
在此阶段中，零部件的结构形状、装配关系、材料选择、尺寸大小、加工要求、表面处理、总体布置等设计合理与否，对产品的技术性能和经济指标都有着直接的影响。
为此，设计人员应注意：
(1)零部件设计必须满足其设计功能要求；
(2)要考虑功能的合理分配和零件结构形状的合理设计；
(3)从便于制造加工和降低成本考虑，力求零件结构形状简单，加工面少，材料利用率高；
(4)常用零件尽可能标准化、通用化、组合化；
(5)总体设计还应满足总功能、人机工程、造型美学、包装和运输等方面的要求。
详细设计的步骤一般由总装草图分拆成部件、零件草图，经审核无误后，再由零件工作图、部件图绘制出总装图。
最后还要编制技术文件，如设计说明书，标准件、外购件明细表，备件、专用工具明细表等等。
(四)改进设计阶段
试制产品根据试验、使用、鉴定中所暴露的问题，进一步从设计上完善相应的技术和效能，以确保产品质量。
这是改进设计阶段的主要任务，是整个设计过程中不可分割的一部分，决不允许可有可无。
通过这一阶段的工作，产品的效能、可靠性和经济性提高之后，产品就更具有生命力。
总之，按上述一般进程有步骤地设计对提高设计质量有较好的效果。
五、机械设计的基本要求
一个产品，只有在技术性能、经济指标、整体造型、操作使用和可维修性等方面得到统筹兼顾、协调一致等得以满足，这样的设计才是合理的，才会受到用户的欢迎。
因此，如何拟定机械设计的要求，是产品设计中一个重要的前提。
(一)拟定设计要求的原则与方法
设计要求拟定的一般原则是：详细而明确，合理而又先进。
详细就是尽可能列出全部设计要求，编制出一份设计要求明细表；明确就是对设计要求尽可能定量化。
合理就是对设计要求的提出要适度、要实事求是；先进就是与国内外同类产品相比，产品的功能或技术性能、经济指标方面具有一定的领先优势。
设计要求定量化方法，视具体产品的情况而定。
有些产品可依据国际标准、国家标准或专业标准来确定；有些可通过直接计算而得；有些可通过统计法、类比法、估算法、试验法等来确定。
(二)设计要求
设计要求可分为主要要求和次要要求。
主要要求是指直接关系到产品的功能、性能、技术经济指标的那些要求，次要的要求是指间接关系到产品质量的那些要求。
1．主要要求
(1)功能要求：即产品的功用。
可以从人机功能分配、价值工程原理和技术可行性等三方面来分析。
