1.2 機械設計的基本要求和一般程序

1.2.1 機械設計的基本要求

機械設計是為了實現機器的某些特定功能要求而進行的創造過程。它包含運用機械設計的基本知識、基本理論和基本方法而進行的開發新機器設備和改進現有的機器設備兩種設計。機械的種類繁多，但其設計的基本要求大致相同，主要包含以下幾個方面。

1．使用要求

為了生產和生活上的需要而設計和制造各種各樣的機器，因此，所設計的機器必須實現預定的使用功能，這是設計機器的根本目的，也是選擇和確定方案的依據。設計過程中要正確選擇機器的工作原理，正確地設計或選用原動機、傳動機構、執行機構以及合理地配置輔助系統等。

2．工作可靠性要求

可靠性是指機器在規定的條件下和規定的使用期限內，完成規定功能的能力。現代化機器的復雜性及現代化大規模生產的高生產率，都要求機器具有較高的可靠性。可靠性是衡量機器質量的一個重要指標，提高機器可靠性的最有效的方法是進行可靠性設計。機器可靠性的高低可用可靠度來衡量。從設計機械的角度看，為保證機械工作可靠，主要考慮以下因素：

（1）強度。零件的強度是指零件在載荷作用下抵抗斷裂或者抵抗塑性變形的能力。進行零件設計時，必須根據零件承受的載荷情況，正確地設計零件結構，選擇零件材料，使零件在機械工作過程中具備抵抗斷裂和塑性變形的能力。

（2）剛度。剛度是指零件在載荷作用下抵抗彈性變形的能力。零件剛度對機械的工作性能會產生重要影響，設計時應考慮保證零件有足夠的剛度。

（3）耐磨性。耐磨性是指零件在載荷作用下，相對運動的零件接觸表面之間的抗磨損能力。零件接觸表面的磨損會削弱零件自身的強度，還會導致零件連接處的間隙增大，影響機械的工作性能。在進行零件連接處的結構設計時，需考慮耐磨性對機械正常工作及其工作性能產生的影響。

（4）耐熱性。耐熱性是指零件在規定的工作溫度環境中抗氧化、抗熱變形和抗蠕變的能力。為保證機械能夠在規定的工作溫度環境中正常工作，設計零件時，需對其耐熱性能進行相應計算，即考慮熱變形和熱應力等對零件的剛度及強度等產生的影響，以及在高溫下保證機械正常工作應采取的措施。

（5）避免產生共振。機械中，如果某一零件本身的固有頻率與激振源的頻率重合或成整數倍關系，這些零件就會發生共振（即強烈振動）。共振時振幅很大。零件強烈振動，會縮短零件和機械的使用壽命，降低機械的工作質量和工作性能，產生比較大的噪聲，從而使工作環境惡化。

3．運動和動力性能要求

運動和動力性能是設計機械的重要依據，是需要考慮的重要因素。設計機械時首先根據運動要求、承載要求以及運動時的力學性能要求，確定機械的工作原理，然后再確定執行機構，隨之確定機械的傳動方案。

4．經濟性要求

機器的經濟性是一個綜合指標，體現在機器的設計、制造和使用的全過程，包括設計制造經濟性和使用經濟性等。

1）提高設計制造的經濟性

（1）采用先進的設計理論和方法，力求參數最優化，特別是采用先進制造技術，來提高設計制造效率，降低設計制造成本。

（2）合理地選用材料，合理確定零件的結構形狀和尺寸，改善零件的結構工藝性，并應用新材料、新結構、新工藝和新技術。

（3）最大限度地采用標準化、系列化及通用化的零部件。

2）提高使用的經濟性

（1）提高機器的效率。在方案設計及結構設計時，要從傳動機構及執行機構的類型、自動化程度等方面充分考慮，提高機器的效率。

（2）合理地確定機器的壽命。機器的壽命可分為功能壽命、技術壽命和經濟壽命三種。機器從開始使用至其主要功能喪失而報廢所經歷的時間稱為功能壽命；機器從開始使用至其因技術落后而被淘汰所經歷的時間稱為技術壽命；機器從開始使用至其繼續使用將導致經濟效益顯著降低所經歷的時間稱為經濟壽命。在科學技術高速發展的今天，機器的技術壽命、經濟壽命遠小于功能壽命，要提高機器的使用經濟性，就要由其經濟壽命來確定機器更新的最佳時間。

（3）提高維修的經濟性。維修能延長機器的使用壽命，但同時也要付出相應的維修費用。在機器的設計階段，就應該從結構、防護、潤滑與密封等方面提高維修的經濟性，以盡可能少的、方便的維修換取盡可能大的經濟效益。

機械設計除上述基本要求外，還有控制操作安全方便的要求，以及機械的造型設計美觀、大方及結構緊湊等要求。

1.2.2 機械設計的主要內容

機械設計主要包括以下內容：

（1）確定機器的工作原理，選擇合理的機構，擬定合理的設計方案。

（2）進行運動分析和動力分析，計算作用在各構件上的載荷。

（3）進行零部件工作能力計算，總體設計和結構設計。

1.2.3 機械設計的一般程序

機器是一個復雜的系統，要設計出高質量的機器，就必須有一個科學的設計程序。機械設計過程主要包括計劃、方案設計、技術設計和技術文件編制等四個階段。

1．計劃階段

在計劃階段，主要是根據市場信息、市場預測或用戶要求確定設計任務書。設計任務書的具體內容主要包括機器的功能、用途、基本結構形式、設計進度、主要設計參數及技術經濟指標等。

2．方案設計階段

實現機器的預定功能是機器設計的核心，但實現同一功能的原理方案可有多種，通過創新構思、優化篩選，才能取得較為理想的功能原理方案。此階段是機器設計的重要階段，必須做到科學論證、全面評價，力求獲得最佳方案。

3．技術設計階段

技術設計的目標是繪出最終的機器總裝配圖、部件裝配圖和零件圖，主要工作有以下幾個方面：

（1）主要零部件的工作能力設計和結構設計。

（2）部件裝配草圖和總裝配草圖的設計。

（3）主要零件的校核計算。

（4）零件圖設計。

（5）繪制最終部件裝配圖和總裝配圖。

4．技術文件編制階段

通常要編制的技術文件有機器的設計計算說明書、使用說明書、標準件及易損件明細表等。