1.2 机械设计的基本要求和一般程序

1.2.1 机械设计的基本要求

机械设计是为了实现机器的某些特定功能要求而进行的创造过程。它包含运用机械设计的基本知识、基本理论和基本方法而进行的开发新机器设备和改进现有的机器设备两种设计。机械的种类繁多，但其设计的基本要求大致相同，主要包含以下几个方面。

1．使用要求

为了生产和生活上的需要而设计和制造各种各样的机器，因此，所设计的机器必须实现预定的使用功能，这是设计机器的根本目的，也是选择和确定方案的依据。设计过程中要正确选择机器的工作原理，正确地设计或选用原动机、传动机构、执行机构以及合理地配置辅助系统等。

2．工作可靠性要求

可靠性是指机器在规定的条件下和规定的使用期限内，完成规定功能的能力。现代化机器的复杂性及现代化大规模生产的高生产率，都要求机器具有较高的可靠性。可靠性是衡量机器质量的一个重要指标，提高机器可靠性的最有效的方法是进行可靠性设计。机器可靠性的高低可用可靠度来衡量。从设计机械的角度看，为保证机械工作可靠，主要考虑以下因素：

（1）强度。零件的强度是指零件在载荷作用下抵抗断裂或者抵抗塑性变形的能力。进行零件设计时，必须根据零件承受的载荷情况，正确地设计零件结构，选择零件材料，使零件在机械工作过程中具备抵抗断裂和塑性变形的能力。

（2）刚度。刚度是指零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。零件刚度对机械的工作性能会产生重要影响，设计时应考虑保证零件有足够的刚度。

（3）耐磨性。耐磨性是指零件在载荷作用下，相对运动的零件接触表面之间的抗磨损能力。零件接触表面的磨损会削弱零件自身的强度，还会导致零件连接处的间隙增大，影响机械的工作性能。在进行零件连接处的结构设计时，需考虑耐磨性对机械正常工作及其工作性能产生的影响。

（4）耐热性。耐热性是指零件在规定的工作温度环境中抗氧化、抗热变形和抗蠕变的能力。为保证机械能够在规定的工作温度环境中正常工作，设计零件时，需对其耐热性能进行相应计算，即考虑热变形和热应力等对零件的刚度及强度等产生的影响，以及在高温下保证机械正常工作应采取的措施。

（5）避免产生共振。机械中，如果某一零件本身的固有频率与激振源的频率重合或成整数倍关系，这些零件就会发生共振（即强烈振动）。共振时振幅很大。零件强烈振动，会缩短零件和机械的使用寿命，降低机械的工作质量和工作性能，产生比较大的噪声，从而使工作环境恶化。

3．运动和动力性能要求

运动和动力性能是设计机械的重要依据，是需要考虑的重要因素。设计机械时首先根据运动要求、承载要求以及运动时的力学性能要求，确定机械的工作原理，然后再确定执行机构，随之确定机械的传动方案。

4．经济性要求

机器的经济性是一个综合指标，体现在机器的设计、制造和使用的全过程，包括设计制造经济性和使用经济性等。

1）提高设计制造的经济性

（1）采用先进的设计理论和方法，力求参数最优化，特别是采用先进制造技术，来提高设计制造效率，降低设计制造成本。

（2）合理地选用材料，合理确定零件的结构形状和尺寸，改善零件的结构工艺性，并应用新材料、新结构、新工艺和新技术。

（3）最大限度地采用标准化、系列化及通用化的零部件。

2）提高使用的经济性

（1）提高机器的效率。在方案设计及结构设计时，要从传动机构及执行机构的类型、自动化程度等方面充分考虑，提高机器的效率。

（2）合理地确定机器的寿命。机器的寿命可分为功能寿命、技术寿命和经济寿命三种。机器从开始使用至其主要功能丧失而报废所经历的时间称为功能寿命；机器从开始使用至其因技术落后而被淘汰所经历的时间称为技术寿命；机器从开始使用至其继续使用将导致经济效益显著降低所经历的时间称为经济寿命。在科学技术高速发展的今天，机器的技术寿命、经济寿命远小于功能寿命，要提高机器的使用经济性，就要由其经济寿命来确定机器更新的最佳时间。

（3）提高维修的经济性。维修能延长机器的使用寿命，但同时也要付出相应的维修费用。在机器的设计阶段，就应该从结构、防护、润滑与密封等方面提高维修的经济性，以尽可能少的、方便的维修换取尽可能大的经济效益。

机械设计除上述基本要求外，还有控制操作安全方便的要求，以及机械的造型设计美观、大方及结构紧凑等要求。

1.2.2 机械设计的主要内容

机械设计主要包括以下内容：

（1）确定机器的工作原理，选择合理的机构，拟定合理的设计方案。

（2）进行运动分析和动力分析，计算作用在各构件上的载荷。

（3）进行零部件工作能力计算，总体设计和结构设计。

1.2.3 机械设计的一般程序

机器是一个复杂的系统，要设计出高质量的机器，就必须有一个科学的设计程序。机械设计过程主要包括计划、方案设计、技术设计和技术文件编制等四个阶段。

1．计划阶段

在计划阶段，主要是根据市场信息、市场预测或用户要求确定设计任务书。设计任务书的具体内容主要包括机器的功能、用途、基本结构形式、设计进度、主要设计参数及技术经济指标等。

2．方案设计阶段

实现机器的预定功能是机器设计的核心，但实现同一功能的原理方案可有多种，通过创新构思、优化筛选，才能取得较为理想的功能原理方案。此阶段是机器设计的重要阶段，必须做到科学论证、全面评价，力求获得最佳方案。

3．技术设计阶段

技术设计的目标是绘出最终的机器总装配图、部件装配图和零件图，主要工作有以下几个方面：

（1）主要零部件的工作能力设计和结构设计。

（2）部件装配草图和总装配草图的设计。

（3）主要零件的校核计算。

（4）零件图设计。

（5）绘制最终部件装配图和总装配图。

4．技术文件编制阶段

通常要编制的技术文件有机器的设计计算说明书、使用说明书、标准件及易损件明细表等。