機械設(shè)計的基本要求和構(gòu)思方法

李元鵬 王威克

（沈陽航天三菱汽車發(fā)動機制造有限公司，遼寧 沈陽 110179）

機械設(shè)計是機械工程的重要組成部分，是機械生產(chǎn)的第一步，是決定機械性能的最主要的因素。機械設(shè)計的努力目標是：在各種限定的條件(如材料、加工能力、理論知識和計算手段等)下設(shè)計出最好的機械，即做出優(yōu)化設(shè)計。優(yōu)化設(shè)計需要綜合地考慮許多要求，設(shè)計者的任務是按具體情況權(quán)衡輕重，統(tǒng)籌兼顧，使設(shè)計的機械有最優(yōu)的綜合技術(shù)經(jīng)濟效果。

一 機械設(shè)計的基本要求

盡管機械的類型很多，但其設(shè)計的基本要求都大體相同。主要有以下幾方面：

1.實現(xiàn)預定的功能，滿足運動和動力性能的要求。所謂功能是指用戶提出的需要滿足的使用上的特性和能力，它是機械設(shè)計的最基本出發(fā)點。在機械設(shè)計過程中，設(shè)計者一定要使所設(shè)計的機械實現(xiàn)功能的要求。為此，必須正確地選擇機械的工作原理、機構(gòu)的類型和擬訂機械傳動系統(tǒng)方案，并且所選擇的機構(gòu)類型和擬訂的機械傳動系統(tǒng)方案，能滿足運動和動力性能的要求。運動要求是指所設(shè)計的機械應保證實現(xiàn)規(guī)定的運動速度和運動規(guī)律，滿足工作平穩(wěn)性、起動性、制動性能等要求。動力要求是指所設(shè)計的機械應具有足夠的功率，以保證機械完成預定的功能。為此，要正確設(shè)計機械的零件，使其結(jié)構(gòu)合理并滿足強度、剛度、耐磨性和振動穩(wěn)定性等方面的要求。

2.可靠性和安全性的要求。機械的可靠性是指機械在規(guī)定的使用條件下，在規(guī)定的時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。安全可靠是機械的必備條件，為了滿足這一要求，必須從機械系統(tǒng)的整體設(shè)計、零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料及熱處理的選擇、加工工藝的制訂等方面加以保證。

3.市場需要和經(jīng)濟性的要求。在產(chǎn)品設(shè)計中，自始至終都應把產(chǎn)品設(shè)計、銷售(市場需要)及制造三方面作為一個整體考慮。只有設(shè)計與市場信息密切結(jié)合，在市場、設(shè)計、生產(chǎn)中尋求最佳關(guān)系，才能以最快的速度回收投資，獲得滿意的經(jīng)濟效益。

4.機械零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求。機械設(shè)計的成果都是以一定的結(jié)構(gòu)形式表現(xiàn)出來的，且各種計算都要以一定的結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)。所以設(shè)計機械時，往往要事先選定某種結(jié)構(gòu)形式，再通過各種計算得出結(jié)構(gòu)尺寸，將這些結(jié)構(gòu)尺寸和確定的幾何形狀畫成零件工作圖，最后按設(shè)計的工作圖進行制造、裝配組成部件乃全整臺機械，以滿足機械的使用要求。

5.工藝性及標準化、系列化、通用化的要求。機械及其零部件位只有良好的工藝性，即考慮零件的制造方便，加工精應及表面粗糙度適當，易于裝拆。設(shè)計時，零部件和機器參數(shù)應盡可能標準化、通用化、系列化，以提高設(shè)計質(zhì)量，降低制造成本，并且使設(shè)計者將主要精力用在關(guān)鍵零件的設(shè)計上。

二 構(gòu)思設(shè)計方法的原理

構(gòu)思設(shè)計方法是研究如何合理地進行設(shè)計思維的科學，是研究解決設(shè)計課題進程的一般性理論，一方面研究進程的戰(zhàn)略即進程總路線、另一方面研究行工作步驟相應的戰(zhàn)術(shù)方法。在總結(jié)規(guī)律基礎(chǔ)上，后發(fā)創(chuàng)造性，采用現(xiàn)代化的技術(shù)理論方法，使設(shè)計過程完善合理。在機械設(shè)計中采用這種方法，能使所設(shè)計的機械系統(tǒng)(產(chǎn)品)推陳出新，在質(zhì)量、經(jīng)濟價值、進程速度等方面有較大的改進。

1.技術(shù)過程和技術(shù)系統(tǒng)

構(gòu)思設(shè)計方法的重要理論基礎(chǔ)是“系統(tǒng)工程”理論。系統(tǒng)的功能是指具有特定結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，在其內(nèi)部和外部的聯(lián)系和關(guān)系中表現(xiàn)出來的能夠滿足需要的特性和能力。技術(shù)系統(tǒng)是設(shè)計時分析研究的對象，簡而言之，就是要設(shè)計的機械系統(tǒng)。構(gòu)思設(shè)計方法把機械、設(shè)備、儀器、零件、零件均看作系統(tǒng)。對應技術(shù)過程中不同轉(zhuǎn)換的需要，可以認為機械是主要傳遞能量的技術(shù)系統(tǒng)，設(shè)備是主要傳遞物料的技術(shù)系統(tǒng)，儀器是主要傳遞信號的技術(shù)系統(tǒng)。

2.黑箱法

黑箱法是一種尋求系統(tǒng)總功能的創(chuàng)造性思維方法。“黑箱”就是一個未知其內(nèi)部機理和結(jié)構(gòu)的箱子?！昂谙浞ā本褪菍⑺芯康膹碗s系統(tǒng)看作一個黑箱，在不打開它的前提下，暫時忽略次要因素，首先集中考慮系統(tǒng)的輸入輸出關(guān)系，通過觀測和分析黑箱與外部環(huán)境的相互關(guān)系，求解待設(shè)計系統(tǒng)的功能，從而進一步了解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的機理。

3.功能分析和模幅箱

功能，簡而言之，就是產(chǎn)品的用途或技術(shù)系統(tǒng)能獨立先成的任務。功能分析是從功能的角度尋求設(shè)計問題的解決辦法。首先根據(jù)設(shè)計任務確定系統(tǒng)的總功能。系統(tǒng)的總功能體現(xiàn)在將輸入條件轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)的輸出條件上?？偣δ艽_定后，進行功能分解，將總功能分解為分功能、子功能直至功能元，功能元是最小的功能單位，是可以直接從物理效應、邏輯關(guān)系等方面找到解法的基本功能單元。一般把功能元分為物理功能元和邏輯功能元。物理功能元反映了系統(tǒng)中物料、信號和能量的物理基本作用。物理功能元可用物理基本效應求解。機械、儀器中常用的物理效應有；力學效應、電力效應、磁效應、光學效應、熱力學效應、核效應等。同—物理效應能完成不同的功能，同一功能可用不同的物理效應解決。在技術(shù)系統(tǒng)中，各種功能只有建立在以自然科學為基礎(chǔ)的技術(shù)設(shè)置上才能實現(xiàn)?，F(xiàn)代設(shè)計方法將技術(shù)設(shè)置稱為功能元的局部解或功能載體。一個功能元局部或功能載體可能是多個。

所謂模幅箱，實際上是一種形態(tài)學矩陣表格，即把機械（系統(tǒng)）的各個功能和功能元作為“列”，而把它們的各種解答作為“行”。

由形態(tài)學矩陣組成的設(shè)計方案是一種多方案設(shè)計，但設(shè)計方案數(shù)目過大，難以進行評選，一般根據(jù)以下原則篩選少數(shù)幾個設(shè)計方案供評價決策使用：相容性，即分功能解之間必須相容，否則不能組合；優(yōu)先選用主要分功能的最佳解，由該解法除伐，選擇與它相容的其他分功能解；刪除對設(shè)計要求、約束條件不滿足，或令人不滿意的解答，或成本高、效率低、污染嚴重、不安全、加工困難等。

當然，在機械設(shè)計中，無論是基本要求，還是構(gòu)思方法，并不能一成不變，有的已經(jīng)失去其意義，在生產(chǎn)實踐中，我們要不斷推陳出新，把有利于機械設(shè)計的方式和方法推廣到一線去。