機械設計方法與技術

1.任國彪 2.張 強

1.沈陽新松智能驅動股份有限公司 2.沈陽藍英工業(yè)自動化裝備股份有限公司

機械設計方法與技術

1.任國彪 2.張 強

1.沈陽新松智能驅動股份有限公司 2.沈陽藍英工業(yè)自動化裝備股份有限公司

機械設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。機械設計努力的目標是：在各種限定的條件下設計出最好的機械；現(xiàn)代機械設計的常用方法有：分析設計法、創(chuàng)造性設計方法、機械可靠性設計、有限元分析方法、優(yōu)化設計方法、動態(tài)分析設計法和反求工程設計等。

機械設計方法；設計技術

1.機械設計的分類

機械設計可分為新型設計、繼承設計和變型設計三類。

1)新型設計：應用成熟的科學技術或經(jīng)過實驗證明是可行的新技術，設計過去沒有過的新型機械。

2)繼承設計：根據(jù)使用經(jīng)驗和技術發(fā)展對已有的機械迸行設計更新，以提高其性能、降低其制造成本或減少其運用費用。

3)變型設計：適應新的需要對己有的機械作部分的修改或增刪而發(fā)展出不同于標準型的變型產(chǎn)品。

2.機械設計的程序

機器的設計階段是決定機器好壞的關鍵。對一部機器的設計程序的各階段分別加以簡要說明。

(1)計劃階段

在根據(jù)生產(chǎn)或生活的需要提出所要設計的新機器后，計劃階段只是一個預備階段。此時，對所要設計的機器僅有一個模糊的概念。

在設計階段中，應對所設計的機器的需求情況做充分的調查研究和分析。通過分析，進一步明確機器所應具有的功能，并為以后的決策提出由環(huán)境、經(jīng)濟、加工以及時限等各方面所確定的約束條件。在此基礎上，明確地寫出設計任務的全面要求及細節(jié)，最后形成設計任務書，作為本階段的總結。設計任務大體應包括：機器的功能，經(jīng)濟性及環(huán)保性的估計，制造要求方面的大致估計，基本使用要求，以及完成設計任務的預計期限等。此時，對這些要求及條件一般也只能給出一個合理的范圍，而不是準確的數(shù)字。

(2)方案設計階段

本階段對設計的成敗起關鍵的作用。這一階段中也充分地表現(xiàn)出設計工作有多個解(方案)的特點。

機器的功能分析，就是要對設計任務書提出的機器功能中，必須達到的要求、最低要求及希望達到的要求進行綜合分析，即這些功能能否實現(xiàn)，多項功能間有無矛盾，相互間能否替代等。最后確定出功能參數(shù)，作為進一步設計的依據(jù)。在這一步驟中，要恰當處理需要與可能、理想與現(xiàn)實、發(fā)展目標與當前目標等之間可能產(chǎn)生的矛盾問題。

確定出功能參數(shù)后，即可提出可能的解決辦法，亦即提出可能采用的方案。

尋求方案時，可按原動部分、傳動部分及執(zhí)行部分分別進行討論。較為常用的辦法是光從執(zhí)行部分開始討論。

討論執(zhí)行部分時，首先是關于工作原理的選擇問題。工作原理不同，當然所設計出的機器就會根本不同。特別應強調的是，必須不斷研究和發(fā)展新的工作原理。這是設計技術發(fā)展的重要途徑。根據(jù)不同的工作原理，可以擬定多種不同的執(zhí)行機構的具體方案。

原動機部分的方案當然也可以有多種選擇。由于電力供應的普遍性和電力拖動技術的發(fā)展，現(xiàn)在可以說絕大多數(shù)的固定機械都優(yōu)先選擇電動機作為原動機部分。熱力原動機主要用于運輸機、工程機械或農(nóng)業(yè)機械。即使是用電動機作為原動機，也還有交流和直流的選擇，高轉速和低轉速的選擇等。

傳動部分的方案就更為復雜多樣了。對于同一傳動任務，可以由多種機構及不同機構的組合來完成。因此，如果IV表示原動機部分的可能方案數(shù)，N2和N3分別代表傳動部分和執(zhí)行部分的可能方案數(shù)，則機器總體的可能方案數(shù)IV為N1×N2×N3個。

以上僅是就組成機器的三個主要部分討論的。有時，還須考慮到配置輔助系統(tǒng)。

進行機器評價時，還必須對機器的可靠性進行分析，把可靠性作為一項評價的指標。從可靠性的觀點來看，盲目地追求復雜的結構往往是不明智的。一般地講，系統(tǒng)越復雜，則系統(tǒng)的可靠性就越低。為了提高復雜系統(tǒng)的可靠性，就必須增加并聯(lián)備用系統(tǒng)，而這不可避免地會提高機器的成本。

環(huán)境保護也是設計中必須認真考慮的重要方面。對環(huán)境造成不良影響的技術方案，必須詳細地進行分析，并提出技術上成熟的解決辦法。

通過方案評價，最后進行決策，確定一個據(jù)以進行下步技術設計的原理圖或機構運動簡圖。

在方案設計階段，要正確地處理好借鑒與創(chuàng)新的關系。同類機器成功的先例應當借鑒，原先薄弱的環(huán)節(jié)及不符合現(xiàn)有任務要求的部分應當加以改進或者根本改變。既要積極創(chuàng)新，反對保守和照搬原有設計，也要反對一味求新而把合理的原有經(jīng)驗棄置不用這兩種錯誤傾向。

(3)技術設計階段

技術設計階段的目標是產(chǎn)生總裝配草圖及部件裝配草圖。通過草圖設計確定出各部件及其零件外形及基本尺寸，包括各部件之間的連接，零部件的外形及其基本尺寸。最后繪制零件的工作圖、部件裝配圖和總裝圖。

為了確定主要零件的基本尺寸，必須做以下工作：

1)機器的動力學設計。根據(jù)確定的結構方案，確定原動件的參數(shù)。然后做運動學計算，從而確定各運動構件。

2)機器的動力學計算。結合各部分的結構及運動參數(shù)，計算各主要零件所受載荷的大小及特性。

3)零件的工作能力設計。己知主要零件所受的公稱載荷的大小和特性，即可做零、部件的初步設計。設計所依據(jù)的作能力準則，須參照零、部件的一般失效情況、工作特性、環(huán)境條件等合理地擬定，一般有強度、剛度、振動穩(wěn)定性、壽命等準則。通過計算或類比，即可決定零、部件的基本尺寸。

4)部件裝配草圖及總裝配草圖的設計。根據(jù)已定出的主要零、部件的基本尺寸，設計出部件裝配草圖及總裝配草圖。草圖上需對所有零件的外形及尺寸進行結構化設計。

(4)技術文件編制階段

技術文件的種類較多，常用的有機器的設計計算說明書、使用說明書、標準件明細表等。

編制設計計算說明書時，應包括方案選擇及技術設計的全部結論性的內容。

編制供用戶使用的機器使用說明書時，應向用戶介紹機器的性能參數(shù)范圍、使用操作方法、日常保養(yǎng)及簡單的維修方法、備用件的目錄等。

其他技術文件，如檢驗合格單、外購件明細表、驗收條件等，視需要與否另行編制。

[1]劉俊堯.機械設計技術[M].中國鐵道出版社