機械設計的四個階段

機械設計過程分四個階段，下面分別加以簡要說明。

一、機械設計計劃階段

在根據生產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。

在計劃階段中，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境、經濟、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，最后形成設計任務書，作為本階段的總結。設計任務書大體上應包括：機器的功能，經濟性及環保性的估計，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，而不是準確的數字。例如可以用必須達到的要求、最低要求、希望達到的要求等方式予以確定。

二、機械設計方案設計階段

本階段對設計的成敗起關鍵的作用。在這一階段中也充分地表現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，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，作為進一步設計的依據。在這一步驟中，要恰當處理需要與可能、理想與現實、發展目標與當前目標等之間可能產生的矛盾問題。確定出功能參數后，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、傳動部分及執行部分分別進行討論。，較為常用的辦法是先從執行部分開始討論。

討論機器的執行部分時，首先是關于工作原理的選擇問題。例如，設計制造螺釘的機器時，其工作原理既可采用在圓柱形毛坯上用車刀車削螺紋的辦法，也可采用在圓柱形毛坯上用滾絲模滾壓螺紋的辦法。這就提出了兩種不同的工作原理。工作原理不同，當然所設計出的機器就會根本不同。特別應當強調的是，必須不斷地研究和發展新的工作原理。這是設計技術發展的重要途徑。根據不同的工作原理，可以擬定多種不同的執行機構的具體方案。例如僅以切削螺紋來說，既可以采用工件只作旋轉運動而刀具作直線運動來切削螺紋（如在普通車床上切削螺紋），也可以使工件不動而刀具作轉動和移動來切削螺紋（如用板牙加工螺紋）。這就是說，即使對于同一種工作原理，也可能有幾種不同的結構方案。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展，現在可以說絕大多數的固定機械都優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、工程機械或農業機械。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，如果用Ⅳ，表示原動機部分的可能方案數，N2和N3分別代表傳動部分和執行部分的可能方案數，則機器總體的可能方案數Ⅳ為Ni×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，對此，本書不再討論。

在如此眾多的方案中，技術上可行的僅有幾個。對這幾個可行的方案，要從技術方面和經濟及環保等方面進行綜合評價。評價的方法很多，現以經濟性評價為例略做說明。根據經濟性進行評價時，既要考慮到設計及制造時的經濟性，也要費用考慮到使用時的經濟性。如果機器的結構方案比較復雜，則其設計制造成本就要相對地增大，可是其功能將更為齊全，生產率也較高，故使用經濟性也較好。反過來，結構較為簡單、功能不夠齊全的機器，設計及制造費用雖少，但使用費用卻會增多。評價結構方案的設計制造經濟性時，還可以用單位功效的成本來表示。例如單位輸出功率的成本、單件產品的成本等。

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，系統越復雜，則系統的可靠性就越低。為了提高復雜系統的可靠性，就必須增加并聯備用系統，而這不可避免地會提高機器的成本。

環境保護也是設計中必須認真考慮的重要方面。對環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新的關系。同類機器成功的先例應當借鑒，原先薄弱的環節及不符合現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驗棄置不用這兩種錯誤傾向。

三、機械設計技術設計階段

技術設計階段的目標是產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的外形及基本尺寸，包括各部件之間的連接，零、部件的外形及基本尺寸。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、機器的運動學設計。根據確定的結構方案，確定原動件的參數（功率、轉速、線速度等）。然后做運動學計算，從而確定各運動構件的運動參數（轉速、速度、加速度等）。

2、機器的動力學計算。結合各部分的結構及運動參數，計算各主要零件所受載荷的大小及特性。此時求出的載荷，由于零件尚未設計出來，因而只是作用于零件上的公稱（或名義）載荷。

3、零件的工作能力設計。已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。設計所依據的工作能力準則，須參照零、部件的一般失效情況、工作特性、環境條件等合理地擬定，一般有強度、剛度、振動穩定性、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。在此步驟中，需要很好地協調各零件的結構及尺寸，全面地考慮所設計的零、部件的結構工藝性，使全部零件有最合理的構形。

5、主要零件的校核。有一些零件，在上述第3）步中由于具體的結構未定，難于進行詳細的工作能力計算，所以只能做初步計算及設計。在繪出部件裝配草圖及總裝配草圖以后，所有零件的結構及尺寸均為已知，相互鄰接的零件之間的關系也為已知。只有在這時，才可以較為精確地定出作用在零件上的載荷，決定影響零件工作能力的各個細節因素。只有在此條件下，才有可能并且必須對一些重要的或者外形及受力情況復雜的零件進行精確的校核計算。根據校核的結果，反復地修改零件的結構及尺寸，直到滿意為止。

在技術設計的各個步驟中，近三四十年來發展起來的優化設計技術，越來越顯示出它可使結構參數的選擇達到最佳的能力。一些新的數值計算方法，如有限元法等，可使以前難以定量計算的問題獲得極好的近似定量計算的結果。對于少數非常重要、結構復雜且價格昂貴的零件，在必要時還須用模型試驗方法來進行設計，即按初步設計的圖紙制造出模型，通過試驗，找出結構上的薄弱部位或多余的截面尺寸，據此進行加強或減小來修改原設計，最后達到完善的程度。機械可靠性理論用于技術設計階段，可以按可靠性的觀點對所設計的零、部件結構及其參數做出是否滿足可靠性要求的評價，提出改進設計的建議，從而進一步提高機器的設計質量。上述這些新的設計方法和概念，應當在設計中加以應用與推廣，使之得到相應的發展。

草圖設計完成以后，即可根據草圖業已確定的零件基本尺寸，設計零件的工作圖。此時，仍有大量的零件結構細節要加以推敲和確定。設計工作圖時，要充分考慮到零件的加工和裝配工藝性、零件在加工過程中和加工完成后的檢驗要求和實施方法等。有些細節安排如果對零件的工作能力有值得考慮的影響時，還須返回去重新校核工作能力。最后繪制出除標準件以外的全部零件的工作圖。按最后定型的零件工作圖上的結構及尺寸，重新繪制部件裝配圖及總裝配圖。通過這一工作，可以檢查出零件工作圖中可能隱藏的尺寸和結構上的錯誤。人們把這一工作通俗地稱為紙上裝配。

四、機械設計技術文件編制階段

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范圍、使用操作方法、日常保養及簡單的維修方法、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。