设计阶段

机械设计

  

机械设计(machinedesign),根据使用要求对机械的工作原理、结构、运动方式、力和能量的传递方式、各个零件的材料和形状尺寸、润滑方法等进行构思、分析和计算并将其转化为具体的描述以作为制造依据的工作过程。  

机械设计是机械工程的重要组成部分,是机械生产的第一步,是决定机械性能的最主要的因素。机械设计的努力目标是:在各种限定的条件(如材料、加工能力、理论知识和计算手段等)下设计出最好的机械,即做出优化设计。优化设计需要综合地考虑许多要求,一般有:最好工作性能、最低制造成本、最小尺寸和重量、使用中最可靠性、最低消耗和最少环境污染。这些要求常是互相矛盾的,而且它们之间的相对重要性因机械种类和用途的不同而异。设计者的任务是按具体情况权衡轻重,统筹兼顾,使设计的机械有最优的综合技术经济效果。过去,设计的优化主要依靠设计者的知识、经验和远见。随着机械工程基础理论和价值工程、系统分析等新学科的发展,制造和使用的技术经济数据资料的积累,以及计算机的推广应用,优化逐渐舍弃主观判断而依靠科学计算。  

各产业机械的设计,特别是整体和整系统的机械设计,须依附于各有关的产业技术而难于形成独立的学科。因此出现了农业机械设计、矿山机械设计、泵设计、压缩机设计、汽轮机设计、内燃机设计、机床设计等专业性的机械设计分支学科。


  

一部机器的质量基本上决定于设计质量。制造过程对机器质量所起的作用,本质上就在于实现设计时所规定的质量。因此,机器的设计阶段是决定机器好坏的关键。  

所讨论的设计过程仅指狭义的技术性的设计过程。它是一个创造性的工作过程,同时也是一个尽可能多地利用已有的成功经验的工作。要很好地把继承与创新结合起来,才能设计出高质量的机器。作为一部完整的机器,它是一个复杂的系统。要提高设计质量,必须有一个科学的设计程序。虽然不可能列出一个在任何情况下都有效的惟一程序,但是,根据人们设计机器的长期经验,一部机器的设计程序基本上可以如表2-1所示。  

以下对各阶段分别加以简要说明。  

(一)计划  

在计划阶段中,应对所设计的机器的需求情况做充分的调查研究和分析。通过分析,进一步明确机器所应具有的功能,并为以后的决策提出由环境、经济、加工以及时限等各方面所确定的约束条件。在此基础上,明确地写出设计任务的全面要求及细节,最后形成设计任务书,作为本阶段的总结。设计任务书大体上应包括:机器的功能,经济性及环保性的估计,制造要求方面的大致估计,基本使用要求,以及完成设计任务的预计期限等。此时,对这些要求及条件一般也只能给出一个合理的范围,而不是准确的数字。例如可以用必须达到的要求、最低要求、希望达到的要求等方式予以确定。  

(二)方案设计  

根据不同的工作原理,可以拟定多种不同的执行机构的具体方案。例如仅以切削螺纹来说,既可以采用工件只作旋转运动而刀具作直线运动来切削螺纹(如在普通车床上切削螺纹),也可以使工件不动而刀具作转动和移动来切削螺纹(如用板牙加工螺纹)。这就是说,即使对于同一种工作原理,也可能有几种不同的结构方案。  

原动机部分的方案当然也可以有多种选择。由于电力供应的普遍性和电力拖动技术的发展,现在可以说绝大多数的固定机械都优先选择电动机作为原动机部分。热力原动机主要用于运输机、工程机械或农业机械。即使是用电动机作为原动机,也还有交流和直流的选择,高转速和低转速的选择等。  

传动部分的方案就更为复杂多样了。对于同一传动任务,可以由多种机构及不同机构的组合来完成。因此,如果用Ⅳ,表示原动机部分的可能方案数,N2和N3分别代表传动部分和执行部分的可能方案数,则机器总体的可能方案数Ⅳ为Ni×N2×N3个。  

以上仅是就组成机器的三个主要部分讨论的。有时,还须考虑到配置辅助系统,对此,本书不再讨论。  

在如此众多的方案中,技术上可行的仅有几个。对这几个可行的方案,要从技术方面和经济及环保等方面进行综合评价。评价的方法很多,现以经济性评价为例略做说明。根据经济性进行评价时,既要考虑到设计及制造时的经济性,也要费用考虑到使用时的经济性。如果机器的结构方案比较复杂,则其设计制造成本就要相对地增大,可是其功能将更为齐全,生产率也较高,故使用经济性也较好。反过来,结构较为简单、功能不够齐全的机器,设计及制造费用虽少,但使用费用却会增多。评价结构方案的设计制造经济性时,还可以用单位功效的成本来表示。例如单位输出功率的成本、单件产品的成本等。  

进行机器评价时,还必须对机器的可靠性进行分析,把可靠性作为一项评价的指标。从可靠性的观点来看,盲目地追求复杂的结构往往是不明智的。一般地讲,系统越复杂,则系统的可靠性就越低。为了提高复杂系统的可靠性,就必须增加并联备用系统,而这不可避免地会提高机器的成本。  

环境保护也是设计中必须认真考虑的重要方面。对环境造成不良影响的技术方案,必须详细地进行分析,并提出技术上成熟的解决办法。  

通过方案评价,最后进行决策,确定一个据以进行下步技术设计的原理图或机构运动简图。  

在方案设计阶段,要正确地处理好借鉴与创新的关系。同类机器成功的先例应当借鉴,原先薄弱的环节及不符合现有任务要求的部分应当加以改进或者根本改变。既要积极创新,反对保守和照搬原有设计,也要反对一味求新而把合理的原有经验弃置不用这两种错误倾向。  

(三)技术设计  

技术设计阶段的目标是产生总装配草图及部件装配草图。通过草图设计确定出各部件及其零件的外形及基本尺寸,包括各部件之间的连接,零、部件的外形及基本尺寸。最后绘制零件的工作图、部件装配图和总装图。  

为了确定主要零件的基本尺寸,必须做以下工作:  

机器的运动学设计。根据确定的结构方案,确定原动件的参数(功率、转速、线速度等)。然后做运动学计算,从而确定各运动构件的运动参数(转速、速度、加速度等)。  

机器的动力学计算。结合各部分的结构及运动参数,计算各主要零件所受载荷的大小及特性。此时求出的载荷,由于零件尚未设计出来,因而只是作用于零件上的公称(或名义)载荷。  

零件的工作能力设计。已知主要零件所受的公称载荷的大小和特性,即可做零、部件的初步设计。设计所依据的工作能力准则,须参照零、部件的一般失效情况、工作特性、环境条件等合理地拟定,一般有强度、刚度、振动稳定性、寿命等准则。通过计算或类比,即可决定零、部件的基本尺寸。  

部件装配草图及总装配草图的设计。根据已定出的主要零、部件的基本尺寸,设计出部件装配草图及总装配草图。草图上需对所有零件的外形及尺寸进行结构化设计。在此步骤中,需要很好地协调各零件的结构及尺寸,全面地考虑所设计的零、部件的结构工艺性,使全部零件有最合理的构形。  

主要零件的校核。有一些零件,在上述第3)步中由于具体的结构未定,难于进行详细的工作能力计算,所以只能做初步计算及设计。在绘出部件装配草图及总装配草图以后,所有零件的结构及尺寸均为已知,相互邻接的零件之间的关系也为已知。只有在这时,才可以较为精确地定出作用在零件上的载荷,决定影响零件工作能力的各个细节因素。只有在此条件下,才有可能并且必须对一些重要的或者外形及受力情况复杂的零件进行精确的校核计算。根据校核的结果,反复地修改零件的结构及尺寸,直到满意为止。  

在技术设计的各个步骤中,近三四十年来发展起来的优化设计技术,越来越显示出它可使结构参数的选择达到最佳的能力。一些新的数值计算方法,如有限元法等,可使以前难以定量计算的问题获得极好的近似定量计算的结果。对于少数非常重要、结构复杂且价格昂贵的零件,在必要时还须用模型试验方法来进行设计,即按初步设计的图纸制造出模型,通过试验,找出结构上的薄弱部位或多余的截面尺寸,据此进行加强或减小来修改原设计,最后达到完善的程度。机械可靠性理论用于技术设计阶段,可以按可靠性的观点对所设计的零、部件结构及其参数做出是否满足可靠性要求的评价,提出改进设计的建议,从而进一步提高机器的设计质量。上述这些新的设计方法和概念,应当在设计中加以应用与推广,使之得到相应的发展。  

草图设计完成以后,即可根据草图业已确定的零件基本尺寸,设计零件的工作图。此时,仍有大量的零件结构细节要加以推敲和确定。设计工作图时,要充分考虑到零件的加工和装配工艺性、零件在加工过程中和加工完成后的检验要求和实施方法等。有些细节安排如果对零件的工作能力有值得考虑的影响时,还须返回去重新校核工作能力。最后绘制出除标准件以外的全部零件的工作图。  

按最后定型的零件工作图上的结构及尺寸,重新绘制部件装配图及总装配图。通过这一工作,可以检查出零件工作图中可能隐藏的尺寸和结构上的错误。人们把这一工作通俗地称为纸上装配。  

(四)技术文件编制  

技术文件的种类较多,常用的有机器的设计计算说明书、使用说明书、标准件明细表等。  

编制设计计算说明书时,应包括方案选择及技术设计的全部结论性的内容。  

编制供用户使用的机器使用说明书时,应向用户介绍机器的性能参数范围、使用操作方法、日常保养及简单的维修方法、备用件的目录等。  

其他技术文件,如检验合格单、外购件明细表、验收条件等,视需要与否另行编制。  

(五)计算机在机械设计中的应用  

随着计算机技术的发展,计算机在机械设计中得到了日益广泛的使用,并出现了许多高效率的设计、分析软件。利用这些软件可以在设计阶段进行多方案的对比,可以对不同的包括大型的和很复杂的方案的结构强度、刚度和动力学特性进行精确的分析。同时,还可以在计算机上构建虚拟样机,利用虚拟样机仿真对设计进行验证,从而实现在设计阶段充分地评估设计的可行性。可以说,计算机技术在机械设计中的推广使用已经并正在改变机械设计的进程,它在提高设计质量和效率方面的优势是难以预估的。  

以上简要地介绍了机器的设计程序。广义地讲,在机器的制造过程中,随时都有可能出现由于工艺原因而修改设计的情况。如需修改时,则应遵循一定的审批程序。机器出厂后,应该有计划地进行跟踪调查;另外,用户在使用过程中也会给制造或设计部门反馈出现的问题。设计部门根据这些信息,经过分析,也有可能对原设计进行修改,甚至改型。这些工作,虽然广义上也属设计程序的组成部分,但是属于另一个层次的问题,本书不再讨论其具体的内容。但是作为设计工作者,应当有强烈的社会责任感,要把自己工作的视野延伸到制造、使用乃至报废利用的全过程中去,反复不断地改进设计,才能使机器的质量继续不断地提高,更好地满足生产及生活的需要。  

阶段分别说明  

(一)计划阶段  

在根据生产或生活的需要提出所要设计的新机器后,计划阶段只是一个预备阶段。此时,对所要设计的机器仅有一个模糊的概念。  

(二)方案设计阶段  

本阶段对设计的成败起关键的作用。在这一阶段中也充分地表现出设计工作有多个解(方案)的特点。  

机器的功能分析,就是要对设计任务书提出的机器功能中必须达到的要求、最低要求及希望达到的要求进行综合分析,即这些功能能否实现,多项功能间有无矛盾,相互间能否替代等。最后确定出功能参数,作为进一步设计的依据。在这一步骤中,要恰当处理需要与可能、理想与现实、发展目标与当前目标等之间可能产生的矛盾问题。  

确定出功能参数后,即可提出可能的解决办法,亦即提出可能采用的方案。寻求方案时,可按原动部分、传动部分及执行部分分别进行讨论。,较为常用的办法是先从执行部分开始讨论。  

讨论机器的执行部分时,首先是关于工作原理的选择问题。例如,设计制造螺钉的机器时,其工作原理既可采用在圆柱形毛坯上用车刀车削螺纹的办法,也可采用在圆柱形毛坯上用滚丝模滚压螺纹的办法。这就提出了两种不同的工作原理。工作原理不同,当然所设计出的机器就会根本不同。特别应当强调的是,必须不断地研究和发展新的工作原理。这是设计技术发展的重要途径。  

步骤  

在设计开始之前,先要制定设计任务。当设计任务比较复杂时,一般采用三阶段设计,即初步设计、技术设计和工作图设计;当任务比较简单,如简单机械的新型设计、一般机械的继承设计或变型设计,则一开始就将设计做到技术设计深度,经审查、修改和批准后做工作图设计,而成为两阶段设计。在三阶段设计中的初步设计阶段,设计的主要步骤是:确定工作原理和基本结构型式,运动设计,设计主要零、部件、绘制初步总图,初步设计审查。在技术设计阶段,主要步骤是:根据审查意见修改设计,设计全部零、部件,绘制新的总图,技术设计审查。在工作图设计阶段,根据审查意见修改设计,绘制全部工作图和制定全部技术文件。对于批量或大量生产的产品,还要进行定型设计。  

在设计的每个步骤中,都可能发现前面步骤中某些决定不合理,这就需要折回到前面那个步骤,修改不合理的决定,重做随后的设计工作。  

1、制定设计任务这是设计的前期工作。设计任务的根据是用户订货、市场需要和新的科研成果。设计部门应用各种技术和市场情报,拟列可能方案,比较其利弊,与经营部门和用户共同商议,制定合理的设计任务目标。这对新型设计特别重要。任务目标的失误将造成经济上的严重损失,甚至遭到全面失败。  

2、确定工作原理和基本结构型式如设计任务未作明确规定,设计的第一个步骤就是确定总体方案,即确定所要应用的工作原理和与之相应的结构型式。例如设计大功率船用柴油机,首先要确定是用二冲程、双作用、十字头、低速柴油机,还是用四冲程、单作用、中速柴油机。又例如设计用以粗碎岩石的破碎机械,首先要确定是采用以挤压和弯折为主要破碎作用的颚式或旋回式破碎机,或者采用以冲击为主要作用的单转子或双转子冲击式破碎机。  

3、运动设计设计的总体方案确定之后,接着需要运用机构学的知识,选用合适的机构以得到所需的运动方案。上面提到的颚式破碎机依靠其动颚板的摆动使进入破碎腔的岩石受到挤压、弯折和劈裂作用而破碎,而动颚板的摆动则可以采用双肘板机构的简单摆动,或者采用单肘板机构的复杂摆动。在新型设计中,可能会需要综合一个新的机构以得到所要求的运动方案,这常是一个困难的工作。因此,设计者一般尽量应用已有的和成熟的机构所提给的运动方案。  

4、结构设计和绘制初步总图运动设计之后,设计者开始进行结构设计,计算机械各主要零件的受力、强度、形状、尺寸和重量等,并绘制主要零、部件草图。这时如发现原来选用的结构不可行,就必须调整或修改结构。同时还应考虑有无可能产生过热、过度磨损或振动的部位。  

在这一步骤中,设计者通过绘制草图会发现各部分的形状、尺寸、比例等方面的矛盾。为了加强或改进某一方面,可能会削弱或恶化另一方面。这时必须权衡轻重,进行协调,以达到最佳综合效果。草图经反复修改认为初步满意后,便可绘制初步总图和估算造价。初步总图严格按比例绘制,选取足够的视图和切面图。  

5、初步审查初步总图绘制后,需要请对该类机械有经验的设计、制造和使用人员以及用户或委托设计单位的代表进行初步审查。审查结果如认为设计不适用(如重量、体积太大,造价太高,对结构的可靠性有怀疑等),则须重新进行运动设计,甚至改用别的工作原理和基本结构型式。多数情况是对设计采取某些改善措施。  

6、技术设计根据初步审查意见,对设计进行修改,并绘制所有的零件和部件图。对主要的零件和部件进行精确的应力分析,按分析结果修正零件的形状、尺寸等细节,并规定材质和热处理。确定零件加工精度以及部件和总装的装配条件。完成润滑设计、电气设计(驱动和控制)。重绘总图,某些重要的和批量生产的机械有时还要制作出模型。将完成的技术设计提交第二次审查。  

7、绘制工作图根据第二次审查的意见作最后的修改后,就可以绘制正式的零件图、部件装配图和总装配图,编写零件表、易损零件清单、使用指南等技术文件。设计负责人应注意协调零件间的尺寸,核对耦合件间的公差配合,复核某些零件的强度和刚度。零件图完成后开始图纸核对,这是非常重要的工作。经过仔细校对的图纸能保证加工后装配顺利。最可靠的校对方法是根据已绘制好的零件图重绘出一张总装配图,所有矛盾之处就会表现出来。在绘制零件图的同时还需要进行两项工作:一是工艺性审核,使零件便于加工并降低制造成本;二是标准审核,使零件结构要素、尺寸、公差配合、热处理技术条件以及标准和通用零件等符合标准的规定。  

8、试生产和定型设计对于单件或小批生产的机械,经过上述步骤完成的设计图纸可以投入正式生产。对于成批或大量生产的机械,在正式生产前要先试制样机,进行功能试验和鉴定,通过后,再按批量生产工艺进行批量试生产。在批量试生产中所出现的问题还可能需要对设计作相应的修改,方成为可供正式生产使用的定型设计。


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