1.2　设计机械产品时的要求、方法和一般过程

机械产品首先要满足一定的要求，机械产品的设计也要按照一定的方法进行，不同的设计方法，其设计过程也不尽相同，本节讨论设计机械产品时的基本要求、设计方法和过程。

1.2.1　机械产品的基本要求

机械产品（包括整机、部件和零件）的基本要求取决于其所处的位置、作用及工作条件等。其中主要考虑以下几个方面的基本要求。

1.功能要求

功能要求是设计机械产品时应满足的最重要的要求。产品的功能不同，其设计要求不同，设计结果也不同。如车床和铣床的功能不同，其机械结构、外形和使用方法也不同。又如：一般使用条件下的减速器，主要要求保证其转速、扭矩和稳定性等性能，但在航空器中所用的减速器，还要保证其体积、质量和功率性能。这就使得两者的设计目标和要求不同。

同样，机械产品中的每一个机构或零件也应满足其所承担的功能要求。

2.寿命要求

各种机械产品都有一定的使用寿命，不同寿命的产品，其设计结果也不同。机械产品的寿命大体上是由于磨损、诱蚀等渐变的原因造成，它表现的形式是逐步蜕化。它的故障规律大体上也可以分为三个阶段：

第一个阶段是“磨合期”。一般机械产品都需要适当磨合一段时间才能正式使用。

第二个阶段是“使用期”。产品在适当磨合后就进入使用期，在这一时期内机械产品本身一般是不发生故障的。故障的发生往往是由于使用维护不当所造成，因此机械产品本身在使用期的故障率可以认为是零。

第三阶段是“蜕化故障期”。机械产品总是在不断磨损、锈蚀，它的缺陷如裂缝等会慢慢发展，如滚珠轴承的性能有一个规定的下限值，使用寿命超过规定时间后，轴承的性能就有可能低于下限，即进入蜕化故障期。

所以应科学合理地确定各种机械产品及其零部件的寿命，并按照寿命要求设计机械产品及其零部件。机械产品及其零部件必须能够在预定寿命期内正常使用。

3.工艺性要求

通常，要求所设计的机械产品及其零部件要具有良好的工艺性。所谓良好的工艺性，是指在某种具体的生产规模和生产条件下，能用最少的生产成本制造出所设计的机械产品及零部件。生产成本包括材料成本、生产准备时间、工具及设备的使用成本、加工装配时间等整个生产过程的全部成本。生产规模指产品的产量和产值；生产条件指所使用的工具、加工设备和所采用的加工方法。

零部件的工艺性与整个机械产品的工艺性有时是统一的，有时是矛盾的。比如某一零件的工艺性好，但其装配方法复杂，调整较为困难，所以单个零件的工艺性要与整个机械产品的工艺性结合起来考虑。

设计机械零件时，要合理选择零件的材料，在满足功能的条件下，应选择成本低、便于加工的材料。要合理设计机械零件的结构，使零件便于加工、装配和调整。

机械产品及其零部件的工艺性问题是一个综合性问题，需要在专门的机械制造工艺课程中学习有关方面的知识。

4.价格要求

在市场经济的条件下，商品的价格由市场决定。而机械产品的价格是其在市场经济条件下有效地参与竞争的重要因素之一，因而降低每个零件的成本对整个机械产品的经济性是重要的。

因此，除机械产品与零部件的批量影响成本外，还应该在零件的材料选择、结构设计等方面充分考虑，最终降低整机的生产成本，提高市场竞争力。

5.可靠性要求

任何机械产品及其零件都不能做到百分之百的不出故障，但要尽量提高它们的可靠性。机械的可靠性设计在机械设计中具有重要的作用，它对机械是否能够稳定的工作起决定性的作用。

可靠性是指“产品在规定时间内，在规定的使用条件下，完成规定功能的能力或性质”。可靠性的概率度量称为可靠度。机械可靠性，是指机械产品在规定的使用条件下、规定的时间内完成规定功能的能力。由于工程材料特性的离散性以及测量、加工、制造和安装误差等因素的影响，使机械产品的系统参数具有固有的不确定性，因此考虑这种固有随机性的可靠性设计技术至关重要。因此设计机器及零件时，应按合理的可靠性要求设计机械及其零件。

6.人性化要求

机械产品的人性化设计是指产品根据人的行为习惯、人体的生理结构、人的思维方式等情况，进行设备运作和操作方式的研究。设计来自人的需求，各种常见的需求构成了产品设计的动力。在此类产品的应有功能之上，对机械组织形式或操作方式进行优化设计。使得操作者获得良好的用户体验，满足使用者习惯性的操作需要，创造出适应人体结构的使用方式。因此，设计机械产品时应充分考虑人与机械的联系，人性化设计是将人放在主要地位，使机械产品的操作符合人体工程学要求，体现出对操作者的尊重和保护，从而真正实现科技以人为本的目的。

7.维护要求

设计机械产品时，要考虑机械产品的保养和维修方面的要求。维护是为了保持、延长或改善提高设备的机械性能而实施的技术活动，从某种程度上来讲，维修不只是排除故障，也是为了减少将来的投资，这对于改善技术力量，降低成本有非常重要的意义。比如设计者要考虑机械产品中的易损零件的更换，机械精度的定期校正以及维修时的拆装要求。

8.标准化要求

标准化、系列化、通用化（简称“三化”）是现代机械设计工作的重要要求之一，“三化”对于降低机械产品制造成本、提高产品质量、实现国际化生产是非常重要的。

1.2.2　机械产品的常用设计方法

机械设计方法即根据机械设备的工作目的，结合工作原理、机械结构、运转方式、配件材料的形状、尺寸等进行整体设计和计算，并将其描述为具体的步骤，以作为机械制造依据过程的方式方法。按传统的分类方法，可将设计机械产品的方法分为以下几种。

1.常规理论设计

根据常规设计理论和实验数据进行的设计称为理论设计。常规理论设计依据的是长期总结出来的设计方法，可以分为设计计算和校核计算两部分。这是后面各章中重点介绍的内容。

2.类比设计

按照同类机构或零件的设计与使用实践，根据得出的经验公式或用类比的办法进行的设计称为类比设计。此类方法适用于仿制、改制、使用要求和结构形式已定型的典型机器和零件。例如，对于箱体类零件、机架类零件、传动零件的各种具体结构要素的设计就可以采取类比设计的方法。

3.模型设计

模型实验设计是指按一定的比例，用性质相近的材料制做出机械的模型，经过实验分析后，再对模型进行修正的一种设计方法。

该方法适用于大型或结构复杂的重要的机械或零件的设计。对于一些尺寸巨大而结构又很复杂的重要零件，尤其是一些重型机械零件，为了提高设计质量，通常在模型实验设计中，把零部件或机器做成小尺寸样机，经过实验对其各种特性进行检验，再根据实验结果对设计进行修改和完善。模型实验设计方法费时、成本昂贵，因此一般只适用于特别重要的机械设计，例如新型、重型的设备，飞机的机身，新型舰船的船体等。

4.计算机辅助机械设计（CAD）

通过使用CAD应用软件，在计算机及其外围设备的辅助下进行的机械设计称为计算机辅助机械设计。目前该方法在国内外的机械设计中被大量采用。

还有其他一些现代设计方法，如：有限元法、最优化设计法、可靠性设计法、并行设计和虚拟设计等，这些方法将在本书最后进行介绍。

5.创新机械设计

与实际的机械设计方法相似，常用的创新机械设计方法大致可以分为以下几种。

①综合创新：综合，就是将研究对象、现有理论、现有成果进行综合归纳，构思出新成果的一种方法。

②移植创新：所谓移植创新，就是利用、借鉴某一领域的科学技术成果或思想，用以变革或改进已有的事物或开发新产品。移植机械创新设计，就是利用其他的创新结构、原理改进所要进行的机械设计产品，形成机械创新的成果。

③概念创新：所谓概念创新，就是采用完全不同于旧有原理的概念实现原有功能，甚至进一步提高其功能的创新。比如：常规的机械切削加工一般是依靠刀具对工件的切削过程实现的，这种切削要求刀具的材料硬度必须大于工件的材料硬度。但有些情况下需要加工的工件硬度很高，一般的刀具无法完成这样的切削任务。为了解决这一问题，如果沿用常规的切削加工原理继续思考，很难找到解决的方法，或者即使能够制作出硬度很高的刀具，其成本也是很大的。为此，目前出现了激光加工、线切割、电火花加工等一系列新的加工方法。

④学科交叉创新：科学技术发展到今天，各门学科之间的融合越来越频繁，学科之间的联系日益密切。学科之间的交叉为创新思维提供了新概念、新原理、新方法，所谓的交叉边缘学科往往都是最为活跃的领域其实就说明了这一点。机械设计也是如此，当在创新设计过程中出现困难的时候，多学科的研究者进行交流与沟通可能就会产生突破性的进展。比如，仿生学在工程中的应用。人类从飞鸟想到开发出飞机，从蝙蝠的声呐探测开发出雷达系统，从对海豚皮肤的研究到人造海豚皮的发明。

⑤技术组合创新：所谓技术组合创新，就是通过将若干成熟的技术，通过有机的组合而形成一种具有新功能的创新设计成果。在这样的组合中，每一种技术都是成熟的、可靠的，设计时只要能够使各技术之间有效衔接，即可完成预定的功能，虽然单独看每个技术模块没有什么先进性和创新性，但组合起来后将具有整体的创新性。

1.2.3　机械产品设计的主要内容和过程

机械产品设计的任务来源与要求的不同，其设计内容也有所不同。

1.按产品设计过程分

机械产品的设计过程一般为功能设计、方案设计、总体技术设计和施工设计。

（1）机械产品功能设计

每个产品都具有特定的功能，这些功能是根据市场或客户对该产品的需求而制订的。功能太多则必然使成本增加、操作复杂、利用率低；功能太少则不能满足市场或客户的要求。故在产品设计的初步阶段，必须使所设计的产品具备合理的功能，使产品在低成本、易操作的前提下，最大限度地满足市场或客户的要求。

（2）机械产品方案设计

当产品的功能确定完成后，要在该基础上提出具体实现这些功能的技术方案，对不同的方案进行论证评价，找出最佳方案，给出具体参数。

（3）机械产品总体技术设计

根据方案设计的结果和具体参数，设计产品的具体结构，包括产品的总体装配图、部件图、零件图，并按照设计准则，对重要零部件的强度、刚度、振动稳定性、可靠性等进行校核和设计。对设计结果还要进行评价和论证。

（4）机械产品施工设计

机械产品总体技术设计完成后，要制造样机，并为产品的正式生产做好技术准备。主要是针对生产制造的工艺图纸、零件清单、技术文件。

2.按产品的形成过程分

机械产品的形成过程分为初步设计、试制设计和定型设计三个阶段。

（1）机械产品初步设计

对新产品的开发性设计工程中，初步设计的结果往往是产品的设计图纸。这一阶段属于机械产品初步设计阶段。该阶段还要对产品设计结果进行评价并修改。

（2）机械产品试制设计

根据机械产品初步设计结果，要进行产品的样机试制。在这一阶段，要针对制造中发现的问题随时进行修改。样机制造完成后，对样机进行测试。根据测试的结果和评价，对设计图纸和制造工艺进行修改，使样机的功能和性能达到规定的设计标准要求。

（3）机械产品定型设计

产品的样机试制完成并达到设计要求后，产品将进入到定型设计阶段。该阶段是为批量化的正式生产做技术准备。主要包括产品的国家标准的贯彻、生产工程的工艺装备系统、质量保证系统、维修维护系统等。

具体的设计内容和过程要根据具体情况来定。现代设计方法的内容和过程往往是并行的、交叉的和互为反馈的。