1.2 初识机械设计

根据设计机器的使用要求，确定机械结构设计，选择适当材料，确定合适的尺寸及精度，制定先进的工艺，从而实现一种新机器的创新构思，这个过程就是机械设计。

1.机器与机构

在日常生活和工业生产中，机械产品无处不在。人们骑的自行车、戴的机械式手表、工厂里摆的机床设备、公路上跑的汽车，这些都是典型的机械产品。随着现代科技的发展，机械被赋予了越来越多的智能因素，其中，在当代制造业中大显身手的智能机器人就是最典型的代表。

思考

观察图1-1和图1-2，说明机械产品与电气产品的区别。

机器既能实现确定的机械运动，又能完成有用的机械功，或者能传递或转换能量、物料、信息等。机器通常具有以下特征。

（1）人为的实物组合——由人工组合的构件系统。

（2）各实物间具有确定的相对运动，如往复移动、转动或摆动等。

（3）实现能量转换或完成有效的机械功。例如，将热能转换为机械能（内燃机）、将机械能转换为电能（发电机）、将电能转换为机械能（电动机）等。

机器种类繁多，性能各异，但就其功能而言，机器主要由5个部分组成，如图1-3所示。

而机构仅具有机器的前两项特征，能传递或转换运动，是组成机器的重要结构和功能单元，如齿轮机构、凸轮机构等。不同的机构能实现不同的运动变换。

2.构件、零件和部件

机器是由一种或多种机构组成的，而机构是人工组合的构件系统，必须满足两个条件：若干构件的组合；这些构件具有确定的相对运动。

构件是机构的基本运动单元，是机器中独立运动的单元体，由一个或几个零件组成。若为多个零件的组合，这些零件应该采用刚性连接，彼此之间无相对运动。

零件是组成机器最基本的单元体，是机械制造的单元体。专用零件是特定机器中所使用的零件，如活塞、曲轴、叶片；通用零件是各类机器中普遍使用的零件，如齿轮、轴、螺栓等。

部件是指若干个零件的装配体。

3.机械

机械是机器与机构的总称，是能帮人们降低工作难度或省力的装置，复杂机械由两种或两种以上的简单机械构成。从结构和运动的观点来看，机构和机器并无区别，泛称为机械。

图1-4所示为一辆汽车，请同学们通过课堂讨论的形式分析其结构特点，并尝试分析其主要功能。

机械的构成及其工作原理

分析

① 图1-4所示的机器主要包括原动机、工作机构和传动机构。

② 原动机：为整个机器提供动力的部分，汽车的原动机为内燃机。常用的原动机包括电动机和内燃机，它可以把其他形式的能量转换为机械能，产生驱动动力。

③ 工作机构：机械中直接产生工艺动作的部分，在汽车中为汽车的行驶机构等。

④ 传动机构：将原动机中的运动和动力准确传递到工作机构上的部分，在传递过程中还会根据需要，对运动的性质和速度进行变换。在汽车中有梯形四杆机构、差速器（轮系）等。

4.认识设计

设计是为了满足某一特定要求而进行的创造过程。机械设计基础就是培养学生初步掌握机器设计能力的技术基础课。

传统的机械设计主要依靠试验，通过归纳总结的方法获得设计参数和经验公式，然后创建出机械模型。

随着科学技术的发展和进步，现代设计在广度和深度上都产生了根本的变化，设计者已经不再把主要精力放在繁琐的计算和推导上，也不再通过刻板枯燥的图纸来表达自己的设计思想。在现代机械设计中，使用的设计手段更加丰富，产品的更新周期更短，第一代产品问世不久，第二代和第三代产品就接踵而至。

总体来讲，现代设计具有以下特点。

（1）重视产品的创新性

创新是现代设计的核心。现代设计不是对以前的产品进行简单的修补，而是打破传统观念，创造出具有特色的新产品。由于生产力的提高，现代社会产品非常丰富，一个好的产品除了要保证质量外，合理的设计也是至关重要的。

思考

请对比图1-5和图1-6所示的黑白电视机和等离子彩色电视机在设计上的区别，然后思考现代设计的特点。

（2）采用先进的设计手段

随着计算机技术的发展，计算机辅助设计（Computer Aided Design,CAD）技术被广泛用于设计领域，这也是现代设计的重要标志。CAD技术不但提高了设计质量，还大大提高了设计效率。同时，网络技术的发展，使得多人协同开发产品成为可能，这样可以实现资源共享，减轻设计者的负担，改变了“闭门造车”的落后设计方法。

图1-7和图1-8所示为使用CAD技术开发的模型。

（3）零部件设计的重要性

一般的大型机电产品由机械和电气两大系统组成。把机械分为部件单独进行设计和生产可提高生产效率和产品质量。零部件设计是机械设计的重要组成部分，是机械总体设计的基础，并可能对机械总体设计产生巨大的影响。

认识现代设计方法