机械设计的基本要求和构思方法

李元鹏 王威克

（沈阳航天三菱汽车发动机制造有限公司，辽宁 沈阳 110179）

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，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。

一 机械设计的基本要求

尽管机械的类型很多，但其设计的基本要求都大体相同。主要有以下几方面：

1.实现预定的功能，满足运动和动力性能的要求。所谓功能是指用户提出的需要满足的使用上的特性和能力，它是机械设计的最基本出发点。在机械设计过程中，设计者一定要使所设计的机械实现功能的要求。为此，必须正确地选择机械的工作原理、机构的类型和拟订机械传动系统方案，并且所选择的机构类型和拟订的机械传动系统方案，能满足运动和动力性能的要求。运动要求是指所设计的机械应保证实现规定的运动速度和运动规律，满足工作平稳性、起动性、制动性能等要求。动力要求是指所设计的机械应具有足够的功率，以保证机械完成预定的功能。为此，要正确设计机械的零件，使其结构合理并满足强度、刚度、耐磨性和振动稳定性等方面的要求。

2.可靠性和安全性的要求。机械的可靠性是指机械在规定的使用条件下，在规定的时间内，完成规定功能的能力。安全可靠是机械的必备条件，为了满足这一要求，必须从机械系统的整体设计、零部件的结构设计、材料及热处理的选择、加工工艺的制订等方面加以保证。

3.市场需要和经济性的要求。在产品设计中，自始至终都应把产品设计、销售(市场需要)及制造三方面作为一个整体考虑。只有设计与市场信息密切结合，在市场、设计、生产中寻求最佳关系，才能以最快的速度回收投资，获得满意的经济效益。

4.机械零部件结构设计的要求。机械设计的成果都是以一定的结构形式表现出来的，且各种计算都要以一定的结构为基础。所以设计机械时，往往要事先选定某种结构形式，再通过各种计算得出结构尺寸，将这些结构尺寸和确定的几何形状画成零件工作图，最后按设计的工作图进行制造、装配组成部件乃全整台机械，以满足机械的使用要求。

5.工艺性及标准化、系列化、通用化的要求。机械及其零部件位只有良好的工艺性，即考虑零件的制造方便，加工精应及表面粗糙度适当，易于装拆。设计时，零部件和机器参数应尽可能标准化、通用化、系列化，以提高设计质量，降低制造成本，并且使设计者将主要精力用在关键零件的设计上。

二 构思设计方法的原理

构思设计方法是研究如何合理地进行设计思维的科学，是研究解决设计课题进程的一般性理论，一方面研究进程的战略即进程总路线、另一方面研究行工作步骤相应的战术方法。在总结规律基础上，后发创造性，采用现代化的技术理论方法，使设计过程完善合理。在机械设计中采用这种方法，能使所设计的机械系统(产品)推陈出新，在质量、经济价值、进程速度等方面有较大的改进。

1.技术过程和技术系统

构思设计方法的重要理论基础是“系统工程”理论。系统的功能是指具有特定结构的系统，在其内部和外部的联系和关系中表现出来的能够满足需要的特性和能力。技术系统是设计时分析研究的对象，简而言之，就是要设计的机械系统。构思设计方法把机械、设备、仪器、零件、零件均看作系统。对应技术过程中不同转换的需要，可以认为机械是主要传递能量的技术系统，设备是主要传递物料的技术系统，仪器是主要传递信号的技术系统。

2.黑箱法

黑箱法是一种寻求系统总功能的创造性思维方法。“黑箱”就是一个未知其内部机理和结构的箱子。“黑箱法”就是将所研究的复杂系统看作一个黑箱，在不打开它的前提下，暂时忽略次要因素，首先集中考虑系统的输入输出关系，通过观测和分析黑箱与外部环境的相互关系，求解待设计系统的功能，从而进一步了解其内部结构的机理。

3.功能分析和模幅箱

功能，简而言之，就是产品的用途或技术系统能独立先成的任务。功能分析是从功能的角度寻求设计问题的解决办法。首先根据设计任务确定系统的总功能。系统的总功能体现在将输入条件转换为系统的输出条件上。总功能确定后，进行功能分解，将总功能分解为分功能、子功能直至功能元，功能元是最小的功能单位，是可以直接从物理效应、逻辑关系等方面找到解法的基本功能单元。一般把功能元分为物理功能元和逻辑功能元。物理功能元反映了系统中物料、信号和能量的物理基本作用。物理功能元可用物理基本效应求解。机械、仪器中常用的物理效应有；力学效应、电力效应、磁效应、光学效应、热力学效应、核效应等。同—物理效应能完成不同的功能，同一功能可用不同的物理效应解决。在技术系统中，各种功能只有建立在以自然科学为基础的技术设置上才能实现。现代设计方法将技术设置称为功能元的局部解或功能载体。一个功能元局部或功能载体可能是多个。

所谓模幅箱，实际上是一种形态学矩阵表格，即把机械（系统）的各个功能和功能元作为“列”，而把它们的各种解答作为“行”。

由形态学矩阵组成的设计方案是一种多方案设计，但设计方案数目过大，难以进行评选，一般根据以下原则筛选少数几个设计方案供评价决策使用：相容性，即分功能解之间必须相容，否则不能组合；优先选用主要分功能的最佳解，由该解法除伐，选择与它相容的其他分功能解；删除对设计要求、约束条件不满足，或令人不满意的解答，或成本高、效率低、污染严重、不安全、加工困难等。

当然，在机械设计中，无论是基本要求，还是构思方法，并不能一成不变，有的已经失去其意义，在生产实践中，我们要不断推陈出新，把有利于机械设计的方式和方法推广到一线去。