机械设计的发展历史

机械设计的发展历史摘要：设计必须科学化，这意味着要科学的阐述客观设计过程及其本质，分析与设计有关的领域及其单位，在这些基础上，科学的安排设计过程，使用科学的方法和手段进行设计。

同时也要求设计人员不仅有丰富的专业知识，而且要掌握先进的设计理论，设计方法及设计手段，科学的进行设计工作，这样才能及时得到符合要求的产品。

关键词：机械设计、古代机械设计、近代机械设计、现代机械设计主要内容：1 机械设计发展的三个阶段机械设计的发展史按时间来分，可分为三个阶段，分别是：从古代社会到17世纪为机械设计起源和古代机械设计阶段，由17世纪至第二次世界大战结束为近代机械设计，第二次世界大战结束直到现在为现代设计阶段。

如果按其内容来分，可分为：直觉设计阶段，经验设计阶段和理论设计阶段。

两种划分是一一对应的，是从不同角度来划分机械设计的发展史。

每一个阶段在设计理论，方法和制造工艺方面都有明显的特色。

下面就按时间来划分，把机械设计发展史划分为三个阶段来论述。

1.1 第一阶段：机械设计起源和古代机械设计我国近代的考古发现了一些传说和记载，在浙江余姚河姆渡，河南郑裴李岗等遗址中都发现了七八千年以前制造相当精致的农具如石铲等。

我国古代经书中，对古代使用，制造机械的情况有许多记载。

《周易》“黄帝，尧，舜氏作，刳木为舟，剡木为楫，剡楫之力以济不通”，“断木为杵，掘地为舀”。

可见，在4000多年前，我国古代已经发明了车，船，农具和许多生活用具。

在《周易》第47卦“困”的卦辞中有“困于金车”，金车指用铜装饰起来的豪华马车。

清代学者章诚说“六经皆史”，在我国古代文献中随处可以见机械产品与人民生活密切的联系，在我国春秋战国时代的著作《道德经》中有“三十辐共一毂，像日月也”的说法，而在秦陵发掘出来的二号铜车马，车融会贯通就有30个车辐。

虽然据统计，当时的车每个车轮用30个轮辐，但是对轮辐的数目已经有了一定的规则。

此外，我国古代在武器，纺织机械船舶等方面也有许多发明，到秦汉时期我国机械设计和制造已经达到相当高的技术水平，在当时世界上处于领先地位，在世界机械工程史上占有十分重要的的地位。

在我国古代，机械发明，设计者与制造者是统一的。

有许多著名的人物，他们的成果代表了当时我国的机械的设计水平。

唐代的时候我国与许多国家开展了经济，文化和科学技术的交流，与东南亚，南亚，阿拉伯，非洲东海岸贸易频繁，对中国和世界其他的一些国家有很大影响。

由于贸易的发展，要求商品增加，从而改进生产设备，使机械设计有了很大的发展，造纸，纺织，农业，矿业，陶瓷，印染，兵器等都有了新的进展，机械设计水平也提高了一大步，宋代沈括的著作《梦溪笔谈》记载了当时的许多科学成就，反映了当时的科学水平。

世界其它的国家也有不少机械的成果。

但这些设计多是凭设计者的经验完成的缺乏必要的，有一定精度的理论的计算。

1.2 近代机械设计17世纪欧洲的航海，纺织，钟表等工业的兴起，提出了许多技术部题，1644年英国组成了“哲学学院”，德国成立了实验研究会和柏林学会，1666年，法国，意大利也成立了研究机构。

在这些机构中工作的意大利人伽里略（1564~1642）发表了自由落体定律，惯性定律，抛物体运动，还进行过梁的弯曲实验；英国人牛顿提出了到家动的三大定律，1688年，他提出了计算流体黏度阻力的公式，奠定了古典力学的基础；英国人虎克建立了在一定范围内弹性体的应力- 应变成正比的虎克定律；1705年伯努力提出了梁弯曲的微分方程式，在古典力学的基础上建立和发展了近代机械设计的理论（也称常规机械设计理论），为18世纪产业革命中机械工业的迅速发展提供了有力的技术理论支持；1764年英国人瓦特发明了蒸气机，为纺织，采矿，冶炼，船舶，食品，铁路等工业提供了强大的动力，推动了多种行业对机械的需求，使机械工业得到迅速的发展，而机械化使生产力迅速提高，进入了产业革命时代。

这一时期，对机械设计提出了很多的要求，各种机械的载荷，速度，尺寸都有很大的提高，因此机械设计理论也在古典力学的基础上迅速发展。

在1854年德国学者劳莱克斯发表了著作《机械制造中的设计学》，把过去融在力学中的机械设计独立出来，建立了以力学和制造为基础的新科学体系，由此放生了“机构学”,”机械零件设计”，成为机械设计中的基本内容。

在这一基础上，机械设计学得到了很快的发展。

在疲劳强度，接触应力，断裂力学，高温蠕变，流体动力润滑，齿轮接触疲劳强度计算，弯曲疲劳强度计算，滚动轴承强度理论等方面都取得大量的成果，新工艺，新材料的新结构的不断涌现，使机械设计的水平也取得了很大的发展。

机器的尺寸减少，速度增加，性能提高，机械设计的计算方法和数据积累也相应有了很大的发展，反映了时代的特色。

传统设计方法的特征：自工业革命至计算机出现以前，随着力学和材料科学的发展，已经形成了机械的运动学，动力学和工作能力较为完整的分析与设计方法，这些方法即为传统设计方法。

在传统设计中，机械的设计方案，即机构的选型和传动系统的布局，主要依靠设计者的经验，并参考类似的机械设计经验，即通过类比分析的方法进行，因此存在以下不足：1) 简化，假定及经验公式较多，真正的理论分析欠缺，影响设计质量。

2) 设计工作周期长，效率低，不能满足市场竞争激烈产品更新换代速度的加快的新形势。

3) 设计方案依靠设计者的个人经验和水平，技术设计一班满足于获得一个可用的方案，而不是最佳方案。

综上所述，传统设计方法具有凭直觉设计，类比设计，经验设计，半经验设计等弊病。

1.3 现代机械设计第二次世界大战以后，作为机械设计的理论基础的机械学继续以更加迅猛的速度发展，摩擦学，可靠性分析，机械优化设计，有限元计算，尤其是计算机在机械设计中迅速推广，使机械设计的速度和质量都有大幅的提高。

在机械中广泛运用计算机和自动化程度的提高，使现代的具有明显的特色。

因此，机械设计在理论，内容和方法方面与过去相比都有了划时代的发展。

而国际市场的激烈竞争，是现代机械设计的方法和发展的催化剂。

世界各国逐渐认识到产品市场竞争对各国经济发展的重要作用。

在产品竞争中，德国临于印有“MADE IN USA”的美国产品充斥德国市场，计划努力恢复德国产品的信誉，使“MADE IN GERMANY”风靡世界，提出了“关键在于设计”（Der Engpass ist die Knostrution)的口号。

日本虽然在某尖端科学研究方面走在了一些国家的后面，但是，在产品设计的方面发展很快，迅速摆脱了二次世界大战以前“东洋货不好”的印象，大量生产各国市场上需要的产品，取得了巨大的经济效益。

美国，英国也逐渐认识到产品设计的重要性，美国提出了“为竞争的优势而设计”(Designing for Compentitive Advance)的口号，有人说“21世纪将是设计的世纪”。

因些，机械产品设计在这一时期获得了空前的发展。

机械设计目前已经不宜作为机械学的一个分支，而应该认为是与机械学并立的一门技术科学了。

2 机械设计的未来发展趋势随着机械向高速，重载，精密和自动化等方向得发展，以及由于电子计算机的广泛应用和计算机技术得日益提高，机械设计的方法也不断的改进和发展现代机械设计方法的特征是，它具有自己的学科体系和专门的内容。

其核心技术有3个方面：（1）以产品的“功能”作为机械计的核心目标。

美国麦尔斯提出了“顾客购买的不是产品的本身，而是产品所具有的功能”，明解地说明了“功能”是产品的本质和灵魂。

这一原理的提出大大地解放了设计师的思想，为了实现某一功能，可以采用各种不同的原理和结构。

我们可以从近年来的计时装置，文件复制设备，通讯方法等方面的飞速发展看出，设计师的聪明才智得到了空前的发挥，多方面的满足了社会的需要。

（2）“人机学”的形成和发展。

机械的工作往往与人是不可分的，如汽车，飞机有些操纵的信号要靠人输入。

必须考虑操纵者的反映速度和能力限制，还必须考虑操纵者和乘客的传舒适性。

如有一些武器设计者已经考虑使用者中，虽然磊部分是作右手方便的，但是习惯于用左手的（称为左利手或左撇子）也占有一定的百分率。

虽然许多产品已经向自动化发展，许多民用产品对使用者的拔术要求日益降低（俗称“傻瓜化”）。

但是机械产品竞毕竟是为了人类设计的。

考虑“人机学”是提高产品的竞争能力的重要方面。

实际上“傻瓜化”就是当前处理人机问题的一个重要的途径。

（3）建立系统的“工业设计”学科体系。

工业设计是设计者使产品在外观，色彩，形状，尺寸比例等方面的合理设计，使产品与人，环境更协调，以得到更好的使用效果与况争力。

现代社会机械广泛应用于生产，生活各个领域，已成为衡量一个国家技术水平和现代化程度的重要标志。

随着机械设计基础理论的发展及新概念，新方法，新工艺的不断出现，机械设计也得到了迅猛的发展。

主要体现在以下几个方面：（1）机械体积从米级向微米级设计有用于宇宙的空间机械，有用于深海作业的机械，又有用于人体血管内的机械等等。

显然，它们有的是庞然大物，有的是微型机械，这就要求设计不同的尺寸的零件。

（2）从单个零件到整机系统的设计现代机械日益向高速的，重载，高精度，高效率和低噪音等方向发展，必然要嘶哑从传动系统偏重于零件，部件的静态单个的设计向多种零件的综合或以整机为对像的动态系统多个零件扩展的设计。

（3）设计用的工具的改变改变图板等绘图工具，应用计算机软件技术直接在计算机上进行最优化的机械设计。

（4）设计-加工的一体化机电一体化的应用改变了传统的机械设计与机械加工的分离使零件的设计与加工几乎同时进行。

例如数控机床的应用，改变了传统的设计与加工方法，它实现了机械与电子，强电与弱电，软件与硬件，控制与信息的多种技术的有机结合，按照计算机的指令来控制机床进行机械加工。

目前，应用软件较多的是CAD（Computer Aided Design,计算机辅助设计），CAM(Computer Aided Manufacture,计算机辅助制造)。

（5）对机械的人性化设计和等寿命设计在市场竞争日益激烈的市场环境下，不仅要求设计的机械产品质量好，使用期限内安全可靠度高，而且在视觉上给人以舒适的，实用的，富有时代气息和外观具有吸引力。

同时采用等寿命设计使产品质优价廉，以此来提高产品的市场竞争力。

3 我国机械设计现状我国在现代机械设计方面起步较晚，中国机械工程学会于1983年5月才召开了“第一次机械设计方法学讨论会”，但经过了多年的努力，我国在现代设计方法的研究方面已经取得了可喜的成绩，现在的中国可以自豪地称为“世界的工厂”，“MADE IN CHINA”已经是世界闻名了。

但是相对于世界上先进的国家来说，我国的机械设计还是相当的落后的，具体表现为：1）对客观设计过程研究，了解不够。

尚未很好地掌握设计中的客观规律。