浅谈机械设计及其发展史

浅谈机械设计及其发展史

李思宏

（重庆交通大学，重庆402247）

摘要：机械设计是机械工程的主要构成部分，也是机械生产的首要步骤，更是决定机械性能的关键因素，所以各工程设计师必须予以高度重视。本文用综述的形式简要介绍了机械的构成、机械设计的相关知识和机械设计的发展史，并用生活中简单的机械实例拖把的各种设计展示出来，从而让初学者对机械设计有更全面的印象,领会到机械设计中的思想。

关键词：机械设计发展史综述

Discussion on mechanical design with it’s development history

Li Si-hong

(Chongqing Jiaotong university,Chongqing 402247)

Abstract:Mechanical design is a major component part of mechanical engineering,but also the first step of machinery production,more is the key factor to determine the mechanical properties of the project,so the designer must attach great importance to.This paper summarizes the form briefly introduces the mechanical structure,mechanical design knowledge and the history of the development of mechanical design,and demonstrated it with various mechanical design instance mop the simple things in life,so that beginners have a more comprehensive impression of mechanical design and grasp the idea of mechanism design.

Keywords: mechanical design development overview

0 序言

机械设计是到如今已经发展了几千年，然而对于刚刚入门的大学生来说，这是一个比较陌生的领域。对机械设计有着很完整描述的书籍是有很多，但初读来颇为冗长而又生涩难懂。要引起大学生对这个领域的学习兴趣，需要用浅显的文字来让其初步了解机械设计。作者就是从机械、机械设计、机械设计的部分发展史几个方面来进行了简要介绍，并举出了一个生活中的实例，让读者能较为清楚而又全面地对机械设计有一个初步的印象。

1 机械

1.1 机械的组成

机械是机器和机构的总称。

就用途而言，机械不外乎两类：一类是提供或转换机械能的机器，如电动机、内燃机等动力机械；另一类则是利用机械能来实现预期工作的机器，如起重运输机、机床、插秧机、纺织机等各种工作机器。这许许多多工作机器，它们的形式、构造都不相同，各具自身的特点；但一切工作机器的组成通常都有其共通之处。

（1）一台完整的工作机器通常都包含工作部分、原动机和传动部分。为使上述三个基本职能部分彼此协调运行，并准确、安全、可靠地完成整体功能，通常机器还具有操纵和控制部分。

（2）任何机器都是由许多零件组合而成的。根据机器功能、结构要求，某些零件需固连成没有相对运动的刚性运动，成为机器中运动的一个基本单元体——构件（有时一个单独的零件也是一个最简单的构建）。构件与构件之间通过一定的相互接触与制约，构成保持确定相对运动的“可动连接”——运动副。一切机械都是由若干构件以运动副相联结并具有确定的相对运动，用来完成有用的机械功或转换机械能的组合体。

（3）常用机构和通用零部件在各自不同的机器中所起的作用和工作原理基本相同，是各种机器共同的、重要的组成基础。

1.2 机械应满足的基本要求(1)

机械产品应满足的基本要求可以归纳为两方面:

(1)使用方面的要求：①要满足机器预期的功能要求；②要经久耐用，具有足够的寿命；

③具有良好的保安措施和劳动条件。

(2)功能价格比要高：所谓功能价格比是指机械产品的功能与实现该功能所需总费用（包括设计、制造、使用和维护）之比值，该比值高表明该产品技术——经济综合评价高。

2 机械设计

2.1 机械设计概述

机械设计是根据生产上的某种需要，创建一种机械机构，合理地选择材料并确定其尺寸，使其能满足预期功能要求的一种技艺。机械设计是机械工程的主要构成部分，也是机械生产的首要步骤，更是决定机械性能的关键因素，(2)机械的质量与水平很大程度上取决于机械设计。

机械设计是一个创造过程，设计中药提出各种不同的构思与设想，去反复进行协调、折中和优化，以最好地实现要求。总体来说，就比较完整的机械设计而言，机械设计的过程一般为：①规划设计阶段，②总体设计阶段，③技术设计阶段，④试制定型阶段。设计工作的各个环节都和总体密切关联，能够直接体现机械设计的水平，而机械设计的水平又很大程度上决定了机械产品的性能、质量和成本。因此，评定设计水平尤为重要，贯彻标准化就是其指标之一，这可以提高设计效率、保障设计质量。

2.2 机械设计中的工作能力准则

机器在传递动力进行工作的过程中，机件要承受作用力、力矩等载荷，一方面这些载荷

欲使机件产生不同的损伤与失效；另一方面机件又靠自身一定的结构尺寸和材料性能来反抗损伤与失效。这是机件在设计和工作过程中存在的一对矛盾，解决这个矛盾的方法通常是合理地选用机件材料和热处理方法，进行机件工作能力的计算，以确定其必要的结构尺寸、并按规范运行和维护。衡量机件工作能力的指标称为机件的工作能力准则，主要准则有：强度准则、刚度准则、耐磨性准则、振动稳定性准则和耐热性准则。在进行机械设计的过程中，应当考虑到机件的工作能力及可能发生的主要失效形式，这就需要运用相应的准则进行计算求得其承载能力，并以其中最小值作为工作能力的极限。

3 机械设计飞速发展的四个阶段（3）

3.1设计公式下的经典设计

此阶段是从工业革命至第二次世界大战之间的时间，机械工业生产主要发生在欧美，其设计是依靠经典设计公式所进行的组合来进行。这期间力学的各个分支得到了发展，同时机械设计过程中积累了丰富经验，奠定了机械设计的试验、实验与理论研究奠定了坚实基础，并确立了最基本的观念与形成了基本体系。例如，1893年美国人Lewis W发表了“齿形系数”之数据图表，虽然此后齿轮的制造方法与材料变化很大，但是该图标到现在依然可以使用，在现在的机械设计教学中占有重要地位。

3.2经验下的实验设计

此阶段涵盖第二次世界大战以及1960年以前这段时间，主要地点为美国，属于机械工业在数量上扩大生产的阶段。此阶段下的机械设计，以模型试验和实机试验来获得相关数据进行设计。这个阶段的日本尤为惹人注目，因为其在五十年代屡屡从美国引入技术，在某种程度上可以说日本是欧美机械化的另一个翻本，也就是日本人所称的“模仿设计”阶段。第二次世界大战之后，世界经济开始复苏，经典设计之方法与理论不断完备使得机械工业的发展有了极大的提升。在机械设计之中，其主要囊括两大方面，即机能设计与强度设计。其中强度设计兼顾三个方面，即弹性设计、极限设计Academic学术和疲劳设计。

3.3静态解析下的理论设计

此阶段为1960年到1980年这段时间，是机械设计从实验设计转至理论设计发展阶段。上世纪六十年代以后，机械生产不但在数量上有了很大提升，而且出现的电子技术和液压技术等系列设计使得机械性能获得了很大提升并进一步改善了产品质量。在机械设计中，理论推导的方法替代了实验验证对机械性能进行确认。以前经典的设计方法无法解析的一些静态与动态问题，通过电子计算机技术获得了很好的解决。新技术革命以高技术为核心，电子计算机得到了广泛应用，让现代机械设计之方法理论得以发展，体系日益完善。人们不再满足于经典的近似粗略应力分析，对于精准分析有了更深的需求，如有限元法、边界元法和差分法等，而数值分析在分析结构强度和刚度以及润滑、传热和振动上有了很广发的应用。“合格设计”已经不再满足于人们，最优化设计成为了设计主流。经典刚度设计观点与设计计量的常量观点不再受到追捧，概率设计和可靠性设计应运而生。设计方法学的出现，将机械设计工作者从繁琐而粗略的经典设计方法中解放出来。经典断裂理论己经无法满足于人们的需求，机械零件设计之断裂力学方法兴起。