机械设计理论与方法

“机械设计理论与方法”读书报告

摘要：机械工业肩负着为国民经济各个部门提供技术装备的重要任务。机械工业的生产水平是

一个国家现代化建设水平的重要标志，因此通过了解机械设计理论与方法的发展历程，深刻体

会机械设计理论和方法的研究现状，并掌握机械设计理论与方法的发展趋势，才能不断强化自

己的能力，为提升我国工业技术水平做出一份贡献。

关键词：机械设计理论发展趋势优化方法齿轮传动

一、引言：

作为一名车辆工程专业的大三学生，我通过学习机械原理和机械设计（正在学习）这两门课程，初步了解了机械行业这个领域，但是，仅仅是从这两本书上学到的内容是远远不够的，于是，我在课余时间查阅了很多机械行业的书籍，现在对其设计理论和方法有了一个比较细致的了解，在这篇文章当中，我将结合我课堂上学到的知识和从图书馆查阅到的一些内容，对中国机械设计理论与方法的发展和中国机械行业形势进行系统的阐述。

二、机械设计理论与方法的发展历程

设计方法的发展进程大致可划分为机械设计起源和古代机械设计、近代机械设计、现代机械设计三个阶段，其第一阶段是从古代社会到17世纪，这段时期我国在武器，纺织机械，农具、船舶等方面都有发明，设计制造水平处在世界领先地位，在世界机械工程史上占有十分重要的位置；从17世纪到第二次世界大战结束这段时间是近代机械设计阶段，在这一阶段，古典力学为机械工业的迅速发展提供了有力的技术理论支持，机械设计在计算方法和数据积累上也有了很大的发展；从第二次世界大战之后，机械设计进入了现代机械设计阶段。计算机和自动化在设计过程当中占得比重越来越大，机械设计的速度和质量也有了大幅度的提升，具有了明显的现代化特色。

按其内容来分，机械设计理论与方法又可分为：直觉设计阶段，经验设计阶段和理论设计阶段。这两种划分是一一对应的，只是从不同角度来划分机械设计的发展史。

三、机械设计理论与方法的研究现状

现代产品设计理论与传统的设计方法是截然不同的，现代产品设计理论与方法是利用计算机辅助进行优化设计和可靠性计算。与传统的强度、刚度原则不同，现代产品设计提出绿色设计、全生命周期优化设计、虚拟设计等方法，既节省了设计时间，又能得到更好的产品质量，大大提高了产品的设计效率。

但是，现代产品设计理论实施起来又存在着一定的难度，比如说全生命周期优化设计，虽然能够更好地利用原材料，生产出效率更高的产品，但是因为其目标函数和约束条件太多，部分原始数据很难获取，使得设计实施过程中还是比较困难的。

现在比较流行的机械设计方法还有虚拟设计、创新设计、网络设计、并行设计、动态设

计、智能设计、可视化设计、绿色设计和基于质量功能展开的（QFD）设计和三次优化设计等等。

很多的现代设计理论和方法都有一定的局限性，对于功能集成化越来越高的产品需求，机械设计理论和方法显然还需要进一步的提升。

四、机械设计理论与方法的未来趋势

1、机械设计的未来发展趋势从市场需求角度来说的话主要有以下几个方面：

设计将在满足需求的同时面向制造和经营管理发展；

设计将不仅仅满足于其功能需求，还要满足生态与环境的需要；

设计将从产品质量成本第一的竞争策略转向快速响应市场的竞争策略；

设计将从传统的串行向并行工作模式、协同工作方式发展；

设计将使人们从设计过程数字化中逐步确立主动地位，激发主动创造性。

2、但如果从设计方法来考虑，未来的机械设计理论与方法主要有以下几个发展趋势：

a.设计理论与方法的集成

现代设计理论中不同的设计方法有自己适合的应用领域，而随着社会的进步，产品变得越来越复杂，单一的设计理论无法满足产品设计的要求，因此需要把不同设计理论中的设计工具集成为统一的设计模型以适应产品设计过程中的各阶段，这是未来设计理论与方法的发展方向。

b.设计过程的虚拟化

信息技术的发展已经使设计过程虚拟化成为可能，并成为降低设计成本的重要方法。实行设计的虚拟化，不仅可以减短设计时间，降低涉及成本，还能够让产品得到优化，另外设计过程的虚拟化使得不同企业间的协同设计、智力资源互补成为可能，这将会大大提高产品设计的成功率。

另外，设计方法的科学化也是未来机械设计的一种趋势，现代设计过程对内在规律的研究进展不大，设计方法的科学化可以摆脱以经验为主的传统设计方法，从而极大地提高设计效率。

五、机械设计理论与方法在齿轮传动问题上的具体应用

现代产品设计理论与方法是一种新兴的设计理论与方法，特别是利用计算机进行优化分析、辅助设计和可靠性计算等设计理论与方法，使得机械设计过程更加精确，设计结果更加贴近实际情况，而且现在这一领域出现了很多具有着各自独特特点的理论，下面我将就我们

生活中最常见的齿轮传动的优化设计来阐述一下机械设计理论与方法在机械设计问题上的应用。

齿轮设计的基本流程：

1、设计变量：齿轮传动在工业上的应用极为广泛，因此，齿轮及其减速器的优化设计对提。

高齿轮传动及其减速器的承载能力、延长寿命和减小其体积和重量等方面都具有重要的技术。

价值和经济意义。

对于给定齿数比u 的一对直齿圆柱齿轮传动，当中心距不确定时，其独立的参数有齿数。

1z （或2z ）、齿宽系数d ψ（或齿宽b ）、模数m 以及变位系数1x 和2x 。当中心距给定

时，其独立参数有1z （或2z ）、d ψ

（或b ）、m 以及变位系数1x （或2x ）。因此，不同情况下，一对圆柱齿轮传动优化设计的设计变量如表所示。 2、目标函数：齿轮传动的目标函数可以选择体积最小或者传递功率最大。

齿轮传动的体积最小：圆柱齿轮的体积可以近似地取为分度圆面积和齿宽的乘积、故齿轮传动装置的优化目标函数为大小齿轮体积之和：

(2)齿轮传动传递的功率最大：若以弯曲疲劳强度为限制条件，由公式可知，圆柱齿轮传动能传递的最大功率为：

若以接触疲劳强度为限制条件，则由公式可知圆柱齿轮传动能传递的最大功率为：

由此，极小化目标函数为：

3．约束条件：齿轮传动的优化设计中，约束条件包括：

(1)为防止齿面接触疲劳点蚀失效，齿轮传动必须满足接触疲劳强度条件，即

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