淺談機械設計及其發(fā)展史

1、淺談機械設計及其發(fā)展史李思宏（重慶交通大學，重慶402247）摘要：機械設計是機械工程的主要構成部分，也是機械生產的首要步驟，更是決定機 械性能的關鍵因索，所以各工程設計師必須予以高度重視。本文川綜述的形式簡要介紹了機 械的構成、機械設計的相關知識和機械設計的發(fā)展史，并用牛:活中簡單的機械實例拖把的各 種設計展示出來，從而讓初學者對機械設計冇更全面的印彖，領會到機械設計中的思、想。關鍵詞：機械設計發(fā)展史綜述discussion on mechanical design with it，s development historyli si-hong(chongqing jiaotong univ

2、ersity,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 th

3、e 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

4、 and grasp the idea of mechanism dcsign.keywords:mechanical design development overview0序言機械設計是到如今已經發(fā)展了幾千年，然而對于剛剛入門的大學生來說，這是一個比較 陌生的領域。對機械設計有著很完整描述的書籍是有很多，但初讀來頗為兀長而又生澀難 懂。要引起人學生對這個領域的學習興趣，需要用淺顯的文字來訃其初步了解機械設計。作 者就是從機械、機械設計、機械設計的部分發(fā)展史幾個方面來進行了簡要介紹，并舉出了一 個?；钪械膶嵗屪x者能較為清楚而乂全面地對機械設計有一個初步的印象。1機械1.1機械的組成機械是

5、機器和機構的總稱。就用途而言，機械不外乎兩類：一類是提供或轉換機械能的機器，如電動機、內燃機等 動力機械；另一類則是利用機械能來實現預期工作的機器，如起重運輸機、機床、插秧機、 紡織機等各種工作機器。這許許多多工作機器，它們的形式、構造都不和同，各具自身的特 點；但i切工作機器的組成通常都有其共通之處。(1) 一臺完整的工作機器通常都包含工作部分、原動機和傳動部分。為使上述三個基 木職能部分彼此i辦調運行，并準確、安全、可靠地完成整體功能，通常機器還具冇操縱和控 制部分。(2) 任何機器都是山許多零件組合而成的。根據機器功能、結構要求，某些零件需固 連成沒冇相對運動的剛性運動，成為機器中運動的

6、一個基本單元體構件(冇時一個單獨 的零件也是一個最簡單的構建)。構件與構件z間通過一定的相互接觸與制約，構成保持確 定相対運動的“可動連接”運動副。一切機械都是山若t構件以運動副相聯(lián)結并具有確 定的相對運動，川來完成有用的機械功或轉換機械能的紐合體。(3) 常用機構和通用零部件在各自不同的機器中所起的作用和工作原理基木相同，是 各種機器共同的、重要的組成基礎。1.2機械應滿足的基本要求機械產品應滿足的基本耍求可以歸納為兩方而：(1) 使用方面的要求：要滿足機器預期的功能要求；要經久耐用，具有足夠的壽命; 具有良好的保安措施和勞動條件。(2) 功能價格比要高：所謂功能價格比是指機械產品的功能為實

7、現該功能所需總費用(包 括設計、制造、使用和維護)之比值，該比值高表明該產甜技術經濟綜合評價高。2機械設計2.1機械設計概述機械設計是根據生產上的某種需要，創(chuàng)建一種機械機構，合理地選擇材料并確定其尺寸, 狡其能滿足預期功能要求的-種技藝。機械設計是機械工程的主要構成部分，也是機械生產 的首要步驟，更是決定機械性能的關鍵因素，機械的質量與水平很大程度上取決于機械 設計。機械設計是一個創(chuàng)造過程，設計屮藥提出各種不同的構思與設想，去反復進行協(xié)調、折 屮和優(yōu)化，以最好地實現要求?？傮w來說，就比較完整的機械設計而言，機械設計的過程一 般為：規(guī)劃設計階段，總體設計階段，技術設計階段，試制定型階段。設計工作

8、 的各個環(huán)節(jié)都和總體密切關聯(lián)，能夠直接體現機械設計的水平，而機械設計的水平又很大程 度上決定了機械產品的性能、質量和成本。因此，評定設計水平尤為重耍，貫徹標準化就是 其指標之一，這可以提高設計效率、保障設計質量。2.2機械設計屮的工作能力準則機器在傳遞動力進行工作的過程中，機件要承受作用力、力矩等載荷，一方面這些載荷 欲使機件產生不同的損傷與失效；另一方面機件又靠自身一定的結構尺寸和材料性能來反 抗損傷與失效。這是機件在設計和工作過程中存在的一對矛盾，解決這個矛盾的方法通常是 合理地選用機件材料和熱處理方法，進行機件工作能力的計算，以確定其必耍的結構尺寸、 并按規(guī)范運行和維護。衡疑機件工作能力

9、的指標稱為機件的工作能力準則，主要準則有：強 度準則、剛度準則、耐磨性準則、振動穩(wěn)定性準則和耐熱性準則。在進行機械設計的過程 屮，應當考慮到機件的工作能力及nj能發(fā)生的主耍失效形式，這就需要運用相應的準則進行 計算求得其承載能力，并以其中授小值作為工作能力的極限。3機械設計飛速發(fā)展的四個階段®3.1設計公式下的經典設計此階段是從工業(yè)革命至第二次世界大戰(zhàn)z間的時間，機械丄業(yè)生產主要發(fā)生在歐美，其 設計是依靠經典設計公式所進行的組合來進行。這期間力學的各個分支得到了發(fā)展，同時 機械設計過程中積累了豐富經驗,萸定了機械設計的試驗、實驗與理論研究奠定堅實基礎, 并確立了最基本的觀念與形成了基

10、本體系。例如，1893年美國人lewis w發(fā)表了 “齒形 系數”之數據圖表，雖然此后齒輪的制造方法與材料變化很大，但是該圖標到現在依然可以 使用，在現在的機械設計教學中占有重要地位。3.2經驗卜的實驗設計此階段涵蓋笫二次世界大戰(zhàn)以及1960年以前這段時間，主要地點為美國，屬于機械工 業(yè)在數量上擴人牛產的階段。此階段下的機械設計，以模型試驗和實機試驗來獲得相關數 據進行設計。這個階段的日木尤為惹人注目，因為其在五十年代屢屢從美國引入技術，在某 種程度上可以說口木是歐美機械化的另一個翻本，也就是口木人所稱的“模仿設計”階段。 第二次世界大戰(zhàn)z后，i比界經濟開始復蘇，經典設計z方法與理論不斷完備使

11、得機械工業(yè)的 發(fā)展有了極大的提升。在機械設計之中，其主要囊括兩大方面，即機能設計與強度設計。-其 中強度設計兼顧三個方面，即彈性設計、極限設計academic學術和疲勞設計。3.3靜態(tài)解析卜的理論設計此階段為1960年到1980年這段時間，是機械設計從實驗設計轉金理論設計發(fā)展階段。 上世紀六十年代以后，機械牛產不但在數量上有了很人提升，而且出現的電子技術和液壓技 術等系列設計使得機械性能獲得了很大提升并進-涉改善了產站質量。在機械設計中，理論 推導的方法替代了實驗驗證對機械性能進行確認。以前經典的設計方法無法解析的一些靜態(tài) 少動態(tài)問題，通過電子計算機技術獲得了很好的解決。新技術革命以高技術為核

12、心，電子計 算機得到了廣泛應用，讓現代機械設計之方法理論得以發(fā)展，體系fl益完善。人們不再滿足 于經典的近似粗略應力分析，對于精準分析有了更深的需求，如有限元法、邊界元法和差分 法等，而數值分析在分析結構強度和剛度以及潤滑、傳熱和振動上有了很廣發(fā)的應用?！昂?格設計”已經不再滿足于人們，最優(yōu)化設計成為了設計主流。經典剛度設計觀點與設計計 最的常最觀點不再受到追捧，概率設計和可靠性設計應運而生。設計方法學的出現，將機 械設計工作者從繁瑣而粗略的經典設計方法中解放出來。經典斷裂理論己經無法滿足于人們 的需求，機械零件設計z斷裂力學方法興起。3.4動態(tài)解析下的理論設計八十年代以后，擴大生產不再那么盲

13、h,產品質量有了很大的提升，成為了高質低成本 的生產時代。機械生產向著高速、高效、輕量化、自動化和精密的方向快速發(fā)展，而產品 結構更加復雜，因此這訃機械設計有了更人的困難，要求也越高。與此同時，隨著人們生活 水平質的飛躍，機械的運轉更加安全環(huán)保成為了一個重要課題。機械動態(tài)設計有了現代的設 計方法，通過動力學建模獲得相應的動態(tài)特性數學模型，有了很多成熟方法，如機械機能解 析建模法、機械結構動力分析有限元建模法、傳遞矩陣建模法、試驗模態(tài)分析建模法、試 驗模態(tài)分析建模法和機械結構動力學混合建模法o4簡單實例體現出的機械設計思想拖把拖把是一個簡易的機械結構，是一種擦洗地而的長柄清潔工具，亦泛指長柄清潔

14、工具。 英源于抹布，人們因為用抹布擦地板太累而想到用抹布加長柄制成了拖把。這種設計主要運 用了杠桿原理，從而達到了省力的效果，也提高了工作效率。上述拖把是原型拖把，在實際?；钪惺褂靡灿兄欢ǖ谋锥?。其中一個弊端就是拖把拖 過的地方容易地滑。于是就有了新型木桿拖把。新型木桿拖把采用可換式拖頭設計，先川濕 的拖頭拖地，再換個干的拖頭拖地，而且，拖頭壞了可以更換，節(jié)約成木。各式各樣的新型拖把誕生了。擰水拖把，其特點為：（1）不銹鋼材質，長期使用不生銹（2）采用擦拭汽車玻矚、眼 鏡的超細纖維布（3）超強的去污能力、靜電吸附能力、吸水能力（4）清潔頭頂部被裝上保 護部，避免了工作桿頭端對被清潔面的傷損。

15、（5）回轉筒下端安裝了固定裝置，避免了工 作時，冋轉筒的竄動。（6）冋轉筒上端被安裝了中心定位裝置，避免了工作時的擺動。（7） 工作桿上被安裝了止回鎖，避免了回轉筒工作擠水時逆轉。（8）伸縮桿設計，按身高調節(jié) 長短（9）旋轉擠水不費力，無需輔助工具（10）可以輕輕松松更換布頭。膠棉拖把。它最大的特點是在確保繼承擰水拖把擠水自潔功能的同時，工作頭材質的變 化，采川的是聚乙烯醇膠棉。膠棉具有很強的吸水性，能夠充分保證工作頭的洗潔工作需要。 主要變化是在圍繞著擠水功能展開，主要類型有：（1）轆林擠水；（2）刈板擠水。擰水拖把電t拖把甩干拖把。采用離心力的原理，利用一點人力就使拖把像在洗衣機里甩干的效

16、果一樣。膠棉拖把圖2 .各種新烈拖把縱觀拖把設計的發(fā)展，其實這個簡單的機械所運用的設計基本上都屬于設計公式下的經 典設計。原型拖把，運用的是杠桿原理，省力。新型木桿拖把主?？紤]的是成本問題，提高 了拖把的功能價格比。膠棉拖把沿用了這一設計思路，卻又運用了新型的高分了材料，進一 步提高拖把的去污能力。擰水拖把用滑動軸承巧妙地訃擰水變得輕松，丿ut拖把則是用離心 力將水甩干，二者有顯曲同工z妙，也都是拖把更加的人性化。其實擰水拖把和甩干拖把屮 拖布的材料也川到了膠棉，町見在設計的過程中，不僅是要用各種巧妙機械構造，而且要 用合適的材料。無論在機械設計發(fā)展的任意一個階段屮，設計也主要是在這兩個部分作

17、出創(chuàng) 新。而在拖把的改進過程中，是由弊端出發(fā)，結合現有科技，運用相關領域知識來進行改 進的。這一思想可以運用于未來的機械設計中。5結論機械設計是機械工程的主要構成部分，也是機械生產的首要步驟，更是決定機械性能 的關鍵因索。要對機械設計冇一個初步的了解，要明白機械的概念，機械設計的概念及準則。 同時，對于機械設計的發(fā)展史要有一定的了解。從一個簡單的機械設計實例中，能夠得出機械設計普遍的方法和思路。如：在設計的過 程屮，不僅是要用各種巧妙機械構造，而且要用合適的材料。由弊端岀發(fā)，結合現有科技, 運用相關領域知識。在充分了解了機械設計及其發(fā)展史后，希望初學者對機械設計冇了更全面的印象，領會 到了機械設計中的思想。參考文獻(1) 陳秀寧、顧人強機械設計浙江大學出版社(2) 曹麗娜