淺談機(jī)械設(shè)計(jì)及其發(fā)展史

1、淺談機(jī)械設(shè)計(jì)及其發(fā)展史李思宏（重慶交通大學(xué)，重慶402247）摘要：機(jī)械設(shè)計(jì)是機(jī)械工程的主要構(gòu)成部分，也是機(jī)械生產(chǎn)的首要步驟，更是決定機(jī) 械性能的關(guān)鍵因索，所以各工程設(shè)計(jì)師必須予以高度重視。本文川綜述的形式簡要介紹了機(jī) 械的構(gòu)成、機(jī)械設(shè)計(jì)的相關(guān)知識和機(jī)械設(shè)計(jì)的發(fā)展史，并用牛:活中簡單的機(jī)械實(shí)例拖把的各 種設(shè)計(jì)展示出來，從而讓初學(xué)者對機(jī)械設(shè)計(jì)冇更全面的印彖，領(lǐng)會到機(jī)械設(shè)計(jì)中的思、想。關(guān)鍵詞：機(jī)械設(shè)計(jì)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(jī)械設(shè)計(jì)是到如今已經(jīng)發(fā)展了幾千年，然而對于剛剛?cè)腴T的大學(xué)生來說，這是一個(gè)比較 陌生的領(lǐng)域。對機(jī)械設(shè)計(jì)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(xué)生對這個(gè)領(lǐng)域的學(xué)習(xí)興趣，需要用淺顯的文字來訃其初步了解機(jī)械設(shè)計(jì)。作 者就是從機(jī)械、機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)的部分發(fā)展史幾個(gè)方面來進(jìn)行了簡要介紹，并舉出了一 個(gè)?；钪械膶?shí)例，讓讀者能較為清楚而乂全面地對機(jī)械設(shè)計(jì)有一個(gè)初步的印象。1機(jī)械1.1機(jī)械的組成機(jī)械是

5、機(jī)器和機(jī)構(gòu)的總稱。就用途而言，機(jī)械不外乎兩類：一類是提供或轉(zhuǎn)換機(jī)械能的機(jī)器，如電動機(jī)、內(nèi)燃機(jī)等 動力機(jī)械；另一類則是利用機(jī)械能來實(shí)現(xiàn)預(yù)期工作的機(jī)器，如起重運(yùn)輸機(jī)、機(jī)床、插秧機(jī)、 紡織機(jī)等各種工作機(jī)器。這許許多多工作機(jī)器，它們的形式、構(gòu)造都不和同，各具自身的特 點(diǎn)；但i切工作機(jī)器的組成通常都有其共通之處。(1) 一臺完整的工作機(jī)器通常都包含工作部分、原動機(jī)和傳動部分。為使上述三個(gè)基 木職能部分彼此i辦調(diào)運(yùn)行，并準(zhǔn)確、安全、可靠地完成整體功能，通常機(jī)器還具冇操縱和控 制部分。(2) 任何機(jī)器都是山許多零件組合而成的。根據(jù)機(jī)器功能、結(jié)構(gòu)要求，某些零件需固 連成沒冇相對運(yùn)動的剛性運(yùn)動，成為機(jī)器中運(yùn)動的

6、一個(gè)基本單元體構(gòu)件(冇時(shí)一個(gè)單獨(dú) 的零件也是一個(gè)最簡單的構(gòu)建)。構(gòu)件與構(gòu)件z間通過一定的相互接觸與制約，構(gòu)成保持確 定相対運(yùn)動的“可動連接”運(yùn)動副。一切機(jī)械都是山若t構(gòu)件以運(yùn)動副相聯(lián)結(jié)并具有確 定的相對運(yùn)動，川來完成有用的機(jī)械功或轉(zhuǎn)換機(jī)械能的紐合體。(3) 常用機(jī)構(gòu)和通用零部件在各自不同的機(jī)器中所起的作用和工作原理基木相同，是 各種機(jī)器共同的、重要的組成基礎(chǔ)。1.2機(jī)械應(yīng)滿足的基本要求機(jī)械產(chǎn)品應(yīng)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(jī)器預(yù)期的功能要求；要經(jīng)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(jià)格比要高：所謂功能價(jià)格比是指機(jī)械產(chǎn)品的功能為實(shí)

7、現(xiàn)該功能所需總費(fèi)用(包 括設(shè)計(jì)、制造、使用和維護(hù))之比值，該比值高表明該產(chǎn)甜技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合評價(jià)高。2機(jī)械設(shè)計(jì)2.1機(jī)械設(shè)計(jì)概述機(jī)械設(shè)計(jì)是根據(jù)生產(chǎn)上的某種需要，創(chuàng)建一種機(jī)械機(jī)構(gòu)，合理地選擇材料并確定其尺寸, 狡其能滿足預(yù)期功能要求的-種技藝。機(jī)械設(shè)計(jì)是機(jī)械工程的主要構(gòu)成部分，也是機(jī)械生產(chǎn) 的首要步驟，更是決定機(jī)械性能的關(guān)鍵因素，機(jī)械的質(zhì)量與水平很大程度上取決于機(jī)械 設(shè)計(jì)。機(jī)械設(shè)計(jì)是一個(gè)創(chuàng)造過程，設(shè)計(jì)屮藥提出各種不同的構(gòu)思與設(shè)想，去反復(fù)進(jìn)行協(xié)調(diào)、折 屮和優(yōu)化，以最好地實(shí)現(xiàn)要求?？傮w來說，就比較完整的機(jī)械設(shè)計(jì)而言，機(jī)械設(shè)計(jì)的過程一 般為：規(guī)劃設(shè)計(jì)階段，總體設(shè)計(jì)階段，技術(shù)設(shè)計(jì)階段，試制定型階段。設(shè)計(jì)工作

8、 的各個(gè)環(huán)節(jié)都和總體密切關(guān)聯(lián)，能夠直接體現(xiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)的水平，而機(jī)械設(shè)計(jì)的水平又很大程 度上決定了機(jī)械產(chǎn)品的性能、質(zhì)量和成本。因此，評定設(shè)計(jì)水平尤為重耍，貫徹標(biāo)準(zhǔn)化就是 其指標(biāo)之一，這可以提高設(shè)計(jì)效率、保障設(shè)計(jì)質(zhì)量。2.2機(jī)械設(shè)計(jì)屮的工作能力準(zhǔn)則機(jī)器在傳遞動力進(jìn)行工作的過程中，機(jī)件要承受作用力、力矩等載荷，一方面這些載荷 欲使機(jī)件產(chǎn)生不同的損傷與失效；另一方面機(jī)件又靠自身一定的結(jié)構(gòu)尺寸和材料性能來反 抗損傷與失效。這是機(jī)件在設(shè)計(jì)和工作過程中存在的一對矛盾，解決這個(gè)矛盾的方法通常是 合理地選用機(jī)件材料和熱處理方法，進(jìn)行機(jī)件工作能力的計(jì)算，以確定其必耍的結(jié)構(gòu)尺寸、 并按規(guī)范運(yùn)行和維護(hù)。衡疑機(jī)件工作能力

9、的指標(biāo)稱為機(jī)件的工作能力準(zhǔn)則，主要準(zhǔn)則有：強(qiáng) 度準(zhǔn)則、剛度準(zhǔn)則、耐磨性準(zhǔn)則、振動穩(wěn)定性準(zhǔn)則和耐熱性準(zhǔn)則。在進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)的過程 屮，應(yīng)當(dāng)考慮到機(jī)件的工作能力及nj能發(fā)生的主耍失效形式，這就需要運(yùn)用相應(yīng)的準(zhǔn)則進(jìn)行 計(jì)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(jī)械設(shè)計(jì)飛速發(fā)展的四個(gè)階段®3.1設(shè)計(jì)公式下的經(jīng)典設(shè)計(jì)此階段是從工業(yè)革命至第二次世界大戰(zhàn)z間的時(shí)間，機(jī)械丄業(yè)生產(chǎn)主要發(fā)生在歐美，其 設(shè)計(jì)是依靠經(jīng)典設(shè)計(jì)公式所進(jìn)行的組合來進(jìn)行。這期間力學(xué)的各個(gè)分支得到了發(fā)展，同時(shí) 機(jī)械設(shè)計(jì)過程中積累了豐富經(jīng)驗(yàn),萸定了機(jī)械設(shè)計(jì)的試驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)與理論研究奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ), 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(shù)”之?dāng)?shù)據(jù)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(biāo)到現(xiàn)在依然可以 使用，在現(xiàn)在的機(jī)械設(shè)計(jì)教學(xué)中占有重要地位。3.2經(jīng)驗(yàn)卜的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)此階段涵蓋笫二次世界大戰(zhàn)以及1960年以前這段時(shí)間，主要地點(diǎn)為美國，屬于機(jī)械工 業(yè)在數(shù)量上擴(kuò)人牛產(chǎn)的階段。此階段下的機(jī)械設(shè)計(jì)，以模型試驗(yàn)和實(shí)機(jī)試驗(yàn)來獲得相關(guān)數(shù) 據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。這個(gè)階段的日木尤為惹人注目，因?yàn)槠湓谖迨甏鷮覍覐拿绹爰夹g(shù)，在某 種程度上可以說口木是歐美機(jī)械化的另一個(gè)翻本，也就是口木人所稱的“模仿設(shè)計(jì)”階段。 第二次世界大戰(zhàn)z后，i比界經(jīng)濟(jì)開始復(fù)蘇，經(jīng)典設(shè)計(jì)z方法與理論不斷完備使

11、得機(jī)械工業(yè)的 發(fā)展有了極大的提升。在機(jī)械設(shè)計(jì)之中，其主要囊括兩大方面，即機(jī)能設(shè)計(jì)與強(qiáng)度設(shè)計(jì)。-其 中強(qiáng)度設(shè)計(jì)兼顧三個(gè)方面，即彈性設(shè)計(jì)、極限設(shè)計(jì)academic學(xué)術(shù)和疲勞設(shè)計(jì)。3.3靜態(tài)解析卜的理論設(shè)計(jì)此階段為1960年到1980年這段時(shí)間，是機(jī)械設(shè)計(jì)從實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)金理論設(shè)計(jì)發(fā)展階段。 上世紀(jì)六十年代以后，機(jī)械牛產(chǎn)不但在數(shù)量上有了很人提升，而且出現(xiàn)的電子技術(shù)和液壓技 術(shù)等系列設(shè)計(jì)使得機(jī)械性能獲得了很大提升并進(jìn)-涉改善了產(chǎn)站質(zhì)量。在機(jī)械設(shè)計(jì)中，理論 推導(dǎo)的方法替代了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證對機(jī)械性能進(jìn)行確認(rèn)。以前經(jīng)典的設(shè)計(jì)方法無法解析的一些靜態(tài) 少動態(tài)問題，通過電子計(jì)算機(jī)技術(shù)獲得了很好的解決。新技術(shù)革命以高技術(shù)為核

12、心，電子計(jì) 算機(jī)得到了廣泛應(yīng)用，讓現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)之方法理論得以發(fā)展，體系fl益完善。人們不再滿足 于經(jīng)典的近似粗略應(yīng)力分析，對于精準(zhǔn)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(shù)值分析在分析結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度以及潤滑、傳熱和振動上有了很廣發(fā)的應(yīng)用。“合 格設(shè)計(jì)”已經(jīng)不再滿足于人們，最優(yōu)化設(shè)計(jì)成為了設(shè)計(jì)主流。經(jīng)典剛度設(shè)計(jì)觀點(diǎn)與設(shè)計(jì)計(jì) 最的常最觀點(diǎn)不再受到追捧，概率設(shè)計(jì)和可靠性設(shè)計(jì)應(yīng)運(yùn)而生。設(shè)計(jì)方法學(xué)的出現(xiàn)，將機(jī) 械設(shè)計(jì)工作者從繁瑣而粗略的經(jīng)典設(shè)計(jì)方法中解放出來。經(jīng)典斷裂理論己經(jīng)無法滿足于人們 的需求，機(jī)械零件設(shè)計(jì)z斷裂力學(xué)方法興起。3.4動態(tài)解析下的理論設(shè)計(jì)八十年代以后，擴(kuò)大生產(chǎn)不再那么盲

13、h,產(chǎn)品質(zhì)量有了很大的提升，成為了高質(zhì)低成本 的生產(chǎn)時(shí)代。機(jī)械生產(chǎn)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(chǎn)品 結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，因此這訃機(jī)械設(shè)計(jì)有了更人的困難，要求也越高。與此同時(shí)，隨著人們生活 水平質(zhì)的飛躍，機(jī)械的運(yùn)轉(zhuǎn)更加安全環(huán)保成為了一個(gè)重要課題。機(jī)械動態(tài)設(shè)計(jì)有了現(xiàn)代的設(shè) 計(jì)方法，通過動力學(xué)建模獲得相應(yīng)的動態(tài)特性數(shù)學(xué)模型，有了很多成熟方法，如機(jī)械機(jī)能解 析建模法、機(jī)械結(jié)構(gòu)動力分析有限元建模法、傳遞矩陣建模法、試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析建模法、試 驗(yàn)?zāi)B(tài)分析建模法和機(jī)械結(jié)構(gòu)動力學(xué)混合建模法o4簡單實(shí)例體現(xiàn)出的機(jī)械設(shè)計(jì)思想拖把拖把是一個(gè)簡易的機(jī)械結(jié)構(gòu)，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?yàn)橛媚ú疾恋匕逄鄱氲接媚ú技娱L柄制成了拖把。這種設(shè)計(jì)主要運(yùn) 用了杠桿原理，從而達(dá)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(shí)際?；钪惺褂靡灿兄欢ǖ谋锥?。其中一個(gè)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(shè)計(jì)，先川濕 的拖頭拖地，再換個(gè)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(diǎn)為：（1）不銹鋼材質(zhì)，長期使用不生銹（2）采用擦拭汽車玻矚、眼 鏡的超細(xì)纖維布（3）超強(qiáng)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(hù)部，避免了工作桿頭端對被清潔面的傷損。

15、（5）回轉(zhuǎn)筒下端安裝了固定裝置，避免了工 作時(shí)，冋轉(zhuǎn)筒的竄動。（6）冋轉(zhuǎn)筒上端被安裝了中心定位裝置，避免了工作時(shí)的擺動。（7） 工作桿上被安裝了止回鎖，避免了回轉(zhuǎn)筒工作擠水時(shí)逆轉(zhuǎn)。（8）伸縮桿設(shè)計(jì)，按身高調(diào)節(jié) 長短（9）旋轉(zhuǎn)擠水不費(fèi)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(diǎn)是在確保繼承擰水拖把擠水自潔功能的同時(shí)，工作頭材質(zhì)的變 化，采川的是聚乙烯醇膠棉。膠棉具有很強(qiáng)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?jǐn)D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(diǎn)人力就使拖把像在洗衣機(jī)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(shè)計(jì)的發(fā)展，其實(shí)這個(gè)簡單的機(jī)械所運(yùn)用的設(shè)計(jì)基本上都屬于設(shè)計(jì)公式下的經(jīng) 典設(shè)計(jì)。原型拖把，運(yùn)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(jià)格比。膠棉拖把沿用了這一設(shè)計(jì)思路，卻又運(yùn)用了新型的高分了材料，進(jìn)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(shí)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(shè)計(jì)的過程中，不僅是要用各種巧妙機(jī)械構(gòu)造，而且要 用合適的材料。無論在機(jī)械設(shè)計(jì)發(fā)展的任意一個(gè)階段屮，設(shè)計(jì)也主要是在這兩個(gè)部分作

17、出創(chuàng) 新。而在拖把的改進(jìn)過程中，是由弊端出發(fā)，結(jié)合現(xiàn)有科技，運(yùn)用相關(guān)領(lǐng)域知識來進(jìn)行改 進(jìn)的。這一思想可以運(yùn)用于未來的機(jī)械設(shè)計(jì)中。5結(jié)論機(jī)械設(shè)計(jì)是機(jī)械工程的主要構(gòu)成部分，也是機(jī)械生產(chǎn)的首要步驟，更是決定機(jī)械性能 的關(guān)鍵因索。要對機(jī)械設(shè)計(jì)冇一個(gè)初步的了解，要明白機(jī)械的概念，機(jī)械設(shè)計(jì)的概念及準(zhǔn)則。 同時(shí)，對于機(jī)械設(shè)計(jì)的發(fā)展史要有一定的了解。從一個(gè)簡單的機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)例中，能夠得出機(jī)械設(shè)計(jì)普遍的方法和思路。如：在設(shè)計(jì)的過 程屮，不僅是要用各種巧妙機(jī)械構(gòu)造，而且要用合適的材料。由弊端岀發(fā)，結(jié)合現(xiàn)有科技, 運(yùn)用相關(guān)領(lǐng)域知識。在充分了解了機(jī)械設(shè)計(jì)及其發(fā)展史后，希望初學(xué)者對機(jī)械設(shè)計(jì)冇了更全面的印象，領(lǐng)會 到了機(jī)械設(shè)計(jì)中的思想。參考文獻(xiàn)(1) 陳秀寧、顧人強(qiáng)機(jī)械設(shè)計(jì)浙江大學(xué)出版社(2) 曹麗娜