机械设计的基本要求

机械设计的最终目的是为市场提供优质高效、价廉物美的机械产品，在市场竞争中取得优势，赢得用户，取得良好的经济效益。

产品的质量和经济效益取决于设计、制造和管理的综合水平，而产品设计则是关键。没有高质量的设计，就不可能有高质量的产品；没有经济观念的设计者，绝不可能设计出性能价格比高的产品。据统计，产品质量事故，约有50%是设计不当造成的；产品的成本60%～70%取决于设计。因此，在机械产品设计中，特别强调和重视从系统的观点出发，合理地确定系统的功能；重视机电技术的有机结合，注意新技术、新工艺及新材料等的采用；努力提高产品的可靠性、经济性及保证安全性。

机械设计应满足如下的基本要求。

1.工作能力要求

组成机器的所有零件必须具有相应的工作能力，否则就会失效。为避免在预定寿命期内失效，机械零件应具有强度大、刚度足、抗疲劳、耐磨损和防腐蚀等性能。

2.结构工艺性要求

机器零件具有良好的结构工艺性，就是要求零件的结构合理，外形简单，在既定生产条件下易于加工和装配。零件的结构工艺性不仅与毛坯制造、机械加工、装配要求有关，而且还与零件的材料、生产批量、生产设备条件等有关。零件的结构设计对零件的结构工艺性具有决定性的影响。

3.经济性要求

经济性要求是降低零件的生产成本，增加产品市场竞争力、赢得用户的需要，也是节约社会劳动、提高社会效益的需要。提高产品的经济性是以寿命周期成本最低为目标的。

寿命周期成本是指产品从规划、设计、制造、使用直至报废的整个寿命周期内所支出费用的总和，如图4-10所示。寿命周期成本=生产成本+使用成本。生产成本=直接成本+间接成本。其中直接成本主要包括研究与设计、材料及采购、加工和装配等与生产直接有关的各项成本；间接成本主要包括管理、销售、广告、公用事业、保险福利、研究开发及利息等各项非直接生产环节的支出分摊到该产品的成本。销售价格=生产成本+利润+税金。使用成本包括运行成本和维修成本。机械产品通常是寿命周期较长的耐用消费品，其使用费用累积额可能相当可观。

图4-10 产品寿命周期成本

提高产品经济性有如下途径：

（1）提高设计和制造的经济性 从设计的角度考虑主要有以下几方面。

1）在完成产品功能分析的基础上，通过创新构思，优化筛选得到最佳的功能原理方案。该方案在满足功能要求和可靠性要求的前提下，具有效率高、能耗少、生产成本低及易维修等良好经济性的特点。

2）采用先进的现代设计制造方法，使设计参数最优化，达到尽可能精确的设计结果，保证机器的可靠性。尽可能地应用CAD/CAM技术，特别是先进制造技术，提高设计制造效率，降低设计制造成本。

3）尽可能地采用新技术、新工艺、新结构和新材料。如尽量采用标准化的零部件以取代需要加工的零部件；采用廉价材料代替贵重材料；采用轻型结构以减少零件的用料；采用少余量或无余量的毛坯或简化零件结构，以减少加工工时；采用装配工艺性良好的结构以减少装配工序和工时等。

4）努力提高零部件结构的工艺性，使其用料少、易加工、易装配，提高生产率，缩短生产周期，降低生产成本。

5）最大限度地采用标准化、系列化及通用化的零部件。

（2）提高使用和维修经济性

1）提高产品的效率、降低能耗。机器的效率主要取决于传动系统和执行系统的效率。传动系统的效率通常与传动类型、结构形式、工作表面的性态、摩擦润滑状况、润滑剂的种类、润滑方式及工作条件等有关；执行系统的效率与执行机构的类型、机构结构及参数有关。在方案设计和结构设计时，应充分考虑提高效率的措施。(www.xing528.com)

2）合理确定机器的经济寿命。机器的寿命分为三种：功能寿命（机器从开始使用至其主要功能丧失而报废所经历的时间）、技术寿命（机器从开始使用至因技术落后而被淘汰所经历的时间）和经济寿命（机器从开始使用至继续使用其经济效益显著变差所经历的时间）。在科学技术高速发展的今天，机器的经济寿命和技术寿命大大短于功能寿命。按成本最低的观点，机器更新的最佳时间应由其经济寿命确定，但在设计中单纯追求长寿命是不恰当的，应合理地确定机器的经济寿命。

3）提高维修的经济性。维修是保证机器良好的技术状况及正常运行的技术措施，延长机器的使用寿命，必然以付出一定的维修费用及停机费用为代价。因此，以尽可能少的维修费用换取尽可能多的经济效益，是机器进行维修的原则。

4.可靠性要求

可靠性是指产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。这里所指的“产品”可以是零件、部件等，也可以是整机系统。“规定条件”是指对产品进行可靠性考核时所规定的使用条件和环境条件，包括载荷状况、工作制度、应力、强度、湿度、粉尘及腐蚀等，也包括操作规程、维修方法等。“规定时间”是指对产品可靠性考核是所规定的时间，包括运行时间、应力循环次数、行驶的里程等。“规定功能”是指对产品考核的具体功能，产品规定功能的丧失称为失效，对可修复产品的失效也称为故障。

可靠性是衡量产品质量的一个重要指标，提高产品可靠性的最有效的方法是进行可靠性设计。设计者应从整机系统出发，对可能发生的故障和失效进行预测和分析，采取相应的预防措施；对整机系统可靠性有关键影响的零部件应进行可靠性分析和设计。衡量产品可靠性的指标有很多，机械产品常用的可靠性指标主要有可靠度R、失效概率F及失效率λ等。

可靠度R：指产品在规定的条件下和规定的时间内（寿命）完成规定功能而不发生故障或失效的概率，0≤R≤1。

失效概率F：指在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能时发生故障或失效的概率。失效概率也称不可靠度，0≤F≤1。因为失效和不失效是对立事件，所以F=1-R。

失效率λ：是指产品工作到某一时刻后，在单位时间内发生失效或故障的概率，失效率也称为故障率。机械产品的故障率曲线如图4-11所示，因其形状像浴盆，故常称为浴盆曲线。根据故障率的变化趋势，通常将故障分为初期、稳定期（偶发）及耗损期。

图4-11 机械产品的故障率曲线

初期故障通常是由机器中某些可靠性较差的零部件引起的，也可由设计中的不当或制造装配中的缺陷引起。稳定期故障主要由一些偶发因素引起，如操作不当，运行条件的突然变化，过载及零部件的偶然性缺陷等，所以又称为偶发故障。功能寿命（有效寿命）是指偶发性故障所对应的运行时间，它是产品能有效工作的时间。耗损期故障是指零部件因老化、磨损、疲劳等原因引起的。故障率显著上升，这时机器的效率下降，生产率降低，意味着机器正常寿命的终结。

在稳定期，机器如能得到妥善的维修，及时更换磨损、疲劳及老化的零部件，则整机系统的故障率会显著下降，功能寿命得以延长。因此，在设计阶段就应考虑机器的易维修性，使机器易于检查、发现和排除故障。为了便于维修，整机系统的薄弱环节（易损件等）尽量做成独立部件或采用标准件、通用件，并设计成容易拆卸和更换的结构等。

5.安全性要求

机器的安全性包括两方面：

（1）机器执行预期功能的安全性 机器执行预期功能的安全性即机器运行时系统本身的安全性，如满足必要的强度、刚度、稳定性、耐磨性等要求。因此，在设计时必须按有关规范和标准进行设计计算。另外，为了避免机器由于意外原因造成故障或失效，常需要配置过载保护、安全互锁等装置。如为了保证传动系统在过载时不致损坏，常在传动链中设置安全离合器或安全销。又如，为保证机器安全运行，离合器与制动器必须设计成互锁结构，即离合器与制动器不能同时工作。

（2）人-机-环境系统的安全性 机器是为人类服务的，同时它又在一定的环境中工作，人、机、环境三者构成一个特定的系统。机器工作时不仅机器本身应具有良好的安全性，而且对使用机器的人员及周围的环境也应有良好的安全性。人-机-环境系统的安全性包括劳动安全和环境保护两方面的内容。

在满足安全性要求的基础上，在设计上应以人为主体协调处理好人、机、环境三者的关系，力求产品功能完善，造型色彩大方宜人，人-机接口亲切、方便，要使人类的生存环境得到保护和改善。

6.质量小的要求

要尽量减少机械零件的质量，因为这样可减少材料的消耗，降低成本，还可以减小运动零件的惯性以改善机器的动力性能。