浅谈机械设计及其发展史

1、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 械性能的关键因索，所以各工程设计师必须予以高度重视。本文川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，并用牛: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冇更全面的印彖，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 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，但初读来颇为兀长而又生涩难 懂。要引起人学生对这个领域的学习兴趣，需要用浅显的文字來讣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 个牛活中的实例，让读者能较为清楚而乂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

5、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、构造都不和同，各具自身的特 点；但i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 木职能部分彼此i办调运行，并准确、安全、可靠地完成整体功能，通常机器还具冇操纵和控 制部分。(2) 任何机器都是山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 连成没冇相对运动的刚性运动，成为机器中运动的

6、一个基本单元体构件(冇时一个单独 的零件也是一个最简单的构建)。构件与构件z间通过一定的相互接触与制约，构成保持确 定相対运动的“可动连接”运动副。一切机械都是山若t构件以运动副相联结并具有确 定的相对运动，川来完成有用的机械功或转换机械能的纽合体。(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木相同，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机械产品应满足的基本耍求可以归纳为两方而：(1) 使用方面的要求：要满足机器预期的功能要求；要经久耐用，具有足够的寿命; 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为实

7、现该功能所需总费用(包 括设计、制造、使用和维护)之比值，该比值高表明该产甜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, 狡其能满足预期功能要求的-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，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，设计屮药提出各种不同的构思与设想，去反复进行协调、折 屮和优化，以最好地实现要求。总体來说，就比较完整的机械设计而言，机械设计的过程一 般为：规划设计阶段，总体设计阶段，技术设计阶段，试制定型阶段。设计工作

8、 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耍，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机械设计屮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，以确定其必耍的结构尺寸、 并按规范运行和维护。衡疑机件工作能力

9、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 屮，应当考虑到机件的工作能力及nj能发生的主耍失效形式，这就需要运用相应的准则进行 计算求得其承载能力，并以其中授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®3.1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z间的时间，机械丄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,萸定了机械设计的试验、实验与理论研究奠定坚实基础, 并确立了最基本的观念与形成了基

10、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经验卜的实验设计此阶段涵盖笫二次世界大战以及1960年以前这段时间，主要地点为美国，属于机械工 业在数量上扩人牛产的阶段。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。这个阶段的日木尤为惹人注目，因为其在五十年代屡屡从美国引入技术，在某 种程度上可以说口木是欧美机械化的另一个翻本，也就是口木人所称的“模仿设计”阶段。 第二次世界大战z后，i比界经济开始复苏，经典设计z方法与理论不断完备使

11、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静态解析卜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金理论设计发展阶段。 上世纪六十年代以后，机械牛产不但在数量上有了很人提升，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-涉改善了产站质量。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 少动态问题，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

12、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fl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 最的常最观点不再受到追捧，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來。经典断裂理论己经无法满足于人们 的需求，机械零件设计z断裂力学方法兴起。3.4动态解析下的理论设计八十年代以后，扩大生产不再那么盲

13、h,产品质量有了很大的提升，成为了高质低成本 的生产时代。机械生产向着高速、高效、轻量化、自动化和精密的方向快速发展，而产品 结构更加复杂，因此这讣机械设计有了更人的困难，要求也越高。与此同时，随着人们生活 水平质的飞跃，机械的运转更加安全环保成为了一个重要课题。机械动态设计有了现代的设 计方法，通过动力学建模获得相应的动态特性数学模型，有了很多成熟方法，如机械机能解 析建模法、机械结构动力分析有限元建模法、传递矩阵建模法、试验模态分析建模法、试 验模态分析建模法和机械结构动力学混合建模法o4简单实例体现出的机械设计思想拖把拖把是一个简易的机械结构，是一种擦洗地而的长柄清洁工具，亦泛指长柄清洁

14、工具。 英源于抹布，人们因为用抹布擦地板太累而想到用抹布加长柄制成了拖把。这种设计主要运 用了杠杆原理，从而达到了省力的效果，也提高了工作效率。上述拖把是原型拖把，在实际牛活中使用也有着一定的弊端。其中一个弊端就是拖把拖 过的地方容易地滑。于是就有了新型木杆拖把。新型木杆拖把采用可换式拖头设计，先川湿 的拖头拖地，再换个干的拖头拖地，而且，拖头坏了可以更换，节约成木。各式各样的新型拖把诞生了。拧水拖把，其特点为：（1）不锈钢材质，长期使用不生锈（2）采用擦拭汽车玻矚、眼 镜的超细纤维布（3）超强的去污能力、静电吸附能力、吸水能力（4）清洁头顶部被装上保 护部，避免了工作杆头端对被清洁面的伤损。

15、（5）回转筒下端安装了固定装置，避免了工 作时，冋转筒的窜动。（6）冋转筒上端被安装了中心定位装置，避免了工作时的摆动。（7） 工作杆上被安装了止回锁，避免了回转筒工作挤水时逆转。（8）伸缩杆设计，按身高调节 长短（9）旋转挤水不费力，无需辅助工具（10）可以轻轻松松更换布头。胶棉拖把。它最大的特点是在确保继承拧水拖把挤水自洁功能的同时，工作头材质的变 化，采川的是聚乙烯醇胶棉。胶棉具有很强的吸水性，能够充分保证工作头的洗洁工作需要。 主要变化是在围绕着挤水功能展开，主要类型有：（1）辘林挤水；（2）刈板挤水。拧水拖把电t拖把甩干拖把。采用离心力的原理，利用一点人力就使拖把像在洗衣机里甩干的效

16、果一样。胶棉拖把图2 .各种新烈拖把纵观拖把设计的发展，其实这个简单的机械所运用的设计基本上都属于设计公式下的经 典设计。原型拖把，运用的是杠杆原理，省力。新型木杆拖把主耍考虑的是成本问题，提高 了拖把的功能价格比。胶棉拖把沿用了这一设计思路，却又运用了新型的高分了材料，进一 步提高拖把的去污能力。拧水拖把用滑动轴承巧妙地讣拧水变得轻松，丿ut拖把则是用离心 力将水甩干，二者有显曲同工z妙，也都是拖把更加的人性化。其实拧水拖把和甩干拖把屮 拖布的材料也川到了胶棉，町见在设计的过程中，不仅是要用各种巧妙机械构造，而且要 用合适的材料。无论在机械设计发展的任意一个阶段屮，设计也主要是在这两个部分作

17、出创 新。而在拖把的改进过程中，是由弊端出发，结合现有科技，运用相关领域知识來进行改 进的。这一思想可以运用于未来的机械设计中。5结论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 的关键因索。要对机械设计冇一个初步的了解，要明白机械的概念，机械设计的概念及准则。 同时，对于机械设计的发展史要有一定的了解。从一个简单的机械设计实例中，能够得出机械设计普遍的方法和思路。如：在设计的过 程屮，不仅是要用各种巧妙机械构造，而且要用合适的材料。由弊端岀发，结合现有科技, 运用相关领域知识。在充分了解了机械设计及其发展史后，希望初学者对机械设计冇了更全面的印象，领会 到了机械设计中的思想。参考文献(1) 陈秀宁、顾人强机械设计浙江大学出版社(2) 曹丽娜