描述机械设计中的问题和处理

描述机械设计中的问题和过程2.1简介并行工程的一个主要特点是强调沟通。通信依赖于一个共同理解的术语。所有有关各方都必须使用相同的术语来描述相同的对象，方法和行动，。在本章中，我们讨论的术语用来描述机械设计过程。虽然并不复杂，这里定义的术语是本书的其余部分的基础。2.2机械系统的分解大部分的历史，学科机械设计机械零件和装配所需的知识。但早在20世纪的电器元件被引进的机械设备。本学科自那时以来，已经历了一个从纯机械机电产品的稳步转型。然而，无论怎样成为“电子”设备的问题，几乎所有的产品都需要与人类的机械接口。此外，所有的产品都需要机械制造和装配并用机械部件来收容。其他学科在20世纪60年代和70年代增加了机电设计，即软件设计。现在有许多机电产品作为其控制系统的一部分的微处理器。考虑，例如，照相机，办公用复印机，和我们的许多“聪明”的玩具。这些产品有机械，电子和软件组件被称为机电一体化设备。领域的必要性和设计过程的知识在三个重叠但显然并不相同的学科使得这些设备很难设计。分解产品为各部分对制造是重要的，但设计注重功能。作为机电一体化系统的一个例子，考虑第柯达卡梅罗变焦相机（图2.1）和其快门大会（图2.2）。快门组件是快门系统，相机在许多系统的一部分。一个系统被普遍认为是一个执行特定功能的对象分组。在一般，功能描述，使用的表现动词和一个名词，描述对象的行动发生。功能是强调在下列句子中的引号，是第7章的主题。相机是一个子系统，是曝光系统，其中还包括光仪表，控制器，和自动对焦系统的一部分。因此，我们必须分解分为三个系统级别的摄像头，照相系统，曝光系统，和快门系统，同时仍然指的对象的功能，每个不。有许多不同的物理形式，可以实现各系统的功能。只要进入任何照相机商店并查看在各种型号。另一种相机是看它在相机的物理部件或形式方面大会的一个组成部分。快门大会在图2.2所示，可以进一步分解成各个组成部分，或部分。在这本书中的组件将被用于长期，而不是一部分，有太多的其他用途的英语，容易混淆。此外，由于可以有子系统，子系统和子组件的子组件，以缓解混乱，系统和装配均采用感兴趣的对象，无论身在何处跌倒在分解。前缀子仅用于显示一个分解在一个特定的讨论的水平。在一般情况下，在设计过程中首先考虑系统的功能和其分解。的功能后，可能已分解到最优秀的子系统，组件和部件的开发，以提供这些功能。因此，有机械分解的层次结构，如在图2.3上方行所示。也显示在这一个机械物体的进一步分解。系统，组件，或组件的长期功能是指特定属性的系统，组件，或很重要的组成部分，如尺寸，材料特性，形状，或功能细节。快门系统的一些特点是开

幕式和闭幕式的速度和光通过光圈的模式。组件称为上部的分离器，其特点是它的尺寸和材料特性。我们也必须注意到，大多数相机的快门系统，电气和机械部件。电气系统提供能量传输和相机控制功能。满足这些电气系统的功能是可以分解成电气元件的电路（电气集会），在图2.3所示。最后，一些控制功能，填补由微处理器（图2.3底部行）。物理电路，但实际的控制功能是提供一个处理器中的软件程序。这个方案是一个编码个人编码语句组成的模块组装。应该指出的是，微处理器的功能可以通过电气或可能甚至是纯粹的机械系统填补。在设计过程的早期阶段，开发系统时，是努力的重点，它往往是不清楚是否将会由机械组件，电路，软件程序，或这些元素的混合满足实际功能。2.3产品功能，表现和性能的重要性有很多字功能的同义词。在机械工程中，我们通常使用功能，操作，和目的来描述什么设备剂量。一个常用的方法是机械设备的分类及其功能。事实上，有些设备只有一个主要功能是该函数的命名。例如，螺丝刀，使插入或删除一个螺丝一个人的功能。驱动器，插入，和删除所有动词，告诉螺丝刀做什么。告诉螺丝刀做什么，我们有没有螺丝刀如何实现其功能的指示。回答如何，我们必须有一定的信息设备的形式。长期形成的，涉及到任何物理形状，几何尺寸，施工，材料，或大小方面。正如我们将看到的第三章里，工程师弱智指数自己的知识有关的机械世界的主要途径之一是功能。早些时候，我们物理上分解成组件和部件把柯达相机。功能分解的往往是难度远远超过物理分解，每个功能可以使用许多组件的一部分，每个组件可用于多种功能。考虑自行车的车把。车把是一种单组分，提供许多功能。它可以让车手“驾驭把自行车”（“引导”是一个动词，告诉设备做什么），车把“支持骑手”（再次，机能缺失什么车把）。进一步，它不仅“制动杆”，还要“转换（另一个函数）夹持力”一拉刹车线。车把的形状，与其他组件的关系确定它如何提供所有这些不同的功能。车把，但不是唯一的组成部分，需要引导自行车。履行这一职能所必需的附加组件，前叉，前叉和车架之间把轴承，前轮，和杂项紧固件。实际上，它可以说，自行车上的所有组件有助于转向，因为没有座位或后轮的自行车将很难转向。在任何情况下，车把执行许多不同的功能，但在履行这些职能，车把只有各级议会的一部分。形式和功能之间的耦合，使机械设计具有挑战性的。许多常见的设备是编目它们的功能。例如，如果我们要指定一个轴承，我们可以搜索轴承目录，并找到许多不同的风格轴承（普通纸，球，圆锥滚子，例如）。每一个“风格”有不同的几何----一个不同的形式----虽然都有相同的主要功能，即，以减少轴和另一个对象之间的摩擦。编目是可能的，只要为主要功能是明确定义的硬件的单件，无论是单个组件或组装的机械设计。换句话说，形式和功能分解沿着相同的边界。这是很多机械设备，如泵，阀，热交换器，齿轮箱，风扇叶片，真实的，尤其是许多电路和元件，如电阻，电容和放大器电路。其他两个条款往往涉及功能的表现和性能。功能和表现往往是同义词。然而，有一个细微的差别，如在图2.4所示。在这个数字中，有两个标准体系进入BOS

的箭头代表输入块，系统的表现代表输入框，并输入系统的反应框中的箭头表示。在图的上部框显示功能，是从一个系统，是有待设计所需的输出。当我们开始设计的设备，设备本身是未知，但我们想要它做的是知道。如果系统是已知的，在第二部分的身影，然后系统的表现可以被发现。表现的实际输出，输入能量或控制系统的物理性质，化学性质的响应。因此，该表现可以模拟或测量，而功能只是一种愿望。性能的功能和表现----设备如何做什么它是专门做的措施。当我们说一个车把的功能是引导自行车，我们说什么有关以及它为这个目的。设计一个车把之前，我们必须制定一个清楚地了解其所需的性能。例如，一个设计目标是，车把，必须支持50公斤，车把一个可衡量的预期性能。发展明确的工作表现措施是第六章的重点。此外，后设计把车把，我们可以模拟其强度分析或测量原型的力量来寻找比较，所需的实际表现。这种比较一个第十一章的一个主要重点。2.4不同类型的机械设计问题传统上，我们按学科来分解机械工程：液体，热力学，力学，等。在机械设计问题的类型分类，这门学科为导向的方法是不恰当的的。举例来说，考虑的设计问题，选择设计问题的最简单的一种。选择设计手段采摘一个（也许更多）项从列表中所选择的项目，符合一定的要求。常见的例子是选择正确的轴承从轴承目录，选择正确的镜片的光学设备，选择适当的风扇冷却设备，或选择适当的热交换器用于加热或冷却过程中。这些问题的设计过程基本上是相同的，即使学科有很大的不同。本节的目的是描述不同类型的设计问题，独立的学科。在开始之前，我们必须认识到，大多数设计情况的各类问题的混合。例如，我们可能会设计一种新型消费产品将接受一个整体的生鸡蛋，打破它，炒，并提供板。因为这是一个新的产品，将会有很多事情要做了原来的设计工作。然而，由于设计过程中，我们会发现有必要配置的各个部分;分析油炸组件的热传导，这将需要的参数化设计，并选择一个加热元件和各种紧固件一起举行的组件。进一步，如果我们是聪明的，我们可能能够重新设计现有产品，以满足部分或全部的要求。斜体条款，每一个都是不同类型的设计问题。发现一个问题，纯粹是一种类型是非常罕见的。2.4.1选择设计如被暗示，选择设计涉及从一个类似项目的列表中选择一个项目（或者更多）。我们做这种类型的设计我们每次从目录中选择一个项目。这听起来可能很简单，但如果目录包含超过几个项目，有许多不同功能的项目，该决定可能会相当复杂。要解决一个选择的问题，我们必须开始有了明确的需要。目录或选择列表，然后有效地产生问题的潜在解决方案。尊重我们的具体要求，做出正确的选择，我们必须评估可能的解决方案。考虑下面的例子。在设备的设计过程中，我们必须选择一个支持轴的轴承。已知的信息是在图2.5。轴直径为20毫米（0.787英寸）。有轴轴承上的径向力6675N（1500磅），在2000rpm的最大旋转轴。支持轴承的住房仍然是设计。所有我们需要做的的是选择一个轴承，以满足需要。轴的尺寸，最大径向力，最高转速轴承目录中的信息，使我们能够快速发展的潜

力（表2.1）名单。这是最简单的类型，我们可以设计问题，但它仍然是不完全的定义。我们没有足够的信息来作出选择的5个可能的选择。即使名单已经列出---最有可能的候选人是42毫米的深沟球轴承和滚针轴承24毫米，没有更多轴承的功能知识和工程要求知识也不可能做出一个很好的决定。2.4.2配置设计一个稍微复杂的设计类型，是所谓的配置或包装设计。在这种类型的问题，所有的组件都被设计的问题是如何组装成完整的产品。从本质上讲，这种类型的设计是类似打竖设置或其他建筑玩具，或安排客厅家具。考虑在一台笔记本电脑包装电子元件。一台笔记本电脑键盘内置的情况下，一个电源，主电路板，硬盘驱动器，软盘驱动器，和两个扩展板的空间。每个组件是已知大小和它的位置有一定的制约。例如，扩展插槽必须相邻的主电路板和键盘必须在机器的前面。为解决设计方法上的问题，我们如何适应在一个案件中的所有组件？我们在哪里放什么？-从列表中随机选择一个组件和地位，使该组件上的所有约束条件的情况下。键盘，如果我们开始，已被放置在前面。然后，我们选择和放置的第二个组成部分。此过程继续，直到我们遇到冲突或所有组件的情况下。如果发生冲突，我们备份和再试一次。使用这个逻辑，假设一个二维的世界，我们最终建立在图.2.6所示的潜力配置。并非所有的配置问题，以及定义为计算机的例子。一些适合大会的组件许多问题可以在大小，形状或功能改变，给设计师更多的纬度，以确定潜在的配置，使问题的解决更加困难。2.4.3参数设计参数化设计涉及表征被研究对象的功能，寻找值。这似乎很容易，只要找到符合要求的某些值。然而，考虑一个非常简单的例子。我们要设计一个圆柱形的储罐液体，必须持有4m3。这种坦克是参数r,它的半径，L,它的全长。因此，体积是由V=rl卷等于4m,r21=1.273我们可以看到，一个无限的半径和长度的值，将满足该方程。什么样的值应该设置的参数？答案是并不明显，也甚至完全定义所提供的资料（这个问题将在第十一章重新着手，其中，半径和长度可制造精度将被用来帮助找到最佳值的参数。）让我们进一步扩展的概念。它可能是一个简单的等式，方程和规则的一整套管理设计。考虑的影印机的主要制造商不得不为每个新的复印机进纸机制设计实例（一个纸滚筒，驱动车轮，挡板一张纸从一个位置移动到另一个许多参数机器）。辊，他们的立场，挡板的形状，和类似描述这个特定的设计问题，但显然有某些相似之处供纸盒，无论开始的相对位置和数量终点的障碍物（在机器中的其他组件）必须被清除，纸张的大小和重量的纸张，。该公司开发了一套方程和规则制定可行的纸张路径，并使用该信息，以帮助设计师，设计师可能会产生新产品的参数值。2.4.4原设计

无论何时设计问题需要一个发展过程，装配，或组件以前不存在;或信息不会提供给设计者，它原来的设计要求。（也可以说，如果我们从来没有见过一个轮子，我们的设计之一，那么我们有一个原始的设计。）尽管大多数的选择，配置和参数问题方程，规则，或其他一些逻辑的计划，原设计为代表的问题通常不能减少任何算法。每一个代表新的和独特的东西。在许多方面的设计其他类型的问题，选择，配置，和参数都简单地制约了原设计的子集。可能的解决方案是有限的列表，组件的安排，或相关的特征值。因此，如果我们有一个明确的方法执行原设计，我们应该能够解决任何一个潜在的解决方案设计一套较为有限问题。2.4.5重新设计大多数设计行业亟待解决的问题是现有产品的重新设计。假设液压缸制造商的产品，是长期0.25米的。如果客户需要一个圆柱体0.3米长，制造商可能会延长，以满足这种特殊需要外筒和活塞杆。这些变化可能只需要参数的变化，或者他们可能需要更广泛的内容。如果不提供所需要的长度，或汽缸的填充时间的材料就显得过于缓慢增加的长度？然后，重新设计工作可能需要比参数的变化。不管的变化，这是一个重新设计，修改现有的产品，以满足新的要求。许多重新设计问题，更是家常便饭;设计领域是如此的了解，所采用的方法可以一本手册，作为一个系列的公式或规则。例如液压缸参数的变化可能是常规的制造商。液压缸也可以被用来作为一个成熟的设计，例如，它多年来一直大致维持不变。有许多成熟的设计我们的日常生活中的例子：卷笔刀，孔拳，和订书机平均办公桌上发现了一些。对于这些产品，设计问题的认识是高（图1.11）。很少有更多的了解。但是，考虑自行车。自行车基本配置的两个张拉，轮辐车轮直径相等，菱形的框架，和链驱动，在19世纪后期已经非常完善了。而1890年亨伯如图.2.7所示看起来很像一个现代的自行车，并非所有这个时代的自行车，这种配置。奥托自行车，如图。2.8,有两个辐条车轮和链;停止和转向这台机器必须已经是一个挑战。事实上，自行车设计的技术如此发达，由十九世纪末，关于这个问题，自行车，三轮车的主要的书：一个基本的论文，他们的设计和施工上，于1896年出版的。自行车设计，只有在重大的改变，因为这本书的出版是在20世纪30年代引进的变速器。然而，在20世纪80年代，传统的自行车设计开始再次发生变化。例如，概念自行车在图.2.9不再有钻石帧，帧中有没有钢，甚至骑手是在不同的位置。这个实验自行车没有区别，在这本书的序言中所示的自行车生产。为什么一个成熟的设计就像是一辆自行车，又开始不断变化的？第一，客户一直在寻找提高性能。更舒适，更有趣，比传统的自行车骑自行车图2.9在序言中所示的样式。第二，提高了人体舒适性，人体工程学，空气动力学的理解。第三，这种风格的自行车制造大量简单。第四，客户一直在寻找一些新的和令人兴奋的表现，即使是性能没有很大的改善。

重点是，即使成熟的设计改变，以满足新的需求，吸引新客户，或采取新材料的优势。像所示在图.2.9一个新的自行车设计的一部分是常规的，部分是原来的。此外，还有许多子参数的问题，选择问题，配置问题。因此，可能需要重新设计的产品，甚至一个成熟的，广泛的设计活动。2.5机械设计的语言有许和实际硬件组件的详细的图纸之间的区别。绘图和硬件都代表相同的对象，然而，他们代表不同的语言。进一步延长这个例子，如果我们正在讨论的组成部分，是一个螺栓，然后字螺栓是一个文本（语义或字）的组件的描述。此外，螺栓可通过方程描述其功能和可能的形式表示。例如，螺栓的能力“进行剪应力”-一个功能-描述由方程T=F/A，剪应力t等于应力区的A除以螺栓的剪切力F螺栓。在此基础上，我们可以用四个不同的表述来形容螺栓。这些相同的陈述可以用来描述任何机械对象：语义。口头或文字表述对象的词螺栓，或句子，例如，“剪应力等于应力区分为螺栓的剪切力。”图形。绘制的对象-例如，规模交涉，如正交素描，速写，或艺术渲染。分析。代表对象，例如，t=F/A的形式或功能的公式，规则或程序，物理。硬件或一个对象的物理模型。在大多数机械设计问题的初步需要的是一个书面的规范，或由客户或上司的口头请求的语义语言表达。设计过程的最终结果是实物产品。虽然设计师产生了产品的图形表示，而不是硬件本身，所有的语言将被用来作为其初始的，抽象的的语义表示，其最终的实物形式精制而成的产品。2.6约束，目标和设计决策从最初的需要（设计问题）到最终产品的进展是在中间穿插设计决策的递增。每一个设计决定改变设计状态，这就好比在任何给定的时间的设计，在这个过程中产品的所有已知信息的快照。在开始设计状态只是问题的声明。在这个过程中设计状态是所有的知识，图纸，模型，分析，迄今产生的集合。设计过程中的进展如何从一个设计状态进入下一个，可以采取两种不同的看法。一种观点认为，产品的发展之间的设计状态和目标，那就是，问题陈述产品的要求不断比较。这一理念意味着所有的要求都在开始设计问题，并可以很容易地发现，它们之间的差异和当前的设计状态。正是这种差异，控制过程。这一理念是第六章方法的基础。他设计过程中另一个看法是，当开始一个新的问题是，设计要求有效地限制可能的解决方案，以所有可能的产品设计一个。作为设计过程中继续，其他的限制，以进一步减少潜在解决问题的办法，不断消除潜在的解决方案，直到只有一个最终的设计。设计，换句话说直到只有一个独特的产品仍然是连续发展和应用约束。这种模式最能代表大多数的设计问题。超越原来的问题规范的约束，约束过程中添加的设计过程中有两个来源。首先是从设计师的机械设备和正在解决的具体问题知识。如果一个设计师说，“我知道螺栓连接紧固在一起钣金，”这片知识的限制螺栓连接解决。因为每个设计师都有不同的知识，到设计过程引入的约束使每个设计师给定问题独特的解决方案。

在设计过程中添加约束第二种类型是设计决策结果。如果一个设计师说，“我会使用1厘米直径螺栓固定钣金这两件在一起，”解决的办法是限制到1厘米直径螺栓，一个约束，可能会影响许多其他决定清理工具拧螺栓，所用材料的厚度，诸如此类。在设计过程中大多数的约束的基础上设计决策的结果。因此，个别设计师的能力，使整个设计过程中消息灵通决定是至关重要的。决策技术会在第八章强调。2.7信息的价值我们生活在信息时代。本声明有任何对我们的使用，重要的是为我们了解信息的价值，特别是工程信息。考虑图.2.10。图中显示了4个级别的信息。信息的最简单的形式是原始数据-参数或变量的值。如果我们能开发这些数据之间的关系，那么我们的模型。这些关系可以得出方程，开发经验的关系，或只是定性模型。这些模型只有静态数据之间的关系。获取知识，我们必须理解或解释模型的行为。最后，充分理解知识时，我们可以使用的知识为基础的判断作出决定。在我们的教育过程中，我们解决了许多问题，数据模型。解决这些问题，我们获得的知识用于决策。好的决策，需要良好的知识，这就要求所涉及的变量的模型。看图.2.11的齿轮图纸。在图纸上的线条和尺寸数据。行之间的关系作出的形状，如果你了解形状的行为，你会认识到作为一个齿轮组。然而，这方面的知识，齿轮什么样子是有用的，只有当您可以使用在电力传输或其他系统。的判断是正确使用齿轮决策所必需的。这个例子包括说服你图.2.10模型是可用的方式来显示信息的类之间的关系，并表明，理解图纸要求的数据所表示的模型和该模型的解释。2.8完善的抽象表示设计考虑三个图纸为一个单一的产品，在图.2.12.图2.12a是一个粗略的草图，只