机械设计技巧挑战的思考

机械设计的基础

17世纪和18世纪初叶是钟表时代，18世纪末叶和19世纪是蒸汽机时代。机构学的发展，出现了曲柄滑块原理的内燃机、汽轮机和水轮机等，实现了将柴油和汽油的化学能转化为机械能；原煤的化学能经热能转化为机械能；水的动能和势能转化为电能或机械能。这些技术发展进程中，诞生了机械设计课程。机械设计包括机械原理、机械零件和机械系统设计三部分内容。机械原理讨论机构的设计、运动分析和动力学分析。机械零件部分讨论机械零件的强度、刚度、振动稳定性和耐磨性等设计方法，并且介绍机械的结构设计。机械系统设计部分讨论机械系统的动平衡、速度波动调节以及系统方案优化设计等。机械产品的创新设计以上述三部分内容为基础，对产品设计进行改进或革新。

1.机械原理。机构的设计与分析是机械原理的核心内容。常用的机构有：连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、蜗杆结构、摩擦轮机构、棘轮机构、槽轮机构等。机构的演变或创新方法有：机构的组合、机构的演绎、机构的逆向设计以及新原理的应用等。机构组合是常用的设计方法，通过不同类型机构组合或者同类型机构的组合，得到实现运动轨迹的新组合机构。机构的演绎是通过改变机构的运动副、构件几何设计、机构的变结构等方法，获得新的机构设计。机构的逆向设计，常用主动构件和输出构件互换、增加或减少自由度数即原动件数，来获得新的机构设计方案。机构的运动分析和动力学分析，常用计算机辅助设计的方法来分析，以获得运动轨迹、加速度和跃度的变化曲线。机构的创新设计是机械产品创新的基本内容，也是对产品在较大程度上的革新。

2.机械零件。机械零件分为通用零件和专用零件。机械零件部分介绍的是各类通用零部件，包括连接零件、传动零件、轴系零部件以及弹簧、机架和导轨等。连接零件有螺纹连接、销、键和花键、过盈连接、胶接、焊接和铆接等。传动部分有带传动、链传动、齿轮传动、蜗杆传动、摩擦轮传动等。轴系部分有轴承和轴的设计，其中轴承有滑动轴承、滚动轴承、空气轴承、电磁轴承和静电轴承等。机械零件的设计是针对零件的失效形式来进行的。首先由实践确定机械零件的失效形式，然后选择零件的材料和表面处理技术，以抵抗其失效形式，再依据相应的设计理论提出设计准则和设计公式，最后是设计零件的所有结构尺寸。另一方面，机械零件是物化的产品，其结构设计和制造工艺性设计也是关键方面。机械零件的创新设计方法有变结构的设计、组合设计以及采用新原理的设计等。

3.机械系统设计。机械产品越来越复杂，组成机械产品的零件个数越来越多。机械系统的传统设计内容有动平衡、速度波动调节和分系统之间的匹配等。机械子系统的设计，包括动力系统、传动系统、执行系统、控制系统和辅助系统的设计。在计算技术发展后，针对系统层面出现了系统优化设计、系统可靠性设计和系统摩擦学设计，并且在产品设计中得到应用和推广。随着生态设计、全寿命周期设计、维修设计和自动化设计的发展，基于系统分析和计算仿真的设计软件包日益增多。经典的设计内容都可以由软件包来完成，然而对于新材料的机械零部件设计及其系统设计，仍需要理论和实验的应用基础研究，以获得设计准则和相应的设计方法。

机械设计面临的挑战

我国的机械工程高等教育是从20世纪初开始的，落后于欧洲的第一次产业革命200余年。因此，我国的机械工程科学与技术距世界先进水平有差距是有其历史原因的。在改革开放后，国家的载人航天、高速铁路和青藏铁路等重大工程的建设推动了机械、电气、信息和材料等学科技术的进步，同时也促进了不同学科的技术整合，以新的系统产品提供给消费者。然而，我国的工程教育历史较短，仍有待借鉴国外先进的工程教育经验和教育方法。目前，机械设计教学与产品设计面临的挑战有创新能力的培养、系统性的思维观、新的科学原理带来的挑战等。

1.新材料带来的挑战。人类的发展史从某种意义上说也是人类利用和制造材料的历史。随着人们对石头、铜及其合金、铁及其合金、半导体材料的制造和使用，人类社会经历了石器时代、青铜时代、铁器时代和半导体时代。在上个世纪末，智能材料的发展非常迅速，例如压电材料、磁致伸缩材料、光敏材料等，机敏材料正得到更多的应用。在量子力学基础上出现的新智能材料，将为机械产品设计提供更广阔的空间。作为机械产品设计工程师，要时刻关注智能材料的进展及其制备技术。纳米材料作为一种介观尺度的材料，已在纳米润滑添加剂方面得到工程应用。另一方面，材料的成本与市场供应也是产品设计阶段需要考虑的内容。新材料的发展与研制，为机械产品设计提供了更多的设计选择，也同时使得以前不可实现的产品功能得以实现。生物材料及其仿生技术是新材料的发展方向之一，设计师应关注这一方面的新进展、新技术和制造过程，在较短时间内将其应用于产品设计，为人们的安全、舒适的生活和健康提供新的产品。

2.信息科技带来的挑战。从信息论和控制论的诞生开始，人们就进入了信息社会。计算技术的软件、硬件和系统技术，作为20世纪的标志性进展，以此为阶梯，人们开始了信息社会的生产与生活。信息技术使得地球变成了地球村，各地信息及时传递与互享共用，改变着人们的生活方式、生产方式和思维习惯等。毫无疑问，我们已经生活在信息社会里，信息技术对机械系统中的控制单元设计进行了彻底的变革。产品的设计涉及功能、结构、外部界面、用户界面和成本五个方面。产品的创新设计方法很多，例如前苏联学者G.S.Altshuller提出了创新问题解决方法。无人车间、无人制造工厂不再是人们的向往，而是已经成为现实。信息技术已经提供了虚拟战场、3D虚拟电影、虚拟产品模型、虚拟产品装配等一系列产品和相关的技术。机械制造的核心，机床已经是计算机控制的可编程设备，机械制造过程也已经是柔性的可变制造系统的生产线。可以预见，信息技术不仅会为人们的生活提供手机和无线网络等，也将提供虚拟的生活体验，例如虚拟的蹦极、虚拟侏罗纪公园等。信息科技对机械设计和机械制造的变革不会比电气化革命带来的少，而且更加深刻、更加深远。机械设计工程师要学习新的信息科学与信息技术，用其革新机械产品的设计、机械制造过程和管理过程。

3.智能科学带来的挑战。21世纪是生命科学与技术的时代，生命的基本特征就是智能与生长。智能科学的发展与信息科学密切相关，也可以说是以信息科技为基础的。简单智能产品，例如冰箱、空调等，已成为商用产品，而且新的更高智能程度产品也在日新月异的发展之中。基于信息技术的智能交通系统、公园导游系统、空中管制系统等产品已具雏形，随着信息处理的高度智能化发展，这些信息管理系统也需不断地升级。1956年到1961年可以说是AI研究的形成时期，卡内基－梅隆大学、麻省理工学院和IBM公司开始了AI的早期研究。1961年到20世纪80年代是AI成长期，80年代是其快速发展期，80年代后人工智能技术步入实用化成熟期。取得了国际象棋、口语识别、机器视角和专家系统等研究成果。

4.生态环境带来的挑战。随着生产的规模扩大，对自然资源的消耗日益严重，伴随出现的环境污染也日益突出。在今天的生产发展阶段，保护自然生态环境的压力更加突出。为了保护人类的生活环境，必须从产品设计、产品制造到产品回收循环利用的全周期，考虑产品的环境绿色性。产品供应链的全球化、网络化与节能设计，是新世纪机械产品设计需要考虑的新问题。机械产品的设计阶段就很大程度上决定了产品的环境友好性。从材料选择来说，应采用材料种类更少的设计方案；从计算参数设计来看，应提高功能参数与质量之比，更大程度地发挥材料的性能；从结构设计来说，应尽可能地循环利用报废机器的零件，或者通过最低成本的再制造，然后循环利用零部件；在功能设计来说，应尽可能发挥产品的设计构思，提供更多、更便捷、更低成本的功能实现方案。如此等等，在整个产品设计阶段贯彻生态设计的理念，为保护自然环境和最大效能利用资源做出努力。

小结

机械产品创新设计必需解决新发展的挑战，新材料、信息技术、智能科学与生态环境等带来的将是长期面临的新问题。机械设计的发展是个动态的吐故纳新过程，只要我们睁开眼睛、敞开胸怀，以前期的机械机构设计、结构设计、强度和刚度设计、可靠性设计、优化设计和摩擦学设计等知识为基础，必将在新的世纪中创造出更多更好的新产品。

作者：汪久根单位：浙江大学机械工程学系