在机械设计中的几十种方案是怎样出来的

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机械设计的几十种方案是怎样出来的

在企业里常常见到不少年轻工程师一接到开发的任务，便愁眉不展，冥思苦想数个昼夜，能提出一个方案就不错了，要想提出几十个方案，那简直就是奢望。他们往往希望能够有所借鉴，通过各种渠道收集同类产品或设备的图样，然后修修补补地作局部调整，才能勉强交付任务。但是这种方法常常跳不出抄袭的阴影。如果这个任务完全没有可借鉴的内容、客户要求我们设计一个全新的东西怎么办？

在这里跟大家分享我多年来总结的“技术原型法”的分析方法，可以将一个要求或任务展开成几十个方案，有了这样的思路，大家就能在没有样品、没有任何参考的情况下，胸有成竹、充满自信地解决难题，而且经历得越多，思路越宽阔。

一方案设计的八个步骤

在方案设计开始之前，首先要编制设计任务书。通用的设计任务书一般由设计单位自行编制，专用的新产品设计任务书一般由使用单位提出，再由设计单位编制相应的设计建议书。设计任务书的主要内容，以机械产品为例，包括：产品用途、使用范围、技术规范、技术经济指标、简略总图、传动系统、电动系统简图和结构特点等。如属系列产品，还应包括产品的发展方向、产品系列型谱表以及标准化通用化程度。编制设计任务书的目的是正确解决新产品的选型问题，确定产品的结构作为设计的依据。

其次，要进行方案设计。方案设计是运用一定的理论知识和方法、经过创造性思维和试验，拟定出制造新技术、新产品、新工艺的方案；是在实际制造一种技术成果之前，在头脑中构思并在图样上表现出它的模型的过程。它在整个工程技术研究中起着核心作用，它包括以下八个步骤。

1?提出任务要求，使用性能、技术参数

一项产品或一项设计任务，无论来自用户还是上级，总有基本要求，有具体的性能、动作和各种参数要求。不外有以下几种情况。

（1）有参考数据、有同类产品。这时应考虑怎样超越、怎样更先进、更可靠、更灵活、更安全、更经济，这是“站在别人肩上往上爬”。

（2）灵感激发、突发奇想，由模糊到清晰，由抽象到具体，这是“无中生有”。

（3）一条信息、一张照片、几句话，抓住后一步步演绎、分析、归纳出任务要求、参数、性能来，这是“想入非非”。

参数、性能是设计的起点和依据，也是最终目标，不可等闲视之，一定要确定准确。比如，你要设计升降进退机械，每分钟转多少圈最为合适？靠拍脑袋想、靠翻手册还远远不行，拿不准，你就去摇机床手把，测秒表，看看什么速度最合理，然后推算出来，这种办法虽笨却可靠，因为基础不搞扎实，最后的结果难免要倒台塌架子。


2?进行动作分析和功能综合
除参数外，你所设计的机械应实现某种性能或完成某项动作，将其简化成“技术原型”，要实现这些动作和性能，有几种办法？依靠什么结构来实现？动作程序是什么？这是基本分析。技术原型法能帮我们抓住要害、高屋建瓴、思路清晰，不被具象迷惑。
3?设计初步方案
提出系统原理图、传动链图、程序控制图及总体技术方案。这是展开想象的翅膀、左右脑交替工作的冥思苦想的过程，好的工程师会为此废寝忘食。此时《机械元件手册》具有很大的参考价值。设计方案，是工程师的重头戏，怎样设计出几十个方案？后面将以实例说明。
4?方案评价
方案一定要多，方案越多，筛选出来的越合理。比较和筛选就是方案评价，是对构思和设计出的各种方案在技术性能、维修性能、经济效果、可靠性、社会效益等方面进行分析比较，从中筛选出最优秀方案的过程。在方案筛选中，应“横挑鼻子竖挑眼”，像打擂台一样，将方案一个个进行比较，优胜劣汰、取长补短，也可在比较中产生新方案，确定优胜方案要慎重，要相对慢一些。方案评价不仅是进行方案实施决策的依据，同时对保证设计研究活动的正确方向、缩短研究周期有很大影响。它是工程技术研究中的一个重要组成部分。
（1）方案评价的步骤（如图2-1所示）(图略)。
图2-1方案评价
1)概略评价。在方案设计中，首先要对所需解决问题的技术手段或产品作出构思和设想，提出初步技术方案。包括产品的基本结构方式、关键技术的解决方法以及产品外形轮廓等方面。这种初步方案的评价、筛选属于概略评价。经过这种评价，把不可行或水平低的方案舍掉，选出少数较好的方案进行技术设计，就可以加快优选和形成实施方案的进度。
2)详细评价。详细评价是从已经具体评判和试验研究过的方案中，选出准优方案。它为最后确定的唯一实施方案提供技术、经济等角度的全面、有说服力的证据。详细评价是方案评价的决定性步骤，是对方案的全面论证，同时也是对方案的进一步完善，是方案得以实施的依据。
（2）方案评价的内容。
无论是概略评价还是详细评价，都包括技术、经济和社会三个方面的内容。
1)技术评价。以提出的方案能否实现所需功能及其实现程度为中心目标，来评价方案在技术上的先进性和可行性。
2)经济评价。主要围绕方案的经济效益进行评价，要求方案成本低、效益大。
3)社会评价。评定方案实施后对社会带来的利益和影响。社会评价考虑的因素相当多。如，是否符合国家科技政策及其发展规划；是否能改善社会劳动环境，提高人民生活水平；是否有益于生产力的发展和资源利用等。要根据不同情况，侧重考虑某些方面的因素。
4)综合评价。这是在技术、经济和社会评价的基础上，对方案作出整体评价。
注意！设计方案没有最好，只有更好！上下页
（3）方案评价的方法。
技术评价：评分法、趋势分析法、征询法等。
经济评价：社会成本法、直接成本计算法、盈亏分析法、成本效益分析法等。
社会评价：相关树法、检查表格法、专家讨论法等。
综合评价：评分法、优缺点列举法等。
5?复核各种参数，进行强度计算
将动作、功能分析与设计方案进行对照检查，确认无误后即可把方案确定下来。这时要进行各重要构件部位的强度计算、传动件计算、速比和各参数的计算。综合运用机械理论、材料力学和工作经验，既要保证需要，又不要功能过剩。有些人不认真复校强度，常常把钢铁当木头使，设计的东西又粗又笨，甚至闹出笑话。也有的人相反，材料太单薄，造成严重变形，不能使用。
6?进行液电程序控制的设计
根据产品的性能、动作和程序的要求，进行电气控制、风动或液压控制的设计，绘制原理图，提出主要电气元件、配件的规格型号等。
7?零件及机体尺寸的计算、核对
一般来说，各主要部件的尺寸是根据技术参数、动作功能分析和推算而求得，常见的有体积、行程、回转直径、传递的功率、受力状况、零件材质等因素，如已知油缸的行程和推力以及允许的体积范围，就可设计油缸的结构尺寸；已知切削工件的最大回转半径，就可选择机床卡盘的尺寸等。
8?动力、重要配件的查找、确定和选型
机电产品和设备一般都离不开动力和电气配置。根据前一步的要求，应选择有关的电动机、变速器、液压气动元件及液压站、电控柜等配套装置或配套件，冷却系统图等。要按经济性、可靠性、适用性、先进性的原则去选择和配备。






二、几十种方案是怎样得出的
年轻技术人员和缺乏经验的工程师，在接到设计任务时，常常会提出一个要求：希望组织能提供一个学习的机会，看看类似的产品或设备，回来照搬、照抄，然后进行局部的修改。如果说这样的方法有优点的话，就是大大缩短了研发周期。但是，在进行新产品设计或设备重大改造时，他们往往缺少思路和方法，更谈不上创新。如果遇到市场上没有的新产品或需要满足用户的定制要求时，怎样展开思路呢？一定要严谨、细致，从市场需要和用户需要出发，充分运用右半脑，大胆地创造性地提方案。
在这里，我介绍一种屡试不爽的方法，叫做技术原型法，运用它可以轻而易举地设计出几十种甚至更多的方案，这对于初入技术设计门槛的人员来说，可算是雪中送炭的法宝。其实这也是一种由简单到复杂的创意。当今世界，创意产业已不仅仅是一个概念，而是意味看着巨大的经济效益。约翰·霍金斯在《创意经济：如何点石成金》一书中明确指出，全世界创意经济每天创造220亿美元的产值，并以5%的速度递增。在一些国家，增长的速度更快，美国达14%，英国为12%。
【案例】20世纪90年代我在深圳讲课时，有一家涂料公司的老总邀请我去考察。当时，我国很少有涂料混合机械，这类机器基本都是进口的。这家涂料公司的老总很想设计制造一批涂料混合机，于是他带我参观了几台德国产品和美国产品。参观后，老板问我能不能仿造一台像进口机器一样的设备来，我回答他：“仿造会侵权，我不但能设计，而且可以设计几十种！”老板很是惊讶，嘴上不说，但看得出，他是似信非信。
我分析了一下这些机器的工作原理，其实就是将涂料桶夹紧后，通过转动和振动等混合动作实现涂料混合的目的。涂料的混合不外乎四种动作（见图2?2中转、振、混、混转），如果再增加四种动作，就有了八种；如果将涂料混合桶按特、大、中、小四种规格，再从夹紧方式上分为手动和机动方式，则可设计出８×４×２＝64种规格型号。我边说边在纸上信手绘出如图2-2（图略）所示简图。总经理由衷地说：“我去过很多国家，考察过很多企业，见过很多国外的工程师及专家，还没有见过您这样神的专家呢。”
图2-2（图略）涂料混合机的八种方案
对这八种方案可以逐个进行评价，第一种和第二种结构简单，制作方便，但效率太低；第五种是外商已经设计过的，有侵权之嫌，而且结构复杂，制作成本高。第四种翻转结构简单，制作很方便，第六和第七种方案是对第一和第二种方案的改进，第八种对角线转动，混合效率高，却结构简单。最后我们一致认为，对角线转动的结构、制作、成本、效率相对最好，决定就采用此种方案。



第二节 几十种方案是怎样出来的(5)

【案例】再以笔者设计的匀脂机为例。铁道部段修规程规定：“车轴轴承在注油后要进行匀脂，将轴承内外圈相对转动3～5圈。”这个看似简单的规定实际上很难做到，因为此轴承直径为230mm，高为130mm，内圈直径为115mm，轴承注完黄甘油后，表面滑腻，重20多公斤，用手休想转动。要实现此规程，靠人工显然不行，于是就产生了匀脂机的需求。由此导出匀脂机的性能和动作要求：
能使轴承内外圈做相对转动，能满足日产500～800台的任务，能和流水线衔接。进一步的调查可确定技术参数为：转速150～200r/min，主轴顶紧力1 000kg。
要使内圈和外圈作相对转动，有多少种方法呢？见表2-1（表略）。
表2-1（表略）主要转动方式列表转动方式上压内转上压外转卧式外夹内转下压内转下压外转卧式内夹外转拟编型号YZJ-001YZJ-002YZJ-003YZJ-004Y2J-005Y2J-006
1）上压内转。即固定轴承外圈，动力头由上往下压住轴承内圈转动。
2）上压外转。即由上向下压住轴承内圈，滚轮带动轴承外圈转动（如图2-3所示）（图略）。
图2-3匀脂机3）下压内转。即固定轴承外圈，动力头由下至上带动轴承内圈转动。
4）下压外转。即由下向上固定轴承内圈，滚轮带动轴承外圈转动。
5）卧式外夹内转。即将轴承水平放置，固定轴承外圈，有两个相对的动力头带动内圈转动。
6）卧式内夹外转。即将轴承水平放置，固定内圈，动力头带动外圈转动。
简要分析：使内圈加压、转动的方案，需要将加压装置和转动装置结合起来，还需要固定外圈，使结构较为复杂，且内圈是否转动，在外面看不出来，因此1）、3）、5）三个方案可以先不考虑。
外转方案较好，接着要比较“上压”和“下压”孰优孰劣。要实现“上压”，需要将油缸或风缸置于上方，万一漏水、漏油，就会造成工件——大轴承的损坏，这是不允许的，所以剩下就是“下压外转”和“卧式内夹外转”的对比，也就是YZJ—005和YZJ—006的对比了。
对方案评价后，我认为最安全和最有效的是下压外转方案。
加压有几种办法呢？有液压、气压、机械夹紧等多种，如果和表2?1结合，则可产生12~18种型号。如果再加上传动方式的不同、安装连接方式的不同以及机身、造型、尺寸等因素，又可产生出多种型号。
图2-4（图略）YZJ—005设计方案方案综合：外转可以利用橡胶轮的摩擦力带动轴承外圈转动，既比内转靠钢轮带动可靠，又可以方便观察，下压可以用风缸从下面向上顶起，避免上压式万一风缸漏水，就会造成工件及轴承的锈蚀，轴承可以通过滚轮组成的滑道方便滑行到操作台前。这就是YZJ—005的设计方案。立体图如图2-4所示。
接着要考虑程序控制，要实现“工件定位—风缸顶起工件夹紧—摩擦轮前进—摩擦轮转动使工件转动—摩擦轮退回原位—风缸下降至原位”这个动作循环往复，实行连续作业，这在程序控制中并不复杂。
方案非常重要，提出方案要大胆，展开方案要慎重。方案是解决问题的关键，犹如一本书的总纲，是向用户展示能力的主要手段，是促成订单的过硬功夫。方案越多越好。







三、设计10万种茶壶的秘密
茶壶是日常用品，你能做出10万种不同的茶壶吗？很多人往往会出口否认：“我怎么可能设计得出这么多茶壶呢？”完全不相信自己会有这样的潜能。的确，如果按常规思维的方法，很难完成这样艰巨的一个任务。但是，如果换个问法：能不能用五种材料做茶壶？能不能想出六种几何形状？能不能采用七种颜色……恐怕没有哪个人会做不到，你知道茶壶能有多少种吗？我告诉你：远远不止10万种！
根据材料可分为：玻璃、陶瓷、塑料、紫砂、不锈钢五种。
根据结构可分为：壶身、壶底、壶盖、壶嘴、把手五种。
根据壶身几何形状可分为：圆柱形、截圆锥形、球形、棱柱型、棱锥型、扁球型六种。
根据壶底的几何形状可分为：平底形、上凹形、托盘型、缩小型四种。
壶盖形状可分为：平形中间带球形顶，或带三角形顶，或不带顶；上凹形中间带球形顶，或角形顶，或不带顶。共六种。
颜色：基本颜色有赤橙黄绿青蓝紫七种，既可以是单色，也可以从七种颜色中任选两种、三种、四种、五种、六种或七种相间搭配而成。
图案：可以画上花、鸟、虫、鱼、兽、各种文体运动等不同图案。每种只选10个类型，合计60种。
好！现在我们来计算一下，共有多少种茶杯。
首先考虑不带颜色的基本种类。五种材料任选一种；六种壶身任选一种；四种壶底任选一种；六种壶盖选一种；把手算一种。由于可以互相搭配，这样基本种类数就有720种。即
N＝C15×C16×C14×C16=720
其次，颜色的种类可以搭配出127种。即
M=C17＋C27＋C37＋C47＋C57＋C67＋C77=127
每一种种类和颜色都可以互相搭配：
R=N×M=720×127=91 440种
每一种又可以和图案搭配：
720×60=43 200种
所以，可以制作的茶壶数为
91 440+43 200=134 640种
请注意，这里还只是考虑了一种把手类型，如果考虑多种把手类型，则种类又可以翻几番。若把上面的材料、形状等再作细分，那就不是几万种茶壶，而是几十万种了。通过这样的思考方式可以看出，创造真是不难。





四、什么叫“钻研”
人们遇到问题时经常会说“钻研钻研”，其实考究一下“钻”的历史是很有意思的。
人类最早的“钻”大概是钻木取火了，钻木取火中的钻是木钻。到了铁器时代，可以用铁钉做钻头，开始是用手钻动，速度太慢了，后来据说鲁班做成了靠飞轮惯性来提高转速的木钻，这简直可以称为半机械化了。接着，人类发明了麻花钻，有了排屑槽，钻削更方便了。电动机的诞生使台钻出现了。台钻太小，于是出现了摇臂钻，可以在更大范围内工作，但遇到不同方向的钻孔要求无法满足，于是改进为万向摇臂钻。但遇到火车、轮船等大型设备需要钻孔时，摇臂钻和龙门钻已经无能为力了，于是出现了“蚂蚁式”的小车钻，把钻头钻杆及进给机构安装在小车上，可以向上向下多方向钻孔。单个钻头太慢了，于是发明了群钻。一钻下去，几十个孔就同时钻完了。全国总工会第九届、第十届主席，中国发明协会会长倪志福就是一个钻头专家，他磨出的钻头，达到了削铁如泥的水准。
为了钻孔，人们努力提高钻头的硬度，逐步用合金钻代替普通高速钢钻头。当遇到高硬度的合金工件时，怎么办呢？可以采用中国人常说的“以柔克刚”的方法，例如水是最柔软的，但高压水枪却可以采煤、切割。缝衣针的钢材没有合金钢硬，但借助金刚砂就可以钻高硬度的合金拔丝磨具，方法是，用普通台钻夹住缝衣针，不断浇上金刚砂油液，随着缝衣针的转动，高硬度的拔丝磨具孔就诞生了！任何高硬度的合金，在激光和电火花切割前，都会乖乖低下头。
钻孔的直径也有很大的变化，现如今，小到零点几毫米、大到10多米直径的钻头都有，比如地铁和隧道施工中常用的盾构掘进机。最先进的大型掘进机可以钻直径15?37米的隧道，而且掘进速度可达每天几十米。过去打隧道是很复杂、很令人头疼的事，要经过打眼、放炮、上导洞、下导洞、扩拱、开挖马口、浇注水泥、养身、铺轨等一系列过程，现在，随着掘进机转盘的推动，一个开挖、出渣、铺管板和铺轨任务就可以一气呵成。
过去石油钻井只能打垂直孔，现在可以打任意角度的钻孔。从钻孔的发展史，我们得到什么启发呢？市场需求是催发创新的肥沃土壤，新技术、新工艺、新设备、新材料是层出不穷的，怎一个“钻”字了得！人生苦短，让我们抓紧时间钻研再钻研！

maertball

讲的好  顶

zhanggli

讲得真好，顶一下