機械設計（machine design），根據使用要求對機械的工作原理、結構、運動方式、力和能量的傳遞方式、各個零件的材料和形狀尺寸、潤滑方法等進行構思、分析和計算并將其轉化為具體的描述以作為制造依據的工作過程。

機械設計是機械工程的重要組成部分，是機械生產的步，是決定機械性能的主要的因素。機械設計的努力目標是：在各種限定的條件（如材料、加工能力、理論知識和計算手段等）下設計出的機械，即做出優(yōu)化設計。優(yōu)化設計需要綜合地考慮許多要求，一般有：工作性能、制造成本、小尺寸和重量、使用中可靠性、消耗和少環(huán)境污染。這些要求常是互相矛盾的，而且它們之間的相對重要性因機械種類和用途的不同而異。設計者的任務是按具體情況權衡輕重，統(tǒng)籌兼顧，使設計的機械有的綜合技術經濟效果。過去，設計的優(yōu)化主要依靠設計者的知識、經驗和遠見。隨著機械工程基礎理論和價值工程、系統(tǒng)分析等新學科的發(fā)展，制造和使用的技術經濟數據資料的積累,以及計算機的推廣應用,優(yōu)化逐漸舍棄主觀判斷而依靠科學計算。

階段分別說明

（一）計劃階段

在根據生產或生活的需要提出所要設計的新機器后，計劃階段只是一個預備階段。此時，對所要設計的機器僅有一個模糊的概念。

（二）方案設計階段

本階段對設計的成敗起關鍵的作用。在這一階段中也充分地表現出設計工作有多個解（方案）的特點。

機器的功能分析，就是要對設計任務書提出的機器功能中必須達到的要求、要求及希望達到的要求進行綜合分析，即這些功能能否實現，多項功能間有無矛盾，相互間能否替代等。后確定出功能參數，作為進一步設計的依據。在這一步驟中，要恰當處理需要與可能、理想與現實、發(fā)展目標與當前目標等之間可能產生的矛盾問題。

確定出功能參數后，即可提出可能的解決辦法，亦即提出可能采用的方案。尋求方案時，可按原動部分、傳動部分及執(zhí)行部分分別進行討論。，較為常用的辦法是先從執(zhí)行部分開始討論。

討論機器的執(zhí)行部分時，首先是關于工作原理的選擇問題。例如，設計制造螺釘的機器時，其工作原理既可采用在圓柱形毛坯上用車刀車削螺紋的辦法，也可采用在圓柱形毛坯上用滾絲模滾壓螺紋的辦法。這就提出了兩種不同的工作原理。工作原理不同，當然所設計出的機器就會根本不同。特別應當強調的是，必須不斷地研究和發(fā)展新的工作原理。這是設計技術發(fā)展的重要途徑。

步驟

在設計開始之前，先要制定設計任務。當設計任務比較復雜時，一般采用三階段設計，即初步設計、技術設計和工作圖設計；當任務比較簡單，如簡單機械的新型設計、一般機械的繼承設計或變型設計，則一開始就將設計做到技術設計深度，經審查、修改和批準后做工作圖設計，而成為兩階段設計。在三階段設計中的初步設計階段，設計的主要步驟是：確定工作原理和基本結構型式，運動設計，設計主要零、部件、繪制初步總圖,初步設計審查。在技術設計階段,主要步驟是：根據審查意見修改設計，設計全部零、部件，繪制新的總圖，技術設計審查。在工作圖設計階段，根據審查意見修改設計，繪制全部工作圖和制定全部技術文件。對于批量或大量生產的產品，還要進行定型設計。

在設計的每個步驟中，都可能發(fā)現前面步驟中某些決定不合理，這就需要折回到前面那個步驟，修改不合理的決定，重做隨后的設計工作。

1、制定設計任務 這是設計的前期工作。設計任務的根據是用戶訂貨、市場需要和新的科研成果。設計部門應用各種技術和市場情報，擬列可能方案，比較其利弊，與經營部門和用戶共同商議，制定合理的設計任務目標。這對新型設計特別重要。任務目標的失誤將造成經濟上的嚴重損失，甚至遭到失敗。

2、確定工作原理和基本結構型式 如設計任務未作明確規(guī)定,設計的個步驟就是確定總體方案,即確定所要應用的工作原理和與之相應的結構型式。例如設計大功率船用柴油機，首先要確定是用二沖程、雙作用、十字頭、低速柴油機，還是用四沖程、單作用、中速柴油機。又例如設計用以粗碎巖石的破碎機械，首先要確定是采用以擠壓和彎折為主要破碎作用的顎式或旋回式破碎機，或者采用以沖擊為主要作用的單轉子或雙轉子沖擊式破碎機。

3、運動設計 設計的總體方案確定之后，接著需要運用機構學的知識，選用合適的機構以得到所需的運動方案。上面提到的顎式破碎機依靠其動顎板的擺動使進入破碎腔的巖石受到擠壓、彎折和劈裂作用而破碎，而動顎板的擺動則可以采用雙肘板機構的簡單擺動，或者采用單肘板機構的復雜擺動。在新型設計中，可能會需要綜合一個新的機構以得到所要求的運動方案，這常是一個困難的工作。因此，設計者一般盡量應用已有的和成熟的機構所提供的運動方案。

4、結構設計和繪制初步總圖 運動設計之后，設計者開始進行結構設計，計算機械各主要零件的受力、強度、形狀、尺寸和重量等，并繪制主要零、部件草圖。這時如發(fā)現原來選用的結構不可行，就必須調整或修改結構。同時還應考慮有無可能產生過熱、過度磨損或振動的部位。

在這一步驟中，設計者通過繪制草圖會發(fā)現各部分的形狀、尺寸、比例等方面的矛盾。為了加強或改進某一方面，可能會削弱或惡化另一方面。這時必須權衡輕重，進行協(xié)調，以達到綜合效果。草圖經反復修改認為初步滿意后，便可繪制初步總圖和估算造價。初步總圖嚴格按比例繪制，選取足夠的視圖和切面圖。

5、初步審查 初步總圖繪制后，需要請對該類機械有經驗的設計、制造和使用人員以及用戶或委托設計單位的代表進行初步審查。審查結果如認為設計不適用(如重量、體積太大,造價太高,對結構的可靠性有懷疑等),則須重新進行運動設計，甚至改用別的工作原理和基本結構型式。多數情況是對設計采取某些改善措施。

6、技術設計 根據初步審查意見,對設計進行修改,并繪制所有的零件和部件圖。對主要的零件和部件進行的應力分析，按分析結果修正零件的形狀、尺寸等細節(jié)，并規(guī)定材質和熱處理。確定零件加工精度以及部件和總裝的裝配條件。完成潤滑設計、電氣設計（驅動和控制）。重繪總圖，某些重要的和批量生產的機械有時還要制作出模型。將完成的技術設計提交第二次審查。

7、繪制工作圖 根據第二次審查的意見作后的修改后，就可以繪制正式的零件圖、部件裝配圖和總裝配圖，編寫零件表、易損零件清單、使用指南等技術文件。設計負責人應注意協(xié)調零件間的尺寸，核對耦合件間的公差配合，復核某些零件的強度和剛度。零件圖完成后開始圖紙核對，這是非常重要的工作。經過仔細校對的圖紙能保證加工后裝配順利?？煽康男Ψ椒ㄊ歉鶕牙L制好的零件圖重繪出一張總裝配圖，所有矛盾之處就會表現出來。在繪制零件圖的同時還需要進行兩項工作：一是工藝性審核,使零件便于加工并降低制造成本;二是標準審核，使零件結構要素、尺寸、公差配合、熱處理技術條件以及標準和通用零件等符合標準的規(guī)定。

8、試生產和定型設計 對于單件或小批生產的機械,經過上述步驟完成的設計圖紙可以投入正式生產。對于成批或大量生產的機械,在正式生產前要先試制樣機,進行功能試驗和鑒定，通過后，再按批量生產工藝進行批量試生產。在批量試生產中所出現的問題還可能需要對設計作相應的修改，方成為可供正式生產使用的定型設計。

階段分別說明

（一）計劃階段

在根據生產或生活的需要提出所要設計的新機器后，計劃階段只是一個預備階段。此時，對所要設計的機器僅有一個模糊的概念。

（二）方案設計階段

本階段對設計的成敗起關鍵的作用。在這一階段中也充分地表現出設計工作有多個解（方案）的特點。

機器的功能分析，就是要對設計任務書提出的機器功能中必須達到的要求、要求及希望達到的要求進行綜合分析，即這些功能能否實現，多項功能間有無矛盾，相互間能否替代等。后確定出功能參數，作為進一步設計的依據。在這一步驟中，要恰當處理需要與可能、理想與現實、發(fā)展目標與當前目標等之間可能產生的矛盾問題。

確定出功能參數后，即可提出可能的解決辦法，亦即提出可能采用的方案。尋求方案時，可按原動部分、傳動部分及執(zhí)行部分分別進行討論。，較為常用的辦法是先從執(zhí)行部分開始討論。

討論機器的執(zhí)行部分時，首先是關于工作原理的選擇問題。例如，設計制造螺釘的機器時，其工作原理既可采用在圓柱形毛坯上用車刀車削螺紋的辦法，也可采用在圓柱形毛坯上用滾絲模滾壓螺紋的辦法。這就提出了兩種不同的工作原理。工作原理不同，當然所設計出的機器就會根本不同。特別應當強調的是，必須不斷地研究和發(fā)展新的工作原理。這是設計技術發(fā)展的重要途徑。

步驟

在設計開始之前，先要制定設計任務。當設計任務比較復雜時，一般采用三階段設計，即初步設計、技術設計和工作圖設計；當任務比較簡單，如簡單機械的新型設計、一般機械的繼承設計或變型設計，則一開始就將設計做到技術設計深度，經審查、修改和批準后做工作圖設計，而成為兩階段設計。在三階段設計中的初步設計階段，設計的主要步驟是：確定工作原理和基本結構型式，運動設計，設計主要零、部件、繪制初步總圖,初步設計審查。在技術設計階段,主要步驟是：根據審查意見修改設計，設計全部零、部件，繪制新的總圖，技術設計審查。在工作圖設計階段，根據審查意見修改設計，繪制全部工作圖和制定全部技術文件。對于批量或大量生產的產品，還要進行定型設計。

在設計的每個步驟中，都可能發(fā)現前面步驟中某些決定不合理，這就需要折回到前面那個步驟，修改不合理的決定，重做隨后的設計工作。

1、制定設計任務 這是設計的前期工作。設計任務的根據是用戶訂貨、市場需要和新的科研成果。設計部門應用各種技術和市場情報，擬列可能方案，比較其利弊，與經營部門和用戶共同商議，制定合理的設計任務目標。這對新型設計特別重要。任務目標的失誤將造成經濟上的嚴重損失，甚至遭到失敗。

2、確定工作原理和基本結構型式 如設計任務未作明確規(guī)定,設計的個步驟就是確定總體方案,即確定所要應用的工作原理和與之相應的結構型式。例如設計大功率船用柴油機，首先要確定是用二沖程、雙作用、十字頭、低速柴油機，還是用四沖程、單作用、中速柴油機。又例如設計用以粗碎巖石的破碎機械，首先要確定是采用以擠壓和彎折為主要破碎作用的顎式或旋回式破碎機，或者采用以沖擊為主要作用的單轉子或雙轉子沖擊式破碎機。

3、運動設計 設計的總體方案確定之后，接著需要運用機構學的知識，選用合適的機構以得到所需的運動方案。上面提到的顎式破碎機依靠其動顎板的擺動使進入破碎腔的巖石受到擠壓、彎折和劈裂作用而破碎，而動顎板的擺動則可以采用雙肘板機構的簡單擺動，或者采用單肘板機構的復雜擺動。在新型設計中，可能會需要綜合一個新的機構以得到所要求的運動方案，這常是一個困難的工作。因此，設計者一般盡量應用已有的和成熟的機構所提供的運動方案。

4、結構設計和繪制初步總圖 運動設計之后，設計者開始進行結構設計，計算機械各主要零件的受力、強度、形狀、尺寸和重量等，并繪制主要零、部件草圖。這時如發(fā)現原來選用的結構不可行，就必須調整或修改結構。同時還應考慮有無可能產生過熱、過度磨損或振動的部位。

在這一步驟中，設計者通過繪制草圖會發(fā)現各部分的形狀、尺寸、比例等方面的矛盾。為了加強或改進某一方面，可能會削弱或惡化另一方面。這時必須權衡輕重，進行協(xié)調，以達到綜合效果。草圖經反復修改認為初步滿意后，便可繪制初步總圖和估算造價。初步總圖嚴格按比例繪制，選取足夠的視圖和切面圖。

5、初步審查 初步總圖繪制后，需要請對該類機械有經驗的設計、制造和使用人員以及用戶或委托設計單位的代表進行初步審查。審查結果如認為設計不適用(如重量、體積太大,造價太高,對結構的可靠性有懷疑等),則須重新進行運動設計，甚至改用別的工作原理和基本結構型式。多數情況是對設計采取某些改善措施。

6、技術設計 根據初步審查意見,對設計進行修改,并繪制所有的零件和部件圖。對主要的零件和部件進行的應力分析，按分析結果修正零件的形狀、尺寸等細節(jié)，并規(guī)定材質和熱處理。確定零件加工精度以及部件和總裝的裝配條件。完成潤滑設計、電氣設計（驅動和控制）。重繪總圖，某些重要的和批量生產的機械有時還要制作出模型。將完成的技術設計提交第二次審查。

7、繪制工作圖 根據第二次審查的意見作后的修改后，就可以繪制正式的零件圖、部件裝配圖和總裝配圖，編寫零件表、易損零件清單、使用指南等技術文件。設計負責人應注意協(xié)調零件間的尺寸，核對耦合件間的公差配合，復核某些零件的強度和剛度。零件圖完成后開始圖紙核對，這是非常重要的工作。經過仔細校對的圖紙能保證加工后裝配順利?？煽康男Ψ椒ㄊ歉鶕牙L制好的零件圖重繪出一張總裝配圖，所有矛盾之處就會表現出來。在繪制零件圖的同時還需要進行兩項工作：一是工藝性審核,使零件便于加工并降低制造成本;二是標準審核，使零件結構要素、尺寸、公差配合、熱處理技術條件以及標準和通用零件等符合標準的規(guī)定。

8、試生產和定型設計 對于單件或小批生產的機械,經過上述步驟完成的設計圖紙可以投入正式生產。對于成批或大量生產的機械,在正式生產前要先試制樣機,進行功能試驗和鑒定，通過后，再按批量生產工藝進行批量試生產。在批量試生產中所出現的問題還可能需要對設計作相應的修改，方成為可供正式生產使用的定型設計。