一（yī）、机械结构件的结构要素（sù）和设计方法 1 结构件的几何要素机械结构的（de）功能主（zhǔ）要是靠机械零部件（jiàn）的几（jǐ）何形状及各个零（líng）部件（jiàn）之间的相对位置关系实现的。零部（bù）件的几何形状由它的表面所（suǒ）构（gòu）成，一个零件通常（cháng）有多个表面（miàn），在这些表面中有的与其它零部（bù）件表面直接接（jiē）触，把（bǎ）这一（yī）部分（fèn）表面称为功能表面。在功能表面之间的联结部分称为联接（jiē）表（biǎo）面。 零件的（de）功能表面是决定机械功能的重（chóng）要因素（sù），功能（néng）表面的（de）设计是零部件（jiàn）结构（gòu）设计的核（hé）心问（wèn）题。描（miáo）述功能表面的主要几何参数有表面（miàn）的几何形（xíng）状、尺寸大小、表面数量、位置、顺序等。通过对功能表（biǎo）面（miàn）的变异设计，可（kě）以得到为实现同一技术功能的多种结构（gòu）方案（àn）。2 结构件之间的联接在机器或机械中，任（rèn）何（hé）零件都不是孤立（lì）存在的。因此在结（jié）构设（shè）计（jì）中除（chú）了（le）研究零件本身的功（gōng）能和其它特征外，还必（bì）须研究零（líng）件之间的相（xiàng）互关系（xì）。零（líng）件的相（xiàng）关分为直接相（xiàng）关和（hé）间接相关两类。凡（fán）两（liǎng）零件有直（zhí）接装（zhuāng）配关（guān）系的，成为直接相关。没（méi）有直接装配关系（xì）的相关（guān）成为间（jiān）接（jiē）相关。间（jiān）接相关（guān）又分为位置（zhì）相（xiàng）关和运动（dòng）相（xiàng）关两类。位置相（xiàng）关（guān）是指（zhǐ）两零件在相互位置上有要求，如减速器（qì）中两相邻的传动轴，其中心距必须保证一定的精度（dù），两轴线（xiàn）必须平行，以保证齿轮的（de）正常（cháng）啮（niè）合（hé）。运动相关是指一零件的运动轨迹与另一零件（jiàn）有关，如车床刀架的运动（dòng）轨（guǐ）迹必须平（píng）行于于主轴的中心线，这是靠床身导轨和主轴轴（zhóu）线相平行来保证的，所（suǒ）以（yǐ），主（zhǔ）轴与导轨之间位（wèi）置相关；而刀架（jià）与（yǔ）主轴（zhóu）之间为运动相关。多数零件都有两个或更多的（de）直（zhí）接（jiē）相（xiàng）关零件，故每个零件大（dà）都具有两个或多个部位在（zài）结（jié）构上（shàng）与其（qí）它（tā）零件有关（guān）。在（zài）进行结构设（shè）计时，两零件直接相关部位必须同时考虑，以便合理地选择材（cái）料的热处理方式、形状、尺寸（cùn）、精度及表面（miàn）质（zhì）量（liàng）等（děng）。同时还必须考虑满（mǎn）足间接相关条件，如进行尺寸链和精度计（jì）算等。一般（bān）来说，若某零件直接相关零（líng）件愈多，其结（jié）构就愈复杂；零件的间接相关零件愈多，其精度（dù）要（yào）求愈高。3 结构设计据结构件的材（cái）料机械设计（jì）中可以选（xuǎn）择（zé）的材料（liào）众多，不同的（de）材（cái）料具有不同（tóng）的性质，不同（tóng）的材（cái）料（liào）对应不同的加工工艺，结构设计中（zhōng）既（jì）要根据功能要求合理地选择适当的材料，又（yòu）要根据材料（liào）的种类确定适当（dāng）的加（jiā）工工艺，并根据加工（gōng）工艺的（de）要求（qiú）确定适当（dāng）的结构，只有通过适当（dāng）的（de）结构（gòu）设计才（cái）能（néng）使所选择的材料最充分的发挥优势。设计（jì）者要做到正确地选择材料就必（bì）须充分地（dì）了解所选（xuǎn）材料的力学性能、加工性能、使用成本等信息。结构设（shè）计中应根据所（suǒ）选材料的特（tè）性及（jí）其（qí）所对应（yīng）的加工工（gōng）艺而（ér）遵循不同（tóng）的设计原则。 二、机械结构（gòu）设计（jì）的（de）基（jī）本要（yào）求 机械产品应用（yòng）于各行（háng）各业（yè），结构设计（jì）的内容和要求也是千差（chà）万别（bié），但都有相同的共性部（bù）分（fèn）。下面就机械结构设计的三个不同层次来（lái）说明对结构设计的要求。1.功能（néng）设计满足主要机械功能要求，在技术上的具体（tǐ）化。如工作原（yuán）理的（de）实现、工作的可靠性（xìng）、工艺、材料和装配等（děng）方面。2.质量设计（jì）兼顾各种要求和限制（zhì），提高产（chǎn）品的质量和性能价格比，它是（shì）现代（dài）工程设计的特征。具（jù）体为操作、美观、成本、安全、环保等众多其它要求（qiú）和（hé）限制。在现代设（shè）计中（zhōng），质（zhì）量设计（jì）相当重（chóng）要（yào），往往决定产品的竞争力。那种只满足主要技术功能要求的机（jī）械设计时代已经（jīng）过去，统筹兼顾各（gè）种要求，提高产品的质量（liàng），是现代机械设计的关键所（suǒ）在。3.优化设计和创新设（shè）计用结构设计变（biàn）元等方法系统地构（gòu）造优化设计（jì）空间，用创造性（xìng）设计思维方法和（hé）其它科学（xué）方法进行优选和创新。 三、机械（xiè）结构基（jī）本（běn）设计（jì）准（zhǔn）则 机（jī）械设计（jì）的最终结果（guǒ）是以一定的结构形式表现出来的（de），按（àn）所（suǒ）设计的结构进行加工（gōng）、装配，制造成最终的产（chǎn）品。所以，机械结（jié）构设计应（yīng）满足作为产（chǎn）品的多方面要（yào）求，基本要求（qiú）有功能、可靠性、工艺性、经济性（xìng）和外观造型等方面的要求。此外，还应改善零件的受力，提高强度（dù）、刚度、精度和寿（shòu）命（mìng）。因此，机械结构设计是一项（xiàng）综（zōng）合性的（de）技术工作（zuò）。由于结构设计的错（cuò）误或不（bú）合理，可能造成零部件不应有（yǒu）的失效（xiào），使机（jī）器达（dá）不到（dào）设（shè）计（jì）精度的要求，给装配和维修带来极大的不方（fāng）便。机械结构设计过程中应考虑如下的结构设计准则。1.现预期功能（néng）的设计准则产品的设计（jì）主要目的是为了实现预定的功能（néng）要求，因此实现预期功（gōng）能的设计准则是结构设计（jì）首先考虑的（de）问题。要满足功能要求，必须做（zuò）到以下几点。(1)明确功能:结构（gòu）设（shè）计是要根据其在机器中的（de）功能和与其他零部件相互的（de）连接（jiē）关系，确定参数尺寸（cùn）和结构形状。零部件主要的功能有承受（shòu）载荷、传（chuán）递运动和（hé）动力，以及保证或保持（chí）有关（guān）零件（jiàn）或（huò）部（bù）件之间的相对（duì）位置或运动轨迹等。设计的结构应能满足从机器（qì）整体考虑对它（tā）的功能（néng）要求。(2)功（gōng）能合理的分配：产品设计时，根据具（jù）体情况，通常有必要（yào）将任（rèn）务进（jìn）行合理的分（fèn）配（pèi），即将一个功能分解为多（duō）个分功能。每个分功能都（dōu）要有确（què）定的（de）结构承（chéng）担，各部分结构之间（jiān）应具（jù）有合理、协调的联系，以达到总功能的实（shí）现（xiàn）。多结构零件承担同（tóng）一（yī）功能可以（yǐ）减轻零件负担，延长使用寿（shòu）命。V型（xíng）带（dài）截面的结构是任务合理分配的（de）一个例子。纤维绳用来承受拉力；橡（xiàng）胶填充层承受（shòu）带弯曲时的拉（lā）伸和压缩；包布层与带轮轮槽作用，产（chǎn）生（shēng）传（chuán）动所（suǒ）需的（de）摩擦（cā）力。例（lì）如，若只靠螺栓预紧产生（shēng）的（de）摩擦力来承受横（héng）向载荷时，会使螺（luó）栓的尺寸过大，可增（zēng）加抗（kàng）剪元件，如销、套筒和键等，以分担横向载荷来解决这一（yī）问（wèn）题。(3)功能集中：为了简化（huà）机械产品的结构，降低加工成（chéng）本，便于安装，在某些情况下，可由一个零件或部件承担多个功（gōng）能。功能集（jí）中会使零件的形（xíng）状（zhuàng）更加复（fù）杂，但要有度，否则反而影响加工（gōng）工（gōng）艺、增加加工成本，设计时应（yīng）根据（jù）具（jù）体情况而定。2.满足强度要求的（de）设计准则（zé）(1) 等（děng）强度准则：零件截面尺寸的（de）变化应与其内（nèi）应力变化相适应，使各截面的强度相等。按（àn）等强度（dù）原理设计的（de）结构，材料可以得到充分的（de）利（lì）用，从（cóng）而（ér）减轻了重量、降低（dī）成（chéng）本。如悬臂（bì）支架、阶梯（tī）轴的设（shè）计等。(2) 合理力流结构：为了直观地表示（shì）力在（zài）机（jī）械构（gòu）件（jiàn）中怎样传递的状态（tài），将力看作犹如水在构件中流动，这些力线汇成（chéng）力流。表（biǎo）示这个（gè）力的流动在结构设计考察（chá）中起着重要的作用。力流在构（gòu）件中不（bú）会中断，任何一条力线（xiàn）都不会突然消失，必然是从一（yī）处传入（rù），从另（lìng）一处传出。力流（liú）的另一个特性是（shì）它（tā）倾向于沿最（zuì）短的路线传递，从而（ér）在最短路线附近力流密集，形成高应力区。其它部位力（lì）流（liú）稀疏，甚至没有力流通过，从应力角度上讲，材料未能充分利用。因（yīn）此，若（ruò）为了提（tí）高构件的（de）刚度，应（yīng）该尽可能按力流最短路线来（lái）设计零（líng）件的形状，减（jiǎn）少承载区域，从而累（lèi）积（jī）变形越小，提高了整个构件的刚度（dù），使材料得到（dào）充（chōng）分（fèn）利用。(3) 减小应力（lì）集中结构：当（dāng）力流方向急（jí）剧转折（shé）时，力流在转折处会过（guò）于密集，从（cóng）而（ér）引（yǐn）起应力集中，设计中应（yīng）在结构上（shàng）采取措施，使力流转向平（píng）缓。应力（lì）集中是影响（xiǎng）零件疲劳强度的重要（yào）因素。结构设计（jì）时（shí），应尽（jìn）量避免或减（jiǎn）小应力集中。其方法（fǎ）在相应的章节会作（zuò）介绍，如增大过度圆角、采用（yòng）卸载（zǎi）结构等（děng）。(4) 使载荷（hé）平衡（héng）结（jié）构：在机器工作时，常产生一些无用（yòng）的力，如惯性力、斜齿轮轴（zhóu）向（xiàng）力等（děng），这些力不但增加了轴和（hé）轴衬等零件的负荷（hé），降低其（qí）精度和（hé）寿命，同时也降低了机器的传动效率。所谓载荷平（píng）衡（héng）就是指采取结（jié）构措施部分或全部平衡无用力，以减轻或消除其（qí）不良的影响。这些结构措施主（zhǔ）要（yào）采（cǎi）用平衡元件、对称布（bù）置等。 3.满足结构刚度的设计准则为保证零件（jiàn）在使用期（qī）限内正常地实现其功能，必须使其具有（yǒu）足够的刚度。4.考虑加（jiā）工工（gōng）艺的设计准则机械零部件结构设计的主（zhǔ）要目的是（shì）：保证功能的实（shí）现，使产品达（dá）到要求的性能。但是，结构设计的（de）结果对产品零部（bù）件的生产成本及质量有着（zhe）不可低估（gū）的影响（xiǎng）。因此，在结构设计（jì）中（zhōng）应力求使产品有良好的加工工艺性。所谓好（hǎo）的（de）加工工艺指的是零部件的结构易于加工制造，任何一（yī）种加工方（fāng）法都有可能不能制造某些结构的零部件，或生（shēng）产成本很高（gāo），或（huò）质量（liàng）受到影响。因此，对于设计者认识一（yī）种加（jiā）工方（fāng）法的（de）特点非（fēi）常重（chóng）要，以便（biàn）在设计结构时尽（jìn）可（kě）能（néng）的（de）扬长避短（duǎn）。实际中，零部件（jiàn）结构工艺性（xìng）受到诸（zhū）多因素的制约，如生产批（pī）量的（de）大小会影响坯件的生成方（fāng）法；生产设（shè）备的条件（jiàn）可能会限制工件的尺寸；此外（wài），造（zào）型、精度、热处理、成本等（děng）方面都有可能对零部（bù）件（jiàn）结（jié）构的工艺性有制约（yuē）作用。因此，结构设计中（zhōng）应充（chōng）分考虑上述因素对工艺性的影（yǐng）响。5.考虑装配的设计准则装配是产（chǎn）品制造过程中的重要工序，零部（bù）件（jiàn）的结构（gòu）对装配的质量、成本有（yǒu）直接的影响。有关装（zhuāng）配的结构设计准则简述如下：（1）合理划分装配单元：整机应（yīng）能分（fèn）解成若干可单独装（zhuāng）配的单（dān）元（部件或（huò）组件），以（yǐ）实现平（píng）行且专业化的装配作业，缩短装配周期，并且便于逐级（jí）技术（shù）检验和维修。（2）使零部件得到正确安装：保证零件准（zhǔn）确的定位（wèi）、避免双（shuāng）重配合、防（fáng）止装配错（cuò）误。（3）使零部件便于装配和拆卸：结构设计中，应（yīng）保证（zhèng）有足够的装（zhuāng）配空间，如扳手空间（jiān）；避免过（guò）长配合以免增（zēng）加装配难度，使配（pèi）合面（miàn）擦伤，如有些阶梯轴的（de）设计；为便于拆卸零（líng）件，应给出安放拆卸工具（jù）的位（wèi）置，如轴承的拆（chāi）卸。6.考虑维护（hù）修理的设计准则（zé）（1) 产品的配（pèi）置应（yīng）根据其故障率（lǜ）的高低、维（wéi）修的难（nán）易、尺寸和质量的（de）大（dà）小以（yǐ）及安装特点（diǎn）等统筹安排，凡需要维修的零（líng）件（jiàn）部件，都应具有良好（hǎo）的（de）可达性；对故障（zhàng）率高而（ér）又需要（yào）经常维修（xiū）的部位及应（yīng）急开关，应提供最佳的可达性。（2) 产品特别（bié）是易（yì）损件、常（cháng）拆（chāi）件和附加设备的拆装要简便（biàn），拆装（zhuāng）时（shí）零部（bù）件（jiàn）进出的路线最好（hǎo）是直线或平缓的（de）曲线。（3) 产品的检（jiǎn）查点（diǎn）、测试（shì）点等系统的维护（hù）点，都应（yīng）布置（zhì）在便于（yú）接近的位（wèi）置上。（4) 需要维修和拆（chāi）装的产（chǎn）品，其周围要有（yǒu）足（zú）够（gòu）的操作空间。（5) 维修时（shí）一（yī）般应能看（kàn）见内部的操作，其通（tōng）道（dào）除（chú）了（le）能容（róng）纳维修人员的（de）手或臂外，还应（yīng）留有供（gòng）观察的（de）适（shì）当间隙。7.考虑造型设计（jì）的准则（zé）产品（pǐn）的设计不（bú）仅要（yào）满足功能要求，而（ér）且还应考虑产品造型的美学价值（zhí），使之对人（rén）产生吸引力。从心理学角度看（kàn），人（rén）60%的决定取决于（yú）第一印象。技术产品的社会属性（xìng）是商品，在买方（fāng）市场的时代，为产品设（shè）计一个能吸引顾客的外（wài）观是一（yī）个重（chóng）要的设计要（yào）求；同时造型（xíng）美观的产品可（kě）使操作者减少因（yīn）精力（lì）疲惫而产生的误操作。外观设计包括三个方面：造型、颜色和表（biǎo）面处理。考（kǎo）虑造型时，应注意尺寸比（bǐ）例协调、形状简单统一以及（jí）色彩、图案的支持和点缀（zhuì）。 单色（sè）只使用（yòng）于小构（gòu）件。大的特别是（shì）运动构件如果只用一种颜色就（jiù）会显得（dé）单（dān）调无层次（cì），一个小小的附加色块会使整个色调活跃起来。在多（duō）个颜色并存的情况下，应有一个起主（zhǔ）导作用（yòng）的底色，和底（dǐ）色相对应（yīng）的颜色叫（jiào）对比色。但（dàn）在一个产品上（shàng），不同色调的数量不宜太多，太多的色彩会给（gěi）人一（yī）种华而不实（shí）的（de）感觉。舒服的色彩大约位于从浅黄、绿黄到棕（zōng）的区（qū）域。这个（gè）趋（qū）势是渐（jiàn）暖（nuǎn），正（zhèng）黄正绿往往显得不舒（shū）服；强烈的（de）灰（huī）色调（diào）显得压抑。对于冷环境应用暖色，如黄（huáng）、橙黄和红。对于热环（huán）境用冷（lěng）色，如浅蓝。所（suǒ）有颜色（sè）都应淡（dàn）化。另（lìng）外，通（tōng）过（guò）一定的色彩配（pèi）置（zhì）可使产品显（xiǎn）得安（ān）全（quán）、稳固（gù）。将形状变（biàn）化小的、面积（jī）较大（dà）的平面配（pèi）置浅（qiǎn）色，而将运动（dòng）、活（huó）跃轮廓（kuò）的元件配置深色（sè）；深色应（yīng）安置于机械的（de）下部（bù），浅色（sè）置于（yú）上部。8.考虑成本的设计（jì）准（zhǔn）则设（shè）计（jì）时应（yīng）简化产品及（jí）维（wéi）修操作：（1）设计时，要对产品功能进行分（fèn）析（xī）权衡，合并（bìng）相同或相似功（gōng）能，消除不必要的功能，以简（jiǎn）化产品和维修（xiū）操作。（2）设计时，应在（zài）满足规定功能要求的条件（jiàn）下，使其构（gòu）造简单，尽可能减少产品层次和组成单元（yuán）的数量，并简化（huà）零件的形状。（3）产品应（yīng）尽量设计（jì）简便而可靠的调（diào）整机构，以（yǐ）便于排除（chú）因磨损或飘移（yí）等原因引起的常见故障。对易发生局部耗损的贵重件，应设计成可调整（zhěng）或可拆卸的（de）组合件，以便于局部更（gèng）换或修（xiū）复。避免（miǎn）或减（jiǎn）少互相牵连的反复（fù）调校。（4）要合理安排各组成部分的位置，减少连（lián）接件、固（gù）定（dìng）件、使其检（jiǎn）测、换件等维修操作简单方便，尽可（kě）能（néng）做（zuò）到（dào）在维修任一部分时，不拆卸、不移动或少拆卸、少移动其他（tā）部（bù）分，以（yǐ）降低对维修人员技能（néng）水平的要（yào）求和（hé）工作量。
一（yī）、机械结构件的结构要素（sù）和设计方法
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