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机械结构设计（jì）的（de）方法、要求（qiú）及设计（jì）准则

一、机械结（jié）构（gòu）件的（de）结构要（yào）素和设（shè）计方法（fǎ）

1 结（jié）构件（jiàn）的（de）几何要素

机械结（jié）构的功（gōng）能主要是（shì）靠机械零部件（jiàn）的几何（hé）形（xíng）状（zhuàng）及各个零部件之（zhī）间的相对位置关（guān）系实现的。零部（bù）件的几（jǐ）何（hé）形状由它的表（biǎo）面所构成，一个零件通常有（yǒu）多个表面，在（zài）这些表（biǎo）面中（zhōng）有的与其它零部件表面直接接触，把这一（yī）部分表面称（chēng）为（wéi）功能表面。在功能表面之间的联结部分称为联接表面（miàn）。　

零（líng）件的功能（néng）表面是决定机械功能的重要因（yīn）素，功能（néng）表面的（de）设计（jì）是零部（bù）件结构设计的（de）核心（xīn）问题。描述功能表面的主（zhǔ）要（yào）几何（hé）参数有表面的（de）几何形状、尺寸大小、表面数（shù）量（liàng）、位（wèi）置、顺序等（děng）。通过对（duì）功（gōng）能表面（miàn）的变异（yì）设计（jì），可以得到为（wéi）实现同一技术功能的多种结构方（fāng）案。

2 结构件（jiàn）之间的联接

在机器或（huò）机（jī）械中，任（rèn）何零件（jiàn）都不是（shì）孤立存在的（de）。因此在结构（gòu）设计中除了（le）研究（jiū）零件本身的功能和其（qí）它特（tè）征外，还必（bì）须研究（jiū）零件之间的相互关系。

零（líng）件的相（xiàng）关分为直接（jiē）相关和间接（jiē）相关两（liǎng）类。凡两零（líng）件有直（zhí）接装配关系的，成（chéng）为直接相关。没有直接装配关系的相关成为间接相（xiàng）关。间接相关又（yòu）分为位置相（xiàng）关（guān）和运动相（xiàng）关两类（lèi）。位置相关是指两零件在相互位置上（shàng）有要求，如（rú）减速器（qì）中两（liǎng）相邻的传动轴（zhóu），其中心距必须（xū）保（bǎo）证一定的精度，两轴线必须平行（háng），以（yǐ）保证齿（chǐ）轮的（de）正常啮合。运动相关是指一零（líng）件（jiàn）的运动轨（guǐ）迹与另一零件有（yǒu）关（guān），如车床刀架的运动轨迹必须平行于于主（zhǔ）轴的中（zhōng）心线，这是靠床身导（dǎo）轨（guǐ）和（hé）主轴轴线相平行来保证的（de），所（suǒ）以，主轴与导轨之（zhī）间（jiān）位（wèi）置相关；而刀架（jià）与主轴之间为运动相（xiàng）关。

多数零件都（dōu）有（yǒu）两个或更多的（de）直接（jiē）相关零件，故每个（gè）零件（jiàn）大都具有（yǒu）两个或（huò）多个部位在结（jié）构上与其它零件有关。在进行（háng）结构设计时（shí），两零件（jiàn）直接相关部位必须同时考虑（lǜ），以便合（hé）理地选择材（cái）料的热处理方式、形状、尺寸、精度及表面（miàn）质量等。同（tóng）时还必须考虑（lǜ）满足间接相关条件，如进行尺寸链和（hé）精度（dù）计算等。一般来说，若某零件直接相（xiàng）关零件愈（yù）多，其结构（gòu）就（jiù）愈（yù）复杂（zá）；零件的间接（jiē）相关零件（jiàn）愈多，其（qí）精（jīng）度要（yào）求愈（yù）高。

3 结构（gòu）设计据结构件的材（cái）料

机械（xiè）设计（jì）中可以（yǐ）选（xuǎn）择的材料众多，不同的材（cái）料具有不同的性质，不（bú）同的材料对应不同的加工（gōng）工艺，结构设计中既要根据功能要求合理地选择适当（dāng）的材料（liào），又要根据材料的种类确定适（shì）当的（de）加工工艺，并根据加工工艺的要求确定适当的（de）结构，只有通过适（shì）当的结构设计才能使（shǐ）所选择的（de）材（cái）料最充分的（de）发挥（huī）优（yōu）势。

设（shè）计者（zhě）要做到正确（què）地选择材料就必须充分地（dì）了解所选材料的力学性能、加（jiā）工（gōng）性能、使用（yòng）成本等信（xìn）息。结构设计中应根据所（suǒ）选材料的特性（xìng）及其所对（duì）应（yīng）的加工工艺而遵循不同的设计原（yuán）则。

二、机械结构（gòu）设（shè）计的基本要求

机械产品应用于（yú）各行各业，结构设计的内容和要求也是千差（chà）万别，但都有相同的共（gòng）性（xìng）部分（fèn）。下面就机械结（jié）构设计的三个不同层次（cì）来（lái）说明对结（jié）构设计的要求。

1.功能设计满（mǎn）足主要机械功能要求，在技术上的具体化。如工（gōng）作原理的实现、工作的可靠性、工艺（yì）、材料和装配等方面。

2.质量设计兼顾各（gè）种要（yào）求和限制，提高产品（pǐn）的质量（liàng）和（hé）性能价格（gé）比，它是现代工程设计的（de）特征。具体为操作、美观、成本、安全、环（huán）保等众多其它要求和限制。在现代设计中，质量设计相当重要（yào），往往决定产品的（de）竞争力（lì）。那种（zhǒng）只满足主要技术功能要求的机械设计时代（dài）已经（jīng）过去（qù），统筹（chóu）兼顾各（gè）种要求（qiú），提高产品（pǐn）的质量，是（shì）现（xiàn）代机（jī）械设计的（de）关键所在。

3.优化设计和创（chuàng）新设（shè）计用结构设计变元等方法系（xì）统地构造优化设计空间，用创造性设计思维方法和其它科学方法进行优选和（hé）创新。

三、机械结构（gòu）基（jī）本设计准则

机械（xiè）设计（jì）的最终结果是以一定的结（jié）构形式（shì）表现（xiàn）出（chū）来的，按（àn）所设（shè）计的结构（gòu）进（jìn）行加工、装配，制造成（chéng）最终的（de）产（chǎn）品。所（suǒ）以，机械结（jié）构（gòu）设计应满足作为产品的（de）多（duō）方面要求，基本要求有功能、可靠性、工艺（yì）性、经（jīng）济性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、刚度、精度和寿命（mìng）。因（yīn）此，机械（xiè）结构（gòu）设计是（shì）一项综合性的技术工作。由于（yú）结构设计的错误或不合理，可能造成零部件（jiàn）不应有的失（shī）效（xiào），使机器达不（bú）到设计精（jīng）度的要求（qiú），给装配和维修带（dài）来（lái）极（jí）大的（de）不方便。机械（xiè）结构设计过程中应考虑如下（xià）的结构（gòu）设计准则。

1.现预期功能的设计（jì）准则

产（chǎn）品的设计主要（yào）目（mù）的是为了实现预定的功能要求，因此实现（xiàn）预期功能的设计准则是结构（gòu）设（shè）计首先考虑的问（wèn）题。要满足功能要求，必须做（zuò）到（dào）以下几点。

(1)明确功能:结构设计是要（yào）根据其在机器中的功能（néng）和与其他（tā）零部件相互（hù）的（de）连接关系，确定参数尺寸和（hé）结（jié）构（gòu）形状。零部件（jiàn）主要的功能有（yǒu）承受载荷、传递运动和动力，以及保证或保持有关零件（jiàn）或部件之间的相对（duì）位置（zhì）或运动（dòng）轨迹等。设计的结构应（yīng）能满足从机器（qì）整（zhěng）体考虑对它的功能要求。

(2)功能合理的分配：产品设计时，根据具（jù）体情况，通常有必要（yào）将（jiāng）任务进行合理的分配（pèi），即将一个功（gōng）能分解为多个（gè）分功能（néng）。每个分功能都（dōu）要（yào）有确定的（de）结构承担，各（gè）部分（fèn）结构之间应具有（yǒu）合理、协调的联系，以达（dá）到总（zǒng）功能的实现。多结构零件承（chéng）担同一功能（néng）可以（yǐ）减轻（qīng）零件负担（dān），延（yán）长使用寿命。V型带截面（miàn）的结（jié）构是任务合理分配的一个（gè）例子。纤维绳用来承受拉力（lì）；橡胶填（tián）充层承受带弯曲时的拉伸（shēn）和压缩；包布层与（yǔ）带轮（lún）轮槽（cáo）作用，产生传动所需的摩擦力。例如（rú），若只靠螺栓预紧产（chǎn）生（shēng）的摩（mó）擦（cā）力（lì）来承受横（héng）向载荷时，会使螺（luó）栓的（de）尺寸过（guò）大，可增加抗（kàng）剪（jiǎn）元件（jiàn），如销、套筒和键等，以分担（dān）横向载荷来解决这一问（wèn）题。

(3)功（gōng）能集中：为了（le）简化机（jī）械（xiè）产品的结构，降低加工成本，便于安装，在某些（xiē）情（qíng）况下，可由一个零件或部件承担多个功能（néng）。功（gōng）能集中会使（shǐ）零件的形状更加复杂（zá），但要有（yǒu）度（dù），否（fǒu）则反（fǎn）而影响加工工艺、增（zēng）加加工成本（běn），设计时（shí）应根据具（jù）体情况而（ér）定。

2.满足强（qiáng）度要（yào）求的（de）设计准则

(1) 等强度准则：零件截面尺（chǐ）寸的变化应与其内（nèi）应（yīng）力（lì）变化相适应，使（shǐ）各截面（miàn）的强度（dù）相（xiàng）等。按等强度（dù）原理设（shè）计的结（jié）构，材料可以得到（dào）充分（fèn）的利用，从而减轻（qīng）了重量、降（jiàng）低（dī）成本。如悬臂支架、阶梯轴的设计（jì）等（děng）。

(2) 合理（lǐ）力流结构：为（wéi）了直观地表示力在机械构件（jiàn）中怎（zěn）样传递的状态，将力看作（zuò）犹（yóu）如水在（zài）构（gòu）件中流动，这些力线汇成力流。表示这个力的流动在结构设计考察中起着重（chóng）要的作（zuò）用。力（lì）流在构件中（zhōng）不会中断（duàn），任何一条力（lì）线都不会突（tū）然消失（shī），必（bì）然是从一处传（chuán）入，从另一处传（chuán）出（chū）。力（lì）流的另一个特（tè）性是它倾向于沿（yán）最短的路线传递（dì），从而（ér）在最短路线附近力流密（mì）集，形成高应力（lì）区。其它部（bù）位（wèi）力（lì）流稀（xī）疏，甚至没有力流（liú）通过，从应力（lì）角（jiǎo）度上讲，材料未能充分（fèn）利（lì）用。因此，若（ruò）为了提（tí）高构（gòu）件的刚度，应该尽可能按力流最短路线来设（shè）计零件的形状，减少承载区域，从而（ér）累积（jī）变形越小，提高了（le）整个构件的刚度，使（shǐ）材料得到充分利用（yòng）。

(3) 减小应力集中结构（gòu）：当（dāng）力（lì）流方向（xiàng）急（jí）剧转折时，力流在转折处会过于密集，从而引起应力集中，设计中应在结构上采取措施，使力流转向平缓。应（yīng）力集（jí）中是影响（xiǎng）零件（jiàn）疲劳（láo）强度的重要因素。结构设计时，应（yīng）尽量（liàng）避免或减小应力集中。其（qí）方法在相应（yīng）的章节（jiē）会作介绍，如增（zēng）大过度（dù）圆角、采用卸载结构等。

(4) 使载荷平（píng）衡结构：在机器（qì）工作时，常产（chǎn）生一些无用的力，如惯性力、斜齿（chǐ）轮轴向力等，这些（xiē）力不但增加了轴和轴衬等零件的负荷，降低其精度和（hé）寿命，同时也降低了（le）机（jī）器的（de）传动效率。所谓载荷（hé）平衡（héng）就是指采取结构措施部分或全部平衡无用力，以减（jiǎn）轻或消除其不良（liáng）的影响。这些结构措（cuò）施主（zhǔ）要采用平（píng）衡元件、对称（chēng）布置等。　

3.满足结构刚度（dù）的设计准则

为保（bǎo）证零件在使用期（qī）限内正常地实（shí）现其功能，必须使其（qí）具有（yǒu）足（zú）够的刚度。

4.考虑加工工艺的设计准（zhǔn）则

机械零部件（jiàn）结构设（shè）计的（de）主要目的（de）是：保证功能的实现，使产（chǎn）品达到要求的性能（néng）。但是，结构（gòu）设计的结果（guǒ）对产品（pǐn）零部件的生（shēng）产成（chéng）本及质量有着不可低估的影响。因此（cǐ），在结（jié）构（gòu）设计中应力求使产品有良好的加工工艺性。所谓好的加工工艺指的是零部件（jiàn）的结构易于加工制造，任何一种（zhǒng）加（jiā）工方法都有可能不能制造某些（xiē）结构的零部件，或生产（chǎn）成本很高，或质量受到影响。因此，对于设（shè）计者认（rèn）识一种加工（gōng）方法的特点非常重要，以便在设计结构时尽（jìn）可能的扬长（zhǎng）避短。实际（jì）中，零部件结构工艺性受到诸多（duō）因（yīn）素的制（zhì）约，如生产批量的大（dà）小会影响坯件的生成（chéng）方法；生产（chǎn）设（shè）备（bèi）的（de）条件可能会限制工件的（de）尺寸；此外（wài），造型、精度、热处理、成本等方面（miàn）都有可能对零部件结构（gòu）的工艺性有制（zhì）约作用（yòng）。因此，结构（gòu）设计中应充分（fèn）考虑上述因素对工艺性的影响（xiǎng）。

5.考虑装配（pèi）的设计准则

装配是产品制造过程中的重要工序，零（líng）部件（jiàn）的结构对装配的质量（liàng）、成本有（yǒu）直接的影响。有关装配的（de）结（jié）构设计准则简（jiǎn）述（shù）如下：

（1）合理划分（fèn）装配单元：整机应（yīng）能分解成若（ruò）干可单独装配（pèi）的单元（yuán）（部件或（huò）组件），以实现平行且专业化的装配作业，缩短装配（pèi）周期，并且便于（yú）逐级技术检验和维修（xiū）。

（2）使零部件得到正确安（ān）装（zhuāng）：保证零件准确的定位、避免双重（chóng）配合、防止装配错误。

（3）使零部件便（biàn）于（yú）装配和拆卸：结构设计中，应保证有足够的装配空间，如（rú）扳手空间；避免过长配合以免增（zēng）加装配（pèi）难度，使配合面擦伤，如有些（xiē）阶梯（tī）轴的设（shè）计；为便于拆卸零件，应（yīng）给（gěi）出安放拆（chāi）卸（xiè）工具的（de）位置，如轴承的拆卸（xiè）。

6.考（kǎo）虑维护修理的设计准则

（1) 产品的（de）配置应根据其故障率的高低、维修的难易、尺寸和质量的（de）大小以及安装（zhuāng）特点等统筹（chóu）安排，凡（fán）需（xū）要维修的零（líng）件部件，都应（yīng）具有良好的可达性；对故障（zhàng）率高而（ér）又（yòu）需要经常维修的部位及应急开关，应（yīng）提供最佳（jiā）的可达性（xìng）。

（2) 产品（pǐn）特别是易损件、常拆件和附加设备的拆装要简便，拆装（zhuāng）时零部件进出的路线最（zuì）好是直线或平（píng）缓的曲线（xiàn）。

（3) 产（chǎn）品的检查点、测（cè）试点（diǎn）等系统的维护点，都应布置在便于接近的位（wèi）置上。

（4) 需要维修和拆装的产品（pǐn），其周围要有（yǒu）足够的操作（zuò）空（kōng）间。

（5) 维修时一般应能（néng）看见内（nèi）部的操作，其通道除了能容纳维修人员的手或臂外，还应留有供观察的适当间隙。

7.考虑造型（xíng）设计的准则

产品的设计不仅要满（mǎn）足功能要求，而（ér）且还应（yīng）考（kǎo）虑产品（pǐn）造型的（de）美（měi）学价值（zhí），使之对人产（chǎn）生吸引（yǐn）力（lì）。从（cóng）心理学角度看（kàn），人60%的决定取决（jué）于第一（yī）印象（xiàng）。技术产品的（de）社会属性是商品（pǐn），在买方市（shì）场的时代，为产品设（shè）计一个（gè）能吸引顾客的外观（guān）是一个重要的设计要求；同时造型（xíng）美观的产品可使操作者减少因精力疲惫而产（chǎn）生的（de）误操作。

外观设计包括三个（gè）方面：造型、颜色和（hé）表面处理。

考虑造（zào）型时，应注意尺寸比例协（xié）调、形状简单统（tǒng）一以及色彩、图案的支持和点（diǎn）缀。　

单色只使用于小构件。大（dà）的特别是运动（dòng）构件如果（guǒ）只（zhī）用一种颜色就会显（xiǎn）得单调无层次（cì），一个小（xiǎo）小的（de）附（fù）加（jiā）色块（kuài）会使整个色调活跃（yuè）起来。在多个颜色（sè）并存的（de）情况（kuàng）下，应有一个（gè）起（qǐ）主导作用（yòng）的底色，和底色相对应的颜（yán）色叫（jiào）对比色。但在一个产品（pǐn）上，不同色调（diào）的（de）数量（liàng）不（bú）宜太多，太多的色（sè）彩会给（gěi）人一种华（huá）而不实的感觉。

舒服的色彩大约位（wèi）于（yú）从浅黄、绿黄到棕的区域。这个趋势是渐暖（nuǎn），正黄正（zhèng）绿往（wǎng）往（wǎng）显得不舒服（fú）；强（qiáng）烈的灰色调显得压抑。对于冷环境应用暖色，如黄、橙黄和红。对于热环境用冷色（sè），如浅蓝。所（suǒ）有颜（yán）色都（dōu）应淡化。另（lìng）外，通过一定的色彩配置可（kě）使产品显得安（ān）全、稳（wěn）固。将形状变化小的、面积较大的平面配置浅色，而将（jiāng）运动、活跃轮廓的元（yuán）件配置深色；深色应安置于机械的（de）下（xià）部，浅（qiǎn）色（sè）置于上部。

8.考虑成本的（de）设计准则

设计时应简化产品（pǐn）及维修（xiū）操作：

（1）设计时，要对产品功（gōng）能进行分析权衡，合并相（xiàng）同（tóng）或相（xiàng）似功能，消除不必要（yào）的功能，以简化（huà）产品和维（wéi）修操作。

（2）设计时，应在满足规定功能要（yào）求的条件（jiàn）下（xià），使（shǐ）其构造简单，尽可能减少（shǎo）产（chǎn）品层次（cì）和组成单元的数量，并（bìng）简（jiǎn）化零（líng）件的形状。

（3）产品应尽量设计简（jiǎn）便而可靠（kào）的调（diào）整机构，以（yǐ）便于排除因磨损或飘移等原因引起的常见故（gù）障。对易发生局部耗损的贵重件，应设计成可调整或可拆卸的组（zǔ）合件，以便于局部更换或修（xiū）复。避免或减少互（hù）相牵连（lián）的（de）反复调校。

（4）要合理安排各组（zǔ）成部分的位（wèi）置，减少连（lián）接件、固定件、使其检测、换件等维修操作简单方便，尽可能（néng）做到在维修（xiū）任一部分时，不拆卸、不移动或（huò）少拆卸、少移动其他（tā）部分，以降（jiàng）低对维修人员技（jì）能（néng）水平（píng）的要求（qiú）和工（gōng）作量。

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