一、机械结（jié）构（gòu）件的结构要素和设计方法 1 结构件的几何要素机械（xiè）结构的功能（néng）主（zhǔ）要是靠机械零部件（jiàn）的（de）几何形状及各个零部件之间的相对位（wèi）置关系实现（xiàn）的。零部件的（de）几何（hé）形状由它的表面所构成，一个零件通（tōng）常（cháng）有多个表面（miàn），在这些（xiē）表面中有的与其它零部件表面直接接触，把这（zhè）一部分表（biǎo）面（miàn）称为功能表（biǎo）面（miàn）。在功能表面之（zhī）间的联结部分称为联接表面。 零（líng）件的功能表面是（shì）决定机械功能的重要因素，功能（néng）表面（miàn）的（de）设计是零部件结（jié）构设计的核心问题。描述功能表面的主要几（jǐ）何参（cān）数有表面的几何形状、尺寸大小、表面数量、位置（zhì）、顺序等。通过对功能表面的变异设计（jì），可以得到为实现同一技术功（gōng）能（néng）的（de）多种（zhǒng）结构方案。2 结构件（jiàn）之间的（de）联接（jiē）在（zài）机器或机械中（zhōng），任何零件都不是孤立存在的。因（yīn）此（cǐ）在结构设计中（zhōng）除了研究零件本身的功能和其它特征外，还（hái）必须（xū）研究（jiū）零件（jiàn）之间的（de）相互关系（xì）。零件的相关分为直接（jiē）相（xiàng）关和间（jiān）接相关两类。凡两零件有直接装配关系的，成为直接相关。没（méi）有直接装配关系（xì）的相关成为（wéi）间接相关。间接相关又分为位置相（xiàng）关和运（yùn）动（dòng）相关（guān）两（liǎng）类。位（wèi）置相关是指（zhǐ）两零件在（zài）相互位置上有要求，如减速器中两相（xiàng）邻的传（chuán）动轴，其（qí）中心（xīn）距必须保证一定的精度，两（liǎng）轴（zhóu）线（xiàn）必须平行，以保证齿轮的正常（cháng）啮合。运（yùn）动相关是指一零件的运动轨迹与另一零件（jiàn）有关，如（rú）车床刀架的运（yùn）动轨迹必须平行于于主轴（zhóu）的中（zhōng）心线，这是靠床身导轨和主轴（zhóu）轴线相（xiàng）平行来保证的（de），所以，主（zhǔ）轴与（yǔ）导轨之（zhī）间位置相关；而刀架（jià）与主轴之间为运动相关（guān）。多（duō）数零件都有两个（gè）或更多（duō）的（de）直接相（xiàng）关零件，故每个（gè）零件大都具有两个（gè）或多个部位在结构（gòu）上与（yǔ）其（qí）它零（líng）件有关。在（zài）进行结构设计（jì）时，两零（líng）件（jiàn）直接相关部位必（bì）须同时考虑，以便合理地选择材料的（de）热处理方式、形状、尺寸、精度及表面质量等。同时还必须（xū）考虑满足间接相（xiàng）关条（tiáo）件，如进行尺寸链和精度计算（suàn）等。一般来说，若某零件直接相关零件愈多，其结构就（jiù）愈复杂；零件的间接相（xiàng）关零件愈多，其精度要求（qiú）愈高。3 结构（gòu）设计据结构件（jiàn）的材料机械设计（jì）中（zhōng）可以选择的材料（liào）众多，不同的材料具有不同的性质，不同（tóng）的材料对应不同的（de）加工工艺，结构设（shè）计中既要根（gēn）据功能要求合理地（dì）选择适当（dāng）的材（cái）料，又（yòu）要根据材料的种类确定适当的加工工（gōng）艺，并根据加（jiā）工工艺的（de）要求（qiú）确定（dìng）适当的结（jié）构，只有通过适（shì）当的结（jié）构设计（jì）才能使（shǐ）所选择的材料最（zuì）充（chōng）分的（de）发挥（huī）优势（shì）。设计者要做到正确地选择材料就必须（xū）充分地了解所选（xuǎn）材料（liào）的力学性能、加工性能、使用成（chéng）本等信息（xī）。结构设计中应根据所选（xuǎn）材料（liào）的特性（xìng）及其所对应的加工工艺而遵循不同的设计原则。 二、机（jī）械结构设计的基本要（yào）求 机（jī）械产（chǎn）品（pǐn）应用于各行各业，结构设计的内容和（hé）要求也是千差万别，但都有相同的（de）共性部分。下面（miàn）就机械结构设计的三（sān）个不（bú）同（tóng）层次来说（shuō）明（míng）对结（jié）构设计的要求。1.功能设计满足主（zhǔ）要机械功能要求，在技（jì）术上的具体化。如工作（zuò）原（yuán）理的实（shí）现、工作的可靠性、工（gōng）艺、材料和装配等方面。2.质量设计兼顾各种要求和限制，提高产（chǎn）品的（de）质（zhì）量和性能价格（gé）比，它（tā）是现代工程设计的特征。具体为操（cāo）作、美观、成本（běn）、安全、环保等众多其它要求和限制（zhì）。在现代设（shè）计中（zhōng），质量设计相当重要，往（wǎng）往决定产（chǎn）品（pǐn）的竞争（zhēng）力。那种只满足主要技术（shù）功（gōng）能要求的机（jī）械设计时代已经过去（qù），统筹兼顾各种要求，提高产品的（de）质量，是现代机（jī）械设计的关键所在。3.优化设（shè）计和创新设计用结构设计变元等方法系统地构造优化设计空（kōng）间，用（yòng）创造性设计思维（wéi）方法（fǎ）和其它科学方法进行（háng）优（yōu）选和创新。 三、机械（xiè）结构基本设计准（zhǔn）则（zé） 机械设（shè）计的（de）最终（zhōng）结果是以一定的（de）结构形式表现出来（lái）的，按（àn）所设（shè）计的（de）结构进行（háng）加工、装配，制造成最终的产品。所以，机械结构设计应满足作为产品的多方面要求，基本要求有功能、可靠（kào）性、工艺性、经济性和（hé）外观造（zào）型等方面的（de）要求（qiú）。此外，还应改（gǎi）善（shàn）零（líng）件的受力，提高强度、刚度、精度和（hé）寿命（mìng）。因此，机械（xiè）结（jié）构（gòu）设计是一项综合性的技术工（gōng）作。由于结构设（shè）计的错误或不合理，可能造成零部（bù）件不（bú）应有的失效，使机器达（dá）不到设计精度的要求，给（gěi）装配和维修带来极大的（de）不方便。机械结构（gòu）设计过程中应考虑如下的（de）结构设计准则。1.现预期功能的设（shè）计准则产（chǎn）品的设计主要目（mù）的是为（wéi）了实现预定的功（gōng）能要求，因（yīn）此实现预期（qī）功能的（de）设计准则是结构设计首先考（kǎo）虑的（de）问题。要满足功能（néng）要求，必须做到以下几点。(1)明确功能:结构设计（jì）是要根据（jù）其在（zài）机器中的功能和与其他零部件相互的连接关系，确定参数尺寸和结（jié）构形状。零部件（jiàn）主要（yào）的功（gōng）能（néng）有承受载（zǎi）荷、传（chuán）递（dì）运动（dòng）和动力（lì），以及保证（zhèng）或保（bǎo）持有关（guān）零（líng）件（jiàn）或部件之间的相对位置或运（yùn）动轨迹等。设计的结构应（yīng）能满足从机（jī）器整体考虑对它的功能要求。(2)功能合理（lǐ）的分配：产品设计时，根据具（jù）体情况，通常有必要将任务进行合理的分配，即（jí）将一个（gè）功能分解为多个分功能。每个（gè）分功能（néng）都要有确（què）定（dìng）的结构承担，各部（bù）分结构之（zhī）间应具有合理、协调的联系，以（yǐ）达到（dào）总功能的实现。多结（jié）构零件承担同一功能可以减轻零件（jiàn）负担，延（yán）长使用寿命。V型带（dài）截面的结构是任务合（hé）理分（fèn）配（pèi）的一个例子。纤维（wéi）绳用来（lái）承受拉力（lì）；橡胶填充层承受带弯曲时的（de）拉伸和压（yā）缩；包布层与带轮（lún）轮槽作用，产生传动所需（xū）的（de）摩擦力。例如，若只靠螺栓预紧产（chǎn）生的（de）摩擦力来承受横向载荷（hé）时，会使（shǐ）螺（luó）栓的尺寸过（guò）大，可增加抗剪元（yuán）件，如销、套筒（tǒng）和（hé）键等，以（yǐ）分担横向载荷来解决这一问题。(3)功（gōng）能集中：为了（le）简化（huà）机械（xiè）产（chǎn）品的结（jié）构，降低加工成本，便于安装，在某些（xiē）情况下，可由一个零（líng）件或部件承担（dān）多个功能。功（gōng）能集中会（huì）使（shǐ）零件的形（xíng）状更加复杂，但要有度，否则（zé）反而影响（xiǎng）加（jiā）工（gōng）工艺（yì）、增加加工成本，设计时应根（gēn）据具体（tǐ）情况而定。2.满（mǎn）足强度要求的设计准则(1) 等强度准则：零件截面尺寸（cùn）的变（biàn）化应与其内应力变化相适应（yīng），使各截（jié）面的强度相等。按等（děng）强度原（yuán）理设计（jì）的结构，材料可以得到充分（fèn）的利用，从而减（jiǎn）轻了重量、降低成本（běn）。如悬（xuán）臂支架、阶梯轴的设计等（děng）。(2) 合理力流结构：为了直观（guān）地表示（shì）力在机（jī）械构件（jiàn）中怎样（yàng）传递的状态（tài），将（jiāng）力看作犹（yóu）如水在构件中（zhōng）流动，这些力（lì）线汇成力流。表（biǎo）示这个力的流（liú）动在（zài）结构设计（jì）考察（chá）中起着重要的作用。力（lì）流在（zài）构（gòu）件中不（bú）会中断（duàn），任何一条（tiáo）力（lì）线都不（bú）会突然消失，必然是从（cóng）一处传入，从另一处传出。力（lì）流的（de）另（lìng）一个特性是它倾向于（yú）沿最短（duǎn）的路线传递，从而在最短（duǎn）路线附近力流密集，形成高应力区。其它部位力流稀（xī）疏（shū），甚至没有力流通过，从应力（lì）角度上讲，材料未（wèi）能充分利用。因此，若为了提高构件的刚度（dù），应该（gāi）尽可能（néng）按力流最短路（lù）线来设计零件（jiàn）的形状，减少（shǎo）承载区域，从而累（lèi）积变形越小，提高了整个构（gòu）件的刚（gāng）度（dù），使材料得到充分利用（yòng）。(3) 减小（xiǎo）应力集中结构：当（dāng）力（lì）流（liú）方（fāng）向急（jí）剧转折时，力流在转（zhuǎn）折处会过于密集，从而引起应力（lì）集（jí）中，设计（jì）中应（yīng）在结构上采取措施，使力流（liú）转向平缓。应力集中（zhōng）是（shì）影响零件疲（pí）劳（láo）强度（dù）的（de）重要因素。结构设计时，应（yīng）尽量避免或减（jiǎn）小应力集中。其方法在相应的章节会作介绍，如（rú）增大过度圆（yuán）角、采用卸载（zǎi）结构等。(4) 使（shǐ）载荷平衡结构：在（zài）机器工作时，常产（chǎn）生（shēng）一些无用的力（lì），如惯性（xìng）力、斜齿轮轴向力等（děng），这（zhè）些力不但增加了轴和（hé）轴衬（chèn）等零件的负荷，降低其精度和寿命（mìng），同时也降低了机器的传动效（xiào）率。所谓载荷平衡就是指采取结构措施部分或（huò）全部平衡无用力（lì），以减轻或消除（chú）其不良的影响。这些结构措施主要（yào）采（cǎi）用平衡元件、对称布置等。 3.满足结构刚度的设计准则为（wéi）保证零件在使用期（qī）限内正常地实现（xiàn）其（qí）功能，必须（xū）使其具有足够的刚度。4.考虑加工工艺的设计准则机械（xiè）零部件结构设计的主要目的是：保证功能的实现（xiàn），使产品达到要求的性能。但是（shì），结（jié）构设（shè）计的（de）结（jié）果（guǒ）对（duì）产（chǎn）品（pǐn）零部（bù）件的生产成本及质（zhì）量有着不（bú）可低（dī）估的影响。因此（cǐ），在结构设计（jì）中应力求（qiú）使（shǐ）产品有良好的加工工（gōng）艺（yì）性。所谓好的加工工艺指的（de）是零部件的（de）结构易（yì）于加工制造，任何一种加工方法都（dōu）有可能不能制造某些结构的零部件（jiàn），或生产成本很（hěn）高，或（huò）质量受到影响。因此，对于设计者认识一种加工方法的（de）特点非常重要，以便在设计结构时尽可能（néng）的扬长避短。实际中（zhōng），零部件结（jié）构工艺性受到诸多（duō）因素的（de）制约，如生产批量的大小会影响（xiǎng）坯件的生成方法；生（shēng）产（chǎn）设备的（de）条件可能会限制工件的（de）尺寸（cùn）；此外（wài），造型、精度（dù）、热处理、成本等方面都有可（kě）能对零部件结构的工（gōng）艺性有制约作用。因此，结构设（shè）计中应充分考虑上述因素对工艺性的（de）影响。5.考虑（lǜ）装配的设计准则装（zhuāng）配是产品制造（zào）过程中的重要（yào）工序，零部件的结（jié）构对装（zhuāng）配的质量、成（chéng）本有直（zhí）接的影（yǐng）响。有关（guān）装配的结构（gòu）设计准（zhǔn）则简（jiǎn）述（shù）如（rú）下：（1）合理划分装配单元（yuán）：整机应能分解成（chéng）若干可单（dān）独装（zhuāng）配的单元（部（bù）件或组件），以实（shí）现平行且专（zhuān）业（yè）化的装配作业，缩（suō）短装配周（zhōu）期，并且便于逐级技（jì）术检（jiǎn）验和维修。（2）使零部件得到（dào）正确安（ān）装：保（bǎo）证零件准确的定位、避免双（shuāng）重配合、防止装配错误。（3）使零部（bù）件便（biàn）于装配和拆卸：结构设计中，应保证有足够的装（zhuāng）配空间，如扳手空间；避免（miǎn）过长配合以免（miǎn）增（zēng）加装配难度，使配合面擦伤（shāng），如有些阶梯轴的（de）设计；为便于拆卸（xiè）零件，应给（gěi）出（chū）安放拆卸工具（jù）的位置，如轴承的拆卸。6.考虑维护（hù）修理的设计准则（1) 产（chǎn）品的配（pèi）置应根据其（qí）故障率（lǜ）的高低（dī）、维修的难（nán）易、尺寸（cùn）和质量的大小以及安装特（tè）点等统（tǒng）筹安排，凡需（xū）要维修的零件部件，都应具有良好的可（kě）达性（xìng）；对故障率高而又需要经常维（wéi）修的部位及应急开关，应（yīng）提供最佳的可达性。（2) 产（chǎn）品特别是易损件、常拆件和附加设备（bèi）的（de）拆装要简便，拆装时零部（bù）件进出的路线（xiàn）最（zuì）好是直线或平缓的曲线。（3) 产品（pǐn）的检查点、测试点等系统的维（wéi）护点，都应布置在（zài）便于接近的位置上。（4) 需要维修和拆装的产品，其周围（wéi）要有（yǒu）足够（gòu）的操（cāo）作空间。（5) 维（wéi）修时一般应能看见内部的操（cāo）作，其（qí）通（tōng）道（dào）除了能容纳维修人员的（de）手或臂外，还应留有（yǒu）供观察的适当间隙。7.考虑（lǜ）造（zào）型设计的（de）准则产（chǎn）品（pǐn）的设计不仅要满足功能要求，而且还应考虑产品造型的美学（xué）价值，使之对（duì）人产生（shēng）吸引力。从心理（lǐ）学角度（dù）看，人60%的决定取决于第一（yī）印象（xiàng）。技（jì）术产品的（de）社（shè）会属（shǔ）性是（shì）商品，在买方市场（chǎng）的时代，为产（chǎn）品设计一个能吸引顾客（kè）的外观是一个重要的设计要求；同时造型美观的产（chǎn）品可使操作者减少因（yīn）精力（lì）疲（pí）惫而产（chǎn）生的误操作。外（wài）观设计（jì）包括三个方面（miàn）：造型、颜色和表（biǎo）面处理。考（kǎo）虑（lǜ）造型时，应注意尺（chǐ）寸比例（lì）协调、形状简单统一以及色彩（cǎi）、图案的支持和点缀。 单色只使（shǐ）用于小构件。大（dà）的特别是运动构件如果只用一（yī）种（zhǒng）颜色（sè）就会（huì）显得单（dān）调无层次，一个小（xiǎo）小的附加色块会使整个色调（diào）活跃（yuè）起来。在多个颜色并存的情况下，应有（yǒu）一（yī）个起（qǐ）主导作用的底（dǐ）色，和底色相对应的颜色（sè）叫对比色（sè）。但在（zài）一个产品上，不同色调的数（shù）量（liàng）不宜太多，太（tài）多（duō）的色（sè）彩会给人一（yī）种华而不实的感（gǎn）觉。舒服的色彩大约位于从浅黄（huáng）、绿（lǜ）黄（huáng）到棕的区域。这个（gè）趋（qū）势是渐暖，正黄（huáng）正绿往往显得不舒服；强（qiáng）烈的（de）灰（huī）色调（diào）显得压抑。对于冷环境（jìng）应用暖色，如黄、橙黄（huáng）和（hé）红。对于热环（huán）境用冷色，如浅蓝。所有颜色都（dōu）应淡化（huà）。另外（wài），通过一（yī）定的色彩配置（zhì）可使产品显得安全、稳固。将（jiāng）形状变（biàn）化小（xiǎo）的（de）、面积较大的平面配置浅色，而将运动、活跃轮（lún）廓的元件配置（zhì）深色；深色（sè）应安置于机械的下部，浅色置于上部（bù）。8.考（kǎo）虑成本的（de）设计（jì）准（zhǔn）则设计时应简化产品及维修操作：（1）设计时，要对产品功能进行分析权（quán）衡，合并（bìng）相同或相似功能，消（xiāo）除不必要的功能，以简化产品（pǐn）和维修操作。（2）设计时，应在满足规定功能要（yào）求的条件（jiàn）下，使其构（gòu）造简（jiǎn）单，尽可能（néng）减少产品层（céng）次和组成（chéng）单元的数量，并简化零件（jiàn）的形状。（3）产品应（yīng）尽量设计（jì）简便而可靠（kào）的调整机构，以便于排除（chú）因磨（mó）损或（huò）飘移等（děng）原（yuán）因引起的（de）常见故障。对易发生（shēng）局部耗损的贵重件，应设（shè）计成可调整（zhěng）或可（kě）拆卸的组合件，以便于局（jú）部（bù）更换或修复。避免或减（jiǎn）少互相牵连的（de）反（fǎn）复调校。（4）要合理安排（pái）各组成部分的位置，减少（shǎo）连接（jiē）件（jiàn）、固（gù）定件、使其检测、换件等维修操作简单方便，尽可能做到在维修任（rèn）一（yī）部分时，不拆卸、不（bú）移动（dòng）或少（shǎo）拆（chāi）卸、少移动其他部分（fèn），以降低对维修（xiū）人员技能水平的要求（qiú）和（hé）工作量。
一、机械结（jié）构（gòu）件的结构要素和设计方法
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