一、机械结构件的结构要素（sù）和（hé）设计（jì）方法 1 结构件的几何（hé）要素机械（xiè）结构的功能主要是靠机械（xiè）零部件的几何（hé）形（xíng）状及各个零部件之间的相（xiàng）对位置关系实现的。零部件的几何（hé）形状由它的表面所构成（chéng），一个零件通常有多个表（biǎo）面，在（zài）这些表面中（zhōng）有的与其（qí）它零部件表（biǎo）面直接接（jiē）触，把这一部分（fèn）表面称为功能表面。在功能表面（miàn）之间（jiān）的联（lián）结部分称为联（lián）接表面（miàn）。 零件（jiàn）的功能表面是决（jué）定机械功能的重要因（yīn）素，功能表面的设计是（shì）零（líng）部件结构（gòu）设计的核心问题。描述功能表（biǎo）面的主（zhǔ）要几何参数有表面的几何形（xíng）状、尺寸（cùn）大（dà）小、表面数量、位置、顺序（xù）等。通（tōng）过对功能（néng）表面的变异设计，可以得到为实现同一技术（shù）功能的多种结构方案。2 结构（gòu）件之间的联接在机器或机械（xiè）中，任何零件都不（bú）是孤立存在的。因此（cǐ）在结构（gòu）设计（jì）中除了研究零件本身的功能和其它特征外，还（hái）必须研究零件之间的（de）相互关系。零件（jiàn）的相关（guān）分为直接相关和间接相关两类（lèi）。凡（fán）两零件有直接装配（pèi）关系的，成为直接相关。没（méi）有直接装配关系的（de）相关（guān）成为间接相关。间接相（xiàng）关又分为位置相关和运动相关两类（lèi）。位置相关（guān）是指两（liǎng）零件在相互位置上有要求，如减速（sù）器中（zhōng）两相邻的传动轴，其中（zhōng）心距必须保证一定（dìng）的（de）精度，两轴（zhóu）线必须平行，以保证齿轮的正常啮合（hé）。运动相关（guān）是指一零件的运（yùn）动轨迹与另一零件有关，如车床刀架的运动轨迹必须平行于于主轴的中（zhōng）心线（xiàn），这是靠床身导轨和主轴轴线相平行来保证的（de），所以，主轴与导（dǎo）轨之间位置相关；而刀架与主轴之间为运动相（xiàng）关。多（duō）数零件都有两（liǎng）个或（huò）更多的（de）直接相关（guān）零件，故每（měi）个零件（jiàn）大都具有（yǒu）两个或（huò）多个部（bù）位在（zài）结构上与其（qí）它零件（jiàn）有关。在进行结构（gòu）设计时，两零件直（zhí）接相关部位（wèi）必（bì）须（xū）同时考虑，以便合理地选择材料的热（rè）处理方（fāng）式、形状、尺寸、精度及表面质量等。同（tóng）时（shí）还必须（xū）考虑满（mǎn）足间接相（xiàng）关条件，如（rú）进行尺寸链和精度计（jì）算等。一般来说，若某零（líng）件（jiàn）直（zhí）接（jiē）相关零（líng）件（jiàn）愈（yù）多，其结构就愈复杂；零件的间接相关零件愈多，其精度要求愈高。3 结构设计据（jù）结构件的材料机械设（shè）计中可以（yǐ）选择（zé）的材料众（zhòng）多，不同的材料（liào）具（jù）有（yǒu）不同的性质（zhì），不同的材料对应不同的加工工艺，结构（gòu）设计中既要根（gēn）据功能要求合理地（dì）选（xuǎn）择适当的（de）材（cái）料，又要根据材料的（de）种类确定适当的（de）加工工艺，并（bìng）根据加工（gōng）工艺的要求确定适当的结（jié）构，只有通过适当的结构设计才能使所（suǒ）选择的材料最充分的发挥优势。设（shè）计者要做到正确（què）地（dì）选择（zé）材料就必须充分地了解所选材料的力学性能、加工性能、使用成本等信息。结构设（shè）计（jì）中应根据所选材料的（de）特（tè）性及（jí）其所对（duì）应的加工工艺而（ér）遵循不同的设（shè）计原则（zé）。 二（èr）、机械结（jié）构设计的基本要求 机械产（chǎn）品应用于各行（háng）各业，结构设计的内（nèi）容和要（yào）求也（yě）是千差万别，但都有相（xiàng）同的共性部分。下（xià）面就机械结构设计的三个不同层次来说明（míng）对结（jié）构设计的要求。1.功能设计满足主要机械功能要求，在技术上的具体化。如工作原理（lǐ）的实现、工作的可（kě）靠性、工艺、材（cái）料和装配等（děng）方面。2.质量（liàng）设计兼顾（gù）各种要（yào）求和限制，提高产品的（de）质量和性能（néng）价格比，它是现代工程设计的特征（zhēng）。具体（tǐ）为操作、美观、成本、安全、环保等众（zhòng）多其（qí）它要求和（hé）限制。在现代设计（jì）中（zhōng），质量（liàng）设计相当重要，往往决定（dìng）产品的竞争力。那种只满足主要技术功能要求的机械设（shè）计时代（dài）已（yǐ）经过去，统（tǒng）筹兼（jiān）顾各种要求，提高产品的质量，是现代机械设计（jì）的关键（jiàn）所在。3.优化设计和创新设（shè）计用结构设计变（biàn）元等方（fāng）法（fǎ）系统地构造优化设（shè）计空间，用创造性设计思维方法和（hé）其它科学（xué）方法进（jìn）行优选（xuǎn）和创新。 三、机械结构基本设计准则 机械设（shè）计的最（zuì）终结果是（shì）以一定的（de）结构形式表现出来的，按所设计的结（jié）构进行加工、装配（pèi），制（zhì）造（zào）成最终（zhōng）的产（chǎn）品。所以，机械结构设计（jì）应满（mǎn）足作为（wéi）产品的多方面（miàn）要求，基本要求有功能、可靠性、工艺性、经济性和外观造型等方面的要求。此外，还应改善零件（jiàn）的（de）受力，提高（gāo）强度、刚度、精度和寿命。因此，机械（xiè）结构设计是一项综合性的技术工作（zuò）。由于结构设计（jì）的错误或不（bú）合理，可能造成零（líng）部（bù）件不（bú）应有的失（shī）效，使机（jī）器达不到设计精度的要（yào）求，给（gěi）装配和维（wéi）修带来（lái）极大的不方（fāng）便。机械结构（gòu）设计（jì）过程中应考虑如下的结构设计（jì）准则。1.现预期功能（néng）的设（shè）计准则产品的设（shè）计主要目的是为了实现预定的功能要求，因此实现预期功能（néng）的设计（jì）准则（zé）是结构（gòu）设计首先考（kǎo）虑的问题。要满足功能要求，必须做到以下几点。(1)明确功能:结（jié）构设计是要根据其在机器中的功能和与其他零部件（jiàn）相（xiàng）互的连接关系，确定参（cān）数尺寸和结构（gòu）形状。零部件主（zhǔ）要的功能有（yǒu）承（chéng）受载荷、传递（dì）运动（dòng）和动力，以及保证或保持有关零件（jiàn）或部件之间的相对位（wèi）置或运动轨迹等（děng）。设计的结构应能满足从机器整（zhěng）体考虑对它的功能要（yào）求。(2)功能合理的（de）分配（pèi）：产品设计时，根据具体情（qíng）况（kuàng），通常有（yǒu）必要将任务进行合理的分配，即将一个功能分解为多个分（fèn）功能。每个分功（gōng）能（néng）都（dōu）要有确定的结构承担，各部分结（jié）构之间应具有合理、协调的联（lián）系，以达到总功能的实现。多结构零件承担（dān）同一功能可以减轻零件负担（dān），延长使用寿命。V型带截面的结构是任务合理分配的一个例子。纤维绳（shéng）用来承受拉力；橡胶（jiāo）填充层承受带（dài）弯曲时（shí）的拉伸（shēn）和压缩；包布（bù）层与带轮轮槽作用，产生传动所需（xū）的摩擦力。例如，若只靠螺栓预紧产（chǎn）生的摩擦力来承受（shòu）横向载荷时（shí），会使螺栓的尺（chǐ）寸过大，可增加抗剪元件，如销、套筒和键等，以分（fèn）担横向载荷（hé）来解决这（zhè）一（yī）问（wèn）题。(3)功能集中：为了简化机械产（chǎn）品的（de）结（jié）构，降低加工成本，便于安装，在（zài）某些情况下，可由一个零件（jiàn）或部件（jiàn）承担多（duō）个功能（néng）。功能集中会使零（líng）件的形状（zhuàng）更加复杂，但要有（yǒu）度，否则反而影响加工工艺、增加加工成本，设计时应根据（jù）具（jù）体情况而定。2.满足强度要求的设计准则(1) 等（děng）强度准则（zé）：零件截面（miàn）尺（chǐ）寸（cùn）的变化应与其（qí）内应（yīng）力变化相适应，使各截面（miàn）的强度相等。按等强度原理（lǐ）设计的结（jié）构，材料可以得到（dào）充分的利用，从而（ér）减轻了重量、降（jiàng）低成（chéng）本。如悬臂支架、阶梯轴的（de）设计（jì）等。(2) 合理力流结构（gòu）：为了直（zhí）观地表示力在机械构（gòu）件中怎样传递的状态，将力（lì）看作犹如水在构件中流动（dòng），这些力线汇成力流。表示这个力（lì）的流（liú）动在结构设计考察中（zhōng）起着重要的作用。力流在（zài）构件中不会中（zhōng）断（duàn），任（rèn）何一（yī）条力线都不（bú）会突然消失，必然是从一处（chù）传（chuán）入，从另一（yī）处传（chuán）出。力流的另一个特性是它倾向于沿（yán）最短的路（lù）线传（chuán）递，从而（ér）在最短（duǎn）路线附近力流密集，形成高应（yīng）力（lì）区。其（qí）它部（bù）位力流稀疏（shū），甚至没有力流通过，从应力角度（dù）上讲，材料未能充分（fèn）利用（yòng）。因此，若（ruò）为了（le）提（tí）高构件的（de）刚（gāng）度，应该尽可能按力流最短路线来设计零件的形状，减少承载（zǎi）区域，从而累积变形越小，提高了整个构件的刚度（dù），使（shǐ）材料得到充分（fèn）利用。(3) 减小应力集中结构：当力流方向急剧（jù）转折时，力流在（zài）转（zhuǎn）折处会过于密集，从（cóng）而引起应力集中，设（shè）计（jì）中应在结（jié）构上采取措施（shī），使力流转向平缓（huǎn）。应力（lì）集中是影响零件（jiàn）疲劳强度的重要因素。结构设计时，应尽（jìn）量（liàng）避免或减小应力集（jí）中。其方法在相应的（de）章节会作介绍，如增大过（guò）度圆角、采用（yòng）卸（xiè）载结构等（děng）。(4) 使载荷平衡结构：在机器工作时，常产生一（yī）些无用的力，如惯（guàn）性力、斜齿轮轴向力等，这（zhè）些力（lì）不但增加了轴（zhóu）和轴衬等零件（jiàn）的（de）负荷，降低其（qí）精度和寿命，同时（shí）也降低了（le）机器的传动效率。所谓载荷平（píng）衡就（jiù）是指采取结构措施部分或全部平衡无用力，以减轻或消除（chú）其（qí）不良的影响。这（zhè）些结构（gòu）措施主要采用平衡元件、对称布置（zhì）等。 3.满足结构（gòu）刚度的设计（jì）准则（zé）为保证零件在（zài）使用期限内正常地实（shí）现其功能（néng），必须使其具有足（zú）够的刚度（dù）。4.考虑加工工艺的（de）设计准则机械零部（bù）件结构设计的主要目的是（shì）：保证功能的实现，使产品（pǐn）达到要求的（de）性（xìng）能。但是，结构（gòu）设计的结果（guǒ）对产（chǎn）品零部件的生（shēng）产（chǎn）成（chéng）本及质量有着（zhe）不（bú）可低估的影响。因此，在结构设计（jì）中应力求使产（chǎn）品有（yǒu）良好（hǎo）的加工工（gōng）艺性。所谓好的加工工艺指的是零部件的结构易于加工制造，任何一种加工（gōng）方法（fǎ）都有可能不（bú）能制造某（mǒu）些结构的（de）零部件，或生产成本很（hěn）高，或质量受到影（yǐng）响。因此，对于设计（jì）者认（rèn）识一种加工方法的特点非常重要，以便在设计结构（gòu）时尽（jìn）可能的扬长避短（duǎn）。实际中，零部件结构工艺性受到诸（zhū）多因素的制约（yuē），如生产批量的大小（xiǎo）会影响坯件的（de）生成方（fāng）法；生产设备的条（tiáo）件（jiàn）可能会限制工（gōng）件的（de）尺（chǐ）寸（cùn）；此外，造（zào）型、精（jīng）度、热处理、成本等方面都有可能对零部（bù）件结构（gòu）的工（gōng）艺（yì）性有制约作（zuò）用。因（yīn）此，结构设计中应充分考虑（lǜ）上述因（yīn）素（sù）对工艺性的影（yǐng）响（xiǎng）。5.考（kǎo）虑装配的设计准则装配是产品制造过程（chéng）中的重要（yào）工序（xù），零部件（jiàn）的结（jié）构（gòu）对（duì）装配（pèi）的质量、成本有直接的影（yǐng）响。有（yǒu）关装配（pèi）的结构设计（jì）准则简述如下（xià）：（1）合理划（huá）分装配单元：整机应能分解成若干可（kě）单独装配（pèi）的单（dān）元（部（bù）件或组件），以实现平（píng）行且（qiě）专业化（huà）的（de）装配（pèi）作业，缩短装（zhuāng）配周期，并且便于逐级技（jì）术检验和维修（xiū）。（2）使零（líng）部件得到正确安装（zhuāng）：保证（zhèng）零（líng）件准确的（de）定位、避免双重（chóng）配合、防止（zhǐ）装配（pèi）错误。（3）使零（líng）部件便（biàn）于装配和拆卸：结构设计中，应（yīng）保证（zhèng）有（yǒu）足够的装（zhuāng）配空间，如扳（bān）手空间（jiān）；避免（miǎn）过长配合以免增加装配难度，使配（pèi）合面擦（cā）伤（shāng），如有些阶梯轴的设计；为便于拆（chāi）卸零件，应给出安（ān）放拆卸工具的（de）位置，如轴承的拆卸。6.考虑维护修理的设计（jì）准则（1) 产品的（de）配置应根据其故障率的（de）高低、维修的难易、尺寸（cùn）和质（zhì）量的大小以及安装（zhuāng）特（tè）点等统筹安排，凡需要维（wéi）修（xiū）的零件部件，都应具有良好（hǎo）的可达（dá）性；对故障（zhàng）率（lǜ）高（gāo）而又需要经常维（wéi）修的部位（wèi）及应急（jí）开关（guān），应提供最（zuì）佳的（de）可达性（xìng）。（2) 产品特别是易损件、常拆件和附加设（shè）备（bèi）的拆装要简便，拆装时零部件进出的（de）路线最好是直（zhí）线或平缓的曲（qǔ）线。（3) 产（chǎn）品的检查点、测试点等系统的维护（hù）点，都（dōu）应布置在便于接近的位置（zhì）上。（4) 需要维修（xiū）和拆装的产品，其周围要有足（zú）够的操作空间。（5) 维修时一般（bān）应能看见内部（bù）的操作（zuò），其（qí）通道除（chú）了能容纳维（wéi）修人员的手（shǒu）或臂外，还应留有供观察（chá）的（de）适当间隙（xì）。7.考虑造型设计的（de）准则产品（pǐn）的设（shè）计不仅（jǐn）要满足功能要求，而且还应（yīng）考虑产品（pǐn）造（zào）型的美学价值，使之对人（rén）产生吸引力。从心理学角度（dù）看，人60%的决定取（qǔ）决于第一印象（xiàng）。技术产（chǎn）品的社会属性是商品，在买方市（shì）场的时代，为产品设计（jì）一个能吸引顾客的外观是一个重要的设计（jì）要求；同时造型美观的产（chǎn）品（pǐn）可使操作者（zhě）减少（shǎo）因精力疲惫而产（chǎn）生的误操作。外观设计包括三（sān）个方面：造型、颜色和表（biǎo）面处（chù）理（lǐ）。考虑（lǜ）造型时，应注意尺寸比例协调、形状简单统一以及色彩、图案的（de）支持（chí）和点缀。 单色只使（shǐ）用于小构件。大的特别（bié）是运动构件如果只用一种（zhǒng）颜色（sè）就会（huì）显得单调无层次，一个小小的附加（jiā）色块（kuài）会（huì）使整个（gè）色调活跃（yuè）起来。在多个颜色并存（cún）的情况下（xià），应有一个起主导作用的（de）底色，和底（dǐ）色相对（duì）应的（de）颜色叫对比色。但在一个产品上，不同色调的数量不宜太多，太多的（de）色彩会给人一种华（huá）而不实的感觉。舒服的色彩（cǎi）大约位于从浅黄、绿黄到（dào）棕的区域（yù）。这个趋势是渐暖，正黄（huáng）正绿（lǜ）往（wǎng）往显得不舒（shū）服（fú）；强烈的灰色（sè）调显得（dé）压抑。对于冷环境应用暖色，如（rú）黄、橙黄（huáng）和红。对于（yú）热（rè）环境用冷色，如浅蓝。所有颜色都应淡化。另（lìng）外，通过一（yī）定的色彩配置可（kě）使产品显（xiǎn）得安全、稳固。将（jiāng）形状变化小的、面积较大（dà）的平面配置浅（qiǎn）色，而将运动、活跃（yuè）轮廓的元件配置深色；深（shēn）色（sè）应安置于（yú）机械的下部，浅色置于上部。8.考虑成（chéng）本的设计（jì）准则设计（jì）时应简化产（chǎn）品及（jí）维修操作：（1）设计时，要对产品（pǐn）功能进行分析权衡，合（hé）并相（xiàng）同（tóng）或相（xiàng）似功能，消除不必（bì）要（yào）的功能，以简化产品和维修（xiū）操作。（2）设计时，应在满足（zú）规定功能要（yào）求的条件下，使其构造简单，尽可能减少产品层次（cì）和（hé）组成（chéng）单元的数量，并简化（huà）零（líng）件的形状（zhuàng）。（3）产品（pǐn）应尽量设计简便而可靠（kào）的调整机构，以便于排除因磨损或飘（piāo）移等（děng）原因引（yǐn）起的常见故障。对（duì）易发生局部耗损的贵重件，应设计成可调整或可拆卸的组合件，以（yǐ）便（biàn）于局部更换或（huò）修复（fù）。避免或（huò）减少互相牵连的反（fǎn）复调校。（4）要合理安（ān）排各组（zǔ）成部分的（de）位置，减少连接件、固定件、使其检（jiǎn）测（cè）、换件等（děng）维修操作简单（dān）方便，尽可能做到在维修任一部分时，不拆卸、不移动或少拆卸、少移动其他（tā）部分，以（yǐ）降低对（duì）维修人员技能（néng）水平的要求（qiú）和工作量。
一、机械结构件的结构要素（sù）和（hé）设计（jì）方法
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