機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)講解

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一,、機(jī)械結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)要素和設(shè)計(jì)方法

1 結(jié)構(gòu)件的幾何要素

機(jī)械結(jié)構(gòu)的功能主要是靠機(jī)械零部件的幾何形狀及各個(gè)零部件之間的相對(duì)位置關(guān)系實(shí)現(xiàn)的,。零部件的幾何形狀由它的表面所構(gòu)成，一個(gè)零件通常有多個(gè)表面，在這些表面中有的與其它零部件表面直接接觸,，把這一部分表面稱(chēng)為功能表面。在功能表面之間的聯(lián)結(jié)部分稱(chēng)為聯(lián)接表面,�,！�

零件的功能表面是決定機(jī)械功能的重要因素，功能表面的設(shè)計(jì)是零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心問(wèn)題,。描述功能表面的主要幾何參數(shù)有表面的幾何形狀,、尺寸大小、表面數(shù)量,、位置,、順序等。通過(guò)對(duì)功能表面的變異設(shè)計(jì),，可以得到為實(shí)現(xiàn)同一技術(shù)功能的多種結(jié)構(gòu)方案,。

2 結(jié)構(gòu)件之間的聯(lián)接

在機(jī)器或機(jī)械中，任何零件都不是孤立存在的,。因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中除了研究零件本身的功能和其它特征外,，還必須研究零件之間的相互關(guān)系,。

零件的相關(guān)分為直接相關(guān)和間接相關(guān)兩類(lèi)。凡兩零件有直接裝配關(guān)系的,，成為直接相關(guān),。沒(méi)有直接裝配關(guān)系的相關(guān)成為間接相關(guān)。間接相關(guān)又分為位置相關(guān)和運(yùn)動(dòng)相關(guān)兩類(lèi),。位置相關(guān)是指兩零件在相互位置上有要求,，如減速器中兩相鄰的傳動(dòng)軸，其中心距必須保證一定的精度,，兩軸線(xiàn)必須平行,，以保證齒輪的正常嚙合。運(yùn)動(dòng)相關(guān)是指一零件的運(yùn)動(dòng)軌跡與另一零件有關(guān),，如車(chē)床刀架的運(yùn)動(dòng)軌跡必須平行于于主軸的中心線(xiàn),，這是靠床身導(dǎo)軌和主軸軸線(xiàn)相平行來(lái)保證的，所以,，主軸與導(dǎo)軌之間位置相關(guān),；而刀架與主軸之間為運(yùn)動(dòng)相關(guān)。

多數(shù)零件都有兩個(gè)或更多的直接相關(guān)零件,，故每個(gè)零件大都具有兩個(gè)或多個(gè)部位在結(jié)構(gòu)上與其它零件有關(guān),。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，兩零件直接相關(guān)部位必須同時(shí)考慮,，以便合理地選擇材料的熱處理方式,、形狀、尺寸,、精度及表面質(zhì)量等,。同時(shí)還必須考慮滿(mǎn)足間接相關(guān)條件，如進(jìn)行尺寸鏈和精度計(jì)算等,。一般來(lái)說(shuō),，若某零件直接相關(guān)零件愈多，其結(jié)構(gòu)就愈復(fù)雜,；零件的間接相關(guān)零件愈多,，其精度要求愈高。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)據(jù)結(jié)構(gòu)件的材料

機(jī)械設(shè)計(jì)中可以選擇的材料眾多,，不同的材料具有不同的性質(zhì),，不同的材料對(duì)應(yīng)不同的加工工藝，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中既要根據(jù)功能要求合理地選擇適當(dāng)?shù)牟牧�,，又要根�?jù)材料的種類(lèi)確定適當(dāng)?shù)募庸すに�,，并根�?jù)加工工藝的要求確定適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)，只有通過(guò)適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)才能使所選擇的材料最充分的發(fā)揮優(yōu)勢(shì),。

設(shè)計(jì)者要做到正確地選擇材料就必須充分地了解所選材料的力學(xué)性能,、加工性能、使用成本等信息,。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)所選材料的特性及其所對(duì)應(yīng)的加工工藝而遵循不同的設(shè)計(jì)原則,。

二、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求

機(jī)械產(chǎn)品應(yīng)用于各行各業(yè),，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的內(nèi)容和要求也是千差萬(wàn)別,，但都有相同的共性部分。下面就機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的三個(gè)不同層次來(lái)說(shuō)明對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求,。

1.功能設(shè)計(jì)滿(mǎn)足主要機(jī)械功能要求,，在技術(shù)上的具體化。如工作原理的實(shí)現(xiàn),、工作的可靠性,、工藝、材料和裝配等方面,。

2.質(zhì)量設(shè)計(jì)兼顧各種要求和限制,，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和性能價(jià)格比，它是現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)的特征,。具體為操作,、美觀(guān)、成本,、安全,、環(huán)保等眾多其它要求和限制。在現(xiàn)代設(shè)計(jì)中,，質(zhì)量設(shè)計(jì)相當(dāng)重要,，往往決定產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。那種只滿(mǎn)足主要技術(shù)功能要求的機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)代已經(jīng)過(guò)去,，統(tǒng)籌兼顧各種要求,，提高產(chǎn)品的質(zhì)量，是現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在,。

3.優(yōu)化設(shè)計(jì)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變?cè)�等方法系統(tǒng)地構(gòu)造優(yōu)化設(shè)計(jì)空間,，用創(chuàng)造性設(shè)計(jì)思維方法和其它科學(xué)方法進(jìn)行優(yōu)選和創(chuàng)新。

三,、機(jī)械結(jié)構(gòu)基本設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

機(jī)械設(shè)計(jì)的最終結(jié)果是以一定的結(jié)構(gòu)形式表現(xiàn)出來(lái)的,，按所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行加工、裝配,，制造成最終的產(chǎn)品,。所以，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)滿(mǎn)足作為產(chǎn)品的多方面要求,，基本要求有功能,、可靠性,、工藝性、經(jīng)濟(jì)性和外觀(guān)造型等方面的要求,。此外,，還應(yīng)改善零件的受力，提高強(qiáng)度,、剛度,、精度和壽命。因此,，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)綜合性的技術(shù)工作,。由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的錯(cuò)誤或不合理，可能造成零部件不應(yīng)有的失效,，使機(jī)器達(dá)不到設(shè)計(jì)精度的要求,，給裝配和維修帶來(lái)極大的不方便。機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)考慮如下的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,。

1.現(xiàn)預(yù)期功能的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

產(chǎn)品的設(shè)計(jì)主要目的是為了實(shí)現(xiàn)預(yù)定的功能要求,，因此實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)首先考慮的問(wèn)題。要滿(mǎn)足功能要求,，必須做到以下幾點(diǎn),。

(1)明確功能:結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是要根據(jù)其在機(jī)器中的功能和與其他零部件相互的連接關(guān)系，確定參數(shù)尺寸和結(jié)構(gòu)形狀,。零部件主要的功能有承受載荷,、傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，以及保證或保持有關(guān)零件或部件之間的相對(duì)位置或運(yùn)動(dòng)軌跡等,。設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)應(yīng)能滿(mǎn)足從機(jī)器整體考慮對(duì)它的功能要求,。

(2)功能合理的分配：產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)具體情況,，通常有必要將任務(wù)進(jìn)行合理的分配,，即將一個(gè)功能分解為多個(gè)分功能。每個(gè)分功能都要有確定的結(jié)構(gòu)承擔(dān),，各部分結(jié)構(gòu)之間應(yīng)具有合理,、協(xié)調(diào)的聯(lián)系，以達(dá)到總功能的實(shí)現(xiàn),。多結(jié)構(gòu)零件承擔(dān)同一功能可以減輕零件負(fù)擔(dān),，延長(zhǎng)使用壽命。V型帶截面的結(jié)構(gòu)是任務(wù)合理分配的一個(gè)例子,。纖維繩用來(lái)承受拉力,；橡膠填充層承受帶彎曲時(shí)的拉伸和壓縮；包布層與帶輪輪槽作用，產(chǎn)生傳動(dòng)所需的摩擦力,。例如,，若只靠螺栓預(yù)緊產(chǎn)生的摩擦力來(lái)承受橫向載荷時(shí)，會(huì)使螺栓的尺寸過(guò)大,，可增加抗剪元件,，如銷(xiāo)、套筒和鍵等,，以分擔(dān)橫向載荷來(lái)解決這一問(wèn)題。

(3)功能集中：為了簡(jiǎn)化機(jī)械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu),，降低加工成本,，便于安裝，在某些情況下,，可由一個(gè)零件或部件承擔(dān)多個(gè)功能,。功能集中會(huì)使零件的形狀更加復(fù)雜，但要有度,，否則反而影響加工工藝,、增加加工成本，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)具體情況而定,。

2.滿(mǎn)足強(qiáng)度要求的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

(1) 等強(qiáng)度準(zhǔn)則：零件截面尺寸的變化應(yīng)與其內(nèi)應(yīng)力變化相適應(yīng),，使各截面的強(qiáng)度相等。按等強(qiáng)度原理設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu),，材料可以得到充分的利用,，從而減輕了重量、降低成本,。如懸臂支架,、階梯軸的設(shè)計(jì)等。

(2) 合理力流結(jié)構(gòu)：為了直觀(guān)地表示力在機(jī)械構(gòu)件中怎樣傳遞的狀態(tài),，將力看作猶如水在構(gòu)件中流動(dòng),，這些力線(xiàn)匯成力流。表示這個(gè)力的流動(dòng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考察中起著重要的作用,。力流在構(gòu)件中不會(huì)中斷,，任何一條力線(xiàn)都不會(huì)突然消失，必然是從一處傳入,，從另一處傳出,。力流的另一個(gè)特性是它傾向于沿最短的路線(xiàn)傳遞，從而在最短路線(xiàn)附近力流密集,，形成高應(yīng)力區(qū),。其它部位力流稀疏，甚至沒(méi)有力流通過(guò)，從應(yīng)力角度上講,，材料未能充分利用,。因此，若為了提高構(gòu)件的剛度,，應(yīng)該盡可能按力流最短路線(xiàn)來(lái)設(shè)計(jì)零件的形狀,，減少承載區(qū)域，從而累積變形越小,，提高了整個(gè)構(gòu)件的剛度,，使材料得到充分利用。

(3) 減小應(yīng)力集中結(jié)構(gòu)：當(dāng)力流方向急劇轉(zhuǎn)折時(shí),，力流在轉(zhuǎn)折處會(huì)過(guò)于密集,，從而引起應(yīng)力集中，設(shè)計(jì)中應(yīng)在結(jié)構(gòu)上采取措施,，使力流轉(zhuǎn)向平緩,。應(yīng)力集中是影響零件疲勞強(qiáng)度的重要因素。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),，應(yīng)盡量避免或減小應(yīng)力集中,。其方法在相應(yīng)的章節(jié)會(huì)作介紹，如增大過(guò)度圓角,、采用卸載結(jié)構(gòu)等,。

(4) 使載荷平衡結(jié)構(gòu)：在機(jī)器工作時(shí)，常產(chǎn)生一些無(wú)用的力,，如慣性力,、斜齒輪軸向力等，這些力不但增加了軸和軸襯等零件的負(fù)荷,，降低其精度和壽命,，同時(shí)也降低了機(jī)器的傳動(dòng)效率。所謂載荷平衡就是指采取結(jié)構(gòu)措施部分或全部平衡無(wú)用力,，以減輕或消除其不良的影響,。這些結(jié)構(gòu)措施主要采用平衡元件、對(duì)稱(chēng)布置等,�,！�

3.滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)剛度的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

為保證零件在使用期限內(nèi)正常地實(shí)現(xiàn)其功能，必須使其具有足夠的剛度,。

4.考慮加工工藝的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

機(jī)械零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要目的是：保證功能的實(shí)現(xiàn),，使產(chǎn)品達(dá)到要求的性能。但是,，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的結(jié)果對(duì)產(chǎn)品零部件的生產(chǎn)成本及質(zhì)量有著不可低估的影響,。因此,，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)力求使產(chǎn)品有良好的加工工藝性。所謂好的加工工藝指的是零部件的結(jié)構(gòu)易于加工制造,，任何一種加工方法都有可能不能制造某些結(jié)構(gòu)的零部件,，或生產(chǎn)成本很高，或質(zhì)量受到影響,。因此,，對(duì)于設(shè)計(jì)者認(rèn)識(shí)一種加工方法的特點(diǎn)非常重要，以便在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)盡可能的揚(yáng)長(zhǎng)避短,。實(shí)際中,，零部件結(jié)構(gòu)工藝性受到諸多因素的制約，如生產(chǎn)批量的大小會(huì)影響坯件的生成方法,；生產(chǎn)設(shè)備的條件可能會(huì)限制工件的尺寸,；此外，造型,、精度、熱處理,、成本等方面都有可能對(duì)零部件結(jié)構(gòu)的工藝性有制約作用,。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮上述因素對(duì)工藝性的影響,。

5.考慮裝配的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

裝配是產(chǎn)品制造過(guò)程中的重要工序,，零部件的結(jié)構(gòu)對(duì)裝配的質(zhì)量、成本有直接的影響,。有關(guān)裝配的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則簡(jiǎn)述如下：

（1）合理劃分裝配單元：整機(jī)應(yīng)能分解成若干可單獨(dú)裝配的單元（部件或組件）,，以實(shí)現(xiàn)平行且專(zhuān)業(yè)化的裝配作業(yè)，縮短裝配周期,，并且便于逐級(jí)技術(shù)檢驗(yàn)和維修,。

（2）使零部件得到正確安裝：保證零件準(zhǔn)確的定位、避免雙重配合,、防止裝配錯(cuò)誤,。

（3）使零部件便于裝配和拆卸：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)保證有足夠的裝配空間,，如扳手空間,；避免過(guò)長(zhǎng)配合以免增加裝配難度，使配合面擦傷,，如有些階梯軸的設(shè)計(jì),；為便于拆卸零件，應(yīng)給出安放拆卸工具的位置,，如軸承的拆卸,。

6.考慮維護(hù)修理的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

（1) 產(chǎn)品的配置應(yīng)根據(jù)其故障率的高低,、維修的難易、尺寸和質(zhì)量的大小以及安裝特點(diǎn)等統(tǒng)籌安排,，凡需要維修的零件部件,，都應(yīng)具有良好的可達(dá)性；對(duì)故障率高而又需要經(jīng)常維修的部位及應(yīng)急開(kāi)關(guān),，應(yīng)提供最佳的可達(dá)性,。

（2) 產(chǎn)品特別是易損件、常拆件和附加設(shè)備的拆裝要簡(jiǎn)便,，拆裝時(shí)零部件進(jìn)出的路線(xiàn)最好是直線(xiàn)或平緩的曲線(xiàn),。

（3) 產(chǎn)品的檢查點(diǎn)、測(cè)試點(diǎn)等系統(tǒng)的維護(hù)點(diǎn),，都應(yīng)布置在便于接近的位置上,。

（4) 需要維修和拆裝的產(chǎn)品，其周?chē)�要有足夠的操作空間,。

（5) 維修時(shí)一般應(yīng)能看見(jiàn)內(nèi)部的操作,，其通道除了能容納維修人員的手或臂外，還應(yīng)留有供觀(guān)察的適當(dāng)間隙,。

7.考慮造型設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則

產(chǎn)品的設(shè)計(jì)不僅要滿(mǎn)足功能要求,，而且還應(yīng)考慮產(chǎn)品造型的美學(xué)價(jià)值，使之對(duì)人產(chǎn)生吸引力,。從心理學(xué)角度看,，人60%的決定取決于第一印象。技術(shù)產(chǎn)品的社會(huì)屬性是商品,，在買(mǎi)方市場(chǎng)的時(shí)代,，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)一個(gè)能吸引顧客的外觀(guān)是一個(gè)重要的設(shè)計(jì)要求；同時(shí)造型美觀(guān)的產(chǎn)品可使操作者減少因精力疲憊而產(chǎn)生的誤操作,。

外觀(guān)設(shè)計(jì)包括三個(gè)方面：造型,、顏色和表面處理。

考慮造型時(shí),，應(yīng)注意尺寸比例協(xié)調(diào),、形狀簡(jiǎn)單統(tǒng)一以及色彩、圖案的支持和點(diǎn)綴,�,！�

單色只使用于小構(gòu)件。大的特別是運(yùn)動(dòng)構(gòu)件如果只用一種顏色就會(huì)顯得單調(diào)無(wú)層次,，一個(gè)小小的附加色塊會(huì)使整個(gè)色調(diào)活躍起來(lái),。在多個(gè)顏色并存的情況下，應(yīng)有一個(gè)起主導(dǎo)作用的底色,，和底色相對(duì)應(yīng)的顏色叫對(duì)比色,。但在一個(gè)產(chǎn)品上,，不同色調(diào)的數(shù)量不宜太多，太多的色彩會(huì)給人一種華而不實(shí)的感覺(jué),。

舒服的色彩大約位于從淺黃,、綠黃到棕的區(qū)域。這個(gè)趨勢(shì)是漸暖,，正黃正綠往往顯得不舒服,；強(qiáng)烈的灰色調(diào)顯得壓抑。對(duì)于冷環(huán)境應(yīng)用暖色,，如黃,、橙黃和紅。對(duì)于熱環(huán)境用冷色,，如淺藍(lán),。所有顏色都應(yīng)淡化。另外,，通過(guò)一定的色彩配置可使產(chǎn)品顯得安全,、穩(wěn)固。將形狀變化小的,、面積較大的平面配置淺色,，而將運(yùn)動(dòng)、活躍輪廓的元件配置深色,；深色應(yīng)安置于機(jī)械的下部，淺色置于上部,。

8.考慮成本的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)簡(jiǎn)化產(chǎn)品及維修操作：

（1）設(shè)計(jì)時(shí),，要對(duì)產(chǎn)品功能進(jìn)行分析權(quán)衡，合并相同或相似功能,，消除不必要的功能,，以簡(jiǎn)化產(chǎn)品和維修操作。

（2）設(shè)計(jì)時(shí),，應(yīng)在滿(mǎn)足規(guī)定功能要求的條件下,，使其構(gòu)造簡(jiǎn)單，盡可能減少產(chǎn)品層次和組成單元的數(shù)量,，并簡(jiǎn)化零件的形狀,。

（3）產(chǎn)品應(yīng)盡量設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便而可靠的調(diào)整機(jī)構(gòu)，以便于排除因磨損或飄移等原因引起的常見(jiàn)故障,。對(duì)易發(fā)生局部耗損的貴重件,，應(yīng)設(shè)計(jì)成可調(diào)整或可拆卸的組合件，以便于局部更換或修復(fù),。避免或減少互相牽連的反復(fù)調(diào)校,。

（4）要合理安排各組成部分的位置,，減少連接件、固定件,、使其檢測(cè),、換件等維修操作簡(jiǎn)單方便，盡可能做到在維修任一部分時(shí),，不拆卸,、不移動(dòng)或少拆卸、少移動(dòng)其他部分,，以降低對(duì)維修人員技能水平的要求和工作量,。

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