機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)講解，方法、要求及設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

　　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，把這一部分表面稱為功能表面。在功能表面之間的聯(lián)結(jié)部分稱為聯(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。通過對功能表面的變異設(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。凡兩零件有直接裝配關(guān)系的，成為直接相關(guān)。沒有直接裝配關(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。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)，如車床刀架的運(yùn)動(dòng)軌跡必須平行于于主軸的中心線，這是靠床身導(dǎo)軌和主軸軸線相平行來保證的，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。一般來說，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)材料的種類確定適當(dāng)?shù)募庸すに嚕⒏鶕?jù)加工工藝的要求確定適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)，只有通過適當(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。

　　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)不同層次來說明對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求。

　　1.功能設(shè)計(jì)滿足主要機(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、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)品的競爭力。那種只滿足主要技術(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)變元等方法系統(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，給裝配和維修帶來極大的不方便。機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中應(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)首先考慮的問題。要滿足功能要求，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位置或運(yùn)動(dòng)軌跡等。設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)應(yīng)能滿足從機(jī)器整體考慮對它的功能要求。

　　(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)生的摩擦力來承受橫向載荷時(shí)，會(huì)使螺栓的尺寸過大，可增加抗剪元件，如銷、套筒和鍵等，以分擔(dān)橫向載荷來解決這一問題。

　　(3)功能集中：為了簡化機(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傳遞，從而在最短路線附近力流密集，形成高應(yīng)力區(qū)。其它部位力流稀疏，甚至沒有力流通過，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來設(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、對稱布置等。

　　3.滿足結(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)品制造過程中的重要工序，零部件的結(jié)構(gòu)對裝配的質(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)則簡述如下：

　?。?）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。

　?。?）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。

　?。?）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；避免過長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

　?。?) 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；對故障率高而又需要經(jīng)常維修的部位及應(yīng)急開關(guān)，應(yīng)提供最佳的可達(dá)性。

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

　?。?) 產(chǎn)品的檢查點(diǎn)、測試點(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，其周圍要有足夠的操作空間。

　?。?) 維修時(shí)一般應(yīng)能看見內(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，在買方市場的時(shí)代，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)一個(gè)能吸引顧客的外觀是一個(gè)重要的設(shè)計(jì)要求；同時(shí)造型美觀的產(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。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，和底色相對應(yīng)的顏色叫對比色。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。

　　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。對于冷環(huán)境應(yīng)用暖色，如黃、橙黃和紅。對于熱環(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)簡化產(chǎn)品及維修操作：

　?。?）設(shè)計(jì)時(shí)，要對產(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，以簡化產(chǎn)品和維修操作。

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

　　（3）產(chǎn)品應(yīng)盡量設(shè)計(jì)簡便而可靠的調(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故障。對易發(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。

　?。?）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、換件等維修操作簡單方便，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，以降低對維修人員技能水平的要求和工作量。