機械結(jié)構(gòu)設(shè)計基礎(chǔ)知識講解

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一、機械結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)要素和設(shè)計方法

1 結(jié)構(gòu)件的幾何要素

機械結(jié)構(gòu)的功能主要是靠機械零部件的幾何形狀及各個零部件之間的相對位置關(guān)系實現(xiàn)的。零部件的幾何形狀由它的表面所構(gòu)成，一個零件通常有多個表面，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械功能的重要因素，功能表面的設(shè)計是零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計的核心問題。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，可以得到為實現(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

在機器或機械中，任何零件都不是孤立存在的。因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計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)和運動相關(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。運動相關(guān)是指一零件的運動軌跡與另一零件有關(guān)，如車床刀架的運動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動相關(guān)。

多數(shù)零件都有兩個或更多的直接相關(guān)零件，故每個零件大都具有兩個或多個部位在結(jié)構(gòu)上與其它零件有關(guān)。在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，兩零件直接相關(guān)部位必須同時考慮，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。同時還必須考慮滿足間接相關(guān)條件，如進行尺寸鏈和精度計算等。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)計據(jù)結(jié)構(gòu)件的材料

機械設(shè)計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)計中既要根據(jù)功能要求合理地選擇適當(dāng)?shù)牟牧希�又要根�?jù)材料的種類確定適當(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)，只有通過適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計才能使所選擇的材料最充分的發(fā)揮優(yōu)勢。

設(shè)計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)計原則。

二、機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本要求

機械產(chǎn)品應(yīng)用于各行各業(yè)，結(jié)構(gòu)設(shè)計的內(nèi)容和要求也是千差萬別，但都有相同的共性部分。下面就機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的三個不同層次來說明對結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求。

1.功能設(shè)計滿足主要機械功能要求，在技術(shù)上的具體化。如工作原理的實現(xiàn)、工作的可靠性、工藝、材料和裝配等方面。

2.質(zhì)量設(shè)計兼顧各種要求和限制，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和性能價格比，它是現(xiàn)代工程設(shè)計的特征。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)計中，質(zhì)量設(shè)計相當(dāng)重要，往往決定產(chǎn)品的競爭力。那種只滿足主要技術(shù)功能要求的機械設(shè)計時代已經(jīng)過去，統(tǒng)籌兼顧各種要求，提高產(chǎn)品的質(zhì)量，是現(xiàn)代機械設(shè)計的關(guān)鍵所在。

3.優(yōu)化設(shè)計和創(chuàng)新設(shè)計用結(jié)構(gòu)設(shè)計變元等方法系統(tǒng)地構(gòu)造優(yōu)化設(shè)計空間，用創(chuàng)造性設(shè)計思維方法和其它科學(xué)方法進行優(yōu)選和創(chuàng)新。

三、機械結(jié)構(gòu)基本設(shè)計準(zhǔn)則

機械設(shè)計的最終結(jié)果是以一定的結(jié)構(gòu)形式表現(xiàn)出來的，按所設(shè)計的結(jié)構(gòu)進行加工、裝配，制造成最終的產(chǎn)品。所以，機械結(jié)構(gòu)設(shè)計應(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，提高強度、剛度、精度和壽命。因此，機械結(jié)構(gòu)設(shè)計是一項綜合性的技術(shù)工作。由于結(jié)構(gòu)設(shè)計的錯誤或不合理，可能造成零部件不應(yīng)有的失效，使機器達不到設(shè)計精度的要求，給裝配和維修帶來極大的不方便。機械結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中應(yīng)考慮如下的結(jié)構(gòu)設(shè)計準(zhǔn)則。

1.現(xiàn)預(yù)期功能的設(shè)計準(zhǔn)則

產(chǎn)品的設(shè)計主要目的是為了實現(xiàn)預(yù)定的功能要求，因此實現(xiàn)預(yù)期功能的設(shè)計準(zhǔn)則是結(jié)構(gòu)設(shè)計首先考慮的問題。要滿足功能要求，必須做到以下幾點。

(1)明確功能:結(jié)構(gòu)設(shè)計是要根據(jù)其在機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、傳遞運動和動力，以及保證或保持有關(guān)零件或部件之間的相對位置或運動軌跡等。設(shè)計的結(jié)構(gòu)應(yīng)能滿足從機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)計時，根據(jù)具體情況，通常有必要將任務(wù)進行合理的分配，即將一個功能分解為多個分功能。每個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，以達到總功能的實現(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)合理分配的一個例子。纖維繩用來承受拉力；橡膠填充層承受帶彎曲時的拉伸和壓縮；包布層與帶輪輪槽作用，產(chǎn)生傳動所需的摩擦力。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，會使螺栓的尺寸過大，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，可由一個零件或部件承擔(dān)多個功能。功能集中會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)計時應(yīng)根據(jù)具體情況而定。

2.滿足強度要求的設(shè)計準(zhǔn)則

(1) 等強度準(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)，使各截面的強度相等。按等強度原理設(shè)計的結(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)計等。

(2) 合理力流結(jié)構(gòu)：為了直觀地表示力在機械構(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，這些力線匯成力流。表示這個力的流動在結(jié)構(gòu)設(shè)計考察中起著重要的作用。力流在構(gòu)件中不會中斷，任何一條力線都不會突然消失，必然是從一處傳入，從另一處傳出。力流的另一個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，力流在轉(zhuǎn)折處會過于密集，從而引起應(yīng)力集中，設(shè)計中應(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度的重要因素。結(jié)構(gòu)設(shè)計時，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)：在機器工作時，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，同時也降低了機器的傳動效率。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)計準(zhǔn)則

為保證零件在使用期限內(nèi)正常地實現(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)計準(zhǔn)則

機械零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要目的是：保證功能的實現(xiàn)，使產(chǎn)品達到要求的性能。但是，結(jié)構(gòu)設(shè)計的結(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)計者認(rèn)識一種加工方法的特點非常重要，以便在設(shè)計結(jié)構(gòu)時盡可能的揚長避短。實際中，零部件結(jié)構(gòu)工藝性受到諸多因素的制約，如生產(chǎn)批量的大小會影響坯件的生成方法；生產(chǎn)設(shè)備的條件可能會限制工件的尺寸；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)計準(zhǔn)則簡述如下：

（1）合理劃分裝配單元：整機應(yīng)能分解成若干可單獨裝配的單元（部件或組件），以實現(xiàn)平行且專業(yè)化的裝配作業(yè)，縮短裝配周期，并且便于逐級技術(shù)檢驗和維修。

（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、防止裝配錯誤。

（3）使零部件便于裝配和拆卸：結(jié)構(gòu)設(shè)計中，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；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.考慮維護修理的設(shè)計準(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)備的拆裝要簡便，拆裝時零部件進出的路線最好是直線或平緩的曲線。

（3) 產(chǎn)品的檢查點、測試點等系統(tǒng)的維護點，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。

（5) 維修時一般應(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)計的準(zhǔn)則

產(chǎn)品的設(shè)計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)品的社會屬性是商品，在買方市場的時代，為產(chǎn)品設(shè)計一個能吸引顧客的外觀是一個重要的設(shè)計要求；同時造型美觀的產(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)計包括三個方面：造型、顏色和表面處理。

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

單色只使用于小構(gòu)件。大的特別是運動構(gòu)件如果只用一種顏色就會顯得單調(diào)無層次，一個小小的附加色塊會使整個色調(diào)活躍起來。在多個顏色并存的情況下，應(yīng)有一個起主導(dǎo)作用的底色，和底色相對應(yīng)的顏色叫對比色。但在一個產(chǎn)品上，不同色調(diào)的數(shù)量不宜太多，太多的色彩會給人一種華而不實的感覺。

舒服的色彩大約位于從淺黃、綠黃到棕的區(qū)域。這個趨勢是漸暖，正黃正綠往往顯得不舒服；強烈的灰色調(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。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，而將運動、活躍輪廓的元件配置深色；深色應(yīng)安置于機械的下部，淺色置于上部。

8.考慮成本的設(shè)計準(zhǔn)則

設(shè)計時應(yīng)簡化產(chǎn)品及維修操作：

（1）設(shè)計時，要對產(chǎn)品功能進行分析權(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)計時，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)計簡便而可靠的調(diào)整機構(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、換件等維修操作簡單方便，盡可能做到在維修任一部分時，不拆卸、不移動或少拆卸、少移動其他部分，以降低對維修人員技能水平的要求和工作量。

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