一、机械结构件的结构要（yào）素和（hé）设计方法（fǎ） 1 结构件的几何要素（sù）机械（xiè）结构的（de）功能主要是靠机械零（líng）部件的几何（hé）形状及各个零部件之（zhī）间的相（xiàng）对（duì）位置关系实现的（de）。零部件的（de）几何形状由它的表面（miàn）所构成，一个零件通常有多个表面，在这些表面中有的与其它（tā）零部件表面直接接触，把这一部分（fèn）表（biǎo）面称为功（gōng）能表面。在功能表面之间（jiān）的（de）联结部（bù）分称（chēng）为联接表面。 零件的（de）功（gōng）能表面是决定机械功能的重（chóng）要因素，功能（néng）表面的设计是零部件结构（gòu）设计的核（hé）心问题。描（miáo）述功能表面（miàn）的主要几何参数有（yǒu）表面（miàn）的几（jǐ）何（hé）形状、尺寸大小、表面数量（liàng）、位置、顺序等（děng）。通过对功能表面（miàn）的变异（yì）设计，可以得（dé）到为实现（xiàn）同（tóng）一技术（shù）功（gōng）能的多种（zhǒng）结构方案。2 结构件之（zhī）间（jiān）的（de）联接（jiē）在机器或机（jī）械中，任何零件（jiàn）都不是孤立存在的。因（yīn）此在结构设（shè）计中除了研究零件本身的功能和（hé）其（qí）它特征外，还必须研究零件之间（jiān）的相互关系。零件的相关分为直接相关和间接相关两类。凡两零件有直接装配关系的，成为直接相关。没有（yǒu）直接（jiē）装（zhuāng）配关系的相关成（chéng）为间接相关。间接（jiē）相（xiàng）关（guān）又分为（wéi）位置相关和运动相关两类。位置相关是指（zhǐ）两零件在（zài）相互位置上有要（yào）求，如（rú）减速器中（zhōng）两相邻的传动轴（zhóu），其中心距（jù）必须保证一定的精（jīng）度（dù），两轴线必须（xū）平（píng）行，以保证齿轮的正常（cháng）啮合（hé）。运动相关是指一零件（jiàn）的运动轨迹与另一零件（jiàn）有关，如车床刀架的运动轨迹必须平行于（yú）于（yú）主（zhǔ）轴的中（zhōng）心线（xiàn），这是靠床（chuáng）身导轨和主轴轴线（xiàn）相平行来保证的，所（suǒ）以，主轴与导轨之间（jiān）位置相关；而刀架（jià）与主轴（zhóu）之间为运动相关。多数（shù）零件都有两个或更（gèng）多的直接相（xiàng）关零件，故每（měi）个（gè）零件（jiàn）大都具有两个或多个部位在结构上与其（qí）它零件有关（guān）。在进（jìn）行结构设计时，两零（líng）件直（zhí）接相关部位必（bì）须同时考虑，以便合理地选择材料的热（rè）处理方式、形状（zhuàng）、尺（chǐ）寸（cùn）、精（jīng）度（dù）及表（biǎo）面质量等。同时（shí）还必须（xū）考虑满足间接相关条件，如进行尺寸链和（hé）精度计（jì）算等。一（yī）般来说，若某零件直接相（xiàng）关零件愈（yù）多，其结构就愈复杂；零件的间接相（xiàng）关（guān）零件愈多，其精度要（yào）求愈高。3 结构（gòu）设计据结（jié）构件的材料机械（xiè）设（shè）计中可以选择（zé）的（de）材料（liào）众多，不同的材料具有不同的性质，不同的材料对（duì）应不同的加工工艺，结（jié）构设计（jì）中既要根据功（gōng）能要求合理地（dì）选择适当的（de）材料，又要根据材（cái）料的种类确定适当的加工工艺，并（bìng）根（gēn）据加工工（gōng）艺的要求（qiú）确定适当的结构（gòu），只有通过（guò）适当（dāng）的结（jié）构（gòu）设计才（cái）能使所选择的材料最充分的发挥优（yōu）势。设计（jì）者要做到（dào）正确地选择材料就必（bì）须充分地（dì）了解所选材料的力学性能、加工性能、使用成（chéng）本等信息。结（jié）构设计中应根据（jù）所选（xuǎn）材料的特性及其所（suǒ）对应的加工（gōng）工艺而遵（zūn）循（xún）不（bú）同（tóng）的设计原则。 二、机械结构设计的基本要求 机械产品应（yīng）用于各行各业，结构设计的（de）内容和要求（qiú）也是千差万别，但都有相同的共性部（bù）分。下面（miàn）就机械结构设计的三个不同（tóng）层次来说明对（duì）结构设计的要求。1.功能设计满足主要机械（xiè）功能要（yào）求，在技术上的具体（tǐ）化（huà）。如（rú）工作（zuò）原理的实（shí）现、工作的可靠性（xìng）、工艺、材料和装（zhuāng）配等（děng）方面。2.质量设（shè）计兼（jiān）顾各种要求和限（xiàn）制，提（tí）高产品的（de）质量和性能价格比，它是现代（dài）工程设计（jì）的特征（zhēng）。具体为操作、美观（guān）、成本、安（ān）全（quán）、环保等（děng）众多其（qí）它要求和限（xiàn）制。在现代设计中，质量设计相当重要，往往决定产品（pǐn）的竞争力。那种只满足主要技术功能要求（qiú）的机械设计时代（dài）已经过去，统筹兼顾各种要求，提高（gāo）产品的（de）质（zhì）量，是现代机械设（shè）计的（de）关键所在。3.优化设计（jì）和创新（xīn）设计用结构设计变元等方法（fǎ）系统地构造（zào）优（yōu）化设（shè）计（jì）空间，用创造性设计思维方法和其它科（kē）学方（fāng）法（fǎ）进行优选和创新。 三、机械结构基本设（shè）计准则 机械设（shè）计的最终结果是以一定（dìng）的结构形式表现出来（lái）的，按所设计的结构进行加工（gōng）、装（zhuāng）配，制造成最终的（de）产（chǎn）品。所以，机械结构设计应满足作为产品的多方（fāng）面要求（qiú），基本要求有功能、可靠性、工艺性、经济性（xìng）和外观造型等方面的要求。此外，还应改善零件的受力（lì），提（tí）高强（qiáng）度、刚度、精（jīng）度和寿命。因此，机械结构设（shè）计是一项综合性的（de）技（jì）术（shù）工作。由于结构设（shè）计的错（cuò）误或不合理，可能造成零部件不应有的失（shī）效，使机器达不到设计精度（dù）的要（yào）求（qiú），给装配（pèi）和维修带来极大的不方便。机械结构（gòu）设计过程中应考虑如下的结构设计准则。1.现（xiàn）预期功能的设计准则产品（pǐn）的设计主要目的是为了实现预定（dìng）的功能要求，因此实现（xiàn）预期功能的设计准则是结构设计（jì）首先考虑的（de）问题。要满足功能要求，必（bì）须做到以下几（jǐ）点。(1)明确功能:结构设计是要（yào）根（gēn）据其（qí）在（zài）机（jī）器（qì）中（zhōng）的功能（néng）和与其他零部（bù）件相互的连接关系，确定参（cān）数尺寸（cùn）和结构形状。零（líng）部件主要的功能有（yǒu）承受载荷、传递运动和动力，以及保证（zhèng）或保持有关零件或部件（jiàn）之间（jiān）的相对位置或运动轨迹等（děng）。设计的结构应能满足从（cóng）机器整体考（kǎo）虑对它的功能要求。(2)功能合理的（de）分配：产品（pǐn）设计时，根据具体情况，通常（cháng）有必要（yào）将任务进行（háng）合理的分配，即将一个（gè）功能分解为（wéi）多个（gè）分功能。每（měi）个（gè）分功（gōng）能都要有确定的结构承担，各部分结（jié）构（gòu）之间应具有合理、协调的联系（xì），以达到总（zǒng）功能的实现（xiàn）。多结（jié）构零件承担同一功能可以减轻零（líng）件负担，延长使用寿命。V型带截面（miàn）的结构是任务合理分配的一（yī）个（gè）例子（zǐ）。纤维绳用来（lái）承受拉力；橡（xiàng）胶填充层承（chéng）受带弯曲时的拉伸和压缩；包布层与带轮轮槽作用，产生传（chuán）动所（suǒ）需的摩擦（cā）力（lì）。例（lì）如（rú），若只（zhī）靠螺栓（shuān）预紧产生的摩擦力来（lái）承受横向载荷时，会使螺栓的尺寸过大，可增加抗剪元件，如销（xiāo）、套筒和键等，以分担横向载荷来解决这一问题。(3)功能集中：为了简化机械产品的结（jié）构，降低加（jiā）工成本（běn），便（biàn）于（yú）安装，在某些情况（kuàng）下，可由一个零件或部件承（chéng）担多个功能。功能集中（zhōng）会使（shǐ）零（líng）件的形状更加复杂，但要有度，否（fǒu）则反而影响加工工艺、增加加工成本，设计时应（yīng）根据具体情况而定。2.满足强（qiáng）度要求（qiú）的设计准则(1) 等强度准则：零件截面（miàn）尺寸（cùn）的（de）变化应（yīng）与其（qí）内应（yīng）力变化相适应，使各截面的强度相等。按等（děng）强度原理（lǐ）设计的结（jié）构，材（cái）料可（kě）以得到充分（fèn）的利用，从而减轻了重量、降（jiàng）低成本。如悬臂支架、阶梯轴的设计等。(2) 合理力流结构：为了直观地（dì）表示力（lì）在机械构件中怎样传递的状态（tài），将力看作犹如水在构件中流动，这些力（lì）线汇（huì）成力流（liú）。表示这个（gè）力的流（liú）动在结构设计考察中起（qǐ）着重要（yào）的作用。力流在构件中不会中断，任何一条力线都不会突然消失，必然是从一（yī）处传入，从另一处传出。力流的另一个特性是（shì）它倾向于沿最短的路线传递，从而在最短路线附近力流（liú）密（mì）集（jí），形成（chéng）高应力区。其它部位力流稀疏，甚至（zhì）没有力流通（tōng）过（guò），从应力角度（dù）上讲（jiǎng），材料（liào）未（wèi）能充分利（lì）用。因此，若为（wéi）了提高构（gòu）件的（de）刚度，应该尽（jìn）可能按力流最短路线来设计零件（jiàn）的（de）形状，减少承载区（qū）域，从而累积变（biàn）形越小，提高了整个构件（jiàn）的刚度，使材料得到充分利用。(3) 减小应力集（jí）中（zhōng）结构：当力流方向急剧转折时，力（lì）流在（zài）转折处会过于密集，从（cóng）而引起（qǐ）应力（lì）集中（zhōng），设计中应在结构上采取（qǔ）措（cuò）施，使（shǐ）力流转（zhuǎn）向（xiàng）平缓。应力（lì）集（jí）中是影响零件疲（pí）劳强度的重要因素。结构设计时（shí），应尽量避免（miǎn）或减（jiǎn）小（xiǎo）应力集中。其方法在（zài）相应（yīng）的章（zhāng）节会（huì）作介绍，如增大（dà）过度圆角、采用卸（xiè）载结（jié）构等。(4) 使载荷平衡结构：在机器（qì）工作时，常产生一些（xiē）无用的力，如惯性力（lì）、斜齿（chǐ）轮轴向力（lì）等，这些力不但增加了轴和轴（zhóu）衬等（děng）零（líng）件（jiàn）的负荷，降低其精度和寿命，同时也降低了机器的传动（dòng）效率。所谓载荷平（píng）衡就是指采取结构措施部分或全部平衡无用力，以减（jiǎn）轻或（huò）消除（chú）其（qí）不良的影响。这（zhè）些结构措（cuò）施主（zhǔ）要采用平衡（héng）元件、对称布置等（děng）。 3.满足结构刚度的设计准则为保证（zhèng）零件在使用（yòng）期限（xiàn）内正常地实现其功能，必须使其具有足够的刚度（dù）。4.考（kǎo）虑加工工艺的设计准则机械零（líng）部件结构设（shè）计的主要目（mù）的是（shì）：保证功能（néng）的实现，使产品（pǐn）达到（dào）要求的性能。但是，结构设（shè）计的结果对（duì）产品（pǐn）零部件的生产成本（běn）及质量有（yǒu）着（zhe）不可低（dī）估（gū）的影响。因此（cǐ），在（zài）结构设计中应（yīng）力求使产（chǎn）品有良好的加工工（gōng）艺性。所（suǒ）谓好的（de）加工工艺指（zhǐ）的是（shì）零部件（jiàn）的结构（gòu）易于加工制造，任（rèn）何一种（zhǒng）加（jiā）工方法都有可能不能制造某（mǒu）些结构的零部件，或生产成本（běn）很高，或（huò）质量受到影（yǐng）响。因此，对于设计者认识一（yī）种加工（gōng）方（fāng）法的特点（diǎn）非常重要，以便在设计结构时尽可能（néng）的扬长避（bì）短。实（shí）际中，零部件结（jié）构工艺性（xìng）受到诸（zhū）多因素的制（zhì）约（yuē），如生产批量（liàng）的大小会影响坯件的生成（chéng）方法；生（shēng）产设备的（de）条件可能会限制工（gōng）件的尺寸（cùn）；此外，造（zào）型、精度、热（rè）处理、成本等（děng）方面都有可能对零部件结构的（de）工艺性有制约（yuē）作用。因（yīn）此，结构设（shè）计中应充分考虑（lǜ）上述因素对工艺（yì）性的影响（xiǎng）。5.考虑装配的设计准（zhǔn）则装配是（shì）产（chǎn）品制造过程中的重要（yào）工序，零部（bù）件的结（jié）构对装配的质量、成本（běn）有（yǒu）直接的影响。有关装配（pèi）的结构设计（jì）准则简述（shù）如下：（1）合理划分装配单元（yuán）：整机应能分解成若干可单独装配的单元（yuán）（部件或组件），以（yǐ）实现平（píng）行且专业化的装配作（zuò）业，缩短装配周期，并且便（biàn）于逐级（jí）技术检验和维修。（2）使（shǐ）零（líng）部（bù）件得到正确（què）安装：保证零件准确的定（dìng）位（wèi）、避免（miǎn）双重配合、防止装配（pèi）错误（wù）。（3）使零部件便于装（zhuāng）配和（hé）拆（chāi）卸：结构设计中，应保证有足（zú）够（gòu）的装配空间，如（rú）扳手空间；避免过长配合以免增加装配难度，使配合面擦伤，如有些阶梯（tī）轴（zhóu）的设计；为便于拆（chāi）卸零件，应给出安放拆卸工具的位（wèi）置，如轴承的拆（chāi）卸。6.考（kǎo）虑维护修理的设计（jì）准则（1) 产品的配置应（yīng）根据其故障率的高低、维（wéi）修（xiū）的难（nán）易、尺寸和质量的大小以及安装特点等统（tǒng）筹安（ān）排，凡需要（yào）维修的零（líng）件部件，都应具有良好的可达性；对（duì）故障率高而又需要经（jīng）常维修的部位及应急开关，应提供最（zuì）佳的可（kě）达性。（2) 产品特别是易损件（jiàn）、常拆件和附（fù）加设（shè）备的拆装要（yào）简（jiǎn）便，拆装时（shí）零部件进出的路线（xiàn）最好是直（zhí）线或（huò）平（píng）缓的曲线。（3) 产品的检查点、测试点等（děng）系统（tǒng）的维护点，都应布置在便于接近的（de）位置上（shàng）。（4) 需要维修（xiū）和拆装（zhuāng）的产品（pǐn），其周（zhōu）围（wéi）要有足够的操作空间（jiān）。（5) 维修时一般应（yīng）能看见内（nèi）部的（de）操作，其通（tōng）道除了能容纳维修人员的手或臂外，还应留有供观察的适（shì）当间隙。7.考虑造（zào）型设计的准（zhǔn）则产品的设计不仅要满足功能要求（qiú），而且还应（yīng）考虑（lǜ）产品造型的美（měi）学价值，使（shǐ）之对人产（chǎn）生吸引力。从心理学角度看，人60%的决定取决于第一印象。技（jì）术产品的社会属性是（shì）商品，在买方市场的时代（dài），为（wéi）产品设计一个能吸引顾客的外观是一个（gè）重要（yào）的设计（jì）要求；同时造型美观的产（chǎn）品（pǐn）可使操（cāo）作者减少（shǎo）因精力疲（pí）惫而（ér）产（chǎn）生的误（wù）操作（zuò）。外（wài）观设（shè）计包括三个方面：造（zào）型、颜色和表面处理。考虑造型时，应注意尺寸比（bǐ）例协调、形（xíng）状简（jiǎn）单统一以及（jí）色彩、图案的支持和点缀。 单色只使用（yòng）于小构件。大的特别是运动构件如果只用一种（zhǒng）颜色就会显得单（dān）调无层次，一个小小的附加色（sè）块会使整个色调活跃（yuè）起来。在多个颜色并（bìng）存的（de）情况（kuàng）下，应有一个（gè）起主导作用的底色，和底色相对应的颜色叫对比色。但（dàn）在一个产（chǎn）品上，不同色（sè）调的数量不宜（yí）太多（duō），太多的色彩会（huì）给人一（yī）种华而不实的感（gǎn）觉。舒服的色彩大约位于（yú）从浅（qiǎn）黄、绿黄（huáng）到棕的区域。这个趋（qū）势（shì）是渐暖，正黄正（zhèng）绿往往显得（dé）不舒服（fú）；强（qiáng）烈的灰色调显得压抑。对于（yú）冷环（huán）境应用暖色，如黄、橙黄和红。对于热（rè）环境用（yòng）冷色，如浅蓝。所有（yǒu）颜色都（dōu）应淡（dàn）化（huà）。另外，通过一定的（de）色彩配置可使产品显（xiǎn）得安全、稳固（gù）。将形（xíng）状变化（huà）小（xiǎo）的、面积（jī）较大的平面配置浅（qiǎn）色，而将运（yùn）动、活跃轮廓的元件配置深色（sè）；深色应安置于机械的（de）下（xià）部，浅色置于上部。8.考虑成本的设计准则设计（jì）时应简（jiǎn）化产品及维修操作（zuò）：（1）设计时，要对（duì）产品功能进行（háng）分析权（quán）衡，合并相同或相似功能，消除不必要的功能，以简化产品和（hé）维（wéi）修操作。（2）设计时（shí），应（yīng）在（zài）满（mǎn）足（zú）规定功（gōng）能要求的条件下，使其（qí）构造简单（dān），尽可（kě）能减少产品层次和组成单元的数量，并简化零件的形状。（3）产品应尽量设计（jì）简便而可靠的调整机构，以便于排除因磨损（sǔn）或飘移等原（yuán）因（yīn）引（yǐn）起的常见故障（zhàng）。对易发生局部（bù）耗损（sǔn）的贵重件，应设计成可调整或可拆卸的（de）组合件，以便于局部更换或修复。避免或减少互相（xiàng）牵连（lián）的（de）反复调校。（4）要合理安排各组成部分（fèn）的位置，减（jiǎn）少连接件、固定（dìng）件（jiàn）、使（shǐ）其检测、换（huàn）件等维修操作简单方便，尽可能做到在维修任一部分时，不（bú）拆卸、不移动或（huò）少拆卸、少移动（dòng）其他部分（fèn），以降低（dī）对维修人（rén）员技能水平的要求和工作量。
一、机械结构件的结构要（yào）素和（hé）设计方法（fǎ）
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