一、机械结（jié）构件的结构（gòu）要素（sù）和设计方法 1 结构件的几何要素机械结（jié）构的功能主要是（shì）靠机械零部件的几何形状及（jí）各个零部件之间的相对位置关系实现（xiàn）的。零（líng）部件（jiàn）的几何形（xíng）状由它（tā）的表面所构成，一个零（líng）件通常有多个表面，在（zài）这些表面中（zhōng）有的（de）与其（qí）它（tā）零部件表面直（zhí）接接（jiē）触，把（bǎ）这一（yī）部分表面称为功能表面。在功能表面之间（jiān）的联（lián）结部分称为联接（jiē）表面。 零件的功能表面是决定（dìng）机械功（gōng）能（néng）的重要因素，功能表面的设计是（shì）零部件结构设计的核心问题。描述功能表面的主要几何参（cān）数有表面的几何形状、尺寸大小、表面数量、位置、顺序（xù）等。通（tōng）过对功能表（biǎo）面的变异设（shè）计（jì），可以得到为实现同一技术功能的多种结（jié）构方案。2 结构件之间的联接在机（jī）器或机械（xiè）中（zhōng），任何零件都不是孤立存在的。因（yīn）此在（zài）结构设计中除了（le）研究零件本身的功能和其它特征外，还必须研究（jiū）零件之间的（de）相互关系。零件的相（xiàng）关分为直接相（xiàng）关和间接相关两类。凡两零件（jiàn）有直接（jiē）装配关系的，成为直（zhí）接相关。没有直接（jiē）装配关系（xì）的相关成为间接相关。间接相关又分为位置相关和运动相关两（liǎng）类。位置（zhì）相关是指（zhǐ）两零（líng）件在相互（hù）位（wèi）置（zhì）上有（yǒu）要求，如减（jiǎn）速器中两相（xiàng）邻的传动轴（zhóu），其（qí）中心距（jù）必（bì）须保证一定的精（jīng）度（dù），两轴线必须（xū）平（píng）行（háng），以保证齿轮的正常啮合。运动相关是（shì）指一（yī）零件的运动轨迹与（yǔ）另（lìng）一零（líng）件有关，如车（chē）床（chuáng）刀架的运（yùn）动（dòng）轨迹必须平行（háng）于于主轴的中心（xīn）线，这是靠床身导轨和（hé）主轴轴线相平行来保证（zhèng）的，所以（yǐ），主轴与（yǔ）导轨之间位置相关；而刀（dāo）架与主轴之间为运动相关。多数零件都有两个或更多的（de）直（zhí）接（jiē）相关零件，故（gù）每个零件（jiàn）大都具有两个或多个部位在结（jié）构上与（yǔ）其它零件有关。在进行（háng）结构设计时，两（liǎng）零件直接相关部位必须同时考虑，以便（biàn）合理地选择材料的热处理方式、形状（zhuàng）、尺寸、精度及表面质（zhì）量等。同时还必须考（kǎo）虑满足（zú）间（jiān）接相关条件，如进行尺寸链（liàn）和（hé）精度计算等。一般来说（shuō），若某零件直（zhí）接（jiē）相（xiàng）关（guān）零件愈多，其结构就愈（yù）复杂；零件的间接（jiē）相关零（líng）件（jiàn）愈（yù）多，其（qí）精（jīng）度要求愈高。3 结构设计据结（jié）构件（jiàn）的材料机械（xiè）设计中可以选择的材料众多（duō），不同的材料具（jù）有不同的性质（zhì），不同的材料（liào）对应（yīng）不同（tóng）的加（jiā）工工艺，结构设（shè）计中既（jì）要（yào）根据功能要（yào）求（qiú）合理地选择适当的（de）材料，又要根据材料的种类（lèi）确定适当的加工（gōng）工艺（yì），并（bìng）根据加工工艺的要求确（què）定适当的结构，只有通（tōng）过适当的结构设计才能使所选择的（de）材料最（zuì）充分的发（fā）挥优势。设（shè）计者要做到正（zhèng）确地（dì）选（xuǎn）择材料就必须充分（fèn）地了（le）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）计中应根据所选材（cái）料（liào）的特（tè）性及（jí）其所（suǒ）对应的加工工艺而遵循不同的设计原则。 二、机械结（jié）构设计的基本（běn）要求（qiú） 机械产品应（yīng）用于各行各业，结构设（shè）计的内容和要求也是（shì）千差万别，但都（dōu）有相同的（de）共性部（bù）分。下面就机械结构设计的三个不（bú）同层次来说（shuō）明对结构（gòu）设计的要求。1.功能设（shè）计满足主要机械功能要求，在（zài）技术上（shàng）的（de）具体化。如工作（zuò）原理的实现、工作的可靠性、工艺、材料（liào）和装（zhuāng）配等方（fāng）面。2.质量（liàng）设计兼顾各种要求和限制（zhì），提高产（chǎn）品（pǐn）的质量和性能价格（gé）比，它是现代工程设计的特（tè）征。具体（tǐ）为操作、美观、成本、安全、环保等众多其它（tā）要（yào）求和限制（zhì）。在现代设计中，质（zhì）量设计相当（dāng）重要，往往决定产品的（de）竞争力。那种只满足主要技术功能要求的机械设计时代已经过去，统筹兼顾（gù）各（gè）种（zhǒng）要求，提（tí）高产品的质量，是（shì）现代（dài）机械设计的关键（jiàn）所在。3.优化设计和创新设计用结构设（shè）计变元等方法系统地构造（zào）优（yōu）化设计（jì）空间，用创造性设计思（sī）维（wéi）方法和其它科学方法进行优选和创新。 三、机械结（jié）构基本设计（jì）准（zhǔn）则 机械设计（jì）的最终结果是以一定的结（jié）构形式表现（xiàn）出（chū）来的（de），按所设计的结构进（jìn）行加（jiā）工、装配，制（zhì）造成（chéng）最终的产品。所以（yǐ），机械结（jié）构（gòu）设（shè）计应（yīng）满足作为产（chǎn）品（pǐn）的（de）多方（fāng）面要（yào）求，基本（běn）要（yào）求有功能、可靠性、工（gōng）艺性、经济性和（hé）外观造型等方（fāng）面（miàn）的要求。此外，还应改善零件的受力（lì），提高强度、刚度、精度和寿命（mìng）。因此，机械结构设计是一项（xiàng）综合性的（de）技术工作（zuò）。由于结构设计的错误或（huò）不合理，可能造成零部（bù）件（jiàn）不应有的失效，使机器达（dá）不到设计（jì）精度的要求，给装配（pèi）和维修（xiū）带来极大的不方便。机械结构设计（jì）过程中应（yīng）考（kǎo）虑如下的（de）结构设（shè）计（jì）准（zhǔn）则。1.现预期功能的（de）设计准则产（chǎn）品的设计主要目的（de）是为（wéi）了实现预（yù）定的功能（néng）要求，因此（cǐ）实现预期功能（néng）的设计准则（zé）是（shì）结构设计首先考虑的问题。要满足功（gōng）能要求，必须做到以下几（jǐ）点。(1)明（míng）确功（gōng）能:结构设（shè）计（jì）是要（yào）根据（jù）其在机器中的功能和与其他零部件相互的（de）连接关系，确定参（cān）数尺寸（cùn）和结构形状。零部件（jiàn）主要的功能有承受载荷、传递运（yùn）动和动（dòng）力，以及保证或保持有关零件或部件之间的相对位置或运动（dòng）轨迹等（děng）。设计的结构应能（néng）满足从机器整体考虑对它的功能（néng）要求。(2)功能合理的分配：产（chǎn）品设计时，根据具（jù）体情况，通常有必要将任务进行合理的分配，即将一个功能（néng）分解为多个分功（gōng）能。每个分功能都（dōu）要有确定的（de）结构承担，各部（bù）分结构之（zhī）间应具有合理、协调的联系，以达到总（zǒng）功能的实现。多结（jié）构（gòu）零（líng）件承担同一功能可以减轻零（líng）件负担，延长使用（yòng）寿命。V型带（dài）截面（miàn）的结构是任（rèn）务合理分配（pèi）的一个例子。纤维绳用来承受（shòu）拉力；橡胶填充（chōng）层承受（shòu）带弯曲时的拉伸和（hé）压缩；包布层（céng）与带轮轮槽作用，产生传动所需的摩擦力。例如（rú），若只（zhī）靠（kào）螺栓预（yù）紧产生的摩擦力（lì）来承受（shòu）横向载荷时，会使（shǐ）螺栓的尺寸过（guò）大，可增加抗剪元件，如销、套筒和键（jiàn）等，以（yǐ）分担横（héng）向载荷来解决这（zhè）一问题。(3)功能集中：为了简（jiǎn）化机械产品的结构，降低（dī）加（jiā）工成本，便于安装（zhuāng），在某些情况下，可由一个零件或（huò）部件承担（dān）多个功能。功能集中会使（shǐ）零件的（de）形状更加复杂（zá），但（dàn）要有度，否则反而（ér）影响（xiǎng）加工工（gōng）艺、增（zēng）加加（jiā）工成本，设计时应根据具体情（qíng）况（kuàng）而定。2.满足强度要（yào）求的设计准则(1) 等强度准（zhǔn）则：零件截面尺寸的变化应与其内应力（lì）变（biàn）化相（xiàng）适应，使各（gè）截面（miàn）的强度相等。按等强（qiáng）度（dù）原理设计的（de）结构，材料可（kě）以得到充分的利用，从而减（jiǎn）轻了重量、降低（dī）成本（běn）。如悬臂支架、阶梯轴的设计等（děng）。(2) 合理力流结构：为了直观（guān）地表示力在机械构件中怎样传递的状态，将力看作犹如水在构件（jiàn）中流（liú）动，这些力线汇成力流。表示这个力的流动（dòng）在（zài）结构设计考察中起着（zhe）重要的作用。力流在（zài）构件中不（bú）会中断，任（rèn）何一条力线都不会（huì）突然消失，必（bì）然（rán）是从一处传入，从另一（yī）处传出。力流（liú）的（de）另一个特性是它（tā）倾向于（yú）沿最短的路线传（chuán）递，从而在最短路线附近（jìn）力（lì）流（liú）密集，形（xíng）成高应力区（qū）。其它（tā）部位力（lì）流稀疏，甚至没有力流通过（guò），从应力角度上讲，材（cái）料未（wèi）能充分利用。因（yīn）此，若为了提（tí）高构件的刚度，应（yīng）该尽可能（néng）按力（lì）流最短路（lù）线来（lái）设（shè）计（jì）零件的形状，减少（shǎo）承载区域，从而累积（jī）变形越小，提高了整个构件的刚（gāng）度（dù），使材料得到充（chōng）分利用（yòng）。(3) 减小应力（lì）集（jí）中结构：当力流方向急剧转（zhuǎn）折（shé）时，力流（liú）在转折处会过于密集，从而引起（qǐ）应（yīng）力集中，设计中应在结（jié）构上采取措施，使力流转向平缓。应力集中是影响零件（jiàn）疲劳强度的重要因素。结构（gòu）设计时，应（yīng）尽量避免或（huò）减小应力集中（zhōng）。其（qí）方（fāng）法（fǎ）在（zài）相应的章节会作介（jiè）绍，如（rú）增大过（guò）度圆角（jiǎo）、采用卸载结构等。(4) 使载荷（hé）平（píng）衡结构：在机器工作（zuò）时，常产生一些无用（yòng）的（de）力，如惯性力、斜齿轮轴（zhóu）向力（lì）等，这些力不（bú）但增加了轴和轴衬等零件的负（fù）荷，降（jiàng）低其（qí）精度（dù）和寿命，同时也（yě）降低了机器的传动效率（lǜ）。所谓载荷平衡就是指采取结构措施部分（fèn）或全部平（píng）衡无用力，以减轻或消除其不良的影响。这些（xiē）结（jié）构措施主要采用（yòng）平衡元件、对称（chēng）布（bù）置等。 3.满足结构（gòu）刚（gāng）度的设（shè）计准（zhǔn）则为保证零（líng）件在使用期（qī）限内正常地实（shí）现其功能，必须使其具（jù）有足够的刚度（dù）。4.考（kǎo）虑加工工艺的设计准则（zé）机（jī）械零部件结构设计的主要目的（de）是（shì）：保证功能的实现（xiàn），使（shǐ）产品达（dá）到要求的性（xìng）能。但是，结构设计的结果（guǒ）对产品零部件的生产成本及质（zhì）量（liàng）有着不可低估的影（yǐng）响。因此，在结构设计中应力求（qiú）使产（chǎn）品有良好的加工工（gōng）艺（yì）性。所谓好（hǎo）的加工（gōng）工艺指的是零部件（jiàn）的结构易于加工（gōng）制造，任何一种加工方（fāng）法都有可能不能（néng）制造某些结（jié）构的零部件，或生产（chǎn）成本很高（gāo），或质量受到影响。因此，对于设计者认识一种加工方法（fǎ）的特（tè）点非（fēi）常重要，以（yǐ）便在设（shè）计结构时尽可能的扬长避短（duǎn）。实（shí）际中，零部件结构工艺性（xìng）受到诸多因素的（de）制约，如生产（chǎn）批（pī）量的大小会影响坯（pī）件的生成方法；生产设备的（de）条件可能会限制工（gōng）件的尺寸；此外，造型、精度、热处理、成本（běn）等方面都有可能对（duì）零部件结构的工（gōng）艺性有制约作用。因（yīn）此，结（jié）构设计中应充分考虑上述因（yīn）素对工艺性的影响。5.考虑装配（pèi）的设计准则装配是（shì）产品制造过程中的重要工（gōng）序，零部件（jiàn）的（de）结（jié）构对装（zhuāng）配的质量、成（chéng）本有直接（jiē）的（de）影（yǐng）响。有关装配的结构设计准则简述如下：（1）合理划分装（zhuāng）配单元：整（zhěng）机应能分解成若干可单独装配的单（dān）元（部件或组件），以（yǐ）实现平行且专（zhuān）业化的（de）装配作业，缩（suō）短装配周期，并且便于（yú）逐级技（jì）术检验（yàn）和维修。（2）使零部（bù）件得（dé）到正（zhèng）确安装：保证零件准确的定位、避免双重配合、防止装配错误。（3）使零（líng）部件便于装配和拆卸：结构设计（jì）中，应保证有足够的装配（pèi）空间，如扳手空间；避免过长配合以免增加装（zhuāng）配难度，使配合（hé）面擦伤，如有些阶（jiē）梯轴（zhóu）的设计；为便（biàn）于（yú）拆卸零件，应给出安放拆卸工具（jù）的位置，如轴承的拆卸。6.考虑维护修理（lǐ）的设计（jì）准（zhǔn）则（1) 产品的配（pèi）置应根据其故障率的高低（dī）、维修（xiū）的难（nán）易、尺寸和（hé）质量（liàng）的大小（xiǎo）以及安装特点等（děng）统筹安排，凡需要维（wéi）修的零（líng）件（jiàn）部件，都应（yīng）具有良好的（de）可达性；对故障率高而又需要经常维修的部位及应急开关（guān），应提供最佳（jiā）的可达性。（2) 产品（pǐn）特别是易损件、常拆件和附（fù）加设备（bèi）的拆装要简（jiǎn）便，拆装时（shí）零部件进出的路线最（zuì）好是直线或平缓的曲线。（3) 产（chǎn）品的检查点、测（cè）试点（diǎn）等系（xì）统的维护（hù）点，都应布置在便（biàn）于接近的位置上。（4) 需要维修和拆装的产品（pǐn），其周围要有足够的（de）操作空间。（5) 维修时一般应能看（kàn）见（jiàn）内部的操（cāo）作，其通道除了能容纳维修（xiū）人员的手（shǒu）或臂外，还（hái）应留有供（gòng）观（guān）察（chá）的适当（dāng）间隙。7.考虑造型设计的准则（zé）产品的设（shè）计（jì）不仅（jǐn）要（yào）满足功能要求，而且还应考虑（lǜ）产品造型的美学价值，使之对人产生吸引力。从心理学角度看，人60%的决（jué）定取决（jué）于第一印象。技术产品的社会（huì）属性是商（shāng）品，在（zài）买方市（shì）场的时代，为产（chǎn）品设计一（yī）个能吸引（yǐn）顾客的外观是（shì）一个重要的（de）设（shè）计要求；同（tóng）时（shí）造型美观的产（chǎn）品（pǐn）可使操作者减少因精力疲惫而（ér）产生的误操作。外观设计包括三个方面：造（zào）型（xíng）、颜色和表（biǎo）面处理。考虑造（zào）型时，应注意尺寸比（bǐ）例协调、形（xíng）状简（jiǎn）单统一以及色彩、图案的支（zhī）持和（hé）点缀。 单色只使用于小（xiǎo）构件。大的特别是运（yùn）动构件如果只用一种颜色就（jiù）会显（xiǎn）得单调无层次，一（yī）个小小的附加色（sè）块会（huì）使整个色调活跃起来。在（zài）多个颜色并存的情况下，应有一个起主导作（zuò）用的底色（sè），和底色相对应的颜色叫对（duì）比色。但（dàn）在一个产（chǎn）品上（shàng），不同色调的数量不（bú）宜太多，太多的色彩会给（gěi）人一种华而不实（shí）的感觉。舒服的色彩（cǎi）大（dà）约位于从浅黄、绿黄到棕的区域。这个趋势是（shì）渐暖，正黄正绿往（wǎng）往显得不舒服；强（qiáng）烈的灰色调（diào）显得压抑。对于冷环境应用（yòng）暖色，如黄、橙黄和（hé）红。对于热环境用冷色，如浅蓝。所有颜（yán）色都应淡化。另（lìng）外，通过一（yī）定的色彩配置（zhì）可使产品显（xiǎn）得安全、稳固。将形状变化小的、面积（jī）较（jiào）大的平面（miàn）配置浅（qiǎn）色，而将（jiāng）运（yùn）动、活（huó）跃轮廓的元件（jiàn）配置深色；深色应安置（zhì）于机械的下部（bù），浅色置于（yú）上部。8.考虑成本（běn）的（de）设计准则设计（jì）时（shí）应（yīng）简化产（chǎn）品及维修操作：（1）设计（jì）时，要对（duì）产品功能进行分析（xī）权衡（héng），合并相同或相似功能（néng），消除不必要的功能，以简化产品和维修操作。（2）设计时，应在（zài）满（mǎn）足规定功能（néng）要求的条件下，使其构造简单，尽（jìn）可能减少产品层（céng）次和组成单（dān）元的数量，并（bìng）简化零件的（de）形状。（3）产品应尽量（liàng）设计简便而可靠的调整（zhěng）机构，以（yǐ）便于排除因磨损或飘移等原因（yīn）引（yǐn）起的常见故障。对易发生局部（bù）耗损的贵重件，应设计成可（kě）调（diào）整或可拆（chāi）卸的组合件（jiàn），以便于（yú）局部（bù）更换或修复。避免或减少互相牵连的反复调（diào）校。（4）要合理安排各组（zǔ）成部分的位置，减少连接件、固定件（jiàn）、使其（qí）检测（cè）、换件等维修操作简单方（fāng）便，尽可能做到（dào）在维修任一部分时，不拆卸、不移（yí）动或少拆卸、少移动其他（tā）部分，以降低对维（wéi）修人员技（jì）能水（shuǐ）平（píng）的要求和工作量。
一、机械结（jié）构件的结构（gòu）要素（sù）和设计方法
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