一、机械结构件的结构要素和（hé）设计方法 1 结构件的几何要素机械（xiè）结（jié）构的功能主要是靠机械零部件的几何形状及各（gè）个零部件（jiàn）之间的相对位置（zhì）关系实现的。零部件的（de）几何形状由它的表面所构成，一个（gè）零件通常有多个表面，在这些表（biǎo）面中有的与其它零部件表面（miàn）直接接触，把这一部分表面称为（wéi）功能表（biǎo）面。在功能表（biǎo）面（miàn）之间的联结部分（fèn）称为联接表面。 零（líng）件的功能表面是决定机械功能的（de）重要因素，功（gōng）能表面的设计（jì）是（shì）零部（bù）件结构设计的核心问题。描述（shù）功（gōng）能表面的（de）主要几何参数有表面的几何形（xíng）状、尺寸大小、表面数量、位置、顺序等。通过对功能表面（miàn）的变异设（shè）计，可以得到为实现同一技术（shù）功能的多（duō）种结构方案（àn）。2 结构（gòu）件之间的联接在机器或（huò）机械中，任何零件都不是孤立存（cún）在的。因（yīn）此（cǐ）在结构设计中除了（le）研究（jiū）零件本身（shēn）的功能和其它特征外（wài），还必须研（yán）究零件之（zhī）间的相互关系。零件的（de）相（xiàng）关分为直（zhí）接（jiē）相关和间接相关（guān）两类。凡两零件有直接装配关（guān）系的，成为直接相（xiàng）关。没（méi）有（yǒu）直接装配关系的（de）相关成为间接相关。间接（jiē）相关又分为位置相（xiàng）关和运动（dòng）相关两（liǎng）类。位置相关是指两零件在相互位置上有要求（qiú），如减速器中两相邻的传动轴，其中心距必须保证一定（dìng）的精度，两轴线必须平行，以保证齿轮的正常啮合。运动相关是指一零件的运（yùn）动轨迹与另一（yī）零件有关，如车床刀（dāo）架的运（yùn）动轨迹必须平行于于主轴的中心线，这（zhè）是（shì）靠（kào）床身导轨和主轴（zhóu）轴线相平（píng）行（háng）来（lái）保证的，所（suǒ）以，主轴与导轨之间（jiān）位置相关；而刀架与主轴之间为运动相关。多数（shù）零件都有两个或更多的直接相关（guān）零件，故（gù）每个零件大都（dōu）具有两个或多个部位在结构上与其它零件有关。在进行结构设计时，两零件直接相关部位必（bì）须同时考虑，以便合理地选择材料的热处理方式、形状、尺寸、精度及表面（miàn）质量等。同时（shí）还必须考（kǎo）虑（lǜ）满足（zú）间接相（xiàng）关条件，如进（jìn）行尺寸（cùn）链和精度计算等。一般（bān）来说，若某零（líng）件直接相关零件愈（yù）多，其结构就愈复杂；零件的间接相关（guān）零件愈（yù）多，其精度要求愈（yù）高（gāo）。3 结构设计（jì）据结（jié）构件的材（cái）料机械（xiè）设（shè）计中可（kě）以选择（zé）的材料众（zhòng）多，不（bú）同的材料具有不同的性质，不同（tóng）的材料对应不同的加工工艺（yì），结构设计中既（jì）要根（gēn）据功能要求合理（lǐ）地（dì）选（xuǎn）择适当的材（cái）料，又要根据材料的种类（lèi）确定适当的加工工艺（yì），并根（gēn）据加工工艺的要求确定适当（dāng）的结构（gòu），只有（yǒu）通过适当的结构设计才能使所选择（zé）的材料最充（chōng）分的发挥优势。设计者要（yào）做到（dào）正确地（dì）选（xuǎn）择材料就必须充（chōng）分地（dì）了解（jiě）所选材料的力（lì）学性能、加工性（xìng）能、使用成本等信息。结（jié）构设计中（zhōng）应根（gēn）据所（suǒ）选材料的特性及其（qí）所对应的加工工艺而（ér）遵（zūn）循不（bú）同的设计原（yuán）则（zé）。 二（èr）、机械结构设计的基本（běn）要求 机械产（chǎn）品应（yīng）用于各行各业，结构设计的内容和要求也是（shì）千差万别，但都有（yǒu）相（xiàng）同的（de）共性（xìng）部分。下面就机械结构设计的三个不同层（céng）次来说明对结构设计的（de）要求。1.功能设计满足主要机械功能要求，在技（jì）术上的具体化。如工作（zuò）原理（lǐ）的实现、工作的可靠性、工艺（yì）、材料和（hé）装配等方面。2.质量（liàng）设计兼顾各种要求和限制（zhì），提高产品的质（zhì）量和性能价格比，它是现代工程设计的特征。具体为操作、美观（guān）、成本、安全（quán）、环保等众多其（qí）它要求和限制。在现代（dài）设计中（zhōng），质量设计相当重要，往往决定产品的竞（jìng）争力（lì）。那种（zhǒng）只满足主要技（jì）术功能要求的机械设计时代已经（jīng）过去，统筹（chóu）兼（jiān）顾（gù）各（gè）种（zhǒng）要求，提高产品的（de）质量，是现代机械设计的关键所（suǒ）在。3.优化设计和创（chuàng）新设计用结构（gòu）设计变元等方法系统地构造优化（huà）设计空间，用创造（zào）性（xìng）设计思维方法和其它（tā）科（kē）学方法进行优选和创新。 三（sān）、机械结构基本（běn）设计准则 机械设计的最终结果是以一定（dìng）的（de）结构形式表现出来的，按（àn）所设计的结构进行加工、装配，制造成最终（zhōng）的产品（pǐn）。所以，机械结构设计应满（mǎn）足（zú）作为产品的多方面要求，基本要求有功能、可（kě）靠（kào）性、工艺（yì）性、经济性（xìng）和外观（guān）造型等方面（miàn）的要（yào）求。此外，还应改善（shàn）零件的受（shòu）力（lì），提（tí）高强度、刚（gāng）度（dù）、精度和寿（shòu）命。因（yīn）此（cǐ），机械结构设计是一项（xiàng）综合性（xìng）的技术工（gōng）作（zuò）。由于结构设计的（de）错误或不合理，可（kě）能造成零部件（jiàn）不（bú）应有的失效，使机器达不到设计精（jīng）度的要求，给装配和维修带来极（jí）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（zhǔn）则（zé）。1.现（xiàn）预期（qī）功能（néng）的设（shè）计准则产品（pǐn）的设计主（zhǔ）要目的是（shì）为了实现预（yù）定的功能要求，因此实（shí）现（xiàn）预期功能的设计准则（zé）是结构设计首先考虑的问（wèn）题（tí）。要满足（zú）功能要（yào）求，必须做（zuò）到以（yǐ）下几（jǐ）点。(1)明（míng）确功能（néng）:结构设计是要根据其在机器中的功能和与其他（tā）零部（bù）件相（xiàng）互（hù）的连接（jiē）关系，确（què）定参数尺寸（cùn）和结构形状。零部（bù）件主要（yào）的功能有承（chéng）受载荷、传递运动和动力，以及保证或保持（chí）有关零（líng）件或部件（jiàn）之间的相（xiàng）对位置或（huò）运（yùn）动轨迹等。设计的结构（gòu）应能满（mǎn）足从机器（qì）整体考虑（lǜ）对它的功能要求。(2)功能合（hé）理的分配：产品（pǐn）设计时，根据（jù）具体（tǐ）情况（kuàng），通常有必要将任务进行合理的分配，即将一个功（gōng）能分解为多个分功能。每个分功能（néng）都要有（yǒu）确定的结构承担（dān），各部（bù）分结（jié）构（gòu）之间应（yīng）具有合理、协调的联系，以达到总功能（néng）的实现。多（duō）结构零件（jiàn）承担同一功能可以减轻零件负担，延长使（shǐ）用寿命。V型带截面（miàn）的结（jié）构是任务合理分配的一个例子。纤（xiān）维绳用（yòng）来承受拉（lā）力；橡胶填充层（céng）承（chéng）受（shòu）带弯曲时的拉伸和（hé）压缩；包布层（céng）与带轮（lún）轮槽作（zuò）用，产生传动所需的摩擦力。例如，若（ruò）只靠螺栓预紧产生的摩（mó）擦力来承（chéng）受横向载（zǎi）荷时，会使（shǐ）螺栓（shuān）的尺寸过大，可增加（jiā）抗剪元件，如销（xiāo）、套筒和键（jiàn）等，以分担横向载荷（hé）来解决这一问（wèn）题。(3)功能集中：为了简化（huà）机械产品的结构，降低加（jiā）工成本，便于（yú）安装，在某些情（qíng）况下，可由一个（gè）零（líng）件或部件（jiàn）承（chéng）担多个功（gōng）能。功（gōng）能集中会使（shǐ）零（líng）件的形状更加复（fù）杂，但要有度，否则反而影响加（jiā）工工艺、增加加工成本，设计时应根据具体情况而定。2.满足强度要求的设计准则（zé）(1) 等强度准（zhǔn）则（zé）：零件截面（miàn）尺（chǐ）寸的变化（huà）应与其内应力变化相适应，使各截面的强度相等。按等强度原理（lǐ）设计的结构（gòu），材料可以得到充分（fèn）的利用，从而减轻了重（chóng）量、降低成本（běn）。如（rú）悬臂支（zhī）架、阶梯轴（zhóu）的设计等。(2) 合（hé）理力流结构：为了直观地表（biǎo）示（shì）力在机械构件（jiàn）中怎样传递的（de）状态，将力看作犹如（rú）水（shuǐ）在构（gòu）件中流动（dòng），这些（xiē）力线汇成力（lì）流。表示这个（gè）力的（de）流动在（zài）结构设计考（kǎo）察中起着重要的作用。力（lì）流在（zài）构（gòu）件中不（bú）会中断，任何一条力线都不会突（tū）然消失，必然是从一处传入，从另一处（chù）传出。力流的另（lìng）一（yī）个特（tè）性是它（tā）倾向于沿最短（duǎn）的路（lù）线传递，从而在最短路线附近力流（liú）密集，形（xíng）成高应力区。其它部位（wèi）力流（liú）稀疏，甚至没有（yǒu）力流通过（guò），从应力角度上（shàng）讲，材料未能（néng）充分利用。因此，若为了（le）提（tí）高构件的刚度，应该尽可能按力（lì）流最短路（lù）线来设计零（líng）件（jiàn）的形状，减少承载区域，从而累（lèi）积变形越小，提高了整个构件（jiàn）的刚（gāng）度，使材料得到充分利用。(3) 减小应力集中结构（gòu）：当力流方向急剧转折时，力流（liú）在转折处（chù）会过于密集（jí），从而（ér）引起应力（lì）集中，设（shè）计中应在结构上采取（qǔ）措施，使（shǐ）力流转向平缓。应力集中（zhōng）是影响零件疲劳强度的重要因素。结构设计时，应尽（jìn）量避免或减小应力集中。其方法在相应的章节（jiē）会作（zuò）介绍（shào），如增大过度圆角、采（cǎi）用卸载结构等。(4) 使载荷平（píng）衡结（jié）构（gòu）：在机器工作时，常（cháng）产生一些无用的力（lì），如惯性力、斜齿轮轴（zhóu）向力等，这些力不但增（zēng）加了轴（zhóu）和轴衬等（děng）零件的负（fù）荷，降低其（qí）精度和（hé）寿命，同时（shí）也降低了（le）机器的传动效率。所（suǒ）谓（wèi）载荷平衡（héng）就（jiù）是（shì）指（zhǐ）采取结构措（cuò）施部分（fèn）或全（quán）部平衡无（wú）用力，以减（jiǎn）轻或消除其不良的影响。这些结构措施（shī）主要采用平（píng）衡元件、对（duì）称布置等。 3.满足结构刚度的（de）设计准则为保（bǎo）证零（líng）件在使用期限内正（zhèng）常地实现其功能，必须使其（qí）具有足够的刚（gāng）度（dù）。4.考虑加工工艺的（de）设计准（zhǔn）则机械零（líng）部（bù）件结构设计的主要（yào）目的是：保证功能的实（shí）现，使产品达到要求的性能（néng）。但是，结构（gòu）设计的（de）结（jié）果对产品零部件的生产成本及质（zhì）量有着（zhe）不（bú）可低估的影响。因此，在结构设计中应力求使（shǐ）产（chǎn）品（pǐn）有良好的加工工艺性。所谓好（hǎo）的加工工（gōng）艺指的（de）是零部件的（de）结构易（yì）于加工制造（zào），任何（hé）一种加工（gōng）方（fāng）法（fǎ）都有可能不能制造某（mǒu）些结构（gòu）的零部件，或生产成本很高，或质量受到影响。因此，对于设计者认识一种加（jiā）工方法（fǎ）的特（tè）点非常重要，以便（biàn）在设计结（jié）构时尽（jìn）可能的扬长避短。实际中，零部件结构工艺性（xìng）受到诸多（duō）因（yīn）素的（de）制约，如生产批量的大小会影响坯件的（de）生成方法；生（shēng）产设备（bèi）的条件可（kě）能会限制工（gōng）件的尺寸；此外（wài），造型、精（jīng）度（dù）、热处（chù）理、成（chéng）本等（děng）方面都（dōu）有可能（néng）对零部件结构的工艺（yì）性有制（zhì）约作用。因（yīn）此，结构设计中应充分考（kǎo）虑（lǜ）上述因（yīn）素（sù）对工（gōng）艺（yì）性的影响。5.考虑装（zhuāng）配的设计准（zhǔn）则装配（pèi）是（shì）产品（pǐn）制造过（guò）程中的重要工序，零部（bù）件（jiàn）的结构对装配的质（zhì）量、成（chéng）本有直接的（de）影响。有关装（zhuāng）配的结构设计（jì）准则简（jiǎn）述如（rú）下：（1）合理划分装配单元：整机（jī）应能（néng）分解成若（ruò）干（gàn）可单独装（zhuāng）配的单元（部件或组件），以实现（xiàn）平行且专业（yè）化的装配作（zuò）业（yè），缩短装配周期，并且便于逐级技术检验和维修。（2）使零部件（jiàn）得到正（zhèng）确安（ān）装：保证零件准确的（de）定位、避免（miǎn）双重（chóng）配合（hé）、防（fáng）止装配错误。（3）使零部件便（biàn）于装（zhuāng）配（pèi）和拆卸：结构设计中，应（yīng）保证有（yǒu）足够（gòu）的装配空间，如扳手空间；避免过长（zhǎng）配合以免增（zēng）加装配难度，使配合面擦伤，如有些阶梯轴的设计；为便于拆卸零件，应给（gěi）出安放拆卸工具的位置，如轴（zhóu）承的拆卸。6.考虑（lǜ）维护修理的设计准则（zé）（1) 产品的配置应根据其故障率的高低、维（wéi）修的难易、尺寸和质（zhì）量的大小以（yǐ）及（jí）安装特点等统筹安排，凡需要维修（xiū）的零（líng）件部件，都应（yīng）具有良（liáng）好（hǎo）的可达（dá）性；对故（gù）障率高而又（yòu）需要经常（cháng）维修（xiū）的部（bù）位及（jí）应急（jí）开（kāi）关，应提供最佳的可达性。（2) 产（chǎn）品特别是易损（sǔn）件、常拆（chāi）件和附加设备的拆装（zhuāng）要简（jiǎn）便，拆装时（shí）零部件进（jìn）出的路线最好（hǎo）是直（zhí）线或（huò）平缓的（de）曲线（xiàn）。（3) 产品的检（jiǎn）查点、测试点等系统的（de）维护点，都应布置在便于接近的位置上。（4) 需要（yào）维修和拆装的产（chǎn）品，其周围要有足够的操作（zuò）空（kōng）间。（5) 维修时一般应（yīng）能看见内部的操作，其通道除（chú）了（le）能容纳维修人员的（de）手或臂外，还应留有供观察的适（shì）当间隙。7.考（kǎo）虑造型设计的准则产品的设计不仅要满足功能要求，而且（qiě）还应考虑产（chǎn）品（pǐn）造型的美学价（jià）值，使之对人产（chǎn）生吸引力。从心理学角度看，人60%的决（jué）定取决于第一印象。技（jì）术产品（pǐn）的社会属（shǔ）性是商品，在（zài）买方（fāng）市场的（de）时代，为产品设计一个能吸引顾客的外（wài）观（guān）是一个重要（yào）的设计要求；同时（shí）造型（xíng）美（měi）观（guān）的产（chǎn）品（pǐn）可使操作者减少因精力疲惫而产生的误操作。外观设计包括三个方面（miàn）：造型、颜色和表（biǎo）面处（chù）理。考（kǎo）虑造型时，应注（zhù）意尺寸（cùn）比例协调、形（xíng）状简单统一以及色彩、图案的支持和（hé）点缀。 单色只使用于（yú）小构件。大的特别是运动构件如果（guǒ）只用（yòng）一种颜色就（jiù）会（huì）显得（dé）单调无层次，一个小小的附加色块会使整个（gè）色（sè）调活跃（yuè）起来。在多个颜色并（bìng）存的（de）情况下，应有一个起主导（dǎo）作用的底色，和底色相对应的颜色叫对比色。但（dàn）在一个产品上，不同色（sè）调的数量（liàng）不宜太多，太多的（de）色彩会给人一种（zhǒng）华而不实的感觉。舒服的色彩大约位于从浅黄、绿黄到（dào）棕的区域。这个趋势是渐暖，正黄正绿往往显得不舒（shū）服；强（qiáng）烈的灰（huī）色（sè）调显得（dé）压抑（yì）。对于冷环境应用暖色，如黄、橙（chéng）黄和红。对于热环境（jìng）用冷色，如浅蓝。所有颜色都应淡化。另外，通过一定的色彩配置（zhì）可使产品显得（dé）安（ān）全、稳固。将形（xíng）状（zhuàng）变化小的（de）、面积较大的平面配置浅色，而将运动、活跃轮廓的元件（jiàn）配（pèi）置深（shēn）色；深色应安置于机械的下部，浅色（sè）置于上部。8.考虑成本的设计准则设计（jì）时应简化产品及（jí）维修操作：（1）设计时，要（yào）对产品功能（néng）进行分析（xī）权衡，合并相（xiàng）同（tóng）或相似（sì）功（gōng）能，消除不必要的（de）功（gōng）能，以简化产品和维（wéi）修操作。（2）设（shè）计时，应在满足规定（dìng）功（gōng）能要（yào）求的条件下，使其构造简单，尽可能（néng）减少产品层次和组成单元的数量，并（bìng）简化零件的形状。（3）产品应尽量设计简便而可靠（kào）的调（diào）整机构，以（yǐ）便（biàn）于排除因磨损或飘移等原因（yīn）引起的常（cháng）见（jiàn）故障。对易发生局部耗损（sǔn）的（de）贵重件，应（yīng）设计成可调整或（huò）可拆卸的组合件，以便于局（jú）部更换或修复。避（bì）免或减少互相牵连的反复调（diào）校。（4）要合理安（ān）排各组（zǔ）成部分的位置，减少连接件、固（gù）定件、使其检测、换件等维修操作简单方便，尽可能做到在维修任一部分（fèn）时，不拆（chāi）卸、不（bú）移动（dòng）或少拆卸、少移动其他部分，以降低（dī）对维修人员（yuán）技能水（shuǐ）平（píng）的要求（qiú）和工作（zuò）量。
一、机械结构件的结构要素和（hé）设计方法
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