一、机械结构件（jiàn）的结构要素和设计方法 1 结（jié）构件的几何要素机械（xiè）结构的功（gōng）能主要是靠（kào）机械零部件的几何形状及（jí）各个（gè）零部件之间的相对位置关（guān）系实现的。零部件的几何形状由它（tā）的表面所构（gòu）成（chéng），一（yī）个零件通（tōng）常有多个表面，在这些表面中有（yǒu）的与其它零（líng）部件表面直（zhí）接接触，把（bǎ）这一（yī）部分表面称为功能表面。在功能表面之间的联结部分称为联接表面。 零件的功能（néng）表面是决定机（jī）械功能的（de）重要（yào）因素，功能表面的设计是零部（bù）件（jiàn）结构（gòu）设（shè）计的核心问题。描述（shù）功能表面的（de）主要（yào）几何（hé）参数有表面的几何形状、尺寸大（dà）小、表面数量、位置、顺序等。通过对功能表（biǎo）面的变异设计，可（kě）以得到为实现同一技术功能的多（duō）种结构方案。2 结构件（jiàn）之间的（de）联接在机器或机（jī）械中，任（rèn）何零件都不是（shì）孤立存在的。因此在结构设计（jì）中除（chú）了研究零件本身的功能（néng）和其它特征（zhēng）外，还必须研究零件之间的相互关系。零（líng）件的相关分为直接相关和间接相关两类。凡两零件（jiàn）有直接装配（pèi）关系的，成（chéng）为（wéi）直接相关。没有直（zhí）接装（zhuāng）配关系的（de）相关成为间（jiān）接相（xiàng）关。间（jiān）接相关又分为（wéi）位（wèi）置（zhì）相关（guān）和运动相关两类。位置相关是指两（liǎng）零（líng）件在相互位置（zhì）上有要求，如减速器中两相邻的传动轴（zhóu），其中（zhōng）心距必须保证一定（dìng）的精度（dù），两轴（zhóu）线（xiàn）必（bì）须平行，以保证齿轮的（de）正常啮合。运动相关（guān）是指一零件的运动轨迹（jì）与另一（yī）零（líng）件有关，如（rú）车床（chuáng）刀架的运动轨（guǐ）迹必须平行于（yú）于主轴的中心线（xiàn），这是靠床（chuáng）身导轨和主轴（zhóu）轴线相平行来保证的，所以（yǐ），主轴与导轨之间位置（zhì）相关；而刀架（jià）与主轴之间（jiān）为运动相关。多数零件都有两个或（huò）更（gèng）多（duō）的直接相（xiàng）关（guān）零件，故每个（gè）零件大都（dōu）具（jù）有（yǒu）两（liǎng）个或多个部位（wèi）在结构（gòu）上与其它零件（jiàn）有关。在进行结构设计时，两零件（jiàn）直接相关部位必（bì）须同时考虑，以便合理地选择材料（liào）的热处（chù）理方式、形状、尺寸、精（jīng）度（dù）及表面质量等（děng）。同（tóng）时（shí）还必须考（kǎo）虑满足间接相关（guān）条件，如（rú）进行尺寸链（liàn）和精（jīng）度（dù）计算（suàn）等。一般来说，若（ruò）某（mǒu）零件直接相（xiàng）关（guān）零件（jiàn）愈多，其结构就愈复杂（zá）；零件（jiàn）的间（jiān）接相关零件（jiàn）愈（yù）多，其精度要求愈高。3 结（jié）构设计据结构件的材料（liào）机械设计中可以选择的材料众多，不同的材料具有不同（tóng）的性（xìng）质，不同的材料（liào）对应不同（tóng）的加工工艺，结构设计中既要根据功能要求合理地选择（zé）适当（dāng）的材（cái）料，又要（yào）根据材（cái）料的种类确定适当的加工（gōng）工艺，并根据加（jiā）工（gōng）工艺（yì）的要求确定适（shì）当的结构，只有通过适当的结构设（shè）计才能使所选择的材料最（zuì）充分（fèn）的发挥（huī）优势。设计者要做到正确地（dì）选择（zé）材料就（jiù）必须充分地了解所选（xuǎn）材料的力学性（xìng）能、加工性（xìng）能、使用（yòng）成本等信息。结构设计中应根（gēn）据所选材料（liào）的特性及其所对应的加工工艺（yì）而遵循不（bú）同的设（shè）计原（yuán）则。 二、机械结构设计的基本要求 机械产品应用于各行各（gè）业，结构设计的内容和要求（qiú）也是千差万（wàn）别（bié），但都有相同的共性（xìng）部分。下面（miàn）就机械结构（gòu）设计的（de）三个不同层次来（lái）说（shuō）明对结构设计的要求。1.功能设（shè）计满足（zú）主要机械功能要求，在（zài）技术上（shàng）的具体（tǐ）化。如工作原理的实现、工作（zuò）的可（kě）靠性、工艺、材料和装配（pèi）等方面。2.质量设（shè）计（jì）兼顾各种要求和限（xiàn）制，提高产品的质（zhì）量和性能价格（gé）比，它是现（xiàn）代工程设计的（de）特（tè）征。具体（tǐ）为操作、美观、成本、安（ān）全、环保等众多其（qí）它要求和限制。在现代设计（jì）中，质量设（shè）计（jì）相当重（chóng）要，往往决（jué）定产品（pǐn）的竞争力。那种只（zhī）满足主要技（jì）术功能（néng）要求（qiú）的机（jī）械设（shè）计时代已经过去，统筹（chóu）兼顾各种要（yào）求，提高产品的质量，是现代机械设计的关键（jiàn）所（suǒ）在。3.优（yōu）化设计和创新设计（jì）用结（jié）构设计变元等方法系统地构造优化设计（jì）空间，用创造（zào）性设计（jì）思（sī）维方（fāng）法和其它科学方法进行优（yōu）选和创新。 三、机械结构（gòu）基本设计准则（zé） 机械设计的最终结果是（shì）以一定的结（jié）构形式表现出来的，按所设计（jì）的结构进行（háng）加工、装配，制造成最终的（de）产品。所以，机械结构设计（jì）应满（mǎn）足作为产品的多（duō）方面要求，基本（běn）要求有功能、可靠性（xìng）、工（gōng）艺性、经济（jì）性和（hé）外观造型等方面的要求。此外，还（hái）应改善零件的受（shòu）力，提高强度、刚度（dù）、精（jīng）度和寿命。因此（cǐ），机械（xiè）结（jié）构设计是一项综合（hé）性（xìng）的技术工作。由于（yú）结构设（shè）计的错误或不合理，可能造成零部件不应有的失效，使（shǐ）机器达（dá）不到（dào）设计精（jīng）度的要求，给装配和（hé）维修（xiū）带来极（jí）大的不方便。机（jī）械结构设计过程中应考虑如下的结构设计准则。1.现预（yù）期功能的设计（jì）准则产品的设计主要目的是为了实现（xiàn）预定的功能要求，因此实（shí）现预期功能的（de）设计准（zhǔn）则是（shì）结构设计首先考虑的问题。要满足功能要（yào）求，必须做到（dào）以下几点。(1)明确功能:结（jié）构设计是要根（gēn）据其在机器中的功能和与其他零部件相互的连接关系，确定参数尺寸和结构形状。零部件主要（yào）的功能有（yǒu）承受载荷、传递运动和（hé）动（dòng）力（lì），以（yǐ）及保证或保持有（yǒu）关零件或（huò）部件之间的（de）相（xiàng）对位置或运动轨（guǐ）迹（jì）等。设计的结（jié）构应能满足（zú）从机（jī）器整体考虑（lǜ）对它的功能要求。(2)功能合（hé）理的（de）分配：产（chǎn）品（pǐn）设计（jì）时，根（gēn）据具（jù）体情况，通常有必（bì）要（yào）将（jiāng）任（rèn）务进行（háng）合理的分配，即将一（yī）个功能分解为多个分功能。每个（gè）分功能都要有确定的结构（gòu）承担，各（gè）部分结构之（zhī）间应（yīng）具有合理、协调的联系，以达到（dào）总功能的实现。多结（jié）构零件承担（dān）同一功能可以减轻零件负担，延长（zhǎng）使用（yòng）寿命。V型带截面的结构是任务合（hé）理分配的一（yī）个例子。纤维（wéi）绳用来承受（shòu）拉力；橡胶填充层承受带弯曲时的拉（lā）伸和压缩；包布层与带轮轮槽作用，产（chǎn）生传动所（suǒ）需的摩擦力。例如（rú），若（ruò）只靠螺栓预紧产（chǎn）生（shēng）的摩擦力来（lái）承受横向载荷时，会（huì）使螺（luó）栓的（de）尺（chǐ）寸过（guò）大，可增加（jiā）抗剪元件，如销、套筒和（hé）键等（děng），以分担横向载荷（hé）来解决这一问题。(3)功能（néng）集（jí）中（zhōng）：为了简化机（jī）械产品的结构（gòu），降低加（jiā）工成本，便于安装，在某些情况（kuàng）下，可（kě）由一个（gè）零件或（huò）部件承担多个功能（néng）。功能（néng）集（jí）中会使零件的形状更加复（fù）杂（zá），但要有度，否则反而影响加（jiā）工工（gōng）艺、增加加（jiā）工成本，设（shè）计（jì）时应（yīng）根据具（jù）体情况而定。2.满足强度要求（qiú）的设计准则(1) 等强度准则：零件截面尺寸的变化应与其（qí）内（nèi）应（yīng）力变化相适应，使各（gè）截面的强度相等。按（àn）等强度原理（lǐ）设计的结构，材料可以得到充分（fèn）的利用（yòng），从而减轻了重量、降低（dī）成本。如悬臂支架、阶梯（tī）轴的设（shè）计（jì）等。(2) 合理力流结构：为了（le）直观地表示力在机械构件中（zhōng）怎样传递的状态（tài），将（jiāng）力看作犹（yóu）如（rú）水在构件中（zhōng）流动，这些力线汇成力流。表示这（zhè）个力的流动在结构（gòu）设计考察中起着重要的作用。力（lì）流在（zài）构件中不会中断（duàn），任何一条（tiáo）力线（xiàn）都不会突然消失，必（bì）然是从（cóng）一处传入，从另一处传出。力流的另一个特性是它倾向（xiàng）于（yú）沿最短的路线传递，从而在最短路（lù）线附近力流密集，形成高应力（lì）区。其它（tā）部位力流稀疏，甚至没有力流通（tōng）过（guò），从（cóng）应力角度上讲，材料（liào）未能充分利用（yòng）。因此，若为了提高构件的刚度，应该尽可能按力流最短路线来设计零件（jiàn）的形（xíng）状（zhuàng），减少承载区域（yù），从（cóng）而累（lèi）积变形越小，提高了整个构（gòu）件的刚度（dù），使材料得到充分利（lì）用。(3) 减小应力集中结构：当（dāng）力流方向急剧转折时，力流在转折（shé）处会（huì）过于密（mì）集，从而引起应力集中，设计中（zhōng）应在结构上采取措施，使力流转向平缓（huǎn）。应力（lì）集中是影响零件疲劳强度的重要因素。结构设计时，应（yīng）尽量避（bì）免或减小应力（lì）集中。其方法在相应的（de）章节会作介（jiè）绍，如增（zēng）大过度（dù）圆角、采用卸（xiè）载结构等。(4) 使载荷平衡结构：在机（jī）器工（gōng）作时（shí），常产生一（yī）些无用的力，如惯性（xìng）力、斜齿轮轴向力（lì）等，这（zhè）些力（lì）不但增加（jiā）了轴和轴衬等零件的（de）负荷，降低其精度和（hé）寿命，同时也（yě）降低了机器的传动（dòng）效率（lǜ）。所谓载荷平衡就是（shì）指（zhǐ）采取结构措施部分或全部（bù）平衡无（wú）用力，以减（jiǎn）轻或（huò）消除其不良的（de）影响。这（zhè）些（xiē）结构措施主要（yào）采用（yòng）平衡元件、对称布置等。 3.满足结（jié）构刚度的设（shè）计准则（zé）为（wéi）保证零件在使（shǐ）用（yòng）期限内正常地（dì）实（shí）现其功能，必须使其具有足够的（de）刚度（dù）。4.考（kǎo）虑加（jiā）工工（gōng）艺的设计准则机械零部件结（jié）构设计的主要（yào）目的（de）是：保证功能的（de）实现，使产品达到要（yào）求的性能。但是，结构设计的结（jié）果对产品（pǐn）零部件的生（shēng）产成本及质量有着不可低估的影响。因此，在结构设计中应力（lì）求（qiú）使产品有良（liáng）好的加工工艺性。所谓好的加（jiā）工工（gōng）艺指（zhǐ）的是零部（bù）件的（de）结构易于加工制造（zào），任何一种（zhǒng）加工（gōng）方法都（dōu）有可（kě）能不能制造某些（xiē）结构的零部件（jiàn），或（huò）生产成本很高（gāo），或质量受到影响。因（yīn）此（cǐ），对于（yú）设计者认识一种（zhǒng）加工方法的特（tè）点非常重要，以便（biàn）在设计结（jié）构时尽可（kě）能的扬（yáng）长避短（duǎn）。实际中，零（líng）部（bù）件（jiàn）结构工艺性受（shòu）到诸多因素的制（zhì）约，如生产批量的（de）大（dà）小会影（yǐng）响坯件的生成方法；生产（chǎn）设备的条件可（kě）能会限制工（gōng）件的尺寸；此外，造型、精（jīng）度（dù）、热处理（lǐ）、成本等方（fāng）面（miàn）都有可能对零部件结构的（de）工艺性有制约（yuē）作（zuò）用。因此（cǐ），结构（gòu）设计中应充分（fèn）考虑（lǜ）上述（shù）因素对工艺性的影响（xiǎng）。5.考（kǎo）虑装配（pèi）的设（shè）计准则装配是产品制造过程中的重要工序（xù），零部件的结构对装配的质量（liàng）、成本有直接的影响。有关装（zhuāng）配的结构设（shè）计准（zhǔn）则（zé）简述如下：（1）合理划分装配单元：整（zhěng）机应能分解成若（ruò）干（gàn）可单（dān）独装配的单（dān）元（部件或组件），以（yǐ）实现平（píng）行（háng）且专业化（huà）的装配作（zuò）业，缩短装配周期，并且便于逐级技术检验（yàn）和维修。（2）使零部（bù）件得到正确安装：保证零件（jiàn）准（zhǔn）确（què）的定位、避免（miǎn）双重配合、防止装配（pèi）错误（wù）。（3）使零部件便（biàn）于（yú）装配和（hé）拆（chāi）卸：结构设计（jì）中，应（yīng）保证有足（zú）够的装配空间，如扳手空间；避免过长（zhǎng）配合以免增加装配难度，使配合面擦伤，如有（yǒu）些阶梯轴的设计；为便（biàn）于（yú）拆卸零件，应（yīng）给出安放（fàng）拆（chāi）卸工具的位置，如轴承的（de）拆卸。6.考虑（lǜ）维护修理（lǐ）的设计准则（1) 产（chǎn）品的配置应根据其（qí）故（gù）障率的（de）高低、维修的（de）难易（yì）、尺（chǐ）寸和质量的大小以及安（ān）装特点等统筹安排，凡（fán）需要维修的（de）零件部件（jiàn），都（dōu）应具（jù）有（yǒu）良好的（de）可达性；对故障率高而又需（xū）要经常维修的部位（wèi）及应急（jí）开（kāi）关，应（yīng）提供最佳的可达性。（2) 产品特（tè）别（bié）是易（yì）损（sǔn）件、常拆件和（hé）附加（jiā）设备的拆装要简便，拆装时（shí）零部件进出的路线最（zuì）好是直线或平缓的曲（qǔ）线。（3) 产品的检查点（diǎn）、测（cè）试（shì）点等（děng）系统的维护点，都应布置在便于接近的位置上。（4) 需（xū）要维（wéi）修和拆装的产品，其周（zhōu）围要有足够的操（cāo）作空间。（5) 维修时一般应能看见（jiàn）内部的操作，其通道除了能容纳（nà）维修人（rén）员的手或（huò）臂（bì）外，还应留有供观察的适当间隙。7.考虑造型设计的准（zhǔn）则产品的设计不仅（jǐn）要满足功（gōng）能要（yào）求（qiú），而且还应（yīng）考（kǎo）虑产品造型的美学（xué）价值，使之对人产生吸引（yǐn）力（lì）。从心理学角度看（kàn），人60%的决定取决于（yú）第一印象（xiàng）。技（jì）术产品（pǐn）的社会（huì）属性是商品，在买方市场的时（shí）代，为产品设（shè）计一个能吸引顾客的外观是一个重要的设计要求；同时造型（xíng）美观的产（chǎn）品可使操作者减（jiǎn）少因精（jīng）力疲惫而产生的误操作。外观设（shè）计包括三个方面：造（zào）型（xíng）、颜（yán）色和表面（miàn）处理。考虑造型时，应注意尺寸比例协调（diào）、形状简单统（tǒng）一以（yǐ）及色彩、图案的支持和（hé）点缀。 单色（sè）只使用（yòng）于（yú）小构件。大的特别是运动（dòng）构件如果只用一种（zhǒng）颜色就会（huì）显得单（dān）调无层次，一（yī）个（gè）小（xiǎo）小（xiǎo）的附加色块会使（shǐ）整个色调活跃起来（lái）。在多个颜色并（bìng）存的情况下（xià），应有一个起主导作用（yòng）的底色，和底色相（xiàng）对应（yīng）的颜色（sè）叫（jiào）对比色。但在一（yī）个产品上（shàng），不同色调的数量（liàng）不宜（yí）太多，太多的色彩会（huì）给人一种华而不实的感觉。舒服的（de）色彩（cǎi）大约位于（yú）从浅黄（huáng）、绿黄（huáng）到棕的区域（yù）。这个趋势是渐暖，正黄正绿（lǜ）往往显得不舒服；强烈的灰色调显得压抑（yì）。对（duì）于冷环境应用暖（nuǎn）色，如（rú）黄、橙黄和红（hóng）。对于热环境用冷色，如（rú）浅蓝。所有颜色都应淡化。另外，通过一定的色彩配置可使产品显得安全（quán）、稳固（gù）。将形状（zhuàng）变化小的、面（miàn）积较大的平面配（pèi）置（zhì）浅色，而将运动、活跃轮廓（kuò）的元件配置（zhì）深色；深色应安置于机械的下部，浅色置于上（shàng）部。8.考虑（lǜ）成本的设计准（zhǔn）则设计时（shí）应简化产品及维修操作（zuò）：（1）设计（jì）时，要对产品功能进行分（fèn）析（xī）权衡，合并相同（tóng）或相（xiàng）似功能，消除不必（bì）要的功能，以（yǐ）简化产品和维修（xiū）操（cāo）作。（2）设计时，应（yīng）在（zài）满足规定功能要求的条（tiáo）件（jiàn）下，使其（qí）构造简单（dān），尽可能减少产品层次和组成单元（yuán）的数量，并简化零件的形状（zhuàng）。（3）产（chǎn）品应尽（jìn）量设计简便而可靠（kào）的（de）调整机构（gòu），以便于排除因磨损（sǔn）或飘移等（děng）原因引起的常见故障。对易发生局部耗损的贵重（chóng）件，应设计成可调整或可拆卸的组合件，以便于局（jú）部更换或修复。避（bì）免或（huò）减少互（hù）相牵连的反（fǎn）复调校。（4）要合（hé）理安排（pái）各组成部分的位置，减（jiǎn）少连接件、固定件、使其检测、换件等维修操（cāo）作简单方便，尽可能做（zuò）到（dào）在维修任一部分（fèn）时，不拆卸、不移动或少拆卸、少移（yí）动其他部分，以降低对（duì）维修人员技能水平的要求和工作量。
一、机械结构件（jiàn）的结构要素和设计方法
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