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      机械结构设计的（de）方法、要求（qiú）及设计准则

      一、机械结（jié）构件的结构要素和设计方法（fǎ）


      1 结构件的几（jǐ）何（hé）要素
      机械（xiè）结构（gòu）的（de）功能主要（yào）是靠机械零部件的几何（hé）形状及各个（gè）零部（bù）件之间的相对（duì）位置（zhì）关系实现的。零部件的几何（hé）形状由它的表（biǎo）面所构成（chéng），一个零件通（tōng）常（cháng）有多个表面，在这些表面中有的与其它零部件表面直（zhí）接接触，把这（zhè）一部（bù）分表面称为功能表面。在功能表面之间的联结部（bù）分称（chēng）为联接表面。　
      零（líng）件的功能表（biǎo）面是决定机械功（gōng）能的重（chóng）要因素，功能表面的设计是零部（bù）件结构设计的核心问题（tí）。描述（shù）功能（néng）表面的主要几何（hé）参数有表面的（de）几何形状、尺寸大小、表（biǎo）面数量、位置（zhì）、顺序等。通过对功能表（biǎo）面的（de）变异设计，可以得到为实现（xiàn）同一技术（shù）功能的（de）多种结构方案（àn）。
      2 结构件之间的联（lián）接（jiē）
      在机器或机（jī）械中，任（rèn）何零件都（dōu）不是孤立存在的。因此在结构（gòu）设计中除了研（yán）究零（líng）件本（běn）身的功（gōng）能和其它（tā）特征外，还必须研（yán）究零件之（zhī）间的相（xiàng）互关系。
      零件（jiàn）的相关（guān）分为直接相关（guān）和间接（jiē）相关（guān）两类。凡（fán）两零件（jiàn）有直接装（zhuāng）配（pèi）关系的，成为直接相关。没有直接装配关系（xì）的（de）相关成为间接相（xiàng）关。间接相关又分为位置相关（guān）和运动相关两类。位（wèi）置相（xiàng）关（guān）是指两零件在（zài）相互位置上有要求，如减速器中两（liǎng）相邻的（de）传动轴，其中心（xīn）距必须保证一（yī）定的精度，两（liǎng）轴线必须平行，以保（bǎo）证齿（chǐ）轮（lún）的（de）正常啮合。运（yùn）动相关是指一零件的运（yùn）动轨迹与另一零件有关，如车床刀架的（de）运动轨迹（jì）必须平行于于主轴的中心（xīn）线，这是靠床身导轨和主轴轴（zhóu）线（xiàn）相平（píng）行来保证的（de），所以，主轴与导轨之间（jiān）位置相（xiàng）关；而刀架与主轴之间为运动（dòng）相关。
      多数零件都有两个或更（gèng）多的直接相关零件，故每个零件大都具有两个或多个（gè）部位在（zài）结构上与其它零（líng）件有关（guān）。在进行结构设计时（shí），两零件（jiàn）直接相关部位必须同时考虑，以便合理地选择材料的热处理方式、形状、尺（chǐ）寸、精度及表面（miàn）质量等。同时还必须考虑满足间接相关条（tiáo）件（jiàn），如进（jìn）行尺（chǐ）寸链和精度计算等。一般来（lái）说，若某零件直接相关零件愈多（duō），其结构就愈复杂；零件的间（jiān）接相关（guān）零件愈多，其精度（dù）要求（qiú）愈（yù）高。
      3 结（jié）构设计据结构件的材（cái）料
      机械设计中可以选择的材料众多，不同（tóng）的（de）材（cái）料具有不同的（de）性质，不同的材料对应不同（tóng）的加工（gōng）工艺，结（jié）构设（shè）计中既要根据功能要求合理地选（xuǎn）择适当的材料，又要根据材（cái）料的种类确定适当的加工工艺，并（bìng）根据（jù）加工工（gōng）艺的要求确定适（shì）当的结构，只有通（tōng）过适当的结构设（shè）计（jì）才能（néng）使所选择的材料最充分的发（fā）挥（huī）优势。
      设计者要做（zuò）到正确（què）地选（xuǎn）择材料就（jiù）必须充分地了解所选材（cái）料（liào）的力学性（xìng）能（néng）、加工性能、使用成（chéng）本（běn）等（děng）信息。结构设计中应根据所选材料的特性及（jí）其所对应的加工（gōng）工艺而遵循不同的设（shè）计（jì）原则。

      二、机械结（jié）构设计的（de）基本要求

      机械（xiè）产品应用于各行各业（yè），结构设计的内容和要求也是千差万别，但都（dōu）有相同的共性部分（fèn）。下（xià）面就机械结构设计的三个不同层（céng）次（cì）来（lái）说明对结构设计的要求。
      1.功能设（shè）计满足主要机械功能（néng）要（yào）求，在（zài）技术上的具（jù）体化。如工作原理（lǐ）的实现、工作的可靠性、工艺、材料和装配等方（fāng）面。
      2.质量设计兼顾各（gè）种（zhǒng）要求和限（xiàn）制（zhì），提高产品的质量（liàng）和性能价格（gé）比，它是现代工程设计（jì）的特征。具（jù）体为操作、美观、成（chéng）本、安全、环保（bǎo）等（děng）众多其（qí）它（tā）要求和限制。在现（xiàn）代设计中，质量设计相当重要，往（wǎng）往决定产品的竞（jìng）争力。那种只（zhī）满足主要技（jì）术功（gōng）能要求的机械设计时代已（yǐ）经过去，统筹兼（jiān）顾各种要求，提高产（chǎn）品的质量，是现代机械（xiè）设计的关键所在（zài）。
      3.优化设（shè）计和创新设（shè）计（jì）用结构设（shè）计变元等（děng）方法系统地构（gòu）造优化设计空间，用创造性设计思维方法和（hé）其它科（kē）学方法进（jìn）行优选和（hé）创新（xīn）。

      三、机械结（jié）构基本设计准则

      机械设计的最（zuì）终结果是以一定的结构形式（shì）表现出来（lái）的（de），按所设计（jì）的结构进行加工、装配，制造成最终（zhōng）的产品。所以，机械结构设计应满足作为产品的多方面（miàn）要（yào）求（qiú），基本要求有（yǒu）功能、可靠（kào）性、工艺性、经济性（xìng）和外观造型等方面（miàn）的要求。此外，还应改善零件的受力，提高强度、刚度、精度和（hé）寿命。因此，机械结构设（shè）计（jì）是一项综合（hé）性的（de）技术工作。由于结构（gòu）设计的错（cuò）误或不合理，可（kě）能造成（chéng）零部（bù）件（jiàn）不应有的失（shī）效，使机器达不到（dào）设（shè）计（jì）精（jīng）度的要求（qiú），给装配和维修（xiū）带来极大（dà）的不方（fāng）便。机械（xiè）结构设计过程中应考虑如下的结构设计准则。
      1.现预期（qī）功能的设计（jì）准则（zé）
      产品（pǐn）的设计主（zhǔ）要目的是为了（le）实现预定的功能要求，因此实现预期（qī）功能的设计准则（zé）是结构（gòu）设计首先考虑的问题。要满足功能要（yào）求，必须做到以下几点。
      (1)明（míng）确功（gōng）能:结构设计（jì）是（shì）要根据其（qí）在机器中的功能和与其他零（líng）部件相互的连接关系（xì），确定（dìng）参数尺寸和结构形状。零部件主要的功能有承受载荷、传递（dì）运动和动力，以及（jí）保证或保持有关零件或（huò）部（bù）件之（zhī）间（jiān）的相对（duì）位置或（huò）运（yùn）动轨迹等。设计的结（jié）构应能满足（zú）从机器整（zhěng）体考虑对它的功能要求。
      (2)功能合（hé）理（lǐ）的分配：产品设计时（shí），根据具（jù）体（tǐ）情（qíng）况，通常（cháng）有必要将任务进行合理（lǐ）的分配，即（jí）将一个功能分（fèn）解为多个分（fèn）功能。每个分（fèn）功能都要有（yǒu）确定的结构承担，各（gè）部分（fèn）结（jié）构之间（jiān）应具有合理、协调的联系，以达到总功（gōng）能的实现。多结构零（líng）件承（chéng）担同一（yī）功能可以减（jiǎn）轻零件负担，延长使用（yòng）寿命。V型带截面的结构是任务合（hé）理分配的一个例子。纤维绳用来承受拉力（lì）；橡胶（jiāo）填充层承受（shòu）带（dài）弯曲时的拉伸（shēn）和压缩；包布层与带轮轮（lún）槽作用，产（chǎn）生（shēng）传动所需的摩擦力。例（lì）如（rú），若只靠（kào）螺（luó）栓预（yù）紧产生的（de）摩擦力来承受横向载荷时，会使螺栓的尺（chǐ）寸过大，可增加（jiā）抗（kàng）剪元件，如销、套（tào）筒和键等，以（yǐ）分担横向（xiàng）载（zǎi）荷来（lái）解决这一问题（tí）。
      (3)功能集中：为（wéi）了简化机（jī）械产品的结构，降低加工（gōng）成本，便（biàn）于安装，在（zài）某些情况下，可由一个零件（jiàn）或部件承担多个功能。功能（néng）集中会使零件的形状更加复杂，但要有度（dù），否则（zé）反而影（yǐng）响加工（gōng）工艺、增加（jiā）加工（gōng）成本，设计时应根据具体情况而（ér）定。
      2.满足强度要（yào）求的设（shè）计准则
      (1) 等强度准则：零件截面尺寸的变化应（yīng）与其内应力变化相适应，使各截面的（de）强度相等。按等强（qiáng）度原理设计的结构（gòu），材料可（kě）以（yǐ）得到充分的利（lì）用，从而减轻了重量、降（jiàng）低成（chéng）本。如悬臂支架（jià）、阶（jiē）梯（tī）轴的设计等。
      (2) 合理力（lì）流结构：为了直观地表示力在机械构（gòu）件中怎样传递的状态，将力看（kàn）作犹（yóu）如水在构件中（zhōng）流动，这些力（lì）线汇（huì）成（chéng）力流（liú）。表示这个力（lì）的（de）流动在结构设计（jì）考察中起（qǐ）着（zhe）重要的作用。力流在构件中不会中断（duàn），任（rèn）何一条（tiáo）力线（xiàn）都不（bú）会突然消失，必然是从一处传入，从另一处传出。力流的（de）另（lìng）一个特（tè）性是它倾向于沿最短的路线传（chuán）递，从而在最短路线附近力流密（mì）集，形成高应力区。其（qí）它部位力流稀疏，甚至没有力流（liú）通过，从应力角度上讲，材料未能充分利用。因此，若为了（le）提高构件的（de）刚度（dù），应该尽可能（néng）按力流最短路线来设计零件（jiàn）的形状，减少承载区域，从而累积（jī）变形越小，提高了（le）整个（gè）构件（jiàn）的刚（gāng）度，使材料得到（dào）充分利用。
      (3) 减小应力（lì）集中结（jié）构：当（dāng）力流方向急剧转折（shé）时（shí），力（lì）流（liú）在转折处会过于（yú）密（mì）集，从而引起应（yīng）力集中（zhōng），设计中（zhōng）应（yīng）在结构上采取措施（shī），使力流转向平（píng）缓。应力集中（zhōng）是影响（xiǎng）零件（jiàn）疲劳强度的重要因素。结（jié）构设计时，应尽量避（bì）免或减小应力（lì）集中。其方法（fǎ）在相（xiàng）应的章节会作介（jiè）绍，如增大过度圆角（jiǎo）、采用（yòng）卸载结构（gòu）等。
      (4) 使载荷平衡结构：在（zài）机（jī）器工作时，常产生一些无用的力，如惯性力（lì）、斜齿轮轴向力等，这些力不但增加了（le）轴（zhóu）和（hé）轴衬等零（líng）件的负荷，降低其精度和寿命，同时也降低了机器（qì）的传动效率（lǜ）。所谓载荷（hé）平衡（héng）就是（shì）指采取结构措施部分或全部平衡（héng）无（wú）用（yòng）力，以（yǐ）减轻或消（xiāo）除其不良的影响。这些结构（gòu）措施主要采用（yòng）平衡元件、对称布置等（děng）。　
      3.满足结构刚度的设计准则
      为保证零件在使用（yòng）期限内正常地实现（xiàn）其功能（néng），必须使其具有足够的刚度（dù）。
      4.考虑（lǜ）加工工艺的设计准（zhǔn）则（zé）
      机械（xiè）零部件结构设（shè）计的主要（yào）目的是：保证功能（néng）的（de）实现，使产品达（dá）到要求的性能（néng）。但是，结构设计的结果对产品（pǐn）零部件（jiàn）的生产成本及质量有（yǒu）着不可低估的影响。因此，在结构设计中应力求使（shǐ）产品有（yǒu）良（liáng）好的加工工艺性（xìng）。所谓好的加（jiā）工工艺（yì）指（zhǐ）的是零部件的结（jié）构易于（yú）加工制（zhì）造（zào），任何一种加工（gōng）方法都有可（kě）能不（bú）能制造某些结构的零部件，或生产成本很高，或（huò）质（zhì）量受到（dào）影响。因（yīn）此，对于（yú）设计者认识一（yī）种加工方法（fǎ）的特点非常重要，以便（biàn）在设计结构时尽可能的（de）扬长避短。实际（jì）中，零（líng）部件结构工（gōng）艺性受到诸多（duō）因素的制约，如生产批量的大小会影响坯件的生成方法；生（shēng）产设备的（de）条件可能会（huì）限（xiàn）制（zhì）工件的尺寸；此外，造型、精度、热处理、成本等方（fāng）面都（dōu）有（yǒu）可（kě）能对（duì）零部件结构的工艺性（xìng）有制约作（zuò）用。因此，结（jié）构设计中应充分（fèn）考虑上述（shù）因素对工艺（yì）性的（de）影响。
      5.考虑装配的（de）设计准则
      装配是产品制造过程中的（de）重要工序，零部件的结构对装（zhuāng）配的质量、成本有直接的影响。有（yǒu）关装配的结构设计（jì）准则简述如下（xià）：
      （1）合理（lǐ）划（huá）分装配单（dān）元：整机（jī）应能分解成若干可单（dān）独（dú）装配的单元（部件或组件（jiàn）），以实现平行且（qiě）专业化的（de）装配作业，缩短装配周期，并且便于（yú）逐级（jí）技术（shù）检验和维修。
      （2）使零部件得（dé）到正（zhèng）确安装：保证零件准（zhǔn）确的（de）定（dìng）位、避免双重配合、防止（zhǐ）装配错误。
      （3）使零部件便于装配和拆卸（xiè）：结构设计中，应（yīng）保（bǎo）证有足（zú）够的装（zhuāng）配（pèi）空间，如扳（bān）手空（kōng）间（jiān）；避免（miǎn）过长配合以免增（zēng）加装配难度，使（shǐ）配合面擦伤，如有些阶梯轴的设计；为便于拆卸（xiè）零（líng）件，应给出安放（fàng）拆卸工（gōng）具的位置，如轴承的拆卸。
      6.考（kǎo）虑维护修（xiū）理的设计准则
      （1) 产品的（de）配置应根据其故障率（lǜ）的高低（dī）、维修（xiū）的难易、尺寸和质量的大小以及安装（zhuāng）特点等统筹安排，凡需要维（wéi）修的零件部件，都应具（jù）有良（liáng）好的可达性；对故障率高（gāo）而又需要（yào）经常维修的部位及应急开关，应提（tí）供最佳（jiā）的可达性。
      （2) 产品特别是易损件、常拆件和附加设备的拆（chāi）装要简便（biàn），拆（chāi）装时零部件进出的路线最（zuì）好是直（zhí）线或平缓的曲线。
      （3) 产品的检查点（diǎn）、测试（shì）点等系统的维护点，都应布置在便于接近的位置上（shàng）。
      （4) 需要维修（xiū）和拆装（zhuāng）的产品，其周围要（yào）有足够（gòu）的操作空间。
      （5) 维修时一般应能看（kàn）见内部的操作，其通道除了能容纳（nà）维修人员（yuán）的手或臂外，还应（yīng）留有供观察的（de）适当间（jiān）隙。
      7.考虑（lǜ）造型设计的准则
      产品的设计不仅要（yào）满（mǎn）足功能要（yào）求，而且还（hái）应考虑产品（pǐn）造型（xíng）的美学价值，使之对人产生吸引力。从心理学角度看，人（rén）60%的（de）决定取决（jué）于第一（yī）印象。技术产品的社会属性是（shì）商（shāng）品，在买方市场的时代（dài），为产品设计一个能吸引顾客（kè）的外观是一个重要的设计要求；同时造型美观的产（chǎn）品可使（shǐ）操作者减（jiǎn）少因精力疲（pí）惫而产生的（de）误操作。
      外（wài）观（guān）设计包括三个方面：造（zào）型、颜色和表面处理。
      考（kǎo）虑（lǜ）造型时，应（yīng）注意尺寸比例协调、形状简（jiǎn）单统一以及色彩、图案的支持和点缀。　
      单色只使（shǐ）用于小构件。大的（de）特别是运动构件（jiàn）如果只（zhī）用一种颜色（sè）就会显得单调无层次，一个小小的附加色块（kuài）会使（shǐ）整个色调活跃起来。在多个颜色（sè）并存的情况（kuàng）下，应有一个起主导作用的底色，和（hé）底色相对应（yīng）的颜（yán）色叫（jiào）对比色。但在一（yī）个产品上，不同色调的数量不宜太多，太多的色彩会给人一种华而不实的感觉。
      舒服（fú）的色彩大约位于从浅（qiǎn）黄、绿黄到棕的（de）区域。这个趋势是渐（jiàn）暖，正黄正绿往往显得不舒服；强烈的灰色调显（xiǎn）得压抑。对于冷环（huán）境应用暖色，如黄、橙黄和红。对于热环境用（yòng）冷色，如浅（qiǎn）蓝。所有颜（yán）色都应淡（dàn）化。另外（wài），通过一定的色彩配置可使产品显得安全、稳固。将形状变化小的、面（miàn）积较大（dà）的平面（miàn）配置（zhì）浅色，而将运（yùn）动、活跃轮廓的元件配置深色；深色应（yīng）安置于机械的下部，浅色置于（yú）上部。
      8.考虑成（chéng）本的设计准则
      设计时应简化产品（pǐn）及维修操作：
      （1）设（shè）计（jì）时，要对产品（pǐn）功能（néng）进行分析（xī）权衡，合（hé）并相同或相似功（gōng）能，消（xiāo）除不必要的功能，以简化（huà）产品和（hé）维修操作。
      （2）设计时，应在（zài）满足规定（dìng）功能（néng）要求的条（tiáo）件下，使其构造简单，尽可能（néng）减少产品层（céng）次和（hé）组（zǔ）成单（dān）元的数量（liàng），并（bìng）简化零件的形（xíng）状（zhuàng）。
      （3）产品应尽量设计简便而可靠的调整（zhěng）机构，以便于排除（chú）因磨损或（huò）飘（piāo）移等原因引起的常见故障。对易发（fā）生局部耗损的贵重件（jiàn），应（yīng）设计（jì）成（chéng）可调整或可拆卸的组（zǔ）合件，以便于局部更换或修复。避免或减少互相（xiàng）牵连的反复调（diào）校。
      （4）要合理安排（pái）各组成部分的位置，减少连接件、固（gù）定（dìng）件、使（shǐ）其检测、换件等（děng）维修操作简单方便，尽可能做到在维修任一部分时，不拆（chāi）卸、不移动（dòng）或少拆卸、少移动其（qí）他部分（fèn），以（yǐ）降低对维修人员技能（néng）水平的（de）要求和工作量。


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      更新时间：2025-07-18 17:30 来源：jian.zzh5.guyuan.jian.ww38.viennacitytours.com