机械结构设计的方法、要求与准则

机械结构设计的任务是依据设计任务在总体设计构想的基础上，确定的原理方案，绘制出具体的结构图，以实现设计所要求的功能。设计的过程是将抽象的工作原理具体化为某类构件或零部件，包含确定结构件的材料、形状、尺寸、公差、热处理方式和表面处理等，还须考虑其加工工艺、强度、刚度、精度以及与其它零件相互之间关系等问题。所以结构设计的直接产物虽是技术图纸，但工作不是简单的机械制图，图纸只是表达设计方案的工程语言，运用机构设计的各种技术将设计构想具体化是结构设计的基本内容。

1.机械结构件的结构要素和设计方法

1.1 结构件的几何要素

      机械结构的功能主要是靠机械零部件的几何形状及各个零部件之间的相对位置关系实现的。零部件的几何形状由它的表面所构成，一个零件通常有多个表面，在这些表面中有的与其它零部件表面直接接触，把这一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。

   　零件的功能表面是决定机械功能的重要因素，功能表面的设计是零部件结构设计的核心。描述功能表面的主要几何参数有表面的几何形状、尺寸大小、表面数量、位置、顺序等。通过对功能表面的不同设计，可以得到为实现同一技术功能的多种结构方案。

1.2 结构件之间的关联

     在机器或机械中，任何零件都不是孤立存在的。因此在结构设计中除了研究零件本身的功能和相关特征外，还必须研究零件之间的相互关系。　

     零件之间的相互关系分为直接相关和间接相关两类。两个零件有直接装配关系的成为直接相关。没有直接装配关系的成为间接相关。间接相关又分为位置相关和运动相关两类。位置相关是指两零件在相互位置上有要求，如减速器中两相邻的传动轴，其中心距必须保证一定的精度，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动轨迹与另一零件有关，如车床刀架的运动轨迹必须平行于于主轴的中心线，这是靠床身导轨和主轴轴线相平行来保证的，所以主轴与导轨为位置相关，而刀架与主轴为运动相关。

     多数零件都有两个或更多的直接相关零件，故每个零件大都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结构必须同时考虑，以便合理地选择材料的热处理方式、形状、尺寸、精度及表面等。同时还必须考虑满足间接相关条件，如进行尺寸链和精度计算等。一般来说，若某零件直接相关零件愈多，其结构就愈复杂；某零件的间接相关零件愈多，其精度要求愈高。

1.3 结构设计中结构件的材料

      零件设计中可以选择的材料众多，不同的材料具有不同的性质，不同的材料对应不同的加工工艺，设计中既要根据功能要求合理地选择适当的材料，又要根据材料的种类确定适当的加工工艺，并根据加工工艺的要求确定适当的结构，只有通过适当的结构设计才能使所选择的材料最充分的发挥优势。

      设计者要做到正确地选择零件的材料就必须充分地了解相关材料的力学性能、加工性能、使用成本等信息。结构设计中应根据所选材料的特性及其所对应的加工工艺而遵循不同的设计原则。

2.机械结构设计的基本要求

     机械产品应用于各行各业，结构设计的具体内容和要求也是千差万别，但结构设计的基本要求是共通的。下面就机械结构设计的三个不同层次来说明对结构设计的要求。

2.1 功能设计

      满足主要机械功能要求，在技术上的具体化。如工作原理的实现、工作的可靠性、工艺、材料和装配等方面。

2.2 质量设计

     兼顾各种要求和限制，提高产品的质量和性价比，是现代工程设计的特征。具体为操作性、美观性、安全性、成本、环保等因素。在现代设计中，质量设计相当重要，往往决定产品的竞争力。那种只关注满足主要技术功能要求的设计思想已成为过去，统筹兼顾各种要求，在满足主要功能的前提下对其他要求适当作出平衡和取舍，提高产品的质量，是现代机械设计的核心所在。

2.3 优化设计和创新设计

      用结构设计变元等方法系统地构造优化设计空间，用创造性设计思维方法和其它科学方法进行优选和创新。

3.机械结构基本设计准则

      机械设计的最终结果是将确定的结构形式以图纸表达出来的，按所设计的图纸进行加工、装配，制造出最终的产品。所以，机械结构设计应满足作为产品的多方面要求，基本要求有功能性、可靠性、工艺性、经济性和外观造型等方面的要求。此外，还应改善零件的受力，提高强度、刚度、精度和寿命。因此，机械结构设计是一项综合性的技术工作。由于结构设计的不合理或错误，可能造成零部件不应有的失效，使机器达不到设计精度的要求，给装配和维修带来极大的不方便。机械结构设计过程中应考虑如下的结构设计准则。

3.1 实现预期功能的设计准则

     产品的设计主要目的是为了实现预定的功能要求，因此实现预期功能的设计准则是结构设计首先考虑的问题。要满足功能要求，必须做到以下几点。

    （1）明确功能：结构设计是要根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。零部件主要的功能有承受载荷、传递运动和动力，以及保证或保持有关零件或部件之间的相对位置或运动轨迹等。设计的结构应能满足从机器整体考虑对它的功能要求。

    （2）功能分配：产品设计时，根据具体情况，通常有必要将任务进行合理的分配，即将一个功能分解为多个分功能。每个分功能都要有确定的结构承担，各部分结构之间应具有合理、协调的联系，以达到总功能的实现。多结构零件承担同一功能可以减轻零件负担，延长使用寿命。例如如V型带截面的结构是任务合理分配的一个例子。纤维绳用来承受拉力；橡胶填充层承受带弯曲时的拉伸和压缩；包布层与带轮轮槽作用，产生传动所需的摩擦力。例如若只靠螺栓预紧产生的摩擦力来承受横向载荷时，会使螺栓的尺寸过大，可增加抗剪元件，如销、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构，降低加工成本，便于安装，在某些情况下，可由一个零件或部件承担多个功能。功能集中会使零件的形状更加复杂，所以要适度，否则会增加加工难度、反而增加加工成本，设计时应根据具体情况而定。

3.2 满足强度要求的设计准则

    （1）等强度准则：零件截面尺寸的变化应与其内应力变化相适应，使各截面的强度相等。按等强度原理设计的结构，材料可以得到充分的利用，从而减轻了重量、降低成本。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中流动，这些力线汇成力流。表示这个力的流动在结构设计考察中起着重要的作用。力流在构件中不会中断，任何一条力线都不会突然消失，必然是从一处传入，从另一处传出。力流的另一个特性是它倾向于沿最短的路线传递，从而在最短路线附近力流密集，形成高应力区。其它部位力流稀疏，甚至没有力流通过，从应力角度上讲，材料未能充分利用。因此，为了提高构件的刚度，尽可能按力流最短路线来设计零件的形状，减少承载区域，从而累积变形越小，提高了整个构件的刚度，使材料得到充分利用。

    （3）减小应力集中结构：当力流方向急剧转折时，力流在转折处会过于密集，从而引起应力集中，设计中应在结构上采取措施，使力流转向平缓。应力集中是影响零件疲劳强度的重要因素。结构设计时，应尽量避免或减小应力集中，如增大过度圆角、采用卸载结构等。

    （4）使载荷平衡结构：在机器工作时，常产生一些无用的力，如惯性力、斜齿轮轴向力等，这些力不但增加了轴和轴衬等零件的负荷，降低其精度和寿命，同时也降低了机器的传动效率。所谓载荷平衡就是指采取结构措施部分或全部平衡无用力，以减轻或消除其不良的影响。这些结构措施主要采用平衡元件、对称布置等。

3.3 满足结构刚度的设计准则

     为保证零件在使用期限内正常地实现其功能，必须使其具有足够的刚度。

3.4 考虑加工工艺的设计准则

      机械零部件结构设计的主要目的是：保证功能的实现，使产品达到要求的性能。但是，结构设计的合理性直接影响零部件的生产成本及质量。因此，在结构设计中应力求零件机构有良好的加工工艺性。所谓好的加工工艺指的是零件的结构易于加工制造，任何一种加工方法都有其局限性，或生产成本很高，或质量受到影响。因此，设计者了解各种加工方式的特点非常重要，以便在设计结构时尽可能的扬长避短。实际生产时，零部件结构工艺性受到诸多因素的制约，如生产批量的大小会影响坯件的生成方法；生产设备的条件可能会限制工件的尺寸；此外，造型、精度、热处理、成本等方面都有可能对零部件结构的工艺性有制约作用。因此，结构设计中应充分考虑上述因素对工艺性的影响。

3.5 考虑装配的设计准则

     装配是产品制造过程中的重要工序，零部件的结构对装配的质量、成本有直接的影响。有关装配的结构设计准则简述如下：

    （1）合理划分装配单元：整机应能分解成若干可单独装配的单元（部件或组件），以实现平行且专业化的装配作业，缩短装配周期，并且便于逐级技术检验和维修。

    （2）使零部件得到正确安装：保证零件准确的定位、避免双重配合、防止装配错误。

    （3）使零部件便于装配和拆卸：结构设计中，应保证有足够的装配空间，如扳手空间；避免过长配合以免增加装配难度，使配合面擦伤，如有些阶梯轴的设计；为便于拆卸零件，应给出安放拆卸工具的位置，如轴承的拆卸。

3.6 考虑维护修理的设计准则

    （1）产品的配置应根据其故障率的高低、维修的难易、尺寸和质量的大小以及安装特点等统筹安排，凡需要维修的零件部件，都应具有良好的可达性；对故障率高而又需要经常维修的部位及应急开关，应提供最佳的可达性。

    （2）产品特别是易损件、常拆件和附加设备的拆装要简便，拆装时零部件进出的路线最好是直线或平缓的曲线。

    （3）产品的检查点、测试点等系统的维护点，都应布置在便于接近的位置上。

    （4）需要维修和拆装的产品，其周围要有足够的操作空间。

    （5) 维修时一般应能看见内部的操作，其通道除了能容纳维修人员的手或臂外，还应留有供观察的适当间隙。

3.7 考虑造型设计的准则

     产品的设计不仅要满足使用要求，而且还应考虑产品造型的美学价值，使之对人产生吸引力，简单的讲就是既好用还要美观。从心理学角度看，人60%的决定取决于第一印象。技术产品的社会属性是商品，在买方市场的时代，为产品设计一个能吸引顾客的外观是一个重要的设计要求；同时造型美观的产品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：造型、颜色和表面处理。

     考虑造型时，应注意尺寸比例协调、形状简单统一以及色彩、图案的支持和点缀。

     单色只使用于小构件。大的特别是运动构件如果只用一种颜色就会显得单调无层次，一个小小的附加色块会使整个色调活跃起来。在多个颜色并存的情况下，应有一个起主导作用的底色，和底色相对应的颜色叫对比色。但在一个产品上，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。

      舒服的色彩大约位于从浅黄、绿黄到棕的区域。这个趋势是渐暖，正黄正绿往往显得不舒服；强烈的灰色调显得压抑。对于冷环境应用暖色，如黄、橙黄和红。对于热环境用冷色，如浅蓝。所有颜色都应淡化。另外，通过一定的色彩配置可使产品显得安全、稳固。将形状变化小的、面积较大的平面配置浅色，而将运动、活跃轮廓的元件配置深色；深色应安置于机械的下部，浅色置于上部。

3.8 考虑成本的设计准则

     设计时应简化产品及维修操作：

    （1）设计时，要对产品功能进行分析权衡，合并相同或相似功能，消除不必要的功能，以简化产品和维修操作。

    （2）设计时，应在满足规定功能要求的前提下，使其构造简单，尽可能减少产品层次和组成单元的数量，并简化零件的形状。

    （3）产品应尽量设计简便而可靠的调整机构，以便于排除因磨损或飘移等原因引起的常见故障。对易发生局部耗损的贵重件，应设计成可调整或可拆卸的组合件，以便于局部更换或修复。避免或减少互相牵连的反复调校。

    （4）要合理安排各组成部分的位置，减少连接件、固定件、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时，不拆卸、不移动或少拆卸、少移动其他部分，以降低对维修人员技能水平的要求和工作量。