机械设计必看，结构设计在大神眼里是怎样的？

机械设计必看，结构设计在大神眼里是怎样的？

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机械结构设计的任務(wù)是依据设计任務(wù)在总體(tǐ)设计构想的基础上，确定的原理(lǐ)方案，绘制出具體(tǐ)的结构图，以实现设计所要求的功能(néng)。设计的过程是将抽象的工作原理(lǐ)具體(tǐ)化為(wèi)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(lǐ)方式和表面处理(lǐ)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(wù)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(yòng)机构设计的各种技术将设计构想具體(tǐ)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(néng)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(yǒu)多(duō)个表面，在这些表面中有(yǒu)的与其它零部件表面直接接触，把这一部分(fēn)表面称為(wèi)功能(néng)表面。在功能(néng)表面之间的联结部分(fēn)称為(wèi)联接表面。　

零件的功能(néng)表面是决定机械功能(néng)的重要因素，功能(néng)表面的设计是零部件结构设计的核心。描述功能(néng)表面的主要几何参数有(yǒu)表面的几何形状、尺寸大小(xiǎo)、表面数量、位置、顺序等。通过对功能(néng)表面的不同设计，可(kě)以得到為(wèi)实现同一技术功能(néng)的多(duō)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(néng)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(fēn)為(wèi)直接相关和间接相关两类。两个零件有(yǒu)直接装配关系的成為(wèi)直接相关。没有(yǒu)直接装配关系的成為(wèi)间接相关。间接相关又(yòu)分(fēn)為(wèi)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(yǒu)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，两轴線(xiàn)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(yǒu)关，如車(chē)床刀(dāo)架的运动轨迹必须平行于于主轴的中心線(xiàn)，这是靠床身导轨和主轴轴線(xiàn)相平行来保证的，所以主轴与导轨為(wèi)位置相关，而刀(dāo)架与主轴為(wèi)运动相关。

多(duō)数零件都有(yǒu)两个或更多(duō)的直接相关零件，故每个零件大都具有(yǒu)两个或多(duō)个部位在结构上与其它零件有(yǒu)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(lǐ)地选择材料的热处理(lǐ)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(duō)，其结构就愈复杂；某零件的间接相关零件愈多(duō)，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(kě)以选择的材料众多(duō)，不同的材料具有(yǒu)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(néng)要求合理(lǐ)地选择适当的材料，又(yòu)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(yǒu)通过适当的结构设计才能(néng)使所选择的材料最充分(fēn)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(fēn)地了解相关材料的力學(xué)性能(néng)、加工性能(néng)、使用(yòng)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(yòng)于各行各业，结构设计的具體(tǐ)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(néng)设计

 

满足主要机械功能(néng)要求，在技术上的具體(tǐ)化。如工作原理(lǐ)的实现、工作的可(kě)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。具體(tǐ)為(wèi)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(néng)要求的设计思想已成為(wèi)过去，统筹兼顾各种要求，在满足主要功能(néng)的前提下对其他(tā)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(xīn)设计

 

用(yòng)结构设计变元等方法系统地构造优化设计空间，用(yòng)创造性设计思维方法和其它科(kē)學(xué)方法进行优选和创新(xīn)。

 

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為(wèi)产品的多(duō)方面要求，基本要求有(yǒu)功能(néng)性、可(kě)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(lǐ)或错误，可(kě)能(néng)造成零部件不应有(yǒu)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(néng)的设计准则

 

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

（1）明确功能(néng):结构设计是要根据其在机器中的功能(néng)和与其他(tā)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(néng)有(yǒu)承受载荷、传递运动和动力，以及保证或保持有(yǒu)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(néng)满足从机器整體(tǐ)考虑对它的功能(néng)要求。

（2）功能(néng)分(fēn)配：产品设计时，根据具體(tǐ)情况，通常有(yǒu)必要将任務(wù)进行合理(lǐ)的分(fēn)配，即将一个功能(néng)分(fēn)解為(wèi)多(duō)个分(fēn)功能(néng)。每个分(fēn)功能(néng)都要有(yǒu)确定的结构承担，各部分(fēn)结构之间应具有(yǒu)合理(lǐ)、协调的联系，以达到总功能(néng)的实现。多(duō)结构零件承担同一功能(néng)可(kě)以减轻零件负担，延長(cháng)使用(yòng)寿命。例如如V型带截面的结构是任務(wù)合理(lǐ)分(fēn)配的一个例子。纤维绳用(yòng)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(yòng)，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(kě)增加抗剪元件，如销、套筒和键等，以分(fēn)担横向载荷来解决这一问题。

（3）功能(néng)集中：為(wèi)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(kě)由一个零件或部件承担多(duō)个功能(néng)。功能(néng)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，设计时应根据具體(tǐ)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(lǐ)设计的结构，材料可(kě)以得到充分(fēn)的利用(yòng)，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(lǐ)力流结构：為(wèi)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，这些力線(xiàn)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(yòng)。力流在构件中不会中断，任何一条力線(xiàn)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線(xiàn)传递，从而在最短路線(xiàn)附近力流密集，形成高应力區(qū)。其它部位力流稀疏，甚至没有(yǒu)力流通过，从应力角度上讲，材料未能(néng)充分(fēn)利用(yòng)。因此，為(wèi)了提高构件的刚度，尽可(kě)能(néng)按力流最短路線(xiàn)来设计零件的形状，减少承载區(qū)域，从而累积变形越小(xiǎo)，提高了整个构件的刚度，使材料得到充分(fēn)利用(yòng)。

（3） 减小(xiǎo)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(xiǎo)应力集中，如增大过度圆角、采用(yòng)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(yòng)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(fēn)或全部平衡无用(yòng)力，以减轻或消除其不良的影响。这些结构措施主要采用(yòng)平衡元件、对称布置等。

3.3 满足结构刚度的设计准则

 

為(wèi)保证零件在使用(yòng)期限内正常地实现其功能(néng)，必须使其具有(yǒu)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(néng)的实现，使产品达到要求的性能(néng)。但是，结构设计的合理(lǐ)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(yǒu)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(yǒu)其局限性，或生产成本很(hěn)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(kě)能(néng)的扬長(cháng)避短。实际生产时，零部件结构工艺性受到诸多(duō)因素的制约，如生产批量的大小(xiǎo)会影响坯件的生成方法；生产设备的条件可(kě)能(néng)会限制工件的尺寸；此外，造型、精度、热处理(lǐ)、成本等方面都有(yǒu)可(kě)能(néng)对零部件结构的工艺性有(yǒu)制约作用(yòng)。因此，结构设计中应充分(fēn)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(yǒu)直接的影响。有(yǒu)关装配的结构设计准则简述如下：

（1）合理(lǐ)划分(fēn)装配单元：整机应能(néng)分(fēn)解成若干可(kě)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(yǒu)足够的装配空间，如扳手空间；避免过長(cháng)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；為(wèi)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(lǐ)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(xiǎo)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(yǒu)良好的可(kě)达性；对故障率高而又(yòu)需要经常维修的部位及应急开关，应提供最佳的可(kě)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線(xiàn)最好是直線(xiàn)或平缓的曲線(xiàn)。

（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(yǒu)足够的操作空间。

（5) 维修时一般应能(néng)看见内部的操作，其通道除了能(néng)容纳维修人员的手或臂外，还应留有(yǒu)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(yòng)要求，而且还应考虑产品造型的美學(xué)价值，使之对人产生吸引力，简单的讲就是既好用(yòng)还要美观。从心理(lǐ)學(xué)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(shāng)品，在买方市场的时代，為(wèi)产品设计一个能(néng)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(kě)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(lǐ)。

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(yòng)于小(xiǎo)构件。大的特别是运动构件如果只用(yòng)一种颜色就会显得单调无层次，一个小(xiǎo)小(xiǎo)的附加色块会使整个色调活跃起来。在多(duō)个颜色并存的情况下，应有(yǒu)一个起主导作用(yòng)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(duō)，太多(duō)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、绿黄到棕的區(qū)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(yòng)暖色，如黄、橙黄和红。对于热环境用(yòng)冷色，如浅蓝。所有(yǒu)颜色都应淡化。另外，通过一定的色彩配置可(kě)使产品显得安全、稳固。将形状变化小(xiǎo)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(néng)进行分(fēn)析权衡，合并相同或相似功能(néng)，消除不必要的功能(néng)，以简化产品和维修操作。

（2）设计时，应在满足规定功能(néng)要求的前提下，使其构造简单，尽可(kě)能(néng)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(kě)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(kě)调整或可(kě)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(lǐ)安排各组成部分(fēn)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(kě)能(néng)做到在维修任一部分(fēn)时，不拆卸、不移动或少拆卸、少移动其他(tā)部分(fēn)，以降低对维修人员技能(néng)水平的要求和工作量。