老師傅筆記：機械設計必須牢記的結構要素、基本要求和準則

機械結構設計的任務是依據設計任務在總體設計構想的基礎上，確定的原理方案，繪製出具體的結構圖，以實現設計所要求的功能。設計的過程是將抽象的工作原理具體化為某類構件或零部件，包含確定結構件的材料、形狀、尺寸、公差、熱處理方式和表面處理等，還須考慮其加工工藝、強度、剛度、精度以及與其它零件相互之間關係等問題。所以結構設計的直接產物雖是技術圖紙，但工作不是簡單的機械製圖，圖紙只是表達設計方案的工程語言，運用機構設計的各種技術將設計構想具體化是結構設計的基本內容。

1 機械結構件的結構要素和設計方法

1.1 結構件的幾何要素

機械結構的功能主要是靠機械零部件的幾何形狀及各個零部件之間的相對位置關係實現的。零部件的幾何形狀由它的表面所構成，一個零件通常有多個表面，在這些表面中有的與其它零部件表面直接接觸，把這一部分表面稱為功能表面。在功能表面之間的聯結部分稱為聯接表面。

零件的功能表面是決定機械功能的重要因素，功能表面的設計是零部件結構設計的核心。描述功能表面的主要幾何參數有表面的幾何形狀、尺寸大小、表面數量、位置、順序等。通過對功能表面的不同設計，可以得到為實現同一技術功能的多種結構方案。

1.2 結構件之間的關聯

在機器或機械中，任何零件都不是孤立存在的。因此在結構設計中除了研究零件本身的功能和相關特徵外，還必須研究零件之間的相互關係。

零件之間的相互關係分為直接相關和間接相關兩類。兩個零件有直接裝配關係的成為直接相關。沒有直接裝配關係的成為間接相關。間接相關又分為位置相關和運動相關兩類。位置相關是指兩零件在相互位置上有要求，如減速器中兩相鄰的傳動軸，其中心距必須保證一定的精度，兩軸線必須平行，以保證齒輪的正常嚙合。運動相關是指一零件的運動軌跡與另一零件有關，如車床刀架的運動軌跡必須平行於於主軸的中心線，這是靠床身導軌和主軸軸線相平行來保證的，所以主軸與導軌為位置相關，而刀架與主軸為運動相關。

多數零件都有兩個或更多的直接相關零件，故每個零件大都具有兩個或多個部位在結構上與其它零件有關。在進行結構設計時，兩零件直接相關部位結構必須同時考慮，以便合理地選擇材料的熱處理方式、形狀、尺寸、精度及表面等。同時還必須考慮滿足間接相關條件，如進行尺寸鏈和精度計算等。一般來說，若某零件直接相關零件愈多，其結構就愈複雜；某零件的間接相關零件愈多，其精度要求愈高。

1.3 結構設計中結構件的材料

零件設計中可以選擇的材料眾多，不同的材料具有不同的性質，不同的材料對應不同的加工工藝，設計中既要根據功能要求合理地選擇適當的材料，又要根據材料的種類確定適當的加工工藝，並根據加工工藝的要求確定適當的結構，只有通過適當的結構設計才能使所選擇的材料最充分的發揮優勢。

設計者要做到正確地選擇零件的材料就必須充分地了解相關材料的力學性能、加工性能、使用成本等信息。結構設計中應根據所選材料的特性及其所對應的加工工藝而遵循不同的設計原則。

2 機械結構設計的基本要求

機械產品應用於各行各業，結構設計的具體內容和要求也是千差萬別，但結構設計的基本要求是共通的。下面就機械結構設計的三個不同層次來說明對結構設計的要求。

2.1 功能設計

滿足主要機械功能要求，在技術上的具體化。如工作原理的實現、工作的可靠性、工藝、材料和裝配等方面。

2.2 質量設計

兼顧各種要求和限制，提高產品的質量和性價比，是現代工程設計的特徵。具體為操作性、美觀性、安全性、成本、環保等因素。在現代設計中，質量設計相當重要，往往決定產品的競爭力。那種只關注滿足主要技術功能要求的設計思想已成為過去，統籌兼顧各種要求，在滿足主要功能的前提下對其他要求適當作出平衡和取捨，提高產品的質量，是現代機械設計的核心所在。

2.3 優化設計和創新設計

用結構設計變元等方法系統地構造優化設計空間，用創造性設計思維方法和其它科學方法進行優選和創新。

3 機械結構基本設計準則

機械設計的最終結果是將確定的結構形式以圖紙表達出來的，按所設計的圖紙進行加工、裝配，製造出最終的產品。所以，機械結構設計應滿足作為產品的多方面要求，基本要求有功能性、可靠性、工藝性、經濟性和外觀造型等方面的要求。此外，還應改善零件的受力，提高強度、剛度、精度和壽命。因此，機械結構設計是一項綜合性的技術工作。由於結構設計的不合理或錯誤，可能造成零部件不應有的失效，使機器達不到設計精度的要求，給裝配和維修帶來極大的不方便。機械結構設計過程中應考慮如下的結構設計準則。

3.1 實現預期功能的設計準則

產品的設計主要目的是為了實現預定的功能要求，因此實現預期功能的設計準則是結構設計首先考慮的問題。要滿足功能要求，必須做到以下幾點。

（1）明確功能:結構設計是要根據其在機器中的功能和與其他零部件相互的連接關係，確定參數尺寸和結構形狀。零部件主要的功能有承受載荷、傳遞運動和動力，以及保證或保持有關零件或部件之間的相對位置或運動軌跡等。設計的結構應能滿足從機器整體考慮對它的功能要求。

（2）功能分配：產品設計時，根據具體情況，通常有必要將任務進行合理的分配，即將一個功能分解為多個分功能。每個分功能都要有確定的結構承擔，各部分結構之間應具有合理、協調的聯繫，以達到總功能的實現。多結構零件承擔同一功能可以減輕零件負擔，延長使用壽命。例如如V型帶截面的結構是任務合理分配的一個例子。纖維繩用來承受拉力；橡膠填充層承受帶彎曲時的拉伸和壓縮；包布層與帶輪輪槽作用，產生傳動所需的摩擦力。例如若只靠螺栓預緊產生的摩擦力來承受橫向載荷時，會使螺栓的尺寸過大，可增加抗剪元件，如銷、套筒和鍵等，以分擔橫向載荷來解決這一問題。

（3）功能集中：為了簡化機械產品的結構，降低加工成本，便於安裝，在某些情況下，可由一個零件或部件承擔多個功能。功能集中會使零件的形狀更加複雜，所以要適度，否則會增加加工難度、反而增加加工成本，設計時應根據具體情況而定。

3.2 滿足強度要求的設計準則

（1）等強度準則：零件截面尺寸的變化應與其內應力變化相適應，使各截面的強度相等。按等強度原理設計的結構，材料可以得到充分的利用，從而減輕了重量、降低成本。如懸臂支架、階梯軸的設計等。

（2）合理力流結構：為了直觀地表示力在機械構件中怎樣傳遞的狀態，將力看作猶如水在構件中流動，這些力線匯成力流。表示這個力的流動在結構設計考察中起著重要的作用。力流在構件中不會中斷，任何一條力線都不會突然消失，必然是從一處傳入，從另一處傳出。力流的另一個特性是它傾向於沿最短的路線傳遞，從而在最短路線附近力流密集，形成高應力區。其它部位力流稀疏，甚至沒有力流通過，從應力角度上講，材料未能充分利用。因此，為了提高構件的剛度，儘可能按力流最短路線來設計零件的形狀，減少承載區域，從而累積變形越小，提高了整個構件的剛度，使材料得到充分利用。

（3） 減小應力集中結構：當力流方向急劇轉折時，力流在轉折處會過於密集，從而引起應力集中，設計中應在結構上採取措施，使力流轉向平緩。應力集中是影響零件疲勞強度的重要因素。結構設計時，應盡量避免或減小應力集中，如增大過度圓角、採用卸載結構等。

（4）使載荷平衡結構：在機器工作時，常產生一些無用的力，如慣性力、斜齒輪軸向力等，這些力不但增加了軸和軸襯等零件的負荷，降低其精度和壽命，同時也降低了機器的傳動效率。所謂載荷平衡就是指採取結構措施部分或全部平衡無用力，以減輕或消除其不良的影響。這些結構措施主要採用平衡元件、對稱布置等。

3.3 滿足結構剛度的設計準則

為保證零件在使用期限內正常地實現其功能，必須使其具有足夠的剛度。

3.4 考慮加工工藝的設計準則

機械零部件結構設計的主要目的是：保證功能的實現，使產品達到要求的性能。但是，結構設計的合理性直接影響零部件的生產成本及質量。因此，在結構設計中應力求零件機構有良好的加工工藝性。所謂好的加工工藝指的是零件的結構易於加工製造，任何一種加工方法都有其局限性，或生產成本很高，或質量受到影響。因此，設計者了解各種加工方式的特點非常重要，以便在設計結構時儘可能的揚長避短。實際生產時，零部件結構工藝性受到諸多因素的制約，如生產批量的大小會影響坯件的生成方法；生產設備的條件可能會限制工件的尺寸；此外，造型、精度、熱處理、成本等方面都有可能對零部件結構的工藝性有制約作用。因此，結構設計中應充分考慮上述因素對工藝性的影響。

3.5 考慮裝配的設計準則

裝配是產品製造過程中的重要工序，零部件的結構對裝配的質量、成本有直接的影響。有關裝配的結構設計準則簡述如下：

（1）合理劃分裝配單元：整機應能分解成若干可單獨裝配的單元（部件或組件），以實現平行且專業化的裝配作業，縮短裝配周期，並且便於逐級技術檢驗和維修。

（2）使零部件得到正確安裝：保證零件準確的定位、避免雙重配合、防止裝配錯誤。

（3）使零部件便於裝配和拆卸：結構設計中，應保證有足夠的裝配空間，如扳手空間；避免過長配合以免增加裝配難度，使配合面擦傷，如有些階梯軸的設計；為便於拆卸零件，應給出安放拆卸工具的位置，如軸承的拆卸。

3.6 考慮維護修理的設計準則

（1）產品的配置應根據其故障率的高低、維修的難易、尺寸和質量的大小以及安裝特點等統籌安排，凡需要維修的零件部件，都應具有良好的可達性；對故障率高而又需要經常維修的部位及應急開關，應提供最佳的可達性。

（2）產品特別是易損件、常拆件和附加設備的拆裝要簡便，拆裝時零部件進出的路線最好是直線或平緩的曲線。

（3）產品的檢查點、測試點等系統的維護點，都應布置在便於接近的位置上。

（4）需要維修和拆裝的產品，其周圍要有足夠的操作空間。

（5) 維修時一般應能看見內部的操作，其通道除了能容納維修人員的手或臂外，還應留有供觀察的適當間隙。

3.7 考慮造型設計的準則

產品的設計不僅要滿足使用要求，而且還應考慮產品造型的美學價值，使之對人產生吸引力，簡單的講就是既好用還要美觀。從心理學角度看，人60%的決定取決於第一印象。技術產品的社會屬性是商品，在買方市場的時代，為產品設計一個能吸引顧客的外觀是一個重要的設計要求；同時造型美觀的產品可使操作者減少因精力疲憊而產生的誤操作。

外觀設計包括三個方面：造型、顏色和表面處理。

考慮造型時，應注意尺寸比例協調、形狀簡單統一以及色彩、圖案的支持和點綴。

單色只使用於小構件。大的特別是運動構件如果只用一種顏色就會顯得單調無層次，一個小小的附加色塊會使整個色調活躍起來。在多個顏色並存的情況下，應有一個起主導作用的底色，和底色相對應的顏色叫對比色。但在一個產品上，不同色調的數量不宜太多，太多的色彩會給人一種華而不實的感覺。

舒服的色彩大約位於從淺黃、綠黃到棕的區域。這個趨勢是漸暖，正黃正綠往往顯得不舒服；強烈的灰色調顯得壓抑。對於冷環境應用暖色，如黃、橙黃和紅。對於熱環境用冷色，如淺藍。所有顏色都應淡化。另外，通過一定的色彩配置可使產品顯得安全、穩固。將形狀變化小的、面積較大的平面配置淺色，而將運動、活躍輪廓的元件配置深色；深色應安置於機械的下部，淺色置於上部。

3.8 考慮成本的設計準則

設計時應簡化產品及維修操作：

（1）設計時，要對產品功能進行分析權衡，合併相同或相似功能，消除不必要的功能，以簡化產品和維修操作。

（2）設計時，應在滿足規定功能要求的前提下，使其構造簡單，儘可能減少產品層次和組成單元的數量，並簡化零件的形狀。

（3） 產品應盡量設計簡便而可靠的調整機構，以便於排除因磨損或飄移等原因引起的常見故障。對易發生局部耗損的貴重件，應設計成可調整或可拆卸的組合件，以便於局部更換或修復。避免或減少互相牽連的反覆調校。

（4）要合理安排各組成部分的位置，減少連接件、固定件、使其檢測、換件等維修操作簡單方便，儘可能做到在維修任一部分時，不拆卸、不移動或少拆卸、少移動其他部分，以降低對維修人員技能水平的要求和工作量。

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