机械结构件的结构要素和设计方法，机械结构设计的基本要求

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，绘制出详细的结构图，以实现设计所要求的功效。设计的历程是将抽象的事情原理详细化为某类构件或零部件，包罗确定结构件的质料、形状、尺寸、公差、热处置惩罚方式和外貌处置惩罚等，还须思量其加工工艺、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，但事情不是简朴的机械制图，图纸只是表达设计方案的工程语言，运用机构设计的种种技术将设计构想详细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效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外貌所组成，一个零件通常有多个外貌，在这些外貌中有的与其它零部件外貌直接接触，把这一部门外貌称为功效外貌。在功效外貌之间的联络部门称为联接外貌。零件的功效外貌是决议机械功效的重要因素，功效外貌的设计是零部件结构设计的焦点。

形貌功效外貌的主要几何参数有外貌的几何形状、尺寸巨细、外貌数量、位置、顺序等。通过对功效外貌的差别设计，可以获得为实现同一技术功效的多种结构方案。1.2 结构件之间的关联在机械或机械中，任何零件都不是伶仃存在的。

因此在结构设计中除了研究零件自己的功效和相关特征外，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，故每个零件多数具有两个或多个部位在结构上与其它零件有关。在举行结构设计时，两零件直接相关部位结构必须同时思量，以便合理地选择质料的热处置惩罚方式、形状、尺寸、精度及外貌等。

同时还必须思量满足间接相关条件，如举行尺寸链和精度盘算等。一般来说，若某零件直接相关零件愈多，其结构就愈庞大；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质料零件设计中可以选择的质料众多，差别的质料具有差别的性质，差别的质料对应差别的加工工艺，设计中既要凭据功效要求合理地选择适当的质料，又要凭据质料的种类确定适当的加工工艺，并凭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气使所选择的质料最充实的发挥优势。设计者要做到正确地选择零件的质料就必须充实地相识相关质料的力学性能、加工性能、使用成本等信息。

结构设计中应凭据所选质料的特性及其所对应的加工工艺而遵循差别的设计原则。2 机械结构设计的基本要求机械产物应用于各行各业，结构设计的详细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差别条理来说明对结构设计的要求。2.1 功效设计满足主要机械功效要求，在技术上的详细化。

如事情原理的实现、事情的可靠性、工艺、质料和装配等方面。2.2 质量设计兼顾种种要求和限制，提高产物的质量和性价比，是现代工程设计的特征。详细为操作性、雅观性、宁静性、成本、环保等因素。

在现代设计中，质量设计相当重要，往往决议产物的竞争力。那种只关注满足主要技术功效要求的设计思想已成为已往，统筹兼顾种种要求，在满足主要功效的前提下对其他要求适看成出平衡和取舍，提高产物的质量，是现代机械设计的焦点所在。2.3 优化设计和创新设计用结构设计变元等方法系统地结构优化设计空间，用缔造性设计思维方法和其它科学方法举行优选和创新。

3 机械结构基本设计准则机械设计的最终效果是将确定的结构形式以图纸表达出来的，按所设计的图纸举行加工、装配，制造出最终的产物。所以，机械结构设计应满足作为产物的多方面要求，基本要求有功效性、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事情。

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，使机械达不到设计精度的要求，给装配和维修带来极大的不利便。机械结构设计历程中应思量如下的结构设计准则。3.1 实现预期功效的设计准则产物的设计主要目的是为了实现预定的功效要求，因此实现预期功效的设计准则是结构设计首先思量的问题。

要满足功效要求，必须做到以下几点。（1）明确功效:结构设计是要凭据其在机械中的功效和与其他零部件相互的毗连关系，确定参数尺寸和结构形状。零部件主要的功效有蒙受载荷、通报运动和动力，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械整体思量对它的功效要求。（2）功效分配：产物设计时，凭据详细情况，通常有须要将任务举行合理的分配，即将一个功效剖析为多个分功效。每个分功效都要有确定的结构负担，各部门结构之间应具有合理、协调的联系，以到达总功效的实现。

多结构零件负担同一功效可以减轻零件肩负，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。

纤维绳用来蒙受拉力；橡胶填充层蒙受带弯曲时的拉伸和压缩；包布层与带轮轮槽作用，发生传动所需的摩擦力。例如若只靠螺栓预紧发生的摩擦力来蒙受横向载荷时，会使螺栓的尺寸过大，可增加抗剪元件，如销、套筒和键等，以分管横向载荷来解决这一问题。

（3）功效集中：为了简化机械产物的结构，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负担多个功效。功效集中会使零件的形状越发庞大，所以要适度，否则会增加加工难度、反而增加加工成本，设计时应凭据详细情况而定。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，质料可以获得充实的使用，从而减轻了重量、降低成本。

如悬臂支架、门路轴的设计等。（2）合理力流结构：为了直观地表现力在机械构件中怎样通报的状态，将力看作犹如水在构件中流动，这些力线汇成力流。表现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，一定是从一处传入，从另一处传出。

力流的另一个特性是它倾向于沿最短的门路通报，从而在最短门路四周力流麋集，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，质料未能充实使用。因此，为了提高构件的刚度，尽可能按力流最短门路来设计零件的形状，淘汰承载区域，从而累积变形越小，提高了整个构件的刚度，使质料获得充实使用。

（3） 减小应力集中结构：当力流偏向急剧转折时，力流在转折处会过于麋集，从而引起应力集中，设计中应在结构上接纳措施，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，应只管制止或减小应力集中，如增大过分圆角、接纳卸载结构等。（4）使载荷平衡结构：在机械事情时，常发生一些无用的力，如惯性力、斜齿轮轴向力等，这些力不光增加了轴和轴衬等零件的负荷，降低其精度和寿命，同时也降低了机械的传动效率。

所谓载荷平衡就是指接纳结构措施部门或全部平衡无用力，以减轻或消除其不良的影响。这些结构措施主要接纳平衡元件、对称部署等。

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效，必须使其具有足够的刚度。3.4 思量加工工艺的设计准则机械零部件结构设计的主要目的是：保证功效的实现，使产物到达要求的性能。可是，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，在结构设计中应力图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，设计者相识种种加工方式的特点很是重要，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，如生产批量的巨细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、热处置惩罚、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，结构设计中应充实思量上述因素对工艺性的影响。

3.5 思量装配的设计准则装配是产物制造历程中的重要工序，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：整机应能剖析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，而且便于逐级技术磨练和维修。

（2）使零部件获得正确安装：保证零件准确的定位、制止双重配合、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；制止过长配合以免增加装配难度，使配合面擦伤，如有些门路轴的设计；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 思量维护修理的设计准则（1）产物的设置应凭据其故障率的崎岖、维修的难易、尺寸和质量的巨细以及安装特点等统筹摆设，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）产物特别是易损件、常拆件和附加设备的拆装要轻便，拆装时零部件收支的门路最好是直线或平缓的曲线。（3）产物的检查点、测试点等系统的维护点，都应部署在便于靠近的位置上。

（4）需要维修和拆装的产物，其周围要有足够的操作空间。（5) 维修时一般应能瞥见内部的操作，其通道除了能容纳维修人员的手或臂外，还应留有供视察的适当间隙。3.7 思量造型设计的准则产物的设计不仅要满足使用要求，而且还应思量产物造型的美学价值，使之对人发生吸引力，简朴的讲就是既好用还要雅观。从心理学角度看，人60%的决议取决于第一印象。

技术产物的社会属性是商品，在买方市场的时代，为产物设计一个能吸引主顾的外观是一个重要的设计要求；同时造型雅观的产物可使操作者淘汰因精神疲惫而发生的误操作。外观设计包罗三个方面：造型、颜色和外貌处置惩罚。思量造型时，应注意尺寸比例协调、形状简朴统一以及色彩、图案的支持和粉饰。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条理，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。

但在一个产物上，差别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受。舒服的色彩约莫位于从浅黄、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。对于冷情况应用暖色，如黄、橙黄和红。对于热情况用冷色，如浅蓝。

所有颜色都应淡化。另外，通过一定的色彩设置可使产物显得宁静、稳固。将形状变化小的、面积较大的平面设置浅色，而将运动、活跃轮廓的元件设置深色；深色应安置于机械的下部，浅色置于上部。

3.8 思量成本的设计准则设计时应简化产物及维修操作：（1）设计时，要对产物功效举行分析权衡，合并相同或相似功效，消除不须要的功效，以简化产物和维修操作。（2）设计时，应在满足划定功效要求的前提下，使其结构简朴，尽可能淘汰产物条理和组成单元的数量，并简化零件的形状。

（3） 产物应只管设计轻便而可靠的调整机构，以便于清除因磨损或飘移等原因引起的常见故障。对易发生局部消耗的珍贵件，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。

制止或淘汰相互牵连的重复调校。（4）要合理摆设各组成部门的位置，淘汰毗连件、牢固件、使其检测、换件等维修操作简朴利便，尽可能做到在维修任一部门时，不拆卸、不移动或少拆卸、少移动其他部门，以降低对维修人员技术水平的要求和事情量。

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