機(jī)械設(shè)計(jì)準(zhǔn)則丶要素和基本要求機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的任務(wù)是依據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)在總體設(shè)計(jì)構(gòu)想的基礎(chǔ)上，確定的原理方案，繪制出具體的結(jié)構(gòu)圖，以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)所要求的功能。設(shè)計(jì)的過程是將抽象的工作原理具體化為某類構(gòu)件或零部件，包含確定結(jié)構(gòu)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(qiáng)度、剛度、精度以及與其它零件相互之間關(guān)系等問題。所以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的直接產(chǎn)物雖是技術(shù)圖紙，但工作不是簡單的機(jī)械制圖，圖紙只是表達(dá)設(shè)計(jì)方案的工程語言，運(yùn)用機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的各種技術(shù)將設(shè)計(jì)構(gòu)想具體化是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容。1

機(jī)械結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)要素和設(shè)計(jì)方法1.1

結(jié)構(gòu)件的幾何要素機(jī)械結(jié)構(gòu)的功能主要是靠機(jī)械零部件的幾何形狀及各個(gè)零部件之間的相對位置關(guān)系實(shí)現(xiàn)的。零部件的幾何形狀由它的表面所構(gòu)成，一個(gè)零件通常有多個(gè)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(lián)結(jié)部分稱為聯(lián)接表面。零件的功能表面是決定機(jī)械功能的重要因素，功能表面的設(shè)計(jì)是零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心。描述功能表面的主要幾何參數(shù)有表面的幾何形狀、尺寸大小、表面數(shù)量、位置、順序等。通過對功能表面的不同設(shè)計(jì)，可以得到為實(shí)現(xiàn)同一技術(shù)功能的多種結(jié)構(gòu)方案。1.2

結(jié)構(gòu)件之間的關(guān)聯(lián)在機(jī)器或機(jī)械中，任何零件都不是孤立存在的。因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中除了研究零件本身的功能和相關(guān)特征外，還必須研究零件之間的相互關(guān)系。零件之間的相互關(guān)系分為直接相關(guān)和間接相關(guān)兩類。兩個(gè)零件有直接裝配關(guān)系的成為直接相關(guān)。沒有直接裝配關(guān)系的成為間接相關(guān)。間接相關(guān)又分為位置相關(guān)和運(yùn)動相關(guān)兩類。位置相關(guān)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(yùn)動相關(guān)是指一零件的運(yùn)動軌跡與另一零件有關(guān)，如車床刀架的運(yùn)動軌跡必須平行于于主軸的中心線，這是靠床身導(dǎo)軌和主軸軸線相平行來保證的，所以主軸與導(dǎo)軌為位置相關(guān)，而刀架與主軸為運(yùn)動相關(guān)。多數(shù)零件都有兩個(gè)或更多的直接相關(guān)零件，故每個(gè)零件大都具有兩個(gè)或多個(gè)部位在結(jié)構(gòu)上與其它零件有關(guān)。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，兩零件直接相關(guān)部位結(jié)構(gòu)必須同時(shí)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(shí)還必須考慮滿足間接相關(guān)條件，如進(jìn)行尺寸鏈和精度計(jì)算等。一般來說，若某零件直接相關(guān)零件愈多，其結(jié)構(gòu)就愈復(fù)雜；某零件的間接相關(guān)零件愈多，其精度要求愈高。1.3

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)件的材料零件設(shè)計(jì)中可以選擇的材料眾多，不同的材料具有不同的性質(zhì)，不同的材料對應(yīng)不同的加工工藝，設(shè)計(jì)中既要根據(jù)功能要求合理地選擇適當(dāng)?shù)牟牧?，又要根?jù)材料的種類確定適當(dāng)?shù)募庸すに?，并根?jù)加工工藝的要求確定適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)，只有通過適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)才能使所選擇的材料最充分的發(fā)揮優(yōu)勢。設(shè)計(jì)者要做到正確地選擇零件的材料就必須充分地了解相關(guān)材料的力學(xué)性能、加工性能、使用成本等信息。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)所選材料的特性及其所對應(yīng)的加工工藝而遵循不同的設(shè)計(jì)原則。2

機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求機(jī)械產(chǎn)品應(yīng)用于各行各業(yè)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的具體內(nèi)容和要求也是千差萬別，但結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求是共通的。下面就機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的三個(gè)不同層次來說明對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求。2.1

功能設(shè)計(jì)滿足主要機(jī)械功能要求，在技術(shù)上的具體化。如工作原理的實(shí)現(xiàn)、工作的可靠性、工藝、材料和裝配等方面。2.2

質(zhì)量設(shè)計(jì)兼顧各種要求和限制，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和性價(jià)比，是現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)的特征。具體為操作性、美觀性、安全性、成本、環(huán)保等因素。在現(xiàn)代設(shè)計(jì)中，質(zhì)量設(shè)計(jì)相當(dāng)重要，往往決定產(chǎn)品的競爭力。那種只關(guān)注滿足主要技術(shù)功能要求的設(shè)計(jì)思想已成為過去，統(tǒng)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(dāng)作出平衡和取舍，提高產(chǎn)品的質(zhì)量，是現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)的核心所在。2.3

優(yōu)化設(shè)計(jì)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變元等方法系統(tǒng)地構(gòu)造優(yōu)化設(shè)計(jì)空間，用創(chuàng)造性設(shè)計(jì)思維方法和其它科學(xué)方法進(jìn)行優(yōu)選和創(chuàng)新。3

機(jī)械結(jié)構(gòu)基本設(shè)計(jì)準(zhǔn)則機(jī)械設(shè)計(jì)的最終結(jié)果是將確定的結(jié)構(gòu)形式以圖紙表達(dá)出來的，按所設(shè)計(jì)的圖紙進(jìn)行加工、裝配，制造出最終的產(chǎn)品。所以，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足作為產(chǎn)品的多方面要求，基本要求有功能性、可靠性、工藝性、經(jīng)濟(jì)性和外觀造型等方面的要求。此外，還應(yīng)改善零件的受力，提高強(qiáng)度、剛度、精度和壽命。因此，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)綜合性的技術(shù)工作。由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不合理或錯(cuò)誤，可能造成零部件不應(yīng)有的失效，使機(jī)器達(dá)不到設(shè)計(jì)精度的要求，給裝配和維修帶來極大的不方便。機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中應(yīng)考慮如下的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。3.1

實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則產(chǎn)品的設(shè)計(jì)主要目的是為了實(shí)現(xiàn)預(yù)定的功能要求，因此實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)首先考慮的問題。要滿足功能要求，必須做到以下幾點(diǎn)。（1）明確功能:結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是要根據(jù)其在機(jī)器中的功能和與其他零部件相互的連接關(guān)系，確定參數(shù)尺寸和結(jié)構(gòu)形狀。零部件主要的功能有承受載荷、傳遞運(yùn)動和動力，以及保證或保持有關(guān)零件或部件之間的相對位置或運(yùn)動軌跡等。設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)應(yīng)能滿足從機(jī)器整體考慮對它的功能要求。（2）功能分配：產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)具體情況，通常有必要將任務(wù)進(jìn)行合理的分配，即將一個(gè)功能分解為多個(gè)分功能。每個(gè)分功能都要有確定的結(jié)構(gòu)承擔(dān)，各部分結(jié)構(gòu)之間應(yīng)具有合理、協(xié)調(diào)的聯(lián)系，以達(dá)到總功能的實(shí)現(xiàn)。多結(jié)構(gòu)零件承擔(dān)同一功能可以減輕零件負(fù)擔(dān)，延長使用壽命。例如如V型帶截面的結(jié)構(gòu)是任務(wù)合理分配的一個(gè)例子。纖維繩用來承受拉力；橡膠填充層承受帶彎曲時(shí)的拉伸和壓縮；包布層與帶輪輪槽作用，產(chǎn)生傳動所需的摩擦力。例如若只靠螺栓預(yù)緊產(chǎn)生的摩擦力來承受橫向載荷時(shí)，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(dān)橫向載荷來解決這一問題。（3）功能集中：為了簡化機(jī)械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，降低加工成本，便于安裝，在某些情況下，可由一個(gè)零件或部件承擔(dān)多個(gè)功能。功能集中會使零件的形狀更加復(fù)雜，所以要適度，否則會增加加工難度、反而增加加工成本，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)具體情況而定。3.2

滿足強(qiáng)度要求的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則（1）等強(qiáng)度準(zhǔn)則：零件截面尺寸的變化應(yīng)與其內(nèi)應(yīng)力變化相適應(yīng)，使各截面的強(qiáng)度相等。按等強(qiáng)度原理設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，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(shè)計(jì)等。（2）合理力流結(jié)構(gòu)：為了直觀地表示力在機(jī)械構(gòu)件中怎樣傳遞的狀態(tài)，將力看作猶如水在構(gòu)件中流動，這些力線匯成力流。表示這個(gè)力的流動在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考察中起著重要的作用。力流在構(gòu)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(gè)特性是它傾向于沿最短的路線傳遞，從而在最短路線附近力流密集，形成高應(yīng)力區(qū)。其它部位力流稀疏，甚至沒有力流通過，從應(yīng)力角度上講，材料未能充分利用。因此，為了提高構(gòu)件的剛度，盡可能按力流最短路線來設(shè)計(jì)零件的形狀，減少承載區(qū)域，從而累積變形越小，提高了整個(gè)構(gòu)件的剛度，使材料得到充分利用。（3）

減小應(yīng)力集中結(jié)構(gòu)：當(dāng)力流方向急劇轉(zhuǎn)折時(shí)，力流在轉(zhuǎn)折處會過于密集，從而引起應(yīng)力集中，設(shè)計(jì)中應(yīng)在結(jié)構(gòu)上采取措施，使力流轉(zhuǎn)向平緩。應(yīng)力集中是影響零件疲勞強(qiáng)度的重要因素。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量避免或減小應(yīng)力集中，如增大過度圓角、采用卸載結(jié)構(gòu)等。（4）使載荷平衡結(jié)構(gòu)：在機(jī)器工作時(shí)，常產(chǎn)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(fù)荷，降低其精度和壽命，同時(shí)也降低了機(jī)器的傳動效率。所謂載荷平衡就是指采取結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)措施主要采用平衡元件、對稱布置等。3.3

滿足結(jié)構(gòu)剛度的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則為保證零件在使用期限內(nèi)正常地實(shí)現(xiàn)其功能，必須使其具有足夠的剛度。3.4

考慮加工工藝的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則機(jī)械零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要目的是：保證功能的實(shí)現(xiàn)，使產(chǎn)品達(dá)到要求的性能。但是，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性直接影響零部件的生產(chǎn)成本及質(zhì)量。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)力求零件機(jī)構(gòu)有良好的加工工藝性。所謂好的加工工藝指的是零件的結(jié)構(gòu)易于加工制造，任何一種加工方法都有其局限性，或生產(chǎn)成本很高，或質(zhì)量受到影響。因此，設(shè)計(jì)者了解各種加工方式的特點(diǎn)非常重要，以便在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)盡可能的揚(yáng)長避短。實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，零部件結(jié)構(gòu)工藝性受到諸多因素的制約，如生產(chǎn)批量的大小會影響坯件的生成方法；生產(chǎn)設(shè)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(jié)構(gòu)的工藝性有制約作用。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮上述因素對工藝性的影響。3.5

考慮裝配的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則裝配是產(chǎn)品制造過程中的重要工序，零部件的結(jié)構(gòu)對裝配的質(zhì)量、成本有直接的影響。有關(guān)裝配的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則簡述如下：（1）合理劃分裝配單元：整機(jī)應(yīng)能分解成若干可單獨(dú)裝配的單元（部件或組件），以實(shí)現(xiàn)平行且專業(yè)化的裝配作業(yè)，縮短裝配周期，并且便于逐級技術(shù)檢驗(yàn)和維修。（2）使零部件得到正確安裝：保證零件準(zhǔn)確的定位、避免雙重配合、防止裝配錯(cuò)誤。（3）使零部件便于裝配和拆卸：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)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(shè)計(jì)；為便于拆卸零件，應(yīng)給出安放拆卸工具的位置，如軸承的拆卸。3.6

考慮維護(hù)修理的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則（1）產(chǎn)品的配置應(yīng)根據(jù)其故障率的高低、維修的難易、尺寸和質(zhì)量的大小以及安裝特點(diǎn)等統(tǒng)籌安排，凡需要維修的零件部件，都應(yīng)具有良好的可達(dá)性；對故障率高而又需要經(jīng)常維修的部位及應(yīng)急開關(guān)，應(yīng)提供最佳的可達(dá)性。（2）產(chǎn)品特別是易損件、常拆件和附加設(shè)備的拆裝要簡便，拆裝時(shí)零部件進(jìn)出的路線最好是直線或平緩的曲線。（3）產(chǎn)品的檢查點(diǎn)、測試點(diǎn)等系統(tǒng)的維護(hù)點(diǎn)，都應(yīng)布置在便于接近的位置上。（4）需要維修和拆裝的產(chǎn)品，其周圍要有足夠的操作空間。（5)

維修時(shí)一般應(yīng)能看見內(nèi)部的操作，其通道除了能容納維修人員的手或臂外，還應(yīng)留有供觀察的適當(dāng)間隙。3.7

考慮造型設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則產(chǎn)品的設(shè)計(jì)不僅要滿足使用要求，而且還應(yīng)考慮產(chǎn)品造型的美學(xué)價(jià)值，使之對人產(chǎn)生吸引力，簡單的講就是既好用還要美觀。從心理學(xué)角度看，人60%的決定取決于第一印象。技術(shù)產(chǎn)品的社會屬性是商品，在買方市場的時(shí)代，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)一個(gè)能吸引顧客的外觀是一個(gè)重要的設(shè)計(jì)要求；同時(shí)造型美觀的產(chǎn)品可使操作者減少因精力疲憊而產(chǎn)生的誤操作。外觀設(shè)計(jì)包括三個(gè)方面：造型、顏色和表面處理?？紤]造型時(shí)，應(yīng)注意尺寸比例協(xié)調(diào)、形狀簡單統(tǒng)一以及色彩、圖案的支持和點(diǎn)綴。單色只使用于小構(gòu)件。大的特別是運(yùn)動構(gòu)件如果只用一種顏色就會顯得單調(diào)無層次，一個(gè)小小的附加色塊會使整個(gè)色調(diào)活躍起來。在多個(gè)顏色并存的情況下，應(yīng)有一個(gè)起主導(dǎo)作用的底色，和底色相對應(yīng)的顏色叫對比色。但在一個(gè)產(chǎn)品上，不同色調(diào)的數(shù)量不宜太多，太多的色彩會給人一種華而不實(shí)的感覺。舒服的色彩大約位于從淺黃、綠黃到棕的區(qū)域。這個(gè)趨勢是漸暖，正黃正綠往往顯得不舒服；強(qiáng)烈的灰色調(diào)顯得壓抑。對于冷環(huán)境應(yīng)用暖色，如黃、橙黃和紅。對于熱環(huán)境用冷色，如淺藍(lán)。所有顏色都應(yīng)淡化。另外，通過一定的色彩配置可使產(chǎn)品顯得安全、穩(wěn)固。將形狀變化小的、面積較大的平面配置淺色，而將運(yùn)動、活躍輪廓的元件配置深色；深色應(yīng)安置于機(jī)械的下部，淺色置于上部。3.8

考慮成本的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)簡化產(chǎn)品及維修操作：（1）設(shè)計(jì)時(shí)，要對產(chǎn)品功能進(jìn)行分析權(quán)衡，合并相同或相似功能，消除不必要的功能，以簡化產(chǎn)品和維修操作。（2）設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)在滿足