一（yī）、机械结构（gòu）件（jiàn）的（de）结构要素和设计方法
机械结构的功能主要（yào）是（shì）靠机械零部（bù）件（jiàn）的几何（hé）形状及（jí）各个（gè）零部件之（zhī）间的相对位置关系实现的。零部件的几何（hé）形状由它的表面所构成，一（yī）个零件通常有多个表面，在（zài）这些表面（miàn）中有（yǒu）的与其它零部件表面直接接（jiē）触，把这一（yī）部（bù）分表面（miàn）称为功能表面。在（zài）功（gōng）能表面之（zhī）间的联结部分称为联接（jiē）表面。 零件的功能表（biǎo）面是决（jué）定机械（xiè）功能（néng）的重要因素，功能表面的设计是零部（bù）件结构设计的核心问题。描（miáo）述功能表面的（de）主要（yào）几（jǐ）何参数有表面（miàn）的几何（hé）形状、尺寸大小、表面（miàn）数量、位置、顺序等。通过对功（gōng）能表面的变异（yì）设（shè）计，可以得（dé）到为（wéi）实现同一技（jì）术功能（néng）的（de）多种结（jié）构方案。在（zài）机器或（huò）机械中，任何零件（jiàn）都不是孤立存在（zài）的。因此在结构设计中（zhōng）除了研究零（líng）件本身的功能和（hé）其它特征外，还必（bì）须研究零件之间的（de）相互关系（xì）。零件的（de）相关分为直接（jiē）相关和间接相关两类（lèi）。凡两（liǎng）零件有直接装配关系（xì）的（de），成为直接相关。没有直接装配（pèi）关系的相关成为间（jiān）接（jiē）相关。间接相关又分为位置相关（guān）和运动（dòng）相（xiàng）关两（liǎng）类。位（wèi）置相关是指两零（líng）件在相互位（wèi）置（zhì）上有（yǒu）要求，如减速器中两相邻的传动（dòng）轴，其中心距（jù）必须保证一（yī）定（dìng）的精度，两轴（zhóu）线（xiàn）必须平行，以保证（zhèng）齿轮的正（zhèng）常（cháng）啮（niè）合。运动相关是指一零件的运（yùn）动轨迹与（yǔ）另（lìng）一零件有关，如车（chē）床刀架（jià）的运（yùn）动轨迹必须（xū）平行于于主轴的中心（xīn）线，这是靠床身导轨和主（zhǔ）轴轴（zhóu）线相平（píng）行（háng）来保证的，所（suǒ）以，主轴与导轨之间位（wèi）置相关；而（ér）刀（dāo）架与（yǔ）主轴之（zhī）间（jiān）为运（yùn）动相（xiàng）关。多数零件都有两个或更多（duō）的直（zhí）接（jiē）相关零（líng）件，故（gù）每个零（líng）件大（dà）都具有两个或多个部（bù）位在（zài）结构上与其它（tā）零件（jiàn）有关。在进行结（jié）构设计时，两零件直接相关部（bù）位必须同时（shí）考虑，以便合理地选择材料的热处理方式、形状、尺（chǐ）寸、精（jīng）度及表面质量等。同时还必须考虑满足间（jiān）接相关条件，如进行尺寸链和（hé）精度计算等（děng）。一（yī）般来说，若某零件直接相关零（líng）件愈多，其结构就愈复杂；零件（jiàn）的间接相关零件（jiàn）愈多（duō），其精度（dù）要求愈高。机械设计中（zhōng）可以（yǐ）选择的材料（liào）众（zhòng）多，不同（tóng）的材（cái）料具有不同（tóng）的性质，不同的材料对应不（bú）同的加（jiā）工工艺，结构设（shè）计中既要根据（jù）功能要求合理地选择适当的材（cái）料（liào），又要根（gēn）据（jù）材料的种类确定适（shì）当的加（jiā）工工艺，并根（gēn）据加工工艺的要求确定适当（dāng）的结构，只有通（tōng）过适（shì）当的结构设计（jì）才（cái）能使所选择的材料最（zuì）充分的发挥（huī）优势。设（shè）计者要做到正确地选择材料就必须充分地了（le）解所选材料的力学性能、加工性能、使用成本（běn）等（děng）信息。结（jié）构（gòu）设计中应（yīng）根（gēn）据所选（xuǎn）材料的特性及其所对应（yīng）的加工工艺而遵循（xún）不同的设计（jì）原则。机械产品（pǐn）应用于各（gè）行各业，结构设（shè）计的内容（róng）和要求也是千差万别，但都有相同的共性部分。下面就（jiù）机械结构（gòu）设计的（de）三个不（bú）同层次来说明对结构设（shè）计的要求。1.功（gōng）能设计满足（zú）主要机（jī）械功能要求，在技术上的具体（tǐ）化。如工（gōng）作原理的实现、工作（zuò）的（de）可靠性、工艺（yì）、材料和装配等方面（miàn）。2.质量设计兼顾各种要求（qiú）和限制，提高产品的（de）质（zhì）量和性能价格比，它是现代工程设计的（de）特征。具（jù）体为操作、美（měi）观、成本、安全、环保（bǎo）等众（zhòng）多其（qí）它要求和限制。在现代设计中，质（zhì）量设计（jì）相当重要，往（wǎng）往决定产（chǎn）品（pǐn）的竞争力。那种只满足主要技术功能要求（qiú）的（de）机械设计（jì）时代已经过去，统（tǒng）筹兼顾各种（zhǒng）要求，提高产品的质量，是现代机械（xiè）设计的关键所在。3.优化设（shè）计和创新设计（jì）用结构设（shè）计变元等方法系统地构造优（yōu）化设计空（kōng）间，用创造性设计思维方法和其它科学方法进行优选和（hé）创新。三、机（jī）械（xiè）结构（gòu）基本设（shè）计准（zhǔn）则机械设计的最终（zhōng）结果是以一（yī）定的结构形式表现出来的，按所设（shè）计的结构进行加工（gōng）、装配，制造（zào）成最（zuì）终的产（chǎn）品。所以，机械（xiè）结构（gòu）设计应满足作为产品的多方面要求，基本要（yào）求有功（gōng）能（néng）、可靠性、工艺性、经济性和外观造（zào）型等方面的要求。此（cǐ）外，还应改（gǎi）善零件（jiàn）的受力，提（tí）高强度（dù）、刚度、精度和寿命。因此，机械结（jié）构设计是一项综合性的技术（shù）工作。由（yóu）于结（jié）构设计（jì）的错误或不合理（lǐ），可（kě）能造成零部件不应有的失效，使机器达不（bú）到设计（jì）精度的要求，给装配和维修带来（lái）极（jí）大的不方便。机械结构设（shè）计过程中（zhōng）应考虑如下的结构设（shè）计准则。1.现预期功（gōng）能的（de）设（shè）计准则产品（pǐn）的（de）设计主要（yào）目（mù）的是为（wéi）了实现预定的功能要（yào）求，因此实（shí）现预期功（gōng）能的设计准则（zé）是结构设（shè）计首先考虑的问题。要（yào）满足功能要求，必须做到以下几点。(1)明确功能（néng）:结构（gòu）设计是要根据其在机器中的功能和与其（qí）他零部件相互的（de）连接关系，确定参数尺（chǐ）寸和结构形状。零部件主要的功（gōng）能有承受载荷、传递运动和动力，以及保证或保持有关零件（jiàn）或（huò）部件之（zhī）间的相（xiàng）对（duì）位置（zhì）或运动（dòng）轨（guǐ）迹等。设计的（de）结构应能满足从机器整体考（kǎo）虑对（duì）它的功能要（yào）求。(2)功（gōng）能合理的（de）分配：产品（pǐn）设计时，根据具体情况，通常有（yǒu）必要将任（rèn）务进行合理的分配，即（jí）将一个功能分解为多个分（fèn）功（gōng）能。每个分功能都（dōu）要有（yǒu）确（què）定的结构承担，各部（bù）分（fèn）结构之间（jiān）应具有合（hé）理、协（xié）调的联系，以（yǐ）达到总功能的实现。多结构零件（jiàn）承担（dān）同一功能可以减轻零件负担，延长使用寿命。V型（xíng）带截面的（de）结构是任务合理分配的一（yī）个例子。纤（xiān）维绳（shéng）用来承受拉力；橡胶填充（chōng）层承受带弯曲时（shí）的拉（lā）伸和压缩；包布层与（yǔ）带（dài）轮轮槽作用，产生传动（dòng）所需的摩擦力。例如，若只靠螺栓预紧产生的摩擦力来承受（shòu）横（héng）向载荷时，会（huì）使（shǐ）螺栓的尺寸过大，可增加抗剪元件，如销、套筒和键（jiàn）等，以分担横向载荷来解决这一问题。(3)功能（néng）集中：为了简化机（jī）械（xiè）产品的结构，降低加工成本，便（biàn）于（yú）安装，在某些情况下，可由（yóu）一个（gè）零件（jiàn）或部件承担多个功能。功能集中会使零件的形状更加复杂，但（dàn）要有度（dù），否则（zé）反而影响（xiǎng）加（jiā）工工（gōng）艺（yì）、增加加工成本，设计时应根据（jù）具体情况而定。(1) 等强度（dù）准则：零（líng）件截面尺寸的变化（huà）应（yīng）与其内（nèi）应力变（biàn）化相适应，使各截面的（de）强度相等。按等强（qiáng）度原理设计的结（jié）构（gòu），材料可（kě）以得到充（chōng）分的利用（yòng），从（cóng）而减轻了重（chóng）量、降低成本。如悬臂支架、阶梯轴（zhóu）的设计等。(2) 合理力流结构：为（wéi）了（le）直观地表示力在机械构件（jiàn）中怎样传递的状态，将力看作犹如（rú）水在构件中流动，这些力（lì）线汇（huì）成力流。表示这个力（lì）的（de）流（liú）动在结（jié）构设计考察（chá）中起（qǐ）着重要（yào）的作用。力流在构件中不（bú）会中断，任（rèn）何一（yī）条力线都不会突然消失，必然是从一处（chù）传入（rù），从另（lìng）一处传出。力流的另（lìng）一个（gè）特（tè）性是它倾向于沿最短的路（lù）线传递，从而在最短路线附近力流密集，形成高（gāo）应力区。其（qí）它部位（wèi）力流稀疏，甚至没有力流通过，从应力（lì）角度（dù）上讲，材料（liào）未能充分利用。因此，若为了提高构件的刚度，应该（gāi）尽可能按力（lì）流最短路线来设计（jì）零件（jiàn）的（de）形状，减少承载区域，从而累（lèi）积变形越小，提高了整（zhěng）个构件的刚度，使（shǐ）材料得到充分利用。(3) 减小应力集（jí）中结构：当力（lì）流方向（xiàng）急（jí）剧转（zhuǎn）折时，力（lì）流（liú）在转折处（chù）会（huì）过于密集（jí），从而引起应力集（jí）中，设计中应在结构上采取（qǔ）措施，使力（lì）流（liú）转向（xiàng）平缓（huǎn）。应力集中是影（yǐng）响零件疲劳强（qiáng）度（dù）的（de）重要因素（sù）。结构设计（jì）时（shí），应尽量避免或（huò）减（jiǎn）小应力集中。其方（fāng）法在相应（yīng）的章节会作介（jiè）绍，如增大过度圆角（jiǎo）、采用卸载结构（gòu）等（děng）。(4) 使载荷（hé）平衡结构：在机（jī）器工作时，常产生一些（xiē）无用（yòng）的力（lì），如惯（guàn）性力、斜齿轮轴向力等（děng），这些力不但（dàn）增（zēng）加（jiā）了轴（zhóu）和轴衬等零（líng）件的负荷，降低其精度和寿命，同时也降低了（le）机（jī）器（qì）的传动效率。所谓载荷（hé）平衡就是指采取结构措（cuò）施部分（fèn）或全部（bù）平衡无用力，以减轻或消除（chú）其（qí）不良的影（yǐng）响（xiǎng）。这（zhè）些结构措（cuò）施主（zhǔ）要采用平（píng）衡元件、对称布置等。 为保（bǎo）证零件在使用期（qī）限内正常地实现其功能（néng），必须使（shǐ）其（qí）具有（yǒu）足（zú）够的刚度。机械零（líng）部件结构设计的主要目的是：保证功能的实现，使（shǐ）产品达到要求（qiú）的（de）性能（néng）。但（dàn）是，结构设计的（de）结果（guǒ）对产品零部件的生（shēng）产成本及质（zhì）量（liàng）有（yǒu）着不可低（dī）估的影响。因此，在结构设计中（zhōng）应力求（qiú）使产品有良好的加工（gōng）工艺性。所谓好的（de）加工工艺指的是零部（bù）件（jiàn）的结构易于（yú）加工制造，任何（hé）一（yī）种（zhǒng）加工方（fāng）法（fǎ）都（dōu）有可能（néng）不能制造某些结构（gòu）的零部件，或生产成（chéng）本很高，或质量受到影（yǐng）响（xiǎng）。因此，对于设计者认识一（yī）种加工方法的特点（diǎn）非常（cháng）重要，以便（biàn）在设（shè）计（jì）结构时尽可能的扬长避短（duǎn）。实际中，零部件（jiàn）结构（gòu）工艺性受到（dào）诸多（duō）因（yīn）素的（de）制约，如生（shēng）产批（pī）量的大（dà）小（xiǎo）会影响坯（pī）件的生成方法；生产设（shè）备的条件可能（néng）会限制工件的尺寸；此（cǐ）外，造型、精度、热处理、成本等方面都（dōu）有可能（néng）对（duì）零部件（jiàn）结构（gòu）的工艺性有制（zhì）约作用。因此，结（jié）构设计中应充（chōng）分（fèn）考虑（lǜ）上述因素（sù）对工艺性的影响。装配是（shì）产品制造过程中（zhōng）的（de）重（chóng）要工序，零部件的（de）结构对装（zhuāng）配的质量、成（chéng）本（běn）有（yǒu）直接的影（yǐng）响。有关装配的结（jié）构设计准则简（jiǎn）述（shù）如下：（1）合理划分装配单元（yuán）：整机（jī）应能（néng）分解成若干可单独装配（pèi）的单元（部件或（huò）组件（jiàn）），以（yǐ）实现平（píng）行（háng）且专业（yè）化的装（zhuāng）配作业（yè），缩短装（zhuāng）配周期，并且（qiě）便于逐级技术（shù）检验（yàn）和维修。（2）使零部件得到正确安装：保证零件准确的（de）定位、避免（miǎn）双重配合（hé）、防止装（zhuāng）配错（cuò）误。（3）使零部件便于装配和拆卸：结构设计（jì）中，应（yīng）保（bǎo）证有足够（gòu）的装配（pèi）空（kōng）间，如扳手空（kōng）间；避免过长（zhǎng）配（pèi）合以免增（zēng）加装配难度，使配合面擦伤（shāng），如有些（xiē）阶梯（tī）轴的设计；为（wéi）便于拆卸零件，应给出安（ān）放拆卸工具（jù）的（de）位置，如轴承的拆（chāi）卸。（1) 产品的配（pèi）置应根（gēn）据其故障率的高低、维修的难易、尺寸和质量的大小以（yǐ）及（jí）安装特点（diǎn）等统筹安排，凡需要维修（xiū）的零件部件（jiàn），都应具（jù）有（yǒu）良好的（de）可达性；对故障率高（gāo）而又需要经常维（wéi）修的部位（wèi）及应急开（kāi）关（guān），应提供最佳的（de）可达性（xìng）。（2) 产品特（tè）别是易损件、常拆件和附加（jiā）设备的拆装要简便，拆装时零（líng）部件进（jìn）出的路线最好是直（zhí）线或（huò）平（píng）缓的（de）曲线。（3) 产品的检查点、测试点等系统（tǒng）的（de）维护点，都应（yīng）布置在便于接（jiē）近的位置（zhì）上（shàng）。（4) 需要（yào）维修（xiū）和拆装（zhuāng）的产品，其周围要有足够的操作（zuò）空间（jiān）。（5) 维修时一般应能看见内部的操作，其通（tōng）道除了能容纳维修人员的手（shǒu）或臂外，还（hái）应留（liú）有供观察的（de）适当（dāng）间隙。产（chǎn）品的设计不仅要满足（zú）功能要求，而且还应考虑产品造（zào）型的美学价值，使之（zhī）对人产生吸（xī）引力。从心理学角度看，人60%的（de）决定取（qǔ）决于第一（yī）印象。技术产品的（de）社会属（shǔ）性是（shì）商品，在买方市场的时代，为（wéi）产品设（shè）计一个能吸引顾客的外观是一个（gè）重要的设计要求（qiú）；同时造型美观的产品（pǐn）可使操作（zuò）者减少因精力疲惫而（ér）产生的误操（cāo）作。外观设计包（bāo）括（kuò）三个方面：造型、颜色和（hé）表面处理。考虑造型时（shí），应注意尺（chǐ）寸比例协调、形状简单（dān）统一以及色彩、图案（àn）的支持和点（diǎn）缀。 单色只（zhī）使用于（yú）小构件（jiàn）。大的（de）特（tè）别是运动构件如果（guǒ）只用一种颜色就会显（xiǎn）得（dé）单（dān）调无层次，一个（gè）小小的附加（jiā）色块会使整个（gè）色调活跃起来。在多个颜色并存的情（qíng）况下，应有一个起主导（dǎo）作用的底色，和底色相对应的颜色叫对比色。但在（zài）一（yī）个（gè）产（chǎn）品上（shàng），不同色调的（de）数（shù）量不宜（yí）太多，太多的色彩会给人一种华而不实的（de）感（gǎn）觉。舒服（fú）的色彩（cǎi）大约位（wèi）于从（cóng）浅黄、绿黄到棕的区域。这个趋势是（shì）渐暖，正黄正绿往往显得不舒服；强（qiáng）烈的灰色调显得压（yā）抑（yì）。对于（yú）冷（lěng）环（huán）境应用暖色，如（rú）黄、橙黄和（hé）红。对于热环境用（yòng）冷色（sè），如浅蓝（lán）。所有颜色都（dōu）应淡化。另（lìng）外，通过一定的色彩配（pèi）置可使产品显得安全、稳固。将形状变化小的、面积较（jiào）大的平（píng）面配置浅色（sè），而将运动、活跃轮廓（kuò）的元件（jiàn）配置深色；深（shēn）色应安置于机械的下部，浅（qiǎn）色（sè）置于（yú）上部。（1）设计时，要对（duì）产品功能进行分析权衡，合并（bìng）相同或相似功能，消除不必（bì）要的功（gōng）能，以简化产品和维修操作（zuò）。（2）设计时，应在满（mǎn）足规定功能要（yào）求的条件下，使其构造简（jiǎn）单，尽可能减少产品层次（cì）和组成单元的数量，并简化零（líng）件（jiàn）的形状。（3）产品应尽量设计简便而（ér）可靠的调整机构，以便（biàn）于排除因磨（mó）损（sǔn）或飘移等（děng）原因引（yǐn）起的常（cháng）见故障。对易发生局部耗（hào）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（gèng）换（huàn）或修复。避（bì）免或减少互相牵连的（de）反复（fù）调校。（4）要合理（lǐ）安（ān）排各组成部分的（de）位置，减少连接件（jiàn）、固定件、使其（qí）检测、换件等（děng）维修操作简单（dān）方便，尽可能（néng）做到在维（wéi）修任一（yī）部分时，不拆卸（xiè）、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。
