一、机械结构件（jiàn）的结构要素和设计方法
机械结构的功能主要是（shì）靠机（jī）械零部件的（de）几何形（xíng）状及各个零部（bù）件之（zhī）间的相对位置关系实现的。零部件的几何形状由它（tā）的（de）表面所构成（chéng），一个零件（jiàn）通常有多个表面，在这些表面中有的与其它零部件（jiàn）表面直接接触，把（bǎ）这一部分表面称为功能表面。在功能表面之（zhī）间的（de）联（lián）结部分称为联接表面。 零（líng）件的功能表面是决定机械功能的重要（yào）因素，功能表面的设（shè）计是零部件结构设计的核心问题。描述功能表面（miàn）的主要几何参数有表面的几何形状、尺寸大小、表面（miàn）数量、位置、顺序等。通过对功能表面的变（biàn）异设计，可以得（dé）到为实现同一（yī）技术功能的多（duō）种结构方案。在机器（qì）或机械中（zhōng），任何零件都不是孤立存（cún）在的。因此在结构设（shè）计中除了（le）研究（jiū）零件本身的功能和其它特征外（wài），还必须（xū）研究零件之间的（de）相互关系。零件的相关分为（wéi）直接相关和间接相关两类。凡两零件有（yǒu）直接装配关系的（de），成为直（zhí）接相关。没有（yǒu）直接装配（pèi）关系（xì）的（de）相（xiàng）关成（chéng）为（wéi）间接相关。间接（jiē）相关又分为位置相关和运动相关两类（lèi）。位置相关是指两零件在相互位置上有要求，如减速器中（zhōng）两相（xiàng）邻的传动轴，其中心距必须保（bǎo）证一定的（de）精度，两轴（zhóu）线必须平行，以保证齿轮的正常啮合。运动（dòng）相关（guān）是指一零件的（de）运（yùn）动轨迹与（yǔ）另一零件有关，如车床刀架的运（yùn）动轨迹必须（xū）平（píng）行于于主（zhǔ）轴的中（zhōng）心（xīn）线（xiàn），这是靠床身导轨和主轴轴线相平行来保证的（de），所以，主轴与导轨之间（jiān）位置相关；而刀架与主轴之间为运动（dòng）相关。多数零件都有（yǒu）两个或更多的直（zhí）接相关零件，故每个零件（jiàn）大都（dōu）具（jù）有两个或（huò）多个（gè）部位（wèi）在结构上与其它零件有关。在进行（háng）结（jié）构设计时，两零件直接相关部位必须同（tóng）时考虑，以便合理（lǐ）地选择材料的热处（chù）理方式（shì）、形状、尺寸、精度及表面质量（liàng）等（děng）。同（tóng）时还必（bì）须考虑满（mǎn）足间接相关条件（jiàn），如进行尺寸（cùn）链和精度（dù）计算（suàn）等（děng）。一般来说，若某零件直（zhí）接相关零件愈（yù）多，其结构就（jiù）愈复杂；零（líng）件的（de）间接相关（guān）零件愈多，其精度要求愈（yù）高。机（jī）械设计中可以选择的（de）材料众多，不同（tóng）的（de）材料具有不（bú）同（tóng）的性质，不同的材料对应不同的加工（gōng）工艺，结（jié）构设计中（zhōng）既要根据功能要求合理地（dì）选择适当的材料，又要根据材（cái）料（liào）的种（zhǒng）类确定适当的加工工艺（yì），并根据加工工艺的要求确定适（shì）当（dāng）的结构，只有通过（guò）适当的结构设计才能使所选择的材料最充（chōng）分的（de）发（fā）挥（huī）优势。设（shè）计（jì）者要做到正确地（dì）选择材（cái）料就必须（xū）充（chōng）分（fèn）地了解（jiě）所选材料的力学性（xìng）能、加工性能、使用成本等信息。结（jié）构设（shè）计中应根据所选材料的特性（xìng）及其所对（duì）应（yīng）的加（jiā）工工艺而遵循（xún）不同的设计（jì）原则。机械产品应用（yòng）于各行各业，结（jié）构设计的内容和要（yào）求也（yě）是千（qiān）差万别，但（dàn）都有（yǒu）相同的共性部分。下（xià）面就机械结构设计的三个不同层次来说明对结构设计的（de）要求。1.功（gōng）能设计满（mǎn）足主要机械功能要求，在技术（shù）上（shàng）的具体化。如工作原理的实现、工（gōng）作的可靠（kào）性、工艺（yì）、材料和装配等方面。2.质量设（shè）计兼顾各种要（yào）求和限制（zhì），提高产品的质（zhì）量和性能价（jià）格比，它（tā）是现代工程（chéng）设计的特征。具体为操（cāo）作、美观、成本、安全、环保等（děng）众多其它要求和限制。在现代设计中，质量设计相当重要（yào），往往决定产品的（de）竞争（zhēng）力（lì）。那种只满足主（zhǔ）要技术（shù）功能要（yào）求的（de）机械设计（jì）时代已经过去，统筹兼顾（gù）各种要求，提高产品的质量，是现代机械设（shè）计的关键（jiàn）所在。3.优化设计和创新设计用（yòng）结构（gòu）设计变元等方法系（xì）统地构造优化设计（jì）空间，用创造（zào）性设计思维方法和其它科学（xué）方法进行优（yōu）选和创新。机械设计的最（zuì）终结果（guǒ）是以一（yī）定的结（jié）构形式（shì）表现出来的，按所设计（jì）的（de）结构进行加工（gōng）、装配（pèi），制造成（chéng）最终的产品。所以，机（jī）械（xiè）结构设计应满足作为产（chǎn）品的多方面（miàn）要求，基本要求有功能、可靠性、工艺性、经（jīng）济性和外观（guān）造型等方面的要求。此外，还应改善零件（jiàn）的受力，提高强度、刚（gāng）度、精度和寿命。因此，机械（xiè）结构设计是一（yī）项（xiàng）综（zōng）合性的技术（shù）工作。由于结构设（shè）计的错误（wù）或不合理，可能（néng）造成（chéng）零部件不应有的失效，使机器达不（bú）到设计精度的要求，给装配和维修带来极大的不方（fāng）便。机（jī）械（xiè）结构设计过（guò）程中应考虑如（rú）下的结构设计准则。1.现（xiàn）预期功（gōng）能（néng）的设计准则产品（pǐn）的（de）设计（jì）主要目（mù）的是为（wéi）了实现预定的功（gōng）能要求，因此实现预期功能的设计准则是结构（gòu）设计首先考（kǎo）虑（lǜ）的问（wèn）题。要满（mǎn）足功能要求（qiú），必须做到以（yǐ）下几点（diǎn）。(1)明确功能（néng）:结构设计是要根据其在机器中的功能和与（yǔ）其他零部（bù）件相互的连（lián）接关系，确定参数尺寸和结构形状（zhuàng）。零部件主要的功能有承受载荷、传递运动和（hé）动力，以及保证或保持有（yǒu）关（guān）零件或部件之（zhī）间的相对位置或运（yùn）动轨（guǐ）迹（jì）等（děng）。设（shè）计的结构应能满足从机器整体考虑（lǜ）对它的（de）功能要求。(2)功（gōng）能合理的分配：产品设计时，根据具体（tǐ）情况，通（tōng）常有必要将任务进行（háng）合理的分配，即（jí）将一个功能分解（jiě）为多个分功能。每（měi）个分功能都要（yào）有（yǒu）确定（dìng）的结构（gòu）承担，各部分结（jié）构之间应具有合（hé）理（lǐ）、协调的（de）联系，以达到总功能的（de）实现（xiàn）。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型带截面的（de）结构是任务合（hé）理分（fèn）配的（de）一个例子。纤维（wéi）绳（shéng）用来承受（shòu）拉（lā）力；橡胶填充层（céng）承受带弯曲时的拉伸和（hé）压（yā）缩；包布层与（yǔ）带轮轮槽作用，产（chǎn）生传（chuán）动所需的摩擦（cā）力。例（lì）如，若只靠螺栓预紧产生的摩擦力（lì）来承受横向载荷时（shí），会使螺（luó）栓的尺寸过（guò）大，可增（zēng）加（jiā）抗剪（jiǎn）元件，如销、套筒和键等，以分担横向（xiàng）载荷来解决这（zhè）一问题。(3)功能（néng）集中（zhōng）：为（wéi）了简化机（jī）械（xiè）产品的结构（gòu），降（jiàng）低加工成本，便于安装，在某些情况下，可（kě）由一个零件（jiàn）或部件（jiàn）承担多个功能（néng）。功能（néng）集中会使零件的（de）形（xíng）状更（gèng）加（jiā）复杂，但要有度，否则反而（ér）影响加工工艺、增加加工成本，设计时应（yīng）根据（jù）具体（tǐ）情况而定。2.满足强度要（yào）求的（de）设计准（zhǔn）则(1) 等强度准则：零件截（jié）面尺寸的变化应（yīng）与其内应力变化（huà）相适应，使各截面的强度相等。按等强（qiáng）度原理设计的结构，材料可以（yǐ）得（dé）到（dào）充分的利用，从而减（jiǎn）轻（qīng）了重量（liàng）、降低成本（běn）。如悬臂支架、阶梯（tī）轴的设计等。(2) 合理力流（liú）结构：为了直观地表（biǎo）示力在机（jī）械构件中（zhōng）怎样（yàng）传递的状态，将力看作犹（yóu）如水在构（gòu）件中（zhōng）流动（dòng），这些力线（xiàn）汇（huì）成（chéng）力流。表示这个力（lì）的流动在结构设计（jì）考察中起着重要（yào）的作用。力（lì）流在构件中不会中断，任（rèn）何一条力（lì）线都不（bú）会突然消失（shī），必然是从一（yī）处（chù）传（chuán）入，从另一（yī）处传出。力流的另（lìng）一（yī）个（gè）特性是它倾（qīng）向（xiàng）于沿最（zuì）短（duǎn）的路线传递，从而在最（zuì）短路线附（fù）近（jìn）力（lì）流（liú）密集，形成高（gāo）应力（lì）区。其它（tā）部（bù）位（wèi）力流稀疏，甚至没有力流通过（guò），从应力角度（dù）上讲，材料未能充（chōng）分利用。因（yīn）此，若为了（le）提高（gāo）构件的刚度，应该尽可能按力流（liú）最短路线来设计零（líng）件的形状，减少承载区域，从而累积变形越小，提高了整个（gè）构（gòu）件的刚（gāng）度（dù），使材料得（dé）到充分利用（yòng）。(3) 减小应（yīng）力集中结构：当力流（liú）方向（xiàng）急（jí）剧转折时，力流在转（zhuǎn）折处会过于密集，从而（ér）引起应力（lì）集中，设计中应在（zài）结（jié）构（gòu）上（shàng）采取措施，使力（lì）流（liú）转向平缓。应力集中是影（yǐng）响零件疲劳强度（dù）的重要因素。结构设计时，应尽量避免（miǎn）或减小应力集中。其（qí）方法在相应的章节会作介绍，如增大过度圆角（jiǎo）、采用卸（xiè）载结（jié）构等。(4) 使载荷（hé）平衡结构：在机器工作时，常（cháng）产（chǎn）生一些无用（yòng）的（de）力，如惯性力、斜齿轮（lún）轴向（xiàng）力等，这些力不但增（zēng）加了轴和轴衬等零件（jiàn）的负荷，降低（dī）其精度和寿命，同时也降低了（le）机器（qì）的传动效率。所谓载荷平衡就是指采（cǎi）取结构（gòu）措施（shī）部分或全（quán）部平衡（héng）无用力，以减轻或（huò）消除其不良的影响。这些结构（gòu）措施主要采用平衡元件、对称布置等。 3.满（mǎn）足（zú）结构刚度的设计准（zhǔn）则为保证（zhèng）零件（jiàn）在使用期（qī）限内正常地实（shí）现其（qí）功能，必须（xū）使其具有足够的刚（gāng）度。机（jī）械零部件结构（gòu）设计的主要目的是：保（bǎo）证功（gōng）能的（de）实（shí）现，使产品达到要求的性能。但是，结构设计的（de）结（jié）果（guǒ）对产品零部（bù）件的生产成本及质（zhì）量（liàng）有着不（bú）可低估的影（yǐng）响。因（yīn）此，在结构（gòu）设（shè）计中应力求使产品有良（liáng）好的加工（gōng）工艺性。所（suǒ）谓好的加（jiā）工工艺（yì）指的（de）是零部（bù）件的结构易于加工制造，任何（hé）一种加工方法都有可（kě）能不（bú）能（néng）制造某些结（jié）构（gòu）的（de）零部件，或生产成本（běn）很高，或（huò）质量受到影响。因此，对于设计者认识一种加工方法的特点非常重要，以便（biàn）在设计结构时尽可能的扬长避短。实际中，零（líng）部件结构工艺性受到诸多因素的（de）制约（yuē），如生产批量的大小会影响坯（pī）件的生成方法；生（shēng）产（chǎn）设备的条件可能会限制工（gōng）件的尺寸；此外，造型、精度、热处理、成本（běn）等方面都有可能对零部件结构的（de）工艺性有制约作（zuò）用。因此，结构设计中应（yīng）充（chōng）分考虑上述因素对（duì）工（gōng）艺性的影响。装配（pèi）是产品（pǐn）制造（zào）过程中的重要工序（xù），零部件的结构（gòu）对装（zhuāng）配的质量（liàng）、成（chéng）本有直接的影（yǐng）响。有（yǒu）关装（zhuāng）配的结构设计准则（zé）简述如下：（1）合理划分装（zhuāng）配（pèi）单元：整机应（yīng）能分解成若（ruò）干（gàn）可单独装配的单（dān）元（部件或组件），以（yǐ）实现平行且专业化的装（zhuāng）配作（zuò）业，缩短装配周期，并且便于（yú）逐级技（jì）术检验和维修。（2）使零部件得（dé）到正确安装：保证零件准确的（de）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，应保证有足够的装配空间，如扳手空间；避（bì）免过长配合以免增加（jiā）装配难度，使配合（hé）面（miàn）擦伤，如有些阶梯轴的（de）设计；为便于拆卸零件（jiàn），应给出安放拆（chāi）卸工具（jù）的位（wèi）置，如（rú）轴承的（de）拆卸。6.考虑维护（hù）修（xiū）理的（de）设计准则（1) 产（chǎn）品的配置应（yīng）根（gēn）据其故障率的高低（dī）、维（wéi）修（xiū）的难易（yì）、尺寸和质（zhì）量的大小以及安装特（tè）点等统筹安排，凡需（xū）要维修（xiū）的零件部件，都应具（jù）有良好的（de）可（kě）达性；对故障率高而又需要经常维修的部（bù）位及应急（jí）开关，应提供最佳的可达性。（2) 产品（pǐn）特别是易损件、常拆件和（hé）附加设备的拆装要简便，拆装时零部件进（jìn）出的路线最好是（shì）直线或平缓（huǎn）的曲线。（3) 产品的检查点（diǎn）、测试点等系统的维护点，都应布（bù）置在便于（yú）接近的（de）位置上。（4) 需要（yào）维修和（hé）拆装的（de）产品（pǐn），其周围要有足够的操作空间。（5) 维修时一般应能看见（jiàn）内部的操作（zuò），其通道除了能（néng）容纳维修人员的手或臂外，还应留有供（gòng）观察的适当间隙。产品的设计不仅要满（mǎn）足功能要求（qiú），而且还应考（kǎo）虑产品造型（xíng）的美学价值，使之对人产生吸引（yǐn）力（lì）。从（cóng）心（xīn）理学角度看，人60%的（de）决定取（qǔ）决于第一（yī）印象（xiàng）。技术产品的社会（huì）属性是商品，在（zài）买方（fāng）市场的时代（dài），为产品设计一个能吸引顾客的外观（guān）是一（yī）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（jīng）力疲惫而产生（shēng）的（de）误操作。外观设计包（bāo）括三个方面（miàn）：造（zào）型、颜色和表面处理。考虑造型时，应注意尺寸比例协调、形状简（jiǎn）单统一以及色彩、图案的支（zhī）持和（hé）点（diǎn）缀。 单色只（zhī）使用于小构件（jiàn）。大的特别是运动构件如果（guǒ）只用一（yī）种（zhǒng）颜色就会显得（dé）单调（diào）无层（céng）次，一个小小的附加色块会使（shǐ）整个（gè）色调活（huó）跃起来。在多个颜色并存的（de）情（qíng）况下，应（yīng）有一（yī）个起主导作用的底色（sè），和（hé）底色相对应的颜色叫对比色。但在一个产品（pǐn）上，不同色调的数量不宜太（tài）多（duō），太多的色（sè）彩会给（gěi）人一（yī）种华而不实的感觉。舒服的色彩大约（yuē）位于从浅黄、绿黄到（dào）棕的区域。这（zhè）个趋势是（shì）渐暖，正黄正绿往（wǎng）往显得不舒服；强烈的灰色调显得压抑。对于（yú）冷环境应用暖（nuǎn）色（sè），如黄、橙（chéng）黄和红。对于热环境用冷色，如（rú）浅蓝。所（suǒ）有颜（yán）色都应淡（dàn）化（huà）。另外，通过一定的色彩配置可使产品显得安全（quán）、稳（wěn）固。将形状变化小（xiǎo）的、面积较（jiào）大的平（píng）面配置浅色，而（ér）将运动、活跃轮廓（kuò）的元件配置深色；深色应安置于机械的下部，浅色置于上部。8.考虑（lǜ）成本（běn）的设（shè）计准则（1）设（shè）计时，要对（duì）产品功能（néng）进（jìn）行分析权衡，合（hé）并（bìng）相同或相似功能，消除不必要（yào）的功能，以简化产品和维修操（cāo）作。（2）设计时，应在满足规定功（gōng）能（néng）要求的条件（jiàn）下，使其构（gòu）造（zào）简（jiǎn）单（dān），尽可能减少产品层次和组成单元的数量，并简化零件（jiàn）的形（xíng）状。（3）产品应尽（jìn）量设计（jì）简便（biàn）而（ér）可（kě）靠的调整机构，以便于排除因磨损或飘移等原因（yīn）引起（qǐ）的常见故障。对（duì）易发生（shēng）局部（bù）耗损（sǔn）的贵（guì）重件，应设（shè）计成（chéng）可调（diào）整或可拆卸的（de）组合件，以便（biàn）于局部更换或（huò）修复。避免或减少（shǎo）互相牵（qiān）连的（de）反（fǎn）复调校。（4）要合理安排各（gè）组成部分的位置（zhì），减少连接件、固定件、使其检测、换件（jiàn）等维（wéi）修操（cāo）作（zuò）简单方便，尽可能做到（dào）在维修（xiū）任一部分时，不（bú）拆（chāi）卸、不移动或少拆（chāi）卸、少移动其他部分，以降低对维修人员技能（néng）水平的（de）要求和（hé）工作量（liàng）。
