一、机（jī）械结构件（jiàn）的结（jié）构要素和设计方法
机械（xiè）结构的功（gōng）能主要是靠机械零（líng）部件（jiàn）的几何形状及（jí）各个零部件之间的相对位置关系实现的。零（líng）部件（jiàn）的几何形（xíng）状由它的表面所构（gòu）成，一个零件通常有多个表面，在这些表面中有的与其它零部件（jiàn）表面直接（jiē）接触，把这一（yī）部分（fèn）表（biǎo）面称为（wéi）功能表面。在功能表（biǎo）面（miàn）之间的联结部分称为（wéi）联接表面（miàn）。 零件的功能表（biǎo）面是决定（dìng）机械功能（néng）的重（chóng）要因（yīn）素，功能表面（miàn）的设计是零部件（jiàn）结（jié）构设计的核心问题。描述功能表面（miàn）的主要（yào）几何（hé）参数有表（biǎo）面的几何形（xíng）状、尺寸大小、表面数（shù）量、位置、顺（shùn）序等。通过（guò）对功能表面的变异设计，可以得（dé）到为实现同一技术功能的多（duō）种结构方案。在机器或机械中，任何零件都不是孤立存（cún）在的。因此在结构设计（jì）中除了研究零件本身的功能和（hé）其（qí）它特（tè）征外，还必须（xū）研究零件之间的相互关系。零件（jiàn）的相关分为直接相关和间接相关两类（lèi）。凡两零件有直接（jiē）装配（pèi）关系（xì）的，成为直（zhí）接相关。没有直接装配关系的相关成为（wéi）间接相（xiàng）关。间接（jiē）相关（guān）又分为位置相关和运动相关（guān）两类。位置相关是指两（liǎng）零件在相互位置上有要（yào）求，如减（jiǎn）速器（qì）中（zhōng）两相邻的（de）传动轴，其中心（xīn）距必须保证（zhèng）一定的精度，两轴线必须平行，以保证（zhèng）齿轮的正常啮合。运动（dòng）相关是（shì）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（píng）行于于主（zhǔ）轴的（de）中心（xīn）线，这是（shì）靠床（chuáng）身导（dǎo）轨（guǐ）和主（zhǔ）轴轴线相平行来保证的（de），所以，主轴（zhóu）与导轨之（zhī）间位置相关；而刀架（jià）与主轴（zhóu）之（zhī）间为运动相关。多数零件都有（yǒu）两个或更（gèng）多的直接相（xiàng）关（guān）零件，故每（měi）个零件大（dà）都具有（yǒu）两个或多个（gè）部位在结构上与其它零件有关。在（zài）进行结构（gòu）设计时，两零件（jiàn）直接（jiē）相关部位必须同（tóng）时考虑，以便合理地选择材料的热处（chù）理方式、形状、尺寸（cùn）、精度及表面质量等。同时还必须考虑满足间接相关条件，如进行（háng）尺寸（cùn）链和精度计算（suàn）等。一般来说，若某（mǒu）零件直（zhí）接相关（guān）零件愈多，其结构就愈复杂；零件的（de）间接相关零件愈多（duō），其（qí）精度要求愈高。机械设（shè）计中（zhōng）可以（yǐ）选择的材料（liào）众（zhòng）多（duō），不（bú）同的材料（liào）具有不同的性质，不同的材（cái）料对应不同（tóng）的加工工艺，结构设（shè）计中（zhōng）既要根据功（gōng）能要求（qiú）合理地选择适当的材料（liào），又要根（gēn）据材料（liào）的（de）种（zhǒng）类确定（dìng）适当（dāng）的加工（gōng）工艺，并根据（jù）加工工艺的要求确（què）定适（shì）当的结（jié）构，只有通过适当的结（jié）构设计才能（néng）使所（suǒ）选择的材料（liào）最充（chōng）分的发挥优势（shì）。设计者要做到正确地选择材料（liào）就必（bì）须充分（fèn）地了（le）解所选材料的（de）力学性能、加工性能、使（shǐ）用（yòng）成本等信息。结构设（shè）计中应根据所选材（cái）料（liào）的特（tè）性及其所对（duì）应的加工工艺而（ér）遵循不同的设计原则。二、机械结（jié）构（gòu）设计（jì）的基本要（yào）求机械产品应用于各行（háng）各业，结构设计的内容和要求也是千差万别，但都（dōu）有相同的（de）共性部（bù）分。下面就机械结构（gòu）设计的三个不（bú）同层（céng）次来说明对结构设计的要求。1.功能（néng）设计（jì）满足（zú）主要机械功能要求，在技术上的具体化。如工作原理的实现、工作的可靠（kào）性、工艺、材料和（hé）装（zhuāng）配等方（fāng）面。2.质量设计兼顾（gù）各（gè）种要求和限（xiàn）制（zhì），提高产品（pǐn）的质量和性能价格比，它是（shì）现代工（gōng）程设（shè）计（jì）的特征。具体为操作（zuò）、美观、成（chéng）本、安全、环保等众多其（qí）它要求和限制。在现（xiàn）代设计中（zhōng），质量设（shè）计相当重要，往（wǎng）往（wǎng）决（jué）定产品（pǐn）的竞（jìng）争力。那种只满足主要技术功（gōng）能要求的机械设计时（shí）代已经（jīng）过去，统筹兼（jiān）顾各（gè）种要求，提高（gāo）产品的质量，是现代机械设计的关键所（suǒ）在。3.优化设计（jì）和创（chuàng）新设计用结构设计变（biàn）元（yuán）等（děng）方（fāng）法（fǎ）系统地构造（zào）优化设计（jì）空间，用（yòng）创造性设（shè）计思维方（fāng）法和（hé）其它科学（xué）方法进行优选和创新。机械设计（jì）的最（zuì）终（zhōng）结果是以一定的结构形式（shì）表（biǎo）现出来的，按所设（shè）计的结构进行加工、装（zhuāng）配，制造成最终的产品。所以，机械结构设计应（yīng）满足作为产品的多方面要求（qiú），基本要求有（yǒu）功能、可靠性、工艺性、经济（jì）性和（hé）外观造型等方面的（de）要求。此（cǐ）外，还应改（gǎi）善零件的受力（lì），提高强度、刚度、精度和寿（shòu）命。因此，机械结构（gòu）设（shè）计是（shì）一项综合性的技术工作。由于结构设（shè）计的错误或不合理，可（kě）能造（zào）成零部件不应有的（de）失（shī）效，使机器达不到设计精（jīng）度的要求，给装配和维修带来极（jí）大的不（bú）方便（biàn）。机械结构设（shè）计过程中应考虑如下（xià）的结构设计准（zhǔn）则。1.现预（yù）期功能的设（shè）计（jì）准则（zé）产品的设计（jì）主要目（mù）的是为了实现预定的功能要（yào）求，因此实现预期功能的设计准则是结构设计首先（xiān）考虑的（de）问题（tí）。要满足功能要求，必须做到（dào）以下几点。(1)明（míng）确功能:结构设计（jì）是要根（gēn）据其在机器中（zhōng）的功能和与其他零部（bù）件相互的连接关（guān）系，确定参数尺寸（cùn）和（hé）结构形状。零部（bù）件主要的功（gōng）能有承（chéng）受载荷（hé）、传递运动和动力，以（yǐ）及保证或保持有关零件或部件之间的相对（duì）位（wèi）置或运（yùn）动（dòng）轨迹等。设计的结构应（yīng）能满（mǎn）足从（cóng）机器整体考虑对它的功能要（yào）求。(2)功能合理的分配：产品设计时（shí），根据（jù）具体情况，通常有必要（yào）将任务进行（háng）合理的分配，即将一个功能分解为多个分功（gōng）能。每（měi）个分功能都要有确定的结构承担，各部分结构之间（jiān）应具有合理、协调的（de）联系，以（yǐ）达到（dào）总功能的实现。多结构零件承担同（tóng）一（yī）功能（néng）可以减（jiǎn）轻零（líng）件负担，延长使（shǐ）用寿命。V型（xíng）带截面的结构（gòu）是任务（wù）合理分配的一个（gè）例（lì）子。纤维绳用来承受拉力；橡（xiàng）胶填充（chōng）层承受带弯曲时的（de）拉伸和（hé）压缩；包布（bù）层与带轮轮（lún）槽作用，产生传动所需的摩擦（cā）力。例如，若只靠（kào）螺栓预紧产生的（de）摩擦力来承受（shòu）横（héng）向载（zǎi）荷时，会使螺栓的尺寸过大，可增加抗（kàng）剪元件，如销、套（tào）筒和（hé）键等，以（yǐ）分担横（héng）向载（zǎi）荷来解决这一（yī）问题（tí）。(3)功能集中：为了简化机械产品的（de）结构（gòu），降低加工成本（běn），便于（yú）安（ān）装，在某些情况下，可（kě）由一（yī）个零件或部件（jiàn）承担多个功能（néng）。功能集（jí）中会使（shǐ）零件的形状更（gèng）加复（fù）杂，但要有（yǒu）度（dù），否则反而影响加工工艺、增加加工成本，设计时（shí）应（yīng）根据具体情况而定。(1) 等强度准则：零件截（jié）面（miàn）尺（chǐ）寸的变（biàn）化应与其内应力变化（huà）相（xiàng）适应，使各截面的强度相等。按等强度原理设（shè）计的结构，材料可（kě）以得到充（chōng）分的利用，从而减轻了重量、降（jiàng）低成本。如悬臂支架、阶梯（tī）轴的设计等。(2) 合理力流结构（gòu）：为了直观地表（biǎo）示（shì）力在机械构件中怎样传递的状态，将力（lì）看作（zuò）犹如水在构件中（zhōng）流（liú）动，这些（xiē）力线汇成力（lì）流。表（biǎo）示这个力的流（liú）动在结构设计（jì）考察中起着重要的（de）作用。力流在构件中（zhōng）不会中断，任何一（yī）条力线都不会突然消失，必然是从一处传（chuán）入，从另一处传出。力流（liú）的另一个特性是（shì）它倾向于（yú）沿最（zuì）短（duǎn）的路线传递，从而在最短（duǎn）路线附近力流密集，形成高应力区（qū）。其它部位力流稀疏，甚（shèn）至没有力流通过，从（cóng）应力角（jiǎo）度上讲，材料（liào）未能充分（fèn）利用。因此（cǐ），若为（wéi）了提高（gāo）构件的刚度（dù），应该尽可能按力流最短路线来设计（jì）零件的形状（zhuàng），减少承（chéng）载区域，从而（ér）累（lèi）积（jī）变形越小，提（tí）高（gāo）了整个构件的刚度，使材料得到充分利用。(3) 减小应力（lì）集（jí）中结构：当力流方向急剧转折时，力（lì）流在（zài）转折处会（huì）过于密集，从而引起应力集中，设计（jì）中应在结构上采取措施，使（shǐ）力流转向平缓。应力集中是影（yǐng）响零件疲劳强（qiáng）度的重要因素。结构（gòu）设（shè）计时，应（yīng）尽量避免（miǎn）或减小应（yīng）力集中。其方法在相应的章节会作介绍，如增大过（guò）度圆角、采用卸载结构等。(4) 使载荷平（píng）衡结构：在机器工作时，常（cháng）产生（shēng）一些（xiē）无用（yòng）的（de）力，如惯性力、斜齿轮轴向力等，这（zhè）些力不但增加了轴和（hé）轴衬等零（líng）件的负荷，降低其精（jīng）度和寿（shòu）命，同时也降低了（le）机器的传动效率（lǜ）。所谓载荷平衡就是指采取结构措（cuò）施部分或全部平衡无用力，以减轻或消除其（qí）不（bú）良的影（yǐng）响。这些结构措施主要采用平（píng）衡元件、对（duì）称布置等。 3.满足结构（gòu）刚（gāng）度的（de）设计准则为保证零件（jiàn）在使用期限（xiàn）内（nèi）正常地实现其（qí）功能，必须使（shǐ）其（qí）具有足够（gòu）的刚度。机械零（líng）部件结构设计（jì）的主要目的是：保证功能的实现，使产品达（dá）到要求的性能（néng）。但是，结构设计的结果对产品零部件的生产（chǎn）成本（běn）及质量有着（zhe）不可低估的（de）影响。因此，在结构设（shè）计中应力（lì）求使（shǐ）产品（pǐn）有良好的（de）加工工艺性。所谓好的加工工艺指的（de）是零部件的结（jié）构易于加工（gōng）制造（zào），任（rèn）何一种加工方法都（dōu）有可能不能制造某些结构的（de）零部件（jiàn），或（huò）生产成本（běn）很高，或质量受到影响。因此，对于设计（jì）者认识一种加工方法的特（tè）点非常重要，以便在设计（jì）结构时尽可能的扬长避短。实际中，零部件结构工艺性受（shòu）到诸多因素（sù）的制约，如生（shēng）产（chǎn）批量的大小会影响坯件的（de）生成（chéng）方法；生产（chǎn）设（shè）备的条件可能会限制工件的（de）尺寸；此外，造型、精度、热处理（lǐ）、成（chéng）本等方面都有可能（néng）对零部（bù）件结构的工艺性（xìng）有制约作用（yòng）。因此，结构设计中应（yīng）充分（fèn）考虑上（shàng）述因素对工艺性的影响。装配是产（chǎn）品制造过（guò）程中（zhōng）的重要工序，零部件（jiàn）的结构对装（zhuāng）配的质量、成本有直接的（de）影（yǐng）响。有关装配（pèi）的结构设计准则简（jiǎn）述如下：（1）合理划分装配单元：整机应能分解成若（ruò）干可（kě）单独装配（pèi）的单元（部件或（huò）组（zǔ）件），以实现平行（háng）且专业（yè）化的（de）装配作业，缩短装（zhuāng）配周期，并且便于逐级技术检验和维修。（2）使零部件得到（dào）正确安（ān）装：保证零件准确的定位、避（bì）免双（shuāng）重配合、防止装配错误。（3）使零部（bù）件便于装配和拆卸：结构设计中（zhōng），应保证有（yǒu）足够（gòu）的装配空间，如扳（bān）手空（kōng）间（jiān）；避免过（guò）长配合（hé）以免增加装配难度，使配（pèi）合面擦（cā）伤，如有些阶梯轴的（de）设（shè）计；为便于拆（chāi）卸零件，应给（gěi）出安放拆（chāi）卸工具的（de）位置，如轴承的（de）拆卸。（1) 产品的配（pèi）置应根据其（qí）故障率的高低（dī）、维修的难易（yì）、尺（chǐ）寸（cùn）和质量（liàng）的大小以及（jí）安装特点等统筹安排，凡需要维修的零件部件，都应具有良好（hǎo）的可达性；对故障率高而又需要（yào）经常维修（xiū）的部位及应急（jí）开关，应提供最佳的可达性。（2) 产品特别是易损（sǔn）件、常拆（chāi）件和附加设备的（de）拆装要（yào）简便，拆装时（shí）零部件进出的路（lù）线最好（hǎo）是直（zhí）线或平缓的（de）曲线。（3) 产品的检查（chá）点、测试点（diǎn）等（děng）系（xì）统的维护点，都应布置在便于接近的位置上。（4) 需要维修（xiū）和拆（chāi）装的产（chǎn）品，其（qí）周围要有足够（gòu）的操作空间。（5) 维修时（shí）一般应能看见内（nèi）部的（de）操（cāo）作，其通道除了（le）能容纳维修人员的手或臂外，还应留有供观（guān）察的适当（dāng）间隙。产（chǎn）品（pǐn）的设计不（bú）仅要满足功（gōng）能要求，而（ér）且还应考虑（lǜ）产（chǎn）品造型的美学价值，使之对人产生吸引（yǐn）力。从（cóng）心理学角（jiǎo）度看，人60%的决定取决于（yú）第（dì）一印象。技（jì）术（shù）产品（pǐn）的社会属性是商品，在买（mǎi）方市场的时代，为产品（pǐn）设计一个（gè）能吸引顾（gù）客的外观（guān）是（shì）一个重（chóng）要的（de）设计要求；同时造型美（měi）观的产（chǎn）品可使操（cāo）作者减少因精力疲惫（bèi）而产生（shēng）的误操作。外观设计包括三个方面：造型（xíng）、颜色和表（biǎo）面处理。考（kǎo）虑造型（xíng）时，应注意尺（chǐ）寸比例（lì）协调、形（xíng）状简（jiǎn）单统一（yī）以及色彩、图案的（de）支（zhī）持和点缀。 单色只（zhī）使用于（yú）小构件。大的（de）特别是运（yùn）动构件如（rú）果只用一种颜色就会（huì）显得单调无层次，一个小小的（de）附加色块会（huì）使整个色调活跃起（qǐ）来。在多个颜色并（bìng）存（cún）的情况下，应有一个（gè）起主导作用的（de）底（dǐ）色，和底色相对应的颜色叫对（duì）比色。但在一（yī）个产（chǎn）品上（shàng），不同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觉（jiào）。舒服的色彩（cǎi）大约位于从（cóng）浅黄（huáng）、绿黄到棕的区域。这个趋势是渐暖，正（zhèng）黄正绿往往（wǎng）显得（dé）不舒服；强烈的灰色调（diào）显得（dé）压（yā）抑（yì）。对于冷环境应用暖（nuǎn）色，如黄、橙（chéng）黄和红。对于热（rè）环境用冷色，如浅（qiǎn）蓝。所有颜色（sè）都应淡化。另外，通过一定的色彩配置可使产品显得安全、稳固（gù）。将（jiāng）形（xíng）状变化小的、面积较大的平（píng）面配置浅色，而将运动、活（huó）跃轮廓的元件配置深色；深色应安置于机械的下部，浅色置于上部。8.考（kǎo）虑成本的（de）设（shè）计准则设（shè）计时应简（jiǎn）化产（chǎn）品及维修操作：（1）设计时，要对（duì）产品功能进行分析权衡，合并相同或（huò）相似功能（néng），消（xiāo）除不必要的（de）功能（néng），以简化产品和维修操作（zuò）。（2）设计时，应在（zài）满足规（guī）定功能要求（qiú）的条件下，使其构造（zào）简（jiǎn）单，尽（jìn）可能减少产品层次和（hé）组成单元的数量，并简化零件的形状。（3）产品（pǐn）应尽量设（shè）计简便而可靠（kào）的调整机（jī）构，以便于（yú）排（pái）除因（yīn）磨损或飘移等原因（yīn）引起的（de）常（cháng）见故障。对（duì）易发生局部耗损的贵重件，应设计成可调（diào）整（zhěng）或可拆卸的组合件（jiàn），以便于局部更换或（huò）修复。避免或减少互相牵连（lián）的反复调校。（4）要合理（lǐ）安（ān）排各组（zǔ）成部分的（de）位置，减少连（lián）接件、固定件、使其检测（cè）、换（huàn）件等（děng）维修操作简单方便（biàn），尽可能做到在维修任一部分时，不（bú）拆（chāi）卸、不移（yí）动或少拆卸、少（shǎo）移动其（qí）他（tā）部分，以降低对维修人员技能水平（píng）的要求和工（gōng）作量。
