機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的基本原則

機(jī)械結(jié)構(gòu)形式千差萬別，但其功能的實(shí)現(xiàn)幾乎都與力（力矩）的產(chǎn)生、轉(zhuǎn)換傳遞有關(guān)。機(jī)械零件具有足夠的承載能力是保障機(jī)械結(jié)構(gòu)功能實(shí)現(xiàn)的先決條件。所以在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，根據(jù)力學(xué)理論對零件的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性進(jìn)行分析是必不可少的，并在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。。計(jì)算機(jī)輔助結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)已被廣泛應(yīng)用于工程實(shí)際中。但它所依賴的力學(xué)模型與復(fù)雜的實(shí)際結(jié)構(gòu)及工況有差距，力學(xué)模型的精度通常很難提高;對稍微復(fù)雜一些的實(shí)際結(jié)構(gòu)仍然停留在零件尺寸的優(yōu)化上，而基本結(jié)構(gòu)一般還得預(yù)先選定，只能針對一個(gè)具體的實(shí)例得到一個(gè)特定的數(shù)值解，并不能給予方向性指導(dǎo)。因此計(jì)算機(jī)輔助結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)不能代替工程知識的分析與總結(jié)，結(jié)合實(shí)例分析，掌握提高結(jié)構(gòu)承載能力的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則，并為結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供可借鑒的思路。

機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

一、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）功能合理的分配。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。

（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，但要有度，否則反而影響加工工藝、增加加工成本，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)具體情況而定。

二、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，若為了提高構(gòu)件的剛度，應(yīng)該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。

如懸臂布置的小錐齒輪，錐齒輪應(yīng)盡量靠近軸承以減小懸臂長度，提高軸的彎曲強(qiáng)度。圖5.4例舉幾個(gè)典型的實(shí)例。

（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。其方法在相應(yīng)的章節(jié)會作介紹，如增大過度圓角、采用卸載結(jié)構(gòu)等。如圖5.5。

（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。

例如，同一軸上的兩個(gè)斜齒圓柱齒輪所產(chǎn)生的軸向力，可通過合理選擇輪齒的旋向及螺旋角的大小使軸向力相互抵消，使軸承負(fù)載減小。

三、滿足剛度結(jié)構(gòu)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。

四、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)的結(jié)果對產(chǎn)品零部件的生產(chǎn)成本及質(zhì)量有著不可低估的影響。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)力求使產(chǎn)品有良好的加工工藝性

所謂好的加工工藝指的是零部件的結(jié)構(gòu)易于加工制造，任何一種加工方法都有可能不能制造某些結(jié)構(gòu)的零部件，或生產(chǎn)成本很高，或質(zhì)量受到影響。因此，對于設(shè)計(jì)者認(rèn)識一種加工方法的特點(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)際中，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。

五、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。

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。

六、考慮造型設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則

產(chǎn)品的設(shè)計(jì)不僅要滿足功能要求，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。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。

考慮造型時(shí)，應(yīng)注意下述三個(gè)問題：

（1）尺寸比例協(xié)調(diào)

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意保持外形輪廓各部分尺寸之間均勻協(xié)調(diào)的比例關(guān)系，應(yīng)有意識地應(yīng)用“黃金分割法”來確定尺寸，使產(chǎn)品造型更具美感。

（2）形狀簡單統(tǒng)一

機(jī)械產(chǎn)品的外形通常由各種基本的幾何形體（長方體、圓柱體、錐體等）組合而成。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)使這些形狀配合適當(dāng)，基本形狀應(yīng)在視覺上平衡，接近對稱又不完全對稱的外形易產(chǎn)生傾倒的感覺；盡量減少形狀和位置的變化，避免過分凌亂；改善加工工藝

（3）色彩、圖案的支持和點(diǎn)綴

在機(jī)械產(chǎn)品表面涂漆，除具有防止腐蝕的功能外，還可增強(qiáng)視覺效果。恰當(dāng)?shù)纳士墒共僮髡哐劬Φ钠诔潭冉档停⒛芴岣邔υO(shè)備顯示信息的辨別能力。

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。