機械結(jié)構(gòu)設計中的基本原則

機械設計的最終結(jié)果是以一定的結(jié)構(gòu)形式表現(xiàn)出來的，按所設計的結(jié)構(gòu)進行加工、裝配，制造成最終的產(chǎn)品。所以，機械結(jié)構(gòu)設計應滿足作為產(chǎn)品的多方面要求，基本要求有功能、可靠性、工藝性、經(jīng)濟性和外觀造型等方面的要求。此外，還應改善零件的受力，提高強度、剛度、精度和壽命。

因此，機械結(jié)構(gòu)設計是一項綜合性的技術(shù)工作。由于結(jié)構(gòu)設計的錯誤或不合理，可能造成零部件不應有的失效，使機器達不到設計精度的要求，給裝配和維修帶來極大的不方便。機械設計過程中應考慮如下的機械結(jié)構(gòu)設計六大基本設計準則。

一、實現(xiàn)預期功能的設計準則

產(chǎn)品的設計主要目的是為了實現(xiàn)預定的功能要求，因此實現(xiàn)預期功能的設計準則是結(jié)構(gòu)設計首先考慮的問題。要滿足功能要求，必須做到以下幾點。

（1）明確功能。結(jié)構(gòu)設計是要根據(jù)其在機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動軌跡等。設計的結(jié)構(gòu)應能滿足從機器整體考慮對它的功能要求。

（2）功能合理的分配。產(chǎn)品設計時，根據(jù)具體情況，通常有必要將任務進行合理的分配，即將一個功能分解為多個分功能。每個分功能都要有確定的結(jié)構(gòu)承擔，各部分結(jié)構(gòu)之間應具有合理、協(xié)調(diào)的聯(lián)系，以達到總功能的實現(xiàn)。多結(jié)構(gòu)零件承擔同一功能可以減輕零件負擔，延長使用壽命。

（3）功能集中。為了簡化機械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，降低加工成本，便于安裝，在某些情況下，可由一個零件或部件承擔多個功能。功能集中會使零件的形狀更加復雜，但要有度，否則反而影響加工工藝、增加加工成本，設計時應根據(jù)具體情況而定。

二、滿足強度要求的設計準則

（1）等強度準則

零件截面尺寸的變化應與其內(nèi)應力變化相適應，使各截面的強度相等。按等強度原理設計的結(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、階梯軸的設計等。

（2）合理力流結(jié)構(gòu)

為了直觀地表示力在機械構(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。表示這個力的流動在結(jié)構(gòu)設計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，形成高應力區(qū)。其它部位力流稀疏，甚至沒有力流通過，從應力角度上講，材料未能充分利用。因此，若為了提高構(gòu)件的剛度，應該盡可能按力流最短路線來設計零件的形狀，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，錐齒輪應盡量靠近軸承以減小懸臂長度，提高軸的彎曲強度。下面例舉幾個典型的實例。

杠桿結(jié)構(gòu)的力流分析

鍵槽力流分析

軸戶處力流分布情況

螺紋根部力流分布

（3）減小應力集中結(jié)構(gòu)

當力流方向急劇轉(zhuǎn)折時，力流在轉(zhuǎn)折處會過于密集，從而引起應力集中，設計中應在結(jié)構(gòu)上采取措施，使力流轉(zhuǎn)向平緩。應力集中是影響零件疲勞強度的重要因素。結(jié)構(gòu)設計時，應盡量避免或減小應力集中。其方法在相應的章節(jié)會作介紹，如增大過度圓角、采用卸載結(jié)構(gòu)等，如下圖。

（4）使載荷平衡結(jié)構(gòu)

在機器工作時，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荷，降低其精度和壽命，同時也降低了機器的傳動效率。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，使軸承負載減小。

三、滿足剛度結(jié)構(gòu)的設計準則

為保證零件在使用期限內(nèi)正常地實現(xiàn)其功能，必須使其具有足夠的剛度。

四、考慮加工工藝的設計準則

機械零部件結(jié)構(gòu)設計的主要目的是：保證功能的實現(xiàn)，使產(chǎn)品達到要求的性能。但是，結(jié)構(gòu)設計的結(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)設計中應力求使產(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，對于設計者認識一種加工方法的特點非常重要，以便在設計結(jié)構(gòu)時盡可能的揚長避短。

實際中，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)設計中應充分考慮上述因素對工藝性的影響。

五、考慮裝配的設計準則

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)設計準則簡述如下。

（1）合理劃分裝配單元

整機應能分解成若干可單獨裝配的單元（部件或組件），以實現(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)檢驗和維修。

（2）使零部件得到正確安裝

-保證零件準確的定位。

-防止裝配錯誤。

（3）使零部件便于裝配和拆卸

結(jié)構(gòu)設計中，應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，如有些階梯軸的設計；為便于拆卸零件，應給出安放拆卸工具的位置，如軸承的拆卸。

六、考慮造型設計的準則

產(chǎn)品的設計不僅要滿足功能要求，而且還應考慮產(chǎn)品造型的美學價值，使之對人產(chǎn)生吸引力。從心理學角度看，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，在買方市場的時代，為產(chǎn)品設計一個能吸引顧客的外觀是一個重要的設計要求；同時造型美觀的產(chǎn)品可使操作者減少因精力疲憊而產(chǎn)生的誤操作。

外觀設計包括三個方面：造型、顏色和表面處理。

考慮造型時，應注意下述三個問題：

（1）尺寸比例協(xié)調(diào)

在結(jié)構(gòu)設計時，應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，應有意識地應用"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