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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 5.1.1 机械结构设计的任务机械结构设计的任务是在总体设计的基础上,依据所确定的原理方案,确定 并绘出详细的结构图,以表达所要求的功能；是将抽象的工作原理详细化为某 类构件或零部件,详细内容为在确定结构件的材料、外形、尺寸、公差、热处 理方式和表面状况的同时,仍须考虑其加工工艺、强度、刚度、精度以及与其 它零件相互之间关系等问题；所以,结构设计的直接产物虽是技术图纸,但结 构设计工作不是简洁的机械制图,图纸只是表达设计方案的语言,综合技术的 详细化是结构设计的基本内容；5.1.2 机械结构设计特点机械结构设计的主要特点有：（1）它是集摸索、绘
2、图、运算（有时进行必要的试验）于一体的设计过程,是机械设计中涉及的问题最多、最详细、工作量最大的工作阶段,在整个机械设计过程中,平均约80%的时间用于结构设计,对机械设计的成败起着举足轻重的作用； （2）机械结构设计问题的多解性,即满意同一设计要求的机械结构并不是唯独的；（3）机械结构设计阶段是一个很活跃的设计环节,经常需反复交叉的进行；为此,在进行机械结构设计时,必 须明白从机器的整体动身对机械结构的基本要求 5.2 机械结构件的结构要素和设计方法 5.2.1 结构件的几何要素 机械结构的功能主要是靠机械零部件的几何外形及各个零部件之间的相对 位置关系实现的；零部件的几何外形由它的表面所构成
3、,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表面直接接触,把这一部分表面称为功 能表面；在功能表面之间的联结部分称为联接表面；零件的功能表面是打算机械功能的重要因素,功能表面的设计是零部件结名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 13 页精选学习资料 - - - - - - - - - 构设计的核心问题；描述功能表面的主要几何参数有表面的几何外形、尺寸大 小、表面数量、位置、次序等；通过对功能表面的变异设计,可以得到为实现 同一技术功能的多种结构方案；5.2.2 结构件之间的联接 在机器或机械中,任何零件都不是孤立存在的；因此在结构设计中除了争论零 件本身的功能和其
4、它特点外,仍必需争论零件之间的相互关系；零件的相关分为直接相关和间接相关两类；凡两零件有直接装配关系的,成为直接相关；没有直接装配关系的相关成为间接相关；间接相关又分为位置 相关和运动相关两类；位置相关是指两零件在相互位置上有要求,如减速器中 两相邻的传动轴,其中心距必需保证肯定的精度,两轴线必需平行,以保证齿 轮的正常啮合；运动相关是指一零件的运动轨迹与另一零件有关,如车床刀架 的运动轨迹必需平行于于主轴的中心线,这是靠床身导轨和主轴轴线相平行来 保证的,所以,主轴与导轨之间位置相关；而刀架与主轴之间为运动相关； 多数零件都有两个或更多的直接相关零件,故每个零件大都具有两个或多 个部位在结构
5、上与其它零件有关；在进行结构设计时,两零件直接相关部位必 须同时考虑,以便合理地挑选材料的热处理方式、外形、尺寸、精度及表面质 量等；同时仍必需考虑满意间接相关条件,如进行尺寸链和精度运算等；一般 来说,如某零件直接相关零件愈多,其结构就愈复杂；零件的间接相关零件愈 5.1；多,其精度要求愈高；例如,轴毂联会见图 5.2.3 结构设计据结构件的材料及热处理不同应留意的问题机械设计中可以挑选的材料众多,不同的材料具有不同的性质,不同的材料 对应不同的加工工艺,结构设计中既要依据功能要求合理地挑选适当的材料,又要依据材料的种类确定适当的加工工艺,并依据加工工艺的要求确定适当的名师归纳总结 - -
6、- - - - -第 2 页,共 13 页精选学习资料 - - - - - - - - - 结构,只有通过适当的结构设计才能使所挑选的材料最充分的发挥优势；设计者要做到正确地挑选材料就必需充分地明白所选材料的力学性能、加工 性能、使用成本等信息；结构设计中应依据所选材料的特性及其所对应的加工 工艺而遵循不同的设计原就；如：钢材受拉和受压时的力学特性基本相同,因此钢梁结构多为 对称结构；铸铁材料的抗压强度远大于抗拉强度,因此承担弯矩的铸铁结构截 面多为非对称外形,以使承载时最大压应力大于最大拉应力,图示 5.2 为两种 铸铁支架比较；钢结构设计中通常通过加大截面尺寸的方法增大结构的强度和 刚度,
7、但是铸造结构中假如壁厚过大就很难保证铸造质量,所以铸造结构通常 通过加筋板和隔板的方法加强结构的刚度和强度；塑料材料由于刚度差,铸造 后的冷却不均匀造成的内应力极易引起结构的翘曲,所以塑料结构的筋板与壁 厚相近并均匀对称；对于需要热处理加工的零件,在进行结构设计时的要求有如下几点：（1）（2）具有不等截面的 零件的几何外形应力求简洁、对称,抱负的外形为球形；零件,其大小截面的变化必需平缓,防止突变；假如相邻部分的变化过大,大 小截面冷却不均,必定形成内应力； （3）防止锐边尖角结构,为了防止锐边尖角处熔化或过热,一般在槽或孔的边缘上切出2mm 的倒角；（4）防止厚薄悬殊的截面,厚薄悬殊的截面在
8、淬火冷却时易变形,开裂的倾向较大；5.3.1 机械结构设计的基本要求 机械产品应用于各行各业,结构设计的内容和要求也是千差万别,但都有 相同的共性部分；下面就机械结构设计的三个不同层次来说明对结构设计的要 求；名师归纳总结 1.功能设计满意主要机械功能要求,在技术上的详细化；如工作原理的实现、第 3 页,共 13 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 工作的牢靠性、工艺、材料和装配等方面；2质量设计 兼顾各种要求和限制,提高产品的质量和性能价格比,它是现 代工程设计的特点；详细为操作、美观、成本、安全、环保等众多其它要求 和限制；在现代设计中,质量设计相
9、当重要,往往打算产品的竞争力；那种 只满意主要技术功能要求的机械设计时代已经过去,统筹兼顾各种要求,提 高产品的质量,是现代机械设计的关键所在；与考虑工作原理相比,兼顾各 种要求好像只是设计细节上的问题,然而细节的总和是质量,产品质量问题 不仅是工艺和材料的问题,提高质量应始于设计；3优化设计和创新设计用结构设计变元等方法系统地构造优化设计空间,用制造性设计思维方法和其它科学方法进行优选和创新；对产品质量的提高永无止境,市场的竞争日趋猛烈,需求向个性化方向进展；因此, 优化设计和创新设计 在现代机械设计中的作用越来越重要,它们将 是 将来技术产品开发的竞争焦点；结构设计中得到一个可行的结构方案
10、一般并不很难；机械设计的任务是在众多 的可行性方案中寻求较好的或是最好的方案；结构优化设计的前提是要能构造 出大量可供优选的可能性方案,即构造出大量的优化求解空间,这也是结构设 计最具制造性的地方；结构优化设计目前基本仍局限在用数理模型描述的那类 问题上； 而更具有潜力、更有成效的结构优化设计应建立在由工艺、材料、联 接方式、外形、次序、方位、数量、尺寸等结构设计变元所构成的结构设计解 空间的基础上；5.3.2 机械结构基本设计准就 机械设计的最终结果是以肯定的结构形式表现出来的,按所设计的结构进行 加工、装配,制造成最终的产品；所以,机械结构设计应满意作为产品的多方名师归纳总结 - - -
11、- - - -第 4 页,共 13 页精选学习资料 - - - - - - - - - 面要求,基本要求有功能、牢靠性、工艺性、经济性和外观造型等方面的要求；此外,仍应改善零件的受力,提高强度、刚度、精度和寿命；因此,机械结构 设计是一项综合性的技术工作；由于结构设计的错误或不合理,可能造成零部 件不应有的失效,使机器达不到设计精度的要求,给装配和修理带来极大的不 便利；机械结构设计过程中应考虑如下的结构设计准就；1.实现预期 功能的设计准就 2.满意 强度要求的设计准就 3.满意 刚度结构的设计准就 4.考虑加工 工艺的设计准就 5.考虑 装配的设计准就 6.考虑 造型设计的准就 5.3.2
12、 机械结构基本设计准就 1. 实现预期功能的设计准就产品的设计主要目的是为了实现预定的功能要求,因此实现预期功能的设计 准就是结构设计第一考虑的问题；要满意功能要求,必需做到以下几点；1明确功能 : 结构设计是要依据其在机器中的功能和与其他零部件相互的连 接关系,确定参数尺寸和结构外形；零部件主要的功能有承担载荷、传递运动 和动力,以及保证或保持有关零件或部件之间的相对位置或运动轨迹等；设计 的结构应能满意从机器整体考虑对它的功能要求；2功能合理的安排： 产品设计时,依据详细情形,通常有必要将任务进行合 理的安排,即将一个功能分解为多个分功能；每个分功能都要有确定的结构承 担,各部分结构之间应
13、具有合理、和谐的联系,以达到总功能的实现；多结构零件承担同一功能可以减轻零件负担,延长使用寿命；V 型带截面的结构是任名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 13 页精选学习资料 - - - - - - - - - 务合理安排的一个例子；纤维绳用来承担拉力；橡胶填充层承担带弯曲时的拉 伸和压缩；包布层与带轮轮槽作用,产生传动所需的摩擦力；例如,如只靠螺 栓预紧产生的摩擦力来承担横向载荷时,会使螺栓的尺寸过大,可增加抗剪元件,如销、套筒和键等,以分担横向载荷来解决这一问题；3功能集中： 为了简化机械产品的结构,降低加工成本,便于安装,在某些 情形下,可由一个零件或部件承担多个功能
14、；功能集中会使零件的外形更加复 杂,但要有度,否就反而影响加工工艺、增加加工成本,设计时应依据详细情 况而定；5.3.2 机械结构基本设计准就 2.满意强度要求的设计准就 1 等强度准就 零件截面尺寸的变化应与其内应力变化相适应,使各截面的强度相等；按等 强度原理设计的结构,材料可以得到充分的利用,从而减轻了重量、降低成本；如悬臂支架、阶梯轴的设计等；见图 5.3；图 5.3 2 合理力流结构 为了直观地表示力在机械构件中怎样传递的状态,将力看作如同水在构件中名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 13 页精选学习资料 - - - - - - - - - 流淌,这些力线汇成力流
15、；表示这个力的流淌在结构设计考察中起着重要的 作用；力流在构件中不会中断,任何一条力线都不会突然消逝,必定是从一处传 入,从另一处传出；力流的另一个特性是它倾向于沿最短的路线传递,从而 在最短路线邻近力流密集,形成高应力区；其它部位力流稀疏,甚至没有力 流通过,从应力角度上讲,材料未能充分利用；因此,如为了提高构件的刚 度,应当尽可能按力流最短路线来设计零件的外形,削减承载区域,从而累 积变形越小,提高了整个构件的刚度,使材料得到充分利用；如悬臂布置的小锥齿轮,锥齿轮应尽量靠近轴承以减小悬臂长度,提高轴 的弯曲强度；图 5.4 例举几个典型的实例；3 减小应力集中结构当力流方向急剧转折时,力流
16、在转折处会过于密集,从而引起应力集中,设计中应在结构上实行措施,使力流转向平缓；应力集中是影响零件疲惫强 度的重要因素；结构设计时,应尽量防止或减小应力集中；其方法在相应的 章节会作介绍,如增大过度圆角、采纳卸载结构等；如图 5.5；4 使载荷平稳结构在机器工作时,常产生一些无用的力,如惯性力、斜齿轮轴向力等,这些 力不但增加了轴和轴衬等零件的负荷,降低其精度和寿命,同时也降低了机 器的传动效率；所谓载荷平稳就是指实行结构措施部分或全部平稳无用力,以减轻或排除其不良的影响；这些结构措施主要采纳平稳元件、对称布置等；例如,同一轴上的两个斜齿圆柱齿轮所产生的轴向力,可通过合理挑选轮名师归纳总结 齿
17、的旋向及螺旋角的大小使轴向力相互抵消,使轴承负载减小；如图5.6；第 7 页,共 13 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 5.3.2 机械结构基本设计准就 3.满意结构刚度的设计准就 为保证零件在使用期限内正常地实现其功能,必需使其具有足够的刚度；5.3.2 机械结构基本设计准就 4.考虑加工工艺的设计准就 机械零部件结构设计的主要目的是：保证功能的实现,使产品达到要求的 性能；但是,结构设计的结果对产品零部件的生产成本及质量有着不行低估的 影响；因此,在结构设计中应力求使产品有良好的加工工艺性 所谓好的加工工艺指的是零部件的结构易于加工制造,任何一
18、种加工方法 都有可能不能制造某些结构的零部件,或生产成本很高,或质量受到影响；因 此,对于设计者熟悉一种加工方法的特点特别重要,以便在设计结构时尽可能 的扬长避短；实际中,零部件结构工艺性受到诸多因素的制约,如生产批量的 大小会影响坯件的生成方法；生产设备的条件可能会限制工件的尺寸；此外,造型、精度、热处理、成本等方面都有可能对零部件结构的工艺性有制约作用；因此,结构设计中应充分考虑上述因素对工艺性的影响；5.3.2 机械结构基本设计准就 5.考虑装配的设计准就装配是产品制造过程中的重要工序,零部件的结构对装配的质量、成本有直 接的影响；有关装配的结构设计准就简述如下（1）合理划分装配单元整机
19、应能分解成如干可单独装配的单元（部件或组件）,以实现平行且专业 化的装配作业,缩短装配周期,并且便于逐级技术检验和修理；（2）使零部件得到正确安装名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 13 页精选学习资料 - - - - - - - - - -保证零件精确的定位；图5.7 所示的两法兰盘用一般螺栓连接；图（a）所示的结构无径向定位基准,装配时不能保证两孔的同轴度；图（b）以相配的圆柱面作为定位基准,结构合理；-防止双重协作；图 5.8a 中的零件 A 有两个端面与零件 B 协作,由于制造误差,不能保证零件 A 的正确位置；图 5.8（b）结构合理；-防止装配错误；图 5.9
20、所示轴承座用两个销钉定位；图（a）中两销钉反向布置,到螺栓的距离相等,装配时很可能将支座旋转180 安装,导致座孔中心线与轴的中心线位置偏差增大；因此,应将两定位销布置在同一侧,或使两定 位销到螺栓的距离不等图 5.9（2）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；防止过长协作以免增 加装配难度,使协作面擦伤,如有些阶梯轴的设计；为便于拆卸零件,应给出 安放拆卸工具的位置,如轴承的拆卸；如图 5-10；5.3.2 机械结构基本设计准就名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 13 页精选学习资料 - - - - - - - - - 6.考虑造型设计的准
21、就产品的设计不仅要满意功能要求,而且仍应考虑产品造型的美学价值,使之对人产生吸引力；从心理学角度看,人60%的打算取决于第一印象；技术产品的社会属性是商品,在买方市场的时代,为产品设计一个能吸引顾客的外观是 一个重要的设计要求；同时造型美观的产品可使操作者削减因精力疲乏而产生 的误操作；外观设计包括三个方面：造型、颜色和表面处理；考虑造型时,应留意下述三个问题：（1）尺寸比例和谐在结构设计时,应留意保持外形轮廓各部分尺寸之间均匀和谐的比例关系,应有意识地应用 黄金分割法 来确定尺寸,使产品造型更具美感；（2）外形简洁统一机械产品的外形通常由各种基本的几何形体（长方体、圆柱体、锥体等）组 合而成
22、；结构设计时,应使这些外形协作适当,基本外形应在视觉上平稳,接 近对称又不完全对称的外形易产生倾倒的感觉；尽量削减外形和位置的变化,防止过分凌乱；改善加工工艺（3）颜色、图案的支持和点缀在机械产品表面涂漆,除具有防止腐蚀的功能外,仍可增强视觉成效；恰当 的颜色可使操作者眼睛的疲惫程度降低,并能提高对设备显示信息的辨别才能；单色只使用于小构件；大的特殊是运动构件假如只用一种颜色就会显得单调 无层次,一个小小的附加色块会使整个色调活跃起来；在多个颜色并存的情形名师归纳总结 下,应有一个起 主导作用的底色 ,和底色相对应的颜色叫对比色； 但在一个产第 10 页,共 13 页- - - - - - -
23、精选学习资料 - - - - - - - - - 品上,不同色调的数量不宜太多,太多的颜色会给人一种华而不实的感觉；舒适的颜色大约位于从浅黄、绿黄到棕的区域；这个趋势是渐暖,正黄正绿 往往显得不舒适；剧烈的灰色调显得压抑；对于冷环境应用暖色,如黄、橙黄 和红；对于热环境用冷色,如浅蓝；全部颜色都应 淡化；另外,通过肯定的颜色配置可使产品显得安全、稳固；将外形变化小的、面积较大的平面配置浅色,而将运动、活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；5.4 机械结构设计的工作步骤不同类型的机械结构设计中各种详细情形的差别很大,没有必要以某种步骤 按部就班的进行；通常是确定完成既定
24、功能零部件的外形、尺寸和布局；结构设计过程是 综合分析、绘图、运算三者相结合的过程,其过程大致如下：1. 理清主次、统筹兼顾： 明确待设计结构件的主要任务和限制,将实现其目的 的功能分解成几个功能；然后从实现机器主要功能（指机器中对实现能量或 物料转换起关键作用的基本功能）的零部件入手,通常先从实现功能的结构 表面开头,考虑与其他相关零件的相互位置、联结关系,逐步同其它表面一 起连接成一个零件,再将这个零件与其它零件联结成部件,最终组合成实现名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 13 页精选学习资料 - - - - - - - - - 主要功能的机器；而后,再确定次要的、补
25、充或支持主要部件的部件,如：密封、润滑及保护保养等；2. 绘制草图： 在分析确定结构的同时,粗略估算结构件的主要尺寸并按肯定的比例,通过绘制草图,初定零部件的结构；图中应表示出零部件的基本外形,主要尺寸,运动构件的极限位置,空间限制,安装尺寸等；同时结构设计中要充分留意标准件、常用件和通用件的应用,以削减设计与制造的工作量；3. 对初定的结构进行综合分析,确定最终的结构方案：综合过程是指找出实现功能目的各种可供挑选的结构的全部工作；分析过程就是评判、比较并最终 确定结构的工作；可通过转变工作面的大小、方位、数量及构件材料、表面 特性、连接方式,系统地产生新方案；另外,综合分析的思维特点更多的是
26、 以直觉方式进行的,即不是以系统的方式进行的；人的感觉和直觉不是无道 理的,多年在生活、生产中积存的体会不自觉地产生了各种各样的判定才能,这种感觉和直觉在设计中起着较大的作用；4. 结构设计的运算与改进： 对承载零部件的结构进行载荷分析,必要时运算其 承载强度、刚度、耐磨性等内容；并通过完善结构使结构更加合理地承担载 荷、提高承载才能及工作精度；同时考虑零部件装拆、材料、加工工艺的要 求,对结构进行改进；在实际的结构设计中,设计者应对设计内容进行想象 和模拟,头脑中要从各种角度考虑问题,想象可能发生的问题,这种假象的 深度和广度对结构设计的质量起着特别重要的作用；5. 结构设计的完善： 按技术
27、、经济和社会指标不断完善,查找所选方案中的缺 陷和薄弱环节,对比各种要求和限制,反复改进；考虑零部件的通用化、标 准化,削减零部件的品种,降低生产成本；在结构草图中注出标准件和外购 件；重视安全与劳保（即劳动条件：操作、观看、调整是否便利省力、发生名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页,共 13 页精选学习资料 - - - - - - - - - 故障时是否易于排查、噪音等） ,对结构进行完善；6. 外形的平稳与美观： 要考虑直观上看物体是否均匀、美观；外观不均匀时造成材料或机构的铺张；显现惯性力时会失去平稳,很小的外部干扰力作用就可能失稳,抗应力集中和疲惫的性能也弱；总之,机械结构设计的过程是从内到外、从重要到次要、从局部到总体、从粗略到精细 ,权衡利弊,反复检查,逐步改进；小结 机械结构设计在机械设计中起着举足轻重的作用；本章主要争论机械结构设计的特点、步骤和思维方式；机器工作原理及装配的设计要求是确定零部件结构和外形的主要因素,其次是材料的挑选、制造工艺方面的要求,使之具有良好的工艺性（加工、装配） ；此外,零部件的结构和外形的完善对强度和刚度的提高有很大的影响；名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页,共 13 页