機械結構設計中的基本原則

機械結構形式千差萬別，但其功能的實現幾乎都與力（力矩）的產生、轉換傳遞有關。機械零件具有足夠的承載能力是保障機械結構功能實現的先決條件。所以在機械結構設計中，根據力學理論對零件的強度、剛度和穩定性進行分析是必不可少的，并在此基礎上，進行結構優化設計。。計算機輔助結構優化設計已被廣泛應用于工程實際中。但它所依賴的力學模型與復雜的實際結構及工況有差距，力學模型的精度通常很難提高;對稍微復雜一些的實際結構仍然停留在零件尺寸的優化上，而基本結構一般還得預先選定，只能針對一個具體的實例得到一個特定的數值解，并不能給予方向性指導。因此計算機輔助結構優化設計不能代替工程知識的分析與總結，結合實例分析，掌握提高結構承載能力的結構設計原則，并為結構的創新設計提供可借鑒的思路。

機械結構設計中的設計準則

一、實現預期功能的設計準則

產品的設計主要目的是為了實現預定的功能要求，因此實現預期功能的設計準則是結構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。結構設計是要根據其在機器中的功能和與其他零部件相互的連接關系，確定參數尺寸和結構形狀。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零件或部件之間的相對位置或運動軌跡等。設計的結構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。產品設計時，根據具體情況，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構承擔，各部分結構之間應具有合理、協調的聯系，以達到總功能的實現。多結構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。為了簡化機械產品的結構，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構，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）合理力流結構

為了直觀地表示力在機械構件中怎樣傳遞的狀態，將力看作猶如水在構件中流動，這些力線匯成力流。表示這個力的流動在結構設計考察中起著重要的作用。

力流在構件中不會中斷，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。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，減少承載區域，從而累積變形越小，提高了整個構件的剛度，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。圖5.4例舉幾個典型的實例。

（3）減小應力集中結構

當力流方向急劇轉折時，力流在轉折處會過于密集，從而引起應力集中，設計中應在結構上采取措施，使力流轉向平緩。應力集中是影響零件疲勞強度的重要因素。結構設計時，應盡量避免或減小應力集中。其方法在相應的章節會作介紹，如增大過度圓角、采用卸載結構等。如圖5.5。

（4）使載荷平衡結構

在機器工作時，常產生一些無用的力，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構措施部分或全部平衡無用力，以減輕或消除其不良的影響。這些結構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、滿足剛度結構的設計準則

為保證零件在使用期限內正常地實現其功能，必須使其具有足夠的剛度。

四、考慮加工工藝的設計準則

機械零部件結構設計的主要目的是：保證功能的實現，使產品達到要求的性能。但是，結構設計的結果對產品零部件的生產成本及質量有著不可低估的影響。因此，在結構設計中應力求使產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構易于加工制造，任何一種加工方法都有可能不能制造某些結構的零部件，或生產成本很高，或質量受到影響。因此，對于設計者認識一種加工方法的特點非常重要，以便在設計結構時盡可能的揚長避短。

實際中，零部件結構工藝性受到諸多因素的制約，如生產批量的大小會影響坯件的生成方法；生產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構的工藝性有制約作用。因此，結構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

裝配是產品制造過程中的重要工序，零部件的結構對裝配的質量、成本有直接的影響。有關裝配的結構設計準則簡述如下

（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），以實現平行且專業化的裝配作業，縮短裝配周期，并且便于逐級技術檢驗和維修。

（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

結構設計中，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

產品的設計不僅要滿足功能要求，而且還應考慮產品造型的美學價值，使之對人產生吸引力。從心理學角度看，人60%的決定取決于第一印象。技術產品的社會屬性是商品，在買方市場的時代，為產品設計一個能吸引顧客的外觀是一個重要的設計要求；同時造型美觀的產品可使操作者減少因精力疲憊而產生的誤操作。

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）尺寸比例協調

在結構設計時，應注意保持外形輪廓各部分尺寸之間均勻協調的比例關系，應有意識地應用“黃金分割法”來確定尺寸，使產品造型更具美感。

（2）形狀簡單統一

機械產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。結構設計時，應使這些形狀配合適當，基本形狀應在視覺上平衡，接近對稱又不完全對稱的外形易產生傾倒的感覺；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、圖案的支持和點綴

在機械產品表面涂漆，除具有防止腐蝕的功能外，還可增強視覺效果。恰當的色彩可使操作者眼睛的疲勞程度降低，并能提高對設備顯示信息的辨別能力。

單色只使用于小構件。大的特別是運動構件如果只用一種顏色就會顯得單調無層次，一個小小的附加色塊會使整個色調活躍起來。在多個顏色并存的情況下，應有一個起主導作用的底色，和底色相對應的顏色叫對比色。但在一個產品上，不同色調的數量不宜太多，太多的色彩會給人一種華而不實的感覺。

舒服的色彩大約位于從淺黃、綠黃到棕的區域。這個趨勢是漸暖，正黃正綠往往顯得不舒服；強烈的灰色調顯得壓抑。對于冷環境應用暖色，如黃、橙黃和紅。對于熱環境用冷色，如淺藍。所有顏色都應淡化。另外，通過一定的色彩配置可使產品顯得安全、穩固。將形狀變化小的、面積較大的平面配置淺色，而將運動、活躍輪廓的元件配置深色；深色應安置于機械的下部，淺色置于上部。