机械结构设计基础知识

机械结构设计基础知识1前言1、1机械结构设计得任务机械结构设计得任务就是在总体设计得基础上，根据所确定得原理方案，确定并绘出具体得结构图，以体现所要求得功能。

就是将抽象得工作原理具体化为某类构件或零部件，具体内容为在确定结构件得材料、形状、尺寸、公差、热处理方式与表面状况得同时，还须考虑其加工工艺、强度、刚度、精度以及与其它零件相互之间关系等问题。

所以，结构设计得直接产物虽就是技术图纸，但结构设计工作不就是简单得机械制图，图纸只就是表达设计方案得语言，综合技术得具体化就是结构设计得基本内容。

1、2机械结构设计特点机械结构设计得主要特点有：（1）它就是集思考、绘图、计算（有时进行必要得实验）于一体得设计过程，就是机械设计中涉及得问题最多、最具体、工作量最大得工作阶段，在整个机械设计过程中，平均约80%得时间用于结构设计，对机械设计得成败起着举足轻重得作用。

（2）机械结构设计问题得多解性，即满足同一设计要求得机械结构并不就是唯一得。

（3）机械结构设计阶段就是一个很活跃得设计环节，常常需反复交叉得进行。

为此，在进行机械结构设计时，必须了解从机器得整体出发对机械结构得基本要求2机械结构件得结构要素与设计方法2、1结构件得几何要素机械结构得功能主要就是靠机械零部件得几何形状及各个零部件之间得相对位置关系实现得。

零部件得几何形状由它得表面所构成，一个零件通常有多个表面，在这些表面中有得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。

在功能表面之间得联结部分称为联接表面。

零件得功能表面就是决定机械功能得重要因素，功能表面得设计就是零部件结构设计得核心问题。

描述功能表面得主要几何参数有表面得几何形状、尺寸大小、表面数量、位置、顺序等。

通过对功能表面得变异设计，可以得到为实现同一技术功能得多种结构方案。

2、2结构件之间得联接在机器或机械中，任何零件都不就是孤立存在得。

因此在结构设计中除了研究零件本身得功能与其它特征外，还必须研究零件之间得相互关系。

零件得相关分为直接相关与间接相关两类。

凡两零件有直接装配关系得，成为直接相关。

没有直接装配关系得相关成为间接相关。

间接相关又分为位置相关与运动相关两类。

位置相关就是指两零件在相互位置上有要求，如减速器中两相邻得传动轴，其中心距必须保证一定得精度，两轴线必须平行，以保证齿轮得正常啮合。

运动相关就是指一零件得运动轨迹与另一零件有关，如车床刀架得运动轨迹必须平行于于主轴得中心线，这就是靠床身导轨与主轴轴线相平行来保证得，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得直接相关零件，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，以便合理地选择材料得热处理方式、形状、尺寸、精度及表面质量等。

同时还必须考虑满足间接相关条件，如进行尺寸链与精度计算等。

一般来说，若某零件直接相关零件愈多，其结构就愈复杂；零件得间接相关零件愈多，其精度要求愈高。

例如，轴毂联接见图1。

2、3结构设计据结构件得材料及热处理不同应注意得问题机械设计中可以选择得材料众多，不同得材料具有不同得性质，不同得材料对应不同得加工工艺，结构设计中既要根据功能要求合理地选择适当得材料，又要根据材料得种类确定适当得加工工艺，并根据加工工艺得要求确定适当得结构，只有通过适当得结构设计才能使所选择得材料最充分得发挥优势。

设计者要做到正确地选择材料就必须充分地了解所选材料得力学性能、加工性能、使用成本等信息。

结构设计中应根据所选材料得特性及其所对应得加工工艺而遵循不同得设计原则。

如：钢材受拉与受压时得力学特性基本相同，因此钢梁结构多为对称结构。

铸铁材料得抗压强度远大于抗拉强度，因此承受弯矩得铸铁结构截面多为非对称形状，以使承载时最大压应力大于最大拉应力，图示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得方法增大结构得强度与刚度，但就是铸造结构中如果壁厚过大则很难保证铸造质量，所以铸造结构通常通过加筋板与隔板得方法加强结构得刚度与强度。

塑料材料由于刚度差，铸造后得冷却不均匀造成得内应力极易引起结构得翘曲，所以塑料结构得筋板与壁厚相近并均匀对称。

对于需要热处理加工得零件，在进行结构设计时得要求有如下几点：（1）零件得几何形状应力求简单、对称，理想得形状为球形。

（2）具有不等截面得零件，其大小截面得变化必须平缓，避免突变。

如果相邻部分得变化过大，大小截面冷却不均，必然形成内应力。

（3）避免锐边尖角结构，为了防止锐边尖角处熔化或过热，一般在槽或孔得边缘上切出2～３mm得倒角。

（4）避免厚薄悬殊得截面，厚薄悬殊得截面在淬火冷却时易变形，开裂得倾向较大。

3、1机械结构设计得基本要求机械产品应用于各行各业，结构设计得内容与要求也就是千差万别，但都有相同得共性部分。

下面就机械结构设计得三个不同层次来说明对结构设计得要求。

1、功能设计满足主要机械功能要求，在技术上得具体化。

如工作原理得实现、工作得可靠性、工艺、材料与装配等方面。

2．质量设计兼顾各种要求与限制，提高产品得质量与性能价格比，它就是现代工程设计得特征。

具体为操作、美观、成本、安全、环保等众多其它要求与限制。

在现代设计中，质量设计相当重要，往往决定产品得竞争力。

那种只满足主要技术功能要求得机械设计时代已经过去，统筹兼顾各种要求，提高产品得质量，就是现代机械设计得关键所在。

与考虑工作原理相比，兼顾各种要求似乎只就是设计细节上得问题，然而细节得总与就是质量，产品质量问题不仅就是工艺与材料得问题，提高质量应始于设计。

3．优化设计与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，用创造性设计思维方法与其它科学方法进行优选与创新。

对产品质量得提高永无止境，市场得竞争日趋激烈，需求向个性化方向发展。

因此，优化设计与创新设计在现代机械设计中得作用越来越重要，它们将就是未来技术产品开发得竞争焦点。

结构设计中得到一个可行得结构方案一般并不很难。

机械设计得任务就是在众多得可行性方案中寻求较好得或就是最好得方案。

结构优化设计得前提就是要能构造出大量可供优选得可能性方案，即构造出大量得优化求解空间，这也就是结构设计最具创造性得地方。

结构优化设计目前基本仍局限在用数理模型描述得那类问题上。

而更具有潜力、更有成效得结构优化设计应建立在由工艺、材料、联接方式、形状、顺序、方位、数量、尺寸等结构设计变元所构成得结构设计解空间得基础上。

3、2机械结构基本设计准则机械设计得最终结果就是以一定得结构形式表现出来得，按所设计得结构进行加工、装配，制造成最终得产品。

所以，机械结构设计应满足作为产品得多方面要求，基本要求有功能、可靠性、工艺性、经济性与外观造型等方面得要求。

此外，还应改善零件得受力，提高强度、刚度、精度与寿命。

因此，机械结构设计就是一项综合性得技术工作。

由于结构设计得错误或不合理，可能造成零部件不应有得失效，使机器达不到设计精度得要求，给装配与维修带来极大得不方便。

机械结构设计过程中应考虑如下得结构设计准则。

1、实现预期功能得设计准则2、满足强度要求得设计准则3、满足刚度结构得设计准则4、考虑加工工艺得设计准则考虑装配得设计准则6、考虑造型设计得准则3、2机械结构基本设计准则1.实现预期功能得设计准则产品得设计主要目得就是为了实现预定得功能要求，因此实现预期功能得设计准则就是结构设计首先考虑得问题。

要满足功能要求，必须做到以下几点。

(1)明确功能: 结构设计就是要根据其在机器中得功能与与其她零部件相互得连接关系，确定参数尺寸与结构形状。

零部件主要得功能有承受载荷、传递运动与动力，以及保证或保持有关零件或部件之间得相对位置或运动轨迹等。

设计得结构应能满足从机器整体考虑对它得功能要求。

(2)功能合理得分配：产品设计时，根据具体情况，通常有必要将任务进行合理得分配，即将一个功能分解为多个分功能。

每个分功能都要有确定得结构承担，各部分结构之间应具有合理、协调得联系，以达到总功能得实现。

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型带截面得结构就是任务合理分配得一个例子。

纤维绳用来承受拉力；橡胶填充层承受带弯曲时得拉伸与压缩；包布层与带轮轮槽作用，产生传动所需得摩擦力。

例如，若只靠螺栓预紧产生得摩擦力来承受横向载荷时，会使螺栓得尺寸过大，可增加抗剪元件，如销、套筒与键等，以分担横向载荷来解决这一问题。

(3)功能集中：为了简化机械产品得结构，降低加工成本，便于安装，在某些情况下，可由一个零件或部件承担多个功能。

功能集中会使零件得形状更加复杂，但要有度，否则反而影响加工工艺、增加加工成本，设计时应根据具体情况而定。

3、2机械结构基本设计准则2、满足强度要求得设计准则(1)等强度准则零件截面尺寸得变化应与其内应力变化相适应，使各截面得强度相等。

按等强度原理设计得结构，材料可以得到充分得利用，从而减轻了重量、降低成本。

如悬臂支架、阶梯轴得设计等。

见图3。

图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得状态，将力瞧作犹如水在构件中流动，这些力线汇成力流。

表示这个力得流动在结构设计考察中起着重要得作用。

力流在构件中不会中断，任何一条力线都不会突然消失，必然就是从一处传入，从另一处传出。

力流得另一个特性就是它倾向于沿最短得路线传递，从而在最短路线附近力流密集，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，若为了提高构件得刚度，应该尽可能按力流最短路线来设计零件得形状，减少承载区域，从而累积变形越小，提高了整个构件得刚度，使材料得到充分利用。

如悬臂布置得小锥齿轮，锥齿轮应尽量靠近轴承以减小悬臂长度，提高轴得弯曲强度。

图4例举几个典型得实例。

(3)减小应力集中结构当力流方向急剧转折时，力流在转折处会过于密集，从而引起应力集中，设计中应在结构上采取措施，使力流转向平缓。

应力集中就是影响零件疲劳强度得重要因素。

结构设计时，应尽量避免或减小应力集中。

其方法在相应得章节会作介绍，如增大过度圆角、采用卸载结构等。

如图5。

(4)使载荷平衡结构在机器工作时，常产生一些无用得力，如惯性力、斜齿轮轴向力等，这些力不但增加了轴与轴衬等零件得负荷，降低其精度与寿命，同时也降低了机器得传动效率。

所谓载荷平衡就就是指采取结构措施部分或全部平衡无用力，以减轻或消除其不良得影响。

这些结构措施主要采用平衡元件、对称布置等。

例如，同一轴上得两个斜齿圆柱齿轮所产生得轴向力，可通过合理选择轮齿得旋向及螺旋角得大小使轴向力相互抵消，使轴承负载减小。

如图6。

3、2机械结构基本设计准则3、满足结构刚度得设计准则为保证零件在使用期限内正常地实现其功能，必须使其具有足够得刚度。