机械结构设计知识

机械结构设计一、机械结构设计的内容具体内容为在确定结构件的材料、形状、尺寸、公差、热处理方式和表面状况的同时，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。

二、机械结构设计特点机械结构设计的主要特点有：（1）它是集思考、绘图、计算（有时进行必要的实验）于一体的设计过程，是机械设计中涉及的问题最多、最具体、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，即满足同一设计要求的机械结构并不是唯一的。

（3）机械结构设计阶段是一个很活跃的设计环节，常常需反复交叉的进行。

三、结构件的几何要素在功能表面之间的联结部分称为联接表面。

零件的功能表面是决定机械功能的重要因素，功能表面的设计是零部件结构设计的核心问题。

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

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。

四、结构件之间的联接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，其中心距必须保证一定的精度，两轴线必须平行，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须平行于于主轴的中心线.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的热处理方式、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，如进行尺寸链和精度计算等。

五、结构件的材料及热处理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的力学性能、加工性能、使用成本等信息。

结构设计中应根据所选材料的特性及其所对应的加工工艺而遵循不同的设计原则。

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，因此承受弯矩的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.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）零件的几何形状应力求简单、对称，理想的形状为球形。

（2）具有不等截面的零件，其大小截面的变化必须平缓，避免突变。

如果相邻部分的变化过大，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，一般在槽或孔的边缘上切出2～３mm的倒角。

（4）避免厚薄悬殊的截面，厚薄悬殊的截面在淬火冷却时易变形，开裂的倾向较大。

六、机械结构设计的基本要求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：1． 功能设计 满足主要机械功能要求，在技术上的具体化。

如工作原理的实现、工作的可靠性、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征。

具体为操作、美观、成本、安全、环保等众多其它要求和限制。

在现代设计中，质量设计相当重要，往往决定产品的竞争力。

那种只满足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，兼顾各种要求似乎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，用创造性设计思维方法和其它科学方法进行优选和创新。

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，它们将是未来技术产品开发的竞争焦点。

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创造性的地方。

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、形状、顺序、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。

七、机械结构基本设计准则机械结构设计应满足作为产品的多方面要求，基本要求有功能、可靠性、工艺性、经济性和外观造型等方面的要求。

此外，还应改善零件的受力，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，给装配和维修带来极大的不方便。

机械结构设计过程中应考虑如下的结构设计准则：1. 实现预期功能的设计准则：明确功能、功能合理的分配、功能集中。

2. 满足强度要求的设计准则：等强度准则、合理力流结构、减小应力集中结构、使载荷平衡结构。

合理力流结构---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，若为了提高构件的刚度，应该尽可能按力流最短路线来设计零件的形状，减少承载区域，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。

减小应力集中结构---应力集中是影响零件疲劳强度的重要因素。

结构设计时，应尽量避免或减小应力集中。

其方法如增大过度圆角、采用卸载结构等。

使载荷平衡结构---措施主要采用平衡元件、对称布置等。

3. 满足结构刚度的设计准则.4. 考虑加工工艺的设计准则: 加工工艺指的是零部件的结构易于加工制造，任何一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。

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；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. 考虑装配的设计准则: 合理划分装配单元、使零部件得到正确安装（-保证零件准确的定位、-避免双重配合、-防止装配错误、）、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；避免过长配合以免增加装配难度，使配合面擦伤，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。

）。

6. 考虑造型设计的准则：从心理学角度看，人60%的决定取决于第一印象。

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减少因精力疲惫而产生的误操作。

外观设计包括三个方面：造型、颜色和表面处理。

考虑造型时，应注意下述三个问题：（1） 尺寸比例协调: 在结构设计时，应注意保持外形轮廓各部分尺寸之间均匀协调的比例关系，应有意识地应用"黄金分割法0.618"来确定尺寸，使产品造型更具美感。

（2） 形状简单统一: 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。

结构设计时，应使这些形状配合适当，基本形状应在视觉上平衡，接近对称又不完全对称的外形易产生倾倒的感觉；尽量减少形状和位置的变化，避免过分凌乱；改善加工工艺.（3） 色彩、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，还可增强视觉效果。

恰当的色彩可使操作者眼睛的疲劳程度降低，并能提高对设备显示信息的辨别能力。

单色只使用于小构件。

在多个颜色并存的情况下，应有一个起主导作用的底色，在一个产品上，不同色调的数量不宜太多，太多的色彩会给人一种华而不实的感觉。

色彩产应用：舒服的色彩大约位于从浅黄、绿黄到棕的区域。

正黄正绿往往显得不舒服；强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。

所有颜色都应淡化。

另外，通过一定的色彩配置可使产品显得安全、稳固。

将形状变化小的、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。

七、机械结构设计的工作步骤：不同类型的机械结构设计中,通常是确定完成既定功能零部件的形状、尺寸和布局。

结构设计过程是综合分析、绘图、计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始，考虑与其他相关零件的相互位置、联结关系，逐渐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，最终组合成实现主要功能的机器。

再确定次要的、补充或支持主要部件的部件，如：密封、润滑及维护保养等。

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一定的比例，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形状，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注意标准件、常用件和通用件的应用，以减少设计与制造的工作量。

3. 对初定的结构进行综合分析，确定最后的结构方案：综合过程是指找出实现功能目的各种可供选择的结构的所有工作。

分析过程则是评价、比较并最终确定结构的工作。

可通过改变工作面的大小、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、生产中积累的经验不自觉地产生了各种各样的判断能力，这种感觉和直觉在设计中起着较大的作用。

4. 结构设计的计算与改进：对承载零部件的结构进行载荷分析，必要时计算其承载强度、刚度、耐磨性等内容。

并通过完善结构使结构更加合理地承受载荷、提高承载能力及工作精度。

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十分重要的作用。

5. 结构设计的完善：按技术、经济和社会指标不断完善，寻找所选方案中的缺陷和薄弱环节，对照各种要求和限制，反复改进。

考虑零部件的通用化、标准化，减少零部件的品种，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、观察、调整是否方便省力、发生故障时是否易于排查、噪音等），对结构进行完善。

6. 形状的平衡与美观：要考虑直观上看物体是否匀称、美观。

外观不均匀时造成材料或机构的浪费。

出现惯性力时会失去平衡，很小的外部干扰力作用就可能失稳，抗应力集中和疲劳的性能也弱。