关于机械结构设计常见问题的分析与探讨

关于机械结构设计常见问题的分析与探讨

摘要：机械产品应用于各行各业，机械结构设计的方法和要求也是千差万别，本文主要介绍了进行机械结构设计的设计准则，并且对在设计过程中一些常见问题进行了分析。

关键词：机械结构；设计；常见问题

1、前言

机械结构设计就是在整体设计的基础上，根据原理方案，确定并绘制具体结构图形，表现所要求的功能。是集思考、绘图、计算、实验于一体的设计过程，是机械设计过程中重要的工作阶段。在进行机械结构设计时，必须要了解从机器整体来看对结构的具体要求。

2、机械结构设计准则

2.1 实现预期功能的设计准则

设计产品的主要目的就是要实现预定功能，因此在进行机械结构设计时，首先要考虑的问题就是要实现预定功能。要满足功能要求，需注意以下问题：

（1）明确功能要求

机械结构的参数尺寸和结构形状主要是根据其在机器中的功能以及和其它零部件之间的连接关系确定的。零部件主要的功能是传递运动和动力，还可以承受载荷，以及保证或保持相关部件的相对位置或运动轨迹等。机械结构设计时应该满足其从整体考虑的功能要求。

（2）功能合理配置

在进行机械产品设计时要根据不同的情况，将任务进行合理的分配，就是将一个功能分解成多个功能，每个功能要有一定的结构承担，以便整体功能的实现。同一功能由多结构承担可以减轻零件承受的负担，延长零件的使用寿命。例如，如果只靠螺栓的预紧力来承受横向载荷，就会造成螺栓的尺寸过大，增加抗剪元件，如果用销、键以及套同等均可以分担横向载荷来解决这一问题。

（3）功能集中

由一个零件或部件来承担多个功能，可以简化产品的结构，降低成本。而功能集中会使零件的形状更加复杂，但是设计时要根据具体情况来定，如果超过一定限度，会影响加工工艺，并且会增加加工成本。

2.2 满足刚度和强度要求

为了保证零件在使用期限内正常地实现其功能，必须要使其满足足够的刚度和强度要求。注意以下几个原则以满足强度要求：

（1）等强度准则

零件截面尺寸的变化要与其内应力变化相适应，各截面的强度应相等，这样设计的结构，可以充分利用材料，使重量减轻、成本降低。如阶梯轴、悬臂结构的设计等。

（2）合理的力流结构

力流是将力看做好像是水在构件总得流动的力线，是为了直观地表示力在机械构件中怎样传递。力流必然是要从一处传入，另一处传出，在构件中不会中断。为了提高构件的刚度，应该尽可能按力流最短路线原则来设计零件形状，以便减少承载区，减小累积变形，从而充分利用材料。如悬臂梁的小锥齿轮，设计锥齿轮时，应使其尽量靠近轴承位置，以便减小悬臂长度，进一步提高轴的弯曲强度。

（3）载荷平衡结构

机器在工作时，常常产生惯性力等无用力，这样不仅增加轴和轴衬的负荷，而且降低机器的传动效率。采取平衡元件、对称布置等一定的结构措施，部分或全部平衡产生的无用力，来减轻或消除无用力带来的不良影响，这就是载荷平衡。

（4）减小应力集中结构

力流在急剧转折处会过于密集，产生应力集中，应力集中是影响零件疲劳强度的重要因素，因此在设计时应在结构中采取一定措施，使力流趋于平稳，尽量避免或减少应力集中。

2.3 考虑装配设计准则

（1）合理规划装配单元

可以将整机分解成许多可以单独装配的部件或组件，这样就可以实现平行且专业化的装配作业，缩短周期，便于逐级进行技术检验和维修工作。

（2）使零件正确安装便于装配和拆卸

首先要保证零件的准确定位，避免双重配合，还要防止装配错误。为了使零部件便于装拆，要在设计中，留有如扳手空间等一定的装配空间；为了便于拆卸零件，要给出安放拆卸工具一定位置，比如轴承的拆卸等。

3、机械结构设计常见问题分析

3.1 由于温度变化较长零部件会产生尺寸变化时，不能自由变形

较长零部件或者机械结构在温度变化较大时，会产生较大的长度变化，在设计时应考虑温度变化产生的自由伸缩空间，如可以采用能够自由移动的支座、自由胀缩的管道结构等。

3.2 滑动轴承采用接触式密封结构

由于滑动轴承比滚动轴承的间隙大，而且滑动轴承发生一些磨损后，轴心产生相应的移动，因此滑动轴承不宜采用接触式密封结构。

3.3 同一轴上布置两个键时，没有设计在同一轴向母线上

半圆键是靠侧面传力的，由于键槽较深，若在同一个横剖面内采用对称布置两个半圆键，能够严重削弱轴的强度，最好将两个半圆键设计在同一轴向母线上。

3.4 对于带传动、链传动错误的结构设计

带传动结构设计时，由于紧边下垂较小，而松边下垂较大，应使紧边在下，松边在上使包角加大。链传动结构设计时，要与带传动设计相反。如果链传动松边在上的话，当松边链下垂度较大时，链与链轮则不易脱开，容易卷入，从而引起链条卡住或拉断。

3.5 高速旋转体的紧固螺栓头部伸出

高速旋转轴联轴器螺栓头部、螺母等设计超过法兰面，其高速旋转会搅动空气，同时产生不安全因素，设计时应将其伸出部分加防护罩。

4、结论

在结构设计时，很容易得到一个可行性设计方案，机械设计的主要目的就是在许多可行性方案中选择最佳设计方案，结构的设计要与计算机结合产生最优设计方法。在进行结构设计时，要综合考虑多方面的因素，要求设计人员不断从实践和经验中总结提炼一般性的规律，使结构设计更加完善。