机械设计基本准则及常见要点

 一 机械结构规划的使命

机械结构规划的使命是在整体规划的基础上，依据所确认的原理计划，确认并绘出详细的结构图，以体现所要求的功用。是将抽象的作业原理详细化为某类构件或零部件，详细内容为在确认结构件的资料、形状、尺度、公差、热处理办法和外表状况的一同，还须考虑其加工工艺、强度、刚度、精度以及与其它零件彼此之间联系等问题。所以，结构规划的直接产物虽是技能图纸，但结构规划作业不是简略的机械制图，图纸仅仅表达规划计划的语言，归纳技能的详细化是结构规划的根本内容。

二 机械结构规划特色

机械结构规划的首要特色有：（1）它是集考虑、绘图、核算（有时进行必要的实验）于一体的规划进程，是机械规划中触及的问题最多、最详细、作业量最大的作业阶段，在整个机械规划进程中，均匀约80%的时刻用于结构规划，对机械规划的成败起着无足轻重的效果。（2）机械结构规划问题的多解性，即满意同一规划要求的机械结构并不是仅有的。（3）机械结构规划阶段是一个很活泼的规划环节，常常需重复交叉的进行。为此，在进行机械结构规划时，有必要了解从机器的全体出发对机械结构的根本要求

三 机械结构件的结构要素和规划办法

3.1结构件的几许要素

机械结构的功用首要是靠机械零部件的几许形状及各个零部件之间的相对方位联系完结的。模具零配件的几许形状由它的外表所构成，一个零件一般有多个外表，在这些外表中有的与其它零部件外表直接触摸，把这一部分外表称为功用外表。在功用外表之间的联合部分称为联接外表。

零件的功用外表是决定机械功用的重要要素，功用外表的规划是零部件结构规划的核心问题。描绘功用外表的首要几许参数有外表的几许形状、尺度巨细、外表数量、方位、顺序等。经过对功用外表的变异规划，能够得到为完结同一技能功用的多种结构计划。

3.2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。因而在结构规划中除了研讨零件本身的功用和其它特征外，还有必要研讨零件之间的彼此联系。

零件的相关分为直接相关和直接相关两类。凡两零件有直接装置联系的，成为直接相关。没有直接装置联系的相关成为直接相关。直接相关又分为方位相关和运动相关两类。方位相关是指两零件在彼此方位上有要求，如减速器中两相邻的传动轴，其中心距有必要确保必定的精度，两轴线有必要平行，以确保齿轮的正常啮合。运动相关是指一零件的运动轨道与另一零件有关，如车床刀架的运动轨道有必要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确保的，所以，主轴与导轨之间方位相关；而刀架与主轴之间为运动相关。

大都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上与其它零件有关。在进行结构规划时，两零件直接相关部位有必要一同考虑，以便合理地挑选资料的热处理办法、形状、尺度、精度及外表质量等。一同还有必要考虑满意直接相关条件，如进行尺度链和精度核算等。一般来说，若某零件直接相关零件愈多，其结构就愈杂乱；零件的直接相关零件愈多，其精度要求愈高。例如，轴毂联接见图5.1。

3.3 结构规划据结构件的资料及热处理不同应留意的问题

机械规划中能够挑选的资料很多，不同的资料具有不同的性质，不同的资料对应不同的加工工艺，结构规划中既要依据功用要求合理地挑选恰当的资料，又要依据资料的种类确认恰当的加工工艺，并依据加工工艺的要求确认恰当的结构，只要经过恰当的结构规划才能使所挑选的资料最充沛的发挥优势。

规划者要做到正确地挑选资料就有必要充沛地了解所选资料的力学性能、加工性能、运用本钱等信息。结构规划中应依据所选资料的特性及其所对应的加工工艺而遵从不同的规划原则。

如：钢材受拉和受压时的力学特性根本相同，因而钢梁结构多为对称结构。铸铁资料的抗压强度远大于抗拉强度，因而接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，图示5.2为两种铸铁支架比较。钢结构规划中一般经过加大截面尺度的办法增大结构的强度和刚度，可是铸造结构中假如壁厚过大则很难确保铸造质量，所以铸造结构一般经过加筋板和隔板的办法加强结构的刚度和强度。塑料资料因为刚度差，成型后的冷却不均匀形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。

关于需求热处理加工的零件，在进行结构规划时的要求有如下几点：（1）零件的几许形状应力求简略、对称，理想的形状为球形。（2）具有不等截面的零件，其巨细截面的改动有必要陡峭，防止突变。假如相邻部分的改动过大，巨细截面冷却不均，必然形成内应力。（3）防止锐边尖角结构，为了防止锐边尖角处熔化或过热，一般在槽或孔的边际上切出2～３mm的倒角。（4）防止厚薄悬殊的截面，厚薄悬殊的截面在淬火冷却时易变形，开裂的倾向较大。

四 机械结构规划的根本要求

机械产品运用于各行各业，结构规划的内容和要求也是千差万别，但都有相同的共性部分。下面就机械结构规划的三个不同层次来说明对结构规划的要求。

1.功用规划 满意首要机械功用要求，在技能上的详细化。如作业原理的完结、作业的牢靠性、工艺、资料和装置等方面。

2．质量规划 统筹各种要求和约束，进步产品的质量和性能价格比，它是现代工程规划的特征。详细为操作、漂亮、本钱、安全、环保等很多其它要求和约束。在现代规划中，质量规划相当重要，往往决定产品的竞争力。那种只满意首要技能功用要求的机械规划年代现已曩昔，统筹统筹各种要求，进步产品的质量，是现代机械规划的关键所在。与考虑作业原理相比，统筹各种要求似乎仅仅规划细节上的问题，然而细节的总和是质量，产品质量问题不仅是工艺和资料的问题，进步质量应始于规划。

3．优化规划和立异规划 用结构规划变元等办法体系地结构优化规划空间，用创造性规划思维办法和其它科学办法进行优选和立异。

对产品质量的进步永无止境，商场的竞争日趋激烈，需求向个性化方向开展。因而，优化规划和立异规划在现代机械规划中的效果越来越重要，它们将是未来技能产品开发的竞争焦点。

结构规划中得到一个可行的结构计划一般并不很难。机械规划的使命是在很多的可行性计划中寻求较好的或是最好的计划。结构优化规划的前提是要能结构出很多可供优选的或许性计划，即结构出很多的优化求解空间，这也是结构规划最具创造性的地方。结构优化规划现在根本仍局限在用数理模型描绘的那类问题上。而更具有潜力、更有成效的结构优化规划应建立在由工艺、资料、联接办法、形状、顺序、方位、数量、尺度等结构规划变元所构成的结构规划解空间的基础上。

五 机械结构根本规划原则

机械规划的最终成果是以必定的结构形式表现出来的，按所规划的结构进行加工、装置，制形成最终的产品。所以，机械结构规划应满意作为产品的多方面要求，根本要求有功用、牢靠性、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，进步强度、刚度、精度和寿数。因而，机械结构规划是一项归纳性的技能作业。因为结构规划的过错或不合理，或许形成零部件不应有的失效，使机器达不到规划精度的要求，给装置和修补带来极大的不便利。机械结构规划进程中应考虑如下的结构规划原则。

1. 完结预期功用的规划原则

产品的规划首要意图是为了完结预订的功用要求，因而完结预期功用的规划原则是结构规划首要考虑的问题。要满意功用要求，有必要做到以下几点。

（1）清晰功用： 结构规划是要依据其在机器中的功用和与其他零部件彼此的连接联系，确认参数尺度和结构形状。零部件首要的功用有接受载荷、传递运动和动力，以及确保或坚持有关零件或部件之间的相对方位或运动轨道等。规划的结构应能满意从机器全体考虑对它的功用要求。

（2）功用合理的分配：产品规划时，依据详细情况，一般有必要将使命进行合理的分配，即将一个功用分解为多个分功用。每个分功用都要有确认的结构承当，各部分结构之间应具有合理、协调的联系，以到达总功用的完结。多结构零件承当同一功用能够减轻零件担负，延伸运用寿数。V型带截面的结构是使命合理分配的一个比如。纤维绳用来接受拉力；橡胶填充层接受带弯曲时的拉伸和紧缩；包布层与带轮轮槽效果，发生传动所需的摩擦力。例如，若只靠螺栓预紧发生的摩擦力来接受横向载荷时，会使螺栓的尺度过大，可添加抗剪元件，如销、套筒和键等，以分担横向载荷来处理这一问题。

（3）功用会集：为了简化机械产品的结构，下降加工本钱，便于装置，在某些情况下，可由一个零件或部件承当多个功用。功用会集会使零件的形状愈加杂乱，但要有度，否则反而影响加工工艺、添加加工本钱，规划时应依据详细情况而定。

2.满意强度要求的规划原则

（1） 等强度原则

零件截面尺度的改动应与其内应力改动相适应，使各截面的强度持平。按等强度原理规划的结构，资料能够得到充沛的运用，然后减轻了分量、下降本钱。如悬臂支架、阶梯轴的规划等。见图1。

（2） 合理力流结构

为了直观地表明力在机械构件中怎样传递的状态，将力看作犹如水在构件中流动，这些力线汇成力流。表明这个力的流动在结构规划考察中起着重要的效果。

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道路传递，然后在最短道路邻近力流密布，形成高应力区。其它部位力流稀少，乃至没有力流经过，从应力角度上讲，资料未能充沛运用。因而，若为了进步构件的刚度，应该尽或许按力流最短道路来规划零件的形状，削减承载区域，然后累积变形越小，进步了整个构件的刚度，使资料得到充沛运用。

如悬臂安置的小锥齿轮，锥齿轮应尽量挨近轴承以减小悬臂长度，进步轴的弯曲强度。图5.4例举几个典型的实例。

（3） 减小应力会集结构

当力流方向急剧转机时，力流在转机处会过于密布，然后引起应力会集，规划中应在结构上采纳办法，使力流转向陡峭。应力会集是影响零件疲惫强度的重要要素。结构规划时，应尽量防止或减小应力会集。其办法在相应的章节会作介绍，如增大过度圆角、选用卸载结构等。如图5.5。

（4） 使载荷平衡结构

在机器作业时，常发生一些无用的力，如惯性力、斜齿轮轴向力等，这些力不但添加了轴和轴衬等零件的负荷，下降其精度和寿数，一同也下降了机器的传动效率。所谓载荷平衡就是指采纳结构办法部分或悉数平衡无用力，以减轻或消除其不良的影响。这些结构办法首要选用平衡元件、对称安置等。

例如，同一轴上的两个斜齿圆柱齿轮所发生的轴向力，可经过合理挑选轮齿的旋向及螺旋角的巨细使轴向力彼此抵消，使轴承负载减小。如图5.6。

3.满意结构刚度的规划原则

为确保零件在运用期限内正常地完结其功用，有必要使其具有满意的刚度。

4.考虑加工工艺的规划原则

机械零部件结构规划的首要意图是：确保功用的完结，使产品到达要求的性能。可是，结构规划的成果对产品零部件的出产本钱及质量有着不可低估的影响。因而，在结构规划中应力求使产品有杰出的加工工艺性

所谓好的加工工艺指的是零部件的结构易于加工制作，任何一种加工办法都有或许不能制作某些结构的零部件，或出产本钱很高，或质量遭到影响。因而，关于规划者认识一种加工办法的特色非常重要，以便在规划结构时尽或许的取长补短。实践中，零部件结构工艺性遭到诸多要素的约束，如出产批量的巨细会影响坯件的生成办法；出产设备的条件或许会约束工件的尺度；此外，造型、精度、热处理、本钱等方面都有或许对零部件结构的工艺性有约束效果。因而，结构规划中应充沛考虑上述要素对工艺性的影响。

5.考虑装置的规划原则

装置是产品制作进程中的重要工序，零部件的结构对装置的质量、本钱有直接的影响。有关装置的结构规划原则简述如下

（1）合理区分装置单元

整机应能分解成若干可独自装置的单元（部件或组件），以完结平行且专业化的装置作业，缩短装置周期，而且便于逐级技能检验和修补。

（2）使零部件得到正确装置

确保零件准确的定位。图5.7所示的两法兰盘用普通螺栓连接。图（a）所示的结构无径向定位基准，装置时不能确保两孔的同轴度；图（b）以般配的圆柱面作为定位基准，结构合理。

-防止两层配合。图5.8（a）中的零件A有两个端面与零件B配合，因为制作差错，不能确保零件A的正确方位。图5.8（b）结构合理。

-防止装置过错。图5.9所示轴承座用两个销钉定位。图（a）中两销钉反向安置，到螺栓的距离持平，装置时很或许将支座旋转180°装置，导致座孔中心线与轴的中心线方位偏差增大。因而，应将两定位销安置在同一侧，或使两定位销到螺栓的距离不等

（2） 使零部件便于装置和拆开

结构规划中，应确保有满意的装置空间，如扳手空间；防止过长配合以免添加装置难度，使配合面擦伤，如有些阶梯轴的规划；为便于拆开零件，应给出安放拆开东西的方位，如轴承的拆开。

6.考虑保护修补的规划原则

1）产品的配置应依据其毛病率的高低、修补的难易、尺度和质量的巨细以及装置特色等统筹安排，凡需求修补的零件部件，都应具有杰出的可达性；对毛病率高而又需求常常修补的部位及应急开关，应提供最佳的可达性。

2）产品特别是易损件、常拆件和附加设备的拆装要简洁，拆装时零部件进出的道路最好是直线或陡峭的曲线。

3）产品的查看点、测验点等体系的保护点，都应安置在便于挨近的方位上。

4）需求修补和拆装的产品，其周围要有满意的操作空间。

5）修补时一般应能看见内部的操作，其通道除了能容纳修补人员的手或臂外，还应留有供调查的恰当间隙。

7.考虑造型规划的原则

产品的规划不仅要满意功用要求，而且还应考虑产品造型的美学价值，使之对人发生吸引力。从心理学角度看，人60%的决定取决于第一印象。技能产品的社会特色是产品，在买方商场的年代，为产品规划一个能吸引顾客的外观是一个重要的规划要求；一同造型漂亮的产品可使操作者削减因精力疲乏而发生的误操作。

外观规划包括三个方面：造型、颜色和外表处理。

考虑造型时，应留意下述三个问题：

（1）尺度份额协调

在结构规划时，应留意坚持外形概括各部分尺度之间均匀协调的份额联系，应有认识地运用"黄金分割法"来确认尺度，使产品造型更具美感。

（2）形状简略统一

机械产品的外形一般由各种根本的几许形体（长方体、圆柱体、锥体等）组合而成。结构规划时，应使这些形状配合恰当，根本形状应在视觉上平衡，挨近对称又不彻底对称的外形易发生倾倒的感觉；尽量削减形状和方位的改动，防止过火凌乱；改善加工工艺

（3）颜色、图案的支撑和装点

在机械产品外表涂漆，除具有防止腐蚀的功用外，还可增强视觉效果。恰当的颜色可使操作者眼睛的疲惫程度下降，并能进步对设备显现信息的区分能力。

单色只运用于小构件。大的特别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颜色活泼起来。在多个颜色并存的情况下，应有一个起主导效果的底色，和底色相对应的颜色叫对比色。但在一个产品上，不同颜色的数量不宜太多，太多的颜色会给人一种华而不实的感觉。

舒服的颜色大约坐落从浅黄、绿黄到棕的区域。这个趋势是渐暖，正黄正绿往往显得不舒服；强烈的灰颜色显得压抑。关于冷环境运用暖色，如黄、橙黄和红。关于热环境用冷色，如浅蓝。一切颜色都应淡化。别的，经过必定的颜色配置可使产品显得安全、稳固。将形状改动小的、面积较大的平面配置淡色，而将运动、活泼概括的元件配置深色；深色应安置于机械的下部，淡色置于上部。

8.考虑本钱的规划原则

简化产品及修补操作

（1）规划时，要对产品功用进行剖析权衡，兼并相同或类似功用，消除不必要的功用，以简化产品和修补操作。

（2）规划时，应在满意规定功用要求的条件下，使其结构简略，尽或许削减产品层次和组成单元的数量，并简化零件的形状。

（3） 产品应尽量规划简洁而牢靠的调整组织，以便于扫除因磨损或飘移等原因引起的常见毛病。对易发生部分耗损的宝贵件，应规划成可调整或可拆开的组合件，以便于部分替换或修复。防止或削减互相牵连的重复调校。

（4）要合理安排各组成部分的方位，削减连接件、固定件、使其检测、换件等修补操作简略便利，尽或许做到在修补任一部分时，不拆开、不移动或少拆开、少移动其他部分，以下降对修补人员技能水平的要求和作业量。

进步标准化、交换性程度

（1）优先选用标准化的产品

规划时应优先选用标准化的设备、元器件、零部件和东西等产品，并尽量削减其品种、规格。

（2）进步交换性和通用化程度

①在不同的配备中最大极限地选用通用的组件、元器件、零部件，并尽量削减其品种。元器件、零部件及其附件、东西应尽量选用满意或稍加改动即可满意运用要求的通用品。

②规划时，有必要使毛病率高、容易损坏、关键性的零部件或单元具有杰出的交换性和通用性。

③能装置交换的产品，有必要能功用交换。能功用交换的产品，也应完结装置交换，必要时可另选用连接装置来到达装置交换。

④选用不同工厂出产的相同类型成品件有必要能装置交换和功用交换。

⑤功用相同且对称装置的部、组、零件，应规划成可交换的。

⑥修改零部件或单元的规划时，不要任意更改装置的结构要素，破环交换性。

⑦产品需作某些更改或改善时，要尽量做到新老产品之间能够交换运用。

选用模块化规划

a）产品应按其功用规划成若干个具有交换性的模块（或模件），其数量依据实践需求而定。需求在现场替换的部件更应模块（件）化。

b）模块（件）从产品上卸下来以后，应便于独自进行测验、调整。在替换模块（件）后，一般应不需求进行调整；若有必要调整时，应简洁易行。

c）模块（件）的尺度与质量应便于拆装、携带或转移。质量超越 4kg 不便握持的模块（件）应设有人力转移的把手。有必要用机械提高的模件，应设有相应的吊孔或吊环。

具有完善的防差错办法及识别标志

机械结构规划的作业进程

不同类型的机械结构规划中各种详细情况的差别很大，没有必要以某种进程按部就班的进行。一般是确认完结既定功用零部件的形状、尺度和布局。结构规划进程是归纳剖析、绘图、核算三者相结合的进程，其进程大致如下：

1. 理清主次、统筹统筹：清晰待规划结构件的首要使命和约束，将完结其意图的功用分解成几个功用。然后从完结机器首要功用（指机器中对完结能量或物料转换起关键效果的根本功用）的零部件入手，一般先从完结功用的结构外表开端，考虑与其他相关零件的彼此方位、联合联系，逐步同其它外表一同连接成一个零件，再将这个零件与其它零件联合成部件，最终组合成完结首要功用的机器。然后，再确认非必须的、补充或支撑首要部件的部件，如：密封、润滑及保护保养等。

2. 制作草图：在剖析确认结构的一同，粗略预算结构件的首要尺度并按必定的份额，经过制作草图，初定零部件的结构。图中应表明出零部件的根本形状，首要尺度，运动构件的极限方位，空间约束，装置尺度等。一同结构规划中要充沛留意标准件、常用件和通用件的运用，以削减规划与制作的作业量。

3. 对初定的结构进行归纳剖析，确认最后的结构计划：归纳进程是指找出完结功用意图各种可供挑选的结构的一切作业。剖析进程则是点评、比较并最终确认结构的作业。可经过改动作业面的巨细、方位、数量及构件资料、外表特性、连接办法，体系地发生新计划。别的，归纳剖析的思维特色更多的是以直觉办法进行的，即不是以体系的办法进行的。人的感觉和直觉不是无道理的，多年在生活、出产中积累的经验不自觉地发生了各式各样的判断能力，这种感觉和直觉在规划中起着较大的效果。

4. 结构规划的核算与改善：对承载零部件的结构进行载荷剖析，必要时核算其承载强度、刚度、耐磨性等内容。并经过完善结构使结构愈加合理地接受载荷、进步承载能力及作业精度。一同考虑零部件装拆、资料、加工工艺的要求，对结构进行改善。在实践的结构规划中，规划者应对规划内容进行幻想和模拟，头脑中要从各种角度考虑问题，幻想或许发生的问题，这种假象的深度和广度对结构规划的质量起着十分重要的效果。

5. 结构规划的完善：按技能、经济和社会指标不断完善，寻找所选计划中的缺点和薄弱环节，对照各种要求和约束，重复改善。考虑零部件的通用化、标准化，削减零部件的品种，下降出产本钱。在结构草图中注出标准件和外购件。注重安全与劳保（即劳动条件：操作、调查、调整是否便利省力、发生毛病时是否易于排查、噪音等），对结构进行完善。

6. 形状的平衡与漂亮：要考虑直观上看物体是否匀称、漂亮。外观不均匀时形成资料或组织的浪费。出现惯性力时会失去平衡，很小的外部干扰力效果就或许失稳，抗应力会集和疲惫的性能也弱。

总之，机械结构规划的进程是从内到外、从重要到非必须、从部分到整体、从粗略到精密，权衡利弊，重复查看，逐步改善。