機械設(shè)計準則丶要素和基本要求

機械設(shè)計準則丶要素和基本要求機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的任務(wù)是依據(jù)設(shè)計任務(wù)在總體設(shè)計構(gòu)想的基礎(chǔ)上，確定的原理方案，繪制出具體的結(jié)構(gòu)圖，以實現(xiàn)設(shè)計所要求的功能。設(shè)計的過程是將抽象的工作原理具體化為某類構(gòu)件或零部件，包含確定結(jié)構(gòu)件的材料、形狀、尺寸、公差、熱處理方式和表面處理等，還須考慮其加工工藝、強度、剛度、精度以及與其它零件相互之間關(guān)系等問題。所以結(jié)構(gòu)設(shè)計的直接產(chǎn)物雖是技術(shù)圖紙，但工作不是簡單的機械制圖，圖紙只是表達設(shè)計方案的工程語言，運用機構(gòu)設(shè)計的各種技術(shù)將設(shè)計構(gòu)想具體化是結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本內(nèi)容。1

機械結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)要素和設(shè)計方法1.1

結(jié)構(gòu)件的幾何要素機械結(jié)構(gòu)的功能主要是靠機械零部件的幾何形狀及各個零部件之間的相對位置關(guān)系實現(xiàn)的。零部件的幾何形狀由它的表面所構(gòu)成，一個零件通常有多個表面，在這些表面中有的與其它零部件表面直接接觸，把這一部分表面稱為功能表面。在功能表面之間的聯(lián)結(jié)部分稱為聯(lián)接表面。零件的功能表面是決定機械功能的重要因素，功能表面的設(shè)計是零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計的核心。描述功能表面的主要幾何參數(shù)有表面的幾何形狀、尺寸大小、表面數(shù)量、位置、順序等。通過對功能表面的不同設(shè)計，可以得到為實現(xiàn)同一技術(shù)功能的多種結(jié)構(gòu)方案。1.2

結(jié)構(gòu)件之間的關(guān)聯(lián)在機器或機械中，任何零件都不是孤立存在的。因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計中除了研究零件本身的功能和相關(guān)特征外，還必須研究零件之間的相互關(guān)系。零件之間的相互關(guān)系分為直接相關(guān)和間接相關(guān)兩類。兩個零件有直接裝配關(guān)系的成為直接相關(guān)。沒有直接裝配關(guān)系的成為間接相關(guān)。間接相關(guān)又分為位置相關(guān)和運動相關(guān)兩類。位置相關(guān)是指兩零件在相互位置上有要求，如減速器中兩相鄰的傳動軸，其中心距必須保證一定的精度，兩軸線必須平行，以保證齒輪的正常嚙合。運動相關(guān)是指一零件的運動軌跡與另一零件有關(guān)，如車床刀架的運動軌跡必須平行于于主軸的中心線，這是靠床身導軌和主軸軸線相平行來保證的，所以主軸與導軌為位置相關(guān)，而刀架與主軸為運動相關(guān)。多數(shù)零件都有兩個或更多的直接相關(guān)零件，故每個零件大都具有兩個或多個部位在結(jié)構(gòu)上與其它零件有關(guān)。在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，兩零件直接相關(guān)部位結(jié)構(gòu)必須同時考慮，以便合理地選擇材料的熱處理方式、形狀、尺寸、精度及表面等。同時還必須考慮滿足間接相關(guān)條件，如進行尺寸鏈和精度計算等。一般來說，若某零件直接相關(guān)零件愈多，其結(jié)構(gòu)就愈復雜；某零件的間接相關(guān)零件愈多，其精度要求愈高。1.3

結(jié)構(gòu)設(shè)計中結(jié)構(gòu)件的材料零件設(shè)計中可以選擇的材料眾多，不同的材料具有不同的性質(zhì)，不同的材料對應不同的加工工藝，設(shè)計中既要根據(jù)功能要求合理地選擇適當?shù)牟牧?，又要根?jù)材料的種類確定適當?shù)募庸すに?，并根?jù)加工工藝的要求確定適當?shù)慕Y(jié)構(gòu)，只有通過適當?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計才能使所選擇的材料最充分的發(fā)揮優(yōu)勢。設(shè)計者要做到正確地選擇零件的材料就必須充分地了解相關(guān)材料的力學性能、加工性能、使用成本等信息。結(jié)構(gòu)設(shè)計中應根據(jù)所選材料的特性及其所對應的加工工藝而遵循不同的設(shè)計原則。2

機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本要求機械產(chǎn)品應用于各行各業(yè)，結(jié)構(gòu)設(shè)計的具體內(nèi)容和要求也是千差萬別，但結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本要求是共通的。下面就機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的三個不同層次來說明對結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求。2.1

功能設(shè)計滿足主要機械功能要求，在技術(shù)上的具體化。如工作原理的實現(xiàn)、工作的可靠性、工藝、材料和裝配等方面。2.2

質(zhì)量設(shè)計兼顧各種要求和限制，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和性價比，是現(xiàn)代工程設(shè)計的特征。具體為操作性、美觀性、安全性、成本、環(huán)保等因素。在現(xiàn)代設(shè)計中，質(zhì)量設(shè)計相當重要，往往決定產(chǎn)品的競爭力。那種只關(guān)注滿足主要技術(shù)功能要求的設(shè)計思想已成為過去，統(tǒng)籌兼顧各種要求，在滿足主要功能的前提下對其他要求適當作出平衡和取舍，提高產(chǎn)品的質(zhì)量，是現(xiàn)代機械設(shè)計的核心所在。2.3

優(yōu)化設(shè)計和創(chuàng)新設(shè)計用結(jié)構(gòu)設(shè)計變元等方法系統(tǒng)地構(gòu)造優(yōu)化設(shè)計空間，用創(chuàng)造性設(shè)計思維方法和其它科學方法進行優(yōu)選和創(chuàng)新。3

機械結(jié)構(gòu)基本設(shè)計準則機械設(shè)計的最終結(jié)果是將確定的結(jié)構(gòu)形式以圖紙表達出來的，按所設(shè)計的圖紙進行加工、裝配，制造出最終的產(chǎn)品。所以，機械結(jié)構(gòu)設(shè)計應滿足作為產(chǎn)品的多方面要求，基本要求有功能性、可靠性、工藝性、經(jīng)濟性和外觀造型等方面的要求。此外，還應改善零件的受力，提高強度、剛度、精度和壽命。因此，機械結(jié)構(gòu)設(shè)計是一項綜合性的技術(shù)工作。由于結(jié)構(gòu)設(shè)計的不合理或錯誤，可能造成零部件不應有的失效，使機器達不到設(shè)計精度的要求，給裝配和維修帶來極大的不方便。機械結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中應考慮如下的結(jié)構(gòu)設(shè)計準則。3.1

實現(xiàn)預期功能的設(shè)計準則產(chǎn)品的設(shè)計主要目的是為了實現(xiàn)預定的功能要求，因此實現(xiàn)預期功能的設(shè)計準則是結(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計是要根據(jù)其在機器中的功能和與其他零部件相互的連接關(guān)系，確定參數(shù)尺寸和結(jié)構(gòu)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(guān)零件或部件之間的相對位置或運動軌跡等。設(shè)計的結(jié)構(gòu)應能滿足從機器整體考慮對它的功能要求。（2）功能分配：產(chǎn)品設(shè)計時，根據(jù)具體情況，通常有必要將任務(wù)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(jié)構(gòu)承擔，各部分結(jié)構(gòu)之間應具有合理、協(xié)調(diào)的聯(lián)系，以達到總功能的實現(xiàn)。多結(jié)構(gòu)零件承擔同一功能可以減輕零件負擔，延長使用壽命。例如如V型帶截面的結(jié)構(gòu)是任務(wù)合理分配的一個例子。纖維繩用來承受拉力；橡膠填充層承受帶彎曲時的拉伸和壓縮；包布層與帶輪輪槽作用，產(chǎn)生傳動所需的摩擦力。例如若只靠螺栓預緊產(chǎn)生的摩擦力來承受橫向載荷時，會使螺栓的尺寸過大，可增加抗剪元件，如銷、套筒和鍵等，以分擔橫向載荷來解決這一問題。（3）功能集中：為了簡化機械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，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，所以要適度，否則會增加加工難度、反而增加加工成本，設(shè)計時應根據(jù)具體情況而定。3.2

滿足強度要求的設(shè)計準則（1）等強度準則：零件截面尺寸的變化應與其內(nèi)應力變化相適應，使各截面的強度相等。按等強度原理設(shè)計的結(jié)構(gòu)，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(shè)計等。（2）合理力流結(jié)構(gòu)：為了直觀地表示力在機械構(gòu)件中怎樣傳遞的狀態(tài)，將力看作猶如水在構(gòu)件中流動，這些力線匯成力流。表示這個力的流動在結(jié)構(gòu)設(shè)計考察中起著重要的作用。力流在構(gòu)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(qū)。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，為了提高構(gòu)件的剛度，盡可能按力流最短路線來設(shè)計零件的形狀，減少承載區(qū)域，從而累積變形越小，提高了整個構(gòu)件的剛度，使材料得到充分利用。（3）

減小應力集中結(jié)構(gòu)：當力流方向急劇轉(zhuǎn)折時，力流在轉(zhuǎn)折處會過于密集，從而引起應力集中，設(shè)計中應在結(jié)構(gòu)上采取措施，使力流轉(zhuǎn)向平緩。應力集中是影響零件疲勞強度的重要因素。結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應盡量避免或減小應力集中，如增大過度圓角、采用卸載結(jié)構(gòu)等。（4）使載荷平衡結(jié)構(gòu)：在機器工作時，常產(chǎn)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)措施主要采用平衡元件、對稱布置等。3.3

滿足結(jié)構(gòu)剛度的設(shè)計準則為保證零件在使用期限內(nèi)正常地實現(xiàn)其功能，必須使其具有足夠的剛度。3.4

考慮加工工藝的設(shè)計準則機械零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要目的是：保證功能的實現(xiàn)，使產(chǎn)品達到要求的性能。但是，結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性直接影響零部件的生產(chǎn)成本及質(zhì)量。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中應力求零件機構(gòu)有良好的加工工藝性。所謂好的加工工藝指的是零件的結(jié)構(gòu)易于加工制造，任何一種加工方法都有其局限性，或生產(chǎn)成本很高，或質(zhì)量受到影響。因此，設(shè)計者了解各種加工方式的特點非常重要，以便在設(shè)計結(jié)構(gòu)時盡可能的揚長避短。實際生產(chǎn)時，零部件結(jié)構(gòu)工藝性受到諸多因素的制約，如生產(chǎn)批量的大小會影響坯件的生成方法；生產(chǎn)設(shè)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(jié)構(gòu)的工藝性有制約作用。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計中應充分考慮上述因素對工藝性的影響。3.5

考慮裝配的設(shè)計準則裝配是產(chǎn)品制造過程中的重要工序，零部件的結(jié)構(gòu)對裝配的質(zhì)量、成本有直接的影響。有關(guān)裝配的結(jié)構(gòu)設(shè)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(xiàn)平行且專業(yè)化的裝配作業(yè)，縮短裝配周期，并且便于逐級技術(shù)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、避免雙重配合、防止裝配錯誤。（3）使零部件便于裝配和拆卸：結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)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。3.6

考慮維護修理的設(shè)計準則（1）產(chǎn)品的配置應根據(jù)其故障率的高低、維修的難易、尺寸和質(zhì)量的大小以及安裝特點等統(tǒng)籌安排，凡需要維修的零件部件，都應具有良好的可達性；對故障率高而又需要經(jīng)常維修的部位及應急開關(guān)，應提供最佳的可達性。（2）產(chǎn)品特別是易損件、常拆件和附加設(shè)備的拆裝要簡便，拆裝時零部件進出的路線最好是直線或平緩的曲線。（3）產(chǎn)品的檢查點、測試點等系統(tǒng)的維護點，都應布置在便于接近的位置上。（4）需要維修和拆裝的產(chǎn)品，其周圍要有足夠的操作空間。（5)

維修時一般應能看見內(nèi)部的操作，其通道除了能容納維修人員的手或臂外，還應留有供觀察的適當間隙。3.7

考慮造型設(shè)計的準則產(chǎn)品的設(shè)計不僅要滿足使用要求，而且還應考慮產(chǎn)品造型的美學價值，使之對人產(chǎn)生吸引力，簡單的講就是既好用還要美觀。從心理學角度看，人60%的決定取決于第一印象。技術(shù)產(chǎn)品的社會屬性是商品，在買方市場的時代，為產(chǎn)品設(shè)計一個能吸引顧客的外觀是一個重要的設(shè)計要求；同時造型美觀的產(chǎn)品可使操作者減少因精力疲憊而產(chǎn)生的誤操作。外觀設(shè)計包括三個方面：造型、顏色和表面處理?？紤]造型時，應注意尺寸比例協(xié)調(diào)、形狀簡單統(tǒng)一以及色彩、圖案的支持和點綴。單色只使用于小構(gòu)件。大的特別是運動構(gòu)件如果只用一種顏色就會顯得單調(diào)無層次，一個小小的附加色塊會使整個色調(diào)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(chǎn)品上，不同色調(diào)的數(shù)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(qū)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(diào)顯得壓抑。對于冷環(huán)境應用暖色，如黃、橙黃和紅。對于熱環(huán)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(chǎn)品顯得安全、穩(wěn)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。3.8

考慮成本的設(shè)計準則設(shè)計時應簡化產(chǎn)品及維修操作：（1）設(shè)計時，要對產(chǎn)品功能進行分析權(quán)衡，合并相同或相似功能，消除不必要的功能，以簡化產(chǎn)品和維修操作。（2）設(shè)計時，應在滿足