机械设计标准（机械设计的方法）

机械设计标准（机械设计的方法）　　3根据结构部件的材料进行结构设计　　大多数零件都有两个或更多直接相关的零件，因此每个零件都有两个或更多在结构上与其他零件相关的零件。在结构设计中，必须同时考虑两部分直接相关的部分，以便合理选择材料的热处理方法、形状、尺寸、精度和表面质量。同时还要考虑满足间接相关条件，比如尺寸链、精度计算等。一般来说，如果与一个零件直接相关的零件越多，其结构就会越复杂。间接相关的零件越多，精度要求就越高。　　2.结构构件之间的连接　　在机器或机械中，没有任何部件是孤立存在的。因此，在结构设计中，除了研究零件本身的功能和其他特性外，还必须研究零件之间的关系。　　零件的相关性可分为直接相关性和间接相关性。当两个零件之间有直接装配关系时，它就成为直接相关的。没有直接组装关系的关联就变成了间接关联。间接相关分为位置相关和运动相关。位置相关是指两个零件在相互位置上有要求，比如减速器中相邻两根传动轴的中心距必须保证

一、机械结构零件的结构要素和设计方法

　　1个结构零件的几何特征

　　结构的功能主要是通过机械零件的几何形状和零件之间的相对位置关系来实现的。零件的几何形状由其表面组成。一个零件通常有多个曲面，其中一些曲面与其他零件的曲面直接接触，这部分曲面称为功能曲面。功能面之间的结合点称为结合面。

　　零件的功能面是决定机械功能的重要因素，功能面的设计是零件结构设计的核心问题。描述功能表面的主要几何参数包括表面的几何形状、尺寸、数量、位置和顺序。通过功能曲面的变异设计，可以得到多种结构方案来实现相同的技术功能。

　　2.结构构件之间的连接

　　在机器或机械中，没有任何部件是孤立存在的。因此，在结构设计中，除了研究零件本身的功能和其他特性外，还必须研究零件之间的关系。

　　零件的相关性可分为直接相关性和间接相关性。当两个零件之间有直接装配关系时，它就成为直接相关的。没有直接组装关系的关联就变成了间接关联。间接相关分为位置相关和运动相关。位置相关是指两个零件在相互位置上有要求，比如减速器中相邻两根传动轴的中心距必须保证一定的精度，两轴必须平行才能保证齿轮的正常啮合。运动关联是指一部分的运动轨迹与另一部分相关。比如车床刀架的运动轨迹必须与主轴中心线平行，这是通过床身导轨与主轴轴线的平行来保证的。因此，主轴和导轨之间的位置是相关的。而刀架和主轴是运动相关的。

　　大多数零件都有两个或更多直接相关的零件，因此每个零件都有两个或更多在结构上与其他零件相关的零件。在结构设计中，必须同时考虑两部分直接相关的部分，以便合理选择材料的热处理方法、形状、尺寸、精度和表面质量。同时还要考虑满足间接相关条件，比如尺寸链、精度计算等。一般来说，如果与一个零件直接相关的零件越多，其结构就会越复杂。间接相关的零件越多，精度要求就越高。

　　3根据结构部件的材料进行结构设计

　　机械设计中有很多材料可以选择。不同的材料有不同的性质，不同的材料对应不同的加工工艺。在结构设计中，要根据功能要求合理选择合适的材料，根据材料类型确定合适的加工工艺，根据加工工艺要求确定合适的结构。只有通过适当的结构设计，所选材料才能充分发挥其优势。

　　设计人员要想正确选择材料，必须充分了解所选材料的力学性能、加工性能、使用成本等信息。在结构设计中应根据所选材料的特点和相应的加工工艺遵循不同的设计原则。二、机械结构设计的基本要求

　　各行各业都在使用机械产品，结构设计的内容和要求也有很大不同，但都有相同的共通之处。以下三个不同层次的机械结构设计将解释结构设计的要求。

　　1.功能设计满足主要的机械功能要求，并且在技术上是特定的。如工作原理的实现、工作可靠性、工艺、材料和装配等。

　　2.质量设计考虑到各种要求和限制，提高产品质量和性能价格比，这是现代工程设计的特点。具体是指操作、美观、成本、安全、环保等诸多其他要求和限制。在现代设计中，品质设计非常重要，往往决定了产品的竞争力。机械设计只满足主要技术和功能要求的时代已经过去了。考虑各种要求，提高产品质量是现代机械设计的关键。

　　3.优化设计与创新设计：用结构设计变量等方法系统构建优化设计空间，用创造性设计思维方法等科学方法进行优化创新。

　　三.机械结构的基本设计准则

　　机械设计的最终结果以一定的结构形式表现出来，按照设计的结构进行加工装配，制成最终产品。因此，机械结构设计作为一个产品要满足各种要求，基本要求包括功能性、可靠性、可制造性、经济性和外观性的要求。另外要改善零件的受力，提高强度、刚度、精度和使用寿命。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，可能造成零部件的不应有的失效，使机器达不到设计精度要求，给装配和维修带来极大的不便。在机械设计过程中，应考虑以下结构设计标准。

　　1.预期功能的设计标准。

　　产品设计的主要目的是实现预定的功能要求，因此实现预期功能的设计准则是结构设计中首先要考虑的。为了满足功能需求，您必须执行以下操作。

　　(1)明确功能：的结构设计是根据其在机器中的作用以及与其他部件的相互联系来确定参数大小和结构形状。零部件的主要功能是承受载荷，传递运动和动力，保证或维持相关零部件之间的相对位置或运动轨迹。设计的结构应能满足机器整体的功能要求。

　　(2)合理分配功能：在产品设计中，通常需要根据具体情况合理分配任务，即将一项功能分解为多个子功能。每个子功能要有明确的结构承诺，各部分的结构要有合理协调的联系，才能实现整体功能。具有相同功能的多结构零件可以减轻零件负担，延长使用寿命。横截面为V形的结构是合理分配任务的一个例子。纤维绳是用来承受拉力的；橡胶层承受皮带弯曲时的拉力和压力；布层与滑轮槽共同作用，产生传动所需的摩擦力。例如，如果仅由螺栓预紧产生的摩擦力来承受侧向载荷，螺栓的尺寸会过大，可以增加销钉、套筒、键等抗剪元件来分担侧向载荷来解决这一问题。(3)功能集中：为了简化机械产品的结构，降低加工成本，便于安装，在某些情况下，一个零件或部件可以承担多种功能。功能集中化会使零件形状更加复杂，但要合理，否则会影响加工工艺，增加加工成本，设计时要根据具体情况。

　　2.满足强度要求的设计标准

　　(1)等强度准则：零件截面尺寸的变化应与其内应力的变化相适应，使各截面的强度相等。按照等强度原则设计的结构可以充分利用材料，从而减轻重量，降低成本。比如悬臂支架和阶梯轴的设计。

　　(2)合理的力流结构：为了直观地展示力在机械构件中是如何传递的，把力看成是在构件中流动的水，这些力线汇聚成力流。这意味着这种力的流动在结构设计研究中起着重要的作用。构件内的流动不会中断，任何一条力线都不会突然消失，必须从一个地方引入，从另一个地方传递。力流的另一个特点是倾向于沿最短路径传递，使力流在最短路径附近密集，形成高应力区。其他部位的力流稀疏，甚至没有力流通过。从受力角度看，材料不能得到充分利用。因此，为了提高构件的刚度，构件的形状应尽可能按照力流的最短路径来设计，减少承载面积，使累积变形更小，提高整个构件的刚度，充分利用材料。

　　(3)减少应力集中结构：当力流方向急转弯时，力流在转折处会过于密集，导致应力集中，所以在设计中应采取结构措施，使力流通畅。应力集中是影响零件疲劳强度的重要因素。在设计结构时，应尽可能避免或减少应力集中。这些方法将在相应的章节中介绍，如增加多余的圆角和采用卸荷结构。

　　(4)负载平衡结构：机器工作时，往往会产生一些无用的力，如惯性力、斜齿轮的轴向力等。这些力不仅增加了轴、轴套等零件的负荷，而且降低了它们的精度和使用寿命，同时也降低了机器的传动效率。所谓负荷平衡，就是采取结构性措施，部分或全部平衡不用力，以减少或消除其不利影响。这些结构措施主要采用平衡元件和对称布置。

　　3.满足结构刚度的设计标准。

　　为了保证零件在使用寿命内的正常功能，必须使其具有足够的刚度。

　　4.考虑加工技术的设计标准。

　　机械零件结构设计的主要目的是保证功能的实现，使产品满足所需的性能。然而，结构设计的结果对产品零件的生产成本和质量有重要影响。因此，在结构设计上，要尽量使产品具有良好的加工工艺。所谓好的加工工艺，就是零件的结构容易加工制造，任何加工方法都不一定能制造出一定结构的零件，或者生产成本高，或者质量受影响。因此，对于设计人员来说，了解一种加工方法的特点是非常重要的，以便在设计结构时扬长避短。在实际中，零件的结构可制造性受到许多因素的制约，如生产批量的大小会影响毛坯生成方法；设备条件可能会限制工件的尺寸；此外，建模、精度、热处理、成本等方面都可能制约零部件的可制造性。因此，在结构设计中应充分考虑上述因素对工艺性的影响。5.考虑装配的设计标准

　　装配是产品制造过程中的一个重要环节，零部件的结构直接影响装配的质量和成本。组件的结构设计标准简述如下：

　　(1)合理划分装配单元：整机应能划分成若干个可单独装配的单元(零件或部件)，以实现并行化、专业化的装配作业，缩短装配周期，便于分步进行技术检查和维修。

　　(2)零件的正确安装：保证零件的准确定位，避免双重配合，防止装配误差。

　　(3)使部件易于装拆：在结构设计上，要有足够的装配空间，如扳手空间；避免过长的配合，以免增加装配难度，划伤配合面，比如一些阶梯轴的设计；为了便于拆卸零件，应给出拆卸工具的位置，如轴承拆卸。

　　6.考虑维护和修理的设计标准

　　(1)产品配置应根据其故障率、维修难度、尺寸质量、安装特点等进行安排。所有需要维修的零部件应具有良好的可达性；对于需要经常维护和紧急开关的高故障率部件，应提供最佳的可达性。

　　(2)产品的拆装，特别是易损件、经常拆卸的零件和附加设备的拆装应简单，拆装时零件进出的路线应是直线或平缓的曲线。

　　(3)产品检验点、测试点等系统维护点应布置在易接近的位置。

　　(4)需要维修和拆卸的产品周围应有足够的操作空间。

　　(5)维修时，一般应该能看到内部的运行情况。除了容纳维修人员的手或手臂外，还应有适当的间隙供观察。

　　7.考虑设计标准。

　　产品设计不仅要满足功能要求，还要考虑产品造型的美学价值，使其对人具有吸引力。从心理学的角度来说，人的决定有60%取决于第一印象。技术的社会属性是商品。在买方市场时代，设计出一个能吸引顾客的产品是一个重要的设计要求。同时，外形美观的产品可以减少操作人员因精力耗尽而导致的误操作。

　　外观设计包括造型、色彩、表面处理三个方面。

　　在考虑造型时，要注意大小比例的协调，造型的简洁统一，色彩和图案的支撑和点缀。

　　单色仅用于小部件。大型构件，尤其是运动构件，如果只用一种颜色会显得单调无层次感，一个小小的附加色块会让整个色调活跃起来。当多种颜色并存时，应该有一种占主导地位的背景色，与背景色相对应的颜色称为对比色。但在一个产品中，不同色调的数量不宜过多，过多的颜色会给人浮华的感觉。

　　舒适的颜色位于从浅黄、绿黄到棕色的区域。这种趋势越来越热，黄变绿的时候经常不舒服。强烈的灰色调让人压抑。将黄色、橙色和红色等暖色应用于寒冷的环境。对于炎热的环境，使用冷色，如浅蓝色。所有的颜色都应该褪色。另外，通过一定的颜色配置，产品可以安全稳定。形状变化小、面积大的平面配置浅色，运动、活动轮廓的构件配置深色；深色应该放在机器的下部，浅色放在上部。8.考虑成本的设计标准

　　设计应简化产品和维护操作：

　　(1)在设计时，应对产品功能进行分析和权衡，将相同或相似的功能组合起来，剔除不必要的功能，以简化产品和维护操作。

　　(2)设计时，结构要简单，在满足规定功能要求的情况下，尽可能减少产品层次和部件单元的数量，简化零件形状。

　　(3)产品应尽可能设计简单可靠的调节机构，以消除因磨损或漂移引起的常见故障。易于局部磨损的贵重零件应设计成可调节或可拆卸的组件，以便于局部更换或维修。或者避免相互牵连的反复调整。

　　(4)要合理安排各部件的位置，减少连接件和固定件的数量，使检查、更换等维修操作简单方便，在维修任何一个零件时，尽量不拆、不动或少拆、少动其他零件，以降低对维修人员技能水平的要求和工作量。