5.1.1機械結構設計的任務
機械結構設計的任務是在總體設計的基礎上，根據所確定的原理方案，確定並繪出具體的結構圖，以體現所要求的功能。是將抽象的工作原理具體化為某類構件或零部件，具體內容為在確定結構件的材料、形狀、尺寸、公差、熱處理方式和表面狀況的同時，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係等問題。所以，結構設計的直接產物雖是技術圖紙，但結構設計工作不是簡單的機械製圖，圖紙只是表達設計方案的語言，綜合技術的具體化是結構設計的基本內容。
5.1.2機械結構設計特點
機械結構設計的主要特點有：（1）它是集思考、繪圖、計算（有時進行必要的實驗）於一體的設計過程，是機械設計中涉及的問題最多、最具體、工作量最大的工作階段，在整個機械設計過程中，平均約80%的時間用於結構設計，對機械設計的成敗起著舉足輕重的作用。（2）機械結構設計問題的多解性，即滿足同一設計要求的機械結構並不是唯一的。
（3）機械結構設計階段是乙個很活躍的設計環節，常常需反覆交叉的進行。為此，在進行機械結構設計時，必須了解從機器的整體出發對機械結構的基本要求
5.2機械結構件的結構要素和設計方法
5.2.1結構件的幾何要素
機械結構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係實現的。零部件的幾何形狀由它的表面所構成，乙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結部分稱為聯接表面。
零件的功能表面是決定機械功能的重要因素，功能表面的設計是零部件結構設計的核心問題。描述功能表面的主要幾何引數有表面的幾何形狀、尺寸大小、表面數量、位置、順序等。通過對功能表面的變異設計，可以得到為實現同一技術功能的多種結構方案。
5.2.2結構件之間的聯接
在機器或機械中，任何零件都不是孤立存在的。因此在結構設計中除了研究零件本身的功能和其它特徵外，還必須研究零件之間的相互關係。
零件的相關分為直接相關和間接相關兩類。凡兩零件有直接裝配關係的，成為直接相關。沒有直接裝配關係的相關成為間接相關。
間接相關又分為位置相關和運動相關兩類。位置相關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。運動相關是指一零件的運動軌跡與另一零件有關，如車床刀架的運動軌跡必須平行於於主軸的中心線，這是靠床身導軌和主軸軸線相平行來保證的，所以，主軸與導軌之間位置相關；而刀架與主軸之間為運動相關。
多數零件都有兩個或更多的直接相關零件，故每個零件大都具有兩個或多個部位在結構上與其它零件有關。在進行結構設計時，兩零件直接相關部位必須同時考慮，以便合理地選擇材料的熱處理方式、形狀、尺寸、精度及表面質量等。同時還必須考慮滿足間接相關條件，如進行尺寸鏈和精度計算等。
一般來說，若某零件直接相關零件愈多，其結構就愈複雜；零件的間接相關零件愈多，其精度要求愈高。例如，軸轂聯接見圖5.1。
5.2.3結構設計據結構件的材料及熱處理不同應注意的問題
機械設計中可以選擇的材料眾多，不同的材料具有不同的性質，不同的材料對應不同的加工工藝，結構設計中既要根據功能要求合理地選擇適當的材料，又要根據材料的種類確定適當的加工工藝，並根據加工工藝的要求確定適當的結構，只有通過適當的結構設計才能使所選擇的材料最充分的發揮優勢。
設計者要做到正確地選擇材料就必須充分地了解所選材料的力學效能、加工效能、使用成本等資訊。結構設計中應根據所選材料的特性及其所對應的加工工藝而遵循不同的設計原則。
如：鋼材受拉和受壓時的力學特性基本相同，因此鋼梁結構多為
對稱結構。鑄鐵材料的抗壓強度遠大於抗拉強度，因此承受彎矩的鑄鐵結構截面多為非對稱形狀，以使承載時最大壓應力大於最大拉應力，圖示5.2為兩種鑄鐵支架比較。
鋼結構設計中通常通過加大截面尺寸的方法增大結構的強度和剛度，但是鑄造結構中如果壁厚過大則很難保證鑄造質量，所以鑄造結構通常通過加筋板和隔板的方法加強結構的剛度和強度。塑料材料由於剛度差，鑄造後的冷卻不均勻造成的內應力極易引起結構的翹曲，所以塑料結構的筋板與壁厚相近並均勻對稱。
對於需要熱處理加工的零件，在進行結構設計時的要求有如下幾點：（1）零件的幾何形狀應力求簡單、對稱，理想的形狀為球形。（2）具有不等截面的零件，其大小截面的變化必須平緩，避免突變。
如果相鄰部分的變化過大，大小截面冷卻不均，必然形成內應力。（3）避免銳邊尖角結構，為了防止銳邊尖角處熔化或過熱，一般在槽或孔的邊緣上切出2～３mm的倒角。（4）避免厚薄懸殊的截面，厚薄懸殊的截面在淬火冷卻時易變形，開裂的傾向較大。
5.3.1機械結構設計的基本要求
機械產品應用於各行各業，結構設計的內容和要求也是千差萬別，但都有相同的共性部分。下面就機械結構設計的三個不同層次來說明對結構設計的要求。
1.功能設計滿足主要機械功能要求，在技術上的具體化。如工作原理的實現、工作的可靠性、工藝、材料和裝配等方面。
2．質量設計兼顧各種要求和限制，提高產品的質量和效能**比，它是現代工程設計的特徵。具體為操作、美觀、成本、安全、環保等眾多其它要求和限制。在現代設計中，質量設計相當重要，往往決定產品的競爭力。
那種只滿足主要技術功能要求的機械設計時代已經過去，統籌兼顧各種要求，提高產品的質量，是現代機械設計的關鍵所在。與考慮工作原理相比，兼顧各種要求似乎只是設計細節上的問題，然而細節的總和是質量，產品質量問題不僅是工藝和材料的問題，提高質量應始於設計。
3．優化設計和創新設計用結構設計變元等方法系統地構造優化設計空間，用創造性設計思維方法和其它科學方法進行優選和創新。
對產品質量的提高永無止境，市場的競爭日趨激烈，需求向個性化方向發展。因此，優化設計和創新設計在現代機械設計中的作用越來越重要，它們將是未來技術產品開發的競爭焦點。
結構設計中得到乙個可行的結構方案一般並不很難。機械設計的任務是在眾多的可行性方案中尋求較好的或是最好的方案。結構優化設計的前提是要能構造出大量可供優選的可能性方案，即構造出大量的優化求解空間，這也是結構設計最具創造性的地方。
結構優化設計目前基本仍侷限在用數理模型描述的那類問題上。而更具有潛力、更有成效的結構優化設計應建立在由工藝、材料、聯接方式、形狀、順序、方位、數量、尺寸等結構設計變元所構成的結構設計解空間的基礎上。
5.3.2機械結構基本設計準則
機械設計的最終結果是以一定的結構形式表現出來的，按所設計的結構進行加工、裝配，製造成最終的產品。所以，機械結構設計應滿足作為產品的多方面要求，基本要求有功能、可靠性、工藝性、經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，機械結構設計是一項綜合性的技術工作。由於結構設計的錯誤或不合理，可能造成零部件不應有的失效，使機器達不到設計精度的要求，給裝配和維修帶來極大的不方便。機械結構設計過程中應考慮如下的結構設計準則。
1.實現預期功能的設計準則
2.滿足強度要求的設計準則
3.滿足剛度結構的設計準則
4.考慮加工工藝的設計準則
5.考慮裝配的設計準則
6.考慮造型設計的準則
5.3.2機械結構基本設計準則
1. 實現預期功能的設計準則
產品的設計主要目的是為了實現預定的功能要求，因此實現預期功能的設計準則是結構設計首先考慮的問題。要滿足功能要求，必須做到以下幾點。
(1)明確功能: 結構設計是要根據其在機器中的功能和與其他零部件相互的連線關係，確定引數尺寸和結構形狀。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零件或部件之間的相對位置或運動軌跡等。
設計的結構應能滿足從機器整體考慮對它的功能要求。
(2)功能合理的分配：產品設計時，根據具體情況，通常有必要將任務進行合理的分配，即將乙個功能分解為多個分功能。每個分功能都要有確定的結構承擔，各部分結構之間應具有合理、協調的聯絡，以達到總功能的實現。
多結構零件承擔同一功能可以減輕零件負擔，延長使用壽命。v型帶截面的結構是任務合理分配的乙個例子。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，產生傳動所需的摩擦力。
例如，若只靠螺栓預緊產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：為了簡化機械產品的結構，降低加工成本，便於安裝，在某些情況下，可由乙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複雜，但要有度，否則反而影響加工工藝、增加加工成本，設計時應根據具體情況而定。
5.3.2機械結構基本設計準則
2.滿足強度要求的設計準則
(1) 等強度準則
零件截面尺寸的變化應與其內應力變化相適應，使各截面的強度相等。按等強度原理設計的結構，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、階梯軸的設計等。
見圖5.3。
圖5.3
(2) 合理力流結構
為了直觀地表示力在機械構件中怎樣傳遞的狀態，將力看作猶如水在構件中流動，這些力線匯成力流。表示這個力的流動在結構設計考察中起著重要的作用。
力流在構件中不會中斷，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。力流的另乙個特性是它傾向於沿最短的路線傳遞，從而在最短路線附近力流密集，形成高應力區。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，若為了提高構件的剛度，應該盡可能按力流最短路線來設計零件的形狀，減少承載區域，從而累積變形越小，提高了整個構件的剛度，使材料得到充分利用。
如懸臂布置的小錐齒輪，錐齒輪應盡量靠近軸承以減小懸臂長度，提高軸的彎曲強度。圖5.4例舉幾個典型的例項。
(3) 減小應力集中結構
當力流方向急劇轉折時，力流在轉折處會過於密集，從而引起應力集中，設計中應在結構上採取措施，使力流轉向平緩。應力集中是影響零件疲勞強度的重要因素。結構設計時，應盡量避免或減小應力集中。
其方法在相應的章節會作介紹，如增大過度圓角、採用解除安裝結構等。如圖5.5。
(4) 使載荷平衡結構
在機器工作時，常產生一些無用的力，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採取結構措施部分或全部平衡無用力，以減輕或消除其不良的影響。這些結構措施主要採用平衡元件、對稱布置等。
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