1、第十二章第十二章 機械結構設計的方法機械結構設計的方法和準則和準則12-1 12-1 結構設計的工作步驟和要求結構設計的工作步驟和要求12-2 12-2 結構設計的基本原則和方法結構設計的基本原則和方法12-3 12-3 結構設計的準則結構設計的準則結構設計的重要性：結構設計的重要性：1、方案設計的具體化，根據結構設計進行零部件的加工、方案設計的具體化，根據結構設計進行零部件的加工、裝配，已滿足產品的功能要求；裝配，已滿足產品的功能要求；2、與材料選擇、尺寸確定、加工和裝配工藝等因素密切相、與材料選擇、尺寸確定、加工和裝配工藝等因素密切相關，結構設計的合理與否將直接影響產品的成本；關，結構設計

2、的合理與否將直接影響產品的成本；3、結構設計是進行科學計算的基礎；、結構設計是進行科學計算的基礎；4、合理的結構設計是提高設計質量的重要手段。、合理的結構設計是提高設計質量的重要手段。 結構設計實際上就是確定產品、零部件的形狀、尺寸及相互結構設計實際上就是確定產品、零部件的形狀、尺寸及相互配置關系，是原理方案的具體化。配置關系，是原理方案的具體化。 結構設計是一個從抽象到具體、從粗略到精確的工作過程。結構設計是一個從抽象到具體、從粗略到精確的工作過程。12-1 12-1 結構設計的工作步驟和要求結構設計的工作步驟和要求 根據既定的原理方案，確定總體空間布局、選擇材料和加工根據既定的原理方案，確

3、定總體空間布局、選擇材料和加工方法，確定主要尺寸、檢查空間相容性等，由主到次的逐步進行方法，確定主要尺寸、檢查空間相容性等，由主到次的逐步進行結構的細化，直至完成總體方案圖。結構的細化，直至完成總體方案圖。 結構設計和零部件的參數設計密切相關，參數設計的結果是結構設計和零部件的參數設計密切相關，參數設計的結果是結構設計的重要依據，而結構設計的變化有時會引起參數值的變結構設計的重要依據，而結構設計的變化有時會引起參數值的變化。化。 結構設計和參數設計需交叉進行、反復修改。結構設計和參數設計需交叉進行、反復修改。結構設計的一般步驟結構設計的一般步驟（1）決定結構的要求，主要包括以下幾個方面。）決定

4、結構的要求，主要包括以下幾個方面。（a）與尺寸有關的要求，如傳遞功率、流量、聯接尺寸、工作）與尺寸有關的要求，如傳遞功率、流量、聯接尺寸、工作高度等；高度等；（b）與結構布置有關的要求，如物料的流動方向、運動方向和）與結構布置有關的要求，如物料的流動方向、運動方向和位置、零部件的運動分配等；位置、零部件的運動分配等；（c）與確定材料有關的要求，如耐磨性、疲勞壽命、抗腐蝕能）與確定材料有關的要求，如耐磨性、疲勞壽命、抗腐蝕能力等。力等。 結構的空間邊界條件主要包括軸間距、軸的方向、零部件結構的空間邊界條件主要包括軸間距、軸的方向、零部件裝入時的限制范圍、最大外形尺寸等。裝入時的限制范圍、最大外形

5、尺寸等。（2）主功能，指實現能量轉換或物料轉換時起關鍵作用的功能，）主功能，指實現能量轉換或物料轉換時起關鍵作用的功能，而主功能載體就是實現主功能的構件。而主功能載體就是實現主功能的構件。（a）結構設計時，首先對主功能載體進行粗略構形，初步確定）結構設計時，首先對主功能載體進行粗略構形，初步確定主功能載體及主要工作面的形狀、尺寸；主功能載體及主要工作面的形狀、尺寸；（b）然后，按比例初步繪制結構設計草圖，表示出主功能載體）然后，按比例初步繪制結構設計草圖，表示出主功能載體的基本形狀、主要尺寸、運動的極限位置、空間限制、聯接尺的基本形狀、主要尺寸、運動的極限位置、空間限制、聯接尺寸等；寸等；（c

6、）次要的結構此時可用簡化的方式表達出來。）次要的結構此時可用簡化的方式表達出來。 結構方案通常不是唯一的，此時應對主功能載體的結構草結構方案通常不是唯一的，此時應對主功能載體的結構草案進行分析判斷，從功能要求出發，選取較優方案，以便做進案進行分析判斷，從功能要求出發，選取較優方案，以便做進一步的修改。一步的修改。（3）輔助功能載體，指完成輔助功能的那些構件，如軸的支承、）輔助功能載體，指完成輔助功能的那些構件，如軸的支承、工件的夾緊裝置、軸外伸端處的密封、潤滑裝置等。工件的夾緊裝置、軸外伸端處的密封、潤滑裝置等。 為了保證主功能載體能順利工作，應確定哪些輔功能是必需為了保證主功能載體能順利工作

7、，應確定哪些輔功能是必需的，并盡可能利用已有的結構形式。的，并盡可能利用已有的結構形式。（4）輔助功能載體初步設計好后，應對主功能載體進行精確的詳）輔助功能載體初步設計好后，應對主功能載體進行精確的詳細設計。細設計。 詳細設計時，應遵循結構設計基本準則，并依據國家和行業詳細設計時，應遵循結構設計基本準則，并依據國家和行業標準、規范及較精確的計算結果，同時考慮輔功能的影響，逐步標準、規范及較精確的計算結果，同時考慮輔功能的影響，逐步完成主功能載體的細節設計。完成主功能載體的細節設計。 對輔功能載體也要進行詳細的結構設計，補充標準件和外構對輔功能載體也要進行詳細的結構設計，補充標準件和外構件。件。

8、（5）進行技術經濟綜合評價，從多個結構設計草案中挑出滿足功）進行技術經濟綜合評價，從多個結構設計草案中挑出滿足功能要求、性能優良、結構簡單、成本低的較優方案。能要求、性能優良、結構簡單、成本低的較優方案。（6）對選出的結構方案進行完善并檢查錯誤，消除綜合評價時已）對選出的結構方案進行完善并檢查錯誤，消除綜合評價時已發現的弱點，并可采納已放棄方案中的可用結構，對關鍵問題通發現的弱點，并可采納已放棄方案中的可用結構，對關鍵問題通過優化的方法來進一步完善。過優化的方法來進一步完善。 檢查結構方案在功能、空間相容性等方面是否存在缺陷或干檢查結構方案在功能、空間相容性等方面是否存在缺陷或干擾因素，必要時

9、對結構加以改進。擾因素，必要時對結構加以改進。 注意零件的結構工藝性。注意零件的結構工藝性。（7）完成總體的結構設計方案圖的繪制，清楚表達產品的結構形）完成總體的結構設計方案圖的繪制，清楚表達產品的結構形狀、尺寸、位置關系、材料等，對重要的細節應進行充分的描述狀、尺寸、位置關系、材料等，對重要的細節應進行充分的描述，以保證設計意圖能得到正確的體現。，以保證設計意圖能得到正確的體現。一、基本原則一、基本原則1. 明確明確明確、簡單、安全是結構設計的基本原則。明確、簡單、安全是結構設計的基本原則。12-2 12-2 結構設計的基本原則和方法結構設計的基本原則和方法功能明確功能明確：首要問題是保證準

10、確實現功能要求。：首要問題是保證準確實現功能要求。 必須使各部分功能之間的聯系清楚、明確，產品零部件之必須使各部分功能之間的聯系清楚、明確，產品零部件之間應聯接合理，每一功能都必須有明確的結構來實現。間應聯接合理，每一功能都必須有明確的結構來實現。 作用原理明確作用原理明確：實現各功能的作用原理應該明確的，盡量：實現各功能的作用原理應該明確的，盡量減少靜不定問題，使能力流（力流）、物料流和信號流有明確減少靜不定問題，使能力流（力流）、物料流和信號流有明確的走向。的走向。 此外，還要考慮各種可能出現的物理效應（如熱膨脹、受此外，還要考慮各種可能出現的物理效應（如熱膨脹、受力變形）以及尺寸誤差和形

11、狀誤差等引起的不良影響，以免發力變形）以及尺寸誤差和形狀誤差等引起的不良影響，以免發生干涉、過載、急劇磨損等現象。生干涉、過載、急劇磨損等現象。 工況及載荷狀況明確工況及載荷狀況明確：進行參數計算和選擇材料時，應確：進行參數計算和選擇材料時，應確切掌握工況條件及載荷的狀態，如大小、類型、作用時間等。切掌握工況條件及載荷的狀態，如大小、類型、作用時間等。 結構設計時，應結構設計時，應保證作用結構的受力保證作用結構的受力狀態或應力狀態是可狀態或應力狀態是可明確描述的，能夠用明確描述的，能夠用相應的方法進行理論相應的方法進行理論計算。計算。 結構設計應盡結構設計應盡量避免出現不明確量避免出現不明確的

12、應力狀態（或受的應力狀態（或受力狀態）。力狀態）。2. 簡單簡單 包含包含三方面三方面的要求：的要求： 零件數目盡量少；零件數目盡量少； 零部件間的聯接關系簡便；零部件間的聯接關系簡便； 零件形狀盡可能簡單。零件形狀盡可能簡單。 零件少，制造成本低，工作精度、可靠性高。零件少，制造成本低，工作精度、可靠性高。 聯接關系簡便，簡化裝配工藝，便于維護。聯接關系簡便，簡化裝配工藝，便于維護。 為便于零件的加工，應優先采用簡單的幾何形狀。為便于零件的加工，應優先采用簡單的幾何形狀。2. 安全安全 在結構設計時保證產品及其零部件在預期的工作期限內正在結構設計時保證產品及其零部件在預期的工作期限內正常工作

13、，不會對人和環境產生危害。常工作，不會對人和環境產生危害。 “安全安全”要求可以通過直接的、間接的、提示性的三種途要求可以通過直接的、間接的、提示性的三種途徑來實現。徑來實現。1）直接安全技術）直接安全技術 在結構設計時充分滿足安全可靠的要求，通過所設計的系在結構設計時充分滿足安全可靠的要求，通過所設計的系統或構件本身獲得安全性。統或構件本身獲得安全性。（1）結構可靠性：通過結構形狀來保證工作的可靠性。）結構可靠性：通過結構形狀來保證工作的可靠性。（2）零件可靠性：設計中保證零件具有足夠的強度、剛度和）零件可靠性：設計中保證零件具有足夠的強度、剛度和耐磨性及穩定性，在規定的時間內不發生失效。耐

14、磨性及穩定性，在規定的時間內不發生失效。（3）限效失效原理：在使用期限內，即使發生局部元件失效）限效失效原理：在使用期限內，即使發生局部元件失效，但仍保持有限的功能，避免出現危險狀態。，但仍保持有限的功能，避免出現危險狀態。如彈性圓柱銷聯軸器。如彈性圓柱銷聯軸器。（4）冗余配置原理：是一種提高安全性、可靠性的有效手段）冗余配置原理：是一種提高安全性、可靠性的有效手段。對于關鍵設備可采用備用系統，當與之串連的其他系統發。對于關鍵設備可采用備用系統，當與之串連的其他系統發生故障時，備用系統可全部或部分地承擔其功能，從而提高生故障時，備用系統可全部或部分地承擔其功能，從而提高系統的安全性。系統的安全

15、性。2）間接安全技術）間接安全技術 通過保護系統和保護裝置來提高系統的安全性。通過保護系統和保護裝置來提高系統的安全性。3）提示性安全技術）提示性安全技術 在危險發生前發出警告，并可通過顯示裝置說明危險部在危險發生前發出警告，并可通過顯示裝置說明危險部位和危險原因。位和危險原因。 結構設計時應力求采用直接安全技術來滿足安全的要求，結構設計時應力求采用直接安全技術來滿足安全的要求，不得已才采用間接安全技術，更不要濫用提示性安全技術。不得已才采用間接安全技術，更不要濫用提示性安全技術。二、結構設計方法二、結構設計方法形態變換法：通過零件結構本身的形態，可派生出不同的結形態變換法：通過零件結構本身的

16、形態，可派生出不同的結構方案。構方案。可供變換的形態包括四個方面：可供變換的形態包括四個方面：形狀、位置、數量和尺寸形狀、位置、數量和尺寸。1）形狀變換）形狀變換 零件由若干個表面組合而成，從功能觀點看，承擔功能零件由若干個表面組合而成，從功能觀點看，承擔功能要求的表面稱為功能面。改變零件功能面的形狀可得到新的要求的表面稱為功能面。改變零件功能面的形狀可得到新的結構形式。結構形式。2）位置變換）位置變換 通過改變零件或零件之間功能面的相對位置來發展結構通過改變零件或零件之間功能面的相對位置來發展結構方案。方案。2）位置變換）位置變換3）數量變換）數量變換 通過改變零件數目或功能數目來改變結構。

17、通過改變零件數目或功能數目來改變結構。4）尺寸變換）尺寸變換 通過改變零件的尺寸或改變零部件之間的距離來變換結通過改變零件的尺寸或改變零部件之間的距離來變換結構的形態。構的形態。12-3 12-3 結構設計的準則結構設計的準則一、滿足功能要求的設計準則一、滿足功能要求的設計準則1. 任務合理分配任務合理分配 將任務進行合理的分配，即將一個功能分解成多個分功將任務進行合理的分配，即將一個功能分解成多個分功能，每一個分功能由一個功能載體承擔。能，每一個分功能由一個功能載體承擔。2. 功能集中功能集中 為簡化機械產品的結構，減少零件個數，降低加工成本為簡化機械產品的結構，減少零件個數，降低加工成本，

18、便于裝配，以及縮小產品體積等，在某些情況下，可將多，便于裝配，以及縮小產品體積等，在某些情況下，可將多項功能集中于一個功能載體，即由一個零件或部件承擔多個項功能集中于一個功能載體，即由一個零件或部件承擔多個功能。功能。 注意：功能集中的程度以不過分增加零件的復雜程度為注意：功能集中的程度以不過分增加零件的復雜程度為限。限。 通常采用整體結構，將功能不同，但運動情況一致、位通常采用整體結構，將功能不同，但運動情況一致、位置相近的零件組合在一起，結構上設計成一個整體。置相近的零件組合在一起，結構上設計成一個整體。二、考慮造型的設計準則二、考慮造型的設計準則 產品結構設計不僅要滿足功能要求，而且還應

19、考慮產品產品結構設計不僅要滿足功能要求，而且還應考慮產品造型的美學價值，使之對人產生吸引力。造型的美學價值，使之對人產生吸引力。1. 尺寸比例協調尺寸比例協調 保持外形輪保持外形輪廓各部分尺寸之廓各部分尺寸之間勻稱而協調的間勻稱而協調的比例關系。比例關系。2. 形狀統一形狀統一 機械的外形通常由各種基本的幾何形體組合而成。結構機械的外形通常由各種基本的幾何形體組合而成。結構設計時，應使這些形狀配合適當，盡量減少形狀和位置的變設計時，應使這些形狀配合適當，盡量減少形狀和位置的變形。形。3. 色彩、圖案的襯托色彩、圖案的襯托 在機械表面涂漆，除具有防止銹蝕的功能外，還可增強在機械表面涂漆，除具有防

20、止銹蝕的功能外，還可增強視覺效果。視覺效果。 恰當的色彩可以使操作者眼睛的疲勞程度降低，并提高恰當的色彩可以使操作者眼睛的疲勞程度降低，并提高對設備顯示信息的辨識能力。對設備顯示信息的辨識能力。（1）色彩布置應與形狀布置協調一致，突出功能面。）色彩布置應與形狀布置協調一致，突出功能面。（2）盡量采用少的色調，否則會產生零亂的感覺。）盡量采用少的色調，否則會產生零亂的感覺。（3）注意色彩的冷暖性。）注意色彩的冷暖性。 紅、黃為暖色，藍、綠為冷色。紅、黃為暖色，藍、綠為冷色。 在噪聲環境中，人眼對暖色的分辯能力下降，而對冷色在噪聲環境中，人眼對暖色的分辯能力下降，而對冷色的分辯能力上升。的分辯能力

21、上升。三、考慮加工工藝性的設計準則三、考慮加工工藝性的設計準則 結構設計的主要目的：保證功能的實現，使產品達到要結構設計的主要目的：保證功能的實現，使產品達到要求的性能。求的性能。 結構設計的結果對產品零部件的生產成本、工時及質量結構設計的結果對產品零部件的生產成本、工時及質量有著不可低估的影響。有著不可低估的影響。 在結構設計中采取必要的措施，力求使設計的零部件加在結構設計中采取必要的措施，力求使設計的零部件加工方便、材料損耗少、效率高、生產成本低，并能得到符合工方便、材料損耗少、效率高、生產成本低，并能得到符合要求的質量保證。要求的質量保證。 零部件結構工藝性受到諸多因素的制約：零部件結構

22、工藝性受到諸多因素的制約：（1）生產批量的大小可能會影響胚件的生成方法；）生產批量的大小可能會影響胚件的生成方法；（2）生產設備的條件可能會限制工件的尺寸；）生產設備的條件可能會限制工件的尺寸；（3）生產技術的發展也會引起結構工藝性的相應變化。）生產技術的發展也會引起結構工藝性的相應變化。1）鑄件的結構工藝性）鑄件的結構工藝性 合理地確定鑄件結構是改善鑄造工藝、提高質量、降低合理地確定鑄件結構是改善鑄造工藝、提高質量、降低成本的重要途徑。成本的重要途徑。 常用的鍛造方法有自由鍛和模鍛兩種。常用的鍛造方法有自由鍛和模鍛兩種。 對于自由鍛，鍛件形狀應盡量簡單、對稱、平直，避免對于自由鍛，鍛件形狀應

23、盡量簡單、對稱、平直，避免錐形和楔形表面，不應該有加強筋、工字形截面等復雜形狀錐形和楔形表面，不應該有加強筋、工字形截面等復雜形狀，凸臺應布置在鍛件的同一側，并盡量使零件截面尺寸的變，凸臺應布置在鍛件的同一側，并盡量使零件截面尺寸的變化少。化少。 對于模鍛零件，應正確選擇分模面，分模面應是水平面對于模鍛零件，應正確選擇分模面，分模面應是水平面。而且分模面的兩側鍛件的形狀應盡量對稱，形狀力求簡單。而且分模面的兩側鍛件的形狀應盡量對稱，形狀力求簡單，避免突出部分；同時應規定拔模斜度，截面變化處盡量采，避免突出部分；同時應規定拔模斜度，截面變化處盡量采用較大的過渡圓角。用較大的過渡圓角。2）鍛件的結

24、構工藝性）鍛件的結構工藝性 零件的機加工工藝涉及到諸多方面，如結構、毛坯選擇零件的機加工工藝涉及到諸多方面，如結構、毛坯選擇、精度及表面粗糙度選定、材料等。、精度及表面粗糙度選定、材料等。3）機加工零件的結構工藝性）機加工零件的結構工藝性3）機加工零件的結構工藝性）機加工零件的結構工藝性3）機加工零件的結構工藝性）機加工零件的結構工藝性 零部件結構對裝配的質量、成本有著直接影響。零部件結構對裝配的質量、成本有著直接影響。 整機應能分解為若干可單獨裝配的單元，以實現平行且整機應能分解為若干可單獨裝配的單元，以實現平行且專業化的裝配作業，縮短裝配周期，并且便于逐級技術檢驗專業化的裝配作業，縮短裝配

25、周期，并且便于逐級技術檢驗和維修。和維修。 保證保證零件的準零件的準確定位。確定位。1）合理劃分裝配單元）合理劃分裝配單元四、考慮裝配的設計準則四、考慮裝配的設計準則2）使零部件得到正確安裝）使零部件得到正確安裝 避免雙重配合。避免雙重配合。 防止錯誤裝配。防止錯誤裝配。 保證零件有足夠的裝配空間。保證零件有足夠的裝配空間。3）使零部件便于裝配和拆卸）使零部件便于裝配和拆卸 留出安放裝拆工具的位置。留出安放裝拆工具的位置。 避免過長的配合面。避免過長的配合面。 軸系部件裝配時，為了補償裝配尺寸鏈誤差，常設置調軸系部件裝配時，為了補償裝配尺寸鏈誤差，常設置調整補償環。整補償環。 零件截面尺寸的變

26、化應與其內應力的變化相適應，使各零件截面尺寸的變化應與其內應力的變化相適應，使各截面的強度相等，以便充分利用材料，減輕重量。截面的強度相等，以便充分利用材料，減輕重量。 零件在工作時，應具有足夠的強度。零件在工作時，應具有足夠的強度。五、滿足強度要求的設計準則五、滿足強度要求的設計準則1）等強度結構）等強度結構 力流傳遞路線越短，承載區域就越小，變形也越小，并力流傳遞路線越短，承載區域就越小，變形也越小，并可能使零件所受應力最小。可能使零件所受應力最小。 使力流傳遞路線最短。使力流傳遞路線最短。2）改善受力狀況）改善受力狀況 使載荷分擔。使載荷分擔。 使受力均勻。相對軸承非對稱布置齒輪遠離轉矩

27、輸入端。使受力均勻。相對軸承非對稱布置齒輪遠離轉矩輸入端。3）減小應力集中）減小應力集中 應力集中是影響零件疲勞強度的重要因素。應力集中是影響零件疲勞強度的重要因素。4）使載荷平衡）使載荷平衡 采取措施使傳遞動力過程中的附加力或力矩在其內部平采取措施使傳遞動力過程中的附加力或力矩在其內部平衡，不致增加其他零件的載荷。衡，不致增加其他零件的載荷。 機器工作機器工作后，由于零件后，由于零件間確定的排列間確定的排列方式而產生某方式而產生某種輔助作用，種輔助作用，使得總的作用使得總的作用加強。加強。 自助：通過合理的結構布置，使零件之間相互支持，達自助：通過合理的結構布置，使零件之間相互支持，達到加強

28、功能、自我保護的目的。到加強功能、自我保護的目的。六、自助的設計準則六、自助的設計準則1）自加強準則）自加強準則 摩擦離合器和牙嵌式離合器同樣具有自我保護性能。摩擦離合器和牙嵌式離合器同樣具有自我保護性能。 自保護通常由附加的傳力路線產生輔助作用，一般通過自保護通常由附加的傳力路線產生輔助作用，一般通過彈性變形來實現。彈性變形來實現。 通過合理的結構設計，使零件在過載時能夠實現自我保通過合理的結構設計，使零件在過載時能夠實現自我保護，避免重大事故發生。護，避免重大事故發生。2）自保護準則）自保護準則 回用可分為零部件回用和材料回用兩種。回用可分為零部件回用和材料回用兩種。 要求設計時合理地劃分

29、功能單元，零部件間采用適當的要求設計時合理地劃分功能單元，零部件間采用適當的聯接方式，結合部位盡量安置在產品外部，使可用零部件能聯接方式，結合部位盡量安置在產品外部，使可用零部件能簡單、快速的拆卸，并保證拆卸過程中不使零部件進一步損簡單、快速的拆卸，并保證拆卸過程中不使零部件進一步損壞。壞。 回收：將已報廢的產品中的可用部分取回，重新加以利回收：將已報廢的產品中的可用部分取回，重新加以利用。用。七、有利于回用的設計準則七、有利于回用的設計準則1）應使零部件拆卸簡單）應使零部件拆卸簡單2）應便于可用零部件的整修）應便于可用零部件的整修 保證由不同材料制成的零部件能通過簡單的方法迅速解保證由不同材料制成的零部件能通過簡單的方法迅速解體，使不同性質的材料分離。體，使不同性質的材料分離。 可用部分應能夠方便清洗，不致造成損壞。可用部分應能夠方便清洗，不致造成損壞。 檢驗容易，以便能夠判斷重復應用的可能性。檢驗容易，以便能夠判斷重復應用的可能性。 能夠通過添加材料、壓緊、測量和調整，使零部件修復。能夠通過添加材料、壓緊、測量和調整，使零部件修復。3）應使材料容易分離）應使材料容易分離八、其他準則八、其他準則1. 有利于標準化的設計準則有利于標準化的設計準則 通過對零部件的尺寸、結構要素、材料性能、檢驗方法通過對零部件的尺寸、結構要素、材料性能、檢驗方法、設計方法、制圖要求等指定出相應的