機械結構設計的任務是在總體設計構思的基礎上，根據設計任務確定的原則方案繪製具體的結構圖，以實現設計要求的功能。設計過程是將抽象的工作原理具體化為某一類型的部件或零件，包括確定結構零件的材料、形狀、尺寸、公差、熱處理方法和表面處理，並考慮其加工工藝、強度、剛度、精度以及與其他零件的關係。因此，結構設計的直接產品是技術圖紙，但工作不是簡單的機械圖紙。圖紙只是表達設計方案的工程語言。運用各種機構設計技術將設計思想具體化是結構設計的基本內容。
1機械結構件的結構要素和設計方法
1.1結構零件的幾何特徵
機械結構的功能主要是通過機械零件的幾何形狀和各零件之間的相對位置關係來實現的。零件的幾何形狀由它的表面組成。一個零件通常有多個表面，其中一些表面與其他零件的表面直接接觸，這部分表面稱為功能表面。功能表面之間的連接稱為連接表面。
零件的功能面是決定機械功能的重要因素，功能面設計是零件結構設計的核心。描述功能曲面的主要幾何參數包括曲面的幾何形狀、尺寸、數量、位置和順序。通過不同的功能面設計，可以得到不同的結構方案，實現相同的技術功能。
1.2結構構件之間的關係
在一臺機器或機器中，沒有任何部分是孤立存在的。因此，在結構設計中，除了研究零件本身的功能和相關特性外，還必須研究零件之間的關係。
各部分之間的關係可分為直接相關和間接相關。如果兩個零件有直接的裝配關係，它們就會直接相關。沒有直接的裝配關係，而是間接相關。間接相關可以分為位置相關和運動相關。位置相關是指對兩部分的相互位置有要求。例如，減速器中兩個相鄰傳動軸之間的中心距離必須保證一定的精度，兩個軸必須平行，以保證齒輪的正常嚙合。運動相關是指一個零件的運動軌跡與另一個零件相關。例如，車床刀架的運動軌跡必須平行於主軸的中心線，這是由床身導軌和主軸軸線之間的平行度來保證的，因此主軸和導軌是位置相關的，而刀架和主軸是運動相關的。
大多數零件都有兩個或多個直接相關的零件，因此每個零件都有兩個或多個結構上與其他零件相關的零件。在結構設計中，必須同時考慮兩個零件中直接相關零件的結構，以便合理選擇材料的熱處理方法、形狀、尺寸、精度和表面。同時，我們還必須考慮滿足間接相關條件，如尺寸鏈和精度計算。一般來說，如果有更多的零件與一個零件直接相關，它的結構就會更複雜。零件的間接相關零件越多，精度要求越高。1.3結構設計中結構構件的材料
零件設計中可以選擇許多材料，不同的材料具有不同的性能，不同的材料對應不同的加工工藝。在設計中，要根據功能要求選擇合適的材料，根據材料類型確定合適的加工工藝，根據加工工藝要求確定合適的結構。只有通過適當的結構設計，選定的材料才能充分發揮其優勢。
設計人員必須充分了解相關材料的力學性能、加工性能、使用成本等信息，才能正確選擇零件的材料。根據所選材料的特性及其相應的加工工藝，結構設計應遵循不同的設計原則。
2機械結構設計的基本要求
機械產品廣泛應用於各行各業，結構設計的具體內容和要求也千差萬別，但結構設計的基本要求卻是普遍的。以下三個不同層次的機械結構設計來說明結構設計的要求。
2.1功能設計
滿足主要機械功能的要求，並在技術上得到體現。如工作原理、工作可靠性、工藝、材料和裝配的實現。
2.2質量設計
兼顧各種要求和限制，提高產品的質量和性價比，是現代工程設計的特點。具體因素有可操作性、美觀性、安全性、成本、環保等。在現代設計中，質量設計非常重要，往往決定著產品的競爭力。只注重滿足主要技術功能要求的設計理念已經成為過去。現代機械設計的核心是在滿足主要功能的前提下，兼顧各種需求，合理平衡和選擇其他需求，提高產品質量。
2.3優化設計和創新設計
優化設計空間由結構設計變量系統構建，並通過創造性設計思維方法和其他科學方法進行優化和創新。
3機械結構的基本設計標準
機械設計的最終結果是在圖紙中表達確定的結構形式，根據設計圖紙進行加工和裝配，並製造最終產品。因此，機械結構的設計應滿足產品的各種要求，包括功能性、可靠性、可製造性、經濟性和外觀。此外，還應提高零件的應力，提高強度、剛度、精度和使用壽命。因此，機械結構設計是一項綜合性的技術工作。不合理或錯誤的結構設計可能導致零件不必要的失效，使機器達不到設計精度要求，給裝配和維護帶來極大的不便。機械結構設計過程中應考慮以下結構設計標準。
3.1實現預期功能的設計標準
產品設計的主要目的是達到預定的功能要求，因此達到預期功能的設計準則是結構設計中的首要考慮因素。為了滿足功能需求，我們必須做到以下幾點。(1)明確功能：的結構設計是根據其在機器中的功能和與其他零件的連接關係來確定參數尺寸和結構形狀。部件的主要功能是承受載荷、傳遞運動和動力，並確保或保持相關零件或部件之間的相對位置或運動軌跡。設計的結構應滿足機器整體的功能要求。
(2)功能分配：在產品設計中，根據具體情況，通常需要合理分配任務，即將一個功能分解成多個子功能。每個子功能都要有明確的結構承諾，結構的各個部分都要有合理協調的關係，從而實現總功能。多結構零件可以承載相同的功能，可以減輕零件的負擔，延長使用壽命。例如，橫截面為V形的結構就是合理分配任務的一個例子。纖維繩用於承受拉力；橡膠填充層承受皮帶彎曲時的張力和壓力；布覆蓋層與滑輪槽一起產生傳動所需的摩擦力。例如，如果橫向載荷僅由螺栓預緊產生的摩擦力來承受，則螺栓的尺寸將會過大，並且可以添加諸如銷、套筒和鍵的剪切元件來分擔橫向載荷以解決該問題。
(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，一個零件或部件可以承擔多種功能。功能集中會使零件的形狀更加複雜，所以應該適度，否則會增加加工難度，增加加工成本，設計應根據具體情況確定。
3.2滿足強度要求的設計標準
(1)等強度準則：零件截面尺寸的變化應適應內應力的變化，使各截面的強度相等。根據等強度原則設計的結構可以充分利用材料，從而減輕重量和降低成本。如懸臂支架和階梯軸的設計。
(2)合理的力流結構：為了直觀地表達力在機械部件中的傳遞狀態，力被視為部件中的水流，這些力線匯聚成力流。這表明這種力的流動在結構設計研究中起著重要的作用。力的流動不會在組件中中斷，任何力線不會突然消失，而是必須從一個地方進入，從另一個地方出來。力流的另一個特徵是它傾向於沿最短路徑傳遞，因此在最短路徑附近力流密集，形成高應力區。在其他部分，力流是稀疏的，甚至沒有力流通過。從應力的角度來看，材料沒有得到充分利用。因此，為了提高構件的剛度，零件的形狀儘可能按照力流動的最短路線來設計，並且減小了承載面積，使得累積變形較小，提高了整個構件的剛度，充分利用了材料。
(3)降低應力集中的結構：當力流方向急轉彎時，力流在轉彎處會過於密集，造成應力集中。在設計中，應採取結構措施使力流平穩轉向。應力集中是影響零件疲勞強度的一個重要因素。在結構設計中，應儘量避免或減少應力集中，如增加過多的圓角和採用卸荷結構。(4)負載平衡結構：機器工作時，經常會產生一些無用的力，如慣性力和斜齒輪的軸向力，這不僅增加了軸和軸套的負載，而且降低了其精度和使用壽命，同時降低了機器的傳動效率。所謂載荷平衡是指採取結構措施，在沒有外力的情況下部分或完全平衡，從而減少或消除其不利影響。這些結構措施主要採用平衡元件和對稱布置等。
3.3滿足結構剛度的設計標準
為了確保零件在使用壽命內正常實現其功能，它們必須具有足夠的剛度。
3.4考慮加工技術的設計標準
機械零件結構設計的主要目的是保證功能的實現，使產品達到要求的性能。然而，結構設計的合理性直接影響零件的生產成本和質量。因此，在結構設計中，應力求零件和機構具有良好的加工工藝性。所謂好的加工工藝是指零件的結構容易加工製造，任何加工方法都有其局限性，或者生產成本高，或者質量受到影響。因此，對於設計者來說，了解各種加工方法的特點，從而在設計結構時揚長避短是非常重要的。在實際生產中，零件結構的可製造性受到許多因素的制約，如生產批量的大小會影響毛坯的生成方法；生產設備的條件可能會限制工件的尺寸；此外，造型、精度、熱處理、成本等方面可能會限制零部件的可製造性。因此，在結構設計中應充分考慮上述因素對可製造性的影響。
3.5考慮裝配的設計標準
裝配是產品製造中的一個重要過程，零件的結構直接影響裝配的質量和成本。組裝的結構設計標準簡述如下：
(1)裝配單元的合理劃分：整機應能分解成幾個可獨立裝配的單元(零件或組件)，以實現並行化和專業化的裝配作業，縮短裝配周期，便於逐步進行技術檢查和維護。
(2)零件的正確安裝：確保零件的準確定位，避免雙重配合，防止裝配誤差。
(3)使零件易於裝配和拆卸：在結構設計中，應保證足夠的裝配空間，如扳手空間；避免過長的配合，以免增加裝配難度和擦傷配合面，如一些階梯軸的設計；為了便於拆卸零件，應給出拆卸工具的位置，如軸承拆卸。
3.6考慮維護和修理的設計標準
(1)產品的配置應根據故障率、維護難度、尺寸和質量、安裝特點等進行安排。所有需要維護的零件和部件應具有良好的可接近性；對於故障率高且需要頻繁維護和緊急開關的零件，應提供最佳的可接近性。(2)產品的拆裝，特別是易損件、經常拆卸的零件和附加設備的拆裝應簡單，拆裝時零件進出的路線應是直線或平緩的曲線。
(3)產品檢驗點和測試點等系統維護點應布置在可接近的位置。
(4)對於需要維護和拆卸的產品，周圍應有足夠的操作空間。
(5)維修時，內部操作一般應清晰可見，通道不僅要容納維修人員的手或臂，還要有適當的觀察間隙。
3.7考慮設計標準
產品的設計不僅要滿足使用要求，還要考慮產品造型的審美價值，使其對人有吸引力。簡單地說，它使用方便，美觀。從心理學的角度來看，60%的人的決定取決於第一印象。技術產品的社會屬性是商品。在買方市場時代，設計一個能吸引顧客的外觀是一個重要的設計要求。同時，美觀的產品可以減少因能源耗盡而導致的誤操作。
外觀設計包括三個方面：造型、色彩和表面處理。
在考慮造型時，應該注意尺寸和比例的協調，簡單統一的造型，以及色彩和圖案的支持和點綴。
單色僅用於小型組件。大型移動組件，特別是如果它們只使用一種顏色，將顯得單調和分層，一個小的附加色塊將使整個色調活躍。當多種顏色共存時，應該有一種主要的背景色，與背景色相對應的顏色稱為對比色。但是在一個產品中，不同顏色的數量不應該太多，太多的顏色會給人一種浮華的感覺。
舒適的顏色分布在從淺黃色、綠黃色到棕色的區域。這種趨勢變得越來越熱，變成黃色和綠色通常讓人不舒服；強烈的灰色調顯得壓抑。在寒冷的環境中使用暖色，如黃色、橙色和紅色。在炎熱的環境中使用冷色，如淺藍色。所有的顏色都應該稀釋。另外，通過一定的顏色配置，產品可以顯得安全穩定。形狀變化小、面積大的平面配置淺色，活動輪廓的部件配置深色；深色應該放在機器的下部，淺色應該放在機器的上部。
3.8考慮成本的設計標準
設計過程中應簡化產品和維護操作：
(1)在設計中，應對產品功能進行分析和權衡，並對相同或相似的功能進行組合，以消除不必要的功能，從而簡化產品和維護操作。
(2)在設計中，結構應簡單，產品層次和部件數量應儘可能減少，零件形狀應在滿足規定功能要求的前提下簡化。
(3)產品應儘可能設計簡單可靠的調節機構，以消除磨損或漂移引起的常見故障。易受局部磨損的貴重零件應設計成可調節或可拆卸的組件，用於局部更換或維修。避免或減少相互之間的重複調整。(4)合理安排各部件的位置，減少連接器和夾具的數量，使檢測和更換等維護操作簡便易行。在儘可能多地修理任何零件時，不要拆卸、不要移動或拆卸或少移動其他零件，以降低維修人員技能水平的要求和工作量。
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