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，確定并繪出具體的結構圖，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系等問題。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制圖，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。

二 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）于一體的設計過程，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%的時間用于結構設計，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并不是唯一的。（3）機械結構設計階段是一個很活躍的設計環節，常常需反復交叉的進行。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

三 機械結構件的結構要素和設計方法

3.1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系實現的。零部件的幾何形狀由它的表面所構成，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參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。

3.2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征外，還必須研究零件之間的相互關系。

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系的，成為直接相關。沒有直接裝配關系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，其結構就愈復雜；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。

3.3 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，并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性能、加工性能、使用成本等信息。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于抗拉強度，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于最大拉應力，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。塑料材料由于剛度差，成型后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并均勻對稱。

對于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。

四 機械結構設計的基本要求

機械產品應用于各行各業，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，提高產品的質量和性能價格比，它是現代工程設計的特征。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，提高質量應始于設計。

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。

結構設計中得到一個可行的結構方案一般并不很難。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局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。

五 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，制造成最終的產品。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。由于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

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接關系，確定參數尺寸和結構形狀。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，即將一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、協調的聯系，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，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。

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1。

圖1

（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。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例舉幾個典型的實例。

（3） 減小應力集中結構

當力流方向急劇轉折時，力流在轉折處會過于密集，從而引起應力集中，設計中應在結構上采取措施，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、采用卸載結構等。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采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。這些結構措施主要采用平衡元件、對稱布置等。

例如，同一軸上的兩個斜齒圓柱齒輪所產生的軸向力，可通過合理選擇輪齒的旋向及螺旋角的大小使軸向力相互抵消，使軸承負載減小。如圖5.6。

3.滿足結構剛度的設計準則

為保證零件在使用期限內正常地實現其功能，必須使其具有足夠的剛度。

4.考慮加工工藝的設計準則

機械零部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。但是，結構設計的結果對產品零部件的生產成本及質量有著不可低估的影響。因此，在結構設計中應力求使產品有良好的加工工藝性

所謂好的加工工藝指的是零部件的結構易于加工制造，任何一種加工方法都有可能不能制造某些結構的零部件，或生產成本很高，或質量受到影響。因此，對于設計者認識一種加工方法的特點非常重要，以便在設計結構時盡可能的揚長避短。實際中，零部件結構工藝性受到諸多因素的制約，如生產批量的大小會影響坯件的生成方法；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、成本等方面都有可能對零部件結構的工藝性有制約作用。因此，結構設計中應充分考慮上述因素對工藝性的影響。

5.考慮裝配的設計準則

裝配是產品制造過程中的重要工序，零部件的結構對裝配的質量、成本有直接的影響。有關裝配的結構設計準則簡述如下

（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和維修。

（2）使零部件得到正確安裝

保證零件準確的定位。圖5.7所示的兩法蘭盤用普通螺栓連接。圖（a）所示的結構無徑向定位基準，裝配時不能保證兩孔的同軸度；圖（b）以相配的圓柱面作為定位基準，結構合理。

-避免雙重配合。圖5.8（a）中的零件A有兩個端面與零件B配合，由于制造誤差，不能保證零件A的正確位置。圖5.8（b）結構合理。

-防止裝配錯誤。圖5.9所示軸承座用兩個銷釘定位。圖（a）中兩銷釘反向布置，到螺栓的距離相等，裝配時很可能將支座旋轉180°安裝，導致座孔中心線與軸的中心線位置偏差增大。因此，應將兩定位銷布置在同一側，或使兩定位銷到螺栓的距離不等

圖2

（2） 使零部件便于裝配和拆卸

結構設計中，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。

6.考慮維護修理的設計準則

1）產品的配置應根據其故障率的高低、維修的難易、尺寸和質量的大小以及安裝特點等統籌安排，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常維修的部位及應急開關，應提供最佳的可達性。

2）產品特別是易損件、常拆件和附加設備的拆裝要簡便，拆裝時零部件進出的路線最好是直線或平緩的曲線。

3）產品的檢查點、測試點等系統的維護點，都應布置在便于接近的位置上。

4）需要維修和拆裝的產品，其周圍要有足夠的操作空間。

5）維修時一般應能看見內部的操作，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。

7.考慮造型設計的準則

產品的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。從心理學角度看，人60%的決定取決于第一印象。技術產品的社會屬性是商品，在買方市場的時代，為產品設計一個能吸引顧客的外觀是一個重要的設計要求；同時造型美觀的產品可使操作者減少因精力疲憊而產生的誤操作。

外觀設計包括三個方面：造型、顏色和表面處理。

考慮造型時，應注意下述三個問題：

（1）尺寸比例協調

在結構設計時，應注意保持外形輪廓各部分尺寸之間均勻協調的比例關系，應有意識地應用"黃金分割法"來確定尺寸，使產品造型更具美感。

（2）形狀簡單統一

機械產品的外形通常由各種基本的幾何形體（長方體、圓柱體、錐體等）組合而成。結構設計時，應使這些形狀配合適當，基本形狀應在視覺上平衡，接近對稱又不完全對稱的外形易產生傾倒的感覺；盡量減少形狀和位置的變化，避免過分凌亂；改善加工工藝

（3）色彩、圖案的支持和點綴

在機械產品表面涂漆，除具有防止腐蝕的功能外，還可增強視覺效果。恰當的色彩可使操作者眼睛的疲勞程度降低，并能提高對設備顯示信息的辨別能力。

單色只使用于小構件。大的特別是運動構件如果只用一種顏色就會顯得單調無層次，一個小小的附加色塊會使整個色調活躍起來。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。但在一個產品上，不同色調的數量不宜太多，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；強烈的灰色調顯得壓抑。對于冷環境應用暖色，如黃、橙黃和紅。對于熱環境用冷色，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品顯得安全、穩固。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。

8.考慮成本的設計準則

簡化產品及維修操作

（1）設計時，要對產品功能進行分析權衡，合并相同或相似功能，消除不必要的功能，以簡化產品和維修操作。

（2）設計時，應在滿足規定功能要求的條件下，使其構造簡單，盡可能減少產品層次和組成單元的數量，并簡化零件的形狀。

（3） 產品應盡量設計簡便而可靠的調整機構，以便于排除因磨損或飄移等原因引起的常見故障。對易發生局部耗損的貴重件，應設計成可調整或可拆卸的組合件，以便于局部更換或修復。避免或減少互相牽連的反復調校。

（4）要合理安排各組成部分的位置，減少連接件、固定件、使其檢測、換件等維修操作簡單方便，盡可能做到在維修任一部分時，不拆卸、不移動或少拆卸、少移動其他部分，以降低對維修人員技能水平的要求和工作量。

提高標準化、互換性程度

（1）優先選用標準化的產品

設計時應優先選用標準化的設備、元器件、零部件和工具等產品，并盡量減少其品種、規格。

（2）提高互換性和通用化程度

①在不同的裝備中最大限度地采用通用的組件、元器件、零部件，并盡量減少其品種。元器件、零部件及其附件、工具應盡量選用滿足或稍加改動即可滿足使用要求的通用品。

②設計時，必須使故障率高、容易損壞、關鍵性的零部件或單元具有良好的互換性和通用性。

③能安裝互換的產品，必須能功能互換。能功能互換的產品，也應實現安裝互換，必要時可另采用連接裝置來達到安裝互換。

④采用不同工廠生產的相同型號成品件必須能安裝互換和功能互換。

⑤功能相同且對稱安裝的部、組、零件，應設計成可互換的。

⑥修改零部件或單元的設計時，不要任意更改安裝的結構要素，破環互換性。

⑦產品需作某些更改或改進時，要盡量做到新老產品之間能夠互換使用。

采用模塊化設計

a）產品應按其功能設計成若干個具有互換性的模塊（或模件），其數量根據實際需要而定。需要在現場更換的部件更應模塊（件）化。

b）模塊（件）從產品上卸下來以后，應便于單獨進行測試、調整。在更換模塊（件）后，一般應不需要進行調整；若必須調整時，應簡便易行。

c）模塊（件）的尺寸與質量應便于拆裝、攜帶或搬運。質量超過 4kg 不便握持的模塊（件）應設有人力搬運的把手。必須用機械提升的模件，應設有相應的吊孔或吊環。

具有完善的防差錯措施及識別標志

機械結構設計的工作步驟

不同類型的機械結構設計中各種具體情況的差別很大，沒有必要以某種步驟按部就班的進行。通常是確定完成既定功能零部件的形狀、尺寸和布局。結構設計過程是綜合分析、繪圖、計算三者相結合的過程，其過程大致如下：

1. 理清主次、統籌兼顧：明確待設計結構件的主要任務和限制，將實現其目的的功能分解成幾個功能。然后從實現機器主要功能（指機器中對實現能量或物料轉換起關鍵作用的基本功能）的零部件入手，通常先從實現功能的結構表面開始，考慮與其他相關零件的相互位置、聯結關系，逐漸同其它表面一起連接成一個零件，再將這個零件與其它零件聯結成部件，最終組合成實現主要功能的機器。而后，再確定次要的、補充或支持主要部件的部件，如：密封、潤滑及維護保養等。

2. 繪制草圖：在分析確定結構的同時，粗略估算結構件的主要尺寸并按一定的比例，通過繪制草圖，初定零部件的結構。圖中應表示出零部件的基本形狀，主要尺寸，運動構件的極限位置，空間限制，安裝尺寸等。同時結構設計中要充分注意標準件、常用件和通用件的應用，以減少設計與制造的工作量。

3. 對初定的結構進行綜合分析，確定最后的結構方案：綜合過程是指找出實現功能目的各種可供選擇的結構的所有工作。分析過程則是評價、比較并最終確定結構的工作。可通過改變工作面的大小、方位、數量及構件材料、表面特性、連接方式，系統地產生新方案。另外，綜合分析的思維特點更多的是以直覺方式進行的，即不是以系統的方式進行的。人的感覺和直覺不是無道理的，多年在生活、生產中積累的經驗不自覺地產生了各種各樣的判斷能力，這種感覺和直覺在設計中起著較大的作用。

4. 結構設計的計算與改進：對承載零部件的結構進行載荷分析，必要時計算其承載強度、剛度、耐磨性等內容。并通過完善結構使結構更加合理地承受載荷、提高承載能力及工作精度。同時考慮零部件裝拆、材料、加工工藝的要求，對結構進行改進。在實際的結構設計中，設計者應對設計內容進行想象和模擬，頭腦中要從各種角度考慮問題，想象可能發生的問題，這種假象的深度和廣度對結構設計的質量起著十分重要的作用。

5. 結構設計的完善：按技術、經濟和社會指標不斷完善，尋找所選方案中的缺陷和薄弱環節，對照各種要求和限制，反復改進。考慮零部件的通用化、標準化，減少零部件的品種，降低生產成本。在結構草圖中注出標準件和外購件。重視安全與勞保（即勞動條件：操作、觀察、調整是否方便省力、發生故障時是否易于排查、噪音等），對結構進行完善。

6. 形狀的平衡與美觀：要考慮直觀上看物體是否勻稱、美觀。外觀不均勻時造成材料或機構的浪費。出現慣性力時會失去平衡，很小的外部干擾力作用就可能失穩，抗應力集中和疲勞的性能也弱。

總之，機械結構設計的過程是從內到外、從重要到次要、從局部到總體、從粗略到精細，權衡利弊，反復檢查，逐步改進。