機械結構設計基本原則.docVIP

機械結構設計基本原則目 錄一、改善力學性能的結構設計原則. 2 （一）載荷分擔原則. 2 （二）均勻受載原則（載荷均布）. 3 （三）附加力自平衡原則（載荷平衡）. 4 （四）減小應力集中. 5 （五）提高接觸強度原則. 6 （六）提高剛度原則. 7 （七）變形協(xié)調(diào)原則. 8 （八）等強度原則. 9 （九）其它. 9 二、改善制造工藝性的結構設計原則. 10 （一）焊接件結構設計原則. 10 （二）鑄件結構設計原則. 12 （三）切削件結構設計原則. 15 （四）鍛件結構設計原則. 18 （五）薄板件結構設計原則. 20 （六）其它. 23 三、提高裝配質(zhì)量的結構設計原則. 23 （一）便于運送原則. 23 （二）便于方位識別原則. 24 （三）方便抓取原則. 24 （四）方便定位原則. 25 （五）簡化裝配操作原則. 25 （六）可裝配原則. 26 （七）各裝配面依次裝配原則. 27 （八）簡單聯(lián)接件原則. 27 （九）便于拆卸原則. 28 四、提高精度的結構設計原則. 28 （一）阿貝（Abbe）原則. 28 （二）誤差校正與補償. 29 （三）誤差均化. 30 （四）誤差配置. 31 （五）位置精確微調(diào). 32 五、宜人化結構設計原則. 33 （一）減小操作者疲勞的結構. 34 （二）易于發(fā)力的結構. 35 （三）減少操作者觀察錯誤的結構. 36 （四）減少操作者操作錯誤的結構. 37 （五）考慮人體的振動特性的結構及減少操作環(huán)境噪聲的結構0. 38 （六）減弱工作環(huán)境光線照度的結構. 39 （七）保證合適工作環(huán)境溫度的結構. 39 六、其它機械結構設計要求簡介. 40 （一）減輕腐蝕的結構. 40 （二）符合材料熱脹冷縮性質(zhì)的結構. 42 討論題. 43 機械結構設計基本原則機械工程師更好地適應現(xiàn)代機械設計的要素之一就是掌握豐富的工程知識。工程知識是連接基礎理論與實踐經(jīng)驗的橋梁，是現(xiàn)代工程師專業(yè)知識結構的本質(zhì)特征。掌握一定的工程知識是正確進行機械結構設計的前提，有些結構錯誤對一個缺乏工程知識的設計者來說是不易事先覺察的。（見圖）這一節(jié)從改善力學性能、制造工藝性、制造精度及裝配精度等方面來介紹一些機械結構設計的基本原則。這些基本原則體現(xiàn)了一些重要的機械結構設計工程知識，分類符合機械工程師的工作特點，簡捷明了，具體生動，操作性強，便于學習。一、改善力學性能的結構設計原則機械結構形式千差萬別，但其功能的實現(xiàn)幾乎都與力（力矩）的產(chǎn)生、轉換傳遞有關。機械零件具有足夠的承載能力是保障機械結構功能實現(xiàn)的先決條件。所以在機械結構設計中，根據(jù)力學理論對零件的強度、剛度和穩(wěn)定性進行分析是必不可少的，并在此基礎上，進行結構優(yōu)化設計。計算機輔助結構優(yōu)化設計已被廣泛應用于工程實際中。但它所依賴的力學模型與復雜的實際結構及工況有差距，力學模型的精度通常很難提高；對稍微復雜一些的實際結構仍然停留在零件尺寸的優(yōu)化上，而基本結構一般還得預先選定；只能針對一個具體的實例得到一個特定的數(shù)值解，并不能給予方向性指導。因此計算機輔助結構優(yōu)化設計不能代替工程知識的分析與總結，結合實例分析，掌握提高結構承載能力的結構設計原則，并為結構的創(chuàng)新設計提供可借鑒的思路。（一）載荷分擔原則如果同一零件上同時承擔了多種載荷的作用，則可考慮將這些載荷分別由不同的零件來承擔。采取一定的結構形式，將載荷分給兩個或多個零件來承擔，從而減輕單個零件的載荷，這種方法稱為載荷分擔。這樣有利于提高機械結構的承載能力。如圖5-10a所示，軸已經(jīng)承受了彎矩的作用，如果齒輪再經(jīng)過軸將轉矩傳遞給卷筒，則軸為轉軸，受力較大。如果將齒輪和卷筒改用螺栓直接聯(lián)接，則軸不受轉矩作用，軸為轉動心軸，結構較合理（見圖5-10b）。如圖5-11所示，靠摩擦傳遞橫向載荷的普通螺栓聯(lián)接常用銷、套筒、鍵等抗剪元件來承擔部分橫向載荷，提高螺紋聯(lián)接的可靠性。a)b) 圖5-10 轉軸改進為心軸a)較差結構 b)改進結構圖5-11 螺栓聯(lián)接中的抗剪元件如圖5-12所示，在選擇軸承類型時，在軸向載荷比徑向載荷大得多或要求軸向變形較小的情況下，可選用推力軸承和徑向接觸軸承的組合結構來分別承受軸向載荷和徑向載荷。如圖5-13所示的帶輪結構，傳動帶產(chǎn)生的軸壓力和傳動帶傳遞的轉矩分別通過不同的路徑傳遞。這樣，軸只承受轉矩，軸壓力則直接由箱體承擔了。 圖5-12 推力和徑向軸承組合結構圖5-13 帶輪結構（二）均勻受載原則（載荷均布）在確定工作載荷的大小的情況下，可以考慮通過在結構上均勻分布載荷的方法，來提高結構承載能力。盡量避免集中載荷，盡可能地將載荷分散在結構上，即為載荷均布。如圖5-14所示，經(jīng)過簡單的受力分析可知，受集中力的簡支梁在C點的受力比受分布力的簡支梁在C點的受力大了一倍，所以圖5-14b簡支梁的強度要好于圖5-14a。a)b)圖5-14 簡支梁受力分析a)集中力 b)分布力如圖5-15所示的行星齒輪減速器結構。如按圖a結構制造，則會由于存在制造誤差，而使得行星輪之間的載荷分配出現(xiàn)不均勻的現(xiàn)象。在圖b中，將太陽輪改為浮動，則可達到各行星輪均載的目的。如圖5-16所示為改善齒輪輪齒齒向載荷分布狀態(tài)而采用的桶形齒結構。正常齒上，載荷分布偏于輪齒的兩端部分。將輪齒修成桶形齒后，依靠齒面受力的彈性變形使載荷沿齒寬方向分布比較均勻。 a)b) a)b)圖5-15 行星齒輪減速器a)較差結構 b)改進結構 圖5-16 桶形齒與載荷分布a)正常齒 b)桶形齒一般螺栓聯(lián)接受載后，各圈螺紋牙間的載荷分布是不均勻的（見圖5-17a）。為改善螺紋牙間載荷分配不均勻的現(xiàn)象，可采用懸置螺母、內(nèi)斜螺母、環(huán)槽螺母等結構（見圖5-17b、c、d）。a)b)c)d)圖5-17 改善螺紋牙間載荷分布a)螺紋受載示意圖 b)懸置螺母 c)內(nèi)斜螺母 d)環(huán)槽螺母（三）附加力自平衡原則（載荷平衡）在力的傳遞過程中，一些機械結構常常不可避免地出現(xiàn)不做功的附加力，例如，斜齒輪嚙合的軸向力，產(chǎn)生摩擦力的正壓力，往復和旋轉運動的慣性力，流體機械葉片上壓力差引起的軸向力等，這些對結構功能毫無作用的附加力，加大了結構的負載，降低了機械結構的承載能力。如果使其在同一零件內(nèi)與其它同類載荷構成平衡力系則其它零件不受這些載荷的影響，有利于提高結構的承載能力，這就是載荷平衡原則。力自平衡措施的措施主要有：引入平衡件和對稱安裝。在高速回轉機械中，必須靠結構的措施及動平衡的方法使旋轉慣性力降低到允許的大小，這就要求回轉件的質(zhì)量須盡量相對與回轉中心呈對稱分布?？赏ㄟ^對回轉件在動平衡機上做動平衡實驗，測出并消除超出允許值的不平衡質(zhì)量。做往復運動的機械，如連桿機構，也可在設計中采取結構措施和動平衡的方法，使其在運轉時產(chǎn)生盡可能小的慣性力。如圖5-18a、5-19a所示的結構工作時產(chǎn)生的軸向力最終要影響到軸的受力，而在圖5-18b、5-19b中，由于引入了自平衡措施，則可消除軸向力對軸的影響。a)b)圖5-18 斜齒輪嚙合的自平衡方法a)較差結構 b)改進結構a)b)圖5-19 圓錐式離合器的自平衡方法a)較差結構 b)改進結構（四）減小應力集中應力集中是影響承受交變應力的結構承載能力的重要因素，結構設計應設法緩解應力集中。在應力集中的部位，零件的疲勞強度將顯著降低。最大應力比該截面上的平均應力可以大25倍以上。應力集中與零件的局部變化形式（見圖5-20）及零件的受力狀態(tài)（見圖5-21）有關。降低應力集中程度可以提高零件的疲勞強度。圖5-20 局部形狀與應力集中圖5-21 受力狀況與應力集中普通螺栓聯(lián)接，存在嚴重的應力集中現(xiàn)象。如圖5-22所示為螺栓頭與螺栓桿在過渡處的應力集中情況。從圖中可以看出，在螺栓頭與桿過渡處應力發(fā)生急劇變化，應力集中非常嚴重。一般可采用過渡圓角結構來緩解，但不夠好，圖中列出了四中過渡結構，其中以d圖結構的效果最佳。a)b)c)d)圖5-22 螺栓頭桿過渡部位應力分布圖如圖5-23所示，降低截面尺寸變化處附近的剛度，可以降低應力集中的影響程度。注意避免多個應力集中源疊加。如圖5-24所示的軸結構中臺階和鍵槽端部都會引起軸在彎矩作用下的應力集中，但a圖結構的應力集中狀況比b圖結構的應力集中狀況要嚴重得多。 a)b) a)b)圖5-23 降低截面尺寸變化處附近的剛度a)較差結構 b)改進結構 圖5-24 避免多個應力集中源疊加a)較差結構 b)改進結構（五）提高接觸強度原則根據(jù)赫茲公式，提高高副接觸強度有兩條途徑：一是減小接觸處的分布載荷，一是增大兩接觸零件在接觸部位的綜合曲率半徑。如圖5-25所示，連桿機構的桿1與銷2為線接觸，如在銷軸處增加零件3，則變線接觸為面接觸； c圖為斜面推桿機構，零件6把推桿4與斜面5的點接觸改為面接觸； e圖增加了零件10，也將點接觸變?yōu)榱嗣娼佑|；將零件10改為零件11，則可以在零件9和11之間產(chǎn)生液體動壓潤滑。這樣就減小接觸處的分布載荷，降低了接觸應力，提高了接觸強度，而且還可以改善潤滑，減少磨損。a)b)c)d)e)f)g)圖5-25 用面接觸代替點、線接觸如圖5-26所示的結構中，從圖a到圖c的高副接觸中綜合曲率半徑依次增大，這樣接觸應力依次減小，因此結構c有利于改善球面支承的接觸強度和剛度。a)b)c)圖5-26 增大接觸處的綜合曲率半徑（六）提高剛度原則在進行結構設計時，在不增加零件質(zhì)量的前提下，要盡量提高零件結構的剛度。對于不同類型的零件，應根據(jù)其結構特點采用相應的措施。但總的來說要注意以下幾點：1. 用受壓、拉零件替代受彎曲零件；2. 合理布置受彎曲零件支承（見圖5-27）；3. 合理設計受彎曲零件的截面形狀；4. 合理采用筋板，盡可能使筋板受壓；5. 采用預變形方法。比如三角形桁架代替受彎曲的懸臂梁，剛度就要好得多。如圖5-28所示，選擇不同類型的軸承對系統(tǒng)剛度也有明顯的影響，且常與對彎曲強度的影響同時存在。a)b)a)b)圖5-27 鑄造支承結構a)較差結構 b)改進結構圖5-28 軸承類型的影響（七）變形協(xié)調(diào)原則一個零件和另一個零件相接觸，當在接觸處難以同步變形時，零件間的接觸區(qū)域里應力會急劇上升，這是應力集中的另一種情況。在接觸處降低零件在力流方向上的剛度，盡量使兩零件在接觸區(qū)域里同步變形，降低應力集中的影響，此及為變形協(xié)調(diào)原則。如圖5-29所示，過盈配合聯(lián)接結構在輪轂端部應力集中嚴重，可通過降低軸或輪轂相應部位的局部剛度使應力集中得到有效緩解。a)b)c)d)圖5-29 過盈配合的聯(lián)接結構如圖5-30所示，受彎曲載荷作用的軸在滑動軸承端面常常出現(xiàn)邊緣擠壓，從而引起軸承的失效，其原因即為軸承不能隨著軸的變形而變形。因此滑動軸承軸承座的結構設計應該使軸承在軸受載荷作用時能和軸協(xié)調(diào)變形。a)b)圖5-30 軸承座的結構a)較差結構 b)改進結構變形不協(xié)調(diào)不僅會導致應力集中，降低機械結構的強度，而且還可能損害機械的功能，如圖5-31a所示，是一起重機行走機構的驅(qū)動軸，由于結構及其它條件的制約，軸上齒輪不能安裝在軸的中點位置上，這將導致兩行走輪因軸變形引起的扭角也不等。這種力矩傳遞的不同步使得起重機的行走總有自動轉彎的趨勢。改進的方法是將齒輪兩側的軸的扭轉剛度設計相等，如圖5-31b所示。a)b)圖5-31 軸承座的結構a)較差結構 b)改進結構（八）等強度原則一般，機械設計中的強度要求是通過零件中最大工作應力等于或小于材料許用應力來滿足，這樣材料并為得到充分利用。最理想的設計是應力處處相等，同時達到材料的許用應力值。工程中大量出現(xiàn)的變截面梁就是按照等強度原則來設計的。比如，搖臂鉆的橫臂AB，汽車用的板簧和階梯軸等（見圖5-32）。按照等強度原則設計時要注意兩點：其一應用等強度原則的前提是要方便制造；其二是要注意次要載荷的影響。a)b)c)圖5-32 滿足等強度原則的結構a) 搖臂鉆的橫臂 b) 車用的板簧 c) 階梯軸（九）其它設計原則很多，下面介紹一些其它設計原則：1. 空心截面原則彎曲應力或扭轉應力在橫截面上都是越遠離中心越大，而在中心處卻很小，為了充分利用材料，應盡量將材料放在遠離截面中心處，使其成為空心結構，從而提高零件的強度和剛度。此即為空心截面原則。2. 受扭截面封閉原則受扭轉作用的薄壁零件的截面應盡量制造成為封閉形狀，因為封閉形狀比開口形狀抗剪切能力強，抗扭剛度大。此即為受扭截面封閉原則。3. 最佳著力點原則著力點的位置要盡量通過中心點、結點等位置，避免產(chǎn)生附加彎矩，這樣有助于提高零件的承載能力。4. 受沖擊載荷結構柔性原則為了提高零件的抗沖擊的能力，應減小系統(tǒng)的剛度，加大柔性，這將有助于改善系統(tǒng)的性能。5. 避免長壓桿失穩(wěn)原則6. 熱變形自由原則二、改善制造工藝性的結構設計原則（一）焊接件結構設計原則一般來說可以通過三條途徑來保證或提高焊接質(zhì)量：材料、工藝、結構。其中，結構設計上的缺陷能嚴重地影響焊接零件乃至整個機械設備的質(zhì)量和功能。1 避免高應力區(qū)原則焊縫及其影響區(qū)的動載強度一般比周圍材料的強度要低，還存在內(nèi)應力，因此應盡量將焊縫設置于應力水平較低的區(qū)域。如圖5-33a所示，當焊接兩塊板厚不同的零件時，因幾何尺寸突變，所以在焊接區(qū)域里存在嚴重的應力集中。此時在結構設計時要留有過渡結構，緩解幾何尺寸的突變（見圖5-33b）。如圖5-34a所示壓力容器，當焊縫處在曲率突變位置時，盡管壁厚一致，但應力也很大，不可取，采用如圖5-34b所示的結構效果就要好些。類似情況還有如圖5-35所示。 a)b) a)b)圖5-33 不同板厚零件間的焊縫a)較差結構 b)改進結構 圖5-34 壓力容器的焊縫a)較差結構 b)改進結構a)b)圖5-35 避免高應力區(qū)的焊縫結構a)較差結構 b)改進結構2 避免焊縫重疊原則復雜結構的焊縫常出現(xiàn)多條焊縫交叉重疊的情況。焊縫交匯處剛性大，結構翹曲嚴重，從而加大焊縫內(nèi)應力，而且結構多次過熱，材料性能下降，易出現(xiàn)裂紋，這些都會影響焊接結構的性能。改進方法有三種：加輔助結構（見圖5-36a）、切除部分（見圖5-36b）、焊縫錯開（見圖5-36c）a)b)c)圖5-36 避免焊縫重疊的焊縫結構a)加輔助結構 b)切除部分 c)焊縫錯開3 焊縫根部優(yōu)先受壓原則在焊接構件承受彎曲應力時，應將焊縫置于壓應力一側。4 避免尖角原則尖角處焊接定位困難，尖角易被熔化，焊接質(zhì)量不易保證。如圖5-37所示，改進后的結構效果要好得多。a)b)圖5-37 避免尖角的焊縫結構a)較差結構 b)改進結構5 對稱性原則焊接件設計應具有對稱性。焊縫布置與焊接順序也應對稱，這樣就可以利用各條焊縫冷卻時的力和變形相互均衡，以得到焊接件整體的較小變形（見圖5-38）。a)b)圖5-38 對稱焊縫結構a)較差結構 b)改進結構6 焊接量最少原則理想的焊接結構是焊接量最少的結構，應盡量減少焊縫個數(shù)和焊接量（見圖5-39）。a)b)圖5-39 焊接量少的焊縫結構a)較差結構 b)改進結構（二）鑄件結構設計原則鑄件的結構設計對鑄件的制造成本，鑄件的質(zhì)量有決定性的影響。鑄件的結構設計要充分地考慮鑄造材料和工藝的特性。1. 壁厚均勻原則均勻的壁厚可以提高鑄件的質(zhì)量，減少鑄件中斷面厚度大的部分的尺寸，避免金屬聚集一致產(chǎn)生縮孔或縮松，而且還可以節(jié)省材料（見圖5-40）。a)b)圖5-40 壁厚均勻的鑄件結構a)較差結構 b)改進結構2. 自由收縮原則加肋結構是鑄件中常見的結構。在設置加強肋時應避免在冷卻過程中因收縮不一致而產(chǎn)生的內(nèi)應力和裂紋。具體措施有：蜂窩狀加強肋（見圖5-41a）、斜彎加強肋（圖見圖5-41b）、加強肋錯位（見圖5-41c）和加強肋切斷（見圖5-41d）。如圖5-41b所示，為避免鑄件冷卻時阻礙金屬收縮，產(chǎn)生內(nèi)應力而導致輪輻產(chǎn)生裂紋，將直輻條改成弧形，這樣冷卻時輻條就能夠自由收縮，結構較合理。 a)b)c)d)圖5-41 自由收縮的鑄件結構a)蜂窩狀加強肋 b)斜彎加強肋 c)加強肋錯位 d)加強肋切斷3. 良好的受力狀態(tài)原則鑄件應優(yōu)先承受壓力，因為鑄鐵的抗壓強度比抗拉強度高得多（見圖5-42）。鑄件內(nèi)部肋的安置應考慮幾何原理。如圖5-43a所示加強肋按矩形分布，對鑄件強度和剛度有一些的影響，因矩形是不穩(wěn)定的形狀。若按三角形安置，形狀穩(wěn)定，造型較好，結構比較合理（見圖5-43b）。鑄件在必要時應局部加強（見圖5-44）。鑄件的箱壁應可靠地支持在地面上，以保持它的強度和剛度。a)b)圖5-42 受壓優(yōu)先鑄件結構a)受壓加強肋 b)受壓容器 a)b) a)b)圖5-43 內(nèi)置加強肋結構a)較差結構 b)改進結構 圖5-44 局部加強結構a)較差結構 b)改進結構4. 便于模具制造原則復雜模具制造困難、成本高、難以保證質(zhì)量。一般要求結構形狀簡單（見圖5-45a），避免隱蔽、分離部分（見圖5-45b），圓角尺寸統(tǒng)一（見圖5-45c），優(yōu)先采用對稱形狀，盡量少用模芯，采用復合結構（見圖5-45d）等。a)b)c)d)圖5-45 便于模具制造的結構如圖5-46所示，有些圓角對鑄件質(zhì)量影響不大，但增加造型造芯的困難，為此應將圓角取消。如圖5-47所示的面積較大的薄壁零件，不應設計成水平的平面結構。水平平面澆鑄時容易造成冷隔或形成氣孔。如改為有斜坡的平面，則有利于排出液態(tài)金屬中的雜質(zhì)和由于鐵液漫流造成的冷隔等缺陷。 a)a)b) b)圖5-46 圓角對造型造芯的影響a)較差結構 b)改進結構 圖5-47 面積較大的薄壁結構a)較差結構 b)改進結構5. 其它有關鑄件結構設計的其它要求舉例說明如下：起模方便（見圖5-48a），流動暢通（見圖5-48b），便于排氣，清除表皮方便（見圖5-48c），便于切削加工（見圖5-48d）等。 a) b) c) d)圖5-48 鑄件結構（三）切削件結構設計原則減少加工成本，提高機加工質(zhì)量是切削件結構設計的基本要求，切削件的結構設計要充分考慮機加工工藝的特性。1. 便于退刀原則方便退刀可以節(jié)省加工時間，從而達到降低加工成本的目的。退刀槽和越程槽是兩種最常見的退刀結構（見圖5-49）。a)b)c)圖5-49 便于退刀的結構2. 減少加工量原則減少加工量可以提高生產(chǎn)效率，還可以節(jié)省材料。常用的方法有：選擇合適的毛坯、采用組合部件（見圖5-50a）、平緩過渡（見圖5-50b）和減少行程（見圖5-50c）等。 a) b) c)圖5-50 減少加工量的結構3. 可靠夾緊原則機械零件在機加工時必須夾持在機床上，因此機械零件上必須有便于夾持的部位。此外夾持零件必須有足夠大的支持力，以保證在切削力的作用下，零件不會晃動，這樣才能保證加工質(zhì)量（見圖5-51）。 a) b)圖5-51 保證夾緊力的結構4. 同一夾緊工序原則在加工機械零件的不同表面時，應避免多次裝夾。希望能在一次固定中加工盡可能多的零件表面。這樣，不但可以節(jié)約加工時間，而且可以提高加工精度。比如一根軸上的鍵槽應該布置在同一條直線上。如圖5-52所示為一軸承座，a圖所示的結構兩孔因中間隔有凸臺，而不能一次加工出來。在b圖中則是去掉凸臺，用擋環(huán)代替，則可保證兩孔一次安裝就可加工出來。a)b)圖5-52 軸承座結構a)較差結構 b)改進結構5. 避免斜面開孔原則在斜面上鉆孔不但位置不準，而且易損傷刀具，應盡量避免，可采用改變孔的位置或改變零件表面形狀，使零件表面與孔中心線垂直來解決（見圖5-53）。a)b)c)圖5-53 避免斜面開孔的結構6. 貫通孔優(yōu)先原則貫通孔通常比盲孔易加工，易提高加工質(zhì)量。如圖5-54a所示的結構，加工時，刀具只能是懸臂式支承，此時刀具會產(chǎn)生較大的變形，從而使孔的加工精度下降。在兩孔間距較大時，甚至會出現(xiàn)廢品。b圖所示的結構是刀臂兩端支承成為可能。a)b)圖5-54 貫通孔結構a)較差結構 b)改進結構7. 其它有關切削件結構設計的其它要求舉例說明如下：便于切削（見圖5-55a）、孔周邊條件相近（見圖5-55b）等。a)b)圖5-55 便于切削的結構a)較差結構 b)改進結構（四）鍛件結構設計原則鍛件是指靠擠壓成型的零件。鍛造可以改善材料性能，材質(zhì)分布更趨均勻，使得鍛件有較好的抗動載荷的能力。一般鍛件結構設計要遵循以下原則。1. 分界面合理原則鍛模的分界面的選定要便于在鍛造過程中材料的流動，而且還要便于模具的制造。如圖5-56所示，b圖的結構比a圖的結構有利于材料的流動。如圖5-57所示，a圖所示的模膛結構加工較困難必須用銑和磨的方法才能加工出來，而b圖的模膛結構只需用車削的方法就可加工出來。a)b)圖5-56 便于材料流動的結構a)較差結構 b)改進結構a)b)圖5-57 便于模具制造的結構a)較差結構 b)改進結構2. 避免尖銳棱角原則鍛件尖銳棱角處變形量很大，需很大的擠壓力，成型困難（見圖5-58）。 a) b)圖5-58 避免尖銳棱角的結構3. 方便鍛造原則對稱結構方便制造，非對稱結構應盡量避免（見圖5-59a）；鍛件內(nèi)外臺階大小應向一個方向變化，盡量避免多個臺階（見圖5-59b）；盡量避免使用肋板（見圖5-59c）。 a)b) c)圖5-59 方便鍛造的結構4. 便于后繼加工原則待加工表面應凸出于其它鍛造表面（見圖5-60a）；應留有夾緊支撐點，以便于切削加工（見圖5-60b）。 a) b)圖5-60 便于后繼加工的結構（五）薄板件結構設計原則薄板指板厚相對其長寬小得多的鋼板。充分考慮薄板的加工工藝的要求和特點，一般薄板件結構設計要遵循以下原則。1. 簡單形狀原則切割面幾何形狀簡單，則切割下料方便，切割的線路短，切割量小。如圖5-61所示，直線比曲線簡單。a)b)圖5-61 直線與曲線結構a)較差結構 b)改進結構2. 節(jié)省材料原則在薄板零件的結構設計中要盡量減少下腳料，這樣可以減少制造成本。如圖5-62所示，b圖結構的效果就要好得多。a)b)圖5-62 節(jié)省材料的結構a)較差結構 b)改進結構3. 避免過窄結構原則如圖5-63所示，兩孔之間的距離太小，加工時可能會產(chǎn)生裂紋。細長的板條剛度低，在裁剪時易出現(xiàn)裂紋，此外過窄結構在加工過程中還將嚴重磨損刀具。a)b)圖5-63 避免過窄的結構a)較差結構 b)改進結構4. 彎曲棱邊垂直切割面原則薄板在切削加工后，進行彎曲成型加工，彎曲棱邊應垂直與切割面或者交匯處設計一個圓角，否則交匯處易出現(xiàn)裂紋（見圖5-64）。a)b)圖5-64 彎曲棱邊垂直切割面結構a)較差結構 b)改進結構5. 平緩彎曲原則陡峭的彎曲需特殊的工具，成本高。另外，曲率半徑過小易產(chǎn)生裂紋，在內(nèi)側面上還會出現(xiàn)皺折（見圖5-65）。a)b)圖5-65 平緩彎曲結構a)較差結構 b)改進結構6. 槽邊不彎曲原則彎曲區(qū)域受力狀態(tài)復雜，強度低，槽孔應遠離彎曲區(qū)域或橫跨彎曲區(qū)域（見圖5-66）。a)b)圖5-66 槽邊不彎曲結構a)較差結構 b)改進結構7. 復雜結構組合制造原則對于復雜的薄板零件可采用組合零件形式，即將薄板零件用焊接、螺栓聯(lián)接等方式組合在一起（見圖5-67）。a)b)圖5-67 組合結構a)較差結構 b)改進結構8. 穩(wěn)定性原則薄板結構橫向彎曲剛度較差，一般用平面壓槽或空間壓槽來提高剛度（見圖5-68）。a)b)圖5-68 穩(wěn)定性好的結構a)較差結構 b)改進結構9. 避免直線貫通原則平面壓槽排列應避免無壓槽區(qū)域直線貫通。如圖5-69a所示的結構，無壓槽區(qū)域形成多個貫通的窄條軸，相對這些軸，彎曲剛度沒有任何改進，但b圖就不存在這些問題，效果要好得多。a)b)圖5-69 避免直線貫通的結構a)較差結構 b)改進結構10. 壓槽連通排列原則壓槽的端點是薄弱環(huán)節(jié)，疲勞強度低。緩解或消除這些影響的方法就是盡量將壓槽連通。如圖5-70所示的結構，是卡車上的電瓶箱體，受動載荷作用，a圖結構在壓槽端點處易產(chǎn)生疲勞失效，b圖為壓槽連通之后的結構圖，效果就要好些。a)b)圖5-70 壓槽連通排列結構a)較差結構 b)改進結構（六）其它有關改善制造工藝性的結構設計原則，還有鉚焊件的結構設計，工程塑料零件的結構設計及機械零件修配的結構設計等。這里不再闡述，有興趣可查閱相關資料。三、提高裝配質(zhì)量的結構設計原則零部件裝配成機器，裝配質(zhì)量直接影響著機器的運行性能質(zhì)量，裝配質(zhì)量即為零部件相互聯(lián)系界面上的質(zhì)量。符合裝配要求的結構設計就是在結構設計上保證裝配的可能，采用的結構應方便裝配，減少裝配工作量，提高裝配質(zhì)量。（一）便于運送原則自動化制造系統(tǒng)中，將零部件從庫存運送到裝配現(xiàn)場是裝配過程中常見的工序，常采用的輸送設備是輸送帶。對此工序的要求就是避免零部件套勾、連結在一起，使機器人無法分離；避免結構的重心偏高，不便于自動輸送。如圖5-71a所示的結構也難以自動輸送，因為它們的直線滾動西性能差，b圖所示結構就便于運送。a)b)圖5-71 便于運送的結構a)較差結構 b)改進結構（二）便于方位識別原則在自動化制造系統(tǒng)中，應盡量提高機器人的方位識別能力，方法之一就是在設計零部件結構時，留有識別特征。采取對稱結構，因彼此無差別，故不用識別（見圖5-72 a）。識別特征以幾何特征最易被識別，應盡量將物理特征轉換成幾何特征（見圖5-72 b）。內(nèi)部特征難以觀察，應外部化（見圖5-72 c）。對于近似結構，應擴大其不對稱性，以便于特征識別（見圖5-72 d）。較差結構改進結構 a)b)c)d)圖5-72 便于方位識別的結構（三）方便抓取原則結構設計時應考慮：留有抓舉面，保證能抓牢，不損傷工作面。如圖5-73所示的結構難以抓牢，因為夾持面是斜面。a)b)圖5-73 便于抓取的結構a)較差結構 b)改進結構（四）方便定位原則一邊測量，一邊定位是不可靠的，自動定位最為理想。如圖5-74a所示，結構的方孔高度有一定的精度要求。此時，主要起聯(lián)接作用的螺栓是不能保證該精度要求的?？稍黾右粋€微調(diào)螺栓結構，即可調(diào)整方孔高度精度。如圖5-74b所示是一種自動定位的結構。如圖5-74c所示為具有導向功能的結構。較差結構改進結構 a)b)c)圖5-74 便于定位的結構（五）簡化裝配操作原則如圖5-75a所示的結構中，將彈簧直接掛在開口槽上比扣在封閉孔內(nèi)要簡單，機器人操作時差別更顯著。如圖5-75b所示的封蓋結構是螺紋聯(lián)接，上面的結構要旋轉若干圈，而下面結構靠摩擦力聯(lián)接，插入即可，在無內(nèi)壓的情況下下圖結構有優(yōu)越性。如圖5-75c所示的軸承的安裝，上圖軸承要經(jīng)過很長的軸段才能到達預定位置，要方便安裝，則要在非軸支座的地方，取較小的軸徑。如圖5-78所示為一組可快速裝配的聯(lián)接結構。較差結構 改進結構 a)b) c)圖5-75 便于定位的結構a)b)c)d)e)圖5-78 快速裝配聯(lián)接結構（六）可裝配原則裝配至少要求工具能方便地到達裝配位置，且要有足夠的操作的空間。人工裝配時，還要求視線可及。如圖5-79所示即是如此。較差結構改進結構 a)b)c)圖5-79 可裝配結構（七）各裝配面依次裝配原則多個裝配面同時裝配，裝配狀態(tài)往往是一種過約束狀態(tài)，裝配比較困難，故應盡量避免多個裝配面同時裝配。如圖5-80所示即是如此。a)b)圖5-80 依次裝配的結構a)較差結構 b)改進結構（八）簡單聯(lián)接件原則采用簡單的聯(lián)接件可以減小裝配工作量。如圖5-81所示，因螺栓聯(lián)接方式的裝配工作量大，用卡夾代替螺栓，則結構簡單，便于操作。a)b)圖5-81 簡單聯(lián)接結構a)較差結構 b)改進結構（九）便于拆卸原則符合裝配要求的結構設計也應便于拆卸。如圖5-82所示為一聯(lián)接鍵，在鍵一端的底部留有坡度，拆卸時用力一擊便可將鍵拆卸下來。還有起蓋結構、軸承拆卸結構等等。a)b)圖5-82 便于拆卸的結構a)較差結構 b)改進結構四、提高精度的結構設計原則機械結構設計必須服從現(xiàn)代機器、儀器的高精度原則，改善結構設計可以減小由于加工、裝配、調(diào)整產(chǎn)生的誤差和使用中的磨損、彈性變形、熱變形等產(chǎn)生的誤差，及減小系統(tǒng)對各項誤差的敏感程度，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量。（一）阿貝（Abbe）原則阿貝原則是阿貝于1890年對于量儀設計而提出的：“若使量儀給出正確的測量結果，必須將儀器的讀數(shù)線尺安放在被測尺寸的延長線上”。如圖5-83c所示，當設計結構不符合阿貝原則時，導軌不直度引起的傾角f所產(chǎn)生的誤差為：daf其中a為被測尺寸線與讀數(shù)線尺之間的距離，導軌傾角f的單位是弧度。當設計結構符合阿貝原則時，導軌傾角f所產(chǎn)生的誤差為：dCf2其中C為基準尺讀數(shù)頭到工件測量讀數(shù)頭之間的距離，導軌傾角f的單位是弧度。通常f是微量，f2則是二階微量，可見遵從了阿貝原則就可以消除儀器導軌不直度引起的誤差，顯著地提高測量精度。為了減小阿貝誤差，在設計和工藝上應提高導軌精度，減小導軌不直度所產(chǎn)生的傾角f，在結構布局上要盡量減小讀數(shù)線與被測尺寸線之間的距離a。如圖5-83a所示的游標卡尺不符合阿貝原則，因而這種測量工具不容易得到較高的測量精度；如圖5-83b所示千分尺能達到較高的精度，但是因為刻度尺與工件安排在一條直線上所以量具的尺寸較大。 a) b) c)圖5-83 阿貝原則a)游標卡尺 b)千分尺 c)誤差分析簡圖（二）誤差校正與補償當機械結構不滿足阿貝原則，或者機械結構存在加工誤差，或者機械結構在工作過程中，由于溫度變化、受載、磨損等使得零部件的形狀及相對位置關系發(fā)生變化，這些因素最終將影響機械結構的工作精度。有些因素式不可避免的，但好的結構設計可以減少這些因素對工作精度造成的影響。為解決這個矛盾，可以算出結構誤差，然后采用誤差校正與補償方法進行補償。對誤差校正與補償裝置的要求是：結構簡單，制造與裝配方便，靈敏度較高，能有效地消除和減小誤差。下面是幾個機械式的校正與補償機構的例子。如圖5-84所示是光柵刻劃機中絲杠誤差校正裝置。校正尺2的工作面按螺旋副實測誤差曲線放大一定比例后制成，它固定在機座上不動。當絲杠1轉過一定工作角度后，螺母4經(jīng)制有螺桿的杠桿3和鋼球支承推動工作臺5位移一個柵距。同時，杠桿3在校正尺曲面作用下使小螺桿產(chǎn)生微量轉動，即相對于螺母4產(chǎn)生了一個附加位移，補償了絲桿誤差，提高了工作臺的位移精度。圖5-84 絲杠誤差校正結構1絲桿 2校正尺 3杠桿 4螺母 5工作臺如圖5-85所示是蝸輪副的誤差校正裝置。蝸輪副的蝸輪和蝸桿存在齒距誤差或螺距誤差因而會帶來轉角誤差，其校正是通過蝸桿的軸向移動或附加轉動來實現(xiàn)的。校正盤3的周邊曲面是按照蝸輪副誤差曲線放大一定比例后制成，它與蝸輪2一起同軸地安裝在絲桿上，當蝸桿4帶動蝸輪轉動時，校正盤上的曲面推動杠桿1擺動，使蝸桿產(chǎn)生附加軸向移動，從而蝸輪產(chǎn)生一個附加轉動，消除了蝸輪副誤差的影響。校正盤的方位應與誤差曲線的方位一致。如圖5-86所示是坐標測量機橫臂變形的校正結構。測量裝置1沿橫臂移動時，由于質(zhì)量轉載，將造成橫臂彎曲（如圖中的q角），從而帶來測量誤差。為補償這項誤差，在橫臂的空心框架2中，裝有校正杠桿4，4的一端與固定在框架2上的銷6相接觸，而杠桿的另一端與螺釘5相接觸。擰動螺釘5，經(jīng)杠桿4和銷6可使框架的左端向上彎曲變形，如果此變形量與由于測量裝置重量引起框架橫臂的撓曲量相同時，就校正了來自測量裝置重量引起的變形誤差。圖5-85 蝸輪副的誤差校正結構1杠桿 2蝸輪 3校正盤 4蝸桿圖5-86 坐標測量機橫臂變形的校正結構1測量裝置 2框架 3回轉軸 4杠桿5螺釘 6銷（三）誤差均化實驗表明，千分尺（螺旋與螺母配合）的累積誤差比原來螺旋或螺母的累積誤差小，如圖5-87所示。由此可知機械精度的均化原理：在機構中如果有多個聯(lián)接點同時對一種運動起限制作用，則運動件的運動誤差決定于各聯(lián)接點的綜合影響，其運動精度高于一個聯(lián)接點的限制作用。在一定條件下增加螺旋傳動中起作用的螺紋圈數(shù)，使多圈螺紋同時起作用，不但可以提高螺旋傳動的承載能力和耐磨性，而且可以提高傳動精度。如圖5-88所示為根據(jù)均化原理設計的雙蝸桿驅(qū)動的分度機構。在蝸輪兩邊各安置一個蝸桿，利用相位調(diào)整聯(lián)軸器使兩個蝸桿都能起驅(qū)動作用。若用b圖中的實線和虛線分別表示AB兩個蝸桿單獨驅(qū)動時工作臺的回轉精度，則用AB兩個蝸桿同時驅(qū)動時，在adb段蝸桿B起作用，bec段蝸桿A起作用，因此減小了誤差。此外，用兩個蝸桿可分散載荷從而延長壽命。a)b)圖5-87 千分尺累計誤差和千分尺螺旋累計誤差對比a)b)圖5-88 雙蝸桿驅(qū)動的分度結構（四）誤差配置在裝配時，選擇每個零件的精度必須注意各零件的綜合作用，各零件的精度如果配置得當可以提高其裝配的精度。在機床主軸結構設計中，提高主軸工作端（前端）的旋轉精度很重要。如圖5-89所示，前軸承徑向振擺誤差dA引起的主軸工作端誤差為：圖5-89 軸承精度對機床主軸旋轉精度的影響后軸承徑向振擺誤差dB引起的主軸工作端誤差為：顯然 ，前軸承對主軸旋轉精度影響較大，所以在設計主軸結構時通常選擇前軸承的精度比后軸承高一級。（五）位置精確微調(diào)在許多機器中，通常需要將機械中的某部件在一定范圍里作緩慢而平穩(wěn)的調(diào)整以將其調(diào)整到某個精確的位置，這就需要在機器中設計有微動微調(diào)機構。比如光學儀器中顯微鏡的調(diào)焦、精密機械中的運動部件的精確定位及微量進給。微動微調(diào)機構的基本要求：結構簡單，較大的降速傳動比，傳動靈活、平穩(wěn)，無空程與爬行，使用方便等。下面是幾個機械式的微動微調(diào)機構的例子。如圖5-90所示為凸輪傳動微動微調(diào)結構：是利用凸輪（常用的是簡單的偏心輪）的轉角和升程的關系實現(xiàn)微調(diào)的機構，當松開鎖緊螺母3時，就可以轉動偏心軸4，由于偏心作用，就可以改變軸承5以及測量軸1的位置，調(diào)好后再將螺母3擰緊即可達到微調(diào)精確定位的目的。圖5-90 凸輪微調(diào)結構1測量軸 2殼體 3、6鎖緊螺母 4偏心軸 5軸承如圖5-91所示為蝸輪副傳動微動微調(diào)結構原理圖， a圖是齒輪、蝸輪傳動； b圖是二級蝸輪傳動。a)b)圖5-91 蝸輪副傳動微動微調(diào)結構a)齒輪、蝸輪傳動 b)二級蝸輪傳動1蝸輪 2蝸桿 3微調(diào)手輪 4粗動手輪 5錐齒輪如圖5-92所示為彈性微動微調(diào)結構，是利用金屬材料在彈性極限范圍內(nèi)其變形與外力成正比的原理設計的微動微調(diào)結構。第一級為螺旋微動結構，轉動微動手輪1，微動螺桿2頂端推動T形彈簧片3，3的一端固定，另一端與片簧4焊接呈T形，而片簧4的一端與殼體7固結，另一端與微動軸6相連，故彈簧片3的變形推動彈簧片4，彈簧片4又推動微動軸作微小的位移。微動軸的精確位移量可通過電感傳感器8測出。圖5-92 “T”形片簧彈性微動微調(diào)結構1微動手輪 2微調(diào)絲桿 3、4“T”形片簧 5外套6測量軸 7測軸座 8傳感器五、宜人化結構設計原則傳統(tǒng)的機械設計以設計產(chǎn)品為主要目標，更多地考慮產(chǎn)品本身功能的實現(xiàn)，雖然也或多或少地涉及了人的因素，但主要是考慮如何讓人適應機器，而沒有把人作為設計的一個目標，沒有規(guī)范化地考慮人的因素。這就很難保證機器操作效率最佳，也不易判斷設計質(zhì)量的高低。比如，早期的拖拉機一般來說沒有駕駛室，很不安全。座位是用鐵制的工具箱代替，強烈的振動使人容易疲勞。儀表排列凌亂，缺乏形式美，設計上也不符合人的心理和生理特點。操作件上沒有適形的手柄，握上去很不舒適。 二戰(zhàn)時期美國飛機的飛行事故中有90%是由于人為因素造成的。為解決這個問題，現(xiàn)代企業(yè)中已越來越多地應用人機工程學這種先進的設計理論和方法進行機械產(chǎn)品的開發(fā)和設計。人機工程學強調(diào)將人和機器作為相互聯(lián)系的兩個基本部分構成一個整體，形成人機系統(tǒng)。人機工程學是研究人的特性及工作條件與機器相匹配的科學，指出機器應該具有什么樣的條件才能使人付出適宜的代價后可獲得整個系統(tǒng)的最佳效益。人機工程學不僅涉及到工程技術理論，還涉及到人體解剖學、生理學、心理學以及勞動衛(wèi)生學等。人機系統(tǒng)是在特定環(huán)境中進行工作的，環(huán)境對人機系統(tǒng)的工作效能有很大影響。作為系統(tǒng)主體的現(xiàn)代人，對工作環(huán)境的有了更為苛刻要求。為了保持系統(tǒng)的高效率、可靠性和持久性，機械結構所創(chuàng)制的環(huán)境首先要保證對人體不造成傷害，其次，還必須考慮操作者工作的舒適性。下面基于操作者的生理和心理特點，分析在機械結構創(chuàng)新設計中應考慮的基本要求。這些要求同時也可為機械結構創(chuàng)新設計提供啟示。對現(xiàn)有機械設備及工具的宜人化改進設計是機械結構創(chuàng)新設計的一種有效的方法。（一）減小操作者疲勞的結構當操作人員長時間保持某一姿勢時，身體的某些肌肉長期處于收縮狀態(tài)，肌肉壓迫血管使血液流通受阻，血液不能為肌肉輸送足夠的氧，肌肉的這種工作狀態(tài)稱為靜態(tài)肌肉施力狀態(tài)。這種狀態(tài)會對肌肉、肌腱、關節(jié)及相鄰組織造成損害。因此設計與操作有關的結構時應考慮操作者的受力狀態(tài)，盡量避免使肌肉處于靜態(tài)肌肉施力狀態(tài)。表5-1所示的幾種常用工具改進前的形狀因為使某些肌肉處于靜態(tài)肌肉施力狀態(tài)，不宜長時間使用，改進后使操作者的手更趨于自然狀態(tài)，減少或消除了肌肉的靜態(tài)施力狀態(tài)，使得長時間使用不易疲勞。表5-1 幾種常用工具的改進下面是一個汽車座椅的結構設計應考慮的問題：根據(jù)人機工程學理論，首先腰錐承受人的上體全部質(zhì)量，同時承受因人體運動的彎腰等活動，致使腰曲超出正常脊柱生理弧型而產(chǎn)生腰曲變形。因此，腰椎部分最易受到損傷，腰曲變形嚴重。為了使坐姿下的腰曲變形最小，汽車座椅靠背應提供兩點支承。第一支承位于第56胸椎之間，形成肩靠。它的高度相當于肩胛骨高度。肩胛骨面積大，可承受較大的壓力。第二支承設置在45腰椎之間的高度上，形成腰墊。在座椅設計時，要使乘坐人員有腰椎依托感、貼和感和側向穩(wěn)定感（見圖5-93）。其次，駕駛員坐在汽車座椅座墊上，長時間乘座會造成不舒適感，在造成這種不舒適感前，臀部所受的壓力是不同的。坐骨粗壯，能承受比其周圍肌肉更大的壓力，大腿底部有大血管和神經(jīng)系統(tǒng)，壓力過大會影響血液循環(huán)和神經(jīng)傳導而感到不適。所以坐墊上的壓力應按照臀部不同部位不同壓力的原則來分布，即坐骨處壓力最大，向四周逐漸減小，至大腿部位時壓力降至最低值。這就是坐墊設計的壓力分布不均勻原則。理想的座椅坐墊體壓分布曲線見圖5-94。（圖中的封閉曲線為等壓力線，數(shù)字的壓力單位為102Pa），這種情況使得座椅要有振動彈性感，坐墊與靠背要有軟硬感。圖5-93 汽車座椅靠背目前，已有企業(yè)在利用人機工程學的研究成果來設計駕駛員座椅了。比如：沃爾沃公司的F7型汽車的駕駛員座椅在三個方面可調(diào)。座高可調(diào)65mm，傾斜度可調(diào)64度，縱向位置可調(diào)130m