機(jī)械結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)要素和設(shè)計(jì)方法

一 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的任務(wù)

機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的任務(wù)是在總體設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，根據(jù)所確定的原理方案，確定并繪出具體的結(jié)構(gòu)圖，以體現(xiàn)所要求的功能。是將抽象的工作原理具體化為某類構(gòu)件或零部件，具體內(nèi)容為在確定結(jié)構(gòu)件的材料、形狀、尺寸、公差、熱處理方式和表面狀況的同時(shí)，還須考慮其加工工藝、強(qiáng)度、剛度、精度以及與其它零件相互之間關(guān)系等問題。所以，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的直接產(chǎn)物雖是技術(shù)圖紙，但結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作不是簡(jiǎn)單的機(jī)械制圖，圖紙只是表達(dá)設(shè)計(jì)方案的語言，綜合技術(shù)的具體化是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容。

二 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)有：（1）它是集思考、繪圖、計(jì)算（有時(shí)進(jìn)行必要的實(shí)驗(yàn)）于一體的設(shè)計(jì)過程，是機(jī)械設(shè)計(jì)中涉及的問題最多、最具體、工作量最大的工作階段，在整個(gè)機(jī)械設(shè)計(jì)過程中，平均約80%的時(shí)間用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)的成敗起著舉足輕重的作用。（2）機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題的多解性，即滿足同一設(shè)計(jì)要求的機(jī)械結(jié)構(gòu)并不是唯一的。（3）機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段是一個(gè)很活躍的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，常常需反復(fù)交叉的進(jìn)行。為此，在進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須了解從機(jī)器的整體出發(fā)對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的基本要求

三 機(jī)械結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)要素和設(shè)計(jì)方法

3.1結(jié)構(gòu)件的幾何要素

機(jī)械結(jié)構(gòu)的功能主要是靠機(jī)械零部件的幾何形狀及各個(gè)零部件之間的相對(duì)位置關(guān)系實(shí)現(xiàn)的。零部件的幾何形狀由它的表面所構(gòu)成，一個(gè)零件通常有多個(gè)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(lián)結(jié)部分稱為聯(lián)接表面。

零件的功能表面是決定機(jī)械功能的重要因素，功能表面的設(shè)計(jì)是零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心問題。描述功能表面的主要幾何參數(shù)有表面的幾何形狀、尺寸大小、表面數(shù)量、位置、順序等。通過對(duì)功能表面的變異設(shè)計(jì)，可以得到為實(shí)現(xiàn)同一技術(shù)功能的多種結(jié)構(gòu)方案。

3.2結(jié)構(gòu)件之間的聯(lián)接

在機(jī)器或機(jī)械中，任何零件都不是孤立存在的。因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(guān)系。

零件的相關(guān)分為直接相關(guān)和間接相關(guān)兩類。凡兩零件有直接裝配關(guān)系的，成為直接相關(guān)。沒有直接裝配關(guān)系的相關(guān)成為間接相關(guān)。間接相關(guān)又分為位置相關(guān)和運(yùn)動(dòng)相關(guān)兩類。位置相關(guān)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(dòng)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(yùn)動(dòng)相關(guān)是指一零件的運(yùn)動(dòng)軌跡與另一零件有關(guān)，如車床刀架的運(yùn)動(dòng)軌跡必須平行于于主軸的中心線，這是靠床身導(dǎo)軌和主軸軸線相平行來保證的，所以，主軸與導(dǎo)軌之間位置相關(guān)；而刀架與主軸之間為運(yùn)動(dòng)相關(guān)。

多數(shù)零件都有兩個(gè)或更多的直接相關(guān)零件，故每個(gè)零件大都具有兩個(gè)或多個(gè)部位在結(jié)構(gòu)上與其它零件有關(guān)。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，兩零件直接相關(guān)部位必須同時(shí)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(zhì)量等。同時(shí)還必須考慮滿足間接相關(guān)條件，如進(jìn)行尺寸鏈和精度計(jì)算等。一般來說，若某零件直接相關(guān)零件愈多，其結(jié)構(gòu)就愈復(fù)雜；零件的間接相關(guān)零件愈多，其精度要求愈高。例如，軸轂聯(lián)接見圖5.1。

3.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)據(jù)結(jié)構(gòu)件的材料及熱處理不同應(yīng)注意的問題

機(jī)械設(shè)計(jì)中可以選擇的材料眾多，不同的材料具有不同的性質(zhì)，不同的材料對(duì)應(yīng)不同的加工工藝，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中既要根據(jù)功能要求合理地選擇適當(dāng)?shù)牟牧希忠鶕?jù)材料的種類確定適當(dāng)?shù)募庸すに?，并根?jù)加工工藝的要求確定適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)，只有通過適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)才能使所選擇的材料最充分的發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。

設(shè)計(jì)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(xué)性能、加工性能、使用成本等信息。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)所選材料的特性及其所對(duì)應(yīng)的加工工藝而遵循不同的設(shè)計(jì)原則。

如：鋼材受拉和受壓時(shí)的力學(xué)特性基本相同，因此鋼梁結(jié)構(gòu)多為對(duì)稱結(jié)構(gòu)。鑄鐵材料的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于抗拉強(qiáng)度，因此承受彎矩的鑄鐵結(jié)構(gòu)截面多為非對(duì)稱形狀，以使承載時(shí)最大壓應(yīng)力大于最大拉應(yīng)力，圖示5.2為兩種鑄鐵支架比較。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中通常通過加大截面尺寸的方法增大結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，但是鑄造結(jié)構(gòu)中如果壁厚過大則很難保證鑄造質(zhì)量，所以鑄造結(jié)構(gòu)通常通過加筋板和隔板的方法加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度。塑料材料由于剛度差，成型后的冷卻不均勻造成的內(nèi)應(yīng)力極易引起結(jié)構(gòu)的翹曲，所以塑料結(jié)構(gòu)的筋板與壁厚相近并均勻?qū)ΨQ。

對(duì)于需要熱處理加工的零件，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)的要求有如下幾點(diǎn)：（1）零件的幾何形狀應(yīng)力求簡(jiǎn)單、對(duì)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(nèi)應(yīng)力。（3）避免銳邊尖角結(jié)構(gòu)，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(shí)易變形，開裂的傾向較大。

四 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求

機(jī)械產(chǎn)品應(yīng)用于各行各業(yè)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的內(nèi)容和要求也是千差萬別，但都有相同的共性部分。下面就機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的三個(gè)不同層次來說明對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求。

1.功能設(shè)計(jì) 滿足主要機(jī)械功能要求，在技術(shù)上的具體化。如工作原理的實(shí)現(xiàn)、工作的可靠性、工藝、材料和裝配等方面。

2．質(zhì)量設(shè)計(jì) 兼顧各種要求和限制，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和性能價(jià)格比，它是現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)的特征。具體為操作、美觀、成本、安全、環(huán)保等眾多其它要求和限制。在現(xiàn)代設(shè)計(jì)中，質(zhì)量設(shè)計(jì)相當(dāng)重要，往往決定產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。那種只滿足主要技術(shù)功能要求的機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)代已經(jīng)過去，統(tǒng)籌兼顧各種要求，提高產(chǎn)品的質(zhì)量，是現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。與考慮工作原理相比，兼顧各種要求似乎只是設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)上的問題，然而細(xì)節(jié)的總和是質(zhì)量，產(chǎn)品質(zhì)量問題不僅是工藝和材料的問題，提高質(zhì)量應(yīng)始于設(shè)計(jì)。

3．優(yōu)化設(shè)計(jì)和創(chuàng)新設(shè)計(jì) 用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變?cè)确椒ㄏ到y(tǒng)地構(gòu)造優(yōu)化設(shè)計(jì)空間，用創(chuàng)造性設(shè)計(jì)思維方法和其它科學(xué)方法進(jìn)行優(yōu)選和創(chuàng)新。

對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的提高永無止境，市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，需求向個(gè)性化方向發(fā)展。因此，優(yōu)化設(shè)計(jì)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)在現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)中的作用越來越重要，它們將是未來技術(shù)產(chǎn)品開發(fā)的競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中得到一個(gè)可行的結(jié)構(gòu)方案一般并不很難。機(jī)械設(shè)計(jì)的任務(wù)是在眾多的可行性方案中尋求較好的或是最好的方案。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的前提是要能構(gòu)造出大量可供優(yōu)選的可能性方案，即構(gòu)造出大量的優(yōu)化求解空間，這也是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最具創(chuàng)造性的地方。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)目前基本仍局限在用數(shù)理模型描述的那類問題上。而更具有潛力、更有成效的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)建立在由工藝、材料、聯(lián)接方式、形狀、順序、方位、數(shù)量、尺寸等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變?cè)鶚?gòu)成的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)解空間的基礎(chǔ)上。

五 機(jī)械結(jié)構(gòu)基本設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

機(jī)械設(shè)計(jì)的最終結(jié)果是以一定的結(jié)構(gòu)形式表現(xiàn)出來的，按所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行加工、裝配，制造成最終的產(chǎn)品。所以，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足作為產(chǎn)品的多方面要求，基本要求有功能、可靠性、工藝性、經(jīng)濟(jì)性和外觀造型等方面的要求。此外，還應(yīng)改善零件的受力，提高強(qiáng)度、剛度、精度和壽命。因此，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)綜合性的技術(shù)工作。由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的錯(cuò)誤或不合理，可能造成零部件不應(yīng)有的失效，使機(jī)器達(dá)不到設(shè)計(jì)精度的要求，給裝配和維修帶來極大的不方便。機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中應(yīng)考慮如下的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

1. 實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

產(chǎn)品的設(shè)計(jì)主要目的是為了實(shí)現(xiàn)預(yù)定的功能要求，因此實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)首先考慮的問題。要滿足功能要求，必須做到以下幾點(diǎn)。

(1)明確功能: 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是要根據(jù)其在機(jī)器中的功能和與其他零部件相互的連接關(guān)系，確定參數(shù)尺寸和結(jié)構(gòu)形狀。零部件主要的功能有承受載荷、傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，以及保證或保持有關(guān)零件或部件之間的相對(duì)位置或運(yùn)動(dòng)軌跡等。設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)應(yīng)能滿足從機(jī)器整體考慮對(duì)它的功能要求。

(2)功能合理的分配：產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)具體情況，通常有必要將任務(wù)進(jìn)行合理的分配，即將一個(gè)功能分解為多個(gè)分功能。每個(gè)分功能都要有確定的結(jié)構(gòu)承擔(dān)，各部分結(jié)構(gòu)之間應(yīng)具有合理、協(xié)調(diào)的聯(lián)系，以達(dá)到總功能的實(shí)現(xiàn)。多結(jié)構(gòu)零件承擔(dān)同一功能可以減輕零件負(fù)擔(dān)，延長(zhǎng)使用壽命。V型帶截面的結(jié)構(gòu)是任務(wù)合理分配的一個(gè)例子。纖維繩用來承受拉力；橡膠填充層承受帶彎曲時(shí)的拉伸和壓縮；包布層與帶輪輪槽作用，產(chǎn)生傳動(dòng)所需的摩擦力。例如，若只靠螺栓預(yù)緊產(chǎn)生的摩擦力來承受橫向載荷時(shí)，會(huì)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(dān)橫向載荷來解決這一問題。

(3)功能集中：為了簡(jiǎn)化機(jī)械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，降低加工成本，便于安裝，在某些情況下，可由一個(gè)零件或部件承擔(dān)多個(gè)功能。功能集中會(huì)使零件的形狀更加復(fù)雜，但要有度，否則反而影響加工工藝、增加加工成本，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)具體情況而定。

2.滿足強(qiáng)度要求的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

(1) 等強(qiáng)度準(zhǔn)則

零件截面尺寸的變化應(yīng)與其內(nèi)應(yīng)力變化相適應(yīng)，使各截面的強(qiáng)度相等。按等強(qiáng)度原理設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，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(shè)計(jì)等。見圖1。

圖1

(2) 合理力流結(jié)構(gòu)

為了直觀地表示力在機(jī)械構(gòu)件中怎樣傳遞的狀態(tài)，將力看作猶如水在構(gòu)件中流動(dòng)，這些力線匯成力流。表示這個(gè)力的流動(dòng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考察中起著重要的作用。

力流在構(gòu)件中不會(huì)中斷，任何一條力線都不會(huì)突然消失，必然是從一處傳入，從另一處傳出。力流的另一個(gè)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(yīng)力區(qū)。其它部位力流稀疏，甚至沒有力流通過，從應(yīng)力角度上講，材料未能充分利用。因此，若為了提高構(gòu)件的剛度，應(yīng)該盡可能按力流最短路線來設(shè)計(jì)零件的形狀，減少承載區(qū)域，從而累積變形越小，提高了整個(gè)構(gòu)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(yīng)盡量靠近軸承以減小懸臂長(zhǎng)度，提高軸的彎曲強(qiáng)度。圖5.4例舉幾個(gè)典型的實(shí)例。

(3) 減小應(yīng)力集中結(jié)構(gòu)

當(dāng)力流方向急劇轉(zhuǎn)折時(shí)，力流在轉(zhuǎn)折處會(huì)過于密集，從而引起應(yīng)力集中，設(shè)計(jì)中應(yīng)在結(jié)構(gòu)上采取措施，使力流轉(zhuǎn)向平緩。應(yīng)力集中是影響零件疲勞強(qiáng)度的重要因素。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量避免或減小應(yīng)力集中。其方法在相應(yīng)的章節(jié)會(huì)作介紹，如增大過度圓角、采用卸載結(jié)構(gòu)等。如圖5.5。

(4) 使載荷平衡結(jié)構(gòu)

在機(jī)器工作時(shí)，常產(chǎn)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(fù)荷，降低其精度和壽命，同時(shí)也降低了機(jī)器的傳動(dòng)效率。所謂載荷平衡就是指采取結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)措施主要采用平衡元件、對(duì)稱布置等。

例如，同一軸上的兩個(gè)斜齒圓柱齒輪所產(chǎn)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(fù)載減小。如圖5.6。

3.滿足結(jié)構(gòu)剛度的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

為保證零件在使用期限內(nèi)正常地實(shí)現(xiàn)其功能，必須使其具有足夠的剛度。

4.考慮加工工藝的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

機(jī)械零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要目的是：保證功能的實(shí)現(xiàn)，使產(chǎn)品達(dá)到要求的性能。但是，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的結(jié)果對(duì)產(chǎn)品零部件的生產(chǎn)成本及質(zhì)量有著不可低估的影響。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)力求使產(chǎn)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的零部件，或生產(chǎn)成本很高，或質(zhì)量受到影響。因此，對(duì)于設(shè)計(jì)者認(rèn)識(shí)一種加工方法的特點(diǎn)非常重要，以便在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)盡可能的揚(yáng)長(zhǎng)避短。實(shí)際中，零部件結(jié)構(gòu)工藝性受到諸多因素的制約，如生產(chǎn)批量的大小會(huì)影響坯件的生成方法；生產(chǎn)設(shè)備的條件可能會(huì)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(duì)零部件結(jié)構(gòu)的工藝性有制約作用。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮上述因素對(duì)工藝性的影響。

5.考慮裝配的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

裝配是產(chǎn)品制造過程中的重要工序，零部件的結(jié)構(gòu)對(duì)裝配的質(zhì)量、成本有直接的影響。有關(guān)裝配的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則簡(jiǎn)述如下

（1）合理劃分裝配單元

整機(jī)應(yīng)能分解成若干可單獨(dú)裝配的單元（部件或組件），以實(shí)現(xiàn)平行且專業(yè)化的裝配作業(yè)，縮短裝配周期，并且便于逐級(jí)技術(shù)檢驗(yàn)和維修。

（2）使零部件得到正確安裝

保證零件準(zhǔn)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(jié)構(gòu)無徑向定位基準(zhǔn)，裝配時(shí)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(zhǔn)，結(jié)構(gòu)合理。

-避免雙重配合。圖5.8(a)中的零件A有兩個(gè)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(jié)構(gòu)合理。

-防止裝配錯(cuò)誤。圖5.9所示軸承座用兩個(gè)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(shí)很可能將支座旋轉(zhuǎn)180°安裝，導(dǎo)致座孔中心線與軸的中心線位置偏差增大。因此，應(yīng)將兩定位銷布置在同一側(cè)，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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)保證有足夠的裝配空間，如扳手空間；避免過長(zhǎng)配合以免增加裝配難度，使配合面擦傷，如有些階梯軸的設(shè)計(jì)；為便于拆卸零件，應(yīng)給出安放拆卸工具的位置，如軸承的拆卸。

6.考慮維護(hù)修理的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

1)產(chǎn)品的配置應(yīng)根據(jù)其故障率的高低、維修的難易、尺寸和質(zhì)量的大小以及安裝特點(diǎn)等統(tǒng)籌安排，凡需要維修的零件部件，都應(yīng)具有良好的可達(dá)性；對(duì)故障率高而又需要經(jīng)常維修的部位及應(yīng)急開關(guān)，應(yīng)提供最佳的可達(dá)性。

2)產(chǎn)品特別是易損件、常拆件和附加設(shè)備的拆裝要簡(jiǎn)便，拆裝時(shí)零部件進(jìn)出的路線最好是直線或平緩的曲線。

3)產(chǎn)品的檢查點(diǎn)、測(cè)試點(diǎn)等系統(tǒng)的維護(hù)點(diǎn)，都應(yīng)布置在便于接近的位置上。

4)需要維修和拆裝的產(chǎn)品，其周圍要有足夠的操作空間。

5)維修時(shí)一般應(yīng)能看見內(nèi)部的操作，其通道除了能容納維修人員的手或臂外，還應(yīng)留有供觀察的適當(dāng)間隙。

7.考慮造型設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則

產(chǎn)品的設(shè)計(jì)不僅要滿足功能要求，而且還應(yīng)考慮產(chǎn)品造型的美學(xué)價(jià)值，使之對(duì)人產(chǎn)生吸引力。從心理學(xué)角度看，人60%的決定取決于第一印象。技術(shù)產(chǎn)品的社會(huì)屬性是商品，在買方市場(chǎng)的時(shí)代，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)一個(gè)能吸引顧客的外觀是一個(gè)重要的設(shè)計(jì)要求；同時(shí)造型美觀的產(chǎn)品可使操作者減少因精力疲憊而產(chǎn)生的誤操作。

外觀設(shè)計(jì)包括三個(gè)方面：造型、顏色和表面處理。

考慮造型時(shí)，應(yīng)注意下述三個(gè)問題：

（1）尺寸比例協(xié)調(diào)

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意保持外形輪廓各部分尺寸之間均勻協(xié)調(diào)的比例關(guān)系，應(yīng)有意識(shí)地應(yīng)用"黃金分割法"來確定尺寸，使產(chǎn)品造型更具美感。

（2）形狀簡(jiǎn)單統(tǒng)一

機(jī)械產(chǎn)品的外形通常由各種基本的幾何形體（長(zhǎng)方體、圓柱體、錐體等）組合而成。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)使這些形狀配合適當(dāng)，基本形狀應(yīng)在視覺上平衡，接近對(duì)稱又不完全對(duì)稱的外形易產(chǎn)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(diǎn)綴

在機(jī)械產(chǎn)品表面涂漆，除具有防止腐蝕的功能外，還可增強(qiáng)視覺效果。恰當(dāng)?shù)纳士墒共僮髡哐劬Φ钠诔潭冉档?，并能提高?duì)設(shè)備顯示信息的辨別能力。

單色只使用于小構(gòu)件。大的特別是運(yùn)動(dòng)構(gòu)件如果只用一種顏色就會(huì)顯得單調(diào)無層次，一個(gè)小小的附加色塊會(huì)使整個(gè)色調(diào)活躍起來。在多個(gè)顏色并存的情況下，應(yīng)有一個(gè)起主導(dǎo)作用的底色，和底色相對(duì)應(yīng)的顏色叫對(duì)比色。但在一個(gè)產(chǎn)品上，不同色調(diào)的數(shù)量不宜太多，太多的色彩會(huì)給人一種華而不實(shí)的感覺。

舒服的色彩大約位于從淺黃、綠黃到棕的區(qū)域。這個(gè)趨勢(shì)是漸暖，正黃正綠往往顯得不舒服；強(qiáng)烈的灰色調(diào)顯得壓抑。對(duì)于冷環(huán)境應(yīng)用暖色，如黃、橙黃和紅。對(duì)于熱環(huán)境用冷色，如淺藍(lán)。所有顏色都應(yīng)淡化。另外，通過一定的色彩配置可使產(chǎn)品顯得安全、穩(wěn)固。將形狀變化小的、面積較大的平面配置淺色，而將運(yùn)動(dòng)、活躍輪廓的元件配置深色；深色應(yīng)安置于機(jī)械的下部，淺色置于上部。

8.考慮成本的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

簡(jiǎn)化產(chǎn)品及維修操作

（1）設(shè)計(jì)時(shí)，要對(duì)產(chǎn)品功能進(jìn)行分析權(quán)衡，合并相同或相似功能，消除不必要的功能，以簡(jiǎn)化產(chǎn)品和維修操作。

（2）設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)在滿足規(guī)定功能要求的條件下，使其構(gòu)造簡(jiǎn)單，盡可能減少產(chǎn)品層次和組成單元的數(shù)量，并簡(jiǎn)化零件的形狀。

（3） 產(chǎn)品應(yīng)盡量設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便而可靠的調(diào)整機(jī)構(gòu)，以便于排除因磨損或飄移等原因引起的常見故障。對(duì)易發(fā)生局部耗損的貴重件，應(yīng)設(shè)計(jì)成可調(diào)整或可拆卸的組合件，以便于局部更換或修復(fù)。避免或減少互相牽連的反復(fù)調(diào)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(cè)、換件等維修操作簡(jiǎn)單方便，盡可能做到在維修任一部分時(shí)，不拆卸、不移動(dòng)或少拆卸、少移動(dòng)其他部分，以降低對(duì)維修人員技能水平的要求和工作量。

提高標(biāo)準(zhǔn)化、互換性程度

（1）優(yōu)先選用標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品

設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)優(yōu)先選用標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)備、元器件、零部件和工具等產(chǎn)品，并盡量減少其品種、規(guī)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(yīng)盡量選用滿足或稍加改動(dòng)即可滿足使用要求的通用品。

②設(shè)計(jì)時(shí)，必須使故障率高、容易損壞、關(guān)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(chǎn)品，必須能功能互換。能功能互換的產(chǎn)品，也應(yīng)實(shí)現(xiàn)安裝互換，必要時(shí)可另采用連接裝置來達(dá)到安裝互換。

④采用不同工廠生產(chǎn)的相同型號(hào)成品件必須能安裝互換和功能互換。

⑤功能相同且對(duì)稱安裝的部、組、零件，應(yīng)設(shè)計(jì)成可互換的。

⑥修改零部件或單元的設(shè)計(jì)時(shí)，不要任意更改安裝的結(jié)構(gòu)要素，破環(huán)互換性。

⑦產(chǎn)品需作某些更改或改進(jìn)時(shí)，要盡量做到新老產(chǎn)品之間能夠互換使用。

? 采用模塊化設(shè)計(jì)

a)產(chǎn)品應(yīng)按其功能設(shè)計(jì)成若干個(gè)具有互換性的模塊（或模件），其數(shù)量根據(jù)實(shí)際需要而定。需要在現(xiàn)場(chǎng)更換的部件更應(yīng)模塊（件）化。

b)模塊（件）從產(chǎn)品上卸下來以后，應(yīng)便于單獨(dú)進(jìn)行測(cè)試、調(diào)整。在更換模塊（件）后，一般應(yīng)不需要進(jìn)行調(diào)整；若必須調(diào)整時(shí)，應(yīng)簡(jiǎn)便易行。

c)模塊（件）的尺寸與質(zhì)量應(yīng)便于拆裝、攜帶或搬運(yùn)。質(zhì)量超過 4kg 不便握持的模塊（件）應(yīng)設(shè)有人力搬運(yùn)的把手。必須用機(jī)械提升的模件，應(yīng)設(shè)有相應(yīng)的吊孔或吊環(huán)。

具有完善的防差錯(cuò)措施及識(shí)別標(biāo)志

機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的工作步驟

不同類型的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jìn)行。通常是確定完成既定功能零部件的形狀、尺寸和布局。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程是綜合分析、繪圖、計(jì)算三者相結(jié)合的過程，其過程大致如下：

1. 理清主次、統(tǒng)籌兼顧：明確待設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)件的主要任務(wù)和限制，將實(shí)現(xiàn)其目的的功能分解成幾個(gè)功能。然后從實(shí)現(xiàn)機(jī)器主要功能（指機(jī)器中對(duì)實(shí)現(xiàn)能量或物料轉(zhuǎn)換起關(guān)鍵作用的基本功能）的零部件入手，通常先從實(shí)現(xiàn)功能的結(jié)構(gòu)表面開始，考慮與其他相關(guān)零件的相互位置、聯(lián)結(jié)關(guān)系，逐漸同其它表面一起連接成一個(gè)零件，再將這個(gè)零件與其它零件聯(lián)結(jié)成部件，最終組合成實(shí)現(xiàn)主要功能的機(jī)器。而后，再確定次要的、補(bǔ)充或支持主要部件的部件，如：密封、潤(rùn)滑及維護(hù)保養(yǎng)等。

2. 繪制草圖：在分析確定結(jié)構(gòu)的同時(shí)，粗略估算結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。圖中應(yīng)表示出零部件的基本形狀，主要尺寸，運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的極限位置，空間限制，安裝尺寸等。同時(shí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要充分注意標(biāo)準(zhǔn)件、常用件和通用件的應(yīng)用，以減少設(shè)計(jì)與制造的工作量。

3. 對(duì)初定的結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合分析，確定最后的結(jié)構(gòu)方案：綜合過程是指找出實(shí)現(xiàn)功能目的各種可供選擇的結(jié)構(gòu)的所有工作。分析過程則是評(píng)價(jià)、比較并最終確定結(jié)構(gòu)的工作?？赏ㄟ^改變工作面的大小、方位、數(shù)量及構(gòu)件材料、表面特性、連接方式，系統(tǒng)地產(chǎn)生新方案。另外，綜合分析的思維特點(diǎn)更多的是以直覺方式進(jìn)行的，即不是以系統(tǒng)的方式進(jìn)行的。人的感覺和直覺不是無道理的，多年在生活、生產(chǎn)中積累的經(jīng)驗(yàn)不自覺地產(chǎn)生了各種各樣的判斷能力，這種感覺和直覺在設(shè)計(jì)中起著較大的作用。

4. 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的計(jì)算與改進(jìn)：對(duì)承載零部件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行載荷分析，必要時(shí)計(jì)算其承載強(qiáng)度、剛度、耐磨性等內(nèi)容。并通過完善結(jié)構(gòu)使結(jié)構(gòu)更加合理地承受載荷、提高承載能力及工作精度。同時(shí)考慮零部件裝拆、材料、加工工藝的要求，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。在實(shí)際的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)者應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行想象和模擬，頭腦中要從各種角度考慮問題，想象可能發(fā)生的問題，這種假象的深度和廣度對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的質(zhì)量起著十分重要的作用。

5. 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的完善：按技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)指標(biāo)不斷完善，尋找所選方案中的缺陷和薄弱環(huán)節(jié)，對(duì)照各種要求和限制，反復(fù)改進(jìn)?？紤]零部件的通用化、標(biāo)準(zhǔn)化，減少零部件的品種，降低生產(chǎn)成本。在結(jié)構(gòu)草圖中注出標(biāo)準(zhǔn)件和外購件。重視安全與勞保（即勞動(dòng)條件：操作、觀察、調(diào)整是否方便省力、發(fā)生故障時(shí)是否易于排查、噪音等），對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)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(shí)造成材料或機(jī)構(gòu)的浪費(fèi)。出現(xiàn)慣性力時(shí)會(huì)失去平衡，很小的外部干擾力作用就可能失穩(wěn)，抗應(yīng)力集中和疲勞的性能也弱。

總之，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程是從內(nèi)到外、從重要到次要、從局部到總體、從粗略到精細(xì)，權(quán)衡利弊，反復(fù)檢查，逐步改進(jìn)。

審核編輯：黃飛