機械結構設計的任務是在總體設計和已確定的原理方案的基礎上，確定並繪制具體的結構圖，以反映所需的功能。它是將抽象的工作原理具體化為某壹類部件或零件。具體內容是在確定結構件的材料、形狀、尺寸、公差、熱處理方式、表面狀況的同時，還必須考慮其加工工藝、強度、剛度、精度以及與其他零件的關系。因此，雖然結構設計的直接產物是技術圖紙，但結構設計不是簡單的機械制圖，圖紙只是表達設計方案的語言，綜合技術的具體化才是結構設計的基本內容。
5.1.2機械結構設計特點
機械結構設計的主要特點是:(1)它是壹個集思維、繪圖、計算(有時還包括必要的實驗)於壹體的設計過程。是機械設計中涉及問題最多、最具體、工作量最大的壹個工作階段。在整個機械設計過程中，平均有80%左右的時間花在結構設計上，對機械設計的成敗起著決定性的作用。(2)機械結構設計的多重性，即滿足相同設計要求的機械結構不是唯壹的。(3)機械結構設計階段是壹個非常活躍的設計環節，經常需要重復和交叉。因此，在設計機械結構時，我們必須從整機的角度了解對機械結構的基本要求。
5.2機械結構零件的結構要素和設計方法
結構構件的幾何特征
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系來實現的。部件的幾何形狀由它的表面組成。壹個部件通常有多個面，其中壹些面與其他部件的面直接接觸，這部分面稱為功能面。功能面之間的耦合部分稱為耦合面。
零件的功能曲面是決定機械功能的重要因素，功能曲面的設計是零件結構設計的核心問題。描述功能表面的主要幾何參數是表面的幾何形狀、尺寸、數量、位置和順序。通過功能曲面的變異設計，可以獲得多種結構方案來實現相同的技術功能。
5.2.2結構構件之間的連接
在機器或機械中，沒有任何部件是孤立存在的。因此，在結構設計中，除了研究零件本身的功能和其他特性外，還必須研究零件之間的關系。
零件的相關性可分為直接相關性和間接相關性。當兩個零件有直接裝配關系時，它們就成為直接相關的。沒有直接組裝關系的關聯就變成了間接關聯。間接相關可以分為位置相關和運動相關。位置相關是指兩個零件在相互位置上有要求。比如減速器中相鄰兩根傳動軸的中心距必須保證壹定的精度，兩軸必須平行，被V的數值煩到了？d，那T呢？妳敢侵犯妳的嘴嗎？腦子？發生了什麽事?發泄？妳對它著迷嗎？旒匭 狑 狑 狑 狑 狑 狑 狑 狑 狑 狑 狑 狑 狑 狑 狑 狑 狑 狑 狑 狑 狑 狑 狑29①①①①②①①①①①①②①①①①②①①②①①①①①②①①①②①①①①①①①①931妳怎麽了？妳喜歡什麽？妳尷尬嗎？哎？碩？鳥嘴呢？BR & gt
大多數零件都有兩個或兩個以上直接相關的零件，所以在結構上每個零件都有兩個或兩個以上與其他零件相關的零件。在結構設計中，必須同時考慮兩部分直接相關的部分，以合理選擇材料的熱處理方式、形狀、尺寸、精度和表面質量。同時還要考慮滿足間接相關條件，比如尺寸鏈、精度計算等。壹般來說，如果與壹個零件直接相關的零件越多，其結構就會越復雜。間接相關的零件越多，精度要求就越高。例如，集線器連接見圖5.1。
5.2.3根據結構件材料和熱處理的不同，結構設計中應註意的問題。
機械設計中有很多材料可以選擇。不同的材料有不同的性質，不同的材料對應不同的加工工藝。在結構設計中，要根據功能要求合理選擇合適的材料，根據材料的種類確定合適的加工工藝，根據加工工藝的要求確定合適的結構。只有通過適當的結構設計，所選材料才能充分發揮其優勢。
為了正確選擇材料，設計人員必須充分了解所選材料的力學性能、加工性能、使用成本等信息。在結構設計中，應根據所選材料的特性及其相應的加工工藝，遵循不同的設計原則。
比如鋼材在受拉和受壓時的力學性能基本相同，所以鋼梁結構大多是對稱的。鑄鐵材料的抗壓強度遠大於抗拉強度，所以承受彎矩的鑄鐵結構截面大多是非對稱的，以至於承受時最大壓應力大於最大拉應力。圖5.2顯示了兩種鑄鐵支架的比較。在鋼結構設計中，通常通過增大截面尺寸來增加結構的強度和剛度，但在澆註結構中，如果壁厚過大，很難保證澆註質量，因此通常采用加勁板和隔板來加強澆註結構的剛度和強度。由於塑料材料剛性差，鑄造後冷卻不均勻產生的內應力容易造成結構的翹曲，所以塑料結構的筋板接近壁厚且均勻對稱。
對於需要熱處理的零件，對結構設計的要求如下:(1)零件的幾何形狀應簡單對稱，理想形狀應為球形。(2)對於截面不等的零件，截面的變化必須平緩，避免突然變化。如果相鄰部位變化過大，大小斷面冷卻不均勻，必然會形成內應力。(3)避免尖銳的棱角。為了防止尖銳的棱角熔化或過熱，壹般在槽或孔的邊緣切割2 ~ 3 mm的倒角。(4)避免不同厚度的截面，這些截面在淬火和冷卻過程中容易變形，有較大的開裂傾向。
5.3.1機械結構設計基本要求
各行各業都在使用機械產品，結構設計的內容和要求也有很大不同，但都有相同的部分。以下三個不同層次的機械結構設計將解釋結構設計的要求。
1.功能設計滿足主要機械功能的要求，在技術上是具體的。比如工作原理的實現，工作可靠性，工藝，材料，裝配。
2.質量設計考慮到各種要求和限制，提高產品的質量和性價比，這是現代工程設計的特點。具體來說，還有操作、美觀、成本、安全、環保等諸多其他要求和限制。在現代設計中，品質設計非常重要，往往決定了產品的競爭力。機械設計只滿足主要技術和功能要求的時代已經過去了。兼顧所有要求，提高產品質量，是現代機械設計的關鍵。比起考慮工作原理，兼顧各種要求似乎只是設計細節的問題。但是，細節的總和就是質量，產品的質量不僅僅是工藝和材料的問題。提高質量應該從設計開始。
3.優化設計與創新設計用結構設計變量系統地構建優化設計空間，用創造性設計思維方法等科學方法進行優化創新。
產品質量的提高是無止境的，市場競爭日益激烈，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發揮著越來越重要的作用，它們將是未來技術產品開發的競爭焦點。
在結構設計中，壹般不難得到壹個可行的結構方案。機械設計的任務是在眾多可行的方案中尋求更好或最佳的方案。結構優化設計的前提是構造大量可能的優化方案，即構造大量的優化解空間，這也是結構設計最有創意的地方。目前，結構優化設計基本上限於用數學模型描述的那類問題。更有潛力和更有效的結構優化設計，應該是基於工藝、材料、連接方式、形狀、順序、朝向、數量、尺寸等結構設計變量構成的結構設計解空間。機械結構的基本設計標準
機械設計的最終結果以壹定的結構形式表現出來，按照設計的結構進行加工裝配，制成最終產品。所以機械結構設計作為壹個產品要滿足很多要求，基本要求包括功能、可靠性、可制造性、經濟性和外觀造型。另外要改善零件的受力，提高強度、剛度、精度和使用壽命。因此，機械結構設計是壹項綜合性的技術工作。由於錯誤或不合理的結構設計，可能會造成零件不應有的失效，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便。在機械結構設計過程中，應考慮以下結構設計標準。
1.實現預期功能的設計準則
2.滿足強度要求的設計標準
3.滿足剛性結構的設計標準。
4.考慮加工技術的設計標準。
5.考慮裝配的設計標準。
6.考慮模型設計的標準
機械結構的基本設計標準
1.實現預期功能的設計準則
產品設計的主要目的是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中首先要考慮的。為了滿足功能需求，我們必須做到以下幾點。
(1)明確功能:結構設計就是根據其在機器中的功能以及與其他部件的連接關系來確定參數大小和結構形狀。零件的主要功能是承受載荷，傳遞運動和動力，保證或維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)合理分配功能:在產品設計中，通常需要根據具體情況合理分配任務，即將壹項功能分解為多個子功能。每個子功能要有明確的結構承諾，結構的各個部分要有合理協調的聯系，以達到總功能的實現。承擔相同功能的多結構零件可以減輕零件負擔，延長使用壽命。具有V形截面的結構是合理任務分配的壹個例子。纖維繩用來承受拉力；橡膠填充層承受皮帶彎曲時的拉力和壓力；布塗層與滑輪槽相互作用，產生傳動所需的摩擦力。例如，如果只靠螺栓預緊產生的摩擦力來承受側向載荷，螺栓的尺寸會過大，可以增加銷釘、套筒、鍵等剪切構件來分擔側向載荷來解決這個問題。
(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，壹個零件或部件可以承擔多種功能。功能集中會使零件形狀更加復雜，但要適度，否則會影響加工工藝，增加加工成本，設計時要根據具體情況而定。
機械結構的基本設計標準
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與其內應力的變化相適應，使各截面的強度相等。按照等強度原則設計的結構可以充分利用材料，從而減輕重量，降低成本。如懸臂支撐和階梯軸的設計。參見圖5.3。
圖5.3
(2)合理的力流結構
為了直觀地表達力在機械構件中是如何傳遞的狀態，把力看成是在構件中流動的水，這些力線匯聚成壹股力流。說明這種力的流動在結構設計研究中起著重要的作用。
力流在構件中不會中斷，任何壹條力線都不會突然消失。必須從壹個地方引進，從另壹個地方傳播。力流的另壹個特點是傾向於沿最短路徑傳遞，使力流在最短路徑附近密集，形成高應力區。其他部位的力流稀疏，甚至沒有力流通過。從受力角度看，材料沒有得到充分利用。因此，為了提高構件的剛度，零件的形狀應盡可能按照力流的最短路徑來設計，減少承載面積，使累積變形越小，整個構件的剛度提高，材料得到充分利用。
例如，懸臂布置的小錐齒輪應盡可能靠近軸承，以減少懸臂長度，提高軸的彎曲強度。圖5.4說明了幾個典型的例子。
(3)減少應力集中的結構
當力流方向急轉彎時，力流在轉折處會過於密集，造成應力集中。設計中應采取措施使力流平緩轉向。應力集中是影響零件疲勞強度的重要因素。在結構設計中，應盡可能避免或減少應力集中。其方法將在相應章節介紹，如增加多余圓角和采用卸荷結構。如圖5.5所示。
(4)平衡負載的結構
機器在工作時，往往會產生壹些無用的力，如慣性力和斜齒輪的軸向力，不僅增加了軸和襯套的載荷，降低了其精度和壽命，也降低了機器的傳動效率。所謂負荷平衡，是指采取結構性措施，部分或全部平衡力的不足，以減少或消除其不利影響。這些結構措施主要采用平衡元素和對稱排列。
比如同壹根軸上的兩個斜齒圓柱齒輪產生的軸向力，可以通過合理選擇輪齒的旋轉方向和螺旋角來抵消，從而降低軸承負荷。如圖5.6所示。
機械結構的基本設計標準
3.滿足結構剛度的設計標準。
為了保證零件在使用壽命內的正常功能，必須使其具有足夠的剛度。
機械結構的基本設計標準
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，使產品達到所需的性能。然而，結構設計的結果對產品零件的生產成本和質量有著不可估量的影響。因此，在結構設計上，要努力使產品具有良好的加工工藝。
所謂好的加工工藝，就是零件的結構容易加工制造，任何加工方法都不壹定能制造出壹定結構的零件，或者生產成本高，或者質量受影響。因此，對於設計人員來說，了解壹種加工方法的特點是非常重要的，以便在設計結構時最大限度地揚長避短。在實際中，零件結構的可制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、成本等方面都可能制約零件結構的可制造性。因此，在結構設計中應充分考慮上述因素對工藝性的影響。
機械結構的基本設計標準
5.考慮裝配的設計標準。
裝配是產品制造中的壹個重要過程，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)組裝單元的合理劃分
整機要分解成若幹個可以單獨裝配的單元(零件或總成)，實現並行化、專業化的裝配作業，縮短裝配周期，便於分步進行技術檢查和維修。
(2)使零件正確安裝
-確保零件的準確定位。圖5.7所示的兩個法蘭用普通螺栓連接。圖(a)所示的結構沒有徑向定位基準，裝配時無法保證兩個孔的同軸度。圖(b)以配合圓柱面為定位基準，結構合理。
——避免雙重合作。圖5.8(a)中的零件A有兩個端面與零件b相匹配，由於制造誤差，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所示的軸承座用兩個銷定位。在圖(a)中，兩個銷以相反的方向排列，到螺栓的距離相等。裝配時，很可能軸承旋轉180，導致座孔中心線與軸中心線的位置偏差增大。因此，兩個定位銷應布置在同壹側，或者兩個定位銷與螺栓之間的距離不相等。
圖5.9
(2)零件易於組裝和拆卸。
在結構設計上，要保證有足夠的裝配空間，比如扳手空間；避免配合過長，以免增加裝配難度，劃傷配合面，比如壹些階梯軸的設計；為了便於拆卸零件，應給出拆卸工具放置的位置，如拆卸軸承。如圖5-10所示。
機械結構的基本設計標準
6.考慮模型設計的標準
產品設計不僅要滿足功能要求，還要考慮產品造型的美學價值，使其對人具有吸引力。從心理學角度來說，人的決定有60%取決於第壹印象。技術產品的社會屬性是商品。在買方市場時代，為產品設計壹個吸引人的外觀是壹個重要的設計要求。同時，產品外形美觀，可減少因能源耗盡而導致的誤操作。
外觀設計包括造型、色彩、表面處理三個方面。
在考慮建模時，我們應該註意以下三個問題:
(1)大小比例協調
在結構設計中，要註意保持輪廓各部分尺寸的統壹協調的比例關系，有意識地應用“黃金分割法”來確定尺寸，使產品造型更加美觀。
(2)造型簡潔統壹
機械產品的形狀通常由各種基本幾何形狀(長方體、圓柱體、圓錐體等)組成。).在結構設計上，這些造型要搭配得當，基本造型要視覺平衡。接近對稱又不完全對稱的形狀容易有傾倒感。盡量減少形狀和位置的變化，以避免過度混亂；改進加工技術
(3)顏色和圖案的支持和修飾
在機械產品表面噴漆不僅可以防腐，還可以增強視覺效果。適當的顏色可以減輕操作者眼睛的疲勞，提高對設備顯示信息的分辨能力。
單色僅用於小部件。大的運動部件，尤其是只用壹種顏色，會顯得單調而沒有層次感，壹個小的附加色塊會使整個色調活躍起來。在多種顏色並存的情況下，應該有壹種占優勢的背景色，與背景色相對應的顏色稱為對比色。但是在壹個產品中，不同色調的數量不能太多，顏色太多會給人華而不實的感覺。
舒適的顏色從淺黃、綠黃到棕色。這種趨勢越來越暖，經常黃綠不舒服；強烈的灰色調讓人壓抑。黃色、橙色和紅色等暖色適用於寒冷的環境。對於炎熱的環境，使用冷色，如淺藍色。所有顏色都應該是
稀釋。另外，通過壹定的顏色配置，產品可以顯得安全穩定。形狀變化小、面積大的平面用淺色配置，移動、活動輪廓的元素用深色配置；深色要放在機器的下部，淺色要放在上部。
5.4機械結構設計的工作步驟
不同類型機械結構的設計，各種具體情況差異很大，有些步驟不必循序漸進。通常是確定完成給定功能的零件的形狀、尺寸和布局。結構設計過程是綜合分析、繪圖和計算的結合，其過程大致如下:
1.明確主次，統籌考慮:明確所要設計的結構構件的主要任務和局限性，將實現其目標的功能分解為若幹功能。然後，從實現機器主要功能的零件(在機器中實現能量或物質轉換起關鍵作用的基本功能)入手，我們通常從實現功能的結構面入手，考慮與其他相關零件的相互位置和連接關系，逐步將其與其他曲面連接起來形成壹個零件，再將這個零件與其他零件連接起來形成壹個零件，最後組合成實現主要功能的機器。然後，確定補充或支撐主要部件的次要部件，如密封、潤滑、維護等。
2.草圖:在分析和確定結構的同時，粗略估算結構零件的主要尺寸，通過草圖初步確定零件的結構。圖紙應顯示基本形狀、主要尺寸、運動部件的極限位置、空間限制、安裝尺寸等。同時，在結構設計中應充分註意標準件、常用件和常用件的應用，以減少設計和制造的工作量。
3.對初始結構進行綜合分析，確定最終結構方案:綜合過程是指找出各種備選結構以達到功能目的的全部工作。分析過程是評估、比較並最終確定結構的工作。通過改變工作面的大小、方位、數量、構件材料、表面特征和連接方式，可以系統地生成新的方案。另外，綜合分析的思維特點更直觀，即不系統。人的感覺和直覺不是沒有道理的，多年生活和生產中積累的經驗在不知不覺中產生了各種判斷能力，在設計中起著很大的作用。
4.結構設計的計算和改進:分析結構承載部件的載荷，必要時計算其承載強度、剛度、耐磨性等內容。通過改進結構，使結構更合理地承受載荷，提高承載能力和工作精度。同時考慮零件拆裝、材料和加工工藝的要求，對結構進行了改進。在實際的結構設計中，設計師要對設計內容進行想象和模擬，在頭腦中從各種角度考慮問題，想象可能出現的問題。這種錯覺的深度和廣度對結構設計的質量起著非常重要的作用。
5.結構設計的完善:根據技術、經濟、社會指標不斷改進，找出所選方案中的缺陷和薄弱環節，根據各種要求和限制進行反復改進。考慮零件的通用化和標準化，減少零件的種類，降低生產成本。請註意結構草圖中的標準件和外購件。註意安全和勞動保護(即工作條件:操作、觀察、調整是否方便省力，發生故障時是否容易檢查，噪音等。)，並完善結構。
6.形狀的平衡美:需要直觀地考慮物體是否對稱美。不均勻的外觀造成材料或機構的浪費。慣性力出現時會失去平衡，小的外界幹擾力可能會不穩定，抗應力集中和疲勞的能力也較弱。
總之，機械結構設計的過程是由內而外，由重要到次要，由局部到整體，由粗到細，權衡利弊，反復校核，逐步完善。
總結
機械結構設計在機械設計中占有重要地位。本章主要論述機械結構設計的特點、步驟和思維方式。機器的工作原理和裝配的設計要求是決定零件結構和形狀的主要因素，其次是材料選擇和制造工藝的要求，使其具有良好的工藝性(加工和裝配)。此外，零件結構和形狀的完善對強度和剛度的提高有很大影響。