一 機械結構規劃的使命

機械結構規劃的使命是在整體規劃的基礎上，依據所確認的原理計劃，確認并繪出詳細的結構圖，以體現所要求的功用。是將抽象的作業原理詳細化為某類構件或零部件，詳細內容為在確認結構件的資料、形狀、尺度、公差、熱處理辦法和外表狀況的一同，還須考慮其加工工藝、強度、剛度、精度以及與其它零件彼此之間聯系等問題。所以，結構規劃的直接產物雖是技能圖紙，但結構規劃作業不是簡略的機械制圖，圖紙僅僅表達規劃計劃的語言，歸納技能的詳細化是結構規劃的根本內容。

二 機械結構規劃特色

機械結構規劃的首要特色有：（1）它是集考慮、繪圖、核算（有時進行必要的實驗）于一體的規劃進程，是機械規劃中觸及的問題最多、最詳細、作業量最大的作業階段，在整個機械規劃進程中，均勻約80%的時刻用于結構規劃，對機械規劃的成敗起著無足輕重的效果。（2）機械結構規劃問題的多解性，即滿意同一規劃要求的機械結構并不是僅有的。（3）機械結構規劃階段是一個很活潑的規劃環節，常常需重復交叉的進行。為此，在進行機械結構規劃時，有必要了解從機器的全體出發對機械結構的根本要求

三 機械結構件的結構要素和規劃辦法

3.1結構件的幾許要素

機械結構的功用首要是靠機械零部件的幾許形狀及各個零部件之間的相對方位聯系完結的。模具零配件的幾許形狀由它的外表所構成，一個零件一般有多個外表，在這些外表中有的與其它零部件外表直接觸摸，把這一部分外表稱為功用外表。在功用外表之間的聯合部分稱為聯接外表。

零件的功用外表是決定機械功用的重要要素，功用外表的規劃是零部件結構規劃的核心問題。描繪功用外表的首要幾許參數有外表的幾許形狀、尺度巨細、外表數量、方位、順序等。經過對功用外表的變異規劃，能夠得到為完結同一技能功用的多種結構計劃。

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。因而在結構規劃中除了研討零件本身的功用和其它特征外，還有必要研討零件之間的彼此聯系。

零件的相關分為直接相關和直接相關兩類。凡兩零件有直接裝置聯系的，成為直接相關。沒有直接裝置聯系的相關成為直接相關。直接相關又分為方位相關和運動相關兩類。方位相關是指兩零件在彼此方位上有要求，如減速器中兩相鄰的傳動軸，其中心距有必要確保必定的精度，兩軸線有必要平行，以確保齒輪的正常嚙合。運動相關是指一零件的運動軌道與另一零件有關，如車床刀架的運動軌道有必要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確保的，所以，主軸與導軌之間方位相關；而刀架與主軸之間為運動相關。

大都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。在進行結構規劃時，兩零件直接相關部位有必要一同考慮，以便合理地挑選資料的熱處理辦法、形狀、尺度、精度及外表質量等。一同還有必要考慮滿意直接相關條件，如進行尺度鏈和精度核算等。一般來說，若某零件直接相關零件愈多，其結構就愈雜亂；零件的直接相關零件愈多，其精度要求愈高。例如，軸轂聯接見圖5.1。

3.3 結構規劃據結構件的資料及熱處理不同應留意的問題

機械規劃中能夠挑選的資料很多，不同的資料具有不同的性質，不同的資料對應不同的加工工藝，結構規劃中既要依據功用要求合理地挑選恰當的資料，又要依據資料的種類確認恰當的加工工藝，并依據加工工藝的要求確認恰當的結構，只要經過恰當的結構規劃才能使所挑選的資料最充沛的發揮優勢。

規劃者要做到正確地挑選資料就有必要充沛地了解所選資料的力學性能、加工性能、運用本錢等信息。結構規劃中應依據所選資料的特性及其所對應的加工工藝而遵從不同的規劃原則。

如：鋼材受拉和受壓時的力學特性根本相同，因而鋼梁結構多為對稱結構。鑄鐵資料的抗壓強度遠大于抗拉強度，因而接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。鋼結構規劃中一般經過加大截面尺度的辦法增大結構的強度和剛度，可是鑄造結構中假如壁厚過大則很難確保鑄造質量，所以鑄造結構一般經過加筋板和隔板的辦法加強結構的剛度和強度。塑料資料因為剛度差，成型后的冷卻不均勻形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。

關于需求熱處理加工的零件，在進行結構規劃時的要求有如下幾點：（1）零件的幾許形狀應力求簡略、對稱，理想的形狀為球形。（2）具有不等截面的零件，其巨細截面的改動有必要陡峭，防止突變。假如相鄰部分的改動過大，巨細截面冷卻不均，必然形成內應力。（3）防止銳邊尖角結構，為了防止銳邊尖角處熔化或過熱，一般在槽或孔的邊際上切出2～３mm的倒角。（4）防止厚薄懸殊的截面，厚薄懸殊的截面在淬火冷卻時易變形，開裂的傾向較大。

四 機械結構規劃的根本要求

機械產品運用于各行各業，結構規劃的內容和要求也是千差萬別，但都有相同的共性部分。下面就機械結構規劃的三個不同層次來說明對結構規劃的要求。

1.功用規劃 滿意首要機械功用要求，在技能上的詳細化。如作業原理的完結、作業的牢靠性、工藝、資料和裝置等方面。

2．質量規劃 統籌各種要求和約束，進步產品的質量和性能價格比，它是現代工程規劃的特征。詳細為操作、漂亮、本錢、安全、環保等很多其它要求和約束。在現代規劃中，質量規劃相當重要，往往決定產品的競爭力。那種只滿意首要技能功用要求的機械規劃年代現已曩昔，統籌統籌各種要求，進步產品的質量，是現代機械規劃的關鍵所在。與考慮作業原理相比，統籌各種要求似乎僅僅規劃細節上的問題，然而細節的總和是質量，產品質量問題不僅是工藝和資料的問題，進步質量應始于規劃。

3．優化規劃和立異規劃 用結構規劃變元等辦法體系地結構優化規劃空間，用創造性規劃思維辦法和其它科學辦法進行優選和立異。

對產品質量的進步永無止境，商場的競爭日趨激烈，需求向個性化方向開展。因而，優化規劃和立異規劃在現代機械規劃中的效果越來越重要，它們將是未來技能產品開發的競爭焦點。

結構規劃中得到一個可行的結構計劃一般并不很難。機械規劃的使命是在很多的可行性計劃中尋求較好的或是最好的計劃。結構優化規劃的前提是要能結構出很多可供優選的或許性計劃，即結構出很多的優化求解空間，這也是結構規劃最具創造性的地方。結構優化規劃現在根本仍局限在用數理模型描繪的那類問題上。而更具有潛力、更有成效的結構優化規劃應建立在由工藝、資料、聯接辦法、形狀、順序、方位、數量、尺度等結構規劃變元所構成的結構規劃解空間的基礎上。

五 機械結構根本規劃原則

機械規劃的最終成果是以必定的結構形式表現出來的，按所規劃的結構進行加工、裝置，制形成最終的產品。所以，機械結構規劃應滿意作為產品的多方面要求，根本要求有功用、牢靠性、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，進步強度、剛度、精度和壽數。因而，機械結構規劃是一項歸納性的技能作業。因為結構規劃的過錯或不合理，或許形成零部件不應有的失效，使機器達不到規劃精度的要求，給裝置和修補帶來極大的不便利。機械結構規劃進程中應考慮如下的結構規劃原則。

1. 完結預期功用的規劃原則

產品的規劃首要意圖是為了完結預訂的功用要求，因而完結預期功用的規劃原則是結構規劃首要考慮的問題。要滿意功用要求，有必要做到以下幾點。

（1）清晰功用： 結構規劃是要依據其在機器中的功用和與其他零部件彼此的連接聯系，確認參數尺度和結構形狀。零部件首要的功用有接受載荷、傳遞運動和動力，以及確保或堅持有關零件或部件之間的相對方位或運動軌道等。規劃的結構應能滿意從機器全體考慮對它的功用要求。

（2）功用合理的分配：產品規劃時，依據詳細情況，一般有必要將使命進行合理的分配，即將一個功用分解為多個分功用。每個分功用都要有確認的結構承當，各部分結構之間應具有合理、協調的聯系，以到達總功用的完結。多結構零件承當同一功用能夠減輕零件擔負，延伸運用壽數。V型帶截面的結構是使命合理分配的一個比如。纖維繩用來接受拉力；橡膠填充層接受帶彎曲時的拉伸和緊縮；包布層與帶輪輪槽效果，發生傳動所需的摩擦力。例如，若只靠螺栓預緊發生的摩擦力來接受橫向載荷時，會使螺栓的尺度過大，可添加抗剪元件，如銷、套筒和鍵等，以分擔橫向載荷來處理這一問題。

（3）功用會集：為了簡化機械產品的結構，下降加工本錢，便于裝置，在某些情況下，可由一個零件或部件承當多個功用。功用會集會使零件的形狀愈加雜亂，但要有度，否則反而影響加工工藝、添加加工本錢，規劃時應依據詳細情況而定。

2.滿意強度要求的規劃原則

（1） 等強度原則

零件截面尺度的改動應與其內應力改動相適應，使各截面的強度持平。按等強度原理規劃的結構，資料能夠得到充沛的運用，然后減輕了分量、下降本錢。如懸臂支架、階梯軸的規劃等。見圖1。

（2） 合理力流結構

為了直觀地表明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。表明這個力的流動在結構規劃考察中起著重要的效果。

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道路傳遞，然后在最短道路鄰近力流密布，形成高應力區。其它部位力流稀少，乃至沒有力流經過，從應力角度上講，資料未能充沛運用。因而，若為了進步構件的剛度，應該盡或許按力流最短道路來規劃零件的形狀，削減承載區域，然后累積變形越小，進步了整個構件的剛度，使資料得到充沛運用。

如懸臂安置的小錐齒輪，錐齒輪應盡量挨近軸承以減小懸臂長度，進步軸的彎曲強度。圖5.4例舉幾個典型的實例。

（3） 減小應力會集結構

當力流方向急劇轉機時，力流在轉機處會過于密布，然后引起應力會集，規劃中應在結構上采納辦法，使力流轉向陡峭。應力會集是影響零件疲憊強度的重要要素。結構規劃時，應盡量防止或減小應力會集。其辦法在相應的章節會作介紹，如增大過度圓角、選用卸載結構等。如圖5.5。

（4） 使載荷平衡結構

在機器作業時，常發生一些無用的力，如慣性力、斜齒輪軸向力等，這些力不但添加了軸和軸襯等零件的負荷，下降其精度和壽數，一同也下降了機器的傳動效率。所謂載荷平衡就是指采納結構辦法部分或悉數平衡無用力，以減輕或消除其不良的影響。這些結構辦法首要選用平衡元件、對稱安置等。

例如，同一軸上的兩個斜齒圓柱齒輪所發生的軸向力，可經過合理挑選輪齒的旋向及螺旋角的巨細使軸向力彼此抵消，使軸承負載減小。如圖5.6。

3.滿意結構剛度的規劃原則

為確保零件在運用期限內正常地完結其功用，有必要使其具有滿意的剛度。

4.考慮加工工藝的規劃原則

機械零部件結構規劃的首要意圖是：確保功用的完結，使產品到達要求的性能。可是，結構規劃的成果對產品零部件的出產本錢及質量有著不可低估的影響。因而，在結構規劃中應力求使產品有杰出的加工工藝性

所謂好的加工工藝指的是零部件的結構易于加工制作，任何一種加工辦法都有或許不能制作某些結構的零部件，或出產本錢很高，或質量遭到影響。因而，關于規劃者認識一種加工辦法的特色非常重要，以便在規劃結構時盡或許的取長補短。實踐中，零部件結構工藝性遭到諸多要素的約束，如出產批量的巨細會影響坯件的生成辦法；出產設備的條件或許會約束工件的尺度；此外，造型、精度、熱處理、本錢等方面都有或許對零部件結構的工藝性有約束效果。因而，結構規劃中應充沛考慮上述要素對工藝性的影響。

5.考慮裝置的規劃原則

裝置是產品制作進程中的重要工序，零部件的結構對裝置的質量、本錢有直接的影響。有關裝置的結構規劃原則簡述如下

（1）合理區分裝置單元

整機應能分解成若干可獨自裝置的單元（部件或組件），以完結平行且專業化的裝置作業，縮短裝置周期，而且便于逐級技能檢驗和修補。

（2）使零部件得到正確裝置

確保零件準確的定位。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，裝置時不能確保兩孔的同軸度；圖（b）以般配的圓柱面作為定位基準，結構合理。

-防止兩層配合。圖5.8（a）中的零件A有兩個端面與零件B配合，因為制作差錯，不能確保零件A的正確方位。圖5.8（b）結構合理。

-防止裝置過錯。圖5.9所示軸承座用兩個銷釘定位。圖（a）中兩銷釘反向安置，到螺栓的距離持平，裝置時很或許將支座旋轉180°裝置，導致座孔中心線與軸的中心線方位偏差增大。因而，應將兩定位銷安置在同一側，或使兩定位銷到螺栓的距離不等

（2） 使零部件便于裝置和拆開

結構規劃中，應確保有滿意的裝置空間，如扳手空間；防止過長配合以免添加裝置難度，使配合面擦傷，如有些階梯軸的規劃；為便于拆開零件，應給出安放拆開東西的方位，如軸承的拆開。

6.考慮保護修補的規劃原則

1）產品的配置應依據其毛病率的高低、修補的難易、尺度和質量的巨細以及裝置特色等統籌安排，凡需求修補的零件部件，都應具有杰出的可達性；對毛病率高而又需求常常修補的部位及應急開關，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潔，拆裝時零部件進出的道路最好是直線或陡峭的曲線。

3）產品的查看點、測驗點等體系的保護點，都應安置在便于挨近的方位上。

4）需求修補和拆裝的產品，其周圍要有滿意的操作空間。

5）修補時一般應能看見內部的操作，其通道除了能容納修補人員的手或臂外，還應留有供調查的恰當間隙。

7.考慮造型規劃的原則

產品的規劃不僅要滿意功用要求，而且還應考慮產品造型的美學價值，使之對人發生吸引力。從心理學角度看，人60%的決定取決于第一印象。技能產品的社會特色是產品，在買方商場的年代，為產品規劃一個能吸引顧客的外觀是一個重要的規劃要求；一同造型漂亮的產品可使操作者削減因精力疲乏而發生的誤操作。

外觀規劃包括三個方面：造型、顏色和外表處理。

考慮造型時，應留意下述三個問題：

（1）尺度份額協調

在結構規劃時，應留意堅持外形概括各部分尺度之間均勻協調的份額聯系，應有認識地運用"黃金分割法"來確認尺度，使產品造型更具美感。

（2）形狀簡略統一

機械產品的外形一般由各種根本的幾許形體（長方體、圓柱體、錐體等）組合而成。結構規劃時，應使這些形狀配合恰當，根本形狀應在視覺上平衡，挨近對稱又不徹底對稱的外形易發生傾倒的感覺；盡量削減形狀和方位的改動，防止過火凌亂；改善加工工藝

（3）顏色、圖案的支撐和裝點

在機械產品外表涂漆，除具有防止腐蝕的功用外，還可增強視覺效果。恰當的顏色可使操作者眼睛的疲憊程度下降，并能進步對設備顯現信息的區分能力。

單色只運用于小構件。大的特別是運動構件假如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顏色活潑起來。在多個顏色并存的情況下，應有一個起主導效果的底色，和底色相對應的顏色叫對比色。但在一個產品上，不同顏色的數量不宜太多，太多的顏色會給人一種華而不實的感覺。

舒服的顏色大約坐落從淺黃、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；強烈的灰顏色顯得壓抑。關于冷環境運用暖色，如黃、橙黃和紅。關于熱環境用冷色，如淺藍。一切顏色都應淡化。別的，經過必定的顏色配置可使產品顯得安全、穩固。將形狀改動小的、面積較大的平面配置淡色，而將運動、活潑概括的元件配置深色；深色應安置于機械的下部，淡色置于上部。

8.考慮本錢的規劃原則

簡化產品及修補操作

（1）規劃時，要對產品功用進行剖析權衡，兼并相同或類似功用，消除不必要的功用，以簡化產品和修補操作。

（2）規劃時，應在滿意規定功用要求的條件下，使其結構簡略，盡或許削減產品層次和組成單元的數量，并簡化零件的形狀。

（3） 產品應盡量規劃簡潔而牢靠的調整組織，以便于掃除因磨損或飄移等原因引起的常見毛病。對易發生部分耗損的寶貴件，應規劃成可調整或可拆開的組合件，以便于部分替換或修復。防止或削減互相牽連的重復調校。

（4）要合理安排各組成部分的方位，削減連接件、固定件、使其檢測、換件等修補操作簡略便利，盡或許做到在修補任一部分時，不拆開、不移動或少拆開、少移動其他部分，以下降對修補人員技能水平的要求和作業量。

進步標準化、交換性程度

（1）優先選用標準化的產品

規劃時應優先選用標準化的設備、元器件、零部件和東西等產品，并盡量削減其品種、規格。

（2）進步交換性和通用化程度

①在不同的配備中最大極限地選用通用的組件、元器件、零部件，并盡量削減其品種。元器件、零部件及其附件、東西應盡量選用滿意或稍加改動即可滿意運用要求的通用品。

②規劃時，有必要使毛病率高、容易損壞、關鍵性的零部件或單元具有杰出的交換性和通用性。

③能裝置交換的產品，有必要能功用交換。能功用交換的產品，也應完結裝置交換，必要時可另選用連接裝置來到達裝置交換。

④選用不同工廠出產的相同類型成品件有必要能裝置交換和功用交換。

⑤功用相同且對稱裝置的部、組、零件，應規劃成可交換的。

⑥修改零部件或單元的規劃時，不要任意更改裝置的結構要素，破環交換性。

⑦產品需作某些更改或改善時，要盡量做到新老產品之間能夠交換運用。

選用模塊化規劃

a）產品應按其功用規劃成若干個具有交換性的模塊（或模件），其數量依據實踐需求而定。需求在現場替換的部件更應模塊（件）化。

b）模塊（件）從產品上卸下來以后，應便于獨自進行測驗、調整。在替換模塊（件）后，一般應不需求進行調整；若有必要調整時，應簡潔易行。

c）模塊（件）的尺度與質量應便于拆裝、攜帶或轉移。質量超越 4kg 不便握持的模塊（件）應設有人力轉移的把手。有必要用機械提高的模件，應設有相應的吊孔或吊環。

具有完善的防差錯辦法及識別標志

機械結構規劃的作業進程

不同類型的機械結構規劃中各種詳細情況的差別很大，沒有必要以某種進程按部就班的進行。一般是確認完結既定功用零部件的形狀、尺度和布局。結構規劃進程是歸納剖析、繪圖、核算三者相結合的進程，其進程大致如下：

1. 理清主次、統籌統籌：清晰待規劃結構件的首要使命和約束，將完結其意圖的功用分解成幾個功用。然后從完結機器首要功用（指機器中對完結能量或物料轉換起關鍵效果的根本功用）的零部件入手，一般先從完結功用的結構外表開端，考慮與其他相關零件的彼此方位、聯合聯系，逐步同其它外表一同連接成一個零件，再將這個零件與其它零件聯合成部件，最終組合成完結首要功用的機器。然后，再確認非必須的、補充或支撐首要部件的部件，如：密封、潤滑及保護保養等。

2. 制作草圖：在剖析確認結構的一同，粗略預算結構件的首要尺度并按必定的份額，經過制作草圖，初定零部件的結構。圖中應表明出零部件的根本形狀，首要尺度，運動構件的極限方位，空間約束，裝置尺度等。一同結構規劃中要充沛留意標準件、常用件和通用件的運用，以削減規劃與制作的作業量。

3. 對初定的結構進行歸納剖析，確認最后的結構計劃：歸納進程是指找出完結功用意圖各種可供挑選的結構的一切作業。剖析進程則是點評、比較并最終確認結構的作業。可經過改動作業面的巨細、方位、數量及構件資料、外表特性、連接辦法，體系地發生新計劃。別的，歸納剖析的思維特色更多的是以直覺辦法進行的，即不是以體系的辦法進行的。人的感覺和直覺不是無道理的，多年在生活、出產中積累的經驗不自覺地發生了各式各樣的判斷能力，這種感覺和直覺在規劃中起著較大的效果。

4. 結構規劃的核算與改善：對承載零部件的結構進行載荷剖析，必要時核算其承載強度、剛度、耐磨性等內容。并經過完善結構使結構愈加合理地接受載荷、進步承載能力及作業精度。一同考慮零部件裝拆、資料、加工工藝的要求，對結構進行改善。在實踐的結構規劃中，規劃者應對規劃內容進行幻想和模擬，頭腦中要從各種角度考慮問題，幻想或許發生的問題，這種假象的深度和廣度對結構規劃的質量起著十分重要的效果。

5. 結構規劃的完善：按技能、經濟和社會指標不斷完善，尋找所選計劃中的缺點和薄弱環節，對照各種要求和約束，重復改善。考慮零部件的通用化、標準化，削減零部件的品種，下降出產本錢。在結構草圖中注出標準件和外購件。注重安全與勞保（即勞動條件：操作、調查、調整是否便利省力、發生毛病時是否易于排查、噪音等），對結構進行完善。

6. 形狀的平衡與漂亮：要考慮直觀上看物體是否勻稱、漂亮。外觀不均勻時形成資料或組織的浪費。出現慣性力時會失去平衡，很小的外部干擾力效果就或許失穩，抗應力會集和疲憊的性能也弱。

總之，機械結構規劃的進程是從內到外、從重要到非必須、從部分到整體、從粗略到精密，權衡利弊，重復查看，逐步改善。