1.5　机械结构设计

结构设计是机械设计的重要环节，它包括总体结构和零部件结构设计。

1.5.1　结构设计的重要性

机械结构设计是机械设计的重要组成部分，它的重要性体现在以下几个方面：

（1）结构是实现机械功能的载体，没有结构就没有机械。用户使用机械是使用它的功能，而机械的功能是通过它的结构实现的。设计师的任务就是设计出具有预期功能的机械结构。

（2）机械制造的对象是机械结构。设计阶段对机械结构的性能和成本有决定性的作用。

（3）机械结构是设计计算的基础和计算结果的体现。进行机械设计要作大量的分析、计算和试验，其目的是把结构设计得更好。设计计算和结构设计常要反复、交叉进行。如设计机械传动装置，首先根据电动机转速和工作机转速，计算传动装置的传动比。然后选择传动装置的类型（如齿轮、蜗杆传动、带传动等），选定以后，计算传动装置的主要参数，画出传动装置草图后，根据齿轮、轴承、轴的尺寸，计算轴承、轴的尺寸，画出传动装置的装配图和零件图。

由此可以看出，结构设计在机械设计中占有重要地位。

1.5.2　机械结构设计的准则

机械结构设计的主要目标是实现产品的规定功能、延长寿命、制造方便、降低成本。结构设计必须遵守明确、简单和安全可靠的基本原则。为了实现这三个原则，设计结构要考虑使用者、制造者、经济性和节能减排等各方面的要求。

为了使初学机械设计者迅速掌握机械结构设计的思路和方法，把这些知识总结成《机械结构设计准则与实例》，以便于学习和掌握。下面对此作一些扼要的介绍，并举出一些实例。

1.考虑满足使用要求的设计准则

确定设计任务必须经过仔细全面的调查研究和分析（参见案例分析1-1），慎重确定机器的主要参数，简化机器的动作要求，避免原理性错误，正确选择原动机，注意使用条件、生产条件和国家的有关规定等准则。

在研究使用要求时，不但要注意要求什么，还要注意不要求什么，仔细分析设计要求，寻找解决问题的途径。例如，一个电子器件制造用的工作台，要求在平面内x、y轴两个方向能够移动和在水平面内转动。按一般经验，如机床，要求做成三层的工作台，满足三个运动要求。但是，仔细研究设计对象的使用要求以后发现，在x、y轴方向的移动只要求各移动±3mm，在平面中的转动只要求±3°，而且受力很小。根据这些要求的特点，设计者设计了一个单层工作台，如图1-2所示。转动螺旋3实现x轴方向移动，同步转动螺旋4、5实现y轴方向移动，以不同速度转动螺旋4、5可以实现工作台转动。

这一设计根据使用要求的特点，创造性地设计了一种新的结构。

2.考虑机械装置承载能力、寿命、精度的设计准则

（1）提高强度和刚度的设计准则。包括减小机械零件受力，减小机械零件的应力，提高零件的强度，减小变形，正确选择材料等准则。如图1-3所示，压力容器的密封盖用螺栓固定，图1-3（a）所示的结构螺栓受力很大；图1-3（b）所示的结构，容器内压力有助于密封盖压紧，螺栓受力很小。

（2）提高精度的设计准则。包括误差合理配置，消除空回，误差均化，误差传递，误差补偿，符合阿贝原理等准则。例如：图1-4所示为精密螺旋加工机床的校正尺补偿机构。对于精密螺纹磨床，由于进给丝杠的误差，会引起被加工螺旋的螺距误差。这一误差可以用补偿的方法消除。做法是利用精密测量装置，测得螺旋机构的误差以后，制造一个图1-4所示的校正尺。在加工时，丝杠转动带动螺母左右移动，导杆的触头沿校正尺的边缘滑动，其上缘的曲线使导杆转动一个很小的角度，螺母也随之转动。由于这一附加的转动，使螺母多走一点，或少走一点，如果校正尺的曲线设计合理，则可以完全补偿丝杠螺距误差引起的加工误差，从而提高了机床的加工精度。

（3）提高耐磨性的设计准则。包括采用耐磨性高的材料组合，避免有害物质进入摩擦表面之间，加大摩擦面尺寸，正确选择润滑剂并保证有足够的润滑剂在摩擦表面，减少摩擦面之间的相对运动和压力，设置容易更换的易损件，减少磨损的不利影响等准则。如图1-5所示，两个图中由于磨损产生的凸轮与触点接触处的误差同为δ1、δ2，图1-5（a）中滑块的运动误差为Δ1=δ1+δ2，而图1-5（b）中滑块的运动误差为Δ2=δ1-δ2，因此该结构比较合理。

（4）提高耐腐蚀性的设计准则。常见的有避免产生腐蚀的结构，设置容易更换的易腐蚀件等。如图1-6（a）所示，未排放干净的液体会引起腐蚀，应该采用图1-6（b）所示的结构。

3.考虑提高工艺性的设计准则

设计机械零部件的结构，必须考虑结构的工艺性。要求设计者在保证使用功能的前提下，力求所设计的零部件在制造过程中生产率高、材料消耗少、生产成本低、节约能源减少排放。下面举出几个铸造、焊接、热处理、机械加工、装配等工艺性的设计准则。

（1）对于铸件常常遇到的工艺性设计准则：

①铸造方法与零件性能要求、形状、尺寸和生产批量相适应准则。铸造方法常用的有砂型铸造、金属型铸造、压力铸造、熔模铸造、壳型铸造、离心铸造等，按零件的要求和特点选择适用的铸造方法。

②按规定选择铸件的壁厚、圆角、凸台等尺寸。

③便于制造木模准则。对于砂型铸造，应该使铸件形状对称，表面凹凸尽量减少，避免用活块，内外部形状尽量用平面等，如图1-7所示。

④浇铸和冷却过程中能保证铸件质量准则。铸造零件应该避免水平的大平面[见图1-8（a）]，因为在浇铸时由于金属漫流会产生浇铸不足、冷隔等缺陷。在平面上面增加一些肋[见图1-8（b）]，使金属流动的通道增加，而且加大了刚度可以减小变形。如果铸造时把大平面放在下面，而且处于倾斜位置浇铸[见图1-8（c）]，也可以得到较好效果。

（2）对于焊接零件，应该注意焊接件不可简单模仿铸件，应尽量简化焊接件结构，减少焊接件应力集中，减少焊缝受力，避免焊缝集中，避免焊缝汇集等，如图1-9、图1-10、图1-11所示。

（3）对于热处理件，应该注意合理选择热处理方法，考虑材料的淬透深度，避免热处理引起变形和裂纹等，如图1-12所示。

（4）对于机械加工件，应该考虑以下设计准则：减少机械加工工作量，减少手工加工或补充加工，简化被加工面的形状，便于夹持和测量，避免刀具处于不利的工作条件等结构设计准则，如图1-13～图1-17所示。

（5）图1-17（a）中零件1、2靠零件3的凸起圆柱形对中，但两个对中面不能在一次切削中完成，对中较差。图1-17（b）中，零件3的孔在一次加工中作出，零件1、2的圆柱形配合面对中较好。

（6）对于装配，应该考虑以下设计准则：为避免安装错误，不影响正常工作，应减少安装时的手工操作，自动安装时应使零件容易夹持和运输，避免试车时出现事故，如图1-18～图1-20所示。

（7）考虑维修、回用的结构设计准则：尽量用标准件，合理划分部件，易损件应容易拆卸，避免零件在使用中损坏，注意用户的维修水平和条件，考虑维修时修复可能，如图1-21～图1-23所示。