机械结构设计基本原则

机械结构设计基本原则目录一、改善力学性能的结构设计原则.（一）载荷分担原则.（二）均匀受载原则（载荷均布）.（三）附加力自平衡原则（载荷平衡）.（四）减小应力集中.（五）提高接触强度原则.（六）提高刚度原则.（七）变形协调原则.（八）等强度原则.（九）其它.二、改善制造工艺性的结构设计原则.（一）焊接件结构设计原则.（二）铸件结构设计原则.（三）切削件结构设计原则.（四）锻件结构设计原则.（五）薄板件结构设计原则.（六）其它.三、提高装配质量的结构设计原则.（一）便于运送原则.（二）便于方位识别原则.（三）方便抓取原则.（四）方便定位原则.五）简化装配操作原则.六）可装配原则.（七）各装配面依次装配原则.（八）简单联接件原则.（九）便于拆卸原则.四、提高精度的结构设计原则.（）阿贝（Abbe）原则.（二）误差校正与补偿.（三）误差均化.（四）误差配置.（五）位置精确微调.五、宜人化结构设计原则.（）减小操作者疲劳的结构.（二）易于发力的结构.（三）减少操作者观察错误的结构.（四）减少操作者操作错误的结构.（五）考虑人体的振动特性的结构及减少操作环境噪声的结构 0.（六）减弱工作环境光线照度的结构.（七）保证合适工作环境温度的结构.六、其它机械结构设计要求简介.（）减轻腐蚀的结构.（二）符合材料热胀冷缩性质的结构.讨论题.机械结构设计基本原则机械工程师更好地适应现代机械设计的要素之一就是掌握丰富的工程知识。工程知识是 连接基础理论与实践经验的桥梁，是现代工程师专业知识结构的本质特征。掌握一定的工程 知识是正确进行机械结构设计的前提，有些结构错误对一个缺乏工程知识的设计者来说是不 易事先觉察的。（见图）这一节从改善力学性能、制造工艺性、制造精度及装配精度等方面来介绍一些机械结构 设计的基本原则。这些基本原则体现了一些重要的机械结构设计工程知识，分类符合机械工 程师的工作特点，简捷明了，具体生动，操作性强，便于学习。一、改善力学性能的结构设计原则机械结构形式千差万别，但其功能的实现几乎都与力（力矩）的产生、转换传递有关。机械 零件具有足够的承载能力是保障机械结构功能实现的先决条件。所以在机械结构设计中，根 据力学理论对零件的强度、刚度和稳定性进行分析是必不可少的，并在此基础上，进行结构 优化设计。计算机辅助结构优化设计已被广泛应用于工程实际中。但它所依赖的力学模型与复杂的实际 结构及工况有差距，力学模型的精度通常很难提高；对稍微复杂一些的实际结构仍然停留在 零件尺寸的优化上，而基本结构一般还得预先选定；只能针对一个具体的实例得到一个特定 的数值解，并不能给予方向性指导。因此计算机辅助结构优化设计不能代替工程知识的分析 与总结，结合实例分析，掌握提高结构承载能力的结构设计原则，并为结构的创新设计提供 可借鉴的思路。（一）载荷分担原则如果同一零件上同时承担了多种载荷的作用，则可考虑将这些载荷分别由不同的零件来 承担。采取一定的结构形式，将载荷分给两个或多个零件来承担，从而减轻单个零件的载荷， 这种方法称为载荷分担。这样有利于提高机械结构的承载能力。如图5-10a所示，轴已经承受了弯矩的作用，如果齿轮再经过轴将转矩传递给卷筒，则轴为 转轴，受力较大。如果将齿轮和卷筒改用螺栓直接联接，则轴不受转矩作用，轴为转动心轴， 结构较合理（见图5-1 0b）。如图5-11所示，靠摩擦传递横向载荷的普通螺栓联接常用销、套筒、键等抗剪元件来承担部分横向载荷，提高螺纹联接的可靠性。a)b)图5-10 转轴改进为心轴a）较差结构b）改进结构图5-11螺栓联接中的抗剪元件如图5-12所示，在选择轴承类型时，在轴向载荷比径向载荷大得多或要求轴向变形较小的情况下，可选用推力轴承和径向接触轴承的组合结构来分别承受轴向载荷和径向载荷。 如图5-13所示的带轮结构，传动带产生的轴压力和传动带传递的转矩分别通过不同的路径 传递。这样，轴只承受转矩，轴压力则直接由箱体承担了。图5-12推力和径向轴承组合结构图5-13带轮结构二）均匀受载原则（载荷均布）在确定工作载荷的大小的情况下，可以考虑通过在结构上均匀分布载荷的方法，来提高结构 承载能力。尽量避免集中载荷，尽可能地将载荷分散在结构上，即为载荷均布。如图5-14所示，经过简单的受力分析可知，受集中力的简支梁在C点的受力比受分布力的 简支梁在C点的受力大了一倍，所以图5-14b简支梁的强度要好于图5-14a。如图5-15所示的行星齿轮减速器结构。如按图a结构制造，则会由于存在制造误差，而使 得行星轮之间的载荷分配出现不均匀的现象。在图b中，将太阳轮改为浮动，则可达到各行 星轮均载的目的。如图5-16所示为改善齿轮轮齿齿向载荷分布状态而采用的桶形齿结构。正常齿上，载荷分 布偏于轮齿的两端部分。将轮齿修成桶形齿后，依靠齿面受力的弹性变形使载荷沿齿宽方向 分布比较均匀。a)b)a)b)图5-15 行星齿轮减速器a）较差结构b）改进结构图5-16桶形齿与载荷分布a）正常齿b）桶形齿一般螺栓联接受载后，各圈螺纹牙间的载荷分布是不均匀的（见图5-17a）。为改善螺 纹牙间载荷分配不均匀的现象，可采用悬置螺母、内斜螺母、环槽螺母等结构（见图5-17b、c、d）。a)b)c)d)图5-17改善螺纹牙间载荷分布a）螺纹受载示意图b）悬置螺母C）内斜螺母d）环槽螺母（三）附加力自平衡原则（载荷平衡）在力的传递过程中，一些机械结构常常不可避免地出现不做功的附加力，例如，斜齿轮啮合 的轴向力，产生摩擦力的正压力，往复和旋转运动的惯性力，流体机械叶片上压力差引起的 轴向力等，这些对结构功能毫无作用的附加力，加大了结构的负载，降低了机械结构的承载 能力。如果使其在同一零件内与其它同类载荷构成平衡力系则其它零件不受这些载荷的影 响，有利于提高结构的承载能力，这就是载荷平衡原则。力自平衡措施的措施主要有：引入 平衡件和对称安装。在高速回转机械中，必须靠结构的措施及动平衡的方法使旋转惯性力降低到允许的大小，这 就要求回转件的质量须尽量相对与回转中心呈对称分布。可通过对回转件在动平衡机上做动 平衡实验，测出并消除超出允许值的不平衡质量。做往复运动的机械，如连杆机构，也可在设计中采取结构措施和动平衡的方法，使其在运转 时产生尽可能小的惯性力。如图5-18a、5-19a所示的结构工作时产生的轴向力最终要影响到轴的受力，而在图5T8b、5-19b中，由于引入了自平衡措施，则可消除轴向力对轴的影响。四）减小应力集中应力集中是影响承受交变应力的结构承载能力的重要因素，结构设计应设法缓解应力集中。 在应力集中的部位，零件的疲劳强度将显著降低。最大应力比该截面上的平均应力可以大 25倍以上。应力集中与零件的局部变化形式（见图5-20）及零件的受力状态（见图5-21） 有关。降低应力集中程度可以提高零件的疲劳强度。图5-20局部形状与应力集中图5-21 受力状况与应力集中普通螺栓联接，存在严重的应力集中现象。如图5-22所示为螺栓头与螺栓杆在过渡处的应 力集中情况。从图中可以看出，在螺栓头与杆过渡处应力发生急剧变化，应力集中非常严重。 一般可采用过渡圆角结构来缓解，但不够好，图中列出了四中过渡结构，其中以d图结构的 效果最佳。a)b)c)d)图5-22螺栓头一杆过渡部位应力分布图如图5-23所示，降低截面尺寸变化处附近的刚度，可以降低应力集中的影响程度。 注意避免多个应力集中源叠加。如图5-24所示的轴结构中台阶和键槽端部都会引起轴在弯 矩作用下的应力集中，但a图结构的应力集中状况比b图结构的应力集中状况要严重得多。a)b)a)b)图5-23 降低截面尺寸变化处附 近的刚度a）较差结构b）改进结构图5-24 员Za）较差结构弦免多个应力集中 源叠加孑 b）改进结构五）提高接触强度原则根据赫兹公式，提高高副接触强度有两条途径：一是减小接触处的分布载荷，一是增大 两接触零件在接触部位的综合曲率半径。如图5-25所示，连杆机构的杆1与销2为线接触，如在销轴处增加零件3，则变线接触为 面接触；c图为斜面一一推杆机构，零件6把推杆4与斜面5的点接触改为面接触；e图 增加了零件10，也将点接触变为了面接触；将零件10改为零件11，则可以在零件9和11 之间产生液体动压润滑。这样就减小接触处的分布载荷，降低了接触应力，提高了接触强度 而且还可以改善润滑，减少磨损。a)b)c)d)e)f)g)图5-25 用面接触代替点、线接触如图5-26所示的结构中，从图a到图c的高副接触中综合曲率半径依次增大，这样接触应 力依次减小，因此结构c有利于改善球面支承的接触强度和刚度。a）b）c）图5-26增大接触处的综合曲率半径（六）提高刚度原则在进行结构设计时，在不增加零件质量的前提下，要尽量提高零件结构的刚度。对于不同类 型的零件，应根据其结构特点采用相应的措施。但总的来说要注意以下几点：1. 用受压、拉零件替代受弯曲零件；2. 合理布置受弯曲零件支承（见图5-27）；3. 合理设计受弯曲零件的截面形状；4. 合理采用筋板，尽可能使筋板受压；5. 采用预变形方法。 比如三角形桁架代替受弯曲的悬臂梁，刚度就要好得多。 如图5-28所示，选择不同类型的轴承对系统刚度也有明显的影响，且常与对弯曲强度的影响同时存在。a)b)a)b)图5-27铸造支承结构a）较差结构b）改进结构图5-28轴承类型的影响（七）变形协调原则一个零件和另一个零件相接触，当在接触处难以同步变形时，零件间的接触区域里应力会急 剧上升，这是应力集中的另一种情况。在接触处降低零件在力流方向上的刚度，尽量使两零 件在接触区域里同步变形，降低应力集中的影响，此及为变形协调原则。如图5-29所示，过盈配合联接结构在轮毂端部应力集中严重，可通过降低轴或轮毂相应部 位的局部刚度使应力集中得到有效缓解。a）b）c）d）图5-29过盈配合的联接结构如图5-30所示，受弯曲载荷作用的轴在滑动轴承端面常常出现边缘挤压，从而引起轴 承的失效，其原因即为轴承不能随着轴的变形而变形。因此滑动轴承轴承座的结构设计应该 使轴承在轴受载荷作用时能和轴协调变形。图5-30 轴承座的结构a）较差结构 b）改进结构变形不协调不仅会导致应力集中，降低机械结构的强度，而且还可能损害机械的功能，如图 5-31a所示，是一起重机行走机构的驱动轴，由于结构及其它条件的制约，轴上齿轮不能安 装在轴的中点位置上，这将导致两行走轮因轴变形引起的扭角也不等。这种力矩传递的不同 步使得起重机的行走总有自动转弯的趋势。改进的方法是将齿轮两侧的轴的扭转刚度设计相 等，如图5-31b所示。a)b)图 5-31轴承座的结构a）较差结构b）改进结构八）等强度原则一般，机械设计中的强度要求是通过零件中最大工作应力等于或小于材料许用应力来满足， 这样材料并为得到充分利用。最理想的设计是应力处处相等，同时达到材料的许用应力值。 工程中大量出现的变截面梁就是按照等强度原则来设计的。比如，摇臂钻的横臂AB,汽车 用的板簧和阶梯轴等（见图5-32）。按照等强度原则设计时要注意两点：其一应用等强度原则的前提是要方便制造；其二是要注 意次要载荷的影响。九）其它设计原则很多，下面介绍一些其它设计原则：1. 空心截面原则弯曲应力或扭转应力在横截面上都是越远离中心越大，而在中心处却很小，为了充分利用材 料，应尽量将材料放在远离截面中心处，使其成为空心结构，从而提高零件的强度和刚度。 此即为空心截面原则。2. 受扭截面封闭原则 受扭转作用的薄壁零件的截面应尽量制造成为封闭形状，因为封闭形状比开口形状抗剪切能 力强，抗扭刚度大。此即为受扭截面封闭原则。3. 最佳着力点原则 着力点的位置要尽量通过中心点、结点等位置，避免产生附加弯矩，这样有助于提高零件的 承载能力。4. 受冲击载荷结构柔性原则 为了提高零件的抗冲击的能力，应减小系统的刚度，加大柔性，这将有助于改善系统的性能。5. 避免长压杆失稳原则6. 热变形自由原则二、改善制造工艺性的结构设计原则一）焊接件结构设计原则一般来说可以通过三条途径来保证或提高焊接质量：材料、工艺、结构。其中，结构设计上 的缺陷能严重地影响焊接零件乃至整个机械设备的质量和功能。1 避免高应力区原则 焊缝及其影响区的动载强度一般比周围材料的强度要低，还存在内应力，因此应尽量将焊缝 设置于应力水平较低的区域。如图5-33a所示，当焊接两块板厚不同的零件时，因几何尺寸突变，所以在焊接区域里存在 严重的应力集中。此时在结构设计时要留有过渡结构，缓解几何尺寸的突变（见图5-33b）。 如图5-34a所示压力容器，当焊缝处在曲率突变位置时，尽管壁厚一致，但应力也很大，不 可取，采用如图5-34b所示的结构效果就要好些。类似情况还有如图5-35所示。a)b)a)b)图5-33不同板厚零件间的焊缝a）较差结构b）改进结构图5-34 压力容器的焊缝a）较差结构b）改进结构a）b）图5-35 避免高应力区的焊缝结构a）较差结构 b）改进结构2. 避免焊缝重叠原则复杂结构的焊缝常出现多条焊缝交叉重叠的情况。焊缝交汇处刚性大，结构翘曲严重，从而加大焊缝内应力，而且结构多次过热，材料性能下降，易出现裂纹，这些都会影响焊接结构的性能。改进方法有三种：加辅助结构（见图5-36a）、切除部分（见图5-36b）、焊缝错开（见图5-36c）a)b)c)图5-36避免焊缝重叠的焊缝结构a）加辅助结构b）切除部分C）焊缝错开3. 焊缝根部优先受压原则 在焊接构件承受弯曲应力时，应将焊缝置于压应力一侧。4. 避免尖角原则 尖角处焊接定位困难，尖角易被熔化，焊接质量不易保证。如图5-37所示，改进后的结构 效果要好得多。5.对称性原则焊接件设计应具有对称性。焊缝布置与焊接顺序也应对称，这样就可以利用各条焊缝冷却时的力和变形相互均衡，以得到焊接件整体的较小变形（见图5-38）。6 焊接量最少原则理想的焊接结构是焊接量最少的结构，应尽量减少焊缝个数和焊接量（见图5-39）。（二）铸件结构设计原则铸件的结构设计对铸件的制造成本，铸件的质量有决定性的影响。铸件的结构设计要充分地 考虑铸造材料和工艺的特性。1. 壁厚均匀原则均匀的壁厚可以提高铸件的质量，减少铸件中断面厚度大的部分的尺寸，避免金属聚集一致 产生缩孔或缩松，而且还可以节省材料（见图5-40）。加肋结构是铸件中常见的结构。在设置加强肋时应避免在冷却过程中因收缩不一致而产生的内应力和裂纹。具体措施有：蜂窝状加强肋（见图5-41a）、斜弯加强肋（图见图5-41b）、 加强肋错位（见图5-41c）和加强肋切断（见图5-41d）。如图5-41b所示，为避免铸件冷却时阻碍金属收缩，产生内应力而导致轮辐产生裂纹, 将直辐条改成弧形，这样冷却时辐条就能够自由收缩，结构较合理。a）b）c）d）图5-41自由收缩的铸件结构a）蜂窝状加强肋b）斜弯加强肋C）加强肋错位 d）加强肋切断3.良好的受力状态原则铸件应优先承受压力，因为铸铁的抗压强度比抗拉强度高得多（见图5-42）。 铸件内部肋的安置应考虑几何原理。如图5-43a所示加强肋按矩形分布，对铸件强度和刚度 有一些的影响，因矩形是不稳定的形状。若按三角形安置，形状稳定，造型较好，结构比较 合理（见图5-43b）。铸件在必要时应局部加强（见图5-44）。铸件的箱壁应可靠地支持在地面上，以保持它的强度和刚度。a）b）图5-42 受压优先铸件结构a）受压加强肋 b）受压容器a)b)a)b)图5-43 内置加强肋结构a）较差结构b）改进结构图5-44 局部加强结构a）较差结构b）改进结构4.便于模具制造原则复杂模具制造困难、成本高、难以保证质量。一般要求结构形状简单（见图5-45a）, 避免隐蔽、分离部分（见图5-45b），圆角尺寸统一（见图5-45c），优先采用对称形状, 尽量少用模芯，采用复合结构（见图5-45d）等。a)b)c)d)图5-45 便于模具制造的结构如图5-46所示，有些圆角对铸件质量影响不大，但增加造型造芯的困难，为此应将圆角取 消。如图5-47所示的面积较大的薄壁零件，不应设计成水平的平面结构。水平平面浇铸时容易 造成冷隔或形成气孔。如改为有斜坡的平面，则有利于排出液态金属中的杂质和由于铁液漫 流造成的冷隔等缺陷。a)a)b)b)图5-46圆角对造型造芯的影响图5-47面积较大的薄壁结构a）较差结构b）改进结构a）较差结构b）改进结构5. 其它有关铸件结构设计的其它要求举例说明如下：起模方便（见图5-48a），流动畅通（见 图5-48b），便于排气，清除表皮方便（见图5-48c），便于切削加工（见图5-48d）等。三）切削件结构设计原则减少加工成本，提高机加工质量是切削件结构设计的基本要求，切削件的结构设计要充分考 虑机加工工艺的特性。1. 便于退刀原则 方便退刀可以节省加工时间，从而达到降低加工成本的目的。退刀槽和越程槽是两种最常见 的退刀结构（见图5-49）。a)b)C）图5-49 便于退刀的结构2. 减少加工量原则 减少加工量可以提高生产效率，还可以节省材料。常用的方法有：选择合适的毛坯、采用组合部件（见图5-50a）、平缓过渡（见图5-50b）和减少行程（见图5-50c）等。a)b)c)图5-50减少加工量的结构3. 可靠夹紧原则 机械零件在机加工时必须夹持在机床上，因此机械零件上必须有便于夹持的部位。此外夹持 零件必须有足够大的支持力，以保证在切削力的作用下，零件不会晃动，这样才能保证加工 质量（见图5-51）。a)b)图5-51保证夹紧力的结构4. 同一夹紧工序原则在加工机械零件的不同表面时，应避免多次装夹。希望能在一次固定中加工尽可能多的零件 表面。这样，不但可以节约加工时间，而且可以提高加工精度。比如一根轴上的键槽应该布 置在同一条直线上。如图5-52所示为一轴承座，a图所示的结构两孔因中间隔有凸台，而不能一次加工出来。 在b图中则是去掉凸台，用挡环代替，则可保证两孔一次安装就可加工出来。5. 避免斜面开孔原则在斜面上钻孔不但位置不准，而且易损伤刀具，应尽量避免，可采用改变孔的位置或改 变零件表面形状，使零件表面与孔中心线垂直来解决（见图5-53）。a)b)c)图5-53避免斜面开孔的结构6. 贯通孔优先原则贯通孔通常比盲孔易加工，易提高加工质量。 如图5-54a所示的结构，加工时，刀具只能是悬臂式支承，此时刀具会产生较大的变形，从 而使孔的加工精度下降。在两孔间距较大时，甚至会出现废品。b图所示的结构是刀臂两端 支承成为可能。a)b)图 5-54贯通孔结构a）较差结构b）改进结构7. 其它有关切削件结构设计的其它要求举例说明如下：便于切削（见图5-55a）、孔周边条件相近 （见图5-55b）等。a)b)图5-55 便于切削的结构a）较差结构 b）改进结构四）锻件结构设计原则锻件是指靠挤压成型的零件。锻造可以改善材料性能，材质分布更趋均匀，使得锻件有较好的抗动载荷的能力。一般锻件结构设计要遵循以下原则。1. 分界面合理原则 锻模的分界面的选定要便于在锻造过程中材料的流动，而且还要便于模具的制造。 如图5-56所示，b图的结构比a图的结构有利于材料的流动。如图5-57所示，a图所示的模膛结构加工较困难必须用铣和磨的方法才能加工出来，而b 图的模膛结构只需用车削的方法就可加工出来。a）b）图5-56便于材料流动的结构a）较差结构 b）改进结构a）b）图5-57便于模具制造的结构a）较差结构b）改进结构2.避免尖锐棱角原则锻件尖锐棱角处变形量很大，需很大的挤压力，成型困难（见图5-58）。a)b)图5-58避免尖锐棱角的结构3.方便锻造原则对称结构方便制造，非对称结构应尽量避免（见图5-59a）;锻件内外台阶大小应向一个方 向变化，尽量避免多个台阶（见图5-59b）;尽量避免使用肋板（见图5-59c）。a)b)C）图5-59 方便锻造的结构4.便于后继加工原则待加工表面应凸出于其它锻造表面（见图5-60a）；应留有夹紧支撑点，以便于切削加工（见 图 5-60b）。a)b)图5-60便于后继加工的结构五）薄板件结构设计原则薄板指板厚相对其长宽小得多的钢板。充分考虑薄板的加工工艺的要求和特点，一般薄板件 结构设计要遵循以下原则。1. 简单形状原则 切割面几何形状简单，则切割下料方便，切割的线路短，切割量小。如图5-61所示，直线 比曲线简单。a）b）图5-61直线与曲线结构a）较差结构b）改进结构2. 节省材料原则在薄板零件的结构设计中要尽量减少下脚料，这样可以减少制造成本。如图5-62所示，b 图结构的效果就要好得多。a)b)图5-62 节省材料的结构a）较差结构b）改进结构3. 避免过窄结构原则如图5-63所示，两孔之间的距离太小，加工时可能会产生裂纹。细长的板条刚度低，在裁 剪时易出现裂纹，此外过窄结构在加工过程中还将严重磨损刀具。a）b）图5-63 避免过窄的结构a）较差结构b）改进结构4. 弯曲棱边垂直切割面原则薄板在切削加工后，进行弯曲成型加工，弯曲棱边应垂直与切割面或者交汇处设计一个圆角 否则交汇处易出现裂纹（见图5-64）。a)b)图5-64弯曲棱边垂直切割面结构5.a）较差结构 b）改进结构平缓弯曲原则陡峭的弯曲需特殊的工具，成本高。另外，曲率半径过小易产生裂纹，在内侧面上还会出现皱折（见图5-65）。a)b)图5-65 平缓弯曲结构a）较差结构b）改进结构6. 槽边不弯曲原则 弯曲区域受力状态复杂，强度低，槽孔应远离弯曲区域或横跨弯曲区域（见图5-66）。a)b)图5-66槽边不弯曲结构a）较差结构b）改进结构7. 复杂结构组合制造原则 对于复杂的薄板零件可采用组合零件形式，即将薄板零件用焊接、螺栓联接等方式组合在一 起（见图5-67）。a)b)图 5-67组合结构a）较差结构b）改进结构8. 稳定性原则 薄板结构横向弯曲刚度较差，一般用平面压槽或空间压槽来提高刚度（见图5-68）。9. 避免直线贯通原则平面压槽排列应避免无压槽区域直线贯通。如图5-69a所示的结构，无压槽区域形成多个贯通的窄条轴，相对这些轴，弯曲刚度没有任 何改进，但b图就不存在这些问题，效果要好得多。10.压槽的端点是薄弱环节，疲劳强度低。缓解或消除这些影响的方法就是尽量将压槽连通。如图5-70所示的结构，是卡车上的电瓶箱体，受动载荷作用，a图结构在压槽端点处易产 生疲劳失效，b图为压槽连通之后的结构图，效果就要好些。a）b）图5-70压槽连通排列结构a）较差结构b）改进结构（六）其它有关改善制造工艺性的结构设计原则，还有铆焊件的结构设计，工程塑料零件的结构设计及 机械零件修配的结构设计等。这里不再阐述，有兴趣可查阅相关资料。三、提高装配质量的结构设计原则零部件装配成机器，装配质量直接影响着机器的运行性能质量，装配质量即为零部件相互联 系界面上的质量。符合装配要求的结构设计就是在结构设计上保证装配的可能，采用的结构应方便装配，减少 装配工作量，提高装配质量。（一）便于运送原则自动化制造系统中，将零部件从库存运送到装配现场是装配过程中常见的工序，常采用的输 送设备是输送带。对此工序的要求就是避免零部件套勾、连结在一起，使机器人无法分离； 避免结构的重心偏高，不便于自动输送。如图5-71a所示的结构也难以自动输送，因为它们的直线滚动西性能差，b图所示结构就便 于运送。a）b）图5-71便于运送的结构a）较差结构b）改进结构（二）便于方位识别原则在自动化制造系统中，应尽量提高机器人的方位识别能力，方法之一就是在设计零部件结构 时，留有识别特征。采取对称结构，因彼此无差别，故不用识别（见图5-72 a）。 识别特征以几何特征最易被识别，应尽量将物理特征转换成几何特征（见图5-72 b）。 内部特征难以观察，应外部化（见图5-72 c）。对于近似结构，应扩大其不对称性，以便于特征识别（见图5-72 d）。构改进 结 构a)b)c)d)图5-72便于方位识别的结构三）方便抓取原则结构设计时应考虑：留有抓举面，保证能抓牢，不损伤工作面。如图5-73所示的结构难以 抓牢，因为夹持面是斜面。a）b）图5-73便于抓取的结构a）较差结构b）改进结构四）方便定位原则一边测量，一边定位是不可靠的，自动定位最为理想。如图5-74a所示，结构的方孔高度有一定的精度要求。此时，主要起联接作用的螺栓是不能 保证该精度要求的。可增加一个微调螺栓结构，即可调整方孔高度精度。如图5-74b所示是一种自动定位的结构。如图5-74c所示为具有导向功能的结构。较结构改进 结 构a)b)c)图 5-74便于定位的结构五）简化装配操作原则如图5-75a所示的结构中，将弹簧直接挂在开口槽上比扣在封闭孔内要简单，机器人操作时 差别更显著。如图 5-75b 所示的封盖结构是螺纹联接，上面的结构要旋转若干圈，而下面结构靠摩擦力联 接，插入即可，在无内压的情况下下图结构有优越性。如图 5-75c 所示的轴承的安装，上图轴承要经过很长的轴段才能到达预定位置，要方便安装， 则要在非轴支座的地方，取较小的轴径。如图5-78所示为一组可快速装配的联接结构。较结构改进 结 构a)b)c)图5-75 便于定位的结构a)b)c)d)e)图5-78快速装配联接结构六）可装配原则装配至少要求工具能方便地到达装配位置，且要有足够的操作的空间。人工装配时，还 要求视线可及。如图5-79所示即是如此。改进 结 构a)b)c)图 5-79可装配结构七）各装配面依次装配原则多个装配面同时装配，装配状态往往是一种过约束状态，装配比较困难，故应尽量避免多个 装配面同时装配。如图5-80所示即是如此。a）b）图5-80依次装配的结构a）较差结构b）改进结构（八）简单联接件原则采用简单的联接件可以减小装配工作量。如图5-81所示，因螺栓联接方式的装配工作量大，用卡夹代替螺栓，则结构简单，便于操 作。a)b)图 5-81简单联接结构a）较差结构b）改进结构（九）便于拆卸原则符合装配要求的结构设计也应便于拆卸。如图5-82所示为一联接键，在键一端的底部留有坡度，拆卸时用力一击便可将键拆卸下来。还有起盖结构、轴承拆卸结构等等。a）b）图5-82便于拆卸的结构a）较差结构b）改进结构四、提高精度的结构设计原则机械结构设计必须服从现代机器、仪器的高精度原则，改善结构设计可以减小由于加工、装 配、调整产生的误差和使用中的磨损、弹性变形、热变形等产生的误差，及减小系统对各项 误差的敏感程度，从而提高产品质量。（）阿贝（Abbe）原则阿贝原则是阿贝于1890年对于量仪设计而提出的：“若使量仪给出正确的测量结果，必须 将仪器的读数线尺安放在被测尺寸的延长线上”。如图5-83c所示，当设计结构不符合阿贝原则时，导轨不直度引起的倾角 所产生的误差为： aa其中a为被测尺寸线与读数线尺之间的距离，导轨倾角的单位是弧度。当设计结构符合阿贝原则时，导轨倾角所产生的误差为：aC其中C为基准尺读数头到工件测量读数头之间的距离，导轨倾角的单位是弧度。通常 是微量，则是二阶微量，可见遵从了阿贝原则就可以消除仪器导轨不直度引起的误差，显著地提高测量精度。为了减小阿贝误差，在设计和工艺上应提高导轨精度，减小导轨不直度所产生的倾角，在 结构布局上要尽量减小读数线与被测尺寸线之间的距离a。如图5-83a所示的游标卡尺不符合阿贝原则，因而这种测量工具不容易得到较高的测量精 度；如图5-83b所示千分尺能达到较高的精度，但是因为刻度尺与工件安排在一条直线上所 以量具的尺寸较大。a)b)c)图5-83 阿贝原则a）游标卡尺b）千分尺 c）误差分析简图（二）误差校正与补偿当机械结构不满足阿贝原则，或者机械结构存在加工误差，或者机械结构在工作过程中，由 于温度变化、受载、磨损等使得零部件的形状及相对位置关系发生变化，这些因素最终将影 响机械结构的工作精度。有些因素式不可避免的，但好的结构设计可以减少这些因素对工作 精度造成的影响。为解决这个矛盾，可以算出结构误差，然后采用误差校正与补偿方法进行 补偿。对误差校正与补偿装置的要求是：结构简单，制造与装配方便，灵敏度较高，能有效地消除 和减小误差。下面是几个机械式的校正与补偿机构的例子。如图5-84所示是光栅刻划机中丝杠误差校正装置。校正尺2的工作面按螺旋副实测误差曲 线放大一定比例后制成，它固定在机座上不动。当丝杠1转过一定工作角度后，螺母4经制 有螺杆的杠杆3和钢球支承推动工作台5位移一个栅距。同时，杠杆3在校正尺曲面作用下 使小螺杆产生微量转动，即相对于螺母4产生了一个附加位移，补偿了丝杆误差，提高了工 作台的位移精度。1丝杆 2校正尺 3杠杆 4螺母 5工作台如图5-85所示是蜗轮副的误差校正装置。蜗轮副的蜗轮和蜗杆存在齿距误差或螺距误差因 而会带来转角误差，其校正是通过蜗杆的轴向移动或附加转动来实现的。校正盘3的周边曲 面是按照蜗轮副误差曲线放大一定比例后制成，它与蜗轮2起同轴地安装在丝杆上，当蜗 杆4带动蜗轮转动时，校正盘上的曲面推动杠杆1摆动，使蜗杆产生附加轴向移动，从而蜗 轮产生一个附加转动，消除了蜗轮副误差的影响。校正盘的方位应与误差曲线的方位一致。 如图5-86所示是坐标测量机横臂变形的校正结构。测量装置1沿横臂移动时，由于质量转 载，将造成横臂弯曲（如图中的 角），从而带来测量误差。为补偿这项误差，在横臂的空 心框架2中，装有校正杠杆4, 4的一端与固定在框架2上的销6相接触，而杠杆的另一端 与螺钉5相接触。拧动螺钉5,经杠杆4和销6可使框架的左端向上弯曲变形，如果此变形 量与由于测量装置重量引起框架横臂的挠曲量相同时，就校正了来自测量装置重量引起的变 形误差。图5-85 蜗轮副的误差校正结构 图5-86 坐标测量机横臂变形的校正结构1杠杆 2蜗轮 3校正盘 4蜗杆1测量装置 2框架 3回转轴 4杠杆5螺钉 6销（三）误差均化实验表明，千分尺（螺旋与螺母配合）的累积误差比原来螺旋或螺母的累积误差小，如图 5-87所示。由此可知机械精度的均化原理：在机构中如果有多个联接点同时对一种运动起 限制作用，则运动件的运动误差决定于各联接点的综合影响，其运动精度高于一个联接点的 限制作用。在一定条件下增加螺旋传动中起作用的螺纹圈数，使多圈螺纹同时起作用，不但 可以提高螺旋传动的承载能力和耐磨性，而且可以提高传动精度。如图5-88所示为根据均化原理设计的双蜗杆驱动的分度机构。在蜗轮两边各安置一个蜗杆， 利用相位调整联轴器使两个蜗杆都能起驱动作用。若用b图中的实线和虚线分别表示AB两 个蜗杆单独驱动时工作台的回转精度，则用AB两个蜗杆同时驱动时，在adb段蜗杆B 起作用，bec段蜗杆A起作用，因此减小了误差。此外，用两个蜗杆可分散载荷从而延 长寿命。a）b）图5-87 千分尺累计误差和千分尺螺旋累计误差对比a）b）图5-88 双蜗杆驱动的分度结构（四）误差配置在装配时，选择每个零件的精度必须注意各零件的综合作用，各零件的精度如果配置得当可 以提高其装配的精度。在机床主轴结构设计中，提高主轴工作端（前端）的旋转精度很重要。如图5-89所示，前轴承径向振摆误差A引起的主轴工作端误差为：后轴承径向振摆误差B引起的主轴工作端误差为：B显然，前轴承对主轴旋转精度影响较大，所以在设计主轴结构时通常选择前轴承的精度比 后轴承咼一级。（五）位置精确微调在许多机器中，通常需要将机械中的某部件在一定范围里作缓慢而平稳的调整以将其调整到 某个精确的位置，这就需要在机器中设计有微动微调机构。比如光学仪器中显微镜的调焦、 精密机械中的运动部件的精确定位及微量进给。微动微调机构的基本要求：结构简单，较大的降速传动比，传动灵活、平稳，无空程与爬行， 使用方便等。下面是几个机械式的微动微调机构的例子。如图5-90所示为凸轮传动微动微调结构：是利用凸轮（常用的是简单的偏心轮）的转角和 升程的关系实现微调的机构，当松开锁紧螺母3时，就可以转动偏心轴4,由于偏心作用， 就可以改变轴承5以及测量轴1的位置，调好后再将螺母3拧紧即可达到微调精确定位的目 的。图5-90凸轮微调结构1测量轴2壳体3、6锁紧螺母 4偏心轴5轴承如图5-91所示为蜗轮副传动微动微调结构原理图，a图是齿轮 蜗轮传动；b图是二级蜗 轮传动。a）b）图5-91蜗轮副传动微动微调结构a）齿轮蜗轮传动 b）二级蜗轮传动1蜗轮 2蜗杆 3微调手轮 4粗动手轮 5锥齿轮如图5-92所示为弹性微动微调结构，是利用金属材料在弹性极限范围内其变形与外力成正 比的原理设计的微动微调结构。第一级为螺旋微动结构，转动微动手轮1,微动螺杆2顶端 推动T形弹簧片3, 3的一端固定，另一端与片簧4焊接呈T形，而片簧4的一端与壳体7 固结，另一端与微动轴6相连，故弹簧片3的变形推动弹簧片4,弹簧片4又推动微动轴作 微小的位移。微动轴的精确位移量可通过电感传感器8测出。图5-92“T”形片簧弹性微动微调结构1微动手轮 2微调丝杆 3 4 “T”形片簧 5外套6测量轴 7测轴座 8传感器五、宜人化结构设计原则传统的机械设计以设计产品为主要目标，更多地考虑产品本身功能的实现，虽然也或多或少 地涉及了人的因素，但主要是考虑如何让人适应机器，而没有把人作为设计的一个目标，没 有规范化地考虑人的因素。这就很难保证机器操作效率最佳，也不易判断设计质量的高低。 比如，早期的拖拉机一般来说没有驾驶室，很不安全。座位是用铁制的工具箱代替，强烈的 振动使人容易疲劳。仪表排列凌乱，缺乏形式美，设计上也不符合人的心理和生理特点。操 作件上没有适形的手柄，握上去很不舒适。二战时期美国飞机的飞行事故中有90%是由于 人为因素造成的。为解决这个问题，现代企业中已越来越多地应用人机工程学这种先进的设计理论和方法进行 机械产品的开发和设计。人机工程学强调将人和机器作为相互联系的两个基本部分构成一个整体，形成人机系统。人 机工程学是研究人的特性及工作条件与机器相匹配的科学，指出机器应该具有什么样的条件 才能使人付出适宜的代价后可获得整个系统的最佳效益。人机工程学不仅涉及到工程技术理论，还涉及到人体解剖学、生理学、心理学以及劳动卫生 学等。人机系统是在特定环境中进行工作的，环境对人机系统的工作效能有很大影响。作为 系统主体的现代人，对工作环境的有了更为苛刻要求。为了保持系统的高效率、可靠性和持 久性，机械结构所创制的环境首先要保证对人体不造成伤害，其次，还必须考虑操作者工作 的舒适性。下面基于操作者的生理和心理特点，分析在机械结构创新设计中应考虑的基本要求。这些要 求同时也可为机械结构创新设计提供启示。对现有机械设备及工具的宜人化改进设计是机械 结构创新设计的一种有效的方法。一）减小操作者疲劳的结构当操作人员长时间保持某一姿势时，身体的某些肌肉长期处于收缩状态，肌肉压迫血管使血 液流通受阻，血液不能为肌肉输送足够的氧，肌肉的这种工作状态称为静态肌肉施力状态。 这种状态会对肌肉、肌腱、关节及相邻组织造成损害。因此设计与操作有关的结构时应考虑 操作者的受力状态，尽量避免使肌肉处于静态肌肉施力状态。表 5-1 所示的几种常用工具改 进前的形状因为使某些肌肉处于静态肌肉施力状态，不宜长时间使用，改进后使操作者的手 更趋于自然状态，减少或消除了肌肉的静态施力状态，使得长时间使用不易疲劳。表5-1几种常用工具的改进面是一个汽车座椅的结构设计应考虑的问题： 根据人机工程学理论，首先腰锥承受人的上体全部质量，同时承受因人体运动的弯腰等活动， 致使腰曲超出正常脊柱生理弧型而产生腰曲变形。因此，腰椎部分最易受到损伤，腰曲变形 严重。为了使坐姿下的腰曲变形最小，汽车座椅靠背应提供两点支承。第一支承位于第5 6 胸椎之间，形成肩靠。它的高度相当于肩胛骨高度。肩胛骨面积大，可承受较大的压力。 第二支承设置在45腰椎之间的高度上，形成腰垫。在座椅设计时，要使乘坐人员有腰椎 依托感、贴和感和侧向稳定感（见图 5-93）。其次，驾驶员坐在汽车座椅座垫上，长时间 乘座会造成不舒适感，在造成这种不舒适感前，臀部所受的压力是不同的。坐骨粗壮，能承 受比其周围肌肉更大的压力，大腿底部有大血管和神经系统，压力过大会影响血液循环和神 经传导而感到不适。所以坐垫上的压力应按照臀部不同部位不同压力的原则来分布，即坐骨 处压力最大，向四周逐渐减小，至大腿部位时压力降至最低值。这就是坐垫设计的压力分布 不均匀原则。理想的座椅坐垫体压分布曲线见图 5-94。（图中的封闭曲线为等压力线，数字的压力单位为102Pa），这种情况使得座椅要有振动弹性感，坐垫与靠背要有软硬感。图5-93汽车座椅靠背目前，已有企业在利用人机工程学的研究成果来设计驾驶员座椅了。比如：沃尔沃公司的 F7型汽车的驾驶员座椅在三个方面可调。座高可调65mm，倾斜度可调64度，纵向位置可调 130mm;日产汽车公司已研制出一种能根据车速的变化自动调节驾驶员座椅。二）易于发力的结构结构设计时应考虑人的姿势不同，所能付出的力量也不同；拉力大于提力，提力大于握力， 膝部屈曲160时蹬力最大等等。比如汽车操纵中的手操纵与脚操纵。 手操纵主要是对方向盘的操纵，对方向盘来说，可单手、双手操纵，又可自由连续旋转，无 须明确定位。方向盘的最大问题是能否保证驾驶员发出较大的扭矩。根据人机工程学原理， 方向盘倾斜角度对驾驶员施加到方向盘上的力有很大影响，方向盘的安装角度越平缓，驾驶 员可能施加的力越大，方向盘安装角度通常选在便于活动的1570。间，角度与力的关 系见图5-95。图5-95 方向盘施加力随方向盘倾角的变化曲线如图5-96所示显示了人脚在不同方向上的操纵力分布。在机动车辆中，脚操纵主要是脚对加速踏板，制动踏板的控制。人脚发出力的大小与人 的姿态，脚的位置和方向等有关。通常踏板的高度应设置在脚能发出最大力的位置。即脚踏 板与座椅坐垫上表面齐平或脚踏板稍低一些。为减轻驾驶员的疲劳，应力求减少驾驶员需要施加在方向盘和踏板上的力。图5-96人腿输出力值分布三）减少操作者观察错误的结构操作者了解机器的工作情况主要通过机器上设置的各种显示装置来获得。其中显示仪表 应用最多。视觉疲劳而使精神紧张最容易发生操作失误，因此仪表的造型与排列在驾驶室的 造型设计中占有很重要的位置。仪表的造型设计和排列应依据显示器的功能特点和人的视觉特性。人的正常视距为46cm 71 cm,视角为39。41。因此，在仪表显示结构设计中，仪表应设置在操作者正面视野 内，最佳视距为50cm55cm;重要仪表不得超出40。视角的范围，常用仪表必须在30。视 角内。仪表高度最好与眼睛相平，上下视线在1045范围内。指针刻度间距摆角不得 小于10,指针的宽度为1.0 mm2.5mm，并应贴近刻度盘表面，以减少误差。当有多个仪 表并列时，其正常位置变化所对应的指针方向应该相同。实验表明人在认读不同形式的显示器时正确认读的概率差别较大，实验结果见表5-2。表5-2 不同形式刻度盘的误读率比较另外,对于车辆操作者来说还期望的有最佳视野,要使视线不被大体积货载遮挡,必要时可 偏置操作者及助手的座位。应特别指出,良好的视野状况意味着操作工作的安全可靠性,也 关系到操作者的舒适程度。如图5-97所示为H20型叉车根据人机工程学确定的最佳操作位置。图5-97H20型叉车操作位置四）减少操作者操作错误的结构操作器的设计应使操作者在较少视觉帮助或无视觉帮助下能够迅速准确地分辨出所需 的操作器,并在正确了解机器工作状况的基础上对机器做出适当的调整。要实现这个基本要求,关键在于操作件的造型设计。操作件的造型包括几何尺寸、排列 位置和手柄的外形。几何尺寸与整机的操纵系统设计有关,可查有关标准。在排列位置上应 符合人的生理特点,比如在拖拉机上操作件的排列位置一般将主变速杆、副变速杆、液压系 统操纵杆分别排列在座椅的左前方、右前方和右侧的操作柜上,驾驶员操作时往往不用眼看 就能找到所需的操作件,既不会出差错又减轻视觉疲劳。离合器放在左侧,制动器和油门按 从左到右顺序放在右侧。操作手柄的外形一般都根据手幅的长度、手握的粗度、手掌肌肉和 手柄接触的位置来设计，图5-98是一些常见的操纵手柄的外形。方向盘采用液压转向系统， 其高度和倾斜角度可根据驾驶员的需要随意调节更加方便驾驶员的操纵。图5-98 常见的操纵手柄外形其次，实现操作件控制动作的结构设计。控制动作一般分为行程调节和微量调节。行程 调节可使控制器迅速接近所需位置。微量调节则使控制器准确地置于所需位置。设计时应使 操纵机构与仪表显示的位移有合适的比率。另外，操纵机构存在摩擦、弹性、粘性和惯性等阻力是必要的，这可以产生“操纵直接 感觉”，使操作连贯，减少振动和过载造成的干扰，保证操作控制的稳定性和准确性。操作 阻力的大小应根据控制器的类型、位置、施力方向及使用频率等因素合理选择。由于作为人机系统主体的人有易出错误的特性，除通过训练提高其可靠性外，在操作机 构和指示仪表设计中还需采取安全措施，以防偶然错失而造成严重后果。预防方法很多，常 用机械结构方法的有顺序自锁、锁定、阻尼、槽卡、定向、定位等。（五）考虑人体的振动特性的结构及减少操作环境噪声的结构0人体是一个弹性系统，有自己的振动特性（以4Hz8Hz、10Hz12Hz、20Hz25Hz为第1、 2、3共振峰），人的各个器官也有自己的共振频率。例如眼睛的共振频率为20Hz25Hz, 头为25Hz30Hz，手为30Hz40Hz，内脏为5Hz8Hz,神经为245Hz250 Hz。振动会使 人不舒适,降低人的视觉和操作效率,增多失误,尤其发生共振时,可能造成人体疾患。因 此在设计研制机器时，要通过测试检查，并在设备结构和元件上采用隔振、吸振和缓冲减震 等装置，避免达到生理临界范围的机械振动和将冲击传至人体。噪声是工业中多见的污染因素。工业噪声主要是由企业内的各种设备产生的。噪声会使听力 下降，注意力不易集中，反应迟钝，容易疲乏，不仅使工作速度受到影响，而且会降低工作 质量。如果噪声级超过85dB,将会危害人的神经系统、心血管系统、消化系统和内分泌系 统，产生神经衰弱和高血压等病症。所以，设计机械产品时必须考虑降噪和防噪问题。 减小机械的冲击和碰撞是减小噪声首先应考虑的措施。如带传动采用无接头带，火车的钢轨 采用连续钢轨等，都可以提高运动平稳性。为吸收振动，零件之间应该有较强的阻尼性。两零件之间应该有较大的接触面积（见图 5-99），在零件工作时，由于相互摩擦产生阻尼可以吸收振动和噪声。在零件表面粘贴或喷 涂一层有高内阻尼的材料，也可以阻尼振动减小噪声。受冲击的零件或挡块，质量轻、厚度小时，受冲击则发出很大的噪声，改为质量大的实体结 构时噪声显著降低。高速转子必须进行平衡。高速转子的重心偏离回转中心线是产生振动和噪声的重要原 因。如磨床砂轮经过平衡以后，不但减小噪声而且提高了加工质量。根据实际经验，必须综 合考虑转子与轴承支座整个系统的振动问题，才能使这一问题得到正确解决。 拖拉机在座椅造型设计方面，为了进一步减轻振动，设计出如图5-100所示的两种结构和造 型。它是由四连杆机构、无级调节预紧力而刚度不变的螺旋弹簧以及与弹簧并列的液力减振 器等所组成。座椅下面的四连杆机构保证座椅在机体纵向平面内上下振动而不产生横向移 动，同时也限制了座椅在横向平面和水平面内的转动，这种机构要比以往的座椅机构更能减 振。图5-100拖拉机座椅的两种典型结构和造型1调节手轮 2弹簧3限制座椅最高位置的限位块4限制座椅最低位置的缓冲块 5减振器随着新技术和新材料的发展，70年代后期出现了全密封驾驶室。这种驾驶室内装有吸音吸 振材料，底板、板壁和门窗接缝处安装和镶嵌橡胶衬条加以密封，大大降低了驾驶员耳旁的 噪声。除此之外，全封闭驾驶室还利于隔热、消振、防风、防尘，从而改善了驾驶员的工作 环境。工程中经常采取如下几项措施： 1采用能够吸收噪声的材料和结构，尽量吸收掉一些噪声能，降低噪声； 2利用隔声