机械设计必须牢记的结构要素、基本要求和准则
机械结构设计的任务是依据设计任务在总体设计构想的基础上，确定的原理方案，绘
制出具体的结构图，以实现设计所要求的功能。设计的过程是将抽象的工作原理具体化为
某类构件或零部件，包含确定结构件的材料、形状、尺寸、公差、热处理方式和表面处理
等，还须考虑其加工工艺、强度、刚度、精度以及与其它零件相互之间关系等问题。所以
结构设计的直接产物虽是技术图纸，但工作不是简单的机械制图，图纸只是表达设计方案
的工程语言，运用机构设计的各种技术将设计构想具体化是结构设计的基本内容。
1 机械结构件的结构要素和设计方法
1.1 结构件的几何要素
机械结构的功能主要是靠机械零部件的几何形状及各个零部件之间的相对位置关系实
现的。零部件的几何形状由它的表面所构成，一个零件通常有多个表面，在这些表面中有
的与其它零部件表面直接接触，把这一部分表面称为功能表面。在功能表面之间的联结部
分称为联接表面。
零件的功能表面是决定机械功能的重要因素，功能表面的设计是零部件结构设计的核
心。描述功能表面的主要几何参数有表面的几何形状、尺寸大小、表面数量、位置、顺序
等。通过对功能表面的不同设计，可以得到为实现同一技术功能的多种结构方案。
1.2 结构件之间的关联
在机器或机械中，任何零件都不是孤立存在的。因此在结构设计中除了研究零件本身
的功能和相关特征外，还必须研究零件之间的相互关系。
零件之间的相互关系分为直接相关和间接相关两类。两个零件有直接装配关系的成为
直接相关。没有直接装配关系的成为间接相关。间接相关又分为位置相关和运动相关两类
位置相关是指两零件在相互位置上有要求，如减速器中两相邻的传动轴，其中心距必须保
证一定的精度，两轴线必须平行，以保证齿轮的正常啮合。运动相关是指一零件的运动轨
迹与另一零件有关，如车床刀架的运动轨迹必须平行于于主轴的中心线，这是靠床身导轨
和主轴轴线相平行来保证的，所以主轴与导轨为位置相关，而刀架与主轴为运动相关。
多数零件都有两个或更多的直接相关零件，故每个零件大都具有两个或多个部位在结
构上与其它零件有关。在进行结构设计时，两零件直接相关部位结构必须同时考虑，以便
合理地选择材料的热处理方式、形状、尺寸、精度及表面等。同时还必须考虑满足间接相
关条件，如进行尺寸链和精度计算等。一般来说，若某零件直接相关零件愈多，其结构就
愈复杂；某零件的间接相关零件愈多，其精度要求愈高。
1.3 结构设计中结构件的材料
零件设计中可以选择的材料众多，不同的材料具有不同的性质，不同的材料对应不同
的加工工艺，设计中既要根据功能要求合理地选择适当的材料，又要根据材料的种类确定
适当的加工工艺，并根据加工工艺的要求确定适当的结构，只有通过适当的结构设计才能
使所选择的材料最充分的发挥优势。
设计者要做到正确地选择零件的材料就必须充分地了解相关材料的力学性能、加工性
能、使用成本等信息。结构设计中应根据所选材料的特性及其所对应的加工工艺而遵循不
同的设计原则。
2 机械结构设计的基本要求
机械产品应用于各行各业，结构设计的具体内容和要求也是千差万别，但结构设计的
基本要求是共通的。下面就机械结构设计的三个不同层次来说明对结构设计的要求。
2.1 功能设计
满足主要机械功能要求，在技术上的具体化。如工作原理的实现、工作的可靠性、工
艺、材料和装配等方面。
2.2 质量设计
兼顾各种要求和限制，提高产品的质量和性价比，是现代工程设计的特征。具体为操
作性、美观性、安全性、成本、环保等因素。在现代设计中，质量设计相当重要，往往决
定产品的竞争力。那种只关注满足主要技术功能要求的设计思想已成为过去，统筹兼顾各
种要求，在满足主要功能的前提下对其他要求适当作出平衡和取舍，提高产品的质量，是
现代机械设计的核心所在。
2.3 优化设计和创新设计
用结构设计变元等方法系统地构造优化设计空间，用创造性设计思维方法和其它科学
方法进行优选和创新。
3 机械结构基本设计准则
机械设计的最终结果是将确定的结构形式以图纸表达出来的，按所设计的图纸进行加
工、装配，制造出最终的产品。所以，机械结构设计应满足作为产品的多方面要求，基本
要求有功能性、可靠性、工艺性、经济性和外观造型等方面的要求。此外，还应改善零件
的受力，提高强度、刚度、精度和寿命。因此，机械结构设计是一项综合性的技术工作。
由于结构设计的不合理或错误，可能造成零部件不应有的失效，使机器达不到设计精度的
要求，给装配和维修带来极大的不方便。机械结构设计过程中应考虑如下的结构设计准则。
3.1 实现预期功能的设计准则
产品的设计主要目的是为了实现预定的功能要求，因此实现预期功能的设计准则是结
构设计首先考虑的问题。要满足功能要求，必须做到以下几点。
（1）明确功能:结构设计是要根据其在机器中的功能和与其他零部件相互的连接关系，
确定参数尺寸和结构形状。零部件主要的功能有承受载荷、传递运动和动力，以及保证或
保持有关零件或部件之间的相对位置或运动轨迹等。设计的结构应能满足从机器整体考虑
对它的功能要求。
（2）功能分配：产品设计时，根据具体情况，通常有必要将任务进行合理的分配，
即将一个功能分解为多个分功能。每个分功能都要有确定的结构承担，各部分结构之间应
具有合理、协调的联系，以达到总功能的实现。多结构零件承担同一功能可以减轻零件负
担，延长使用寿命。例如如 V 型带截面的结构是任务合理分配的一个例子。纤维绳用来承
受拉力；橡胶填充层承受带弯曲时的拉伸和压缩；包布层与带轮轮槽作用，产生传动所需
的摩擦力。例如若只靠螺栓预紧产生的摩擦力来承受横向载荷时，会使螺栓的尺寸过大，
可增加抗剪元件，如销、套筒和键等，以分担横向载荷来解决这一问题。
（3）功能集中：为了简化机械产品的结构，降低加工成本，便于安装，在某些情况
下，可由一个零件或部件承担多个功能。功能集中会使零件的形状更加复杂，所以要适度
否则会增加加工难度、反而增加加工成本，设计时应根据具体情况而定。
3.2 满足强度要求的设计准则
（1）等强度准则：零件截面尺寸的变化应与其内应力变化相适应，使各截面的强度
相等。按等强度原理设计的结构，材料可以得到充分的利用，从而减轻了重量、降低成本
如悬臂支架、阶梯轴的设计等。
（2）合理力流结构：为了直观地表示力在机械构件中怎样传递的状态，将力看作犹
如水在构件中流动，这些力线汇成力流。表示这个力的流动在结构设计考察中起着重要的
作用。力流在构件中不会中断，任何一条力线都不会突然消失，必然是从一处传入，从另
一处传出。力流的另一个特性是它倾向于沿最短的路线传递，从而在最短路线附近力流密
集，形成高应力区。其它部位力流稀疏，甚至没有力流通过，从应力角度上讲，材料未能
充分利用。因此，为了提高构件的刚度，尽可能按力流最短路线来设计零件的形状，减少
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