機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本原則

1、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本原則目 錄一、改善力學(xué)性能的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則. 2 （一）載荷分擔(dān)原則. 2 （二）均勻受載原則（載荷均布）. 3 （三）附加力自平衡原則（載荷平衡）. 4 （四）減小應(yīng)力集中. 5 （五）提高接觸強(qiáng)度原則. 6 （六）提高剛度原則. 7 （七）變形協(xié)調(diào)原則. 8 （八）等強(qiáng)度原則. 9 （九）其它. 9 二、改善制造工藝性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則. 10 （一）焊接件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則. 10 （二）鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則. 12 （三）切削件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則. 15 （四）鍛件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則. 18 （五）薄板件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則. 20 （六）其它. 23 三、提高裝配質(zhì)量的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則. 23 （一）便于運(yùn)

2、送原則. 23 （二）便于方位識(shí)別原則. 24 （三）方便抓取原則. 24 （四）方便定位原則. 25 （五）簡化裝配操作原則. 25 （六）可裝配原則. 26 （七）各裝配面依次裝配原則. 27 （八）簡單聯(lián)接件原則. 27 （九）便于拆卸原則. 28 四、提高精度的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則. 28 （一）阿貝（Abbe）原則. 28 （二）誤差校正與補(bǔ)償. 29 （三）誤差均化. 30 （四）誤差配置. 31 （五）位置精確微調(diào). 32 五、宜人化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則. 33 （一）減小操作者疲勞的結(jié)構(gòu). 34 （二）易于發(fā)力的結(jié)構(gòu). 35 （三）減少操作者觀察錯(cuò)誤的結(jié)構(gòu). 36 （四）減少操作者操作錯(cuò)誤的結(jié)

3、構(gòu). 37 （五）考慮人體的振動(dòng)特性的結(jié)構(gòu)及減少操作環(huán)境噪聲的結(jié)構(gòu)0. 38 （六）減弱工作環(huán)境光線照度的結(jié)構(gòu). 39 （七）保證合適工作環(huán)境溫度的結(jié)構(gòu). 39 六、其它機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求簡介. 40 （一）減輕腐蝕的結(jié)構(gòu). 40 （二）符合材料熱脹冷縮性質(zhì)的結(jié)構(gòu). 42 討論題. 43 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本原則機(jī)械工程師更好地適應(yīng)現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)的要素之一就是掌握豐富的工程知識(shí)。工程知識(shí)是連接基礎(chǔ)理論與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的橋梁，是現(xiàn)代工程師專業(yè)知識(shí)結(jié)構(gòu)的本質(zhì)特征。掌握一定的工程知識(shí)是正確進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的前提，有些結(jié)構(gòu)錯(cuò)誤對(duì)一個(gè)缺乏工程知識(shí)的設(shè)計(jì)者來說是不易事先覺察的。（見圖）這一節(jié)從改善力學(xué)性能、制造工藝性、

4、制造精度及裝配精度等方面來介紹一些機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原則。這些基本原則體現(xiàn)了一些重要的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程知識(shí)，分類符合機(jī)械工程師的工作特點(diǎn)，簡捷明了，具體生動(dòng)，操作性強(qiáng)，便于學(xué)習(xí)。一、改善力學(xué)性能的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則機(jī)械結(jié)構(gòu)形式千差萬別，但其功能的實(shí)現(xiàn)幾乎都與力（力矩）的產(chǎn)生、轉(zhuǎn)換傳遞有關(guān)。機(jī)械零件具有足夠的承載能力是保障機(jī)械結(jié)構(gòu)功能實(shí)現(xiàn)的先決條件。所以在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，根據(jù)力學(xué)理論對(duì)零件的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性進(jìn)行分析是必不可少的，并在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。計(jì)算機(jī)輔助結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)已被廣泛應(yīng)用于工程實(shí)際中。但它所依賴的力學(xué)模型與復(fù)雜的實(shí)際結(jié)構(gòu)及工況有差距，力學(xué)模型的精度通常很難提高；對(duì)稍微復(fù)雜一些的

5、實(shí)際結(jié)構(gòu)仍然停留在零件尺寸的優(yōu)化上，而基本結(jié)構(gòu)一般還得預(yù)先選定；只能針對(duì)一個(gè)具體的實(shí)例得到一個(gè)特定的數(shù)值解，并不能給予方向性指導(dǎo)。因此計(jì)算機(jī)輔助結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)不能代替工程知識(shí)的分析與總結(jié)，結(jié)合實(shí)例分析，掌握提高結(jié)構(gòu)承載能力的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則，并為結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供可借鑒的思路。（一）載荷分擔(dān)原則如果同一零件上同時(shí)承擔(dān)了多種載荷的作用，則可考慮將這些載荷分別由不同的零件來承擔(dān)。采取一定的結(jié)構(gòu)形式，將載荷分給兩個(gè)或多個(gè)零件來承擔(dān)，從而減輕單個(gè)零件的載荷，這種方法稱為載荷分擔(dān)。這樣有利于提高機(jī)械結(jié)構(gòu)的承載能力。如圖5-10a所示，軸已經(jīng)承受了彎矩的作用，如果齒輪再經(jīng)過軸將轉(zhuǎn)矩傳遞給卷筒，則軸為轉(zhuǎn)軸，受力較

6、大。如果將齒輪和卷筒改用螺栓直接聯(lián)接，則軸不受轉(zhuǎn)矩作用，軸為轉(zhuǎn)動(dòng)心軸，結(jié)構(gòu)較合理（見圖5-10b）。如圖5-11所示，靠摩擦傳遞橫向載荷的普通螺栓聯(lián)接常用銷、套筒、鍵等抗剪元件來承擔(dān)部分橫向載荷，提高螺紋聯(lián)接的可靠性。a)b)  圖5-10  轉(zhuǎn)軸改進(jìn)為心軸a)較差結(jié)構(gòu)  b)改進(jìn)結(jié)構(gòu)圖5-11  螺栓聯(lián)接中的抗剪元件如圖5-12所示，在選擇軸承類型時(shí)，在軸向載荷比徑向載荷大得多或要求軸向變形較小的情況下，可選用推力軸承和徑向接觸軸承的組合結(jié)構(gòu)來分別承受軸向載荷和徑向載荷。如圖5-13所示的帶輪結(jié)構(gòu)，傳動(dòng)帶產(chǎn)生的軸壓力和傳動(dòng)帶傳遞的轉(zhuǎn)矩分別通過不同的路徑

7、傳遞。這樣，軸只承受轉(zhuǎn)矩，軸壓力則直接由箱體承擔(dān)了。    圖5-12  推力和徑向軸承組合結(jié)構(gòu)圖5-13  帶輪結(jié)構(gòu)（二）均勻受載原則（載荷均布）在確定工作載荷的大小的情況下，可以考慮通過在結(jié)構(gòu)上均勻分布載荷的方法，來提高結(jié)構(gòu)承載能力。盡量避免集中載荷，盡可能地將載荷分散在結(jié)構(gòu)上，即為載荷均布。如圖5-14所示，經(jīng)過簡單的受力分析可知，受集中力的簡支梁在C點(diǎn)的受力比受分布力的簡支梁在C點(diǎn)的受力大了一倍，所以圖5-14b簡支梁的強(qiáng)度要好于圖5-14a。a)b)圖5-14  簡支梁受力分析a)集中力  b)分布力如圖5-15所示的行星齒

8、輪減速器結(jié)構(gòu)。如按圖a結(jié)構(gòu)制造，則會(huì)由于存在制造誤差，而使得行星輪之間的載荷分配出現(xiàn)不均勻的現(xiàn)象。在圖b中，將太陽輪改為浮動(dòng)，則可達(dá)到各行星輪均載的目的。如圖5-16所示為改善齒輪輪齒齒向載荷分布狀態(tài)而采用的桶形齒結(jié)構(gòu)。正常齒上，載荷分布偏于輪齒的兩端部分。將輪齒修成桶形齒后，依靠齒面受力的彈性變形使載荷沿齒寬方向分布比較均勻。  a)b)  a)b)圖5-15  行星齒輪減速器a)較差結(jié)構(gòu)  b)改進(jìn)結(jié)構(gòu)  圖5-16  桶形齒與載荷分布a)正常齒  b)桶形齒一般螺栓聯(lián)接受載后，各圈螺紋牙間的載荷分布是不均勻的（見圖5-

9、17a）。為改善螺紋牙間載荷分配不均勻的現(xiàn)象，可采用懸置螺母、內(nèi)斜螺母、環(huán)槽螺母等結(jié)構(gòu)（見圖5-17b、c、d）。a)b)c)d)圖5-17  改善螺紋牙間載荷分布a)螺紋受載示意圖  b)懸置螺母  c)內(nèi)斜螺母  d)環(huán)槽螺母（三）附加力自平衡原則（載荷平衡）在力的傳遞過程中，一些機(jī)械結(jié)構(gòu)常常不可避免地出現(xiàn)不做功的附加力，例如，斜齒輪嚙合的軸向力，產(chǎn)生摩擦力的正壓力，往復(fù)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的慣性力，流體機(jī)械葉片上壓力差引起的軸向力等，這些對(duì)結(jié)構(gòu)功能毫無作用的附加力，加大了結(jié)構(gòu)的負(fù)載，降低了機(jī)械結(jié)構(gòu)的承載能力。如果使其在同一零件內(nèi)與其它同類載荷構(gòu)成平衡力系則其

10、它零件不受這些載荷的影響，有利于提高結(jié)構(gòu)的承載能力，這就是載荷平衡原則。力自平衡措施的措施主要有：引入平衡件和對(duì)稱安裝。在高速回轉(zhuǎn)機(jī)械中，必須靠結(jié)構(gòu)的措施及動(dòng)平衡的方法使旋轉(zhuǎn)慣性力降低到允許的大小，這就要求回轉(zhuǎn)件的質(zhì)量須盡量相對(duì)與回轉(zhuǎn)中心呈對(duì)稱分布?？赏ㄟ^對(duì)回轉(zhuǎn)件在動(dòng)平衡機(jī)上做動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)，測出并消除超出允許值的不平衡質(zhì)量。做往復(fù)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械，如連桿機(jī)構(gòu)，也可在設(shè)計(jì)中采取結(jié)構(gòu)措施和動(dòng)平衡的方法，使其在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生盡可能小的慣性力。如圖5-18a、5-19a所示的結(jié)構(gòu)工作時(shí)產(chǎn)生的軸向力最終要影響到軸的受力，而在圖5-18b、5-19b中，由于引入了自平衡措施，則可消除軸向力對(duì)軸的影響。a)b)圖5-1

11、8  斜齒輪嚙合的自平衡方法a)較差結(jié)構(gòu)  b)改進(jìn)結(jié)構(gòu)a)b)圖5-19  圓錐式離合器的自平衡方法a)較差結(jié)構(gòu)  b)改進(jìn)結(jié)構(gòu)（四）減小應(yīng)力集中應(yīng)力集中是影響承受交變應(yīng)力的結(jié)構(gòu)承載能力的重要因素，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)設(shè)法緩解應(yīng)力集中。在應(yīng)力集中的部位，零件的疲勞強(qiáng)度將顯著降低。最大應(yīng)力比該截面上的平均應(yīng)力可以大25倍以上。應(yīng)力集中與零件的局部變化形式（見圖5-20）及零件的受力狀態(tài)（見圖5-21）有關(guān)。降低應(yīng)力集中程度可以提高零件的疲勞強(qiáng)度。圖5-20  局部形狀與應(yīng)力集中圖5-21  受力狀況與應(yīng)力集中普通螺栓聯(lián)接，存在嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象

12、。如圖5-22所示為螺栓頭與螺栓桿在過渡處的應(yīng)力集中情況。從圖中可以看出，在螺栓頭與桿過渡處應(yīng)力發(fā)生急劇變化，應(yīng)力集中非常嚴(yán)重。一般可采用過渡圓角結(jié)構(gòu)來緩解，但不夠好，圖中列出了四中過渡結(jié)構(gòu)，其中以d圖結(jié)構(gòu)的效果最佳。a)b)c)d)圖5-22  螺栓頭桿過渡部位應(yīng)力分布圖如圖5-23所示，降低截面尺寸變化處附近的剛度，可以降低應(yīng)力集中的影響程度。注意避免多個(gè)應(yīng)力集中源疊加。如圖5-24所示的軸結(jié)構(gòu)中臺(tái)階和鍵槽端部都會(huì)引起軸在彎矩作用下的應(yīng)力集中，但a圖結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中狀況比b圖結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中狀況要嚴(yán)重得多。  a)b)  a)b)圖5-23  降低截面尺

13、寸變化處附近的剛度a)較差結(jié)構(gòu)  b)改進(jìn)結(jié)構(gòu)  圖5-24  避免多個(gè)應(yīng)力集中源疊加a)較差結(jié)構(gòu)  b)改進(jìn)結(jié)構(gòu)（五）提高接觸強(qiáng)度原則根據(jù)赫茲公式，提高高副接觸強(qiáng)度有兩條途徑：一是減小接觸處的分布載荷，一是增大兩接觸零件在接觸部位的綜合曲率半徑。如圖5-25所示，連桿機(jī)構(gòu)的桿1與銷2為線接觸，如在銷軸處增加零件3，則變線接觸為面接觸； c圖為斜面推桿機(jī)構(gòu)，零件6把推桿4與斜面5的點(diǎn)接觸改為面接觸； e圖增加了零件10，也將點(diǎn)接觸變?yōu)榱嗣娼佑|；將零件10改為零件11，則可以在零件9和11之間產(chǎn)生液體動(dòng)壓潤滑。這樣就減小接觸處的分布載荷，降低了接觸應(yīng)力，提

14、高了接觸強(qiáng)度，而且還可以改善潤滑，減少磨損。a)b)c)d)e)f)g)圖5-25  用面接觸代替點(diǎn)、線接觸如圖5-26所示的結(jié)構(gòu)中，從圖a到圖c的高副接觸中綜合曲率半徑依次增大，這樣接觸應(yīng)力依次減小，因此結(jié)構(gòu)c有利于改善球面支承的接觸強(qiáng)度和剛度。a)b)c)圖5-26  增大接觸處的綜合曲率半徑（六）提高剛度原則在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，在不增加零件質(zhì)量的前提下，要盡量提高零件結(jié)構(gòu)的剛度。對(duì)于不同類型的零件，應(yīng)根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)采用相應(yīng)的措施。但總的來說要注意以下幾點(diǎn)：1.         用受壓、拉零件

15、替代受彎曲零件；2.         合理布置受彎曲零件支承（見圖5-27）；3.         合理設(shè)計(jì)受彎曲零件的截面形狀；4.         合理采用筋板，盡可能使筋板受壓；5.         采用預(yù)變形方法。比如三角形桁架代替受彎曲的懸臂梁，剛度就要好得多。如圖5-

16、28所示，選擇不同類型的軸承對(duì)系統(tǒng)剛度也有明顯的影響，且常與對(duì)彎曲強(qiáng)度的影響同時(shí)存在。a)b)a)b)圖5-27  鑄造支承結(jié)構(gòu)a)較差結(jié)構(gòu)  b)改進(jìn)結(jié)構(gòu)圖5-28  軸承類型的影響（七）變形協(xié)調(diào)原則一個(gè)零件和另一個(gè)零件相接觸，當(dāng)在接觸處難以同步變形時(shí)，零件間的接觸區(qū)域里應(yīng)力會(huì)急劇上升，這是應(yīng)力集中的另一種情況。在接觸處降低零件在力流方向上的剛度，盡量使兩零件在接觸區(qū)域里同步變形，降低應(yīng)力集中的影響，此及為變形協(xié)調(diào)原則。如圖5-29所示，過盈配合聯(lián)接結(jié)構(gòu)在輪轂端部應(yīng)力集中嚴(yán)重，可通過降低軸或輪轂相應(yīng)部位的局部剛度使應(yīng)力集中得到有效緩解。a)b)c)d)圖5-29

17、  過盈配合的聯(lián)接結(jié)構(gòu)如圖5-30所示，受彎曲載荷作用的軸在滑動(dòng)軸承端面常常出現(xiàn)邊緣擠壓，從而引起軸承的失效，其原因即為軸承不能隨著軸的變形而變形。因此滑動(dòng)軸承軸承座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)該使軸承在軸受載荷作用時(shí)能和軸協(xié)調(diào)變形。a)b)圖5-30  軸承座的結(jié)構(gòu)a)較差結(jié)構(gòu)  b)改進(jìn)結(jié)構(gòu)變形不協(xié)調(diào)不僅會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中，降低機(jī)械結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，而且還可能損害機(jī)械的功能，如圖5-31a所示，是一起重機(jī)行走機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)軸，由于結(jié)構(gòu)及其它條件的制約，軸上齒輪不能安裝在軸的中點(diǎn)位置上，這將導(dǎo)致兩行走輪因軸變形引起的扭角也不等。這種力矩傳遞的不同步使得起重機(jī)的行走總有自動(dòng)轉(zhuǎn)彎的趨勢。改進(jìn)的方

18、法是將齒輪兩側(cè)的軸的扭轉(zhuǎn)剛度設(shè)計(jì)相等，如圖5-31b所示。a)b)圖5-31  軸承座的結(jié)構(gòu)a)較差結(jié)構(gòu)  b)改進(jìn)結(jié)構(gòu)（八）等強(qiáng)度原則一般，機(jī)械設(shè)計(jì)中的強(qiáng)度要求是通過零件中最大工作應(yīng)力等于或小于材料許用應(yīng)力來滿足，這樣材料并為得到充分利用。最理想的設(shè)計(jì)是應(yīng)力處處相等，同時(shí)達(dá)到材料的許用應(yīng)力值。工程中大量出現(xiàn)的變截面梁就是按照等強(qiáng)度原則來設(shè)計(jì)的。比如，搖臂鉆的橫臂AB，汽車用的板簧和階梯軸等（見圖5-32）。按照等強(qiáng)度原則設(shè)計(jì)時(shí)要注意兩點(diǎn)：其一應(yīng)用等強(qiáng)度原則的前提是要方便制造；其二是要注意次要載荷的影響。a)b)c)圖5-32  滿足等強(qiáng)度原則的結(jié)構(gòu)a) 搖臂鉆的

19、橫臂  b) 車用的板簧  c) 階梯軸（九）其它設(shè)計(jì)原則很多，下面介紹一些其它設(shè)計(jì)原則：1.         空心截面原則彎曲應(yīng)力或扭轉(zhuǎn)應(yīng)力在橫截面上都是越遠(yuǎn)離中心越大，而在中心處卻很小，為了充分利用材料，應(yīng)盡量將材料放在遠(yuǎn)離截面中心處，使其成為空心結(jié)構(gòu)，從而提高零件的強(qiáng)度和剛度。此即為空心截面原則。2.         受扭截面封閉原則受扭轉(zhuǎn)作用的薄壁零件的截面應(yīng)盡量制造成為封閉形狀，因?yàn)榉忾]形狀比開口形狀抗剪切

20、能力強(qiáng)，抗扭剛度大。此即為受扭截面封閉原則。3.         最佳著力點(diǎn)原則著力點(diǎn)的位置要盡量通過中心點(diǎn)、結(jié)點(diǎn)等位置，避免產(chǎn)生附加彎矩，這樣有助于提高零件的承載能力。4.         受沖擊載荷結(jié)構(gòu)柔性原則為了提高零件的抗沖擊的能力，應(yīng)減小系統(tǒng)的剛度，加大柔性，這將有助于改善系統(tǒng)的性能。5.         避免長壓桿失穩(wěn)原則6. 

21、0;       熱變形自由原則二、改善制造工藝性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則（一）焊接件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則一般來說可以通過三條途徑來保證或提高焊接質(zhì)量：材料、工藝、結(jié)構(gòu)。其中，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的缺陷能嚴(yán)重地影響焊接零件乃至整個(gè)機(jī)械設(shè)備的質(zhì)量和功能。1    避免高應(yīng)力區(qū)原則焊縫及其影響區(qū)的動(dòng)載強(qiáng)度一般比周圍材料的強(qiáng)度要低，還存在內(nèi)應(yīng)力，因此應(yīng)盡量將焊縫設(shè)置于應(yīng)力水平較低的區(qū)域。如圖5-33a所示，當(dāng)焊接兩塊板厚不同的零件時(shí)，因幾何尺寸突變，所以在焊接區(qū)域里存在嚴(yán)重的應(yīng)力集中。此時(shí)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要留有過渡結(jié)構(gòu)，緩解幾何尺寸的突變（見

22、圖5-33b）。如圖5-34a所示壓力容器，當(dāng)焊縫處在曲率突變位置時(shí)，盡管壁厚一致，但應(yīng)力也很大，不可取，采用如圖5-34b所示的結(jié)構(gòu)效果就要好些。類似情況還有如圖5-35所示。  a)b)  a)b)圖5-33  不同板厚零件間的焊縫a)較差結(jié)構(gòu)  b)改進(jìn)結(jié)構(gòu)  圖5-34  壓力容器的焊縫a)較差結(jié)構(gòu)  b)改進(jìn)結(jié)構(gòu)a)b)圖5-35  避免高應(yīng)力區(qū)的焊縫結(jié)構(gòu)a)較差結(jié)構(gòu)  b)改進(jìn)結(jié)構(gòu)2    避免焊縫重疊原則復(fù)雜結(jié)構(gòu)的焊縫常出現(xiàn)多條焊縫交叉重疊的情況。焊縫交匯處剛性

23、大，結(jié)構(gòu)翹曲嚴(yán)重，從而加大焊縫內(nèi)應(yīng)力，而且結(jié)構(gòu)多次過熱，材料性能下降，易出現(xiàn)裂紋，這些都會(huì)影響焊接結(jié)構(gòu)的性能。改進(jìn)方法有三種：加輔助結(jié)構(gòu)（見圖5-36a）、切除部分（見圖5-36b）、焊縫錯(cuò)開（見圖5-36c）a)b)c)圖5-36  避免焊縫重疊的焊縫結(jié)構(gòu)a)加輔助結(jié)構(gòu)  b)切除部分  c)焊縫錯(cuò)開3    焊縫根部優(yōu)先受壓原則在焊接構(gòu)件承受彎曲應(yīng)力時(shí)，應(yīng)將焊縫置于壓應(yīng)力一側(cè)。4    避免尖角原則尖角處焊接定位困難，尖角易被熔化，焊接質(zhì)量不易保證。如圖5-37所示，改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)效果要好得多。a)b)

24、圖5-37  避免尖角的焊縫結(jié)構(gòu)a)較差結(jié)構(gòu)  b)改進(jìn)結(jié)構(gòu)5    對(duì)稱性原則焊接件設(shè)計(jì)應(yīng)具有對(duì)稱性。焊縫布置與焊接順序也應(yīng)對(duì)稱，這樣就可以利用各條焊縫冷卻時(shí)的力和變形相互均衡，以得到焊接件整體的較小變形（見圖5-38）。a)b)圖5-38  對(duì)稱焊縫結(jié)構(gòu)a)較差結(jié)構(gòu)  b)改進(jìn)結(jié)構(gòu)6    焊接量最少原則理想的焊接結(jié)構(gòu)是焊接量最少的結(jié)構(gòu)，應(yīng)盡量減少焊縫個(gè)數(shù)和焊接量（見圖5-39）。a)b)圖5-39  焊接量少的焊縫結(jié)構(gòu)a)較差結(jié)構(gòu)  b)改進(jìn)結(jié)構(gòu)（二）鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則鑄

25、件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)鑄件的制造成本，鑄件的質(zhì)量有決定性的影響。鑄件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要充分地考慮鑄造材料和工藝的特性。1.         壁厚均勻原則均勻的壁厚可以提高鑄件的質(zhì)量，減少鑄件中斷面厚度大的部分的尺寸，避免金屬聚集一致產(chǎn)生縮孔或縮松，而且還可以節(jié)省材料（見圖5-40）。a)b)圖5-40  壁厚均勻的鑄件結(jié)構(gòu)a)較差結(jié)構(gòu)  b)改進(jìn)結(jié)構(gòu)2.         自由收縮原則加肋結(jié)構(gòu)是鑄件中常見的結(jié)構(gòu)。在設(shè)置加強(qiáng)肋時(shí)應(yīng)避免

26、在冷卻過程中因收縮不一致而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力和裂紋。具體措施有：蜂窩狀加強(qiáng)肋（見圖5-41a）、斜彎加強(qiáng)肋（圖見圖5-41b）、加強(qiáng)肋錯(cuò)位（見圖5-41c）和加強(qiáng)肋切斷（見圖5-41d）。如圖5-41b所示，為避免鑄件冷卻時(shí)阻礙金屬收縮，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力而導(dǎo)致輪輻產(chǎn)生裂紋，將直輻條改成弧形，這樣冷卻時(shí)輻條就能夠自由收縮，結(jié)構(gòu)較合理。        a)b)c)d)圖5-41  自由收縮的鑄件結(jié)構(gòu)a)蜂窩狀加強(qiáng)肋  b)斜彎加強(qiáng)肋  c)加強(qiáng)肋錯(cuò)位  d)加強(qiáng)肋切斷3.    &

27、#160;    良好的受力狀態(tài)原則鑄件應(yīng)優(yōu)先承受壓力，因?yàn)殍T鐵的抗壓強(qiáng)度比抗拉強(qiáng)度高得多（見圖5-42）。鑄件內(nèi)部肋的安置應(yīng)考慮幾何原理。如圖5-43a所示加強(qiáng)肋按矩形分布，對(duì)鑄件強(qiáng)度和剛度有一些的影響，因矩形是不穩(wěn)定的形狀。若按三角形安置，形狀穩(wěn)定，造型較好，結(jié)構(gòu)比較合理（見圖5-43b）。鑄件在必要時(shí)應(yīng)局部加強(qiáng)（見圖5-44）。鑄件的箱壁應(yīng)可靠地支持在地面上，以保持它的強(qiáng)度和剛度。a)b)圖5-42  受壓優(yōu)先鑄件結(jié)構(gòu)a)受壓加強(qiáng)肋  b)受壓容器  a)b)  a)b)圖5-43  內(nèi)置加強(qiáng)肋結(jié)構(gòu)a)較差結(jié)

28、構(gòu)  b)改進(jìn)結(jié)構(gòu)  圖5-44  局部加強(qiáng)結(jié)構(gòu)a)較差結(jié)構(gòu)  b)改進(jìn)結(jié)構(gòu)4.         便于模具制造原則復(fù)雜模具制造困難、成本高、難以保證質(zhì)量。一般要求結(jié)構(gòu)形狀簡單（見圖5-45a），避免隱蔽、分離部分（見圖5-45b），圓角尺寸統(tǒng)一（見圖5-45c），優(yōu)先采用對(duì)稱形狀，盡量少用模芯，采用復(fù)合結(jié)構(gòu)（見圖5-45d）等。a)b)c)d)圖5-45  便于模具制造的結(jié)構(gòu)如圖5-46所示，有些圓角對(duì)鑄件質(zhì)量影響不大，但增加造型造芯的困難，為此應(yīng)將圓角取消。如圖5

29、-47所示的面積較大的薄壁零件，不應(yīng)設(shè)計(jì)成水平的平面結(jié)構(gòu)。水平平面澆鑄時(shí)容易造成冷隔或形成氣孔。如改為有斜坡的平面，則有利于排出液態(tài)金屬中的雜質(zhì)和由于鐵液漫流造成的冷隔等缺陷。  a)a)b)  b)圖5-46  圓角對(duì)造型造芯的影響a)較差結(jié)構(gòu)  b)改進(jìn)結(jié)構(gòu)  圖5-47  面積較大的薄壁結(jié)構(gòu)a)較差結(jié)構(gòu)  b)改進(jìn)結(jié)構(gòu)5.         其它有關(guān)鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的其它要求舉例說明如下：起模方便（見圖5-48a），流動(dòng)暢通（見圖5-48b），便

30、于排氣，清除表皮方便（見圖5-48c），便于切削加工（見圖5-48d）等。  a)  b)  c)  d)圖5-48  鑄件結(jié)構(gòu)（三）切削件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則減少加工成本，提高機(jī)加工質(zhì)量是切削件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求，切削件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要充分考慮機(jī)加工工藝的特性。1.         便于退刀原則方便退刀可以節(jié)省加工時(shí)間，從而達(dá)到降低加工成本的目的。退刀槽和越程槽是兩種最常見的退刀結(jié)構(gòu)（見圖5-49）。a)b)c)圖5-49  便于退刀的結(jié)構(gòu)2.  

31、;       減少加工量原則減少加工量可以提高生產(chǎn)效率，還可以節(jié)省材料。常用的方法有：選擇合適的毛坯、采用組合部件（見圖5-50a）、平緩過渡（見圖5-50b）和減少行程（見圖5-50c）等。  a)    b)  c)圖5-50  減少加工量的結(jié)構(gòu)3.         可靠夾緊原則機(jī)械零件在機(jī)加工時(shí)必須夾持在機(jī)床上，因此機(jī)械零件上必須有便于夾持的部位。此外夾持零件必須有足夠大的支持力，以保證在切削力的作

32、用下，零件不會(huì)晃動(dòng)，這樣才能保證加工質(zhì)量（見圖5-51）。  a)  b)圖5-51  保證夾緊力的結(jié)構(gòu)4.         同一夾緊工序原則在加工機(jī)械零件的不同表面時(shí)，應(yīng)避免多次裝夾。希望能在一次固定中加工盡可能多的零件表面。這樣，不但可以節(jié)約加工時(shí)間，而且可以提高加工精度。比如一根軸上的鍵槽應(yīng)該布置在同一條直線上。如圖5-52所示為一軸承座，a圖所示的結(jié)構(gòu)兩孔因中間隔有凸臺(tái)，而不能一次加工出來。在b圖中則是去掉凸臺(tái)，用擋環(huán)代替，則可保證兩孔一次安裝就可加工出來。a)b)圖5-52&

33、#160; 軸承座結(jié)構(gòu)a)較差結(jié)構(gòu)  b)改進(jìn)結(jié)構(gòu)5.         避免斜面開孔原則在斜面上鉆孔不但位置不準(zhǔn)，而且易損傷刀具，應(yīng)盡量避免，可采用改變孔的位置或改變零件表面形狀，使零件表面與孔中心線垂直來解決（見圖5-53）。a)b)c)圖5-53  避免斜面開孔的結(jié)構(gòu)6.         貫通孔優(yōu)先原則貫通孔通常比盲孔易加工，易提高加工質(zhì)量。如圖5-54a所示的結(jié)構(gòu)，加工時(shí)，刀具只能是懸臂式支承，此時(shí)刀具會(huì)產(chǎn)生較

34、大的變形，從而使孔的加工精度下降。在兩孔間距較大時(shí)，甚至?xí)霈F(xiàn)廢品。b圖所示的結(jié)構(gòu)是刀臂兩端支承成為可能。a)b)圖5-54  貫通孔結(jié)構(gòu)a)較差結(jié)構(gòu)  b)改進(jìn)結(jié)構(gòu)7.         其它有關(guān)切削件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的其它要求舉例說明如下：便于切削（見圖5-55a）、孔周邊條件相近（見圖5-55b）等。a)b)圖5-55  便于切削的結(jié)構(gòu)a)較差結(jié)構(gòu)  b)改進(jìn)結(jié)構(gòu)（四）鍛件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則鍛件是指靠擠壓成型的零件。鍛造可以改善材料性能，材質(zhì)分布更趨均勻，使得鍛件有較好的抗動(dòng)載荷的能力

35、。一般鍛件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要遵循以下原則。1.         分界面合理原則鍛模的分界面的選定要便于在鍛造過程中材料的流動(dòng)，而且還要便于模具的制造。如圖5-56所示，b圖的結(jié)構(gòu)比a圖的結(jié)構(gòu)有利于材料的流動(dòng)。如圖5-57所示，a圖所示的模膛結(jié)構(gòu)加工較困難必須用銑和磨的方法才能加工出來，而b圖的模膛結(jié)構(gòu)只需用車削的方法就可加工出來。a)b)圖5-56  便于材料流動(dòng)的結(jié)構(gòu)a)較差結(jié)構(gòu)  b)改進(jìn)結(jié)構(gòu)a)b)圖5-57  便于模具制造的結(jié)構(gòu)a)較差結(jié)構(gòu)  b)改進(jìn)結(jié)構(gòu)2. &#

36、160;       避免尖銳棱角原則鍛件尖銳棱角處變形量很大，需很大的擠壓力，成型困難（見圖5-58）。  a)  b)圖5-58  避免尖銳棱角的結(jié)構(gòu)3.         方便鍛造原則對(duì)稱結(jié)構(gòu)方便制造，非對(duì)稱結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量避免（見圖5-59a）；鍛件內(nèi)外臺(tái)階大小應(yīng)向一個(gè)方向變化，盡量避免多個(gè)臺(tái)階（見圖5-59b）；盡量避免使用肋板（見圖5-59c）。  a)b)  c)圖5-59  方便鍛造的結(jié)構(gòu)

37、4.         便于后繼加工原則待加工表面應(yīng)凸出于其它鍛造表面（見圖5-60a）；應(yīng)留有夾緊支撐點(diǎn)，以便于切削加工（見圖5-60b）。  a)  b)圖5-60  便于后繼加工的結(jié)構(gòu)（五）薄板件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則薄板指板厚相對(duì)其長寬小得多的鋼板。充分考慮薄板的加工工藝的要求和特點(diǎn)，一般薄板件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要遵循以下原則。1.         簡單形狀原則切割面幾何形狀簡單，則切割下料方便，切割的線路短，切割量小。

38、如圖5-61所示，直線比曲線簡單。a)b)圖5-61  直線與曲線結(jié)構(gòu)a)較差結(jié)構(gòu)  b)改進(jìn)結(jié)構(gòu)2.         節(jié)省材料原則在薄板零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要盡量減少下腳料，這樣可以減少制造成本。如圖5-62所示，b圖結(jié)構(gòu)的效果就要好得多。a)b)圖5-62  節(jié)省材料的結(jié)構(gòu)a)較差結(jié)構(gòu)  b)改進(jìn)結(jié)構(gòu)3.         避免過窄結(jié)構(gòu)原則如圖5-63所示，兩孔之間的距離太小，加工時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生裂紋。

39、細(xì)長的板條剛度低，在裁剪時(shí)易出現(xiàn)裂紋，此外過窄結(jié)構(gòu)在加工過程中還將嚴(yán)重磨損刀具。a)b)圖5-63  避免過窄的結(jié)構(gòu)a)較差結(jié)構(gòu)  b)改進(jìn)結(jié)構(gòu)4.         彎曲棱邊垂直切割面原則薄板在切削加工后，進(jìn)行彎曲成型加工，彎曲棱邊應(yīng)垂直與切割面或者交匯處設(shè)計(jì)一個(gè)圓角，否則交匯處易出現(xiàn)裂紋（見圖5-64）。a)b)圖5-64  彎曲棱邊垂直切割面結(jié)構(gòu)a)較差結(jié)構(gòu)  b)改進(jìn)結(jié)構(gòu)5.        

40、 平緩彎曲原則陡峭的彎曲需特殊的工具，成本高。另外，曲率半徑過小易產(chǎn)生裂紋，在內(nèi)側(cè)面上還會(huì)出現(xiàn)皺折（見圖5-65）。a)b)圖5-65  平緩彎曲結(jié)構(gòu)a)較差結(jié)構(gòu)  b)改進(jìn)結(jié)構(gòu)6.         槽邊不彎曲原則彎曲區(qū)域受力狀態(tài)復(fù)雜，強(qiáng)度低，槽孔應(yīng)遠(yuǎn)離彎曲區(qū)域或橫跨彎曲區(qū)域（見圖5-66）。a)b)圖5-66  槽邊不彎曲結(jié)構(gòu)a)較差結(jié)構(gòu)  b)改進(jìn)結(jié)構(gòu)7.         復(fù)雜結(jié)構(gòu)組合制造原則

41、對(duì)于復(fù)雜的薄板零件可采用組合零件形式，即將薄板零件用焊接、螺栓聯(lián)接等方式組合在一起（見圖5-67）。a)b)圖5-67  組合結(jié)構(gòu)a)較差結(jié)構(gòu)  b)改進(jìn)結(jié)構(gòu)8.         穩(wěn)定性原則薄板結(jié)構(gòu)橫向彎曲剛度較差，一般用平面壓槽或空間壓槽來提高剛度（見圖5-68）。a)b)圖5-68  穩(wěn)定性好的結(jié)構(gòu)a)較差結(jié)構(gòu)  b)改進(jìn)結(jié)構(gòu)9.         避免直線貫通原則平面壓槽排列應(yīng)避免無壓槽區(qū)域直

42、線貫通。如圖5-69a所示的結(jié)構(gòu)，無壓槽區(qū)域形成多個(gè)貫通的窄條軸，相對(duì)這些軸，彎曲剛度沒有任何改進(jìn)，但b圖就不存在這些問題，效果要好得多。a)b)圖5-69  避免直線貫通的結(jié)構(gòu)a)較差結(jié)構(gòu)  b)改進(jìn)結(jié)構(gòu)10.     壓槽連通排列原則壓槽的端點(diǎn)是薄弱環(huán)節(jié)，疲勞強(qiáng)度低。緩解或消除這些影響的方法就是盡量將壓槽連通。如圖5-70所示的結(jié)構(gòu)，是卡車上的電瓶箱體，受動(dòng)載荷作用，a圖結(jié)構(gòu)在壓槽端點(diǎn)處易產(chǎn)生疲勞失效，b圖為壓槽連通之后的結(jié)構(gòu)圖，效果就要好些。a)b)圖5-70  壓槽連通排列結(jié)構(gòu)a)較差結(jié)構(gòu)  b)改進(jìn)結(jié)構(gòu)（

43、六）其它有關(guān)改善制造工藝性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則，還有鉚焊件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，工程塑料零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及機(jī)械零件修配的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。這里不再闡述，有興趣可查閱相關(guān)資料。三、提高裝配質(zhì)量的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則零部件裝配成機(jī)器，裝配質(zhì)量直接影響著機(jī)器的運(yùn)行性能質(zhì)量，裝配質(zhì)量即為零部件相互聯(lián)系界面上的質(zhì)量。符合裝配要求的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上保證裝配的可能，采用的結(jié)構(gòu)應(yīng)方便裝配，減少裝配工作量，提高裝配質(zhì)量。（一）便于運(yùn)送原則自動(dòng)化制造系統(tǒng)中，將零部件從庫存運(yùn)送到裝配現(xiàn)場是裝配過程中常見的工序，常采用的輸送設(shè)備是輸送帶。對(duì)此工序的要求就是避免零部件套勾、連結(jié)在一起，使機(jī)器人無法分離；避免結(jié)構(gòu)的重心偏高，不便于自動(dòng)輸送。如圖

44、5-71a所示的結(jié)構(gòu)也難以自動(dòng)輸送，因?yàn)樗鼈兊闹本€滾動(dòng)西性能差，b圖所示結(jié)構(gòu)就便于運(yùn)送。a)b)圖5-71  便于運(yùn)送的結(jié)構(gòu)a)較差結(jié)構(gòu)  b)改進(jìn)結(jié)構(gòu)（二）便于方位識(shí)別原則在自動(dòng)化制造系統(tǒng)中，應(yīng)盡量提高機(jī)器人的方位識(shí)別能力，方法之一就是在設(shè)計(jì)零部件結(jié)構(gòu)時(shí)，留有識(shí)別特征。采取對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因彼此無差別，故不用識(shí)別（見圖5-72 a）。識(shí)別特征以幾何特征最易被識(shí)別，應(yīng)盡量將物理特征轉(zhuǎn)換成幾何特征（見圖5-72 b）。內(nèi)部特征難以觀察，應(yīng)外部化（見圖5-72 c）。對(duì)于近似結(jié)構(gòu)，應(yīng)擴(kuò)大其不對(duì)稱性，以便于特征識(shí)別（見圖5-72 d）。較差結(jié)構(gòu)改進(jìn)結(jié)構(gòu)  a)b)c)d)圖5

45、-72  便于方位識(shí)別的結(jié)構(gòu)（三）方便抓取原則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮：留有抓舉面，保證能抓牢，不損傷工作面。如圖5-73所示的結(jié)構(gòu)難以抓牢，因?yàn)閵A持面是斜面。a)b)圖5-73  便于抓取的結(jié)構(gòu)a)較差結(jié)構(gòu)  b)改進(jìn)結(jié)構(gòu)（四）方便定位原則一邊測量，一邊定位是不可靠的，自動(dòng)定位最為理想。如圖5-74a所示，結(jié)構(gòu)的方孔高度有一定的精度要求。此時(shí)，主要起聯(lián)接作用的螺栓是不能保證該精度要求的。可增加一個(gè)微調(diào)螺栓結(jié)構(gòu)，即可調(diào)整方孔高度精度。如圖5-74b所示是一種自動(dòng)定位的結(jié)構(gòu)。如圖5-74c所示為具有導(dǎo)向功能的結(jié)構(gòu)。較差結(jié)構(gòu)改進(jìn)結(jié)構(gòu)  a)b)c)圖5-74

46、0; 便于定位的結(jié)構(gòu)（五）簡化裝配操作原則如圖5-75a所示的結(jié)構(gòu)中，將彈簧直接掛在開口槽上比扣在封閉孔內(nèi)要簡單，機(jī)器人操作時(shí)差別更顯著。如圖5-75b所示的封蓋結(jié)構(gòu)是螺紋聯(lián)接，上面的結(jié)構(gòu)要旋轉(zhuǎn)若干圈，而下面結(jié)構(gòu)靠摩擦力聯(lián)接，插入即可，在無內(nèi)壓的情況下下圖結(jié)構(gòu)有優(yōu)越性。如圖5-75c所示的軸承的安裝，上圖軸承要經(jīng)過很長的軸段才能到達(dá)預(yù)定位置，要方便安裝，則要在非軸支座的地方，取較小的軸徑。如圖5-78所示為一組可快速裝配的聯(lián)接結(jié)構(gòu)。較差結(jié)構(gòu)  改進(jìn)結(jié)構(gòu)    a)b)  c)圖5-75  便于定位的結(jié)構(gòu)a)b)c)d)e)圖5-78 

47、 快速裝配聯(lián)接結(jié)構(gòu)（六）可裝配原則裝配至少要求工具能方便地到達(dá)裝配位置，且要有足夠的操作的空間。人工裝配時(shí)，還要求視線可及。如圖5-79所示即是如此。較差結(jié)構(gòu)改進(jìn)結(jié)構(gòu)  a)b)c)圖5-79  可裝配結(jié)構(gòu)（七）各裝配面依次裝配原則多個(gè)裝配面同時(shí)裝配，裝配狀態(tài)往往是一種過約束狀態(tài)，裝配比較困難，故應(yīng)盡量避免多個(gè)裝配面同時(shí)裝配。如圖5-80所示即是如此。a)b)圖5-80  依次裝配的結(jié)構(gòu)a)較差結(jié)構(gòu)  b)改進(jìn)結(jié)構(gòu)（八）簡單聯(lián)接件原則采用簡單的聯(lián)接件可以減小裝配工作量。如圖5-81所示，因螺栓聯(lián)接方式的裝配工作量大，用卡夾代替螺栓，則結(jié)構(gòu)簡單，便于操作。

48、a)b)圖5-81  簡單聯(lián)接結(jié)構(gòu)a)較差結(jié)構(gòu)  b)改進(jìn)結(jié)構(gòu)（九）便于拆卸原則符合裝配要求的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也應(yīng)便于拆卸。如圖5-82所示為一聯(lián)接鍵，在鍵一端的底部留有坡度，拆卸時(shí)用力一擊便可將鍵拆卸下來。還有起蓋結(jié)構(gòu)、軸承拆卸結(jié)構(gòu)等等。a)b)圖5-82  便于拆卸的結(jié)構(gòu)a)較差結(jié)構(gòu)  b)改進(jìn)結(jié)構(gòu)四、提高精度的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須服從現(xiàn)代機(jī)器、儀器的高精度原則，改善結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以減小由于加工、裝配、調(diào)整產(chǎn)生的誤差和使用中的磨損、彈性變形、熱變形等產(chǎn)生的誤差，及減小系統(tǒng)對(duì)各項(xiàng)誤差的敏感程度，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量。（一）阿貝（Abbe）原則阿貝原則是阿貝于1

49、890年對(duì)于量儀設(shè)計(jì)而提出的：“若使量儀給出正確的測量結(jié)果，必須將儀器的讀數(shù)線尺安放在被測尺寸的延長線上”。如圖5-83c所示，當(dāng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不符合阿貝原則時(shí)，導(dǎo)軌不直度引起的傾角f所產(chǎn)生的誤差為：daf其中a為被測尺寸線與讀數(shù)線尺之間的距離，導(dǎo)軌傾角f的單位是弧度。當(dāng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)符合阿貝原則時(shí)，導(dǎo)軌傾角f所產(chǎn)生的誤差為：dCf2其中C為基準(zhǔn)尺讀數(shù)頭到工件測量讀數(shù)頭之間的距離，導(dǎo)軌傾角f的單位是弧度。通常f是微量，f2則是二階微量，可見遵從了阿貝原則就可以消除儀器導(dǎo)軌不直度引起的誤差，顯著地提高測量精度。為了減小阿貝誤差，在設(shè)計(jì)和工藝上應(yīng)提高導(dǎo)軌精度，減小導(dǎo)軌不直度所產(chǎn)生的傾角f，在結(jié)構(gòu)布局上要盡量減

50、小讀數(shù)線與被測尺寸線之間的距離a。如圖5-83a所示的游標(biāo)卡尺不符合阿貝原則，因而這種測量工具不容易得到較高的測量精度；如圖5-83b所示千分尺能達(dá)到較高的精度，但是因?yàn)榭潭瘸吲c工件安排在一條直線上所以量具的尺寸較大。  a)    b)  c)圖5-83  阿貝原則a)游標(biāo)卡尺  b)千分尺  c)誤差分析簡圖（二）誤差校正與補(bǔ)償當(dāng)機(jī)械結(jié)構(gòu)不滿足阿貝原則，或者機(jī)械結(jié)構(gòu)存在加工誤差，或者機(jī)械結(jié)構(gòu)在工作過程中，由于溫度變化、受載、磨損等使得零部件的形狀及相對(duì)位置關(guān)系發(fā)生變化，這些因素最終將影響機(jī)械結(jié)構(gòu)的工作精度。有些因素式不可

51、避免的，但好的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以減少這些因素對(duì)工作精度造成的影響。為解決這個(gè)矛盾，可以算出結(jié)構(gòu)誤差，然后采用誤差校正與補(bǔ)償方法進(jìn)行補(bǔ)償。對(duì)誤差校正與補(bǔ)償裝置的要求是：結(jié)構(gòu)簡單，制造與裝配方便，靈敏度較高，能有效地消除和減小誤差。下面是幾個(gè)機(jī)械式的校正與補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的例子。如圖5-84所示是光柵刻劃機(jī)中絲杠誤差校正裝置。校正尺2的工作面按螺旋副實(shí)測誤差曲線放大一定比例后制成，它固定在機(jī)座上不動(dòng)。當(dāng)絲杠1轉(zhuǎn)過一定工作角度后，螺母4經(jīng)制有螺桿的杠桿3和鋼球支承推動(dòng)工作臺(tái)5位移一個(gè)柵距。同時(shí)，杠桿3在校正尺曲面作用下使小螺桿產(chǎn)生微量轉(zhuǎn)動(dòng)，即相對(duì)于螺母4產(chǎn)生了一個(gè)附加位移，補(bǔ)償了絲桿誤差，提高了工作臺(tái)的位移精度。

52、圖5-84  絲杠誤差校正結(jié)構(gòu)1絲桿  2校正尺  3杠桿  4螺母  5工作臺(tái)如圖5-85所示是蝸輪副的誤差校正裝置。蝸輪副的蝸輪和蝸桿存在齒距誤差或螺距誤差因而會(huì)帶來轉(zhuǎn)角誤差，其校正是通過蝸桿的軸向移動(dòng)或附加轉(zhuǎn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的。校正盤3的周邊曲面是按照蝸輪副誤差曲線放大一定比例后制成，它與蝸輪2一起同軸地安裝在絲桿上，當(dāng)蝸桿4帶動(dòng)蝸輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，校正盤上的曲面推動(dòng)杠桿1擺動(dòng)，使蝸桿產(chǎn)生附加軸向移動(dòng)，從而蝸輪產(chǎn)生一個(gè)附加轉(zhuǎn)動(dòng)，消除了蝸輪副誤差的影響。校正盤的方位應(yīng)與誤差曲線的方位一致。如圖5-86所示是坐標(biāo)測量機(jī)橫臂變形的校正結(jié)構(gòu)。測量裝置1沿橫臂移動(dòng)

53、時(shí)，由于質(zhì)量轉(zhuǎn)載，將造成橫臂彎曲（如圖中的q角），從而帶來測量誤差。為補(bǔ)償這項(xiàng)誤差，在橫臂的空心框架2中，裝有校正杠桿4，4的一端與固定在框架2上的銷6相接觸，而杠桿的另一端與螺釘5相接觸。擰動(dòng)螺釘5，經(jīng)杠桿4和銷6可使框架的左端向上彎曲變形，如果此變形量與由于測量裝置重量引起框架橫臂的撓曲量相同時(shí)，就校正了來自測量裝置重量引起的變形誤差。圖5-85  蝸輪副的誤差校正結(jié)構(gòu)1杠桿  2蝸輪  3校正盤  4蝸桿圖5-86  坐標(biāo)測量機(jī)橫臂變形的校正結(jié)構(gòu)1測量裝置  2框架  3回轉(zhuǎn)軸  4杠桿5螺釘  6

54、銷（三）誤差均化實(shí)驗(yàn)表明，千分尺（螺旋與螺母配合）的累積誤差比原來螺旋或螺母的累積誤差小，如圖5-87所示。由此可知機(jī)械精度的均化原理：在機(jī)構(gòu)中如果有多個(gè)聯(lián)接點(diǎn)同時(shí)對(duì)一種運(yùn)動(dòng)起限制作用，則運(yùn)動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)誤差決定于各聯(lián)接點(diǎn)的綜合影響，其運(yùn)動(dòng)精度高于一個(gè)聯(lián)接點(diǎn)的限制作用。在一定條件下增加螺旋傳動(dòng)中起作用的螺紋圈數(shù)，使多圈螺紋同時(shí)起作用，不但可以提高螺旋傳動(dòng)的承載能力和耐磨性，而且可以提高傳動(dòng)精度。如圖5-88所示為根據(jù)均化原理設(shè)計(jì)的雙蝸桿驅(qū)動(dòng)的分度機(jī)構(gòu)。在蝸輪兩邊各安置一個(gè)蝸桿，利用相位調(diào)整聯(lián)軸器使兩個(gè)蝸桿都能起驅(qū)動(dòng)作用。若用b圖中的實(shí)線和虛線分別表示AB兩個(gè)蝸桿單獨(dú)驅(qū)動(dòng)時(shí)工作臺(tái)的回轉(zhuǎn)精度，則用AB

55、兩個(gè)蝸桿同時(shí)驅(qū)動(dòng)時(shí)，在adb段蝸桿B起作用，bec段蝸桿A起作用，因此減小了誤差。此外，用兩個(gè)蝸桿可分散載荷從而延長壽命。a)b)圖5-87  千分尺累計(jì)誤差和千分尺螺旋累計(jì)誤差對(duì)比a)b)圖5-88  雙蝸桿驅(qū)動(dòng)的分度結(jié)構(gòu)（四）誤差配置在裝配時(shí)，選擇每個(gè)零件的精度必須注意各零件的綜合作用，各零件的精度如果配置得當(dāng)可以提高其裝配的精度。在機(jī)床主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，提高主軸工作端（前端）的旋轉(zhuǎn)精度很重要。如圖5-89所示，前軸承徑向振擺誤差dA引起的主軸工作端誤差為：圖5-89  軸承精度對(duì)機(jī)床主軸旋轉(zhuǎn)精度的影響后軸承徑向振擺誤差dB引起的主軸工作端誤差為：顯然 ，前軸承

56、對(duì)主軸旋轉(zhuǎn)精度影響較大，所以在設(shè)計(jì)主軸結(jié)構(gòu)時(shí)通常選擇前軸承的精度比后軸承高一級(jí)。（五）位置精確微調(diào)在許多機(jī)器中，通常需要將機(jī)械中的某部件在一定范圍里作緩慢而平穩(wěn)的調(diào)整以將其調(diào)整到某個(gè)精確的位置，這就需要在機(jī)器中設(shè)計(jì)有微動(dòng)微調(diào)機(jī)構(gòu)。比如光學(xué)儀器中顯微鏡的調(diào)焦、精密機(jī)械中的運(yùn)動(dòng)部件的精確定位及微量進(jìn)給。微動(dòng)微調(diào)機(jī)構(gòu)的基本要求：結(jié)構(gòu)簡單，較大的降速傳動(dòng)比，傳動(dòng)靈活、平穩(wěn)，無空程與爬行，使用方便等。下面是幾個(gè)機(jī)械式的微動(dòng)微調(diào)機(jī)構(gòu)的例子。如圖5-90所示為凸輪傳動(dòng)微動(dòng)微調(diào)結(jié)構(gòu)：是利用凸輪（常用的是簡單的偏心輪）的轉(zhuǎn)角和升程的關(guān)系實(shí)現(xiàn)微調(diào)的機(jī)構(gòu)，當(dāng)松開鎖緊螺母3時(shí)，就可以轉(zhuǎn)動(dòng)偏心軸4，由于偏心作用，就可以

57、改變軸承5以及測量軸1的位置，調(diào)好后再將螺母3擰緊即可達(dá)到微調(diào)精確定位的目的。圖5-90  凸輪微調(diào)結(jié)構(gòu)1測量軸  2殼體  3、6鎖緊螺母  4偏心軸  5軸承如圖5-91所示為蝸輪副傳動(dòng)微動(dòng)微調(diào)結(jié)構(gòu)原理圖， a圖是齒輪、蝸輪傳動(dòng)； b圖是二級(jí)蝸輪傳動(dòng)。a)b)圖5-91  蝸輪副傳動(dòng)微動(dòng)微調(diào)結(jié)構(gòu)a)齒輪、蝸輪傳動(dòng)  b)二級(jí)蝸輪傳動(dòng)1蝸輪  2蝸桿  3微調(diào)手輪  4粗動(dòng)手輪  5錐齒輪如圖5-92所示為彈性微動(dòng)微調(diào)結(jié)構(gòu)，是利用金屬材料在彈性極限范圍內(nèi)其變形與外力成正比的原理設(shè)計(jì)的

58、微動(dòng)微調(diào)結(jié)構(gòu)。第一級(jí)為螺旋微動(dòng)結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)動(dòng)微動(dòng)手輪1，微動(dòng)螺桿2頂端推動(dòng)T形彈簧片3，3的一端固定，另一端與片簧4焊接呈T形，而片簧4的一端與殼體7固結(jié)，另一端與微動(dòng)軸6相連，故彈簧片3的變形推動(dòng)彈簧片4，彈簧片4又推動(dòng)微動(dòng)軸作微小的位移。微動(dòng)軸的精確位移量可通過電感傳感器8測出。圖5-92  “T”形片簧彈性微動(dòng)微調(diào)結(jié)構(gòu)1微動(dòng)手輪  2微調(diào)絲桿  3、4“T”形片簧  5外套6測量軸  7測軸座  8傳感器五、宜人化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)以設(shè)計(jì)產(chǎn)品為主要目標(biāo)，更多地考慮產(chǎn)品本身功能的實(shí)現(xiàn)，雖然也或多或少地涉及了人的因素，但主要是考

59、慮如何讓人適應(yīng)機(jī)器，而沒有把人作為設(shè)計(jì)的一個(gè)目標(biāo)，沒有規(guī)范化地考慮人的因素。這就很難保證機(jī)器操作效率最佳，也不易判斷設(shè)計(jì)質(zhì)量的高低。比如，早期的拖拉機(jī)一般來說沒有駕駛室，很不安全。座位是用鐵制的工具箱代替，強(qiáng)烈的振動(dòng)使人容易疲勞。儀表排列凌亂，缺乏形式美，設(shè)計(jì)上也不符合人的心理和生理特點(diǎn)。操作件上沒有適形的手柄，握上去很不舒適。 二戰(zhàn)時(shí)期美國飛機(jī)的飛行事故中有90%是由于人為因素造成的。為解決這個(gè)問題，現(xiàn)代企業(yè)中已越來越多地應(yīng)用人機(jī)工程學(xué)這種先進(jìn)的設(shè)計(jì)理論和方法進(jìn)行機(jī)械產(chǎn)品的開發(fā)和設(shè)計(jì)。人機(jī)工程學(xué)強(qiáng)調(diào)將人和機(jī)器作為相互聯(lián)系的兩個(gè)基本部分構(gòu)成一個(gè)整體，形成人機(jī)系統(tǒng)。人機(jī)工程學(xué)是研究人的特性及工作

60、條件與機(jī)器相匹配的科學(xué)，指出機(jī)器應(yīng)該具有什么樣的條件才能使人付出適宜的代價(jià)后可獲得整個(gè)系統(tǒng)的最佳效益。人機(jī)工程學(xué)不僅涉及到工程技術(shù)理論，還涉及到人體解剖學(xué)、生理學(xué)、心理學(xué)以及勞動(dòng)衛(wèi)生學(xué)等。人機(jī)系統(tǒng)是在特定環(huán)境中進(jìn)行工作的，環(huán)境對(duì)人機(jī)系統(tǒng)的工作效能有很大影響。作為系統(tǒng)主體的現(xiàn)代人，對(duì)工作環(huán)境的有了更為苛刻要求。為了保持系統(tǒng)的高效率、可靠性和持久性，機(jī)械結(jié)構(gòu)所創(chuàng)制的環(huán)境首先要保證對(duì)人體不造成傷害，其次，還必須考慮操作者工作的舒適性。下面基于操作者的生理和心理特點(diǎn)，分析在機(jī)械結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的基本要求。這些要求同時(shí)也可為機(jī)械結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供啟示。對(duì)現(xiàn)有機(jī)械設(shè)備及工具的宜人化改進(jìn)設(shè)計(jì)是機(jī)械結(jié)構(gòu)創(chuàng)新

61、設(shè)計(jì)的一種有效的方法。（一）減小操作者疲勞的結(jié)構(gòu)當(dāng)操作人員長時(shí)間保持某一姿勢時(shí)，身體的某些肌肉長期處于收縮狀態(tài)，肌肉壓迫血管使血液流通受阻，血液不能為肌肉輸送足夠的氧，肌肉的這種工作狀態(tài)稱為靜態(tài)肌肉施力狀態(tài)。這種狀態(tài)會(huì)對(duì)肌肉、肌腱、關(guān)節(jié)及相鄰組織造成損害。因此設(shè)計(jì)與操作有關(guān)的結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)考慮操作者的受力狀態(tài)，盡量避免使肌肉處于靜態(tài)肌肉施力狀態(tài)。表5-1所示的幾種常用工具改進(jìn)前的形狀因?yàn)槭鼓承┘∪馓幱陟o態(tài)肌肉施力狀態(tài)，不宜長時(shí)間使用，改進(jìn)后使操作者的手更趨于自然狀態(tài)，減少或消除了肌肉的靜態(tài)施力狀態(tài)，使得長時(shí)間使用不易疲勞。表5-1  幾種常用工具的改進(jìn)下面是一個(gè)汽車座椅的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的問

62、題：根據(jù)人機(jī)工程學(xué)理論，首先腰錐承受人的上體全部質(zhì)量，同時(shí)承受因人體運(yùn)動(dòng)的彎腰等活動(dòng)，致使腰曲超出正常脊柱生理弧型而產(chǎn)生腰曲變形。因此，腰椎部分最易受到損傷，腰曲變形嚴(yán)重。為了使坐姿下的腰曲變形最小，汽車座椅靠背應(yīng)提供兩點(diǎn)支承。第一支承位于第56胸椎之間，形成肩靠。它的高度相當(dāng)于肩胛骨高度。肩胛骨面積大，可承受較大的壓力。第二支承設(shè)置在45腰椎之間的高度上，形成腰墊。在座椅設(shè)計(jì)時(shí)，要使乘坐人員有腰椎依托感、貼和感和側(cè)向穩(wěn)定感（見圖5-93）。其次，駕駛員坐在汽車座椅座墊上，長時(shí)間乘座會(huì)造成不舒適感，在造成這種不舒適感前，臀部所受的壓力是不同的。坐骨粗壯，能承受比其周圍肌肉更大的壓力，大腿底部有大血管和神經(jīng)系統(tǒng)，壓力過大會(huì)影響血液循環(huán)和神經(jīng)傳導(dǎo)而感到不適。所以坐墊上的壓力應(yīng)按照臀部不同部位不同壓力的原則來分布，即