机械结构设计基本原则.doc

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... 2
（一）载荷分担原则... 2
（二）均匀受载原则（载荷均布）... 3
（三）附加力自平衡原则（载荷平衡）... 4
（四）减小应力集中... 5
（五）提高接触强度原则... 6
（六）提高刚度原则... 7
（七）变形协调原则... 8
（八）等强度原则... 9
（九）其它... 9
二、改善制造工艺性的结构设计原则... 10
（一）焊接件结构设计原则... 10
（二）铸件结构设计原则... 12
（三）切削件结构设计原则... 15
（四）锻件结构设计原则... 18
（五）薄板件结构设计原则... 20
（六）其它... 23
三、提高装配质量的结构设计原则... 23
（一）便于运送原则... 23
（二）便于方位识别原则... 24
（三）方便抓取原则... 24
（四）方便定位原则... 25
（五）简化装配操作原则... 25
（六）可装配原则... 26
（七）各装配面依次装配原则... 27
（八）简单联接件原则... 27
（九）便于拆卸原则... 28
四、提高精度的结构设计原则... 28
（一）阿贝（Abbe）原则... 28
（二）误差校正与补偿... 29
（三）误差均化... 30
（四）误差配置... 31
（五）位置精确微调... 32
五、宜人化结构设计原则... 33
（一）减小操作者疲劳的结构... 34
（二）易于发力的结构... 35
（三）减少操作者观察错误的结构... 36
（四）减少操作者操作错误的结构... 37
（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. 38
（六）减弱工作环境光线照度的结构... 39
（七）保证合适工作环境温度的结构... 39
六、其它机械结构设计要求简介... 40
（一）减轻腐蚀的结构... 40
（二）符合材料热胀冷缩性质的结构... 42
讨论题... 43

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5-10b）。
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。

a)
b)
图5-14  简支梁受力分析
a)集中力  b)分布力
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5-18b、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。

a)
b)
图5-18  斜齿轮啮合的自平衡方法
a)较差结构  b)改进结构

a)
b)
图5-19  圆锥式离合器的自平衡方法
a)较差结构  b)改进结构
（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2~5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—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  避免多个应力集中源叠加
a)较差结构  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——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。

a)
b)
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。

a)
b)
c)
图5-32  满足等强度原则的结构
a) 摇臂钻的横臂  b) 车用的板簧  c) 阶梯轴
（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。

a)
b)
图5-37  避免尖角的焊缝结构
a)较差结构  b)改进结构
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）。

a)
b)
图5-38  对称焊缝结构
a)较差结构  b)改进结构
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）。

a)

b)
图5-39  焊接量少的焊缝结构
a)较差结构  b)改进结构
（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）。
a)

b)

图5-40  壁厚均匀的铸件结构
a)较差结构  b)改进结构
2.         自由收缩原则
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
a)较差结构  b)改进结构

图5-47  面积较大的薄壁结构
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。

a)

b)

c)

d)
图5-48  铸件结构
（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。

a)
b)
图5-52  轴承座结构
a)较差结构  b)改进结构
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
a)较差结构  b)改进结构
5.         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）。

a)
b)
图5-68  稳定性好的结构
a)较差结构  b)改进结构
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。

a)
b)
图5-69  避免直线贯通的结构
a)较差结构  b)改进结构
10.     压槽连通排列原则
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）。
较
差
结
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
差
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
差
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。
较
差
结
构

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。
（一）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f所产生的误差为：
d≈af
其中a为被测尺寸线与读数线尺之间的距离，导轨倾角f的单位是弧度。
当设计结构符合阿贝原则时，导轨倾角f所产生的误差为：
d≈Cf2
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f的单位是弧度。
通常f是微量，f2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f，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。

图5-84  丝杠误差校正结构
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2一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q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