机械结构设计基本原则

机器结构设计根本原则

目录

一、改进力学性能的结构设计原则...

（一）载荷分管原则…

（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）减小应力会合…

（五）提高打仗强度原则…

（六）提高刚度原贝lj...

（七）变形协调原则…

（八）等强度原则…

（九）其它…

二、改进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…

（fl）简扮装配操纵原则...

（六）可装配原则…

（七）各装配面依次装配原则…

（八）简朴联接件原则…

（九）便于拆卸原则...

四、提高精度的结构设计原则...

（一）阿贝（Abbe）原则...

（二）误差校正与赔偿…

（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...

（,）减小操纵者疲劳的结构…

（二）易于发力的结构…

（T）淘汰操纵者视察错误的结构…

（四）淘汰操纵者操纵错误的结构…

（五）考虑人体的振动特性的结构及淘汰操纵情况噪声的结构。

（六）削弱事情情况光芒坦度的结构…

（七）包管符合事情情况温度的结构…

六、其它机器结构设计要求简介...

（一）减轻腐化的结构…

（二）切合质料热胀冷缩性质的结构…

讨论题..・

机器结构设计根本原则

机器工程师更好地适应现代机器设计的要素之一就是掌握富厚的工程知识。工程知识是

连接底子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

知识是正确进行机器结构设计的前提，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）

这一节从改进力学性能、制造工艺性、制造精度及装配精度等方面来介绍一些机器结构

设计的根本原则。这些根本原则体现了一些重要的机器结构设计工程知识，分类切合机器工

程师的事情特点，简便明了，具体生动，操纵性强，便于学习。

一、改进力学性能的结构设计原则

机器结构形式千差万别，但其功效的实现险些都与力（力矩）的产生、转换通报有关。机器

零件具有足够的承载能力是保障机器结构功效实现的先决条件。所以在机器结构设计中，凭

据力学理论对零件的强度、刚度和稳定性进行阐发是必不可少的，并在此底子上，进行结构

优化设计。

盘算机帮助结构优化设计已被遍及应用于工程实际中。但它所依赖的力学模型与庞大的实际

结构及工况有差距，力学模型的精度通常很难提高；对梢微庞大一些的实际结构仍然停留在

零件尺寸的优化上，而根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，并不能赐与偏向性指导。因此盘算机帮助结构优化设计不能取代工程知识的阐发

与总结，结合实例阐发，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“提供

可借鉴的思路。

（一）载荷分管原则

如果同一零件上同时负担了多种载荷的作用，则可考虑将这些载荷分别由差异的零件来

负担。接纳一定的结构形式，将载荷分给两个或多个零件来负担，从而减轻单个零件的载荷,

这种要领称为载荷分管。这样有利于提高机器结构的承载能力。

如图5-10a所示，轴已经蒙受了弯矩的作用，如果齿轮再经过轴将转矩通报给卷筒，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,

结构较公道（见图5-10b）。

如图5-11所示，靠摩擦通报横向载荷的普通螺栓联接常用销、套筒、键等抗剪元件来负担

部门横向载荷，提高螺纹玦接的可靠性。

a)b)

图5-10转轴革新为心轴图5-11螺栓联接中的抗剪元件

a）较差结构b）革新结构

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打仗轴承的组合结构来分别蒙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通报的转矩分别通过差异的路径

通报。这样，轴只蒙受转矩，轴压力则直接由箱体负担了。

图5-12推力和径向轴承组合结构图5-13带轮结构

（-）均匀受载原则（载荷均布）

在确定事情载荷的巨细的情况下，可以考虑通过在结构上均匀漫衍载荷的要领，来提高结构

承载能力。尽量制止会合载荷，尽可能地将载荷疏散在结构上，即为载荷均布。

如图5・14所示，经过简朴的受力阐发可知，受会合力的简支梁在。点的受力比受漫衍力的

得行星轮之间的载荷分派出现不均匀的现象。在图b中，将太阳轮改为浮动，则可到达各行

星轮均载的目的。

如图5-16所示为改进齿轮轮齿齿向载荷漫衍状态而接纳的桶形齿结构。正常齿上，载荷漫

衍偏于轮齿的两端部门。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偏向

a）较差结构b）革新结构a）正常齿b）桶形齿

一般螺栓联担当载后，各圈螺纹牙间的载荷漫衍是不均匀的（见图5-17a）。为改进螺

纹牙间载荷分派不均匀的现象，可接纳悬置螺母、内斜螺母、环槽螺母等结构（见图5/7b、

c、d）o

a)b)c)d)

图5-17改进螺纹牙间载荷漫衍

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）

在力的通报历程中，一些机器结构经常不可制止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，流体机器叶片上压力差引起的

轴向力等，这些对结构功效亳无作用的附加力，加大了结构的负载，低落了机器结构的承载

能力。如果使其在同一零件内与其它同类载荷组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。力自平衡步伐的步伐主要有：引入

平衡件和对称安装。

在高速回转机器中，必须靠结构的步伐及动平衡的要领使旋转惯性力低落到允许的巨纲，这

就要求回转件的质量须尽量相对与回转中心呈对称漫衍，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。

做往复运动的机器，如连杆机构，也可在设计中接纳结构步伐和动平衡的要领，使其在运转

时产生尽可能小的惯性力，

如图5-18a、5-19a所示的结构事情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，由于引入了自平衡步伐，则可消除轴向力对轴的影响。

a)b)

图5/8斜齿轮啮合的自平衡要领

a）较差结构b）革新结构

a)b)

图5-19圆锥式离合器的自平衡要领

a）较差结构b）革新结构

（四）减小应力会合

应力会合是影响蒙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会合。

在应力会合的部位，零件的疲劳强度将显著低落。最大应力比该截面上的平均应力可以大

2〜5倍以上。应力会合与零件的局部变革形式（见图5-20）及零件的受力状态（见图5-21）

有关。低落应力会合水平可以提高零件的疲劳强度。

普通螺栓联接，存在严重的应力会合现象。如图5-22所示为螺栓头与螺栓杆在过渡处的应

力会合情况。从图中可以看出，在螺栓头与杆过渡处应力产生急剧变革，应力会合非常严重。

一般可接纳过渡圆角结构来缓解，但不敷好，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漫衍图

如图5-23所示，低落截面尺寸变革处四周的刚度，可以低落应力会合的影响水平。

注意制止多个应力会合源叠加。如图5-24所示的轴结构中台阶和键槽端部都市引起轴在弯

矩作用下的应力会合，但a图结构的应力会合状况比b图结构的应力会合状况要严重得多。

mA)

b)u)b)

图5-23低落极面尺寸变革处四周图5-24制止多个应力会合源

的刚度叠加

a）较差结构b）革新结构a）较差结构b）革新结构

（五）提高打仗强度原则

凭据赫兹公式，提高高副打仗强度有两条途径：一是减小打仗处的漫衍载荷，一是增人

两打仗零件在打仗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为线打仗，如在销轴处增加零件3,则变线打仗为

面打仗；c图为斜面一一推杆机构，零件6把推杆4与斜面5的点打仗改为面打仗；e图

增加了零件10,也将点打仗变为了面打仗：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。这样就减小打仗处的漫衍载荷，低落了打仗应力，提高了打仗强度，

并且还可以改进润滑，淘汰磨损。

a)b)c)d)e)f)g)

图5-25用面打仗取代点、线打仗

如图5-26所示的结构中，从图a到图c的高副打仗中综合曲率半径依次增大，这样打仗应

力依次减小，因此结构c有利于改进球面支承的打仗强度和刚度。

（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。对付差异类

型的零件，应凭据其结构特点接纳相应的步伐。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.公道部署受弯曲零件支承（见图5-27）；

3.公道设计受弯曲零件的截面形状；

4.公道接纳筋板，尽可能使筋板受压；

5.接纳预变形要领。

好比三角形桁架取代受弯曲的悬臂梁，刚度就要好得多，

如图5-28所示，选择差异类型的轴承对•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）革新结构图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打仗，当在打仗处难以同步变形时，零件间的打仗区域里应力会急

剧上升，这是应力会合的另一种情况。在打仗处低落零件在力流偏向上的刚度，尽量使两零

件在打仗区域里同步变形，低落应力会合的影响，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会合严重，可通过低落轴或轮毂相应部

位的局部刚度使应力会合得到有效缓解。

如图5-30所示，受重曲载荷作用的轴在滑动轴承端面经常出现边沿挤压，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

使轴承在轴受我荷作用时能和轴协调变形。

变形不协调不但会导致应力会合，低落机器结构的强度，并且还可能损害机器的功效，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。这种力矩通报的差异

步使得起重机的行走总有自动转弯的趋势。革新的要领是将齿轮两侧的轴的扭转刚度设计相

等，如图5-31b所示。

<A）等强度原则

一般，机器设计中的强度要求是通过零件中最大事情应力便是或小于质料许用应力来满足，

这样质料并为得到充实利用。最理想的设计是应力到处相等，同时到达质料的许用应力值。

工程中大量出现的变截面梁就是凭据等强度原则来设计H勺。好比，摇臂钻的横臂AB,汽车

用的板簧和门路轴等（见图5-32）。

凭据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

设计原则许多，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，为了充实利用质

料，应尽量将质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.受扭截面关闭原则

受扭转作用的薄壁零件的截面应尽量制造成为关闭形状，因为关闭形状比开口形状抗剪切能

力强，抗拉刚度大C此即为受拉截面关闭原则C

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，制止产生附加弯矩，这样有助于提高零件的

承载能力。

4.受打击载荷结构柔性原则

为了提高零件的抗打击的能力，应减小系统的刚度，加大柔性，这将有助于改进系统的性能。

5.制止长压杆失稳原则

6.热变形自由原则

二、改进制造工艺性的结构设计原则

（-）焊接件结构设计原则

一般来说可以通过三条途径来包管或提高焊接质量：质料、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器设备的质量和功效。

1.制止高应力区原则

焊缝及其影响区的动载强度一般比周围质料的强度要低，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，当焊接两块板厚差异的零件时，因多少尺寸突变，所以在焊接区域里存在

严重的应力会合。此时在结构设计时要留有过渡结构，缓解多少尺寸的突变（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，接纳如图5-34b所示的结构效果就要好些。

类似情况另有如图5・35所示。

a)b)a)b)

图5-33差异板厚零件间的焊缝图5-34压力容器的焊缝

a）较差结构b）革新结构a）较差结构b）革新结构

2.制止焊缝重叠原则

庞大结构的焊缝常出现多条焊缝交织重叠的情况。焊缝交汇处刚性大，结构翘曲严重，从而

加大焊缝内应力，并且结构多次过热，质料性能下降，易出现裂纹，这些都市影响焊接结构

的性能。

革新要领有三种：加帮助结构（见图5-36a）、切除部门（见图5-36b）、焊缝错开（见图

5-36c)

3.焊缝根部优先受压原则

在焊接构件蒙受弯曲应力时，应将焊缝置于压应力一侧。

4.制止尖角原则

尖角处焊接定位困难，尖角易被熔化，焊接质量不易包管。如图5-37所示，革新后的结构

效果要好得多。

5.对称性原则

焊接件设计应具有对称性，焊缝部署与焊接顺序也应对称，这样就可以利用各条焊缝冷却时

理想的焊接结构是焊接量最少的结构，应尽量淘汰焊缝个数和焊接量（见图5-39）。

a)

b)

图5-39焊接量少的焊缝结构

a）较差结构b）革新结构

（-）铸件结构设计原则

铸件的结构设计对铸件的制造本钱，铸件的质量有决定性的影响。铸件的结构设计要充实地

考虑铸造质料和工艺的特性。

1.壁厚均匀原则

均匀的壁厚可以提高铸件的质量，淘汰铸件中断面厚度大的部门的尺寸，制止金属聚集一致

产生缩孔或缩松,并且还可以节省质料（见图5-40）.

______________a）较差结构b）革新结构___________________

2.自由收缩原则

加肋结构是铸件中常见的结构。在设置增强肋时应制止在冷却历程中因收缩不一致而产生的

内应力和裂纹。具体步伐有：蜂窝状增强肋（见图5-41a）、斜弯增强肋（图见图5-41b）、

增强肋错位（见图5-41c）和增强肋切断（见图5-41d）。

如图5-41b所示，为钿止铸件冷却时阻碍金属收缩，产生内应力而导致轮幅产生裂纹，

将直辐条改成弧形，这样冷却时辐条就能够自由收缩，结构较公道。

a)b)c)d)

图5・41自由收缩的铸件结构

a）蜂窝状增强肋b）斜弯增强肋C）增强肋借位d）增强肋切断

3.良好的受力状态原则

铸件应优先蒙受压力，因为铸铁的抗压强度比抗拉强度高得多（见图5-42）。

铸件内部肋的安顿应考虑多少原理。如图5d3a所示增强肋按矩形漫衍，对铸件强度和刚度

有一些的影响，因矩形是不稳定的形状。若按三角形安顿，形状稳定，造型较好，结构比力

公道（见图5-43b）o

铸件在须要时应局部增强（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）受压增强肋b）受压容器

4.

庞大模具制造困难、本钱高、难以包管质量。一般要求结构形状简朴（见图5-45G,

制止隐蔽、疏散部门（见图5-45b）,圆角尺寸统一（见图5R5c）,优先接纳对称形状,

尽量少用模芯，接纳复合结构（见图5-45d）等。

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。

k

卜

下Jr

a)

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）,流动流通（见

图5Y8b）,便于排气,清除表皮方便（见图548c）,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

淘汰加工本钱，提高机加工质量是切削件结构设计的根本要求，切削件的结构设计要充实考

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，从而到达低落加工本钱的目的。退刀槽和越程槽是两种最常见

的退刀结构（见图549）。

2.淘汰加工量原则

淘汰加工量可以提高生产效率，还可以节省质料。常用的要领有：选择符合的毛坯、接纳组

合部件（见图5-50a）、平缓过渡（见图5-50b）和淘汰行程（见图5-50c）等。

3.可靠夹紧原则

机器零件在机加工时必须夹持在机床匕因此机器零件上必须有便于夹持的部位。别的夹持

零件必须有足够大的支持力，以包管在切削力的作用下，零件不会晃动，这样才气包管加工

质量（见图5-51）。

4.同一夹紧工序原则

在加工机器零件的差异外貌时，应制止多次装夹。希望能在一-次牢固中加工尽可能多的零件

外貌。这样，不光可以节约加工时间，并且可以提高加工精度。好比一根轴上的键槽应该部

署在同一条直线上。

如图5-52所示为一轴承座，a图所示的结构两孔因中隔断有凸台，而不能一次加工出来。在

a）b)

图5-52轴承座结构

__________________a）较差结构b）革新结构__________________

5.制止斜面开孔原则

在斜面上钻孔不光位置禁绝，并且易损伤刀具，应尽量制止，可接纳改变孔的位置或改

领悟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。

7.其它

有关怀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。

（四）锻件结构设计原则

锻件是指靠挤压成型的零件。铸造可以改进质料性能，材质漫衍更趋均匀，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.分界面公道原则

锻模的分界面的选定要便于在铸造历程中质料的流动，并且还要便于模具的制造。

如图5-56所示，b图的结构比a图的结构有利于质料的流动。

如图5-57所示，a图所示的模膛结构加工较困难必须用铳和磨的要领才气加工出来，而b

图的模膛结构只需用车削的要领就可加工出来。

a)b)

图5-56便于质料流动的结构

a）较差结构b）革新结构

a)b)

图5-57便于模具制造的结构

a）较差结构b）革新结构

2.制止锋利棱角原则

锻件锋利棱角处变形量很大，需很大的挤压力，成型困难（见图5-58）。

a)b)

图5・58制止锋利棱角的结构

3.方便铸造原则

对称结构方便制造，非对称结构应尽量制止（见图5-59a）；锻件内外台阶巨细应向一个偏

向变革，尽量制止多个台阶（见图5-59b）；尽量制止使用肋板（见图5-59c）。

4.便于后继加工原则

待加工外貌应凸出于其它铸造外貌（见图5-60a）；应留有夹紧支撑点，以便于切削加工（见

图5-60b）。

（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。充实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.简朴形状原则

切割面多少形状简朴，则切割卜料方便，切割的线路短，切割量小。如图5-61所示，直线

比曲线简朴。

图5-61直线与曲线结构

a）较差结构b）革新结构

2.节省质料原则

在薄板零件的结构设计中要尽量淘汰下脚料，这样可以淘汰制造本钱。如图5-62所示，b

图结构的效果就要好得多，

3.制止过窄结构原则

如图5-63所示，两孔之间的距离太小，加工时可能会产牛.裂纹。细长的板条刚度低，在裁

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，弯曲棱边应垂更与切割面大概交汇处设计一个圆角,

不然交汇处易出现裂纹（见图5-64）。

5.平缓弯曲原则

陡峭的弯曲需特殊的东西，本钱高。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）。

6.槽边不弯曲原则

弯曲区域受力状态庞大，强度低，槽孔应远离弯曲区域或高出弯曲区域（见图5-66）。

图5-66槽边不弯曲结构

a）较差结构b）革新结构

7.庞大结构组合制造原则

对付庞大的薄板零件可接纲组合零件形式，即将薄板零件用焊接、螺栓联接等方法组合在一

起（见图5-67）o

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）革新结构

9.制止直线领悟原则

平面压槽排列应制止无压槽区域直线领悟。

如图5-69a所示的结构，无压槽区域形成多个领悟的窄条轴，相对这些轴，弯曲刚度没有任

何革新，

10.压槽连通排列原则

压槽的端点是单薄环节，疲劳强度低。缓解或消除这些影响的要领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。

图5-70压槽连通排列结构

a）较差结构b）革新结构

（六）其它

有关改进制造工艺性的结构设计原则，另有钾焊件的结构设计，工程塑料零件的结构设计及

机器零件修配的结构设计等。这里不再论述，有兴趣可查阅相关资料。

三、提高装配质量的结构设计原则

零部件装配成呆板，装配质量直接影响着呆板的运行性能质量，装配质量即为零部件相互联

系界面上的质量。

切合装配要求的结构设计就是在结构设计上包管装配的可能，接纳的结构应方便装配，淘汰

装配事情量，提高装配质量。

（-）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历程中常见的工序，常接纳的输

送设备是输送带。对此工序的要求就是制止零部件套勾、连结在一起，使呆板人无法疏散；

制止结构的重心偏高，未便于自动输送。

如图5-71a所示的结构也难以自动输送，因为它们的直线转动西性能差，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）革新结构

（-）便于方位识别原则

在自动化制造系统中，应尽量提高呆板人的方位识别能力，要领之一就是在设计零部件结构

时，留有识别特征。

接纳对称结构，因相互无差异，故不消识别（见图5-72a）。

识别特征以多少特征最易被识别，应尽量将物理特征转换成多少特征（见图5-72b）。

内部特征难以视察，应外部化（见图5-72c）0

对付近似结构，应扩大其不对称性，以便于特征识别（见图5-72d）。

（三）方便抓取原则

结构设计时应考虑：留有抓举面，包管能抓牢，不损伤事情面。如图5-73所示的结构难以

抓牢，因为夹持面是斜面，

（四）方便定位原则

一边丈量，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

包管该精度要求的。可增加一个微调螺栓结构，即可调解方孔高度精度。

如图5-74b所示是•种自动定位的结构。

如图5-74C所示为具有导向功效的结构。

（五）简扮装配操纵原则

如图5-75a所示的结构中，将弹簧直接挂在开口槽上比扣在关闭孔内要简朴，呆板人操纵时

差异更显著。

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气到达预定位置，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。

a)b)

（六）可装配原则

装配至少要求东西能方便地到达装配位置，且要有足够的操纵的空间。人工装配时，还

要求视线可及。

如图5-79所示便是如此。

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，装配比力困难，故应尽量制止多个

装配面同时装配。

如图5-80所示便是如此。

a)b)

图5-80依次装配的结构

a）较差结构b）革新结构

（八）简朴联接件原则

接纳简朴的联接件可以减小装配事情量。

如图5-81所示，因螺栓联接方法的装配事情量大，用卡夹取代螺栓，则结构简朴，便于操

纵。

图5-81简朴联接结构

a）较差结构b）革新结构

（九）便于拆卸原则

切合装配要求的结构设冲也应便于拆卸。

如图5-82所示为一联接键，在键一端的底部留有坡度，赤卸时用力一击便可将键拆卸下来。

另有起盖结构、轴承拆卸结构等等。

a）较差结构b）革新结构

四、提高精度的结构设计原则

机器结构设计必须听从现代呆板、仪器的高精度原则，改进结构设计可以减小由于加工、装

配、调解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

误差的敏感水平，从而提高产物质量。

（一）阿贝（Abbe）原则

阿贝原则是阿贝于1890年对付量仪设计而提出的：“若使量仪给出正确的丈量结果，必须

将仪器的读数线尺安顿在被测尺寸的延长线上”。

如图5-83c所示，当设计结构不切合阿贝原则时，导轨不直度引起的倾角。所产生的误差为:

其中。为被测尺寸线与读数线尺之间的距离，导轨倾角掷J单元是弧度。

当设计结构切合阿贝原则时，导轨倾角。所产生的误差为：

其中C为基准尺读数头到工件丈量读数头之间的距离，导轨倾角。的单元是弧度。

通常。足微量，状则是二阶微量，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，显著地提高丈量精度，

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风在

结构结构上要尽量减小读数线与被测尺寸线之间的距囱呢

如图5-83a所示的游标卡尺不切合阿贝原则，因而这种丈量东西不容易得到较高的丈量精度;

如图5-83b所示千分尺能到达较高的精度，但是因为刻度尺与工件摆设在一条直线上所以量

具的尺寸较大。

（-）误差校正与赔偿

当机器结构不满足阿贝原则，大概机器结构存在加工误差，大概机器结构在事情历程中，由

于温度变革、受载、磨损等使得零部件的形状及相对位置干系产生变革，这些因素最终将影

响机器结构的事情精度。有些因素式不可制止的，但好的结构设计可以淘汰这些因素对事情

精度造成的影响。为解决这个矛盾，可以算出结构误差，然后接纳误差校正与赔偿要领进行

赔偿。

对误差校正与赔偿装置的要求是：结构简朴，制造与装配方便，灵敏度较高，能有效地消除

和减小误差。下面是几个机器式的校正与赔偿机构的例子。

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的事情面按螺旋副实测误差曲

线放大一定比例后制成，它牢固在机座上不动。当丝杠I转过一定事情角度后，螺母4经制

有螺杆的杠杆3和钢球支承推动事情台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，即相对付螺母4产生了一个附加位移，赔偿了丝杆误差，提高了事

情台的位移精度。

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

面是凭据蜗轮副误差曲线放大•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动员蜗轮转动时，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所示是坐标丈量机横臂变形的校正结构。丈量装置1沿横臂移动时，由于质量转

载，将造成横臂弯曲（如国中的。角），从而带来丈量误差。为赔偿这项误差，在横臂的空

心框架2中，装有校正杠杆4,4的一端与牢固在框架2上的销6相打仗，而杠杆的另一端

与螺钉5相打仗。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「丈量装置重量引起框架横臂的挠曲量相同时，就校正了来自丈量装置重量引起的变

形误差。

1一杠杆2一蜗轮3一校正盘4一蜗杆1一丈量装置2—框架3—回转轴4一杠杆

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。由此可知机器精度的均化原理：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川的螺纹圈数，使多圈螺纹同时起作用，不光

可以提高螺旋传动的承载能力和耐磨性，并且可以提高传动精度。

如图5-88所示为凭据均化原理设计的双蜗杆驱动的分度机构。在蜗轮两边各安顿一个蜗杆,

利用相位调解联轴器使两个蜗杆都能起驱行动用。若用b图中的实线和虚线分别表现AB两

个蜗杆单独驱动时事情台的回转精度，则用AB两个蜗杆同时驱动时，在a—d—b段蜗杆B

起作用，b-e—c段蜗杆A起作用，因此减小了误差。别的，用两个蜗杆可疏散教荷从而延

长命命。

a)b)

图5-87千分尺累计误差和千分尺螺旋累计误差比拟

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互助用，各零件的精度如果配置恰当可

以提高其装配的精度。

在机床主轴结构设计中，提高主轴事情端（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均引起的主轴事情端误差为：

后轴承8前轴承4

金

图5-89轴承精度对机床主轴旋转精度的影响

后轴承径向振摆误差苏引起的主轴事情端误差为：

LB

显然5>3',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

度比后轴承高一级。

（五）位置精确微调

在许多呆板中，通常需要将机器中的某部件在一定范畴生作迟钝而平稳的调解以将其调解到

某个精确的位置，这就需要在呆板中设计有微动微调机构。好比光学仪器中显微镜的调焦、

精密机器中的运动部件的精确定位及微软进给。

微动微调机构的根本要求：结构简朴，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。下面是几个机器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（常用的是简朴的偏心轮）的转角和

升程的干系实现微调的机构，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以及丈量轴I的位置，调好后再将螺母3拧紧即可到达微调精确定位的目

的。

图5-90凸轮微调结构

1一丈量轴2—壳体3、6一锁紧螺母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。

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

1一蜗轮2一蜗杆3—微调手轮4一粗动手轮5—锥齿轮

如图5-92所示为弹性微动微调结构，是利用金属质料在弹性极限范畴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的一端牢固，另一端与片簧4焊接呈T形，而片簧4的一端与壳体7

周结，另一端与微动轴6相连，故弹簧片3的变形推转动簧片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。

1一微动手轮2—微调丝杆3、4-"T”形片黄5—外套

6—丈量轴7—测轴座8—传感器

五、宜人化结构设计原则

传统的机器设计以设计产物为主要目标，更多地考虑产物自己功效的实现，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呆板，而没有把人作为设计的一个目标，没

有范例化地考虑人的因素，这就很难包管呆板操纵效率最佳，也不易判断设计质量的崎岖。

好比,早期的拖拉机一般来说没有驾驶室,很不宁静C座位是用铁制的东西箱取代.强烈的

振动使人容易疲劳。仪表排列凌乱，缺乏形式美，设计上也不切合人的心理和生理特点。操

纵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要领进行

机器产物的开发和设计。

人机工程学强调将人和呆板作为相互联系的两个根本部门组成一个整体，形成人机系统。人

机工程学是研究人的特性及事情条件与呆板相匹配的科学，指出呆板应该具有什么样的条件

才气使人支付适宜的代价后可得到整个系统的最佳效益.

人机工程学不但涉及到工程技能理论，还涉及到人体解剖学、生理学、心理学以及劳动卫生

学等。人机系统是在特定情况中进行事情的，情况对人机系统的事情效能有很大影响。作为

系统主体的现代人，对事情情况的有了更为苛刻要求。为了保持系统的高效率、可靠性和长

期性，机器结构所创制的情况首先要包管对人体不造成伤害，其次，还必须考虑操纵者事情

的舒适性。

下面基于操纵者的生理和心理特点，阐发在机器结构创新设计中应考虑的根本要求。这些要

求同时也可■为机器结构创新设计提供启示。对现有机器设备及东西的宜人化革新设计是机器

结构创新设计的一种有效的要领。

（-）减小操纵者疲劳的结构

当操纵人员长时间保持某一姿势时，身体的某些肌肉恒久处于收缩状态，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，肌肉的这种事情状态称为静态肌肉施力状态。

这种状态会对肌肉、肌腱、枢纽及相邻组织造成损害。因此设计与操纵有关的结构时应考虑

操纵者的受力状态，尽量制止使肌肉处于静态肌肉施力状态。表5-1所示的几种常用东西革

新前的形状因为使某些肌匆处于静态肌肉施力状态，不宜长时间使用，革新后使操纵者的手

更趋于自然状态，淘汰或消除了肌肉的静态施力状态，使得长时间使用不易疲劳。

下面是•个汽车座椅的结构设计应考虑的问题:

凭据人机工程学理论，首先腰锥蒙受人的上体全部质量，同时蒙受因人体运动的弯腰等运动，

致使腰曲超出正常脊柱生理弧型而产生腰曲变形。因此，腰椎部门最易受到损伤，腰曲变形

严重。为了使坐姿卜的腰曲变形最小，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，可蒙受较大的压力。

第二支承设置在4〜5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，臀部所受的压力是差异的。坐骨粗壮，能蒙

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

经传导而感触不适。所以坐垫上的压力应凭据臀部差异部位差异压力的原则来漫衍，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漫衍

不均匀原则。理想的座椅坐垫体压漫衍曲线见图5-94。（图中的关闭曲线为等压力线，数

字的压力单元为102Pa）,这种情况使得座椅要有振转动性感，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结果来设计驾驶员座椅了。好比：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凭据车速的变革自动调治驾驶员座椅。

(-)易于发力的结构

结构设计时应考虑人的姿势差异，所能支付的力量也差异；拉力大于提力，提力大于握力，

膝部屈曲160。时蹬力最大等等。

好比汽车利用中的手利用与脚利用。

手利用主要是对偏向盘的利用，对偏向盘来说，可单手、双手利用，又可自由连续旋转，无

须明确定位。偏向盘的最大问题是能否包管驾驶员发出较大的扭矩。凭据人机工程学原理，

偏向盘倾斜角度对驾驶员施加到偏向盘上的力有很大影响，偏向盘的安装角度越平缓，驾驶

员可能施加的力越大，偏向盘安装角度通常选在便于运动的15。〜70。间，角度与力的干系见

图5-95o

如图5-96所示显示了人脚在差异偏向上的利用力漫衍。

在机动车辆中，脚利用主要是脚对加快踏板，制动踏板的控制。人脚发着力的巨细与人

的姿态，脚的位置和偏向等有关。通常踏板的高度应设置在脚能发出最鼎力大举的位置。即

脚踏板与座椅坐垫上外貌齐平或脚踏板稍低一些。

为减轻驾驶员的疲劳，应力求淘汰驾驶员需要施加在偏向盘和踏板上的力。

（三）淘汰操纵者视察错误的结构

操纵者了解呆板的事情情况主要通过呆板上设置的种种显示装置来得到,其中显示仪表

应用最多。视觉疲劳而使精神紧张最容易产生操纵失误，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效特点和人的视觉特性。人的正常视距为46cm〜

71cm,视角为39。〜41。。因此，在仪表显示结构设计中，仪表应设置在操纵者正面视野内,

最佳视距为50cm〜55cm；重要仪表不得超出40。视角的范畴，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10。〜45。范畴内。指针刻度间距摆角不得小于10。，

指针的宽度为1.0mm〜，并应贴近刻度盘外貌，以淘汰误差。当有多个仪表并列时，其正

常位置变革所对应的指针偏向应该相同。

实验表明人在认读差异形式的显示器时正确认读的概率差异较大，实验结果见表5-2o

表5-2差异形式刻度盘的误读率比力

另外，对付车辆操纵者来说还期望的有最佳视野，要使视线不被大要积货载遮挡，须要时可

偏置操纵者及助手的座位，应特别指出，良好的视野状况意味着操纵事情的宁静可靠性，也

干系到操纵者的舒适水平，

如图5-97所示为H20型叉车凭据人机工程学确定的最佳操纵位置。

——迪常设计时叉午的视力

n-一林d公司。用叉车的视好

2500

图5-97H20型叉车操纵位置

（四）淘汰操纵者操纵错误的结构

操纵器的设计应使操纵者在较少视觉资助或无视觉资助下能够迅速准确地辨别出所需

的操纵器，并在正确了解呆板事情状况的底子.卜.对呆板做出适当的调解。

要实现这个根本要求，要害在于操纵件的造型设计。操纵件的造型包罗多少尺寸、排列

位置和手柄的外形。多少尺寸与整机的利用系统设计有关，可查有关尺度。在排列位置上应

切合人的生理特点，好比在拖拉机上操纵件的排列位置一般将主变速杆、副变速杆、液压系

统利用杆分别排列在座椅的左前方、右前方和右侧的操纵柜上，驾驶员操纵时往往不消眼看

就能找到所需的操纵件，既不会出不对又减轻视觉疲劳。离合器放在左侧，制动器和油门按

从左到右顺序放在右侧C操纵手柄的外形一般都凭据手幅的长度、手握的粗度、手掌肌肉和

手柄打仗的位置来设计，图5-98是一些常见的利用手柄的外形。偏向盘接纳液压转向系统,

其高度和倾斜角度可凭据驾驶员的需要随意调治越发方便驾驶员的利用。

f1M

图5-98常见的利用手柄外形

其次，实现操纵件控制行动的结构设计。控制行动一般分为行程调治和微量调治。行程

调治可使控制器迅速靠近所需位置。微量调治则使控制器准确地置于所需位置。设计时应使

利用机构与仪表显示的位移有符合的比率。

另外，利用机构存在摩擦、弹性、粘性和惯性等阻力是须要的，这可以产生“利用直接

感觉”，使操纵连贯，淘汰振动和过载造成的滋扰，包管操纵控制的稳定性和准确性。操纵

阻力的巨细应凭据控制器的类型、位置、施力偏向及使用频率等因素公道选择。

由于作为人机系统主体的人有易堕落误的特性，除通过训练提高其可靠性外，在操纵机

构和指示仪表设计中还需接纳宁静步伐，以防偶然错失而造成严重结果。预防要领许多，常

用机器结构要领的有顺序自锁、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淘汰操纵情况噪声的结构0

人体是一个弹性系统，有自己的振动特性（以4Hz〜8Hz、10Hz〜12Hz、20Hz〜25Hz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20Hz〜25Hz,

头为25Hz〜30Hz,手为30Hz〜40Hz,内脏为5Hz〜8Hz,神经为245Hz〜250Hz。振动会

使人不舒适，低落人的视觉和操纵效率，增多失误，尤其产生共振时，可能造成人体疾患。

因此在设计研制呆板时，要通过测试查抄，并在设备结构和元件上接纳隔振、吸振和缓冲减

震等装置.，制止到达生理临界范畴的机器振动和将打击传至人体。

噪声是产业中多见的污染素。产业噪声主要是由企业内的种种设备产生的。噪声会使听力

下降，注意力不易会合，反响痴钝，容易疲乏，不但使事情速度受到影响，并且会低落事情

质量，如果噪声级凌驾SSdR,将会危害人的神经系统、心血管系统、消化系统和内排泄系

统，产生神经衰弱和高血压等病症。所以，设计机器产物时必须考虑降噪和防噪问题。

减小机器的打击和碰撞是减小噪声首先应考虑的步伐。如带传动接纳无讨论带，火车的钢轨

接纳连续钢轨等，都可以提窝运动平稳性。

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打仗面积（见图5-99）,

在零件事情时，由于相互摩擦产生阻尼可以吸收振动和噪声。在零件外貌粘贴或喷涂•层有

高内阻尼的质料，也可以阻尼振动减小噪声。

受打击的零件或挡块，质量轻、厚度小时，受打击则发出很大的噪声，改为质量大的实体结

构时噪声显著低落。

a)b)

图5-99零件间阻尼与噪声

a)较差结构b)革新结构

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，不光减小噪声并且提高了加工质量。凭据实际经验，必须综

合考虑转子与轴承支座整个系统的振动问题，才气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、无级调治预紧力而刚度稳定的螺旋弹簧以及与弹簧并列的液力减振

器等所组成。座椅卜面的四连杆机构包管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5-10()拖拉机座椅的两种典范结构和造型

1一调治手轮2—弹簧3一限制座椅最高位置的限位块

4一限制座椅最低位置的缓冲块5—减振器

随着新技能和新质料的生长，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

振质料，底板、板壁和门窗接缝处安装和镶嵌橡胶衬条加以密封，大大低落了驾驶员耳旁的

噪声。除此之外，全关闭驾驶室还利于隔热、消振、防风、防尘，从而改进了驾驶员的事情

情况。

工程中经常接纳如下几项步伐：

1.接纳能够吸收噪声的质料和结构，尽量吸收掉•些噪声能，低落噪声；

2.利用隔声板、隔声罩、隔声管道和消声器等坚固的底料或装置断绝噪声流传的通路,控

制噪声；

3.对付振动较严重的噪声源，可接纳弹簧、橡胶和I建垫等元件淘汰振动力的通报大概在振

动外貌笼景以阻尼质料，低落噪声辐射率。

(六)削弱事情情况光芒照度的结构

事情情况的光芒照度与人的感官疲劳和精神疲劳密切相关。人有舒适度感的根本照度要求是

10()Lx,一般事情场所为200Lx,精细加工车间为500LX。照明光芒应均匀,无眩光，光色

符合。对付装运设备特别要注意，司机室应有遮阳装置，制止太阳的直接眩光，并要制止镜

血、台面强反射眩光v当几面开窗有多个阴阳时，应接纳控光玻璃来削弱相反偏向的入射光，

手和身体在台面上的阴影不要造成滋扰，以免引起不舒适感觉，产生过早视觉疲劳、事情效

率低落和运动能力削弱等状况。因此，在设计•些呆板时，务须要考虑设计削弱事情情况光

芒照度的结构。

（七）包管符合事情情况温度的结构

温度情况包罗温度、湿度、风速等因素，表现方法主要是有效温度（ET）、操纵温度（0T）、

四小时汗率指数（P.SR）等。人体主观感觉的舒适温度与人体主观条件（运动量、穿衣儿

多、耐热能力等）有关。

客观尺度的舒适温度是生理学和医学上认为于人体最适宜的温度：事情时为19℃〜21℃.

休息时为25c〜29℃。尺度温度为21