机械设计基本准则及常见要点

作者：济南匠人匠心科技教育来源：济南匠人匠心科技教育 2025年11月04日更新

机械结构设计的任务，是在总体设计基础上，根据定好的原理方案，画出具体结构图——把抽象的工作原理变成实实在在的构件或零部件。具体要做的事儿包括：确定结构件的材料、形状、尺寸、公差、热处理方式和表面状况，同时得考虑加工工艺、强度、刚度、精度，还有和其他零件的配合关系。搞清楚...

机械结构设计的任务，是在总体设计基础上，根据定好的原理方案，画出具体结构图——把抽象的工作原理变成实实在在的构件或零部件。具体要做的事儿包括：确定结构件的材料、形状、尺寸、公差、热处理方式和表面状况，同时得考虑加工工艺、强度、刚度、精度，还有和其他零件的配合关系。

搞清楚任务，再聊聊机械结构设计的几个特点：首先，它是思考、绘图、计算（偶尔还要做实验）揉在一起的过程——机械设计里问题*多、*具体、工作量*大的就是它，整个设计流程中，平均80%的时间都花在结构设计上，直接影响设计成败；其次是多解性——满足同一个设计要求的结构，往往不止一种；还有，结构设计阶段很“活”，经常得反复调整、交叉进行。

再说说机械结构件的结构要素和设计思路。

先说结构件的几何要素——机械结构的功能，主要靠零部件的几何形状和相对位置来实现。一个零件一般有好几个表面，其中和其他零部件直接接触的，叫“功能表面”；功能表面之间的连接部分，就是“联接表面”。功能表面是决定机械功能的关键——功能表面的设计，是零部件结构设计的核心。描述功能表面的几何参数包括形状、尺寸、数量、位置、顺序这些。对功能表面做些变异设计，能得到实现同一功能的不同结构方案。

再讲零件之间的联接——两个零件有直接装配关系的，叫“直接相关”；没有直接装配的，是“间接相关”，又分位置相关和运动相关。大部分零件都有两个以上直接相关的零件，所以每个零件通常有好几个部位得和其他零件配合。设计的时候，直接相关的部位得一起考虑，这样才能合理选材料、热处理方式、形状、尺寸、精度和表面质量。还要满足间接相关的条件，比如算尺寸链和精度。一般来说，直接相关的零件越多，结构越复杂；间接相关的越多，精度要求越高——轴毂联接就是典型的直接相关例子。

不同材料和热处理工艺对应的结构设计，得注意这些点。

机械设计能用的材料不少，不同材料性质不一样，对应的加工工艺也不同。结构设计时，得根据功能选合适的材料，再根据材料定加工工艺，最后按工艺要求设计结构。钢材拉压力学性能差不多，所以钢梁结构大多是对称的；铸铁抗压强度比抗拉强很多，所以承受弯矩的铸铁结构，截面多是不对称的——比如两种铸铁支架对比就能看出来。钢结构要提高强度和刚度，通常加大截面尺寸；但铸造结构壁厚太大的话，铸造质量没法保证，所以铸造件一般加筋板、隔板来加强。塑料刚度差，成型冷却不均会有内应力，容易翘曲，所以塑料结构的筋板得和壁厚差不多，还要均匀对称。

需要热处理的零件，结构设计得注意这几点：一是形状尽量简单、对称，*好是球形；二是不等截面的零件，截面变化得平缓，别突变；三是别做锐边尖角——为了防止熔化或过热，槽或孔的边缘一般切2~3mm的倒角；四是避免厚薄差太大的截面，不然淬火冷却时容易变形、开裂。

讲完结构要素和材料的事儿，再捋捋机械结构设计的基本要求——分三个层次：第*层是功能设计，得满足主要机械功能，比如实现工作原理、保证可靠性，还有工艺、材料、装配这些技术细节；第二层是质量设计，要兼顾各种要求（操作、美观、成本、安全、环保这些），提高质量和性价比；第三层是优化和创新设计，用结构设计变元这些方法搭优化空间，用创造性思维选方案或者搞创新。

最后是机械结构的基本设计准则——这可是结构设计的核心参照，有8条：1. 实现预期功能：得明确功能、合理分配、尽量集中；2. 满足强度：包括等强度、合理力流、减小应力集中、载荷平衡；3. 保证刚度：零件在使用期内得有足够刚度；4. 考虑加工工艺：结构得容易制造，还要看生产批量、设备条件；5. 方便装配：合理划分装配单元，保证安装正确，好装好用；6. 便于维护：维修部位得好接近，拆装简单，检查点容易找；7. 兼顾造型：尺寸比例协调，形状简单统一，色彩图案点缀一下；8. 控制成本：简化产品和维修，提高标准化、互换性，用模块化设计。