结构设计的基本原则

为实现结构设计的总体目标，即保证功能、提高性能、降低成本和保障人与环境的安全，结构设计必须始终贯彻功能与工作原理明确、结构简单和安全可靠这三项结构设计基本原则。

1.功能与工作原理明确

结构设计要明确是指：“对于设计所考虑的各个方面的要求均应体现明确性”。其主要内容包括以下四个方面。

（1）功能明确 所选结构应达到预期的功能，每个分功能均应有确定的结构来承担，各部分结构之间应有合理的联系，要避免冗余结构和减少静不定问题。

（2）工作原理明确 即所选结构的物理作用明确，从而可靠地实现物料流、能量流（力流）和信号流的转换或传导。最典型的例子如：在热膨胀下的轴与轴承的组合设计。图6-4是轴毂的锥面联接方案。其中图a的方案轴向定位是靠锥面还是靠台阶面？传递转矩是靠锥面还是靠键？这两者都不明确，因此属于一种功能不明确的结构。若改为图b的方案，其两种功能均由锥面承担，是一种功能明确的好结构。图6-5是受拉焊缝的两种方案。其中，图a很明显是静不定结构；而图b为合理的结构。

图6-4 轴毂的锥面联接方案

图6-5 受拉焊缝的两种方案

a）静不定结构 b）合理结构

（3）工作状态及应力状态明确 零部件的工作状态是选择其材料与分析其工作能力的前提和依据。因此，在结构设计中，应避免出现造成某些要素工作状态不明确的结构。

如图6-6所示轴系结构中，轴承端盖与滚动轴承的外圈不应接触，否则，当工作中因发热而使轴系伸长时，轴承端盖可能参与轴向力的传递，造成工作状态不明确。又如图6-7装配式蜗轮结构中，轮毂外圈与轮缘内孔各有两个圆柱面。其中，只能容许有一对圆柱面形成配合关系，否则，如果两对圆柱面均形成配合关系，则构成工作状态不明确。

图6-6 两端单向固定的轴系结构

图6-7 装配式蜗轮结构

要根据载荷的类型、大小和作用时间或载荷谱来选择材料和进行尺寸的计算，并使其应力状态明确。不能盲目地采取双保险措施。

如图6-8中，由于采用了过盈联接，平键并不承受载荷，仅起周向定位作用。因此，该平键就不应该按照承载键的应力状态计算。

当设计中做出某些假设时，应随时检查其正确性，并按需要进行相关稳定性、共振、磨损以及腐蚀等项核算。

（4）其他方面的明确性 如人机显示系统、制造与检验、运输、使用和保养等方面的要求，都应在图样或说明书中加以明确体现。

图6-8 轴毂联接

2.结构简单

结构简单是指在同样可以完成功能要求的前提下，应优先选用结构较简单的方案。结构简单意味着：

1）使结构中所包含的零部件种类较少。

2）使结构中所包含的零部件数量较少。

3）在满足功能要求的前提下，尽量采用标准件和通用零部件，使结构中所包含的专用零部件数量较少。

4）零件的几何形状力求简单，尽可能采用平面、圆柱、圆锥、球等规则形体。

5）被加工面数量较少，所需加工的工序较少。

6）结构的装配关系较简单等。结构简单不仅易于制造和装配，缩短生产周期和降低成本；而且有利于提高精度和工作可靠性。此外，结构简单还便于在计算中采用数学模型，因而可节省计算时间和费用。结构简单还包括制造与检测容易、快速而准确，安装与调节简易而快捷以及操纵与监控简便等。下面是一些体现结构简单原则的案例：图6-9所示为吊车用多功能导轨。它除了用作导轨外，还兼作油压、水路与空气的管道，此种多功能结构体，采用一个零件担任多种功能的办法达到减少零件数量的效果。图6-10所示为减少加工表面数量的结构设计。将半联接器结构从图a方案改为图b后，由于减少了结构要素的数量，使得加工难度与加工量均得以减少。

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图6-9 吊车用多功能导轨

图6-10 减少加工表面数量的结构设计

又如图6-11是两种冷热水混合器调节杆的结构方案。其中，图a方案的结构复杂、制造成本高、保洁防护性差、磨损部位多。而改进后的图b方案避免了上述缺点。

总之，结构简化可以多方面改善性能和降低成本，是一项必须遵守的重要结构设计原则。

3.安全可靠

结构设计中的安全可靠原则所涉及的范围包括以下三个方面：

（1）确保功能可靠地实现 要求零部件在规定的载荷和规定的时间内，不得发生断裂、过度变形或过度磨损、不丧失稳定性等，以确保其功能实现。要求整机在规定的条件下能够确保实现其总功能。

（2）确保工作安全 即在正常工作中能够保证操作人员的防护和身心健康，而在出现意外故障情况下，能够确保操作人员的人身安全和设备的安全。

（3）确保环境安全 即技术系统对其周围的环境和人不造成不允许的污染或危害，并能较好适应工作环境。在结构设计中为实现安全可靠，通常采用下列三类安全技术措施：

1）直接安全技术。是指在结构设计中，充分满足安全可靠要求，保证装置在工作中不出危险的设计技术，也称固有安全性。

2）间接安全技术。主要是指在结构设计中，采用保护装置和防护系统来满足安全要求的技术。如汽车安全带、液压系统、气动系统和锅炉系统中的安全阀、电路系统中的熔丝和热继电器等。其作用是防止设备在超负荷工作时或当出现危险情况下，具有自动脱险功能。其主要设计要求如下：

①具有报警功能。即当使用状态发生变化时，防护系统应能发出警告。

②具有自动监控功能。采用断流原理的自动监控系统是十分有效的措施，下面以几个实例说明：图6-12所示为一个采用断流原理的液力防护系统。其功能是防止轴的轴向位置出现不允许的变动。它由两部分组成：一是预压力系统、另一个是轴向位置防护系统。在预压力系统中，泵1产生预压力p_p，限压阀2可防止管路系统超压。在轴向位置防护系统中，当轴向位置正常时，快速阀3是开启的；若轴的轴向位置变化过大，则轴端活塞4会自动防护，使其工作压力p_s产生泄漏而降低，并使得快速阀3下落而切断液流。同理，当预压系统或保护系统出现故障时，如油管断裂、缺油或液压泵出现故障等，此时快速阀3也会下落，因而起到同样的安全防护作用。图6-13所示为具有自动监控作用的轴头防护结构的改进方案。其中图a方案当弹簧断裂时，不能使轴头可靠断开。图b方案当弹簧断裂时，可“靠重力自动开启轴头”。而图c方案则通过形锁合强制触头开启。图6-14为具有故障显示的精过滤器。当液压主回路中的精过滤器的滤芯2发生堵塞时，差压计1会自动发出信号，促使液压旁路上的单向阀开启，保证回路仍继续正常工作。

图6-11 两种冷热水混合器调节杆的结构方案

图6-12 采用断流原理的液力防护系统

1—泵 2—限压阀 3—快速阀 4—活塞

图6-13 轴头防护结构的改进方案

图6-14 具有故障显示的精过滤器

1—差压计 2—滤芯

图6-15 压力容器的超高压防护系统

③配置原理不同、互不相关的多重防护系统。冗余配置原理对于防护系统同样适用。如图6-15所示压力容器的超高压防护系统。其中图a方案采用两个安全阀，但仍然不能防止系统出现差错。而图b方案采用两种故障原理不同的方案，效果良好。

3）提示性安全技术。是指当故障或危险发生之前，采用文字、图像、灯光、声音等方法发出警告，提示使用者采取排除或避险的设计技术，如警铃、警示灯等，提示信息应准确、及时和全面。

总之，在结构设计中，应优先采用直接性安全技术满足系统安全要求，其次，在需要时，才采用间接安全技术。而提示性安全技术，它一般是作为前面两种安全技术的补充，即由于技术或经济原因不适合采用前面两种安全技术的情况下，予以采用。