《海底兩萬里》)肩肘倒立教學設計及說課稿肩肘倒立教學設計及說課稿

/肩肘倒立教學設計及說課稿肩肘倒立教學設計

教學目標

1、學習肩肘倒立技術動作，體現動作的準確和姿態的優美嘗試創編墊上運動的組合動作，具備動作評價的意識和能力。2、提高平衡和空中定向能力，發展學生靈敏、協調及腰腹力量等綜合素質，學會科學自我鍛練的方法。3、自主學習、關注同伴，提高自主探究、合作學習的能力，增強團隊精神和創新意識。

教學主題

“美化羊城、你我來植樹”

教學重點

立腰、展髖，掌握控制身體平衡的方法倒立不倒，姿態優美

課次

學習目標

教學內容

重點難點

教與學的主要方法和手段

1

1、初步學習肩肘倒立動作，能夠在保護和幫助下完成動作。2、發展上肢及腰腹力量，提高協調、靈敏、平衡等能力。3、增強個人的自尊和自信，培養學生互幫互學、團結協作的優良品質。

初步學習肩肘倒立動作

教材重點：兩手撐腰，腳面繃直，支撐穩。教材難點：伸髖立腰，動作連貫，姿勢優美。

1、站立屈肘內收手插腰2、上體前倒手觸腳、后倒翻臀手壓墊、3、后倒叉腰夾肘屈腿上舉練習4、后倒叉腰夾上舉夾紙片練習4肩肘倒立舉腿伸髖，腳尖觸物練習

2

1、進一步學習肩肘倒立動作，能夠在保護和幫助下完成動作。2、發展上肢及腰腹力量，提高協調、靈敏、平衡等能力。3、增強個人的自尊和自信，培養學生互幫互學、團結協作的優良品質。

進一步學習肩肘倒立動作

重點：兩手撐腰，腳面繃直，支撐穩。難點：伸髖立腰，動作連貫，姿勢優美。

1、團身前后滾翻2、看圖自主學習肩肘倒立動作歸納肩肘倒立動作要領3、上體前倒手觸腳、后倒翻臀手壓墊、4、后倒叉腰夾肘屈腿上舉練習5、自我或同伴間保護與幫助下完成動作

3

1、體驗完整的肩肘倒立動作，表現出動作的準確和姿態的優美2、增強個人的自尊和自信，培養學生互幫互學、團結協作的優良品質。

復習肩肘倒立。

重點：身體重心的穩定控制難點：動作連貫、姿態優美

團身前后滾翻前滾翻直腿坐——展體前屈姿態控制練習復習肩肘倒立獨立完成動作

4

1、鞏固和提高肩肘倒立動作，創編以肩肘倒立為主的墊上運動的組合動作2、自主學習、關注同伴，提高自主探究、合作學習的能力，增強團隊精神和創新意識。

拓展以肩肘倒立為主的組合動作

重點：動作連貫、姿態優美難點：組合動作合理

分組復習肩肘倒立選擇性復習單個已學墊上動作練習教師提供的組合動作自主創編組合動作交流與展示

場地、器材布置合理專項準備活動充分，尤其是頸、肩部位，防止損傷。集中收好鑰匙、頭飾等物品。及時提醒學生注意同伴間的保護與幫助

評價方法

組內成員對完成動作情況進行自評與互評優秀：動作連貫、正確、輕松自然、姿態優美良好：動作連貫、正確、自然協調合格：基本上能獨立完成，動作質量，有待提高不合格：不能獨立完成，動作緊張、不協調

體育課程水平二（三年級）肩肘倒立單元教學設計肩肘倒立單元教學第1課次教學設計體育課程（水平二）四年級一：教材分析本課主教材選自全日制九年義務教育小學五年級《體育》教材中的《肩肘倒立》，它是在以前各種滾動、滾翻基礎上進行的靜力性為主的練習，是進一步發展學生腰腹肌力量、身體協調、平衡能力和對空間的感知能力和自控能力的延伸。其目的是既要發展學生的空間感知能力和對自己身體的自控能力，又要在此基礎上培養他們的相互協作意識、審美能力、積極樂觀向上的進取精神，陶冶其情操。二：學情分析四年級學生已經有了一定運動基礎知識、技能，但都是側重于感性方面的。學生對動作的模仿能力較強，且好奇、好學。因此，教師在教學中在運用直觀示范法的同時還采用了情景激發法，啟發引導法，探究學習法、合作學習多種教學方法，激發學生的學習動機。三：指導思想本課在教學中堅持“健康第一”的教育思想，貫徹以學生發展為本和健身育人的教學理念。結合“美化羊城，大家來植樹”的教學主題，采用情景教學模式，為學生積極營造輕松、和諧、愉快的課堂教學氣氛，使主教材的教學更加生動、形象。激發了學生的運動興趣。將知識傳授與技能、方法的學練有機結合，并關注學生的個體差異，用過程評價鼓勵和激發學生的學習熱情，讓學生體驗合作學習的樂趣，懂得關愛同伴，營造一種主動體驗、合作交流、探究拓展的學習氛圍，從而形成正確的價值取向，促進學生和諧發展，達到教與學的和諧統一。四、教學目標1、初步學習肩肘倒立動作，能夠在保護和幫助下完成動作。2、發展上肢及腰腹力量，提高協調、靈敏、平衡等能力。3、增強個人的自尊和自信，培養學生互幫互學、團結協作的優良品質。五、教學內容教學內容：肩肘倒立教材重點：兩手撐腰，腳面繃直，支撐穩。教材難點：伸髖立腰，動作連貫，姿勢優美。動作方法：兩腿伸直并腿坐，上體前屈，胸部靠近大腿，兩手觸腳面，然后上體滾動后倒，兩腿上舉，兩臂壓墊同時腿上伸，迅速屈肘內收，手撐腰的上部（拇指向腰，其余四指托背），伸髖、挺腹、腳面繃直向上方蹬，成肩頸和上臂支撐地面的肩肘倒立姿勢。教學口訣：上體后倒腿上舉，兩臂夾肘緊壓墊；屈肘內收手撐腰，伸髖挺腹腿蹬直。六、教學策略本節課通過引導學生觀察種子發芽小樹苗成長小樹苗長成挺拔的蒼天大樹大樹開發結果的過程，啟發學生的思維，用身體動作模仿小樹苗的成長引出肩肘倒立的學習，教學過程由易到難，層層深入引導。采用分解動作站立夾肘挺立的練習——上體前倒手觸腳、后倒翻臀手壓墊后倒叉腰夾夾卡片腿上舉展髖挺腹的練習伸髖、挺腹、腳面繃直向上頂懸掛物的練習，讓學生充分體驗完成動作的成就感。教學過程中以“引導、啟發、教育、鼓勵”為主，將“言、行、意、情”貫穿到教學的全過程。關注學生的身心變化，尊重學生的人格，教師及時疏導學生的不穩定情緒，加強師生之間的情感溝通，及時進行教學反饋，利用師生互動、學生互動、評價互動的形式，激發學習興趣，使學生愉快地學習，達到“玩中學，學而樂”的效果。七、教學特色本課以“美化羊城，你我來植樹”的教學情景貫穿課的活動過程，讓學生在快樂的教學情景中學習肩肘倒立的動作技術。通過上山種樹的準備活動，及播種子游戲，激發學生的學習熱情，通過觀察種子發芽掛圖，啟發引入教學主題，再通過肩肘倒立的動作過程與小樹苗的生長過程對比，讓學生通過自己的觀察，討論與實踐，體驗小樹苗是怎樣長成筆直的蒼天大樹。引出肩肘倒立伸髖、挺腹、腳面繃直向上的過程，最后通過同學們的精心栽培小樹苗長成蒼天大樹，結出豐碩的果實——肩肘倒立摘水果，通過相互展示使學生的體操技能得以展現，讓學生在快樂中學到動作技術。教學流程圖教學主題“美化廣州、你我來種樹”樹”課堂常規（入境激情）

墊上操（模仿騎自行車上山）拓展部分（抒發感情）9蒼天大樹開花結果（獨立完成肩肘倒立）種子發芽長成小樹苗（模仿肩肘倒立動作）準備部分（激情引趣）基本部分（進入情境）播種游戲（彩球接力）小樹苗怎樣長成蒼天大樹(學習肩肘倒立)集體展示教學評價游戲跨墊接力跑(激發學生學習興趣，提高應變能力和團隊精神)結束部分舞蹈放松調節評價體育課程（水平二）肩肘倒立教學設計單元計劃第1課次班級：四年（1）班執教教師：人數：男20女20時間：上課地點：教學目標

1、初步學習肩肘倒立動作，能夠在保護和幫助下完成動作。2、發展上肢及腰腹力量，提高協調、靈敏、平衡等能力。3、增強個人的自尊和自信，培養學生互幫互學、團結協作的優良品質。

教學內容

肩肘倒立

重點：兩手撐腰，腳面繃直，支撐穩。難點：伸髖立腰，動作連貫，姿勢優美。

場地器材

籃球場1個、彩球8個墊子40張、卡片40張塑料水果若干個

教學順序

課堂常規--墊上操--坐臥傳球游戲--肩肘倒立分解動作練習--完整肩肘倒立及保護幫助學習--夾卡片肩肘倒立練習--肩肘倒立腳尖觸水果--游戲《跨墊接力跑》放松與評價

順序

時間

達成目標

學習內容

教師指導

學生學習

激情引趣

5

1、明確學習目標，內容與要求，激發學生學習熱情、興趣。2、進一步激發學生學習的熱情，讓學生敢于自我表現，活動身體，達到熱身效果

1、課堂常規激情引趣2、熱身活動墊上操

1、課前檢查，提出學習目標、要求，導入學習主題。2、教師帶領，語言啟發，與學生互動參與。

思想集中，精神飽滿2、展示風采張顯個性積極參與團結協作

學習體驗

1、通過游戲發展腰腹力量、發揮學生的團隊協作精神2、初步理解肩肘倒立正確的動作概念以及完成動作的相關原理。發展上肢及腰腹力量，提高協調、靈敏、平衡等能力。培養積極思考、自主學習，探究學習的能力。

1、游戲：坐臥傳球接力2、觀察圖解

1、講解游戲規則、組織游戲、語言激勵2、啟發引導學生示范引導體驗

1、只能傳遞，不能拋接，不能隔人拋接。2、仔細觀察，想象、嘗試、討論動作重難點。

順序

時間

達成目標

學習內容

教師指導

學生學習

學習體驗

25

3、初步體驗肩肘倒立的分解動作。發展上肢及腰腹的力量，提高協調、靈敏、平衡等能力。培養自主學習能力，及克服困難的信心。4、進一步體驗肩肘倒立的動作，能獨立或在保護幫助下完成動作。發展上肢及腰腹的力量，提高協調、靈敏、平衡等能力。培養積極進取，團結協作精神。

3、1站立屈肘內收手插腰3、2上體前倒手觸腳、后倒翻臀手壓墊、3、3保護幫助下后倒叉腰夾肘屈腿上舉練習保護與幫助方法：（1）保護者站在其背面，握其小腿上提，并用膝蓋頂其腰背部。（2）保護者站其側面，當其后倒伸腿時，順勢握其腳踝，幫助成肩肘倒立。重點：兩手撐腰，腳面繃直，支撐穩。難點：伸髖立腰，動作連貫，姿勢優美。3、4腳尖夾紙片上舉（解決兩腿未夾緊，腳面未繃直）4、倒立腳尖觸懸掛物（解決展髖挺腹）這一難點分層教學：按照身高選擇繩高。游戲:跨墊接力跑方法：分成人數相等的八組，在每組前面放置5張墊子，學生可以自由擺間距。第一個學生聽口令從起點出發，跨過5塊墊子到達折回點跑回隊伍同第二個學生擊右掌，第二個跑出。以此類推直至五人完成。

3、1教師講解示范教師帶練、語言提示3、2教師講解示范、組織帶練、巡回指導，及時評價價3、3、點播啟發講解示范分組練習巡回指導及時糾錯3、4巡視指導提示要領、組織展示及時點評。4、情緒感染互動參與、巡視指導、語言激勵、活躍氣氛。

3、1積極練習，氣氛活躍3、2積極體驗，大膽思考3、3互幫互學，積極探討、互相提高3、4積極探討、相互激勵4、開拓思考、積極大膽分享交流、氣氛活躍、互動提高

5

5.通過游戲，激發學生學習興趣，提高應變能力和團隊精神

5.指導擺墊，監督遵守游戲規則情況。語言激勵、活躍氣氛。

1.必須踩到折回點。2.回來要擊右掌。3.不得搶跑或越線。

調節評價

1、陶冶身心調節情緒2、多元評價、相互激勵

1、放松舞蹈2、評價小結3、收拾器材4、課外延伸

師生同樂語言引導激勵評價

節奏優美動作柔和輕松愉快體會感受

安全提示：1、做好專項準備活動充分，尤其是頸、肩部位，防止損傷。2、集中收好鑰匙、頭飾等物品。3、相互保護幫助時要認真不可嬉戲打鬧。4、練習時注意保持合理的間距。

運動負荷預測數據

平均脈搏：120次/分

練習密度：50%±5%

強度指數：1.3—1.4±5%

課后小結

各位評委：下午好！我說課的內容是：肩肘倒立水平二四年級，是本單元4次課中的第1次課。肩肘倒立對學生腰腹肌力量、身體協調、平衡能力和對空間的感知能力和自控能力要求較高。因此本課的教學目標是：1、初步學習肩肘倒立動作，能夠在保護和幫助下完成動作。2、發展上肢及腰腹力量，提高協調、靈敏、平衡等能力。3、增強個人的自尊和自信，培養學生互幫互學、團結協作的優良品質。教材重點：兩手撐腰，腳面繃直，支撐穩。教材難點：伸髖立腰，動作連貫，姿勢優美。我所采用的組織形式主要是：自主練習與小組合作練習。通過個別輔導、小組和全班糾正，幫助學生初步掌握肩肘倒立。采用小組展示和全班展示，讓學生樹立信心、體驗成功。教學流程：課堂常規--墊上操--坐臥傳球游戲--肩肘倒立分解動作練習--完整肩肘倒立及保護幫助學習--夾卡片肩肘倒立練習--肩肘倒立腳尖觸懸掛物--游戲《跨墊接力跑》放松與評價教學過程：熱身運動：墊上操模仿騎自行車上山主要的練習手段有：練習1、游戲：坐臥傳球接力。上山種樹的準備活動通過游戲發展腰腹力量、發揮學生的團隊協作精神練習2、觀察種子發芽掛圖引導學生觀察種子發芽小樹苗成長小樹苗長成挺拔的蒼天大樹大樹開發結果的過程，啟發學生的思維，用身體動作模仿小樹苗的成長引出肩肘倒立的學習，教學過程由易到難，層層深入引導。練習3、①站立屈肘內收手插腰練習、②上體前倒手觸腳、后倒翻臀手壓墊練習、易犯錯誤與糾正方法1、先撐腰后倒體，舉腿不翻臀。糾正方法：直腿坐，后倒舉腿翻臀成屈體，兩臂伸直壓墊，稍停。體會臀部的位置。③保護幫助下后倒叉腰夾肘屈腿上舉練習、腳尖夾紙片上舉練習、初步體驗肩肘倒立的分解動作。發展上肢及腰腹的力量，提高協調、靈敏、平衡等能力。培養自主學習能力，及克服困難的信心。易犯錯誤與糾正方法2.兩腿并不攏。糾正方法：兩腿夾紙片。練習4、倒立腳尖觸懸掛物（解決展髖挺腹）這一難點分層教學：按照身高選擇繩高。分組展示易犯錯誤與糾正方法1、伸腿展髖不充分;糾正方法：(1)在教法2的基礎上，做伸腿展髖，撐腰夾肘練習。體會伸腿展髖，撐腰夾肘的時機。(2)在（1）的基礎上，用腳尖觸及在腳上方的標志物，體會伸腿方向。（3）增加腰腹肌力量練習5、素質練習。通過游戲跨墊接力跑，激發學生學習興趣，發展腿部力量、提高應變能力和培養團隊精神放松運動：放松舞蹈陶冶身心調節情緒最后是評價總結本課運動負荷預計：平均心率為每分鐘135－140次，練習密度為50――55%，強度指數為1.4—1.6.我的說課完畢，謝謝！

機械結構設計基本原則機械結構設計基本原則機械結構設計基本原則機械結構設計基本原則目錄

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（一）載荷分擔原則...2

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（二）均勻受載原則（載荷均布）...3

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（三）附加力自平衡原則（載荷平衡）...4

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（四）減小應力集中...5

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（五）提高接觸強度原則...6

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（六）提高剛度原則...7

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（七）變形協調原則...8

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（八）等強度原則...9

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（九）其它...9

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二、改善制造工藝性的結構設計原則...10

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（一）焊接件結構設計原則...10

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（二）鑄件結構設計原則...12

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（三）切削件結構設計原則...15

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（四）鍛件結構設計原則...18

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（五）薄板件結構設計原則...20

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（六）其它...23

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三、提高裝配質量的結構設計原則...23

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（一）便于運送原則...23

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（二）便于方位識別原則...24

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（三）方便抓取原則...24

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（四）方便定位原則...25

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（五）簡化裝配操作原則...25

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（六）可裝配原則...26

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（七）各裝配面依次裝配原則...27

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（八）簡單聯接件原則...27

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（九）便于拆卸原則...28

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四、提高精度的結構設計原則...28

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（二）誤差校正與補償...29

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（三）誤差均化...30

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（四）誤差配置...31

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（五）位置精確微調...32

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五、宜人化結構設計原則...33

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（一）減小操作者疲勞的結構...34

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（三）減少操作者觀察錯誤的結構...36

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（四）減少操作者操作錯誤的結構...37

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（五）考慮人體的振動特性的結構及減少操作環境噪聲的結構0.38

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（六）減弱工作環境光線照度的結構...39

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（七）保證合適工作環境溫度的結構...39

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六、其它機械結構設計要求簡介...40

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（一）減輕腐蝕的結構...40

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（二）符合材料熱脹冷縮性質的結構...42

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討論題...43

機械結構設計基本原則機械工程師更好地適應現代機械設計的要素之一就是掌握豐富的工程知識。工程知識是連接基礎理論與實踐經驗的橋梁，是現代工程師專業知識結構的本質特征。掌握一定的工程知識是正確進行機械結構設計的前提，有些結構錯誤對一個缺乏工程知識的設計者來說是不易事先覺察的。（見圖）這一節從改善力學性能、制造工藝性、制造精度及裝配精度等方面來介紹一些機械結構設計的基本原則。這些基本原則體現了一些重要的機械結構設計工程知識，分類符合機械工程師的工作特點，簡捷明了，具體生動，操作性強，便于學習。一、改善力學性能的結構設計原則機械結構形式千差萬別，但其功能的實現幾乎都與力（力矩）的產生、轉換傳遞有關。機械零件具有足夠的承載能力是保障機械結構功能實現的先決條件。所以在機械結構設計中，根據力學理論對零件的強度、剛度和穩定性進行分析是必不可少的，并在此基礎上，進行結構優化設計。計算機輔助結構優化設計已被廣泛應用于工程實際中。但它所依賴的力學模型與復雜的實際結構及工況有差距，力學模型的精度通常很難提高；對稍微復雜一些的實際結構仍然停留在零件尺寸的優化上，而基本結構一般還得預先選定；只能針對一個具體的實例得到一個特定的數值解，并不能給予方向性指導。因此計算機輔助結構優化設計不能代替工程知識的分析與總結，結合實例分析，掌握提高結構承載能力的結構設計原則，并為結構的創新設計提供可借鑒的思路。（一）載荷分擔原則如果同一零件上同時承擔了多種載荷的作用，則可考慮將這些載荷分別由不同的零件來承擔。采取一定的結構形式，將載荷分給兩個或多個零件來承擔，從而減輕單個零件的載荷，這種方法稱為載荷分擔。這樣有利于提高機械結構的承載能力。如圖5-10a所示，軸已經承受了彎矩的作用，如果齒輪再經過軸將轉矩傳遞給卷筒，則軸為轉軸，受力較大。如果將齒輪和卷筒改用螺栓直接聯接，則軸不受轉矩作用，軸為轉動心軸，結構較合理（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接常用銷、套筒、鍵等抗剪元件來承擔部分橫向載荷，提高螺紋聯接的可靠性。

a)

b)

?

圖5-10?轉軸改進為心軸a)較差結構?b)改進結構

圖5-11?螺栓聯接中的抗剪元件

如圖5-12所示，在選擇軸承類型時，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構來分別承受軸向載荷和徑向載荷。如圖5-13所示的帶輪結構，傳動帶產生的軸壓力和傳動帶傳遞的轉矩分別通過不同的路徑傳遞。這樣，軸只承受轉矩，軸壓力則直接由箱體承擔了。

?

?

圖5-12?推力和徑向軸承組合結構

圖5-13?帶輪結構

（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，可以考慮通過在結構上均勻分布載荷的方法，來提高結構承載能力。盡量避免集中載荷，盡可能地將載荷分散在結構上，即為載荷均布。如圖5-14所示，經過簡單的受力分析可知，受集中力的簡支梁在C點的受力比受分布力的簡支梁在C點的受力大了一倍，所以圖5-14b簡支梁的強度要好于圖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所示的行星齒輪減速器結構。如按圖a結構制造，則會由于存在制造誤差，而使得行星輪之間的載荷分配出現不均勻的現象。在圖b中，將太陽輪改為浮動，則可達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而采用的桶形齒結構。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)較差結構?b)改進結構

?

圖5-16?桶形齒與載荷分布a)正常齒?b)桶形齒

一般螺栓聯接受載后，各圈螺紋牙間的載荷分布是不均勻的（見圖5-17a）。為改善螺紋牙間載荷分配不均勻的現象，可采用懸置螺母、內斜螺母、環槽螺母等結構（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)內斜螺母?d)環槽螺母

（三）附加力自平衡原則（載荷平衡）在力的傳遞過程中，一些機械結構常常不可避免地出現不做功的附加力，例如，斜齒輪嚙合的軸向力，產生摩擦力的正壓力，往復和旋轉運動的慣性力，流體機械葉片上壓力差引起的軸向力等，這些對結構功能毫無作用的附加力，加大了結構的負載，降低了機械結構的承載能力。如果使其在同一零件內與其它同類載荷構成平衡力系則其它零件不受這些載荷的影響，有利于提高結構的承載能力，這就是載荷平衡原則。力自平衡措施的措施主要有：引入平衡件和對稱安裝。在高速回轉機械中，必須靠結構的措施及動平衡的方法使旋轉慣性力降低到允許的大小，這就要求回轉件的質量須盡量相對與回轉中心呈對稱分布。可通過對回轉件在動平衡機上做動平衡實驗，測出并消除超出允許值的不平衡質量。做往復運動的機械，如連桿機構，也可在設計中采取結構措施和動平衡的方法，使其在運轉時產生盡可能小的慣性力。如圖5-18a、5-19a所示的結構工作時產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，則可消除軸向力對軸的影響。

a)

b)

圖5-18?斜齒輪嚙合的自平衡方法a)較差結構?b)改進結構

a)

b)

圖5-19?圓錐式離合器的自平衡方法a)較差結構?b)改進結構

（四）減小應力集中應力集中是影響承受交變應力的結構承載能力的重要因素，結構設計應設法緩解應力集中。在應力集中的部位，零件的疲勞強度將顯著降低。最大應力比該截面上的平均應力可以大2~5倍以上。應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（見圖5-21）有關。降低應力集中程度可以提高零件的疲勞強度。

圖5-20?局部形狀與應力集中

圖5-21?受力狀況與應力集中

普通螺栓聯接，存在嚴重的應力集中現象。如圖5-22所示為螺栓頭與螺栓桿在過渡處的應力集中情況。從圖中可以看出，在螺栓頭與桿過渡處應力發生急劇變化，應力集中非常嚴重。一般可采用過渡圓角結構來緩解，但不夠好，圖中列出了四中過渡結構，其中以d圖結構的效果最佳。

a)

b)

c)

d)

圖5-22?螺栓頭—桿過渡部位應力分布圖

如圖5-23所示，降低截面尺寸變化處附近的剛度，可以降低應力集中的影響程度。注意避免多個應力集中源疊加。如圖5-24所示的軸結構中臺階和鍵槽端部都會引起軸在彎矩作用下的應力集中，但a圖結構的應力集中狀況比b圖結構的應力集中狀況要嚴重得多。

?

a)

b)

?

a)

b)

圖5-23?降低截面尺寸變化處附近的剛度a)較差結構?b)改進結構

?

圖5-24?避免多個應力集中源疊加a)較差結構?b)改進結構

（五）提高接觸強度原則根據赫茲公式，提高高副接觸強度有兩條途徑：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，連桿機構的桿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——推桿機構，零件6把推桿4與斜面5的點接觸改為面接觸；e圖增加了零件10，也將點接觸變為了面接觸；將零件10改為零件11，則可以在零件9和11之間產生液體動壓潤滑。這樣就減小接觸處的分布載荷，降低了接觸應力，提高了接觸強度，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、線接觸

如圖5-26所示的結構中，從圖a到圖c的高副接觸中綜合曲率半徑依次增大，這樣接觸應力依次減小，因此結構c有利于改善球面支承的接觸強度和剛度。

a)

b)

c)

圖5-26?增大接觸處的綜合曲率半徑

（六）提高剛度原則在進行結構設計時，在不增加零件質量的前提下，要盡量提高零件結構的剛度。對于不同類型的零件，應根據其結構特點采用相應的措施。但總的來說要注意以下幾點：1.????????用受壓、拉零件替代受彎曲零件；2.????????合理布置受彎曲零件支承（見圖5-27）；3.????????合理設計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5-28所示，選擇不同類型的軸承對系統剛度也有明顯的影響，且常與對彎曲強度的影響同時存在。

a)

b)

a)

b)

圖5-27?鑄造支承結構a)較差結構?b)改進結構

圖5-28?軸承類型的影響

（七）變形協調原則一個零件和另一個零件相接觸，當在接觸處難以同步變形時，零件間的接觸區域里應力會急劇上升，這是應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域里同步變形，降低應力集中的影響，此及為變形協調原則。如圖5-29所示，過盈配合聯接結構在輪轂端部應力集中嚴重，可通過降低軸或輪轂相應部位的局部剛度使應力集中得到有效緩解。

a)

b)

c)

d)

圖5-29?過盈配合的聯接結構

如圖5-30所示，受彎曲載荷作用的軸在滑動軸承端面常常出現邊緣擠壓，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。因此滑動軸承軸承座的結構設計應該使軸承在軸受載荷作用時能和軸協調變形。

a)

b)

圖5-30?軸承座的結構a)較差結構?b)改進結構

變形不協調不僅會導致應力集中，降低機械結構的強度，而且還可能損害機械的功能，如圖5-31a所示，是一起重機行走機構的驅動軸，由于結構及其它條件的制約，軸上齒輪不能安裝在軸的中點位置上，這將導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的行走總有自動轉彎的趨勢。改進的方法是將齒輪兩側的軸的扭轉剛度設計相等，如圖5-31b所示。

a)

b)

圖5-31?軸承座的結構a)較差結構?b)改進結構

（八）等強度原則一般，機械設計中的強度要求是通過零件中最大工作應力等于或小于材料許用應力來滿足，這樣材料并為得到充分利用。最理想的設計是應力處處相等，同時達到材料的許用應力值。工程中大量出現的變截面梁就是按照等強度原則來設計的。比如，搖臂鉆的橫臂AB，汽車用的板簧和階梯軸等（見圖5-32）。按照等強度原則設計時要注意兩點：其一應用等強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?滿足等強度原則的結構a)搖臂鉆的橫臂?b)車用的板簧?c)階梯軸

（九）其它設計原則很多，下面介紹一些其它設計原則：1.????????空心截面原則彎曲應力或扭轉應力在橫截面上都是越遠離中心越大，而在中心處卻很小，為了充分利用材料，應盡量將材料放在遠離截面中心處，使其成為空心結構，從而提高零件的強度和剛度。此即為空心截面原則。2.????????受扭截面封閉原則受扭轉作用的薄壁零件的截面應盡量制造成為封閉形狀，因為封閉形狀比開口形狀抗剪切能力強，抗扭剛度大。此即為受扭截面封閉原則。3.????????最佳著力點原則著力點的位置要盡量通過中心點、結點等位置，避免產生附加彎矩，這樣有助于提高零件的承載能力。4.????????受沖擊載荷結構柔性原則為了提高零件的抗沖擊的能力，應減小系統的剛度，加大柔性，這將有助于改善系統的性能。5.????????避免長壓桿失穩原則6.????????熱變形自由原則二、改善制造工藝性的結構設計原則（一）焊接件結構設計原則一般來說可以通過三條途徑來保證或提高焊接質量：材料、工藝、結構。其中，結構設計上的缺陷能嚴重地影響焊接零件乃至整個機械設備的質量和功能。1．???避免高應力區原則焊縫及其影響區的動載強度一般比周圍材料的強度要低，還存在內應力，因此應盡量將焊縫設置于應力水平較低的區域。如圖5-33a所示，當焊接兩塊板厚不同的零件時，因幾何尺寸突變，所以在焊接區域里存在嚴重的應力集中。此時在結構設計時要留有過渡結構，緩解幾何尺寸的突變（見圖5-33b）。如圖5-34a所示壓力容器，當焊縫處在曲率突變位置時，盡管壁厚一致，但應力也很大，不可取，采用如圖5-34b所示的結構效果就要好些。類似情況還有如圖5-35所示。

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a)

b)

?

a)

b)

圖5-33?不同板厚零件間的焊縫a)較差結構?b)改進結構

?

圖5-34?壓力容器的焊縫a)較差結構?b)改進結構

a)

b)

圖5-35?避免高應力區的焊縫結構a)較差結構?b)改進結構

2．???避免焊縫重疊原則復雜結構的焊縫常出現多條焊縫交叉重疊的情況。焊縫交匯處剛性大，結構翹曲嚴重，從而加大焊縫內應力，而且結構多次過熱，材料性能下降，易出現裂紋，這些都會影響焊接結構的性能。改進方法有三種：加輔助結構（見圖5-36a）、切除部分（見圖5-36b）、焊縫錯開（見圖5-36c）

a)

b)

c)

圖5-36?避免焊縫重疊的焊縫結構a)加輔助結構?b)切除部分?c)焊縫錯開

3．???焊縫根部優先受壓原則在焊接構件承受彎曲應力時，應將焊縫置于壓應力一側。4．???避免尖角原則尖角處焊接定位困難，尖角易被熔化，焊接質量不易保證。如圖5-37所示，改進后的結構效果要好得多。

a)

b)

圖5-37?避免尖角的焊縫結構a)較差結構?b)改進結構

5．???對稱性原則焊接件設計應具有對稱性。焊縫布置與焊接順序也應對稱，這樣就可以利用各條焊縫冷卻時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?對稱焊縫結構a)較差結構?b)改進結構

6．???焊接量最少原則理想的焊接結構是焊接量最少的結構，應盡量減少焊縫個數和焊接量（見圖5-39）。

a)

b)

圖5-39?焊接量少的焊縫結構a)較差結構?b)改進結構

（二）鑄件結構設計原則鑄件的結構設計對鑄件的制造成本，鑄件的質量有決定性的影響。鑄件的結構設計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生縮孔或縮松，而且還可以節省材料（見圖5-40）。a)

b)

圖5-40?壁厚均勻的鑄件結構a)較差結構?b)改進結構

2.????????自由收縮原則加肋結構是鑄件中常見的結構。在設置加強肋時應避免在冷卻過程中因收縮不一致而產生的內應力和裂紋。具體措施有：蜂窩狀加強肋（見圖5-41a）、斜彎加強肋（圖見圖5-41b）、加強肋錯位（見圖5-41c）和加強肋切斷（見圖5-41d）。如圖5-41b所示，為避免鑄件冷卻時阻礙金屬收縮，產生內應力而導致輪輻產生裂紋，將直輻條改成弧形，這樣冷卻時輻條就能夠自由收縮，結構較合理。?????

a)

b)

c)

d)

圖5-41?自由收縮的鑄件結構a)蜂窩狀加強肋?b)斜彎加強肋?c)加強肋錯位?d)加強肋切斷

3.????????良好的受力狀態原則鑄件應優先承受壓力，因為鑄鐵的抗壓強度比抗拉強度高得多（見圖5-42）。鑄件內部肋的安置應考慮幾何原理。如圖5-43a所示加強肋按矩形分布，對鑄件強度和剛度有一些的影響，因矩形是不穩定的形狀。若按三角形安置，形狀穩定，造型較好，結構比較合理（見圖5-43b）。鑄件在必要時應局部加強（見圖5-44）。鑄件的箱壁應可靠地支持在地面上，以保持它的強度和剛度。

a)

b)

圖5-42?受壓優先鑄件結構a)受壓加強肋?b)受壓容器

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a)

b)

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a)

b)

圖5-43?內置加強肋結構a)較差結構?b)改進結構

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圖5-44?局部加強結構a)較差結構?b)改進結構

4.????????便于模具制造原則復雜模具制造困難、成本高、難以保證質量。一般要求結構形狀簡單（見圖5-45a），避免隱蔽、分離部分（見圖5-45b），圓角尺寸統一（見圖5-45c），優先采用對稱形狀，盡量少用模芯，采用復合結構（見圖5-45d）等。

a)

b)

c)

d)

圖5-45?便于模具制造的結構

如圖5-46所示，有些圓角對鑄件質量影響不大，但增加造型造芯的困難，為此應將圓角取消。如圖5-47所示的面積較大的薄壁零件，不應設計成水平的平面結構。水平平面澆鑄時容易造成冷隔或形成氣孔。如改為有斜坡的平面，則有利于排出液態金屬中的雜質和由于鐵液漫流造成的冷隔等缺陷。

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a)

a)

b)

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b)

圖5-46?圓角對造型造芯的影響a)較差結構?b)改進結構

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圖5-47?面積較大的薄壁結構a)較差結構?b)改進結構

5.????????其它有關鑄件結構設計的其它要求舉例說明如下：起模方便（見圖5-48a），流動暢通（見圖5-48b），便于排氣，清除表皮方便（見圖5-48c），便于切削加工（見圖5-48d）等。

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a)

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b)

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c)

?

d)

圖5-48?鑄件結構

（三）切削件結構設計原則減少加工成本，提高機加工質量是切削件結構設計的基本要求，切削件的結構設計要充分考慮機加工工藝的特性。1.????????便于退刀原則方便退刀可以節省加工時間，從而達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構（見圖5-49）。

a)

b)

c)

圖5-49?便于退刀的結構

2.????????減少加工量原則減少加工量可以提高生產效率，還可以節省材料。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。

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a)

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?

b)

?

c)

圖5-50?減少加工量的結構

3.????????可靠夾緊原則機械零件在機加工時必須夾持在機床上，因此機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用下，零件不會晃動，這樣才能保證加工質量（見圖5-51）。

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a)

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b)

圖5-51?保證夾緊力的結構

4.????????同一夾緊工序原則在加工機械零件的不同表面時，應避免多次裝夾。希望能在一次固定中加工盡可能多的零件表面。這樣，不但可以節約加工時間，而且可以提高加工精度。比如一根軸上的鍵槽應該布置在同一條直線上。如圖5-52所示為一軸承座，a圖所示的結構兩孔因中間隔有凸臺，而不能一次加工出來。在b圖中則是去掉凸臺，用擋環代替，則可保證兩孔一次安裝就可加工出來。

a)

b)

圖5-52?軸承座結構a)較差結構?b)改進結構

5.????????避免斜面開孔原則在斜面上鉆孔不但位置不準，而且易損傷刀具，應盡量避免，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?避免斜面開孔的結構

6.????????貫通孔優先原則貫通孔通常比盲孔易加工，易提高加工質量。如圖5-54a所示的結構，加工時，刀具只能是懸臂式支承，此時刀具會產生較大的變形，從而使孔的加工精度下降。在兩孔間距較大時，甚至會出現廢品。b圖所示的結構是刀臂兩端支承成為可能。

a)

b)

圖5-54?貫通孔結構a)較差結構?b)改進結構

7.????????其它有關切削件結構設計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?便于切削的結構a)較差結構?b)改進結構

（四）鍛件結構設計原則鍛件是指靠擠壓成型的零件。鍛造可以改善材料性能，材質分布更趨均勻，使得鍛件有較好的抗動載荷的能力。一般鍛件結構設計要遵循以下原則。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，而且還要便于模具的制造。如圖5-56所示，b圖的結構比a圖的結構有利于材料的流動。如圖5-57所示，a圖所示的模膛結構加工較困難必須用銑和磨的方法才能加工出來，而b圖的模膛結構只需用車削的方法就可加工出來。

a)

b)

圖5-56?便于材料流動的結構a)較差結構?b)改進結構

a)

b)

圖5-57?便于模具制造的結構a)較差結構?b)改進結構

2.????????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）。

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a)

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b)

圖5-58?避免尖銳棱角的結構

3.????????方便鍛造原則對稱結構方便制造，非對稱結構應盡量避免（見圖5-59a）；鍛件內外臺階大小應向一個方向變化，盡量避免多個臺階（見圖5-59b）；盡量避免使用肋板（見圖5-59c）。

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a)

b)

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c)

圖5-59?方便鍛造的結構

4.????????便于后繼加工原則待加工表面應凸出于其它鍛造表面（見圖5-60a）；應留有夾緊支撐點，以便于切削加工（見圖5-60b）。

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a)

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b)

圖5-60?便于后繼加工的結構

（五）薄板件結構設計原則薄板指板厚相對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，一般薄板件結構設計要遵循以下原則。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。如圖5-61所示，直線比曲線簡單。

a)

b)

圖5-61?直線與曲線結構a)較差結構?b)改進結構

2.????????節省材料原則在薄板零件的結構設計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圖結構的效果就要好得多。a)

b)

圖5-62?節省材料的結構a)較差結構?b)改進結構

3.????????避免過窄結構原則如圖5-63所示，兩孔之間的距離太小，加工時可能會產生裂紋。細長的板條剛度低，在裁剪時易出現裂紋，此外過窄結構在加工過程中還將嚴重磨損刀具。

a)

b)

圖5-63?避免過窄的結構a)較差結構?b)改進結構

4.????????彎曲棱邊垂直切割面原則薄板在切削加工后，進行彎曲成型加工，彎曲棱邊應垂直與切割面或者交匯處設計一個圓角，否則交匯處易出現裂紋（見圖5-64）。a)

b)

圖5-64?彎曲棱邊垂直切割面結構a)較差結構?b)改進結構

5.????????平緩彎曲原則陡峭的彎曲需特殊的工具，成本高。另外，曲率半徑過小易產生裂紋，在內側面上還會出現皺折（見圖5-65）。a)

b)

圖5-65?平緩彎曲結構a)較差結構?b)改進結構

6.????????槽邊不彎曲原則彎曲區域受力狀態復雜，強度低，槽孔應遠離彎曲區域或橫跨彎曲區域（見圖5-66）。a)

b)

圖5-66?槽邊不彎曲結構a)較差結構?b)改進結構

7.????????復雜結構組合制造原則對于復雜的薄板零件可采用組合零件形式，即將薄板零件用焊接、螺栓聯接等方式組合在一起（見圖5-67）。

a)

b)

圖5-67?組合結構a)較差結構?b)改進結構

8.????????穩定性原則薄板結構橫向彎曲剛度較差，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?穩定性好的結構a)較差結構?b)改進結構

9.????????避免直線貫通原則平面壓槽排列應避免無壓槽區域直線貫通。如圖5-69a所示的結構，無壓槽區域形成多個貫通的窄條軸，相對這些軸，彎曲剛度沒有任何改進，但b圖就不存在這些問題，效果要好得多。

a)

b)

圖5-69?避免直線貫通的結構a)較差結構?b)改進結構

10.????壓槽連通排列原則壓槽的端點是薄弱環節，疲勞強度低。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所示的結構，是卡車上的電瓶箱體，受動載荷作用，a圖結構在壓槽端點處易產生疲勞失效，b圖為壓槽連通之后的結構圖，效果就要好些。

a)

b)

圖5-70?壓槽連通排列結構a)較差結構?b)改進結構

（六）其它有關改善制造工藝性的結構設計原則，還有鉚焊件的結構設計，工程塑料零件的結構設計及機械零件修配的結構設計等。這里不再闡述，有興趣可查閱相關資料。三、提高裝配質量的結構設計原則零部件裝配成機器，裝配質量直接影響著機器的運行性能質量，裝配質量即為零部件相互聯系界面上的質量。符合裝配要求的結構設計就是在結構設計上保證裝配的可能，采用的結構應方便裝配，減少裝配工作量，提高裝配質量。（一）便于運送原則自動化制造系統中，將零部件從庫存運送到裝配現場是裝配過程中常見的工序，常采用的輸送設備是輸送帶。對此工序的要求就是避免零部件套勾、連結在一起，使機器人無法分離；避免結構的重心偏高，不便于自動輸送。如圖5-71a所示的結構也難以自動輸送，因為它們的直線滾動西性能差，b圖所示結構就便于運送。

a)

b)

圖5-71?便于運送的結構a)較差結構?b)改進結構

（二）便于方位識別原則在自動化制造系統中，應盡量提高機器人的方位識別能力，方法之一就是在設計零部件結構時，留有識別特征。采取對稱結構，因彼此無差別，故不用識別（見圖5-72a）。識別特征以幾何特征最易被識別，應盡量將物理特征轉換成幾何特征（見圖5-72b）。內部特征難以觀察，應外部化（見圖5-72c）。對于近似結構，應擴大其不對稱性，以便于特征識別（見圖5-72d）。較差結構

改進結構

?

a)

b)

c)

d)

圖5-72?便于方位識別的結構

（三）方便抓取原則結構設計時應考慮：留有抓舉面，保證能抓牢，不損傷工作面。如圖5-73所示的結構難以抓牢，因為夾持面是斜面。

a)

b)

圖5-73?便于抓取的結構a)較差結構?b)改進結構

（四）方便定位原則一邊測量，一邊定位是不可靠的，自動定位最為理想。如圖5-74a所示，結構的方孔高度有一定的精度要求。此時，主要起聯接作用的螺栓是不能保證該精度要求的。可增加一個微調螺栓結構，即可調整方孔高度精度。如圖5-74b所示是一種自動定位的結構。如圖5-74c所示為具有導向功能的結構。較差結構

改進結構

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a)

b)

c)

圖5-74?便于定位的結構

（五）簡化裝配操作原則如圖5-75a所示的結構中，將彈簧直接掛在開口槽上比扣在封閉孔內要簡單，機器人操作時差別更顯著。如圖5-75b所示的封蓋結構是螺紋聯接，上面的結構要旋轉若干圈，而下面結構靠摩擦力聯接，插入即可，在無內壓的情況下下圖結構有優越性。如圖5-75c所示的軸承的安裝，上圖軸承要經過很長的軸段才能到達預定位置，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接結構。較差結構

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改進結構

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a)

b)

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c)

圖5-75?便于定位的結構

a)

b)

c)

d)

e)

圖5-78?快速裝配聯接結構

（六）可裝配原則裝配至少要求工具能方便地到達裝配位置，且要有足夠的操作的空間。人工裝配時，還要求視線可及。如圖5-79所示即是如此。較差結構

改進結構

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a)

b)

c)

圖5-79?可裝配結構

（七）各裝配面依次裝配原則多個裝配面同時裝配，裝配狀態往往是一種過約束狀態，裝配比較困難，故應盡量避免多個裝配面同時裝配。如圖5-80所示即是如此。

a)

b)

圖5-80?依次裝配的結構a)較差結構?b)改進結構

（八）簡單聯接件原則采用簡單的聯接件可以減小裝配工作量。如圖5-81所示，因螺栓聯接方式的裝配工作量大，用卡夾代替螺栓，則結構簡單，便于操作。

a)

b)

圖5-81?簡單聯接結構a)較差結構?b)改進結構

（九）便于拆卸原則符合裝配要求的結構設計也應便于拆卸。如圖5-82所示為一聯接鍵，在鍵一端的底部留有坡度，拆卸時用力一擊便可將鍵拆卸下來。還有起蓋結構、軸承拆卸結構等等。

a)

b)

圖5-82?便于拆卸的結構a)較差結構?b)改進結構

四、提高精度的結構設計原則機械結構設計必須服從現代機器、儀器的高精度原則，改善結構設計可以減小由于加工、裝配、調整產生的誤差和使用中的磨損、彈性變形、熱變形等產生的誤差，及減小系統對各項誤差的敏感程度，從而提高產品質量。（一）阿貝（Abbe）原則阿貝原則是阿貝于1890年對于量儀設計而提出的：“若使量儀給出正確的測量結果，必須將儀器的讀數線尺安放在被測尺寸的延長線上”。如圖5-83c所示，當設計結構不符合阿貝原則時，導軌不直度引起的傾角?所產生的誤差為：?≈a?其中a為被測尺寸線與讀數線尺之間的距離，導軌傾角?的單位是弧度。當設計結構符合阿貝原則時，導軌傾角?所產生的誤差為：?≈C??其中C為基準尺讀數頭到工件測量讀數頭之間的距離，導軌傾角?的單位是弧度。通常?是微量，??則是二階微量，可見遵從了阿貝原則就可以消除儀器導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，在設計和工藝上應提高導軌精度，減小導軌不直度所產生的傾角?，在結構布局上要盡量減小讀數線與被測尺寸線之間的距離a。如圖5-83a所示的游標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所示千分尺能達到較高的精度，但是因為刻度尺與工件安排在一條直線上所以量具的尺寸較大。

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a)

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b)

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c)

圖5-83?阿貝原則a)游標卡尺?b)千分尺?c)誤差分析簡圖

（二）誤差校正與補償當機械結構不滿足阿貝原則，或者機械結構存在加工誤差，或者機械結構在工作過程中，由于溫度變化、受載、磨損等使得零部件的形狀及相對位置關系發生變化，這些因素最終將影響機械結構的工作精度。有些因素式不可避免的，但好的結構設計可以減少這些因素對工作精度造成的影響。為解決這個矛盾，可以算出結構誤差，然后采用誤差校正與補償方法進行補償。對誤差校正與補償裝置的要求是：結構簡單，制造與裝配方便，靈敏度較高，能有效地消除和減小誤差。下面是幾個機械式的校正與補償機構的例子。如圖5-84所示是光柵刻劃機中絲杠誤差校正裝置。校正尺2的工作面按螺旋副實測誤差曲線放大一定比例后制成，它固定在機座上不動。當絲杠1轉過一定工作角度后，螺母4經制有螺桿的杠桿3和鋼球支承推動工作臺5位移一個柵距。同時，杠桿3在校正尺曲面作用下使小螺桿產生微量轉動，即相對于螺母4產生了一個附加位移，補償了絲桿誤差，提高了工作臺的位移精度。

圖5-84?絲杠誤差校正結構1—絲桿?2—校正尺?3—杠桿?4—螺母?5—工作臺

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帶來轉角誤差，其校正是通過蝸桿的軸向移動或附加轉動來實現的。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，當蝸桿4帶動蝸輪轉動時，校正盤上的曲面推動杠桿1擺動，使蝸桿產生附加軸向移動，從而蝸輪產生一個附加轉動，消除了蝸輪副誤差的影響。校正盤的方位應與誤差曲線的方位一致。如圖5-86所示是坐標測量機橫臂變形的校正結構。測量裝置1沿橫臂移動時，由于質量轉載，將造成橫臂彎曲（如圖中的?角），從而帶來測量誤差。為補償這項誤差，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。擰動螺釘5，經杠桿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，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構1—杠桿?2—蝸輪?3—校正盤?4—蝸桿

圖5-86?坐標測量機橫臂變形的校正結構1—測量裝置?2—框架?3—回轉軸?4—杠桿5—螺釘?6—銷

（三）誤差均化實驗表明，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。由此可知機械精度的均化原理：在機構中如果有多個聯接點同時對一種運動起限制作用，則運動件的運動誤差決定于各聯接點的綜合影響，其運動精度高于一個聯接點的限制作用。在一定條件下增加螺旋傳動中起作用的螺紋圈數，使多圈螺紋同時起作用，不但可以提高螺旋傳動的承載能力和耐磨性，而且可以提高傳動精度。如圖5-88所示為根據均化原理設計的雙蝸桿驅動的分度機構。在蝸輪兩邊各安置一個蝸桿，利用相位調整聯軸器使兩個蝸桿都能起驅動作用。若用b圖中的實線和虛線分別表示AB兩個蝸桿單獨驅動時工作臺的回轉精度，則用AB兩個蝸桿同時驅動時，在a—d—b段蝸桿B起作用，b—e—c段蝸桿A起作用，因此減小了誤差。此外，用兩個蝸桿可分散載荷從而延長壽命。

a)

b)

圖5-87?千分尺累計誤差和千分尺螺旋累計誤差對比

a)

b)

圖5-88?雙蝸桿驅動的分度結構

（四）誤差配置在裝配時，選擇每個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可以提高其裝配的精度。在機床主軸結構設計中，提高主軸工作端（前端）的旋轉精度很重要。如圖5-89所示，前軸承徑向振擺誤差?A引起的主軸工作端誤差為：

圖5-89?軸承精度對機床主軸旋轉精度的影響

后軸承徑向振擺誤差?B引起的主軸工作端誤差為：顯然?，前軸承對主軸旋轉精度影響較大，所以在設計主軸結構時通常選擇前軸承的精度比后軸承高一級。（五）位置精確微調在許多機器中，通常需要將機械中的某部件在一定范圍里作緩慢而平穩的調整以將其調整到某個精確的位置，這就需要在機器中設計有微動微調機構。比如光學儀器中顯微鏡的調焦、精密機械中的運動部件的精確定位及微量進給。微動微調機構的基本要求：結構簡單，較大的降速傳動比，傳動靈活、平穩，無空程與爬行，使用方便等。下面是幾個機械式的微動微調機構的例子。如圖5-90所示為凸輪傳動微動微調結構：是利用凸輪（常用的是簡單的偏心輪）的轉角和升程的關系實現微調的機構，當松開鎖緊螺母3時，就可以轉動偏心軸4，由于偏心作用，就可以改變軸承5以及測量軸1的位置，調好后再將螺母3擰緊即可達到微調精確定位的目的。

圖5-90?凸輪微調結構1—測量軸?2—殼體?3、6—鎖緊螺母?4—偏心軸?5—軸承

如圖5-91所示為蝸輪副傳動微動微調結構原理圖，a圖是齒輪、蝸輪傳動；b圖是二級蝸輪傳動。

a)

b)

圖5-91?蝸輪副傳動微動微調結構a)齒輪、蝸輪傳動?b)二級蝸輪傳動1—蝸輪?2—蝸桿?3—微調手輪?4—粗動手輪?5—錐齒輪

如圖5-92所示為彈性微動微調結構，是利用金屬材料在彈性極限范圍內其變形與外力成正比的原理設計的微動微調結構。第一級為螺旋微動結構，轉動微動手輪1，微動螺桿2頂端推動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，另一端與微動軸6相連，故彈簧片3的變形推動彈簧片4，彈簧片4又推動微動軸作微小的位移。微動軸的精確位移量可通過電感傳感器8測出。

圖5-92?“T”形片簧彈性微動微調結構1—微動手輪?2—微調絲桿?3、4—“T”形片簧?5—外套6—測量軸?7—測軸座?8—傳感器

五、宜人化結構設計原則傳統的機械設計以設計產品為主要目標，更多地考慮產品本身功能的實現，雖然也或多或少地涉及了人的因素，但主要是考慮如何讓人適應機器，而沒有把人作為設計的一個目標，沒有規范化地考慮人的因素。這就很難保證機器操作效率最佳，也不易判斷設計質量的高低。比如，早期的拖拉機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，強烈的振動使人容易疲勞。儀表排列凌亂，缺乏形式美，設計上也不符合人的心理和生理特點。操作件上沒有適形的手柄，握上去很不舒適。二戰時期美國飛機的飛行事故中有90%是由于人為因素造成的。為解決這個問題，現代企業中已越來越多地應用人機工程學這種先進的設計理論和方法進行機械產品的開發和設計。人機工程學強調將人和機器作為相互聯系的兩個基本部分構成一個整體，形成人機系統。人機工程學是研究人的特性及工作條件與機器相匹配的科學，指出機器應該具有什么樣的條件才能使人付出適宜的代價后可獲得整個系統的最佳效益。人機工程學不僅涉及到工程技術理論，還涉及到人體解剖學、生理學、心理學以及勞動衛生學等。人機系統是在特定環境中進行工作的，環境對人機系統的工作效能有很大影響。作為系統主體的現代人，對工作環境的有了更為苛刻要求。為了保持系統的高效率、可靠性和持久性，機械結構所創制的環境首先要保證對人體不造成傷害，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，分析在機械結構創新設計中應考慮的基本要求。這些要求同時也可為機械結構創新設計提供啟示。對現有機械設備及工具的宜人化改進設計是機械結構創新設計的一種有效的方法。（一）減小操作者疲勞的結構當操作人員長時間保持某一姿勢時，身體的某些肌肉長期處于收縮狀態，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稱為靜態肌肉施力狀態。這種狀態會對肌肉、肌腱、關節及相鄰組織造成損害。因此設計與操作有關的結構時應考慮操作者的受力狀態，盡量避免使肌肉處于靜態肌肉施力狀態。表5-1所示的幾種常用工具改進前的形狀因為使某些肌肉處于靜態肌肉施力狀態，不宜長時間使用，改進后使操作者的手更趨于自然狀態，減少或消除了肌肉的靜態施力狀態，使得長時間使用不易疲勞。表5-1?幾種常用工具的改進

下面是一個汽車座椅的結構設計應考慮的問題：根據人機工程學理論，首先腰錐承受人的上體全部質量，同時承受因人體運動的彎腰等活動，致使腰曲超出正常脊柱生理弧型而產生腰曲變形。因此，腰椎部分最易受到損傷，腰曲變形嚴重。為了使坐姿下的腰曲變形最小，汽車座椅靠背應提供兩點支承。第一支承位于第5～6胸椎之間，形成肩靠。它的高度相當于肩胛骨高度。肩胛骨面積大，可承受較大的壓力。第二支承設置在4～5腰椎之間的高度上，形成腰墊。在座椅設計時，要使乘坐人員有腰椎依托感、貼和感和側向穩定感（見圖5-93）。其次，駕駛員坐在汽車座椅座墊上，長時間乘座會造成不舒適感，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系統，壓力過大會影響血液循環和神經傳導而感到不適。所以坐墊上的壓力應按照臀部不同部位不同壓力的原則來分布，即坐骨處壓力最大，向四周逐漸減小，至大腿部位時壓力降至最低值。這就是坐墊設計的壓力分布不均勻原則。理想的座椅坐墊體壓分布曲線見圖5-94。（圖中的封閉曲線為等壓力線，數字的壓力單位為102Pa），這種情況使得座椅要有振動彈性感，坐墊與靠背要有軟硬感。

圖5-93?汽車座椅靠背

目前，已有企業在利用人機工程學的研究成果來設計駕駛員座椅了。比如：沃爾沃公司的F7型汽車的駕駛員座椅在三個方面可調。座高可調65mm，傾斜度可調64度，縱向位置可調130mm；日產汽車公司已研制出一種能根據車速的變化自動調節駕駛員座椅。

圖5-94?座墊人體壓力分布曲線

（二）易于發力的結構結構設計時應考慮人的姿勢不同，所能付出的力量也不同；拉力大于提力，提力大于握力，膝部屈曲160°時蹬力最大等等。比如汽車操縱中的手操縱與腳操縱。手操縱主要是對方向盤的操縱，對方向盤來說，可單手、雙手操縱，又可自由連續旋轉，無須明確定位。方向盤的最大問題是能否保證駕駛員發出較大的扭矩。根據人機工程學原理，方向盤傾斜角度對駕駛員施加到方向盤上的力有很大影響，方向盤的安裝角度越平緩，駕駛員可能施加的力越大，方向盤安裝角度通常選在便于活動的15°～70°間，角度與力的關系見圖5-95。

圖5-95?方向盤施加力隨方向盤傾角的變化曲線

如圖5-96所示顯示了人腳在不同方向上的操縱力分布。在機動車輛中，腳操縱主要是腳對加速踏板，制動踏板的控制。人腳發出力的大小與人的姿態，腳的位置和方向等有關。通常踏板的高度應設置在腳能發出最大力的位置。即腳踏板與座椅坐墊上表面齊平或腳踏板稍低一些。為減輕駕駛員的疲勞，應力求減少駕駛員需要施加在方向盤和踏板上的力。

圖5-96?人腿輸出力值分布

（三）減少操作者觀察錯誤的結構操作者了解機器的工作情況主要通過機器上設置的各種顯示裝置來獲得。其中顯示儀表應用最多。視覺疲勞而使精神緊張最容易發生操作失誤，因此儀表的造型與排列在駕駛室的造型設計中占有很重要的位置。儀表的造型設計和排列應依據顯示器的功能特點和人的視覺特性。人的正常視距為46cm～71cm，視角為39°～41°。因此，在儀表顯示結構設計中，儀表應設置在操作者正面視野內，最佳視距為50cm～55cm；重要儀表不得超出40°視角的范圍，常用儀表必須在30°視角內。儀表高度最好與眼睛相平，上下視線在10°～45°范圍內。指針刻度間距擺角不得小于10°，指針的寬度為1.0mm～2.5mm，并應貼近刻度盤表面，以減少誤差。當有多個儀表并列時，其正常位置變化所對應的指針方向應該相同。實驗表明人在認讀不同形式的顯示器時正確認讀的概率差別較大，實驗結果見表5-2。表5-2?不同形式刻度盤的誤讀率比較

另外，對于車輛操作者來說還期望的有最佳視野，要使視線不被大體積貨載遮擋，必要時可偏置操作者及助手的座位。應特別指出，良好的視野狀況意味著操作工作的安全可靠性，也關系到操作者的舒適程度。如圖5-97所示為H20型叉車根據人機工程學確定的最佳操作位置。

圖5-97?H20型叉車操作位置

（四）減少操作者操作錯誤的結構操作器的設計應使操作者在較少視覺幫助或無視覺幫助下能夠迅速準確地分辨出所需的操作器，并在正確了解機器工作狀況的基礎上對機器做出適當的調整。要實現這個基本要求，關鍵在于操作件的造型設計。操作件的造型包括幾何尺寸、排列位置和手柄的外形。幾何尺寸與整機的操縱系統設計有關，可查有關標準。在排列位置上應符合人的生理特點，比如在拖拉機上操作件的排列位置一般將主變速桿、副變速桿、液壓系統操縱桿分別排列在座椅的左前方、右前方和右側的操作柜上，駕駛員操作時往往不用眼看就能找到所需的操作件，既不會出差錯又減輕視覺疲勞。離合器放在左側，制動器和油門按從左到右順序放在右側。操作手柄的外形一般都根據手幅的長度、手握的粗度、手掌肌肉和手柄接觸的位置來設計，圖5-98是一些常見的操縱手柄的外形。方向盤采用液壓轉向系統，其高度和傾斜角度可根據駕駛員的需要隨意調節更加方便駕駛員的操縱。

圖5-98?常見的操縱手柄外形

其次，實現操作件控制動作的結構設計。控制動作一般分為行程調節和微量調節。行程調節可使控制器迅速接近所需位置。微量調節則使控制器準確地置于所需位置。設計時應使操縱機構與儀表顯示的位移有合適的比率。另外，操縱機構存在摩擦、彈性、粘性和慣性等阻力是必要的，這可以產生“操縱直接感覺”，使操作連貫，減少振動和過載造成的干擾，保證操作控制的穩定性和準確性。操作阻力的大小應根據控制器的類型、位置、施力方向及使用頻率等因素合理選擇。由于作為人機系統主體的人有易出錯誤的特性，除通過訓練提高其可靠性外，在操作機構和指示儀表設計中還需采取安全措施，以防偶然錯失而造成嚴重后果。預防方法很多，常用機械結構方法的有順序自鎖、鎖定、阻尼、槽卡、定向、定位等。（五）考慮人體的振動特性的結構及減少操作環境噪聲的結構0人體是一個彈性系統，有自己的振動特性（以4Hz～8Hz、10Hz～12Hz、20Hz～25Hz為第1、2、3共振峰），人的各個器官也有自己的共振頻率。例如眼睛的共振