機械零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計

1、機械零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計機械零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計 1.機器設(shè)計的基本原則： v機械零件是組成機器的基本要素，研究機械零 件的設(shè)計，就要簡絡(luò)地討論機器的基本設(shè)計原 則。雖然機器的分類很多，但設(shè)計所遵循的原 則是相同的。 v（1）.必須滿足對機器提出的使用要求：首先， 設(shè)計的機器應(yīng)能有效地完成預(yù)定的使用目的；其 次，必須使設(shè)計的機器能可靠地工作，就要求機 械零件的設(shè)計必須滿足基本的強度、剛度、壽命、 精確度及穩(wěn)定性等。 v（2）.所設(shè)計的機器應(yīng)能最大限度地滿足經(jīng)濟性 的原則：機器的經(jīng)濟性是一個綜合的指標，表現(xiàn) 在設(shè)計、制造、使用的整個過程中。設(shè)計、制造 的經(jīng)濟性表現(xiàn)在設(shè)計及制造成本的降低；使用的 經(jīng)濟性表現(xiàn)為

2、高生產(chǎn)率、高效率，維護費用低廉。 因此，在設(shè)計時應(yīng)綜合考慮。 v（3）.必須特別關(guān)心機器操作者的勞動保護：設(shè) 計機器時，首先，必須特別注意技術(shù)安全問題； 其次，要盡可能地改善操作者的勞動條件；另外， 對機器的外形美觀也應(yīng)注意。 v（4）.滿足其他的特殊要求：如機床有長期保持 精度的要求；對大型機器有便于運輸?shù)囊?；?水泵有長期保持性能的要求等。 2.設(shè)計機械零件時應(yīng)滿足的基本要求： v（1）.強度-零件必須具有足夠的強度，強度是 設(shè)計一切機械零件及機器的最基本的要求。當(dāng)機 器工作時，零件承受載荷后，即不能發(fā)生任何形 式的斷裂，也不能出現(xiàn)超過容許限度的殘余變形。 v設(shè)計時原則上可以采用以下措施

3、：采用強度性能 高的材料；使零件具有足夠的剖面尺寸；合理地 設(shè)計剖面形狀；采用熱處理等工藝方法以提高材 料的強度特性；提高運動零件的精度，以降低動 載荷；合理設(shè)計零件的結(jié)構(gòu)，以降低載荷集中和 應(yīng)力集中等。 v（2）.剛度-零件承受載荷時抵抗產(chǎn)生彈性變形 的能力。實踐證明，凡是能滿足剛度要求的零件， 強度一般是沒有問題的。這是由于按剛度計算的 零件剖面尺寸，往往大于按強度計算所得的尺寸。 v 剛度可分為兩種，一種是由于兩個零件接合間 有間隙，在載荷作用后，兩個零件的相互位置和 設(shè)計的相互位置發(fā)生偏差，這種叫做接觸剛度接觸剛度； 另一種是零件本身在載荷作用下發(fā)生的伸長、縮 短、撓曲和扭轉(zhuǎn)等彈性變形

4、，叫做變形剛度變形剛度。 v（3）.壽命-此要求與強度有一定的聯(lián)系。零件 開始工作時，雖能滿足強度的要求，但是，工作 一定時期后，卻可能喪失強度。這個要求通常是 針對有相對運動的零件，或在工作時產(chǎn)生變應(yīng)力 的零件提出的。 v 影響零件工作壽命的主要因素有：一是零件的 磨損；二是零件材料的疲勞；三是高溫時零件材 料的蠕變。 v（4）.工藝性-機械零件要具有良好的工藝性， 是指那些在即定的生產(chǎn)條件下，能用最少的資金 消耗，制造出能滿足使用及技術(shù)要求的零件?；?錢少、制造容易、滿足使用及技術(shù)要求是零件工 藝性的三個方面。 v（5）.重量小-減輕機械零件和機器的重量有兩 方面的好處：一是可以節(jié)約材料；

5、二是對運動的 零件，可以減小慣性，減小機器的啟動功率。 3.設(shè)計與設(shè)計的方法： v設(shè)計-應(yīng)用正確的基本原理和已有的實踐經(jīng)驗來 創(chuàng)造發(fā)展新事物或改造舊事物。機器或機械零件 的設(shè)計也符合這一概念。常用的設(shè)計機械零件的 方法有以下幾種： v（1）.理論設(shè)計-是根據(jù)人們已經(jīng)掌握了的合乎 客觀規(guī)律的理論及實踐知識所進行的設(shè)計，使用 理論力學(xué)、材料力學(xué)、機械原理、金屬學(xué)等課程 的知識。理論設(shè)計的計算過程分為： va.設(shè)計計算在零件尺寸尚未決定之前，根據(jù) 載荷情況，由計算公式直接求出零件的幾何尺寸 的過程叫設(shè)計計算。 v設(shè)計計算的必要條件是：載荷情況、材料性能、 和零件工作情況，以及應(yīng)力分布規(guī)律，同時，這

6、個規(guī)律在實際設(shè)計中，一般表現(xiàn)為簡單的數(shù)學(xué)關(guān) 系。如：在計算受拉伸載荷的直桿剖面面積時， 可直接引用材料力學(xué)公式：fp/p v式中：f直桿的剖面面積； p直桿承受拉伸載荷； p直桿材料的許用拉伸應(yīng)力。 vb.校核計算先根據(jù)其他方法，（如按經(jīng)驗、 規(guī)范近似地計算）初步定出零件的尺寸及形狀， 然后，用理論的方法校核零件危險剖面的安全系 數(shù)計算值。這個計算過程叫校核計算。 v 校核計算多用于應(yīng)力分布規(guī)律復(fù)雜，但又能用 材料力學(xué)的公式表示出來的零件設(shè)計中，也用于 應(yīng)力分布規(guī)律雖簡單，但其計算數(shù)據(jù)又須在零件 尺寸已知時才能決定的情況下。如軸的設(shè)計、彈 簧的設(shè)計是這樣進行的。 v 有時有經(jīng)驗的設(shè)計工作者，在

7、設(shè)計某些零件時， 雖然已經(jīng)具備進行設(shè)計計算的條件，但是，為了 簡化計算手續(xù)，也常根據(jù)有關(guān)資料或粗略估計， 直接進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，然后采用校核計算。 v 由于理論設(shè)計是在闡明了材料性能及應(yīng)力分布 規(guī)律的基礎(chǔ)上所進行的設(shè)計，因而它是比較科學(xué) 和先進的方法。它是在大量的感性知識的基礎(chǔ)上 總結(jié)出來的設(shè)計規(guī)律。所以，對于一切重要的零 件，都應(yīng)盡可能地采用理論設(shè)計。 v 隨著科技的發(fā)展，理論設(shè)計的方法不斷改善和 變化。但是，理論設(shè)計還會有不完善的地方，所 以，也不應(yīng)當(dāng)將書本的理論設(shè)計方法看作是絕對 完善的方法。 v（2）.經(jīng)驗設(shè)計-根據(jù)某類零件已有的設(shè)計與使 用經(jīng)驗而總結(jié)出來的經(jīng)驗公式，或根據(jù)設(shè)計者本 人的設(shè)

8、計經(jīng)驗，采用類比的辦法所進行的設(shè)計叫 經(jīng)驗設(shè)計。 v 雖然經(jīng)驗設(shè)計沒有詳盡的理論化的科學(xué)分析作 為依據(jù)，但經(jīng)驗公式的形成，已經(jīng)具有一定的科 學(xué)統(tǒng)計性。因此，具有很大的實用價值。另外， 由于它也是由實踐中總結(jié)出來的經(jīng)驗關(guān)系，因而 它也能經(jīng)得起實踐的考驗，在實踐中證明是正確 的。 v 通常用于外形復(fù)雜、載荷情況不明而目前尚不 能用理論分析的零件設(shè)計中。例如，機架、變速 箱體的設(shè)計等。經(jīng)驗設(shè)計正是用在理論設(shè)計薄弱 的地方，并且是理論設(shè)計的前身。此外，對一些 價值不高的零件也通常采用經(jīng)驗設(shè)計的方法。 v（3）.模型實驗設(shè)計-對于一些巨大的、結(jié)構(gòu)復(fù) 雜而重要的零件和部件，現(xiàn)有的理論知識尚不足 以進行詳盡

9、分析，采用模型實驗設(shè)計的方法。也 就是說，將初步設(shè)計的零件或部件做出模型，經(jīng) 過實驗，再根據(jù)實驗結(jié)果加以修改，這樣的過程 叫模型實驗設(shè)計。這種設(shè)計方法是借助于實驗來 彌補理論的不足，同時，也消除了經(jīng)驗設(shè)計中不 夠科學(xué)的成分。它用于大型重要的零件或部件。 v 模型實驗設(shè)計能夠決定復(fù)雜零件中工作應(yīng)力的 分布實況和零件的極限承受能力，能較經(jīng)驗設(shè)計 而設(shè)計出來的結(jié)構(gòu)更加合理，這個方法是使經(jīng)驗 設(shè)計轉(zhuǎn)化為理論設(shè)計的途徑之一。 v 必須強調(diào)，設(shè)計方法是理論和實踐相結(jié)合的具 體體現(xiàn)，設(shè)計工作是創(chuàng)造性的工作，必須和科學(xué) 分析緊密結(jié)合。任何脫離實際或是忽視理論的設(shè) 計，都會給工作帶來不良的影響，甚至帶來不可 彌

10、補的損失。 4. 機械零件設(shè)計計算的理論基礎(chǔ)： v 機械零件設(shè)計計算的原則及方法是根據(jù)零件的 失效方式?jīng)Q定的。通常零件的失效方式主要為各 種各樣的破壞（如脆性斷裂、塑性變形、尤其是 整體的或表面的疲勞破壞）和磨損?，F(xiàn)在，還沒 有以充分的理論為根據(jù)而擬訂的磨損設(shè)計方法。 因而絕大多數(shù)零件都是按照強度及疲勞壽命作為 設(shè)計基礎(chǔ)的。 5. 機械零件的結(jié)構(gòu)工藝性： v 在機械零件及整臺機器的設(shè)計過程中，設(shè)計計 算只占一部分工作量，很重要的另外一部分工作 量就是零件及整臺機器的結(jié)構(gòu)設(shè)計。結(jié)構(gòu)設(shè)計就 是要決定零件及機器的各個部分的形狀、尺寸、 尺寸的配合及制造精度等，并繪制圖紙。計算工 作是從使用要求出發(fā)，

11、通過計算保證了零件的強 度、剛度及壽命等要求；結(jié)構(gòu)設(shè)計主要是從經(jīng)濟、 工藝、使用、檢修、維護等要求出發(fā)，保證能設(shè)計 出用料最少、最便宜、最容易制造與裝配的零件， 以及使用、檢修都是最便宜的機器。因此，結(jié)構(gòu)設(shè) 計是保證零件及機器具有良好工藝性及使用性的決 定階段。 v（1）.鑄造零件結(jié)構(gòu)設(shè)計要點- v鑄造零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計，主要從以下八點考慮： v壁厚鑄件的壁厚，除了應(yīng)滿足強度、剛度 的要求外，還要考慮到鑄造的可能。 v圓角為了消滅鑄造缺陷及易于造型，在鑄 件兩個面的交界處通常采用圓角結(jié)構(gòu)，圓角半徑 視壁厚的大小而增減。 v不同壁厚處的過度結(jié)構(gòu) 為了避免在鑄件中產(chǎn)生縮孔， 必須采用必要的過渡結(jié)構(gòu) （

12、如圖5-1）。 圖5-1 v鑄造斜度垂直于分型面的表面應(yīng)有斜度， 以利造型。對于黑色金屬，斜度通常采用1:25 1:40；對于有色金屬為1:100。 v要盡可能地避免使造型發(fā) 生困難的死角（如圖5-2）。 圖5-2 v為了增加鑄造零件的剛度，常采用加強肋。肋的 厚度取為所固連的壁厚的80100%。 v設(shè)計受彎曲應(yīng)力的鑄鐵件時，應(yīng)使剖面的中性軸 靠近受拉伸的一邊，以充分發(fā)揮鑄鐵的壓縮強度高 于拉伸強度的特點。 v鑄造零件內(nèi)腔的壁，由于冷卻較慢，故應(yīng)做得薄 些。通常將其壁厚較外壁減少1520%。 v（2）.鍛造及沖壓零件結(jié)構(gòu)設(shè)計要點- v 鍛造零件的結(jié)構(gòu)必須很簡單，沒有很深的溝槽。 利用鍛模時，零

13、件上要有適當(dāng)?shù)男倍燃皥A角。 v 沖壓零件上的彎邊大小須在材料韌性所允許的 限度以內(nèi)。此外，零件的形狀必須以最充分地利 用板材為原則。 v（3）.機械加工對零件結(jié)構(gòu)的影響- v機械加工對零件結(jié)構(gòu)提出如下要求： v盡可能減小加工面積，以縮短機械加工工時。 v零件盡可能用圓柱、圓錐及平面等簡單幾何形 狀組成，并且各面最好相互平行或垂直，避免特 殊的幾何形狀及相互傾斜的加工面。 v改善零件的結(jié)構(gòu)，使其簡化加工工序（如圖5- 3）。 v零件必須具有足夠的剛度，以免加工變形（如 圖5-4）。 v零件加工工具難以達到的部位（如圖5-5）。 圖5-4 圖5-5 v在車、磨、銑等表面上，要留下足夠的退刀槽和 退

14、出砂輪槽（如圖5-6）。 圖5-6 v要保證刀具能有最方便的工作條件，以便提高生 產(chǎn)率（如圖5-7）。 v如果可能，在同一零件上應(yīng)采用最少的尺寸種類 及標準種類（如圖5-8）。 v（4）.裝配工藝對零件結(jié)構(gòu)的影響- v要保證零件能方便迅速地安裝及拆卸；對于經(jīng) 常要拆卸檢修的部件，其零件結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計尤 其重要。舉例說明（如圖5-9，圖5-10，圖5-11）。 v裝置螺栓處要留出足夠的可供扳手活動的空間 （如圖5-12）。 v零件設(shè)計必須使能完全避免安裝時的錯誤（如圖 5-13）。 圖5-12 圖5-13 v（5）.從結(jié)構(gòu)設(shè)計方面提高零件強度的措施- v 原則上講，從結(jié)構(gòu)上保證降低作用在零件上的

15、 力,改善零件的受力狀態(tài)，以及降低由于零件形狀 而引起的應(yīng)力集中因素等，是從改善零件的結(jié)構(gòu) 設(shè)計來提高零件強度的重要途徑。 v減輕作用力。改變零件 結(jié)構(gòu)形式以降低作用力， 如圖5-14所示，改變皮帶 輪的結(jié)構(gòu)就可以降低作用 在軸上的彎矩。 v改善零件受力及應(yīng)力狀態(tài)。其辦法： a.長桿盡可能設(shè)計成受拉伸載荷，避免壓縮載荷。 b.使零件受力對稱及均勻，減少偏心力矩的作用。 v降低應(yīng)力集中因素，采用圓角及卸載槽等辦法。 v（6）從結(jié)構(gòu)設(shè)計方面節(jié)約零件材料的措施- v 從合理地設(shè)計零件的結(jié)構(gòu)形狀方面來節(jié)約材料， 其潛力是很大的。每個設(shè)計者在設(shè)計機器及零件 時，都應(yīng)千方百計地使所設(shè)計的結(jié)構(gòu)在滿足使用 及

16、工藝要求的情況下盡可能的少用材料。 v從零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計方面節(jié)約材料的途徑： v合理地減小各種零件的尺寸，尤其是傳動零件 的外廓尺寸，這是最基本的措施； v盡可能地使用薄壁鑄件，在不受力的地方以板 材沖壓件來代替沉重的鑄件； v用棒料做成的零件應(yīng)盡可能地做成小直徑的， 如圖5-15所示； v只有在必須的地方才使用 價值昂貴的材料，如圖5-16 所示。 v（7）.毛坯的選擇- v 設(shè)計零件時，要考慮用什么方法來獲得毛坯。 這對節(jié)約材料、制造方便、使用性能等有很大的 影響。毛坯制造方法的選擇，一般是取決于零件 批量的大小、材料性能以及加工的可能性等因素。 總體是取決于經(jīng)濟因素。 毛坯制造 方法 尺寸

17、或重量形狀的復(fù) 雜程度 毛坯尺寸 偏差（mm） 表面 質(zhì)量 使用材料生產(chǎn) 類型 最大最小 手工砂型 鑄造 不限壁厚 3-5mm 最復(fù)雜1-10取決于 尺寸大小 極粗糙鑄鋼、鑄 鐵、有色 金屬 單件或 小批量 機器造型到 250kg 同上較上簡單1-2粗糙同上大批量 刮板造型 砂型鑄造 不限同上用于旋轉(zhuǎn) 體 4-15取決于 尺寸大小 極粗糙同上單件或 小批量 離心鑄造到 200kg 同上用于旋轉(zhuǎn) 體 1-8取決于 尺寸大小 光滑同上大批量 精密鑄造不限壁厚 1mm 極復(fù)雜0.05- 0.15mm 極光滑用于不能 機械加工 的 小批量 主要毛坯制造方法的特性 毛坯制造 方法 尺寸或重量形狀的復(fù) 雜

18、程度 毛坯尺寸 偏差（mm） 表面 質(zhì)量 使用材料生產(chǎn) 類型 最大最小 壓力鑄造10- 16kg 壁厚 1mm 受模型制 造的可能 性 0.2同上一般用于 鋁、銅及 其合金 大批量 自由鍛造不限-簡單1.5-2.5極粗糙碳鋼單件或 小批量 錘下鍛模到 100kg 壁厚 2.5mm 受模型制 造的可能 性 0.4=-2.5粗糙碳鋼中批及 大量 板材沖壓厚 15mm 厚 0.1mm 復(fù)雜0.05-0.5極光滑所有板材直徑 25mm 冷鐓直徑 25mm 直徑 3mm 簡單1.0-0.25光滑鋼材直徑 25mm 從型材上 切割 型材-簡單0.5mm粗糙-單件、 大量 v（8）.零件某些部位的制造精度和表面粗糙度等 級的選擇- v 零件某些部位的制造精度的選擇，主要取決于 零件本身的工作條件以及與這些部位相連接的零 件的精度。通用的選擇標準： v 選擇精度時，應(yīng)考慮使用要求與經(jīng)濟要求。如 高速旋轉(zhuǎn)的主軸，為了保證工作的平穩(wěn)性，其制 造精度應(yīng)保證軸徑的跳動不大于0.02mm；另一方 面從經(jīng)濟性的觀點看，卻是精度越低越好。 v 根據(jù)統(tǒng)計資料可知， 在制造精度和制造成本 之間存在著如圖5-17的 關(guān)系。 v 由