機械結構設計20150420講述

1、機械結構設計一、機械結構設計的任務 機械結構設計的任務是在總體設計的基礎上， 根據(jù)所確定的原理 方案，確定并繪出具體的結構圖，以體現(xiàn)所要求的功能。是將抽象的 工作原理具體化為某類構件或零部件， 具體內容為在確定結構件的材 料、形狀、尺寸、公差、熱處理方式和表面狀況的同時，還須考慮其 加工工藝、強度、剛度、精度以及與其它零件相互之間關系等問題。 所以，結構設計的直接產(chǎn)物雖是技術圖紙， 但結構設計工作不是簡單 的機械制圖， 圖紙只是表達設計方案的語言， 綜合技術的具體化是結 構設計的基本內容。二、機械結構設計特點 機械結構設計的主要特點有：1、它是集思考、繪圖、計算（有時進行必要的實驗）于一體的設

2、計 過程，是機械設計中涉及的問題最多、最具體、工作量最大的工作階 段，在整個機械設計過程中，平均約 80% 的時間用于結構設計，對 機械設計的成敗起著舉足輕重的作用。2、機械結構設計問題的多解性，即滿足同一設計要求的機械結構并 不是唯一的。3、機械結構設計階段是一個很活躍的設計環(huán)節(jié)，常常需反復交叉的 進行。為此，在進行機械結構設計時，必須了解從機器的整體出發(fā)對 機械結構的基本要求三、機械結構件的結構要素和設計方法1、結構件的幾何要素機械結構的功能主要是靠機械零部件的幾何形狀及各個零部件 之間的相對位置關系實現(xiàn)的。零部件的幾何形狀由它的表面所構成， 一個零件通常有多個表面， 在這些表面中有的與其

3、它零部件表面直接 接觸，把這一部分表面稱為功能表面。 在功能表面之間的聯(lián)結部分稱 為聯(lián)接表面。零件的功能表面是決定機械功能的重要因素， 功能表面的設計是 零部件結構設計的核心問題。 描述功能表面的主要幾何參數(shù)有表面的 幾何形狀、尺寸大小、表面數(shù)量、位置、順序等。通過對功能表面的 變異設計，可以得到為實現(xiàn)同一技術功能的多種結構方案。2、結構件之間的聯(lián)接在機器或機械中， 任何零件都不是孤立存在的。 因此在結構設計 中除了研究零件本身的功能和其它特征外， 還必須研究零件之間的相 互關系。零件的相關分為直接相關和間接相關兩類。 凡兩零件有直接裝配 關系的，成為直接相關。沒有直接裝配關系的相關成為間接相

4、關。間 接相關又分為位置相關和運動相關兩類。 位置相關是指兩零件在相互 位置上有要求， 如減速器中兩相鄰的傳動軸， 其中心距必須保證一定 的精度，兩軸線必須平行， 以保證齒輪的正常嚙合。運動相關是指一 零件的運動軌跡與另一零件有關， 如車床刀架的運動軌跡必須平行于 于主軸的中心線， 這是靠床身導軌和主軸軸線相平行來保證的， 所以， 主軸與導軌之間位置相關；而刀架與主軸之間為運動相關多數(shù)零件都有兩個或更多的直接相關零件， 故每個零件大都具有兩 個或多個部位在結構上與其它零件有關。 在進行結構設計時， 兩零件 直接相關部位必須同時考慮， 以便合理地選擇材料的熱處理方式、 形 狀、尺寸、精度及表面質

5、量等。同時還必須考慮滿足間接相關條件， 如進行尺寸鏈和精度計算等。 一般來說，若某零件直接相關零件愈多， 其結構就愈復雜；零件的間接相關零件愈多，其精度要求愈高。3、結構設計據(jù)結構件的材料及熱處理不同應注意的問題機械設計中可以選擇的材料眾多， 不同的材料具有不同的性質， 不 同的材料對應不同的加工工藝， 結構設計中既要根據(jù)功能要求合理地 選擇適當?shù)牟牧希?又要根據(jù)材料的種類確定適當?shù)募庸すに嚕?并根據(jù) 加工工藝的要求確定適當?shù)慕Y構， 只有通過適當?shù)慕Y構設計才能使所 選擇的材料最充分的發(fā)揮優(yōu)勢。設計者要做到正確地選擇材料就必須充分地了解所選材料的力學 性能、加工性能、 使用成本等信息。結構設計中

6、應根據(jù)所選材料的特 性及其所對應的加工工藝而遵循不同的設計原則。對于需要熱處理加工的零件， 在進行結構設計時的要求有如下幾 點：（ 1）零件的幾何形狀應力求簡單、 對稱，理想的形狀為球形。（2） 具有不等截面的零件，其大小截面的變化必須平緩，避免突變。如果 相鄰部分的變化過大，大小截面冷卻不均，必然形成內應力。 （ 3）避 免銳邊尖角結構， 為了防止銳邊尖角處熔化或過熱， 一般在槽或孔的 邊緣上切出23 mm的倒角。（4）避免厚薄懸殊的截面，厚薄懸殊的截面在淬火冷卻時易變形，開裂的傾向較大。四、機械結構設計的基本要求1、機械產(chǎn)品應用于各行各業(yè)，結構設計的內容和要求也是千差萬 別，但都有相同的共

7、性部分。 下面就機械結構設計的三個不同層次來 說明對結構設計的要求。1）功能設計 滿足主要機械功能要求， 在技術上的具體化。 如工作原 理的實現(xiàn)、工作的可靠性、工藝、材料和裝配等方面。2）質量設計兼顧各種要求和限制，提高產(chǎn)品的質量和性能價格比， 它是現(xiàn)代工程設計的特征。具體為操作、美觀、成本、安全、環(huán)保等 眾多其它要求和限制。在現(xiàn)代設計中，質量設計相當重要，往往決定 產(chǎn)品的競爭力。那種只滿足主要技術功能要求的機械設計時代已經(jīng)過 去，統(tǒng)籌兼顧各種要求，提高產(chǎn)品的質量，是現(xiàn)代機械設計的關鍵所 在。與考慮工作原理相比， 兼顧各種要求似乎只是設計細節(jié)上的問題， 然而細節(jié)的總和是質量， 產(chǎn)品質量問題不僅

8、是工藝和材料的問題， 提 高質量應始于設計。3）優(yōu)化設計和創(chuàng)新設計 用結構設計變元等方法系統(tǒng)地構造優(yōu)化設計 空間，用創(chuàng)造性設計思維方法和其它科學方法進行優(yōu)選和創(chuàng)新。 對產(chǎn)品質量的提高永無止境， 市場的競爭日趨激烈， 需求向個性化方 向發(fā)展。因此，優(yōu)化設計和創(chuàng)新設計在現(xiàn)代機械設計中的作用越來越 重要，它們將是未來技術產(chǎn)品開發(fā)的競爭焦點。結構設計中得到一個可行的結構方案一般并不很難。 機械設計的 任務是在眾多的可行性方案中尋求較好的或是最好的方案。 結構優(yōu)化 設計的前提是要能構造出大量可供優(yōu)選的可能性方案， 即構造出大量 的優(yōu)化求解空間， 這也是結構設計最具創(chuàng)造性的地方。 結構優(yōu)化設計 目前基本仍

9、局限在用數(shù)理模型描述的那類問題上。 而更具有潛力、 更 有成效的結構優(yōu)化設計應建立在由工藝、材料、聯(lián)接方式、形狀、順 序、方位、數(shù)量、尺寸等結構設計變元所構成的結構設計解空間的基 礎上。2、機械結構基本設計準則 機械設計的最終結果是以一定的結構形式表現(xiàn)出來的， 按所設計 的結構進行加工、裝配，制造成最終的產(chǎn)品。所以，機械結構設計應 滿足作為產(chǎn)品的多方面要求，基本要求有功能、可靠性、工藝性、經(jīng) 濟性和外觀造型等方面的要求。此外，還應改善零件的受力，提高強 度、剛度、精度和壽命。因此，機械結構設計是一項綜合性的技術工 作。由于結構設計的錯誤或不合理，可能造成零部件不應有的失效， 使機器達不到設計精

10、度的要求， 給裝配和維修帶來極大的不方便。 機 械結構設計過程中應考慮如下的結構設計準則。1）實現(xiàn)預期功能的設計準則 : 產(chǎn)品的設計主要目的是為了實現(xiàn)預定的功能要求， 因此實現(xiàn)預期功能 的設計準則是結構設計首先考慮的問題。 要滿足功能要求， 必須做到 以下幾點。a 明確功能 : 結構設計是要根據(jù)其在機器中的功能和與其他零部件相 互的連接關系， 確定參數(shù)尺寸和結構形狀。 零部件主要的功能有承受 載荷、傳遞運動和動力， 以及保證或保持有關零件或部件之間的相對位置或運動軌跡等。 設計的結構應能滿足從機器整體考慮對它的功能 要求。b 功能合理的分配：產(chǎn)品設計時，根據(jù)具體情況，通常有必要將任務 進行合理

11、的分配， 即將一個功能分解為多個分功能。 每個分功能都要 有確定的結構承擔，各部分結構之間應具有合理、協(xié)調的聯(lián)系，以達 到總功能的實現(xiàn)。 多結構零件承擔同一功能可以減輕零件負擔， 延長 使用壽命。 V 型帶截面的結構是任務合理分配的一個例子。 纖維繩用 來承受拉力； 橡膠填充層承受帶彎曲時的拉伸和壓縮； 包布層與帶輪 輪槽作用，產(chǎn)生傳動所需的摩擦力。例如，若只靠螺栓預緊產(chǎn)生的摩 擦力來承受橫向載荷時，會使螺栓的尺寸過大，可增加抗剪元件，如 銷、套筒和鍵等，以分擔橫向載荷來解決這一問題。c 功能集中：為了簡化機械產(chǎn)品的結構，降低加工成本，便于安裝， 在某些情況下， 可由一個零件或部件承擔多個功能

12、。 功能集中會使零 件的形狀更加復雜，但要有度，否則反而影響加工工藝、增加加工成 本，設計時應根據(jù)具體情況而定。2）滿足強度要求的設計準則 :a 等強度準則 零件截面尺寸的變化應與其內應力變化相適應，使各截面的強度相 等。按等強度原理設計的結構，材料可以得到充分的利用，從而減輕 了重量、降低成本。如懸臂支架、階梯軸的設計等。b 合理力流結構 為了直觀地表示力在機械構件中怎樣傳遞的狀態(tài)， 將力看作猶如水在構件中流動， 這些力線匯成力流。 表示這個力的流動在結構設計考察 中起著重要的作用。力流在構件中不會中斷， 任何一條力線都不會突然消失， 必然是從 一處傳入，從另一處傳出。 力流的另一個特性是它

13、傾向于沿最短的路 線傳遞，從而在最短路線附近力流密集，形成高應力區(qū)。其它部位力 流稀疏，甚至沒有力流通過，從應力角度上講，材料未能充分利用。 因此，若為了提高構件的剛度， 應該盡可能按力流最短路線來設計零 件的形狀，減少承載區(qū)域， 從而累積變形越小，提高了整個構件的剛 度，使材料得到充分利用。c 減小應力集中結構當力流方向急劇轉折時， 力流在轉折處會過于密集， 從而引起應力 集中，設計中應在結構上采取措施，使力流轉向平緩。應力集中是影 響零件疲勞強度的重要因素。 結構設計時， 應盡量避免或減小應力集 中。其方法在相應的章節(jié)會作介紹，如增大過度圓角、采用卸載結構 等。d 使載荷平衡結構在機器工作

14、時， 常產(chǎn)生一些無用的力， 如慣性力、斜齒輪軸向力等， 這些力不但增加了軸和軸襯等零件的負荷， 降低其精度和壽命， 同時 也降低了機器的傳動效率。 所謂載荷平衡就是指采取結構措施部分或 全部平衡無用力， 以減輕或消除其不良的影響。 這些結構措施主要采 用平衡元件、對稱布置等。例如，同一軸上的兩個斜齒圓柱齒輪所產(chǎn)生的軸向力， 可通過合理選擇輪齒的旋向及螺旋角的大小使軸向力相互抵消，使軸承負載減 小。3）滿足剛度結構的設計準則 :為保證零件在使用期限內正常地實現(xiàn)其功能， 必須使其具有足夠 的剛度。4）考慮加工工藝的設計準則 :機械零部件結構設計的主要目的是： 保證功能的實現(xiàn)， 使產(chǎn)品達 到要求的性

15、能。 但是，結構設計的結果對產(chǎn)品零部件的生產(chǎn)成本及質 量有著不可低估的影響。 因此，在結構設計中應力求使產(chǎn)品有良好的 加工工藝性。所謂好的加工工藝指的是零部件的結構易于加工制造， 任何一種加工方法都有可能不能制造某些結構的零部件， 或生產(chǎn)成本 很高，或質量受到影響。因此，對于設計者認識一種加工方法的特點 非常重要，以便在設計結構時盡可能的揚長避短。實際中，零部件結 構工藝性受到諸多因素的制約， 如生產(chǎn)批量的大小會影響坯件的生成 方法；生產(chǎn)設備的條件可能會限制工件的尺寸；此外，造型、精度、 熱處理、成本等方面都有可能對零部件結構的工藝性有制約作用。 因 此，結構設計中應充分考慮上述因素對工藝性的

16、影響。5）考慮裝配的設計準則： 裝配是產(chǎn)品制造過程中的重要工序， 零部件的結構對裝配的質量、 成 本有直接的影響。有關裝配的結構設計準則簡述如下 a 合理劃分裝配單元整機應能分解成若干可單獨裝配的單元（部件或組件） ，以實現(xiàn)平 行且專業(yè)化的裝配作業(yè)， 縮短裝配周期， 并且便于逐級技術檢驗和維 修。b 使零部件得到正確安裝-保證零件準確的定位。-避免雙重配合。-防止裝配錯誤。c 使零部件便于裝配和拆卸 結構設計中，應保證有足夠的裝配空間，如扳手空間；避免過長配 合以免增加裝配難度，使配合面擦傷，如有些階梯軸的設計；為便于 拆卸零件，應給出安放拆卸工具的位置。d 考慮造型設計的準則6）考慮造型設計

17、的準則產(chǎn)品的設計不僅要滿足功能要求， 而且還應考慮產(chǎn)品造型的美學 價值，使之對人產(chǎn)生吸引力。從心理學角度看，人 60% 的決定取決 于第一印象。技術產(chǎn)品的社會屬性是商品，在買方市場的時代，為產(chǎn) 品設計一個能吸引顧客的外觀是一個重要的設計要求； 同時造型美觀 的產(chǎn)品可使操作者減少因精力疲憊而產(chǎn)生的誤操作。 外觀設計包括三個方面：造型、顏色和表面處理。 考慮造型時，應注意下述三個問題： a 尺寸比例協(xié)調在結構設計時， 應注意保持外形輪廓各部分尺寸之間均勻協(xié)調的比 例關系，應有意識地應用 黃金分割法 來確定尺寸，使產(chǎn)品造型更具美感 b 形狀簡單統(tǒng)一機械產(chǎn)品的外形通常由各種基本的幾何形體（長方體、圓柱

18、體、錐 體等）組合而成。結構設計時，應使這些形狀配合適當，基本形狀應 在視覺上平衡， 接近對稱又不完全對稱的外形易產(chǎn)生傾倒的感覺； 盡 量減少形狀和位置的變化，避免過分凌亂；改善加工工藝 c 色彩、圖案的支持和點綴在機械產(chǎn)品表面涂漆， 除具有防止腐蝕的功能外， 還可增強視覺效 果。恰當?shù)纳士墒共僮髡哐劬Φ钠诔潭冉档停?并能提高對設備顯 示信息的辨別能力。單色只使用于小構件。 大的特別是運動構件如果只用一種顏色就會 顯得單調無層次， 一個小小的附加色塊會使整個色調活躍起來。 在多 個顏色并存的情況下， 應有一個起主導作用的底色， 和底色相對應的 顏色叫對比色。但在一個產(chǎn)品上，不同色調的數(shù)量不

19、宜太多，太多的 色彩會給人一種華而不實的感覺。舒服的色彩大約位于從淺黃、綠黃到棕的區(qū)域。這個趨勢是漸暖， 正黃正綠往往顯得不舒服； 強烈的灰色調顯得壓抑。 對于冷環(huán)境應用 暖色，如黃、橙黃和紅。對于熱環(huán)境用冷色，如淺藍。所有顏色都應 淡化。另外，通過一定的色彩配置可使產(chǎn)品顯得安全、穩(wěn)固。將形狀 變化小的、面積較大的平面配置淺色，而將運動、活躍輪廓的元件配 置深色；深色應安置于機械的下部，淺色置于上部。 五、機械結構設計的工作步驟不同類型的機械結構設計中各種具體情況的差別很大， 沒有必要以 某種步驟按部就班的進行。通常是確定完成既定功能零部件的形狀、 尺寸和布局。結構設計過程是綜合分析、繪圖、計

20、算三者相結合的過 程，其過程大致如下：1. 理清主次、統(tǒng)籌兼顧：明確待設計結構件的主要任務和限制，將 實現(xiàn)其目的的功能分解成幾個功能。 然后從實現(xiàn)機器主要功能 （指機 器中對實現(xiàn)能量或物料轉換起關鍵作用的基本功能）的零部件入手， 通常先從實現(xiàn)功能的結構表面開始，考慮與其他相關零件的相互位 置、聯(lián)結關系， 逐漸同其它表面一起連接成一個零件，再將這個零件 與其它零件聯(lián)結成部件，最終組合成實現(xiàn)主要功能的機器。而后，再 確定次要的、補充或支持主要部件的部件，如：密封、潤滑及維護保 養(yǎng)等。2. 繪制草圖：在分析確定結構的同時，粗略估算結構件的主要尺寸 并按一定的比例，通過繪制草圖，初定零部件的結構。圖中應表示出 零部件的基本形狀，主要尺寸，運動構件的極限位置，空間限制，安 裝尺寸等。 同時結構設計中要充分注意標準件、 常用件和通用件的應 用，以減少設計與制造的工作量。3. 對初定的結構進行綜合分析，確定最后的結構方案：綜合過程是 指找出實現(xiàn)功能目的各種可供選擇的結構的所有工作。 分析過程則是