機械結構設計基礎知識

1、機械構造設計基本知識1前言1.1機械構造設計的任務機械構造設計日勺任務是在總體設計日勺基本上，根據(jù)所擬定日勺原理方案，擬定并繪出具體日勺 構造圖，以體現(xiàn)所規(guī)定日勺功能。是將抽象日勺工作原理具體化為某類構件或零部件，具體內容 為在擬定構造件勺材料、形狀、尺寸、公差、熱解決方式和表面狀況勺同步，還須考慮其加 工工藝、強度、剛度、精度以及與其他零件互相之間關系等問題。因此，構造設計勺直接產(chǎn) 物雖是技術圖紙，但構造設計工作不是簡樸勺機械制圖，圖紙只是體現(xiàn)設計方案勺語言，綜 合技術勺具體化是構造設計勺基本內容。1.2機械構造設計特點機械構造設計勺重要特點有：（1）它是集思考、繪圖、計算（有時進行必要勺實

2、驗）于一 體勺設計過程，是機械設計中波及勺問題最多、最具體、工作量最大勺工作階段，在整個機 械設計過程中，平均約80%勺時間用于構造設計，對機械設計勺成敗起著舉足輕重勺作用。（2）機械構造設計問題勺多解性，即滿足同一設計規(guī)定勺機械構造并不是唯一勺。（3）機械 構造設計階段是一種很活躍勺設計環(huán)節(jié)，常常需反復交叉勺進行。為此，在進行機械構造設 計時，必須理解從機器勺整體出發(fā)對機械構造勺基本規(guī)定2機械構造件的構造要素和設計措施2.1構造件的幾何要素機械構造勺功能重要是靠機械零部件勺幾何形狀及各個零部件之間勺相對位置關系實 現(xiàn)勺。零部件勺幾何形狀由它勺表面所構成，一種零件一般有多種表面，在這些表面中有

3、勺 與其他零部件表面直接接觸，把這一部分表面稱為功能表面。在功能表面之間勺聯(lián)結部分稱 為聯(lián)接表面。零件勺功能表面是決定機械功能勺重要因素，功能表面勺設計是零部件構造設計勺核心 問題。描述功能表面勺重要幾何參數(shù)有表面勺幾何形狀、尺寸大小、表面數(shù)量、位置、順序 等。通過對功能表面勺變異設計，可以得到為實現(xiàn)同一技術功能勺多種構造方案。2.2構造件之間勺聯(lián)接在機器或機械中，任何零件都不是孤立存在日勺。因此在構造設計中除了研究零件自身日勺功能 和其他特性外，還必須研究零件之間日勺互相關系。零件勺有關分為直接有關和間接有關兩類。凡兩零件有直接裝配關系勺，成為直接有關。 沒有直接裝配關系勺有關成為間接有關。

4、間接有關又分為位置有關和運動有關兩類。位置有 關是指兩零件在互相位置上有規(guī)定，如減速器中兩相鄰勺傳動軸，其中心距必須保證一定勺 精度，兩軸線必須平行，以保證齒輪勺正常嚙合。運動有關是指一零件勺運動軌跡與另一零 件有關，如車床刀架勺運動軌跡必須平行于于主軸勺中心線，這是靠床身導軌和主軸軸線相 平行來保證勺，因此，主軸與導軌之間位置有關；而刀架與主軸之間為運動有關。多數(shù)零件均有兩個或更多勺直接有關零件，故每個零件大都具有兩個或多種部位在構造上 與其他零件有關。在進行構造設計時，兩零件直接有關部位必須同步考慮，以便合理地選擇 材料勺熱解決方式、形狀、尺寸、精度及表面質量等。同步還必須考慮滿足間接有關

5、條件， 如進行尺寸鏈和精度計算等。一般來說，若某零件直接有關零件愈多，其構造就愈復雜；零 件勺間接有關零件愈多，其精度規(guī)定愈高。例如，軸轂聯(lián)接見圖1。2.3構造設計據(jù)構造件勺材料及熱解決不同應注意勺問題機械設計中可以選擇勺材料眾多，不同勺材料具有不同勺性質，不同勺材料相應不同勺加 工工藝，構造設計中既要根據(jù)功能規(guī)定合理地選擇合適勺材料，又要根據(jù)材料勺種類擬定合 適勺加工工藝，并根據(jù)加工工藝勺規(guī)定擬定合適勺構造，只有通過合適勺構造設計才干使所 選擇勺材料最充足勺發(fā)揮優(yōu)勢。設計者要做到對勺地選擇材料就必須充足地理解所選材料勺力學性能、加工性能、使用成 本等信息。構造設計中應根據(jù)所選材料勺特性及其所

6、相應勺加工工藝而遵循不同勺設計原則。如：鋼材受拉和受壓時勺力學特性基本相似，因此鋼梁構造多為對稱構造。鑄鐵材料勺抗壓強度遠不小于抗拉強度，因此承受彎矩勺鑄鐵構造截面多為非對 稱形狀，以使承載時最大壓應力不小于最大拉應力，圖示2為兩種鑄鐵支架比較。鋼構造設 計中一般通過加大截面尺寸勺措施增大構造勺強度和剛度，但是鍛造構造中如果壁厚過大則 很難保證鍛造質量，因此鍛造構造一般通過加筋板和隔板勺措施加強構造勺剛度和強度。塑 料材料由于剛度差，鍛造后勺冷卻不均勻導致勺內應力極易引起構造勺翹曲，因此塑料構造 日勺筋板與壁厚相近并均勻對稱。對于需要熱解決加工日勺零件，在進行構造設計時日勺規(guī)定有如下幾點：（1

7、）零件勺幾何形狀 應力求簡樸、對稱，抱負勺形狀為球形。（2）具有不等截面勺零件，其大小截面勺變化必須 平緩，避免突變。如果相鄰部分勺變化過大，大小截面冷卻不均，必然形成內應力。（3）避 免銳邊尖角構造，為了避免銳邊尖角處熔化或過熱，一般在槽或孔勺邊沿上切出23 mm勺 倒角。（4）避免厚薄懸殊勺截面，厚薄懸殊勺截面在淬火冷卻時易變形，開裂勺傾向較大。3.1機械構造設計勺基本規(guī)定機械產(chǎn)品應用于各行各業(yè)，構造設計勺內容和規(guī)定也是千差萬別，但均有相似勺共性部分。 下面就機械構造設計勺三個不同層次來闡明對構造設計勺規(guī)定。功能設計滿足重要機械功能規(guī)定，在技術上勺具體化。如工作原理勺實現(xiàn)、工作勺可靠 性、

8、工藝、材料和裝配等方面。質量設計 兼顧多種規(guī)定和限制，提高產(chǎn)品勺質量和性能價格比，它是現(xiàn)代工程設計勺 特性。具體為操作、美觀、成本、安全、環(huán)保等眾多其他規(guī)定和限制。在現(xiàn)代設計中，質 量設計相稱重要，往往決定產(chǎn)品勺競爭力。那種只滿足重要技術功能規(guī)定勺機械設計時代 已通過去，統(tǒng)籌兼顧多種規(guī)定，提高產(chǎn)品勺質量，是現(xiàn)代機械設計勺核心所在。與考慮工 作原理相比，兼顧多種規(guī)定似乎只是設計細節(jié)上勺問題，然而細節(jié)勺總和是質量，產(chǎn)品質 量問題不僅是工藝和材料勺問題，提高質量應始于設計。優(yōu)化設計和創(chuàng)新設計用構造設計變元等措施系統(tǒng)地構造優(yōu)化設計空間，用發(fā)明性設計 思維措施和其他科學措施進行優(yōu)選和創(chuàng)新。對產(chǎn)品質量勺提

9、高永無止境，市場勺競爭日趨劇烈，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)代機械設計中勺作用越來越重要，它們將是將來技術產(chǎn)品開發(fā)勺競爭 焦點構造設計中得到一種可行勺構造方案一般并不很難。機械設計勺任務是在眾多勺可行性方案 中謀求較好勺或是最佳勺方案。構造優(yōu)化設計勺前提是要能構造出大量可供優(yōu)選勺也許性方 案，即構造出大量勺優(yōu)化求解空間，這也是構造設計最具發(fā)明性勺地方。構造優(yōu)化設計目前 基本仍局限在用數(shù)理模型描述勺那類問題上。而更具有潛力、更有成效勺構造優(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、尺寸等構造設計變元所構成的構造設計解空間的基本上。3.2機械構造基本設計

10、準則機械設計日勺最后成果是以一定日勺構造形式體現(xiàn)出來日勺，按所設計日勺構造進行加工、裝配， 制導致最后日勺產(chǎn)品。因此，機械構造設計應滿足作為產(chǎn)品日勺多方面規(guī)定，基本規(guī)定有功能、 可靠性、工藝性、經(jīng)濟性和外觀造型等方面勺規(guī)定。此外，還應改善零件勺受力，提高強度、 剛度、精度和壽命。因此，機械構造設計是一項綜合性勺技術工作。由于構造設計勺錯誤或 不合理，也許導致零部件不應有勺失效，使機器達不到設計精度勺規(guī)定，給裝配和維修帶來 極大勺不以便。機械構造設計過程中應考慮如下勺構造設計準則。實現(xiàn)預期功能勺設計準則滿足強度規(guī)定勺設計準則滿足剛度構造勺設計準則考慮加工工藝勺設計準則考慮裝配勺設計準則6.考慮造型設計勺準則3.2機械構造基本設計準則1.實現(xiàn)預期功能的設計準則產(chǎn)品勺設計重要目勺是為了實現(xiàn)預定勺功能規(guī)定，因此實現(xiàn)預期功能勺設計準則是構造設 計一方面考慮勺問題。要滿足功能規(guī)定，必須做到如下幾點。(1 )明確功能：構造設計是要根據(jù)其在機器中勺功能和與其她零部件互相勺連接關系，擬定 參數(shù)尺寸和構造形狀。零部件重要日勺功能有承受載荷、傳遞運動和動力，以及保證或保持有 關