機(jī)械設(shè)計(jì)學(xué)第六章

第六章機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)）

§6-1零件的功能、相關(guān)與結(jié)構(gòu)要素§6-2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原則與原理§6-3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的強(qiáng)度與剛度問題§6-4結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的精度問題§6-5結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的工藝性問題§6-6材料的選擇第六章機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械結(jié)構(gòu)是機(jī)械功能的載體，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的任務(wù)是依據(jù)所確定的功能原理方案設(shè)計(jì)出實(shí)體結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)能體現(xiàn)出所要求的功能，用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖樣表示。結(jié)構(gòu)圖應(yīng)表示出結(jié)構(gòu)件的形狀、尺寸及所用的材料，同時還必須考慮加工工藝、強(qiáng)度、剛度、精度、壽命、可靠性及零件間的相互關(guān)系，有關(guān)造型設(shè)計(jì)及人機(jī)工程等問題也應(yīng)在這一階段解決。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括機(jī)器的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩方面內(nèi)容，它們之間既有聯(lián)系，又有區(qū)別，本章將著重討論零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的共性問題。如果說功能原理設(shè)計(jì)決定了產(chǎn)品的先進(jìn)性、新穎性，那么結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)則決定了產(chǎn)品的質(zhì)量和成本的70％~80％，因此說結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是機(jī)械設(shè)計(jì)中涉及問題最多，工作量最大的一個環(huán)節(jié)。本章將重點(diǎn)討論結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的共性問題。零件是構(gòu)成機(jī)械裝置的基本單元，機(jī)械裝置的功能通過零件間的相互作用實(shí)現(xiàn)。一、零件的功能機(jī)械零件的基本功能：承受載荷、傳遞運(yùn)動和動力、保證機(jī)械裝置實(shí)現(xiàn)正確的運(yùn)動規(guī)律和運(yùn)動軌跡。1．承受載荷正確分析零件受力的類型、大小、方向及其對零件工作正常的影響，是進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)和保證。§6-1零件的功能、相關(guān)與結(jié)構(gòu)要素2．傳遞運(yùn)動和動力執(zhí)行機(jī)構(gòu)以確定的運(yùn)動規(guī)律和運(yùn)動軌跡實(shí)現(xiàn)給定的功能。原動機(jī)的運(yùn)動特性通常與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的要求不匹配，需要傳動機(jī)構(gòu)對原動機(jī)提供的運(yùn)動和動力進(jìn)行變換。牛頭刨床：通過擺動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)將連續(xù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動變換成具有急回特性的直線往復(fù)運(yùn)動。擺桿3的作用是把運(yùn)動和動力傳給滑枕2，以便使刨刀1實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動并切下金屬。3.成形在工藝過程中，通過工作頭的形狀、運(yùn)動方式、作用場，完成對對象物的成形。如：切削機(jī)床上的刀具，沖壓機(jī)床的模具，鍛壓機(jī)床的鍛錘，耕地的犁等，都是起成形作用的工作頭。4.保持有關(guān)零部件之間的相對位置或運(yùn)動軌跡關(guān)系仍以車床為例：車床主軸箱和床身之間應(yīng)有嚴(yán)格的相對位置關(guān)系。即主軸中心線應(yīng)與床身上的導(dǎo)軌平行，保證沿導(dǎo)軌移動的刀架上所裝刀具的尖端走出與主軸軸線平行的軌跡，以車削出準(zhǔn)確的圓柱體。同時，還要求后座頂尖與主軸頂尖的連線與床身導(dǎo)軌平行。要求床身導(dǎo)軌本身要具有相應(yīng)的直線度，受熱、受力變形小等。

5.其它功能

起容器作用的零件（如油箱）可以容納物體（原料、燃料、廢棄物等），如箱體除了保證各傳動軸的相對位置及其中心距外，也起著包容和保護(hù)傳動件的作用，還可以盛裝潤滑油。起引導(dǎo)作用的零件結(jié)構(gòu)可以引導(dǎo)其它零件的運(yùn)動（如導(dǎo)軌、螺旋等），可以引導(dǎo)流體或松散物體的流動，可以引導(dǎo)場的分布，如：使光波或聲波發(fā)生反射或折射，影響電場或磁場的分布，引導(dǎo)熱量的流動等。有的結(jié)構(gòu)件還兼有或主要用作防護(hù)或裝飾作用，要求具有一定的外形及色彩。二、零件的相關(guān)1．定義：在機(jī)械裝置中，每個零件都不是獨(dú)立存在的，機(jī)械裝置的功能是依靠零部件的形狀、尺寸和相對位置關(guān)系實(shí)現(xiàn)的。在機(jī)械裝置中，必須使零部件之間保持確定的關(guān)系，才能保證其功能的實(shí)現(xiàn)，才能使零件組成機(jī)器。這種零件之間確定性的關(guān)系稱為零件之間的相關(guān)。2．分類直接相關(guān)：兩零件有直接裝配關(guān)系，零件間相對位置關(guān)系通過零件表面之間的直接接觸實(shí)現(xiàn)。間接相關(guān)：沒有直接裝配關(guān)系，零件間某些關(guān)系通過其它零件之間的一系列直接相關(guān)關(guān)系的組合實(shí)現(xiàn)。

間接相關(guān)又分為兩大類：1）位置相關(guān)：兩零件在相互位置上有要求2）運(yùn)動相關(guān)：一零件的運(yùn)動軌跡與另一零件有關(guān)

主軸與導(dǎo)軌之間為位置相關(guān)，刀架與主軸之間為運(yùn)動相關(guān)；要滿足運(yùn)動相關(guān)條件，一般需要一個或幾個位置相關(guān)的中間件來達(dá)到，上例中的床身導(dǎo)軌就是這樣的中間件。右圖表示減速器中主要零件之間的相關(guān)關(guān)系。實(shí)線連接表示兩個零件之間的直接相關(guān)關(guān)系。虛線連接表示兩個零件之間的間接相關(guān)關(guān)系。三、零件的結(jié)構(gòu)要素1．定義：零件的形體通常由多個表面構(gòu)成，這些構(gòu)成零件形體的表面稱為零件的結(jié)構(gòu)要素2．分類工作要素（工作表面）：一個零件與其他零件形成直接相關(guān)關(guān)系的結(jié)構(gòu)要素，或與工作介質(zhì)相接觸的結(jié)構(gòu)要素連接要素（連接表面）：其他結(jié)構(gòu)要素3．設(shè)計(jì)方法：在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，通常先確定工作部分，后確定連接部分。1）進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，工作表面（直接相關(guān)部位）必須同時考慮：零件的工作表面決定零件的工作能力和工作質(zhì)量，零件工作表面的設(shè)計(jì)是零件設(shè)計(jì)的核心問題。由于每個零件的工作表面都不是孤立存在的，每個工作表面和與之相接觸的表面相互配合，共同起作用，所以，零件的工作表面都是成對進(jìn)行設(shè)計(jì)的，設(shè)計(jì)中共同考慮材料的選擇搭配，工作表面的形狀、尺寸，配合公差精度的分配，表面質(zhì)量、熱處理方式的選擇等。常用零件工作表面的設(shè)計(jì)計(jì)算方法有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)（有些是國標(biāo)），其算法嚴(yán)格、統(tǒng)一、規(guī)范。2）連接表面：將各個工作表面連接成為完整形體，并保證零件的工作表面的形狀、尺寸、位置在工作中不被破壞。連接表面設(shè)計(jì)方法比較靈活，但應(yīng)遵守以下原則：

不影響工作表面的功能；不影響零件運(yùn)動；不影響操作；在不違背以上原則的前提下，盡可能兼顧強(qiáng)度、剛度、壽命、工藝性、經(jīng)濟(jì)性、美觀等要素。3）考慮滿足間接相關(guān)條件；直接相關(guān)越多，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜；間接相關(guān)越多，要求的精度越高。第二節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原則與原理一、結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)的基本原則確定和選擇結(jié)構(gòu)方案時應(yīng)遵循三項(xiàng)基本原則：

明確、簡單、安全可靠。1．明確所謂明確是指對產(chǎn)品設(shè)計(jì)中所應(yīng)考慮的問題都應(yīng)在結(jié)構(gòu)方案中獲得明確的體現(xiàn)與分擔(dān)。

(1)功能明確所選擇結(jié)構(gòu)要達(dá)到預(yù)期的功能，要求設(shè)計(jì)任務(wù)規(guī)定的每個分功能都必須有具體的結(jié)構(gòu)要素來承擔(dān)，同時每個結(jié)構(gòu)要素要對應(yīng)于某一項(xiàng)或多項(xiàng)功能要求。各部分結(jié)構(gòu)之間有合理的聯(lián)系，避免冗余結(jié)構(gòu)要素，盡量減少靜不定結(jié)構(gòu)。

在圖6-2(a)中，傳遞轉(zhuǎn)矩是鍵還是圓錐面，零件的軸向定位是軸的臺階面還是圓錐面，兩者均不明確。這是一種功能不明確的結(jié)構(gòu)。圖6-2(b)兩種功能都是由圓錐面承擔(dān)，是一種好結(jié)構(gòu)

(2)原理明確所選結(jié)構(gòu)的物理作用明確，從而可靠地實(shí)現(xiàn)能量流(力流)、物料流和信息流的轉(zhuǎn)換或傳導(dǎo)。同時，由于實(shí)際使用的機(jī)械裝置在工作中必然同時進(jìn)行著多種物理過程，如：受力引起變形和磨損，受熱引起形狀、尺寸、位置變化等，以及電、磁、光、化學(xué)等過程。設(shè)計(jì)時要充分考慮這些自然過程的進(jìn)行對機(jī)械裝置工作過程以及對環(huán)境的影響，對可能影響主要功能實(shí)現(xiàn)的自然現(xiàn)象要采取必要的應(yīng)對措施。（3)工作狀態(tài)明確在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，零件的材料選擇及工作能力分析均根據(jù)對結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)分析進(jìn)行。設(shè)計(jì)中應(yīng)避免出現(xiàn)可能造成某些要素的工作狀態(tài)不明確的結(jié)構(gòu)。

圖6—3為組合軸承設(shè)計(jì)的兩種方案。圖6—3(a)設(shè)計(jì)者原意是滾針軸承承擔(dān)徑向力，球軸承承受軸向力。圖6—3(b)徑向力和軸向力承受者都很清楚。

2．簡單結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，在完成功能要求的條件下，優(yōu)先選用結(jié)構(gòu)較簡單的方案。結(jié)構(gòu)簡單體現(xiàn)為：整機(jī)、部件和零件的結(jié)構(gòu)中，包含的零部件數(shù)量較少，專用零部件數(shù)量較少，零部件的種類較少，零部件的形狀簡單，被加工面數(shù)量較少，所需加工工序較少，結(jié)構(gòu)的裝配關(guān)系較簡單。零部件數(shù)量少，實(shí)質(zhì)是縮短加工、組裝和生產(chǎn)準(zhǔn)備周期，降低生產(chǎn)成本。在設(shè)計(jì)中常采用一個零件擔(dān)任幾種功能的辦法，達(dá)到減少零件數(shù)量的目的。如圖6-5吊車軌道，除作導(dǎo)軌用外，還兼作水、空壓、油壓管道的作用，是多功能結(jié)構(gòu)件。3．安全可靠1）機(jī)械裝置的工作安全可靠包括3個方面內(nèi)容：設(shè)計(jì)要求的功能要可靠地實(shí)現(xiàn)。在工作中，特別是在出現(xiàn)故障的情況下，保證操作機(jī)器的人員的安全，保證人身安全和身心健康。在工作中，特別是在出現(xiàn)故障的情況下，保證機(jī)器設(shè)備本身及相關(guān)設(shè)備的安全。包括在規(guī)定的載荷和規(guī)定時間內(nèi)，零件不發(fā)生斷裂、過度變形、過度磨損，不喪失穩(wěn)定性等。另外，還應(yīng)該保證環(huán)境安全，即對技術(shù)系統(tǒng)的周圍環(huán)境和周圍的人不造成危害和污染；同時也要保證機(jī)器對環(huán)境的適應(yīng)性，如挖掘機(jī)對沼澤地工作的適應(yīng)。2）安全技術(shù)法在設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)安全可靠通常采取以下3類方法：(1)直接安全技術(shù)法：通過在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中充分滿足安全可靠要求，保證裝置在工作使用中不出現(xiàn)危險，滿足安全性要求的設(shè)計(jì)技術(shù)，稱為直接安全技術(shù)，稱為固有安全性。這種方法應(yīng)保證機(jī)械裝置具有足夠的工作能力，不但保證靜強(qiáng)度，而且應(yīng)保證疲勞強(qiáng)度和壽命，保證結(jié)構(gòu)在發(fā)生磨損、受力、受熱變形情況下不失效。當(dāng)裝置發(fā)生過載時應(yīng)實(shí)現(xiàn)自我保護(hù)，使零部件不發(fā)生損壞，過載工況解除后系統(tǒng)可自行恢復(fù)正常工作狀態(tài)。

直接安全技術(shù)法還應(yīng)避免由于錯誤操作而引起的事故，當(dāng)操作者發(fā)生錯誤操作時，控制裝置能自動關(guān)閉設(shè)備或使設(shè)備無法起動。優(yōu)點(diǎn)：安全可靠缺點(diǎn)：在很多情況下不經(jīng)濟(jì)；在某些情況下由于技術(shù)條件限制而無法應(yīng)用。

(2)間接安全技術(shù)法通過防護(hù)系統(tǒng)和保護(hù)裝置來實(shí)現(xiàn)技術(shù)系統(tǒng)的安全可靠。使得當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時，所造成的損失較小，系統(tǒng)的工作狀態(tài)較容易恢復(fù)。其類型是多種多樣的?？梢栽趥鲃渔溨性O(shè)置安全保護(hù)裝置，使得當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生過載時，安全保護(hù)裝置中的某些結(jié)構(gòu)損壞，使傳動鏈中斷，保護(hù)傳動鏈中的其他零件特別是重要零件不受破壞。使得零件損壞造成的影響范圍盡量小。例如：采用安全銷、安全閥和易損件等。液壓回路中的安全閥、電路系統(tǒng)中的保險絲等，都是當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)危險或超負(fù)荷時，自行脫離危險狀態(tài)。對于可能松脫的零件加以限位，使其不致脫落造成機(jī)器事故。如圖6—7(a)表示螺釘松脫后落入機(jī)器內(nèi)，不能工作。圖6—7(b)表示螺釘松脫時，受到限位—不致掉入系統(tǒng)中。也可以在裝置中設(shè)置冗余工作系統(tǒng)當(dāng)技術(shù)系統(tǒng)發(fā)生故障或失效對會造成人身安全或重大設(shè)備事故，為了提高可靠性，常采用重復(fù)的備用系統(tǒng)，使得當(dāng)某些零件因損壞不能完成預(yù)定功能時，冗余工作系統(tǒng)投入工作，代替原系統(tǒng)功能。這種方法適用于對系統(tǒng)可靠性要求較高，系統(tǒng)功能不允許中斷的情況。但增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本。如：飛機(jī)發(fā)動機(jī)的雙驅(qū)動、三驅(qū)動和副油箱；壓力容器中兩個安全閥；為確保煤礦井下絕對安全，對排水的水泵系統(tǒng)采用兩套或三套配置(一套運(yùn)轉(zhuǎn)，一套維修，一套備用)。(3)提示性安全技術(shù)法當(dāng)由于技術(shù)或經(jīng)濟(jì)原因，既不能直接保證安全可靠，又沒有保護(hù)或防護(hù)措施時，可采用提示性安全技術(shù)。在事故出現(xiàn)以前發(fā)出報警和信號等，采用文字、圖像、燈光、聲音等措施（如指示燈、警鈴等）提醒人們注意，使其排除故障或避險。提示信息應(yīng)準(zhǔn)確、及時，并盡可能全面。二、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原理在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中常應(yīng)用下述各項(xiàng)原理：

1.等強(qiáng)原理等強(qiáng)原理是指設(shè)計(jì)者確定的結(jié)構(gòu)參數(shù)應(yīng)使結(jié)構(gòu)的各部分具有相同或相似的承載能力。在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，提高結(jié)構(gòu)的承載能力通常會增加成本。而機(jī)械裝置整體的承載能力取決于承載能力最低的結(jié)構(gòu)要素。等強(qiáng)原理在承載能力相等的前提下使總成本最低。根據(jù)等強(qiáng)原理，當(dāng)結(jié)構(gòu)中某個結(jié)構(gòu)要素的承載能力低于其他結(jié)構(gòu)要素時，通過提高這個薄弱的結(jié)構(gòu)要素的承載能力，以提高整個結(jié)構(gòu)的承載能力是最經(jīng)濟(jì)的辦法。對于同一個零件來說，各處應(yīng)力相等，各處壽命相等，叫等強(qiáng)度。零件截面尺寸的變化應(yīng)與其內(nèi)應(yīng)力變化相適應(yīng)，使各截面的強(qiáng)度相等?？赏ㄟ^結(jié)構(gòu)措施來降低高應(yīng)力區(qū)的應(yīng)力或提高低應(yīng)力區(qū)的應(yīng)力。按等強(qiáng)度原理設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，材料可以得到充分的利用，從而減輕了重量、降低成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。如懸臂支架、階梯軸的設(shè)計(jì)等。如a)圖的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不等，而且強(qiáng)度差，b)圖的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不等，c)圖適用于鑄鐵的等強(qiáng)度結(jié)構(gòu)，d)圖適用于鋼的等強(qiáng)度結(jié)構(gòu)。圖6-9所示為增加約束變形附件以降低高應(yīng)力區(qū)應(yīng)力的兩個實(shí)例。圖中構(gòu)件1為承受載荷的主體構(gòu)件，當(dāng)在結(jié)構(gòu)中增加一個約束變形的輔助構(gòu)件2時，就使構(gòu)件1左半部的應(yīng)力顯著減小，兩部分應(yīng)力趨于均勻。1）力在其傳遞路線上形成所謂力線，這些力線匯成力流。力在構(gòu)件中的傳遞軌跡就像電場中的電力線、磁場中的磁力線、水流中的流線一樣，按力流路線傳遞。2）力流密集程度反映力的大小。力線和力流方向用箭頭表示。力線和力流在連續(xù)物體中傳遞，數(shù)量不變，且連續(xù)不斷。任何一條力線都不會自動消失，必然是從一處傳入，從另一處傳出。力流是封閉的。2．合理力流原理3）力流路線直接、最短原則力流傾向于沿最短路線通過，力流密集處形成高應(yīng)力區(qū)。其余部分沒有力流通過，從應(yīng)力的角度講，材料未必充分利用。力流路線直接、最短原則可以使零件尺寸縮小、節(jié)省材料，變形小，剛度好。固6-11a的力流路線最短，結(jié)構(gòu)尺寸最?。籦的力流路線比圖a的長，故尺寸大。4)力流轉(zhuǎn)向平緩原則當(dāng)結(jié)構(gòu)斷面發(fā)生突然變化，引起力流方向的急劇轉(zhuǎn)折改變，力流在轉(zhuǎn)折處會過于密集,使得力流密度增加，從而引起應(yīng)力集中，應(yīng)力集中是造成零件破壞的一個重要因素。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，應(yīng)采取措施，使力流方向變化平緩，減小應(yīng)力集中。解決方法:(1)將幾何形狀突變處放在低應(yīng)力區(qū)(2)加工孔和槽改善力流(3)增大過渡圓角半徑舉例:軸類零件設(shè)計(jì)在軸類零件的軸肩、鍵槽、端螺紋、卸載槽(孔)等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，就應(yīng)該采取緩解應(yīng)力集中的措施在軸類零件的設(shè)計(jì)中，由于直徑的改變而造成截面尺寸的改變，根據(jù)力流原理在零件輪廓突變的部位就會使力流方向急劇轉(zhuǎn)折，力流高度密集，引起應(yīng)力集中，所以在設(shè)計(jì)軸上軸肩、鍵槽、軸端螺紋等結(jié)構(gòu)時，就應(yīng)該盡可能采取一些措施，使力流曲線的變化梯度盡可能小。在軸肩設(shè)計(jì)中，盡量采用過渡圓角、溝槽或卸載槽等結(jié)構(gòu)措施來改變力流的局部分布，以降低應(yīng)力集中。(C)圖的結(jié)構(gòu)能得到較好的力流；(b)圖的力流分布一般；而(a)圖力流分布較差。鍵槽設(shè)計(jì)對于軸上的鍵槽設(shè)計(jì)，可以在鍵槽兩側(cè)各鉆一卸載孔，使力流曲線變的平滑，見圖6。以緩解軸的應(yīng)力集中程度，提高軸的耐疲勞強(qiáng)度。圖6鍵槽力流分布螺紋根部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對于軸端螺紋的根部結(jié)構(gòu)，也可以根據(jù)力流變化傳遞的特點(diǎn)予以考慮，見圖7。圖7軸端螺紋圖6-13所示為輪轂聯(lián)結(jié)：圖a)力流方向變化急劇，A處應(yīng)力集中;圖b)力流方向變化較平緩，應(yīng)力集中小。總結(jié):1、直線力流可以避免產(chǎn)生彎曲應(yīng)力2、加長力流路線可使剛度下降，變形增加3、力流轉(zhuǎn)向時變化平緩，可減少應(yīng)力集中，使應(yīng)力分布趨向均勻。所謂變形協(xié)調(diào)，就是使相聯(lián)接的兩零件在外載荷的作用下所產(chǎn)生的變形方向相同，并且使其相對變形量盡可能小。圖6-12為兩焊接板的變形及應(yīng)力分布。圖a)為一板受拉．另一板受壓，兩零件在接縫的上端應(yīng)力集中很大，相對變形大，變形不協(xié)調(diào)，應(yīng)力分布不均勻；圖b)為兩板受拉，相對變形小，符合變形協(xié)調(diào)原理，應(yīng)力分布均勻。3、變形協(xié)調(diào)原理4、力平衡原理在機(jī)器工作時，常產(chǎn)生一些無用的力。如離心慣性力、變速慣性力、斜齒輪的軸向力等，這些力不但增加了軸和軸承等零件的負(fù)荷，降低其精度和壽命，同時也降低了機(jī)器的傳動效率。所謂力平衡：就是指采取結(jié)構(gòu)措施，部分或全部平衡掉無用的力，以減輕或消除其不良影響。這些結(jié)構(gòu)措施主要有采用平衡元件、采取對稱布置等。力平衡原理注意幾點(diǎn)：1）無功力：機(jī)械工作時的無用力2）措施：部分或全部平衡掉無功力結(jié)構(gòu)上：采用平衡元件

對稱布置等如圖6-30所示為通過人為增加一個偏心來平衡另一個偏心產(chǎn)生的離心力。圖5-20行星輪采用對稱布置，齒輪嚙合產(chǎn)生的徑向力被抵消。5、任務(wù)分配原理功能與載體間的關(guān)系---分配有三種可能：1）一載體承擔(dān)多種功能：功能集中于一載體，可簡化結(jié)構(gòu)、降低成本；2）一載體承擔(dān)一種功能：功能與載體一一對應(yīng)，便于做到“明確”、“可靠”，便于實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化及準(zhǔn)確計(jì)算；3）多載體共同承擔(dān)一種功能：多載體承擔(dān)同一功能可以減輕零件負(fù)載，延長使用壽命。設(shè)計(jì)時應(yīng)根據(jù)具體情況進(jìn)行任務(wù)分配。例如．將只靠螺栓預(yù)緊產(chǎn)生的摩擦力來傳遞橫向載荷時，會使螺栓尺寸過大，可通過增加抗剪元件，如銷、套筒和端面鍵等，以分擔(dān)橫向載荷來解決這一問題。在同一零件中，可在不同位置采用不同的材料，分別承擔(dān)不同的功能同一零件采用同一材料，可以在不同部位采用不同的熱處理以承擔(dān)不同的功能圖5—2l是三種不同的密封和定位結(jié)構(gòu)，a圖軸承的密封和定位用同一個結(jié)構(gòu)1來完成，需用圓鋼車成，其制造費(fèi)用高；b圖的密封和定位分別由1擋圈和2軸套承擔(dān)。2可用管料車成，節(jié)約材料．減少加工時間；c圖中密封件1為沖壓件，用無屑加工代替有屑加工，確保了密封，大大節(jié)約工時和材料。6、自補(bǔ)償原理（自助原理）1）自補(bǔ)償（自助）：在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，通過正確地選擇零件結(jié)構(gòu)形式及零件之間在系統(tǒng)中的連接配置關(guān)系，可以使零件及其結(jié)構(gòu)要素之間形成相互支持的作用或關(guān)系，自行實(shí)現(xiàn)加強(qiáng)功能，稱為自補(bǔ)償（自助）。自補(bǔ)償在正常情況(額定載荷)下有加強(qiáng)功能、減載和平衡的含義，而在緊急情況(超載)下有自保護(hù)和救援的含義。2）總效應(yīng)=初始效應(yīng)+輔助效應(yīng)3）常見的自補(bǔ)償原理應(yīng)用形式：自增強(qiáng)、自平衡和自保護(hù)（1）自增強(qiáng)裝置在初始狀態(tài)下具備某種功能，在工作狀態(tài)下這種功能會有改變，如果在工作狀態(tài)下有用的功能得到強(qiáng)化稱為自增強(qiáng)；或者說，當(dāng)輔助效應(yīng)與初始效應(yīng)的作用方向相同時，使得總效應(yīng)加強(qiáng)，就是所謂自增強(qiáng)。在正常工作狀態(tài)下輔助效應(yīng)與初始效應(yīng)的作用方向相同，總效應(yīng)為兩者之和。如圖6-12高壓容器檢查孔蓋的設(shè)計(jì)。圖(a)擰緊螺桿，使端蓋2緊貼在密封件3上，形成初始效應(yīng)。工作時間，內(nèi)部高壓P作用在端蓋2上，加強(qiáng)密封效果，產(chǎn)生輔助效應(yīng)?？傂?yīng)是兩者疊加．使密封自增強(qiáng)。圖(b)是自損結(jié)構(gòu)。效應(yīng)相互抵消，密封效果不好。工作時，工件1受到一個F2力，該力使工件與偏心輪之間產(chǎn)生一個使偏心輪順時針轉(zhuǎn)動的趨勢，該趨勢與Fl力的作用同向。故增大了夾緊力F的作用，且該作用隨著F2的增大而增大。圖6—13自增強(qiáng)作用的密封裝置，壓力P使帶錐面圓盤l更緊密地壓在密封2上，這就是利用主參數(shù)壓力P產(chǎn)生了增強(qiáng)密封的輔助作用。（2）自平衡自平衡通常是使正常載荷下的輔助效應(yīng)同初始效應(yīng)相反并達(dá)到平衡或部分平衡狀態(tài)，以克服不利影響。如圖6-15所示。當(dāng)豎軸1的轉(zhuǎn)速升高而超過要求的轉(zhuǎn)速時，重錘2會自動抬起，帶動滑套3和杠桿系統(tǒng)4使閥門5轉(zhuǎn)動以減少蒸汽通過量。從而降低蒸汽機(jī)的轉(zhuǎn)速以恢復(fù)到正常值。若杠桿4聯(lián)結(jié)其它機(jī)構(gòu)，通過不同原理可調(diào)節(jié)其它機(jī)械的轉(zhuǎn)速。圖6—14齒泵徑向力平衡。圖(a)為齒輪泵徑向力未平衡狀況，Pl與P1’為液壓力，P2與P2’為齒輪嚙合力，P和P’為主動齒輪軸承和被動齒輪軸承所承受的徑向力。由圖可知，P和P’加快了軸承的磨損。圖(b)是徑向力得到平衡，在泵殼或側(cè)板上開有徑向力平衡槽．將高壓油引到低壓區(qū)，把低壓油引到高壓區(qū)，（3）自保護(hù)超載時，特別是超載有可能反復(fù)出現(xiàn)時，采取自動防止破壞的措施同采取保護(hù)性破壞或采用特殊的防護(hù)裝置相比更為合理。有時，采取一定的結(jié)構(gòu)措施就可實(shí)現(xiàn)自動保護(hù)。例如：摩擦離合器中的摩擦片，由于超載而打滑．使得離合器輸入和輸出端脫開，停止運(yùn)動。高壓鍋當(dāng)壓力超過時，易熔塞失效，內(nèi)部壓力減小，保護(hù)高壓鍋不受損。自動保護(hù)裝置7、穩(wěn)定性原理所謂的系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定是指當(dāng)出現(xiàn)干擾，使系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生改變的同時，會產(chǎn)生一種與干擾作用相反的、使系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定的效應(yīng)。

對于熱膨脹變形而產(chǎn)生的干擾，需要在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采取措施，使之消除。如圖6—26(a)結(jié)構(gòu)，由于軸發(fā)熱伸長，使軸承內(nèi)部的游隙縮小甚至卡死，造成工作不穩(wěn)定；圖(b)則不會。

8、降低噪聲原理根據(jù)我國“工業(yè)企業(yè)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)”的規(guī)定，生產(chǎn)車間和作業(yè)場地噪聲不得超過85dB(90dB)，機(jī)床噪聲應(yīng)小于75~85dB，小型電機(jī)為50~80dB，汽油發(fā)動機(jī)為80dB，家用電器如電冰箱應(yīng)控制噪聲小于45dB，而洗衣機(jī)噪聲則應(yīng)小于65dB。本節(jié)討論如何在較少材料消耗的前提下獲得較高的強(qiáng)度和剛度的問題。一、提高靜強(qiáng)度的設(shè)計(jì)方法-通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)降低應(yīng)力減少變形1．確定合理的截面形狀傳動軸一般采用圓形截面。小直徑：實(shí)心軸便于制造；大直徑：常做成空心軸。§6-3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的強(qiáng)度和剛度問題

空心軸的強(qiáng)度高于實(shí)心軸，同時空心軸的截面慣性矩和極慣性矩都顯著增大，抗彎和抗扭剛度也大為提高。當(dāng)要求一定的材料消耗時，選擇合理的截面形狀可以顯著提高構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度；當(dāng)要求一定的強(qiáng)度和剛度時，合理的選擇截面形狀可以大大的節(jié)省材料、減輕重量。改變截面形狀降低截面上各點(diǎn)的應(yīng)力，可以提高零件本身抗破壞和抗變形的能力，但不能改變其所受彎矩的大小。直徑D、質(zhì)量m和軸的強(qiáng)度W、強(qiáng)度比W/m、剛度I、撓度f、滾動軸承壽命h的關(guān)系1）在截面積相等的情況下，受彎梁的截面在受力方向上尺寸愈大愈好．如3號的剛度是l號的25倍；2）質(zhì)量愈向彎曲中性面兩側(cè)分散(即質(zhì)量向受力方向上的上、下兩面集中)愈好，如5號的強(qiáng)度、剛度比3號又有大幅度提高。2.載荷分流載荷分流就是將一個較大的或復(fù)合的載荷分流到不同零件或同一零件的不同部位上，從而達(dá)到降低應(yīng)力、減小變形的效果。特別適于強(qiáng)度和剛度較弱的零件。如：采用多根v帶、某些機(jī)床主軸采用并列的兩個或多個相同的軸承等。如CW6163型臥式車床采用了載荷分流的方法，即用一個徑向軸承和兩個推力軸承分別承受徑向力和兩個方向相反的軸向力。圖6—24所示為某車床變速箱輸入軸帶輪卸荷結(jié)構(gòu)。這是一個將不同類型的載荷進(jìn)行分流的例子。該軸直徑較小且為懸伸軸，故剛度低。采用卸荷結(jié)構(gòu)后，將膠帶的壓軸力通過軸承及軸承座5分流給箱體4，而帶輪3的轉(zhuǎn)矩則通過端蓋2的花鍵孔傳給軸1，故軸1只承受轉(zhuǎn)矩而不承受徑向力．減少了彎曲變形。3．載荷均布載荷均布是指將分布不均的載荷變成近似均布的載荷以降低構(gòu)件的最大應(yīng)力。圖示的非對稱布置的減速器中，在力的作用下，由于軸的彎曲使齒輪傾斜，從而導(dǎo)致輪齒沿齒寬方向載荷分布不均，對于重型減速器或齒輪箱尤為突出。若采用b圖的對稱布置形式，則可基本上克服上述缺點(diǎn)。漸開線齒輪若沿齒寬方向齒厚相同。則嚙合齒沿接觸線長度方向上的載荷會較多地集中在兩端，圖6—26a所示。若將輪齒截面修整成鼓形，使端部齒厚較中間部分小25~35um，則齒輪工作時靠齒面彈性變形而使載荷分布趨于均勻，如圖6—26b所示。當(dāng)螺栓受拉和螺母受壓時，由于螺栓和螺母在旋合段內(nèi)所受軸向力的不同，導(dǎo)致旋合各圈螺紋牙載荷相差很大。圖6-27所示：第1圈牙受力可為第7圈的十幾倍，這對于重載荷或重要部位的螺母是很嚴(yán)重的問題。圖6-28所示為均化螺紋牙載荷的三種螺母結(jié)構(gòu)形式。由圖可見，各結(jié)構(gòu)都在不同程度上減小了牙上的最大載荷，使載荷趨于均勻。4.改善軸系支撐結(jié)構(gòu)---合理確定軸向尺寸軸系結(jié)構(gòu)的形式是影響軸及軸上零件承載能力的重要因素。通過合理地確定零件軸向尺寸．可以減少彎矩，從而更為有效地提高強(qiáng)度和剛度。這里所謂軸向尺寸，主要指梁或軸的支承跨距和懸伸長度。例如對于懸臂支撐的軸系結(jié)構(gòu)，設(shè)法通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)縮短懸臂長度，可以有效降低軸和軸承的載荷。5．合理利用材料特性材料的抗彎、抗拉和抗壓特性差別較大，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時應(yīng)充分利用這一特點(diǎn)，盡量揚(yáng)長避短。例如：材料為鋼時．應(yīng)盡量用拉、壓代替受彎；材料為鑄鐵時，則考慮用受壓代替受拉或受彎。圖6—22所示為材料為鋼時用三角桁架代替簡支梁；圖6—23所示為結(jié)構(gòu)和大小完全相同，僅安裝方法不同的兩個鑄鐵托架。顯然圖6—23b方案合理。6．合理強(qiáng)化預(yù)加載荷：預(yù)加載荷是構(gòu)件在制造或裝配時就被施加一定的載荷使其產(chǎn)生相應(yīng)的塑性變形或彈性變形，從而減小工作應(yīng)力或工作載荷引起的再變形。減小應(yīng)力為目的-強(qiáng)化（彈性、塑性）；提高剛度、減小再變形為目的-預(yù)緊。結(jié)構(gòu)強(qiáng)化：在結(jié)構(gòu)承受工作載荷之前，對其施加與工作載荷相反方向的載荷，使得結(jié)構(gòu)由于預(yù)加載荷產(chǎn)生的應(yīng)力與工作載荷產(chǎn)生的應(yīng)力可以部分抵消，使結(jié)構(gòu)的最高應(yīng)力水平下降，具有承受較大工作載荷的能力。這種以減小應(yīng)力為目的，通過預(yù)加載荷的方式提高結(jié)構(gòu)承載能力的方法稱為結(jié)構(gòu)強(qiáng)化。結(jié)構(gòu)強(qiáng)化分彈性強(qiáng)化和塑性強(qiáng)化兩類。1）彈性強(qiáng)化：預(yù)加載荷只使材料發(fā)生彈性變形的結(jié)構(gòu)強(qiáng)化。使構(gòu)件在受工作載荷之前預(yù)受一個與工作載荷相反的載荷，產(chǎn)生一個相應(yīng)的預(yù)變形，以及一個與工作應(yīng)力相反的預(yù)應(yīng)力，工作時該預(yù)加載荷部分的抵消工作載荷，預(yù)變形部分的抵消工作變形，從而降低了構(gòu)件的最大應(yīng)力。如：加厚壁筒內(nèi)部承受壓力時，愈靠近內(nèi)部應(yīng)力愈高，可改為兩個較薄的厚壁筒通過盈配合套裝存一起，使內(nèi)筒和外筒分別產(chǎn)生一定的預(yù)壓應(yīng)力和預(yù)拉應(yīng)力。減小工作時內(nèi)筒的應(yīng)力。實(shí)際上，也可看成是一種應(yīng)力均化的措施。即此時通過外筒的應(yīng)力增大而減小內(nèi)筒的應(yīng)力。

圖6—31所示為裝有拉桿的預(yù)應(yīng)力工字梁。梁在承受彎曲載荷之前用高強(qiáng)度螺桿對其施加預(yù)應(yīng)力，預(yù)應(yīng)力的方向與工作應(yīng)力方向相反，有利于提高梁的承載能力。2）塑性強(qiáng)化：預(yù)加載荷使材料發(fā)生塑性變形的結(jié)構(gòu)強(qiáng)化。使構(gòu)件在工作狀態(tài)下應(yīng)力最大那部分材料預(yù)先經(jīng)塑性變形而產(chǎn)生一個與工作應(yīng)力符號相反的殘留應(yīng)力，用以部分的抵消工作應(yīng)力。塑性強(qiáng)化的特點(diǎn)是預(yù)加載荷與工作載荷方向一致，而且在構(gòu)件工作時預(yù)加載荷已經(jīng)撤出，靠殘留應(yīng)力而不是靠預(yù)加載荷本身來抵消工作應(yīng)力。故要求材料必須具有足夠的塑性，構(gòu)件的塑性變形量不得超過一定限度。仍以梁為例：給梁預(yù)加一個與工作載荷F同向的預(yù)加載荷P’，P’去掉后梁內(nèi)產(chǎn)生殘留應(yīng)力，其分布如圖6—32a以扭轉(zhuǎn)為主的軸也可用類似方法進(jìn)行塑性強(qiáng)化，如圖6—33：圖6—33a為預(yù)加的與工作轉(zhuǎn)矩同向的轉(zhuǎn)矩T’去掉后軸的殘留應(yīng)力分布情況。

二、提高靜剛度的設(shè)計(jì)方法機(jī)械結(jié)構(gòu)依靠零部件之間的形狀、尺寸、位置關(guān)系實(shí)現(xiàn)其功能。剛度是表示零部件受力后形狀變化程度的指標(biāo)，形狀變化過大可能威脅預(yù)定功能的實(shí)現(xiàn)以及實(shí)現(xiàn)的質(zhì)量。1．采用桁架結(jié)構(gòu)由于桁架結(jié)構(gòu)中的桿件只受拉、壓，所以強(qiáng)度和剛度都較高。合理采用桁架結(jié)構(gòu)可以有效提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度。2．合理布置支承6—20所示：軸端受力為F，假設(shè)軸承和支座是剛體，則軸本身變形引起軸端位移為f1；若假設(shè)軸為剛體時，由于軸承和支座的彈性變形而引起的軸端位移為f2。而實(shí)際上，它們均為彈性體，會同時產(chǎn)生彈性變形，故軸端總位移應(yīng)為上述兩種情況的疊加，即為：fE＝f1十f2

。分析：由于成本或結(jié)構(gòu)的限制，軸和軸承(包括支座)的剛度都不能無限提高。因此必須合理選擇，以求得最滿意的結(jié)果。分析發(fā)現(xiàn)，跨距L和懸伸長度l之比L／l變化時，f1和f2在fE中的比重會隨之變化，如圖6—2l所示。曲線1和2分別為主軸本身引起的軸端位移和軸承引起的軸端位移L／l變化的函數(shù)曲線，曲線3則為上述兩曲線合成的結(jié)果。fE最佳的問題！3．合理布置隔板和肋板基礎(chǔ)件的主體結(jié)構(gòu)多為板式框架結(jié)構(gòu)。在主體結(jié)構(gòu)中添加隔板是提高結(jié)構(gòu)剛度的有效方法。布置隔板需要根據(jù)載荷的形式，合理地確定隔板的位置、數(shù)量和方向。當(dāng)主體結(jié)構(gòu)不同位置處的變形量不同時，應(yīng)將隔板布置在變形量較大的位置。由于隔板自身為薄板結(jié)構(gòu)，應(yīng)使其受拉、壓或沿剛度較大的方向受彎曲，避免隔板受扭或沿剛度較小的方向受彎曲。三、提高疲勞強(qiáng)度的設(shè)計(jì)方法大量的零件承受交變載荷作用，疲勞失效是這些零件的主要失效方式，這些零件的設(shè)計(jì)要考慮交變應(yīng)力作用的特點(diǎn)，提高抗疲勞強(qiáng)度。實(shí)際設(shè)備的斷裂事故中約80％屬于疲勞破壞，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時應(yīng)給予足夠的重視。1．緩解應(yīng)力集中提高疲勞強(qiáng)度的措施很多，比較重要的是降低應(yīng)力集中程度。疲勞破壞是在局部應(yīng)力最高的部位發(fā)生的，應(yīng)力集中是影響承受變應(yīng)力的零件承載能力的重要因素。在零件截面形狀發(fā)生變化處的材料內(nèi)部力流會發(fā)生變化，局部力流密度的增加造成應(yīng)力集中。零件截面形狀的變化越突然，應(yīng)力集中就越嚴(yán)重。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)盡力避免應(yīng)力較大處的零件形狀急劇變化，以減少應(yīng)力集中對強(qiáng)度的影響。零件受力變形時，不同位置的變形阻力（剛度）不同也會引起應(yīng)力集中。通過降低應(yīng)力集中處附近的局部剛度，可以有效地降低應(yīng)力集中。2．避免應(yīng)力集中源的聚集由于功能的需要，在零件結(jié)構(gòu)中可能存在多種形狀變化，這些變化都會引起零件中的應(yīng)力集中；如果多種變化出現(xiàn)在同一位置或過于接近，將引起應(yīng)力集中的加劇。3．降低應(yīng)力幅對于承受交變載荷作用的零件，應(yīng)力幅對疲勞強(qiáng)度的影響遠(yuǎn)大于平均應(yīng)力的影響。例如：承受軸向變載荷作用的普通螺栓組連接，預(yù)緊力影響螺栓的平均應(yīng)力，工作載荷影響應(yīng)力幅；通過改變螺栓與墊片的相對剛度，可以降低螺栓桿上的應(yīng)力幅。應(yīng)特別注意在鉆孔、切槽、過渡圓角及截面急劇變化處的結(jié)構(gòu)，以減小應(yīng)力集中。又如螺紋聯(lián)接中聯(lián)接件和被聯(lián)接件的剛度匹配、降低零件表面的粗糙度、改善零件的尺寸和形狀以及對零件表面進(jìn)行處理等。為了在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時盡量避免不必要的應(yīng)力集中和設(shè)法減小應(yīng)力集中，采取如下措施：①零件的橫截面尺寸和形狀有改變的地方，應(yīng)盡可能用較大的圓角光滑過渡。②結(jié)構(gòu)中的各種孔都是產(chǎn)生應(yīng)力集中的地方，應(yīng)合理排列，達(dá)到減小峰值應(yīng)力的目的。③受拉表面盡量不開缺口。如必須開時，則應(yīng)合理選擇開口形狀，以減小應(yīng)力集中系數(shù)。④在應(yīng)力集中部位附近，可開卸載溝槽，以降低峰值應(yīng)力。⑤采用表面強(qiáng)化工藝也可以提高零件的疲勞強(qiáng)度。⑥合理選材，強(qiáng)度高的材料缺口敏感性也高，對疲勞強(qiáng)度不利，這就要求材料有較高的斷裂韌性，而兩者之間是有矛盾的，所以選材要兼顧兩個特性。采取以上措施，不需要將零部件尺寸加大，最合理的辦法是改進(jìn)結(jié)構(gòu)，使其應(yīng)力分布合理，或采取強(qiáng)化工藝。表6—1為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中降低峰值應(yīng)力，提高疲勞強(qiáng)度的實(shí)例。表中(a)圖局部應(yīng)力高、疲勞壽命低；(b)圖降低了局部應(yīng)力，疲勞壽命得到提高。四、提高接觸強(qiáng)度與接觸剛度的設(shè)計(jì)方法當(dāng)兩零件的表面為點(diǎn)、線接觸且有法向載荷作用時，雖然因彈性變形可形成小區(qū)域接觸，但因面積很小，應(yīng)力仍很大。高副接觸零件的接觸點(diǎn)處表層出現(xiàn)較大的接觸應(yīng)力和接觸變形，接觸點(diǎn)的綜合曲率半徑和接觸元素的數(shù)量是影響接觸應(yīng)力和接觸變形的重要因素。合理地確定零件接觸處的結(jié)構(gòu)可以提高接觸強(qiáng)度。

(1)增大球面支撐的綜合曲率半徑。R=R1R2/（R1±R2）(2)增加接觸元素?cái)?shù)量接觸元素?cái)?shù)量的增加可以降低單個接觸元素所承受的載荷。在齒輪傳動設(shè)計(jì)中，設(shè)法增加重合度，增加同時參與承載的輪齒數(shù)量，可以降低單個齒所承受的載荷。(3)以低副（面接觸）代替高副（線接觸或點(diǎn)接觸）圖6—35a所示為通過中間件A把線接觸改為面接觸的實(shí)例。圖6—35b所示則是增加中間件B將點(diǎn)接觸轉(zhuǎn)變?yōu)槊娼佑|的實(shí)例。4）通過預(yù)緊提高接觸剛度預(yù)緊：以提高剛度、減小工作時再變形為目的的預(yù)加載荷方法。預(yù)緊是通過一個與工作載荷方向相同的預(yù)加載荷，使零件產(chǎn)生一定的與工作時同方向的彈性變形、以減少工作時的進(jìn)一步變形，從而提高剛度的有效措施。預(yù)緊的特點(diǎn)是預(yù)加載荷與工作載荷方向相同，工作時不撤出，因此，工作應(yīng)力不是抵消而是疊加，其目的是提高剛度，而不是減少應(yīng)力，故預(yù)應(yīng)力應(yīng)不超過一定限度。如：滾動軸承在安裝時預(yù)加一個約等于徑向載荷20~30％的軸向力，彈性變形增加了接觸面積，各磙子受力也趨于均勻．從而提向了軸承的剛度。又如多數(shù)彈簧都預(yù)加了一個初載荷，使其產(chǎn)生一定的初始變形．以保證其具有足夠的剛度和工作彈力。螺栓在裝配時產(chǎn)生的拉力實(shí)際上也是預(yù)加載荷，工作時承受拉力的較長螺栓必須有足夠的預(yù)緊力才能保證被聯(lián)接件的聯(lián)接剛度。(5)采用變位齒輪傳動提高齒面接觸強(qiáng)度在齒輪傳動中．為提高齒面接觸強(qiáng)度可采用變位齒輪。設(shè)計(jì)變位齒輪時應(yīng)滿足兩個條件：兩相互嚙合齒輪變位系數(shù)之和最大，以獲得齒面的最大綜合曲率半徑，要保證足夠大的重合度，以使同時嚙合的齒數(shù)不致太少。機(jī)器的整體剛度既決定于各零件本身的剛度，又決定于各零件聯(lián)接面之間的接觸剛度，因此，提高接觸剛度也是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須注意的問題。接觸剛度不僅與接觸面的材料、硬度、幾何形狀和尺寸等條件有關(guān)，而且還與接觸面的表面粗糙度、加工方法、幾何精度、相對運(yùn)動方向、接觸面間的介質(zhì)和預(yù)緊力等因素有關(guān)。目前，還沒有既簡單又準(zhǔn)確的關(guān)于接觸剛度的計(jì)算方法。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中通過限定接觸面的尺寸、幾何形狀誤差和表面粗糙度等以保證表面間的良好接觸，對于用螺釘固定聯(lián)接的表面通過螺釘數(shù)量、分布及控制預(yù)緊力的大小來提高接觸剛度。對于重要的表面可通過合理確定其表面硬度，增加單位面積內(nèi)的接觸點(diǎn)數(shù)等措施進(jìn)一步提高接觸剛度。必要時，可用模型或?qū)嵨镞M(jìn)行試驗(yàn)，以便確定所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)是否可滿足接觸剛度或整體剛度的要求。機(jī)械裝置主要通過零部件的形狀、尺寸、相對位置關(guān)系實(shí)現(xiàn)其預(yù)定功能。其準(zhǔn)確程度直接關(guān)系著機(jī)械裝置所實(shí)現(xiàn)的預(yù)定功能的質(zhì)量。傳動零件精度的提高有利于提高所傳遞運(yùn)動的規(guī)律的準(zhǔn)確性和運(yùn)動的平穩(wěn)性，不但有利于降低噪聲、減輕振動，而且有利于提高傳動系統(tǒng)的承載能力。零部件的形狀及尺寸精度與加工過程密切相關(guān)，零部件的加工精度越高，對提高機(jī)械裝置的工作質(zhì)量越有利。但是加工精度的提高會使成本提高。正確的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以在同樣的成本條件下獲得較高的系統(tǒng)精度?！?-4結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的精度問題

第七章機(jī)械加工精度零部件磨損

零部件受力變形

原理誤差原始誤差

回程誤差機(jī)械裝置的誤差工作誤差

零部件受熱變形

工作前的誤差

按引起誤差的原因可將誤差作如下分類：一、誤差分類當(dāng)運(yùn)動方向改變時由運(yùn)動副間隙引起的誤差與工作過程有關(guān)的誤差零部件加工、安裝和調(diào)整中產(chǎn)生的誤差由于近似的工作原理產(chǎn)生的誤差針對不同誤差產(chǎn)生的原因，分析有利于減少誤差的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法1、有利于減少原始誤差的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)措施在相同加工條件下，通常較小的公稱尺寸、較小的測量范圍，更容易實(shí)現(xiàn)較高的精度。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，對有精度要求的結(jié)構(gòu)要素，應(yīng)在保證結(jié)構(gòu)功能的前提下，盡量減少其公稱尺寸，減小精度約束范圍。如果某個作用尺寸由多個尺寸元素構(gòu)成，則該尺寸的公差為組成它的各尺寸元素的公差之和。組成元素越多，作用尺寸的精度越低，所以對要求精度較高的尺寸應(yīng)減少其組成元素的數(shù)量，盡量使其可以直接得到。

有些作用尺寸對精度要求較高，但是由于結(jié)構(gòu)的關(guān)系，不可避免地由較多的尺寸元素構(gòu)成。這種情況下，可以在組成該尺寸的多個尺寸元素中設(shè)置一個可調(diào)整尺寸環(huán)節(jié)，以便在裝配工序中可根據(jù)實(shí)際需要，通過調(diào)整這個尺寸實(shí)現(xiàn)對作用尺寸的精度要求。二、提高精度的設(shè)計(jì)方法2、補(bǔ)償系統(tǒng)誤差對于已知影響因素的系統(tǒng)誤差，可以根據(jù)引起誤差的原因，采取相應(yīng)的措施加以補(bǔ)償。比如可以人為地造出一種新的原始誤差，去抵消原來工藝系統(tǒng)中存在的原始誤差，盡量使兩者大小相等、方向相反而達(dá)到使誤差抵消得盡可能徹底的目的。圖

螺紋加工校正機(jī)構(gòu)1－工件2－絲杠螺母3－車床絲杠4－杠桿5－校正尺6－滾柱7－工作尺面零件接觸表面的磨損使零件的形狀和尺寸發(fā)生變化。設(shè)計(jì)中如果使得多個相關(guān)零件的磨損對執(zhí)行零件的作用互相抵消，則可以提高執(zhí)行零件的動作精度。如果無法使磨損的影響互相抵消，可以在結(jié)構(gòu)中設(shè)置調(diào)整環(huán)節(jié)，當(dāng)磨損量累積到一定程度時，通過調(diào)整使系統(tǒng)恢復(fù)正確的工作狀態(tài)。3、誤差均化在機(jī)構(gòu)中如果有多個作用點(diǎn)對同一個構(gòu)件的運(yùn)動起限制作用，則構(gòu)件的運(yùn)動精度高于任何一個作用點(diǎn)單獨(dú)作用時的精度。4、利用誤差傳遞規(guī)律由多級傳動機(jī)構(gòu)組成的傳動系統(tǒng)在將輸入運(yùn)動傳遞到輸出級時，也將各級傳動機(jī)構(gòu)所產(chǎn)生的誤差向后續(xù)機(jī)構(gòu)傳遞。在輸出運(yùn)動中，包含了各級傳動所產(chǎn)生的誤差的疊加，但是各級誤差對輸出誤差的影響不相同。如果合理分配各級的傳動比，合理選擇各級傳動件精度，可以較經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)合理的精度。通過分析誤差的構(gòu)成可以發(fā)現(xiàn)，如果為多級傳動的最后一級選擇較大的傳動比，則使前面各級傳動所產(chǎn)生的誤差對最后的運(yùn)動輸出基本不起作用，只要為最后一級傳動比選擇較高精度，即可提高整個系統(tǒng)的傳動精度。5、合理配置精度機(jī)械系統(tǒng)的精度受系統(tǒng)內(nèi)各環(huán)節(jié)精度的綜合影響，但是不同環(huán)節(jié)對工作精度的影響程度不相同，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)為不同位置設(shè)置不同精度，為敏感位置設(shè)置較高精度，可以以較經(jīng)濟(jì)的方法獲得合理的工作精度。6、選擇較好的近似機(jī)構(gòu)有些應(yīng)用中為簡化機(jī)構(gòu)而采用近似機(jī)構(gòu)，這會引入原理誤差。在條件允許時應(yīng)優(yōu)先采用近似性較好的近似機(jī)構(gòu)以減少原理誤差。7、采用有利于施工的結(jié)構(gòu)機(jī)械裝置的原始精度是通過一系列的工藝過程實(shí)現(xiàn)的。如果設(shè)計(jì)中充分考慮工藝過程的需要，采用有利于工藝過程實(shí)施的結(jié)構(gòu)，就可以較容易地實(shí)現(xiàn)較高的精度。一項(xiàng)精度如果無法檢驗(yàn)，或無法提供相應(yīng)精度的檢驗(yàn)方法，則無法保證精度要求的實(shí)現(xiàn)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要充分考慮檢驗(yàn)工具和檢驗(yàn)工藝的要求，使得所提出的每一項(xiàng)要求都可以被檢驗(yàn)。加工后滿足精度要求的零件在裝配中由于裝配力的作用，也可發(fā)生變形，影響工作精度。8、阿貝原則1890年，Abbe提出關(guān)于量儀設(shè)計(jì)的原則：欲使量儀給出正確的測量結(jié)果，必須將儀器的讀數(shù)線尺安放在被測尺寸的延長線上。---阿貝原則是指導(dǎo)測量儀器及其他精密儀器設(shè)計(jì)的重要指導(dǎo)性原則。符合阿貝原則的測量儀器可以實(shí)現(xiàn)較高測量精度；但由于被測要素與讀數(shù)線尺沿同一條直線布置，所以量儀的長度尺寸較大。如：螺旋測微儀。不符合阿貝原則的測量儀器會引起測量誤差；但其在同樣的測量范圍條件下可以占用較小的空間。如：游標(biāo)卡尺。9、減少回程誤差回程誤差：為保證運(yùn)動副正常工作，很多運(yùn)動副如齒輪、螺旋等，需要必要的間隙，但是由于間隙的存在，當(dāng)運(yùn)動方向改變時，因工作表面的轉(zhuǎn)換，使得被動零件的運(yùn)動方向改變滯后于主動零件，產(chǎn)生回程誤差。減小運(yùn)動副的間隙可以減少回程誤差。第五節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的工藝問題一個機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣，可從兩個方面考慮：首先是對該結(jié)構(gòu)要求實(shí)現(xiàn)的功能是否能充分地體現(xiàn)出來，其次是能否經(jīng)濟(jì)地加工安裝，即工藝性是否好。這種對所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)能綜合地考慮和處理制造、裝配、使用、維修等方面的各種技術(shù)問題，稱為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工藝性。設(shè)計(jì)工藝性涉及的面很廣，從機(jī)器的總布局到零部件的結(jié)構(gòu)，從零件所用的材料到他們的毛坯選定，從制造工藝到運(yùn)轉(zhuǎn)維護(hù)等，都有不少問題需在設(shè)計(jì)階段應(yīng)給以正確的考慮和處理。以一個零件而言，其尺寸決不是只通過計(jì)算就能確定的。實(shí)際上，計(jì)算出來的數(shù)據(jù)往往要在考慮工藝性時作些修改。計(jì)算的目的主要是判明多大的尺寸才能滿足強(qiáng)度、剛度和壽命等要求，而最終的零件結(jié)構(gòu)，必須考慮工藝性后才能確定下來，該零件的毛坯如用鑄件，還得考慮鑄造工藝性，若用焊接件就得考慮焊接結(jié)構(gòu)工藝性等。一般零件的毛坯由以下方式獲得：型鋼切割或鑄造、焊接和鍛造等。批量小的零件可用鍛造、焊接(大件)方法獲得毛坯；批量大的可用鑄造或精鍛方法獲得零件的毛坯。新技術(shù)、新材料、新工藝的不斷產(chǎn)生也促進(jìn)了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不斷變化。精密鑄造、精密鍛造、精密沖壓、擠壓、軋制成形和粉末冶金等工藝，使毛坯趨近于成品；真空技術(shù)、離子氮化和鍍、滲工藝等在熱處理中的應(yīng)用，大大改善了零件的表面質(zhì)量，在加工中，電火花、電解、激光、電子束和超聲加工等工藝的發(fā)展，使難加工的材料、復(fù)雜形面、精密微孔等的加工變得較為容易和方便。這些都為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了方便的條件。一、機(jī)械加工的工藝性機(jī)械加工的工藝性可按表6—5所示的四個原則來考慮：二、零件裝配的工藝性零件裝配的工藝性可以按表6—6所示原則來描述：三、鑄件及焊接件設(shè)計(jì)準(zhǔn)則鑄件：用于形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，要求在轉(zhuǎn)折處有圓弧或斜坡等形狀。焊接件：用于由簡單的幾何面(平面或圓柱面等)結(jié)合而成的構(gòu)件，其結(jié)構(gòu)具有薄板、長桿及大平板等特點(diǎn)。焊接件結(jié)構(gòu)變形比鑄造件嚴(yán)重，因此重要的焊接部件，如變速箱箱體，需要經(jīng)過回火消除內(nèi)應(yīng)力后再進(jìn)行機(jī)械加工。不論鑄件或焊接件，都要經(jīng)過時效處理消除內(nèi)應(yīng)力。一般機(jī)床床身是用鑄造件，但有時一些重型機(jī)械的機(jī)身、機(jī)匣架及框架等巨大的零件如果結(jié)構(gòu)簡單，也可以用焊接件。（一）常有的鑄造方法及特點(diǎn)鑄件是由液態(tài)金屬在型腔內(nèi)成形的，其形狀和大小幾乎不受限制，可獲得形狀復(fù)雜的毛坯，而又易于大批量生產(chǎn)，在機(jī)械制造中使用得最多，約占機(jī)器總重量的50％~80％。由于鑄件在冷卻過程中內(nèi)部冷卻速度不同，會產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，故所有的鑄件均應(yīng)經(jīng)過時效處理消除內(nèi)應(yīng)力。常有的鑄造方法及特點(diǎn)見表6—2：(二)鑄造件的工藝性1、鑄造工藝對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求(1)造型方法盡量采用整體模在平板上使用二箱造型。如圖6—14(a)所示，改進(jìn)前鑄件是三箱造型，改成圖(b)后成為兩箱造型，減少了分型面，簡化了造型工藝過程。(2)拔模斜度為起模方便，應(yīng)流有拔模斜度。如圖6—15(a)無拔模斜度。由圖(b)內(nèi)、外腔在起模方向均有。

(3)鑄件的內(nèi)腔利用型芯可以鑄出形狀極為復(fù)雜的鑄件內(nèi)腔，但生產(chǎn)成本會明顯地增加，所以在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時應(yīng)盡量不用或少用型芯。（4）鑄件壁不宜過厚，尤應(yīng)避免局部材料積聚，形成過大熱節(jié)、以致產(chǎn)生較大的鑄造應(yīng)力，使該處出現(xiàn)裂紋和縮孔等缺陷。圖6—17(a)為鑄件改進(jìn)前的設(shè)計(jì)方案，出現(xiàn)很大的熱節(jié)；圖(b)為改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)，消除了熱節(jié)。

(5)鑄造內(nèi)、外圓角鑄件兩壁相連的內(nèi)側(cè)如不用內(nèi)圓角，則尖角處容易開裂，且澆注和清砂均困難。鑄件兩壁相連的外側(cè)如不用外圓角，會在直角部位集中很多雜質(zhì)造成薄弱環(huán)節(jié)，不僅不美觀，還容易傷人。常用鑄造內(nèi)、外圓角半徑尺寸規(guī)范均可查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊。2、總之，鑄件的工藝性可按便于造型等原則來考慮，表6—7所示。(三)焊接件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的工藝性焊接件的靈活運(yùn)用可替代部分鑄件和鍛件，其適用于單件、小批量或大型部件的生產(chǎn)制造，故應(yīng)用面越來越廣。一般焊接后都要對焊接件進(jìn)行消除殘余應(yīng)力處理。

1．焊接材料的選擇在滿足工作性能要求的前提下，應(yīng)選用可焊性較好的材料來制造焊接結(jié)構(gòu)件。最常見的是鋼材焊接，含碳量低的材料可焊性好。圖6—18為幾種鋼材的可焊性比較及可焊性與含碳量的關(guān)系。

焊接結(jié)構(gòu)件的金屬材料最好采用相等的厚度，這樣容易獲得優(yōu)質(zhì)的焊接接頭。如果接頭兩側(cè)的材料厚度相差較大，則接頭處會造成應(yīng)力集中，而且由于接頭兩邊熱容量不等，容易產(chǎn)生焊接缺陷。圖6—19為不等厚金屑材料焊接時的接頭過渡形式。2．焊縫的布置焊接結(jié)構(gòu)件中的焊縫布置與產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)率、工人勞動條件等都密切相關(guān)。一般焊縫形式如下：①焊縫的布置應(yīng)盡可能分散。焊縫集中和重疊，會造成金屬的嚴(yán)重過熱，使組織惡化，機(jī)械性能下降。所以兩條平行的焊縫，一般要求相距l(xiāng)00mm以上。②焊縫的位置應(yīng)盡可能對稱。焊縫位置對稱的優(yōu)點(diǎn)是焊縫冷卻后收縮，由于焊縫位置對稱，所以結(jié)構(gòu)件整體變形最小。③焊縫應(yīng)盡可能避開最大應(yīng)力和應(yīng)力集中的位置。對于受重載的結(jié)構(gòu)件、高壓容器等，在最大應(yīng)力和應(yīng)力集中的位置上不應(yīng)設(shè)置焊縫。例如焊接大跨距的鋼梁，如果原材料長度不夠，則寧可增加一條焊縫，以便使焊縫避開最大應(yīng)力的地方，如圖6—20(b)所示。壓力容器的封頭一般都設(shè)計(jì)成圖6—20(d)所示的形狀，使焊縫避開應(yīng)力集中的轉(zhuǎn)角位置。④處理好焊縫位置與加工面的關(guān)系。設(shè)計(jì)焊縫時要注意，不要讓焊縫被切削，以免影響焊縫強(qiáng)度。對于精度要求較高的焊接件，應(yīng)在全部焊成之后進(jìn)行退火，然后進(jìn)行機(jī)械加工，免除焊接變形的影響。對有些情況，焊接部件必須加工好之后再進(jìn)行焊接，則焊縫的位置應(yīng)該離已加工表面盡可能遠(yuǎn)一點(diǎn)。在粗糙度要求較高的加工表面上，不要設(shè)置焊縫。因?yàn)椴粌H焊縫中有可能存在著某些缺陷，而且焊縫的組織與母材的組織有明顯的差別，加工后不能均勻地達(dá)到較高粗糙度的要求。⑤焊縫位置應(yīng)考慮到焊接操作方便。焊縫位置應(yīng)考慮到焊接操作空間，內(nèi)側(cè)焊縫也能伸入焊條。焊縫的布置應(yīng)盡量能在水平位置上進(jìn)行焊接，同時要減少或避免工件翻轉(zhuǎn)。良好的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，還應(yīng)盡量使全部焊接件(至少是主要部件)能在焊接前一次裝配點(diǎn)固，以簡化焊接工序，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)率。2、焊接件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，除應(yīng)當(dāng)正確選擇焊縫形式外，還應(yīng)注意表6—8所示的幾個方面。四、鍛件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)許多零件要用鍛造毛坯，鍛件的機(jī)械性能比鑄件好，鍛件一般都要經(jīng)過機(jī)械加工，所以鍛件既要滿足切削加工工藝要求，又要滿足鍛造工藝要求。對鍛件結(jié)構(gòu)形狀影響最大的是鍛造工藝。1．常用的鍛造方法①自由鍛。自由鍛是在鍛錘或液壓機(jī)上進(jìn)行的，鍛件重可達(dá)150t以上，不使用特殊的模具只能鍛出簡單形狀、精度低、表面狀態(tài)差．用于單件或小批量生產(chǎn)。這類零件都需要切削加工，所以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時主要考慮其切削加工工藝性，同時為了減少鍛造困難，不要過分增大余量和加工量，零件的形狀應(yīng)盡量簡單，用自由鍛的方法難以鍛出錐度、斜面、加強(qiáng)筋、工字型截面和其他復(fù)雜形狀。②模鍛。胎模鍛造是用簡單的模鍛工具在鍛錘或自由鍛壓機(jī)上鍛造，鍛件形狀接近零件形狀、精度比自由鍛好，適用小批量生產(chǎn)。錘上模鍛是用模鍛錘或無砧模鍛錘進(jìn)行鍛造，鍛件形狀和精度比胎模鍛好，用于中批量生產(chǎn)。壓力機(jī)上模鍛及平鍛機(jī)上模鍛．鍛件精度及形狀復(fù)雜程度都比較高，但設(shè)備較昂貴，用于大批量生產(chǎn)。③平鍛機(jī)上頂鍛。用平鍛機(jī)頂鍛，鍛件為實(shí)心或空心桿形零件，尺寸精確、精度較高。生產(chǎn)率高，用于大批量生產(chǎn)。非回轉(zhuǎn)體及中心不對稱的鍛件，一般不適宜在平鍛機(jī)上模鍛。④精密鍛造?？慑懗鲂螤顝?fù)雜少切削甚至無切削的大小鍛件。如燃?xì)廨啓C(jī)的葉片、閥門殼體、圓錐齒輪、階梯軸等。適用于大批量生產(chǎn)。2．鍛造件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則①盡可能避免鍛件截面積變化太大，又要與切削加工后的零件形狀接近，減少切削加工余量。②盡可能使工件在模具平面上下對稱，模腔深度較淺或凸起部分兩邊的斜度對稱，以便簡化模具制造。③當(dāng)鍛件比較復(fù)雜、難于鍛造時，可分成幾個形狀比較簡單的部分，鍛出后組合或焊接起來。④在零件與分模面垂直的壁，要留有撥模斜度，鍛件上所有的銳角銳棱都應(yīng)代以圓弧。第六節(jié)材料的選擇一、材料選擇應(yīng)注意的主要問題針對具體的應(yīng)用條件選擇合適的機(jī)械零件材料時，需要考慮的主要問題有三：①所選材料的特性和在承載或溫度或其它環(huán)境因素變化條件下的行為能否滿足零件在工作時所遇到的各種情況下的要求，包括使用壽命方面的要求，這是材料的工作能力，常常表現(xiàn)為承載能力的問題；②所選材料是否容易加工，適合所設(shè)計(jì)的零件的可能的加工條件，這是材料的加工工藝性能問題；③用所選材料制成的零件，其材料費(fèi)和由材料引出的加工費(fèi)是否較低而在零件成本中占的百分?jǐn)?shù)比較合理，這是材料的經(jīng)濟(jì)性問題。(—)材料的工作能力問題

1、不同零件所要求的材料使用主要有：強(qiáng)度、剛度、耐磨性、美觀的要求。2、選材時首要任務(wù)：準(zhǔn)確地判斷零件所要求的主要使用性能。3、零件工作情況、工作條件的分析：1）分析零件工作所承受載荷的類型、大小、方向，以及隨時間的變化，包括沖擊性載荷與振動載荷等；2）摸清由載荷引起的零件內(nèi)力反應(yīng)，變形和應(yīng)力，以及它們的分布與集中情況等。在此基礎(chǔ)上．分析零件可能的失效形式，并從防止失效出發(fā)，明確對材料使用性能的要求。3）零件的工作環(huán)境因素，如溫度和介質(zhì)的性質(zhì)(如鹽霧)和對材料的特殊性能。如絕緣性、導(dǎo)電性、磁性、導(dǎo)熱性、熱膨脹特性等的要求，也是選擇零件材料時的重要使用性能依據(jù)。(二)材料的工藝性能的問題選擇零件的材料時，對材料的工藝性能要比使用性能處于次要地位．但也是—個重要的考慮因素．它關(guān)系列零件的制造是否可能、難易和經(jīng)濟(jì)。金屬零件的工藝路線大體分為三類：1．力學(xué)性能要求不高的一般零件毛坯→正火或退火→機(jī)械加工→零件。毛坯一般用鑄鐵或碳鋼。如果采用型材直接加工成零件，則因材料出廠前已經(jīng)過退火及正火，就不必再經(jīng)過熱處理了。這類零件由于對力學(xué)性能要求不高，一般用比較普通的材料，其加工性能都很好。

2．力學(xué)性能要求較高的一般零件毛坯→正火或退火→粗加工→最后熱處理(淬火、回火或滲碳處理等)→精加工預(yù)先熱處理中的正火(低、中碳鋼)或退火(中、高碳鋼)的主要作用是消除組織缺陷和改善機(jī)械加工性能，例如各種合金鋼、高強(qiáng)度合金制造的齒輪軸等均采用這種工藝。3．要求較高的精密零件這類零件除了要求有較高的使用性能外，還要求有相當(dāng)高的尺寸精度和較低的表面粗糙度。由于加工工藝一般比較復(fù)雜，性能與尺寸要求很高，零件所用材料的工藝性能應(yīng)充分保證。此外，選擇材料時，根據(jù)毛坯制造工藝要考慮材料的鍛造性能、鑄造性能、焊接性能等。例如需要焊接的零件要選用低碳鋼。以上以金屬材料為例的注意各項(xiàng)，對塑料等材料的選用也是基本適用的。(三)材料的經(jīng)濟(jì)性問題材料的經(jīng)濟(jì)性不僅是指材料本身價格應(yīng)便宜，更重要的是采用所選用的材料來制造零件時。有助于產(chǎn)品的總成本降至最低，同時所選材料應(yīng)符合國家資源狀況和供應(yīng)情況等。二、常用材料機(jī)械結(jié)構(gòu)常用材料有鑄鋼、鋼、鑄鐵、球墨鑄鐵、有色金屬、非金屬材料和復(fù)合材料等。1、鑄鋼鑄鋼主要用于制造承受重載的大型零件。由于內(nèi)部組織不如軋制或鍛造鋼件，其強(qiáng)度略低于普通鍛鋼．但其杭彎強(qiáng)度約為灰鑄鐵的二倍，抗壓強(qiáng)度相當(dāng)，抗扭強(qiáng)度約高50％．其減震性和減摩性均較灰鑄鐵略差。目前大都采用正火、回火作為最終熱處理。按用途可分為一般用途的普通碳素鑄鋼、低合金鑄鋼、耐腐蝕鑄鋼和耐熱鑄鋼等特殊用途鑄鋼。其中碳素鑄鋼應(yīng)用最廣，占鑄鋼總產(chǎn)量的80％以上。低碳素鑄鋼有良好的導(dǎo)磁性，常用于鑄造電磁吸盤和電機(jī)殼體以及各種形狀的機(jī)件，如機(jī)座、變速箱殼等。中碳素鑄鋼的綜合的機(jī)械性能比較全面，廣泛應(yīng)用于鑄造重要的機(jī)械零件如軋鋼機(jī)機(jī)架、機(jī)車車架、重型齒輪、聯(lián)軸器等。高碳素鑄鋼因韌性較差，很少應(yīng)用。不銹耐酸鑄鋼可用于石油、化工、原子能工業(yè)中的流體機(jī)械的零件，如泵殼、閥、葉輪、水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪或葉片、螺旋槳、離心鑄件等。一般工程用國產(chǎn)鑄鋼有五種牌號，其力學(xué)性能見表6—l62、鋼鋼是機(jī)器制造中用得最廣泛的材料，常用的鋼材有碳素鋼、合金鋼，品種較多。選擇鋼材時，除了零件的使用要求外，還必須考慮材料的熱處理性能和機(jī)械加工性能。1）鋼的分類：在碳素鋼的基礎(chǔ)上，根據(jù)不同要求再加人各種元素如Ni，Cr，Mo，W，V，Ti，B等，以改善各種性能，例如提高淬透性、耐磨性、硬度、沖擊韌性、斷裂韌性和高溫強(qiáng)度等。常根據(jù)合金元素含量的多少，把合金鋼分為：低合金鋼（＜5％，中合金鋼(5％一10％)，以及高合金鋼(＞10％)。也可按用途分：①合金結(jié)構(gòu)鋼。這類鋼含碳量低，含合金元素不超過5％，有良好的韌性和可焊性，適合橋梁，船舶、車輛、鍋爐、壓力容器、起重機(jī)等用。而在優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的基礎(chǔ)上增加某些元素而成的合金結(jié)構(gòu)鋼能制造重要的機(jī)械零件，常用的有20Cr．40Cr，35CrMo，18CrMnTi，40CrNiMo等可用于各類軸、齒輪、活塞銷等零件。這類零件都必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚?、才能達(dá)到所需的機(jī)械性能。②合金工具鋼。這類鋼主要用于制造刀具、量具和模具。③特殊性能合金鋼。這類鋼具有特殊的物理化學(xué)性能，如耐磨、耐蝕、導(dǎo)磁、抗磁等。ZGMn13是著名的耐磨鋼，用于回旋破碎機(jī)主軸，掘土機(jī)鏟齒、拖拉機(jī)履帶等零件。例如：工具鋼中的刃具鋼：刃具鋼用于在工作中受到很大的切削力、摩擦與切削熱作用的產(chǎn)品，因而要具備高的硬度(60HRC以上)、耐磨性和高的熱硬性，還應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和韌性，以防斷裂或崩刃。根據(jù)化學(xué)成分，刃具鋼可分為碳素工具鋼、低合金刃具鋼及高速鋼三類。

A）碳素工具鋼含碳量在0.65％一1.35％的優(yōu)質(zhì)或高級優(yōu)質(zhì)高碳鋼。高碳含量可保證淬后有足夠的硬度。常用碳素工具鋼的牌號、熱處理及用途見表6—14。B）低合金刃具鋼低合金刃具鋼最高工作溫度不超過300℃。含碳量一般在0.8％一1.5％，以保證足夠的淬硬性和耐磨性。合金元素總含量通常不大于5％。主要加入元素鉻、硅、錳，以提高鋼的淬透性和強(qiáng)度。再輔以鎢和釩等，以形成碳化物、提高鋼的硬度、耐磨性和熱硬性。低合金刃具鋼的熱處理與軸承鋼相近。常用低合金刃具鋼的牌號、熱處理及用途列于表6—15。最常用的低合金刃具鋼是9SiCr、CrWMn、9Mn2V和CrW5。C）高速鋼高速鋼是一種含多種合金元素的高合金鋼，含碳量達(dá)0.7％一1.5％，并加入較多的鉻、鎢、釩等合金元素，其總含量達(dá)10％一25％。鉻能提高鋼的淬透性；鎢能提高熱硬性；釩不僅提高鋼的硬度和耐磨性，還能降低鋼的過熱傾向并細(xì)化晶粒。常用高速鋼的牌號、熱處理及用途見表6-16。其中W18Cr4V應(yīng)用最廣，常用來制造各種切削刀具，如車刀、銑刀、拉刀、創(chuàng)刀等，工作溫度可達(dá)600℃。2）鋼的編號3）鋼的成分特點(diǎn)：4）雜質(zhì)S、P的影響鋼中作為雜質(zhì)存在的元素主要有Mn、Si、S、P等。Mn、Si一般是為脫氧加入鋼中的，它對鋼的力學(xué)性能有提高作用，能脫硫。硫和磷是隨煉鋼原材料進(jìn)入鋼中。硫與鐵形成化合物FeS。FeS與Fe形成低熔點(diǎn)晶，當(dāng)鋼進(jìn)行加熱時，會因共晶體熔化而脆化開裂，這稱為“熱脆”；磷溶于鐵素體會導(dǎo)致鋼在低溫時的塑性、韌性急劇下降，稱為“冷脆”。屬有害元素，應(yīng)子嚴(yán)格限制。生產(chǎn)上根據(jù)鋼中S、P含量，把鋼分為普通鋼(S＜0.055％、P＜0.045％)、優(yōu)質(zhì)鋼(S、P＜0.040％)、高級優(yōu)質(zhì)鋼(S＜0.030％、P＜0.035％)。硫、磷雖是有害元素，但在某些情況下卻有有益的一面，如硫與錳同時加入鋼中，形成的MnS會使切削時易于斷屑，這種鋼稱為易切削鋼。含磷和銅的低碳鋼可以提高鋼在大氣中的耐蝕性。鋼的制?。合纫獙㈣F礦石在高爐中用碳或一氧化碳還原得到生鐵(c＞2.11％)，這一過程稱為鐵的冶煉；然后將生鐵與廢鋼在煉鋼爐中煉成鋼，這一過程稱為鋼的冶煉。常用的煉鋼爐有平爐、轉(zhuǎn)爐、電弧滬、電渣重熔爐等。鋼的冶煉實(shí)質(zhì)上是一個氧化過程。它以生鐵和廢鋼為原料。必須經(jīng)過脫氧。5)鋼的型材加工煉成的鋼液可通過直接澆鑄成鑄鋼件，即形成結(jié)構(gòu)、形狀寸與零件大致相同的鑄造毛坯。但絕大部分都是先澆鑄成鋼錠后再經(jīng)塑性變形成形。少量鋼錠通過鍛造成形。更多的是經(jīng)軋制、擠壓和拉拔等方法制成各種鋼材，如鋼管、鋼板、型鋼、鋼絲等，如圖6—1所示。3、鑄鐵具有良好的鑄造性能、切削性能，容易獲得。但可焊性差．只能用鑄造方法來成形鑄件。缺點(diǎn)是強(qiáng)度較低。鑄鐵一般分為灰鑄鐵、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵和特殊鑄鐵等?；诣T鐵的斷面呈暗灰色，強(qiáng)度較低，脆性較大，但耐磨性比較好，用于中等載荷下的結(jié)構(gòu)件、復(fù)雜的薄壁件，使用溫度不能超過400℃；可鍛鑄鐵有較好的強(qiáng)度和塑性、耐磨性和減振性優(yōu)于普通碳素鋼，適于制造尺寸小、形狀復(fù)雜，不能用鑄鋼或鍛鋼制造的零件，如汽車前后輪殼、礦用輪、三通、低壓閥門等；球墨鑄鐵耐磨性非常突出，強(qiáng)度和普通碳素鋼接近．但塑性和韌性較鋼低，適合制造閥體、軸瓦、曲軸、凸輪軸等零件?；诣T鐵鑄件的抗拉強(qiáng)度見表6—12，球墨鑄鐵的力學(xué)性能見表6—13，可鍛鑄鐵的力學(xué)性能見表6l—14和6—15。4、有色金屬常用的有色金屬有鋁、銅、鋅、錫、鉛、鎂等。純金屬強(qiáng)度低，一般不單獨(dú)用；而是以合金來制造零件。常用鋁合金和銅合金。(1)鋁合金具有以下特點(diǎn)：

1)比重小、比強(qiáng)度高，采用各種強(qiáng)化手段后，可以達(dá)到與低合金高強(qiáng)鋼相近的強(qiáng)度。

2)導(dǎo)電性好，僅次于銀、銅和金。其資源豐富，成本較低。其磁化率極低，接近于非鐵材料、可用于制造電動機(jī)的殼體等。

3)加工性能好．塑性也好，可以冷成型。由以上特點(diǎn)，鋁合金廣泛應(yīng)用于航空工業(yè)及其他輕質(zhì)零件，如內(nèi)燃機(jī)的活塞和儀表殼體等。鋁合金的牌號、元素及應(yīng)用舉例如表6—18所示。(2)銅合金銅合金有較高的耐磨性、耐腐蝕性、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性，廣泛用于制造軸套、蝸輪、泵體、管道配件以及電器和制冷設(shè)備上的零件。常用的銅合金分為：黃銅、白銅和青銅。黃銅是銅與鋅組成的合金。鋅能提高黃銅的強(qiáng)度和塑性。再加其他元素時稱為復(fù)雜黃銅。加錫稱錫黃銅，加鋁稱鋁黃銅。黃銅價格較低，應(yīng)用廣泛，常用于耐磨、耐腐零件，如蝸輪、重載齒輪、海輪螺旋槳等。白銅是銅與鎳的合金，再加入其他元素稱為復(fù)雜白銅，有錳白銅、鋁白銅等。白銅的特點(diǎn)有很高的化學(xué)穩(wěn)定性，可制造在腐蝕介質(zhì)(如海水、有機(jī)酸和各種鹽溶液)中工作的零件。青銅是銅與錫的合金。錫能顯著提高青銅的強(qiáng)度和硬度，但單純的錫青銅很少用，一般還加入磷、鋅、鉛等，這樣還能提高彈性強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度，并有較高的耐磨性，適用于重載高耐磨零件。

1）鑄造銅合金的種類很多，其主要特性和應(yīng)用舉例見表6-17。2）鑄鋁合金種類很多。其強(qiáng)度略低于各類鍛鋁合金，多用于民用小型機(jī)械支架等件，也可用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)和航空發(fā)動機(jī)中支座零件。

3）鑄鎂合金強(qiáng)度低于鑄鋁合金，質(zhì)量輕，可用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的掛架。

4）鑄造軸承合金有錫基、鉛基、鉑基和鋁基四類，銅基的抗拉強(qiáng)度高、硬度高。這種合金的選用常根據(jù)滑動軸承的設(shè)計(jì)而定。5、非金屬材料(1)工程塑料工程塑料是以合成樹脂為主要成分的有機(jī)高分子材料。具有質(zhì)輕、絕緣、減摩、耐磨、自潤滑、耐腐蝕的特點(diǎn)，而且成型工藝簡單，生產(chǎn)效率高。按其受熱后性能不同可分為兩大類：一類為熱塑性塑料，特點(diǎn)是受熱以后軟化(或熔融)，冷卻后又恢復(fù)原來性質(zhì)并可反復(fù)進(jìn)行。這類材料有聚氯乙烯、聚乙烯、ABS、聚四氟乙烯、有機(jī)玻璃等。用于制造密封圈、襯套、活塞環(huán)、軸承等。另一類為熱固性塑料，其特點(diǎn)是在一定溫度下，經(jīng)過一定時間加熱或加入固化劑固化，這一過程不能反復(fù)進(jìn)行。這類材料有酚醛塑料、環(huán)氧塑料。熱固性塑料常加入各種填充劑．以獲得較高的機(jī)械強(qiáng)度。該種材料適用于各種承載零件，并可耐較高的溫度，可制造泵、閥、軸承等耐腐蝕件。用于制造零件的塑料的特性和應(yīng)用見表6—19~6—22。(2)復(fù)合材料復(fù)合材料是由兩種或兩種以上性質(zhì)不同的材料，通過某種工藝手段復(fù)合而成的材料。兩者復(fù)合，保留了各自的優(yōu)點(diǎn)，得到單一材料無法比擬的，優(yōu)越的綜合性能。復(fù)合材料一般分為纖維復(fù)合、層疊復(fù)合、細(xì)粒復(fù)合和骨架復(fù)合材料。應(yīng)用較廣的為纖維復(fù)合材料，在復(fù)合的原料中，纖維性材料對復(fù)合材料的綜合性能起到了重要作用，屬于增強(qiáng)材料。目前采用的纖維有玻璃纖維、碳纖維、石棉纖維、碳化硅纖維和陶瓷纖維等。復(fù)合材料中纖維由基體牢固地聯(lián)結(jié)起來，基體一般采用樹脂，樹脂的種類很多。復(fù)合材料有以下優(yōu)點(diǎn)：①比強(qiáng)度、比模量大。比強(qiáng)度和比模量是指材料的強(qiáng)度、彈性模量分別與密度之比度越大，零件自重越??；比模量越大，零件的剛性越大。②化學(xué)穩(wěn)定性好。耐腐蝕性好。③減摩、耐磨、自潤滑性好。根據(jù)以上特點(diǎn)，在機(jī)械工業(yè)中復(fù)合材料可制造風(fēng)扇葉片、齒輪、壓力容器、泵、閥、密封件等。以下是復(fù)合材料應(yīng)用之例，供選用和設(shè)計(jì)這種材料的參考。1．在一般機(jī)械中的應(yīng)用1）泵：玻璃纖維環(huán)氧樹脂泵，酚醛石棉泵，酚醛纖維增強(qiáng)聚丙烯等玻璃鋼泵。2）閥：聚乙烯醇縮丁醛改性酚醛玻璃鋼閥，纖維增強(qiáng)聚丙烯閥。3）風(fēng)機(jī)：聚酯玻璃鋼風(fēng)機(jī)葉片，環(huán)氧樹脂玻璃鋼風(fēng)機(jī)，環(huán)氧玻璃鋼和聚氯乙烯一玻璃鋼復(fù)合材料通風(fēng)機(jī)機(jī)殼和葉輪。4）燃?xì)廨啓C(jī)：碳纖維增強(qiáng)塑料燃?xì)廨啓C(jī)葉片。5）壓氣機(jī)：Kevlar—49混雜纖維增強(qiáng)塑料。6）紡織機(jī)械：碳纖維增強(qiáng)塑料劍桿、綜線架，玻璃纖維增強(qiáng)塑料空氣滑閥，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料連桿、推桿、杠桿，碳纖維樹脂復(fù)合材料輥軸等。7）農(nóng)業(yè)機(jī)械：纖維增強(qiáng)復(fù)合材料收割機(jī)平臺，碳纖維環(huán)氧樹脂或酚醛樹脂復(fù)合材料滑動軸承等。8）軸承：碳纖維增強(qiáng)塑料軸承，碳纖維增強(qiáng)鉛一錫合金大型軸承。9）密封件：碳纖維增強(qiáng)聚四氯乙烯機(jī)械密封件，碳一碳復(fù)合材料高溫密封件。10）齒輪：碳纖維增強(qiáng)塑料照相機(jī)齒輪。

2．在汽車機(jī)械中的應(yīng)用汽車前端板、可翻前端、活動車頂、車身、發(fā)動機(jī)罩、提升門、駕駛室、后尾板、后擾流板、保險桿、支架、懸架、能量衰減器、片彈簧、車輪、車架與車架橫梁等。熱塑性玻璃鋼用于汽車零部件的更多。箱體、底盤、懸梁、片彈簧、車架、扭桿、懸梁定位臂、發(fā)動機(jī)連桿、汽車推桿、氣缸體、飛輪、車身、立柱、保險杠等。表6—23為一些實(shí)例。

3．在航空機(jī)械中的應(yīng)用最初用于軍用飛機(jī)，現(xiàn)已推廣到民用飛機(jī)，多數(shù)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)的大小構(gòu)件。表6—24為美國軍用飛機(jī)應(yīng)用復(fù)合材料之例。

4．在宇航(航天)機(jī)械中的應(yīng)用實(shí)例很多，如碳纖維酚醛樹脂復(fù)合材料的火箭噴咀，酚醛樹脂和環(huán)氧樹脂作成蜂窩結(jié)構(gòu)的火箭鼻錐(外用碳纖維纏繞)，碳纖維增強(qiáng)塑料纏繞成型的火箭燃燒室，用Kevlar—49纖維增強(qiáng)塑料纏繞而成的火箭發(fā)動機(jī)外殼，碳纖維復(fù)合材料的導(dǎo)彈級間段，用碳／碳復(fù)合材料為燒蝕材料的宇宙飛行器艙，碳／碳復(fù)合材料的航天飛機(jī)的機(jī)冀等。三、典型零件的材料選用以下列舉一些典型機(jī)械中的零件材料選用資料，供設(shè)計(jì)參考

(一)金屬零件

1．軸類零件的材料選用按強(qiáng)度設(shè)計(jì)來選材，保證軸的承載能力、抗疲勞能力及耐磨性等。表6—9可作為軸類零件選材的參考。

2．齒輪類零件材料的選用以潤滑條件較好的閉式齒輪傳動為例，輪齒主要根據(jù)接觸強(qiáng)度或彎曲疲勞強(qiáng)度要求選材，其特點(diǎn)是要求很高的齒面硬度及強(qiáng)度，以防止疲勞斷裂和表面損傷；同時要有足夠的心部強(qiáng)度及韌性。因此在要求較低時，齒輪材料只進(jìn)行表面淬火回火強(qiáng)化；要求高時，則應(yīng)采用表面化學(xué)處理(滲碳、氮化等)強(qiáng)化，還可以利用各種金屬或抗磨材料噴涂技術(shù)。一般齒輪類選材可參考表6—10。3.汽車發(fā)動機(jī)主要零件的材料選用一輛汽車有上千種零件，汽車發(fā)動機(jī)只是一個重要部件。不同的生產(chǎn)廠用材不同。目前多根據(jù)使用經(jīng)驗(yàn)選材。但需要指出，應(yīng)該根據(jù)零件的具體工作條件及實(shí)際失效形式，通過大量的計(jì)算和試驗(yàn)才能選出合適的材料。由于材料科學(xué)正在不斷發(fā)展，因此也存在—個材料再次更新的問題。表6—11所示的發(fā)動機(jī)零件材料選用，也可以作