機(jī)械零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、機(jī)械零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)械零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1.機(jī)器設(shè)計(jì)的基本原則：v機(jī)械零件是組成機(jī)器的基本要素，研究機(jī)械零件的設(shè)計(jì)，就要簡(jiǎn)絡(luò)地討論機(jī)器的基本設(shè)計(jì)原則。雖然機(jī)器的分類很多，但設(shè)計(jì)所遵循的原則是相同的。v（1）.必須滿足對(duì)機(jī)器提出的使用要求：首先，設(shè)計(jì)的機(jī)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(jì)的機(jī)器能可靠地工作，就要求機(jī)械零件的設(shè)計(jì)必須滿足基本的強(qiáng)度、剛度、壽命、精確度及穩(wěn)定性等。v（2）.所設(shè)計(jì)的機(jī)器應(yīng)能最大限度地滿足經(jīng)濟(jì)性的原則：機(jī)器的經(jīng)濟(jì)性是一個(gè)綜合的指標(biāo)，表現(xiàn)在設(shè)計(jì)、制造、使用的整個(gè)過(guò)程中。設(shè)計(jì)、制造的經(jīng)濟(jì)性表現(xiàn)在設(shè)計(jì)及制造成本的降低；使用的經(jīng)濟(jì)性表現(xiàn)為高生產(chǎn)率、高效率，維護(hù)費(fèi)用低廉

2、。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮。v（3）.必須特別關(guān)心機(jī)器操作者的勞動(dòng)保護(hù)：設(shè)計(jì)機(jī)器時(shí)，首先，必須特別注意技術(shù)安全問(wèn)題；其次，要盡可能地改善操作者的勞動(dòng)條件；另外，對(duì)機(jī)器的外形美觀也應(yīng)注意。v（4）.滿足其他的特殊要求：如機(jī)床有長(zhǎng)期保持精度的要求；對(duì)大型機(jī)器有便于運(yùn)輸?shù)囊?；?duì)水泵有長(zhǎng)期保持性能的要求等。2.設(shè)計(jì)機(jī)械零件時(shí)應(yīng)滿足的基本要求：v（1）.強(qiáng)度-零件必須具有足夠的強(qiáng)度，強(qiáng)度是設(shè)計(jì)一切機(jī)械零件及機(jī)器的最基本的要求。當(dāng)機(jī)器工作時(shí)，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(guò)容許限度的殘余變形。v設(shè)計(jì)時(shí)原則上可以采用以下措施：采用強(qiáng)度性能高的材料；使零件具有足夠的剖面尺寸；合理地設(shè)

3、計(jì)剖面形狀；采用熱處理等工藝方法以提高材料的強(qiáng)度特性；提高運(yùn)動(dòng)零件的精度，以降低動(dòng)載荷；合理設(shè)計(jì)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(shí)抵抗產(chǎn)生彈性變形的能力。實(shí)踐證明，凡是能滿足剛度要求的零件，強(qiáng)度一般是沒(méi)有問(wèn)題的。這是由于按剛度計(jì)算的零件剖面尺寸，往往大于按強(qiáng)度計(jì)算所得的尺寸。v 剛度可分為兩種，一種是由于兩個(gè)零件接合間有間隙，在載荷作用后，兩個(gè)零件的相互位置和設(shè)計(jì)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(zhǎng)、縮短、撓曲和扭轉(zhuǎn)等彈性變形，叫做變形剛度變形剛度。v（3）.壽命-此要求與強(qiáng)度有一定的聯(lián)系。零件開(kāi)始工作時(shí)，雖能

4、滿足強(qiáng)度的要求，但是，工作一定時(shí)期后，卻可能喪失強(qiáng)度。這個(gè)要求通常是針對(duì)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零件，或在工作時(shí)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(shí)零件材料的蠕變。v（4）.工藝性-機(jī)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?；ㄥX(qián)少、制造容易、滿足使用及技術(shù)要求是零件工藝性的三個(gè)方面。v（5）.重量小-減輕機(jī)械零件和機(jī)器的重量有兩方面的好處：一是可以節(jié)約材料；二是對(duì)運(yùn)動(dòng)的零件，可以減小慣性，減小機(jī)器的啟動(dòng)功率。3.設(shè)計(jì)與設(shè)計(jì)的方法：v設(shè)計(jì)-應(yīng)用正確的基本原理和已有的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)

5、來(lái)創(chuàng)造發(fā)展新事物或改造舊事物。機(jī)器或機(jī)械零件的設(shè)計(jì)也符合這一概念。常用的設(shè)計(jì)機(jī)械零件的方法有以下幾種：v（1）.理論設(shè)計(jì)-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(shí)踐知識(shí)所進(jìn)行的設(shè)計(jì)，使用理論力學(xué)、材料力學(xué)、機(jī)械原理、金屬學(xué)等課程的知識(shí)。理論設(shè)計(jì)的計(jì)算過(guò)程分為：va.設(shè)計(jì)計(jì)算在零件尺寸尚未決定之前，根據(jù)載荷情況，由計(jì)算公式直接求出零件的幾何尺寸的過(guò)程叫設(shè)計(jì)計(jì)算。v設(shè)計(jì)計(jì)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(shí)，這個(gè)規(guī)律在實(shí)際設(shè)計(jì)中，一般表現(xiàn)為簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)關(guān)系。如：在計(jì)算受拉伸載荷的直桿剖面面積時(shí)，可直接引用材料力學(xué)公式：fp/pv式中：f直桿的剖面面積； p直

6、桿承受拉伸載荷； p直桿材料的許用拉伸應(yīng)力。vb.校核計(jì)算先根據(jù)其他方法，（如按經(jīng)驗(yàn)、規(guī)范近似地計(jì)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(xiǎn)剖面的安全系數(shù)計(jì)算值。這個(gè)計(jì)算過(guò)程叫校核計(jì)算。v 校核計(jì)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(lái)的零件設(shè)計(jì)中，也用于應(yīng)力分布規(guī)律雖簡(jiǎn)單，但其計(jì)算數(shù)據(jù)又須在零件尺寸已知時(shí)才能決定的情況下。如軸的設(shè)計(jì)、彈簧的設(shè)計(jì)是這樣進(jìn)行的。v 有時(shí)有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)工作者，在設(shè)計(jì)某些零件時(shí)，雖然已經(jīng)具備進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算的條件，但是，為了簡(jiǎn)化計(jì)算手續(xù)，也常根據(jù)有關(guān)資料或粗略估計(jì)，直接進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，然后采用校核計(jì)算。v 由于理論設(shè)計(jì)是在闡明了材料性能及應(yīng)

7、力分布規(guī)律的基礎(chǔ)上所進(jìn)行的設(shè)計(jì)，因而它是比較科學(xué)和先進(jìn)的方法。它是在大量的感性知識(shí)的基礎(chǔ)上總結(jié)出來(lái)的設(shè)計(jì)規(guī)律。所以，對(duì)于一切重要的零件，都應(yīng)盡可能地采用理論設(shè)計(jì)。v 隨著科技的發(fā)展，理論設(shè)計(jì)的方法不斷改善和變化。但是，理論設(shè)計(jì)還會(huì)有不完善的地方，所以，也不應(yīng)當(dāng)將書(shū)本的理論設(shè)計(jì)方法看作是絕對(duì)完善的方法。v（2）.經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)-根據(jù)某類零件已有的設(shè)計(jì)與使用經(jīng)驗(yàn)而總結(jié)出來(lái)的經(jīng)驗(yàn)公式，或根據(jù)設(shè)計(jì)者本人的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，采用類比的辦法所進(jìn)行的設(shè)計(jì)叫經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)。v 雖然經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)沒(méi)有詳盡的理論化的科學(xué)分析作為依據(jù)，但經(jīng)驗(yàn)公式的形成，已經(jīng)具有一定的科學(xué)統(tǒng)計(jì)性。因此，具有很大的實(shí)用價(jià)值。另外，由于它也是由實(shí)踐中總結(jié)出來(lái)的經(jīng)

8、驗(yàn)關(guān)系，因而它也能經(jīng)得起實(shí)踐的考驗(yàn)，在實(shí)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(jì)中。例如，機(jī)架、變速箱體的設(shè)計(jì)等。經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)正是用在理論設(shè)計(jì)薄弱的地方，并且是理論設(shè)計(jì)的前身。此外，對(duì)一些價(jià)值不高的零件也通常采用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法。v（3）.模型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)-對(duì)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(shí)尚不足以進(jìn)行詳盡分析，采用模型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法。也就是說(shuō)，將初步設(shè)計(jì)的零件或部件做出模型，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，再根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果加以修改，這樣的過(guò)程叫模型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)方法是借助于實(shí)驗(yàn)來(lái)彌補(bǔ)理論的不足，同時(shí)，也消除了經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)中不夠科學(xué)的成分。它用于大型重要的零件

9、或部件。v 模型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能夠決定復(fù)雜零件中工作應(yīng)力的分布實(shí)況和零件的極限承受能力，能較經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)而設(shè)計(jì)出來(lái)的結(jié)構(gòu)更加合理，這個(gè)方法是使經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為理論設(shè)計(jì)的途徑之一。v 必須強(qiáng)調(diào)，設(shè)計(jì)方法是理論和實(shí)踐相結(jié)合的具體體現(xiàn)，設(shè)計(jì)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(shí)際或是忽視理論的設(shè)計(jì)，都會(huì)給工作帶來(lái)不良的影響，甚至帶來(lái)不可彌補(bǔ)的損失。4. 機(jī)械零件設(shè)計(jì)計(jì)算的理論基礎(chǔ)：v 機(jī)械零件設(shè)計(jì)計(jì)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(méi)有以充分的理論為根據(jù)而擬訂的磨損設(shè)計(jì)方法。因而絕

10、大多數(shù)零件都是按照強(qiáng)度及疲勞壽命作為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)的。5. 機(jī)械零件的結(jié)構(gòu)工藝性：v 在機(jī)械零件及整臺(tái)機(jī)器的設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)計(jì)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(tái)機(jī)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就是要決定零件及機(jī)器的各個(gè)部分的形狀、尺寸、尺寸的配合及制造精度等，并繪制圖紙。計(jì)算工作是從使用要求出發(fā)，通過(guò)計(jì)算保證了零件的強(qiáng)度、剛度及壽命等要求；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是從經(jīng)濟(jì)、 工藝、使用、檢修、維護(hù)等要求出發(fā)，保證能設(shè)計(jì)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(jī)器。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是保證零件及機(jī)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(jì)要點(diǎn)-v鑄造零

11、件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要從以下八點(diǎn)考慮：v壁厚鑄件的壁厚，除了應(yīng)滿足強(qiáng)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(gè)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(guò)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(guò)渡結(jié)構(gòu) （如圖5-1）。圖5-1v鑄造斜度垂直于分型面的表面應(yīng)有斜度，以利造型。對(duì)于黑色金屬，斜度通常采用1:251:40；對(duì)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5-2v為了增加鑄造零件的剛度，常采用加強(qiáng)肋。肋的厚度取為所固連的壁厚的80100%。v設(shè)計(jì)受彎曲應(yīng)力的鑄鐵件時(shí)，應(yīng)使剖面

12、的中性軸靠近受拉伸的一邊，以充分發(fā)揮鑄鐵的壓縮強(qiáng)度高于拉伸強(qiáng)度的特點(diǎn)。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(jì)要點(diǎn)-v 鍛造零件的結(jié)構(gòu)必須很簡(jiǎn)單，沒(méi)有很深的溝槽。利用鍛模時(shí)，零件上要有適當(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(jī)械加工對(duì)零件結(jié)構(gòu)的影響-v機(jī)械加工對(duì)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(jī)械加工工時(shí)。v零件盡可能用圓柱、圓錐及平面等簡(jiǎn)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

13、面。v改善零件的結(jié)構(gòu)，使其簡(jiǎn)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(dá)到的部位（如圖5-5）。圖5-4圖5-5v在車(chē)、磨、銑等表面上，要留下足夠的退刀槽和退出砂輪槽（如圖5-6）。圖5-6v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(biāo)準(zhǔn)種類（如圖5-8）。v（4）.裝配工藝對(duì)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(duì)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(jì)尤其重要。舉例說(shuō)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(dòng)的空間（

14、如圖5-12）。v零件設(shè)計(jì)必須使能完全避免安裝時(shí)的錯(cuò)誤（如圖5-13）。圖5-12圖5-13v（5）.從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面提高零件強(qiáng)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(jì)來(lái)提高零件強(qiáng)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(zhǎng)桿盡可能設(shè)計(jì)成受拉伸載荷，避免壓縮載荷。b.使零件受力對(duì)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(jì)方

15、面節(jié)約零件材料的措施-v 從合理地設(shè)計(jì)零件的結(jié)構(gòu)形狀方面來(lái)節(jié)約材料，其潛力是很大的。每個(gè)設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)機(jī)器及零件時(shí)，都應(yīng)千方百計(jì)地使所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)在滿足使用及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(jì)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(dòng)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(lái)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(jià)值昂貴的材料，如圖5-16 所示。v（7）.毛坯的選擇-v 設(shè)計(jì)零件時(shí)，要考慮用什么方法來(lái)獲得毛坯。這對(duì)節(jié)約材料、制造方便、使用性能等有很大的影響

16、。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?？傮w是取決于經(jīng)濟(jì)因素。毛坯制造方法尺寸或重量形狀的復(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(jī)器造型到250kg同上較上簡(jiǎn)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(jī)械加工的小批量主要毛坯制造方法的特性毛坯制造方法

17、尺寸或重量形狀的復(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(jiǎn)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(jiǎn)單1.0-0.25光滑鋼材直徑25mm從型材上切割型材-簡(jiǎn)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(jí)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(biāo)準(zhǔn)：v 選擇精度時(shí)，應(yīng)考慮使用要求與經(jīng)濟(jì)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(dòng)不大于0.02mm；另一方面從經(jīng)濟(jì)性的觀點(diǎn)看，卻是精度越低越好。v 根據(jù)統(tǒng)計(jì)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 由此可見(jiàn)