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：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。（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。（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。（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。（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?；對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：（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。設(shè)計時原則上可以采用以下措施：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。（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。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；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，叫做變形剛度。（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。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。（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?；ㄥX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。（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；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：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：（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：A.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。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：F≥P/〔σ〕p式中：F——直桿的剖面面積；P——直桿承受拉伸載荷；〔σ〕p——直桿材料的許用拉伸應(yīng)力。B.校核計計算——先先根據(jù)其他他方法，（（如按經(jīng)驗驗、規(guī)范近近似地計算算）初步定定出零件的的尺寸及形形狀，然后后，用理論論的方法校校核零件危危險剖面的的安全系數(shù)數(shù)計算值。。這個計算算過程叫校校核計算。。校核計算多多用于應(yīng)力力分布規(guī)律律復(fù)雜，但但又能用材材料力學(xué)的的公式表示示出來的零零件設(shè)計中中，也用于于應(yīng)力分布布規(guī)律雖簡簡單，但其其計算數(shù)據(jù)據(jù)又須在零零件尺寸已已知時才能能決定的情情況下。如如軸的設(shè)計計、彈簧的的設(shè)計是這這樣進行的的。有時有經(jīng)驗驗的設(shè)計工工作者，在在設(shè)計某些些零件時，，雖然已經(jīng)經(jīng)具備進行行設(shè)計計算算的條件，，但是，為為了簡化計計算手續(xù)，，也常根據(jù)據(jù)有關(guān)資料料或粗略估估計，直接接進行結(jié)構(gòu)構(gòu)設(shè)計，然然后采用校校核計算。。由于理論設(shè)設(shè)計是在闡闡明了材料料性能及應(yīng)應(yīng)力分布規(guī)規(guī)律的基礎(chǔ)礎(chǔ)上所進行行的設(shè)計，，因而它是是比較科學(xué)學(xué)和先進的的方法。它它是在大量量的感性知知識的基礎(chǔ)礎(chǔ)上總結(jié)出出來的設(shè)計計規(guī)律。所所以，對于于一切重要要的零件，，都應(yīng)盡可可能地采用用理論設(shè)計計。隨著科技的的發(fā)展，理理論設(shè)計的的方法不斷斷改善和變變化。但是是，理論設(shè)設(shè)計還會有有不完善的的地方，所所以，也不不應(yīng)當(dāng)將書書本的理論論設(shè)計方法法看作是絕絕對完善的的方法。（2）.經(jīng)經(jīng)驗設(shè)計---根據(jù)據(jù)某類零件件已有的設(shè)設(shè)計與使用用經(jīng)驗而總總結(jié)出來的的經(jīng)驗公式式，或根據(jù)據(jù)設(shè)計者本本人的設(shè)計計經(jīng)驗，采采用類比的的辦法所進進行的設(shè)計計叫經(jīng)驗設(shè)設(shè)計。雖然經(jīng)驗設(shè)設(shè)計沒有詳詳盡的理論論化的科學(xué)學(xué)分析作為為依據(jù)，但但經(jīng)驗公式式的形成，，已經(jīng)具有有一定的科科學(xué)統(tǒng)計性性。因此，，具有很大大的實用價價值。另外外，由于它它也是由實實踐中總結(jié)結(jié)出來的經(jīng)經(jīng)驗關(guān)系，，因而它也也能經(jīng)得起起實踐的考考驗，在實實踐中證明明是正確的的。通常用于外外形復(fù)雜、、載荷情況況不明而目目前尚不能能用理論分分析的零件件設(shè)計中。。例如，機機架、變速速箱體的設(shè)設(shè)計等。經(jīng)經(jīng)驗設(shè)計正正是用在理理論設(shè)計薄薄弱的地方方，并且是是理論設(shè)計計的前身。。此外，對對一些價值值不高的零零件也通常常采用經(jīng)驗驗設(shè)計的方方法。（3）.模模型實驗設(shè)設(shè)計---對于一些些巨大的、、結(jié)構(gòu)復(fù)雜雜而重要的的零件和部部件，現(xiàn)有有的理論知知識尚不足足以進行詳詳盡分析，，采用模型型實驗設(shè)計計的方法。。也就是說說，將初步步設(shè)計的零零件或部件件做出模型型，經(jīng)過實實驗，再根根據(jù)實驗結(jié)結(jié)果加以修修改，這樣樣的過程叫叫模型實驗驗設(shè)計。這這種設(shè)計方方法是借助助于實驗來來彌補理論論的不足，，同時，也也消除了經(jīng)經(jīng)驗設(shè)計中中不夠科學(xué)學(xué)的成分。。它用于大大型重要的的零件或部部件。模型實驗設(shè)設(shè)計能夠決決定復(fù)雜零零件中工作作應(yīng)力的分分布實況和和零件的極極限承受能能力，能較較經(jīng)驗設(shè)計計而設(shè)計出出來的結(jié)構(gòu)構(gòu)更加合理理，這個方方法是使經(jīng)經(jīng)驗設(shè)計轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為理論論設(shè)計的途途徑之一。。必須強調(diào)，，設(shè)計方法法是理論和和實踐相結(jié)結(jié)合的具體體體現(xiàn)，設(shè)設(shè)計工作是是創(chuàng)造性的的工作，必必須和科學(xué)學(xué)分析緊密密結(jié)合。任任何脫離實實際或是忽忽視理論的的設(shè)計，都都會給工作作帶來不良良的影響，，甚至帶來來不可彌補補的損失。。4.機械械零件設(shè)計計計算的理理論基礎(chǔ)：：機械零件設(shè)設(shè)計計算的的原則及方方法是根據(jù)據(jù)零件的失失效方式?jīng)Q決定的。通通常零件的的失效方式式主要為各各種各樣的的破壞（如如脆性斷裂裂、塑性變變形、尤其其是整體的的或表面的的疲勞破壞壞）和磨損損?，F(xiàn)在，，還沒有以以充分的理理論為根據(jù)據(jù)而擬訂的的磨損設(shè)計計方法。因因而絕大多多數(shù)零件都都是按照強強度及疲勞勞壽命作為為設(shè)計基礎(chǔ)礎(chǔ)的。5.機機械械零件件的結(jié)結(jié)構(gòu)工工藝性性：在機械械零件件及整整臺機機器的的設(shè)計計過程程中，，設(shè)計計計算算只占占一部部分工工作量量，很很重要要的另另外一一部分分工作作量就就是零零件及及整臺臺機器器的結(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)設(shè)計。。結(jié)構(gòu)構(gòu)設(shè)計計就是是要決決定零零件及及機器器的各各個部部分的的形狀狀、尺尺寸、、尺寸寸的配配合及及制造造精度度等，，并繪繪制圖圖紙。。計算算工作作是從從使用用要求求出發(fā)發(fā)，通通過計計算保保證了了零件件的強強度、、剛度度及壽壽命等等要求求；結(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)設(shè)計主主要是是從經(jīng)經(jīng)濟、、工藝、、使用用、檢檢修、、維護護等要要求出出發(fā)，，保證證能設(shè)設(shè)計出出用料料最少少、最最便宜宜、最最容易易制造造與裝裝配的的零件件，以以及使使用、、檢修修都是是最便便宜的的機器器。因因此，，結(jié)構(gòu)構(gòu)設(shè)計計是保保證零零件及及機器器具有有良好好工藝藝性及及使用用性的的決定定階段段。（1））.鑄鑄造零零件結(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)設(shè)計要要點---鑄造零零件的的結(jié)構(gòu)構(gòu)設(shè)計計，主主要從從以下下八點點考慮慮：①壁厚厚———鑄件件的壁壁厚，，除了了應(yīng)滿滿足強強度、、剛度度的要要求外外，還還要考考慮到到鑄造造的可可能。。②圓角角———為了了消滅滅鑄造造缺陷陷及易易于造造型，，在鑄鑄件兩兩個面面的交交界處處通常常采用用圓角角結(jié)構(gòu)構(gòu)，圓圓角半半徑視視壁厚厚的大大小而而增減減。③不同壁壁厚處的的過度結(jié)結(jié)構(gòu)———為了避免免在鑄件件中產(chǎn)生生縮孔，，必須采用用必要的的過渡結(jié)結(jié)構(gòu)（如圖5-1））。圖5-1④鑄造斜斜度———垂直于于分型面面的表面面應(yīng)有斜斜度，以以利造型型。對于于黑色金金屬，斜斜度通常常采用1:25～1:40；；對于有有色金屬屬為1:100。⑤要盡可可能地避避免使造造型發(fā)生困難的的死角（（如圖5-2））。圖5-2⑥為了增增加鑄造造零件的的剛度，，常采用用加強肋肋。肋的的厚度取取為所固固連的壁壁厚的80～100%。⑦設(shè)計受受彎曲應(yīng)應(yīng)力的鑄鑄鐵件時時，應(yīng)使使剖面的的中性軸軸靠近受受拉伸的的一邊，，以充分分發(fā)揮鑄鑄鐵的壓壓縮強度度高于拉拉伸強度度的特點點。⑧鑄造零零件內(nèi)腔腔的壁，，由于冷冷卻較慢慢，故應(yīng)應(yīng)做得薄薄些。通通常將其其壁厚較較外壁減減少15～20%。（2）.鍛造及及沖壓零零件結(jié)構(gòu)構(gòu)設(shè)計要要點---鍛造零件件的結(jié)構(gòu)構(gòu)必須很很簡單，，沒有很很深的溝溝槽。利利用鍛模模時，零零件上要要有適當(dāng)當(dāng)?shù)男倍榷燃皥A角角。沖壓零件件上的彎彎邊大小小須在材材料韌性性所允許許的限度度以內(nèi)。。此外，，零件的的形狀必必須以最最充分地地利用板板材為原原則。（3）.機械加加工對零零件結(jié)構(gòu)構(gòu)的影響響---機械加工工對零件件結(jié)構(gòu)提提出如下下要求：：①盡可能能減小加加工面積積，以縮縮短機械械加工工工時。②零件盡盡可能用用圓柱、、圓錐及及平面等等簡單幾幾何形狀狀組成，，并且各各面最好好相互平平行或垂垂直，避避免特殊殊的幾何何形狀及及相互傾傾斜的加加工面。。③改善零零件的結(jié)結(jié)構(gòu)，使使其簡化化加工工工序（如如圖5-3）。。④零件必必須具有有足夠的的剛度，，以免加加工變形形（如圖圖5-4）。⑤零件加加工工具具難以達達到的部部位（如如圖5-5）。。圖5-4圖5-5⑥在車、、磨、銑銑等表面面上，要要留下足足夠的退退刀槽和和退出砂砂輪槽（（如圖5-6））。圖5-6⑦要保證證刀具能能有最方方便的工工作條件件，以便便提高生生產(chǎn)率（（如圖5-7））。⑧如果可可能，在在同一零零件上應(yīng)應(yīng)采用最最少的尺尺寸種類類及標準準種類（（如圖5-8））。（4）.裝配工工藝對零零件結(jié)構(gòu)構(gòu)的影響響---①要保證證零件能能方便迅迅速地安安裝及拆拆卸；對對于經(jīng)常常要拆卸卸檢修的的部件，，其零件件結(jié)構(gòu)的的合理設(shè)設(shè)計尤其其重要。。舉例說說明（如如圖5-9，圖圖5-10，圖圖5-11）。。②裝置螺螺栓處要要留出足足夠的可可供扳手手活動的的空間（（如圖5-12）。③零件設(shè)設(shè)計必須須使能完完全避免免安裝時時的錯誤誤（如圖圖5-13）。。圖5-12圖5-13（5）.從結(jié)構(gòu)構(gòu)設(shè)計方方面提高高零件強強度的措措施---原則上講講，從結(jié)結(jié)構(gòu)上保保證降低低作用在在零件上上的力,改善零零件的受受力狀態(tài)態(tài)，以及及降低由由于零件件形狀而而引起的的應(yīng)力集集中因素素等，是是從改善善零件的的結(jié)構(gòu)設(shè)設(shè)計來提提高零件件強度的的重要途途徑。①減輕作作用力。。改變零零件結(jié)構(gòu)形式式以降低低作用力力，如圖5-14所所示，改改變皮帶帶輪的結(jié)構(gòu)構(gòu)就可以以降低作作用在軸上的的彎矩。。②改善零零件受力力及應(yīng)力力狀態(tài)。。其辦法法：A.長桿桿盡可能能設(shè)計成成受拉伸伸載荷，，避免壓壓縮載荷荷。B.使零零件受力力對稱及及均勻，，減少偏偏心力矩矩的作用用。③降低應(yīng)應(yīng)力集中中因素，，采用圓圓角及卸卸載槽等等辦法。。（6）從從結(jié)構(gòu)設(shè)設(shè)計方面面節(jié)約零零件材料料的措施施---從合理地地設(shè)計零零件的結(jié)結(jié)構(gòu)形狀狀方面來來節(jié)約材材料，其其潛力是是很大的的。每個個設(shè)計者者在設(shè)計計機器及及零件時時，都應(yīng)應(yīng)千方百百計地使使所設(shè)計計的結(jié)構(gòu)構(gòu)在滿足足使用及及工藝要要求的情情況下盡盡可能的的少用材材料。從零件的的結(jié)構(gòu)設(shè)設(shè)計方面面節(jié)約材材料的途途徑：①合理地地減小各各種零件件的尺寸寸，尤其其是傳動動零件的的外廓尺尺寸，這這是最基基本的措措施；②盡可能能地使用用薄壁鑄鑄件，在在不受力力的地方方以板材材沖壓件件來代替替沉重的的鑄件；；③用棒料料做成的的零件應(yīng)應(yīng)盡可能能地做成成小直徑徑的，如如圖5-15所所示；④只有在在必須的的地方才才使用價值昂貴貴的材料料，如圖圖5-16所示。（7）.毛坯的的選擇---設(shè)計零件件時，要要考慮用用什么方方法來獲獲得毛坯坯。這對對節(jié)約材材料、制制造方便便、使用用性能等等有很大大的影響響。毛坯坯制造方方法的選選擇，一一般是取取決于零零件批量量的大小小、材料料性能以以及加工工的可能能性等因因素?？偪傮w是取取決于經(jīng)經(jīng)濟因素素。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坯制造方方法的特特性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（8）.零件某某些部位位的制造造精度和和表面粗粗糙度等等級的選選擇---零件某些些部位的的制造精精度的選選擇，主主要取決決于零件件本身的的工作條條件以及及與這些些部位相相連接的的零件的的精度。。通用的的選擇標標準