機械零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計

機械零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計第1頁，共43頁。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。第2頁，共43頁。（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。第3頁，共43頁。（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。第4頁，共43頁。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。第5頁，共43頁。（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。第6頁，共43頁。（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。第7頁，共43頁。（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。花錢少、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。第8頁，共43頁。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：第9頁，共43頁。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。第10頁，共43頁。B.校核計算——先根據(jù)其他方法，（如按經(jīng)驗、規(guī)范近似地計算）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剖面的安全系數(shù)計算值。這個計算過程叫校核計算。校核計算多用于應(yīng)力分布規(guī)律復(fù)雜，但又能用材料力學(xué)的公式表示出來的零件設(shè)計中，也用于應(yīng)力分布規(guī)律雖簡單，但其計算數(shù)據(jù)又須在零件尺寸已知時才能決定的情況下。如軸的設(shè)計、彈簧的設(shè)計是這樣進行的。第11頁，共43頁。有時有經(jīng)驗的設(shè)計工作者，在設(shè)計某些零件時，雖然已經(jīng)具備進行設(shè)計計算的條件，但是，為了簡化計算手續(xù)，也常根據(jù)有關(guān)資料或粗略估計，直接進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，然后采用校核計算。由于理論設(shè)計是在闡明了材料性能及應(yīng)力分布規(guī)律的基礎(chǔ)上所進行的設(shè)計，因而它是比較科學(xué)和先進的方法。它是在大量的感性知識的基礎(chǔ)上總結(jié)出來的設(shè)計規(guī)律。所以，對于一切重要的零件，都應(yīng)盡可能地采用理論設(shè)計。隨著科技的發(fā)展，理論設(shè)計的方法不斷改善和變化。但是，理論設(shè)計還會有不完善的地方，所以，也不應(yīng)當將書本的理論設(shè)計方法看作是絕對完善的方法。第12頁，共43頁。（2）.經(jīng)驗設(shè)計---根據(jù)某類零件已有的設(shè)計與使用經(jīng)驗而總結(jié)出來的經(jīng)驗公式，或根據(jù)設(shè)計者本人的設(shè)計經(jīng)驗，采用類比的辦法所進行的設(shè)計叫經(jīng)驗設(shè)計。雖然經(jīng)驗設(shè)計沒有詳盡的理論化的科學(xué)分析作為依據(jù)，但經(jīng)驗公式的形成，已經(jīng)具有一定的科學(xué)統(tǒng)計性。因此，具有很大的實用價值。另外，由于它也是由實踐中總結(jié)出來的經(jīng)驗關(guān)系，因而它也能經(jīng)得起實踐的考驗，在實踐中證明是正確的。第13頁，共43頁。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)計中。例如，機架、變速箱體的設(shè)計等。經(jīng)驗設(shè)計正是用在理論設(shè)計薄弱的地方，并且是理論設(shè)計的前身。此外，對一些價值不高的零件也通常采用經(jīng)驗設(shè)計的方法。第14頁，共43頁。（3）.模型實驗設(shè)計---對于一些巨大的、結(jié)構(gòu)復(fù)雜而重要的零件和部件，現(xiàn)有的理論知識尚不足以進行詳盡分析，采用模型實驗設(shè)計的方法。也就是說，將初步設(shè)計的零件或部件做出模型，經(jīng)過實驗，再根據(jù)實驗結(jié)果加以修改，這樣的過程叫模型實驗設(shè)計。這種設(shè)計方法是借助于實驗來彌補理論的不足，同時，也消除了經(jīng)驗設(shè)計中不夠科學(xué)的成分。它用于大型重要的零件或部件。第15頁，共43頁。模型實驗設(shè)計能夠決定復(fù)雜零件中工作應(yīng)力的分布實況和零件的極限承受能力，能較經(jīng)驗設(shè)計而設(shè)計出來的結(jié)構(gòu)更加合理，這個方法是使經(jīng)驗設(shè)計轉(zhuǎn)化為理論設(shè)計的途徑之一。必須強調(diào)，設(shè)計方法是理論和實踐相結(jié)合的具體體現(xiàn)，設(shè)計工作是創(chuàng)造性的工作，必須和科學(xué)分析緊密結(jié)合。任何脫離實際或是忽視理論的設(shè)計，都會給工作帶來不良的影響，甚至帶來不可彌補的損失。第16頁，共43頁。4.機械零件設(shè)計計算的理論基礎(chǔ)：機械零件設(shè)計計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，還沒有以充分的理論為根據(jù)而擬訂的磨損設(shè)計方法。因而絕大多數(shù)零件都是按照強度及疲勞壽命作為設(shè)計基礎(chǔ)的。第17頁，共43頁。5.機械零件的結(jié)構(gòu)工藝性：在機械零件及整臺機器的設(shè)計過程中，設(shè)計計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機器的結(jié)構(gòu)設(shè)計。結(jié)構(gòu)設(shè)計就是要決定零件及機器的各個部分的形狀、尺寸、尺寸的配合及制造精度等，并繪制圖紙。計算工作是從使用要求出發(fā)，通過計算保證了零件的強度、剛度及壽命等要求；結(jié)構(gòu)設(shè)計主要是從經(jīng)濟、第18頁，共43頁。工藝、使用、檢修、維護等要求出發(fā)，保證能設(shè)計出用料最少、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器。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計是保證零件及機器具有良好工藝性及使用性的決定階段。第19頁，共43頁。（1）.鑄造零件結(jié)構(gòu)設(shè)計要點---鑄造零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計，主要從以下八點考慮：①壁厚——鑄件的壁厚，除了應(yīng)滿足強度、剛度的要求外，還要考慮到鑄造的可能。②圓角——為了消滅鑄造缺陷及易于造型，在鑄件兩個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。③不同壁厚處的過度結(jié)構(gòu)——為了避免在鑄件中產(chǎn)生縮孔，必須采用必要的過渡結(jié)構(gòu)（如圖5-1）。圖5-1第20頁，共43頁。④鑄造斜度——垂直于分型面的表面應(yīng)有斜度，以利造型。對于黑色金屬，斜度通常采用1:25～1:40；對于有色金屬為1:100。⑤要盡可能地避免使造型發(fā)生困難的死角（如圖5-2）。圖5-2第21頁，共43頁。⑥為了增加鑄造零件的剛度，常采用加強肋。肋的厚度取為所固連的壁厚的80～100%。⑦設(shè)計受彎曲應(yīng)力的鑄鐵件時，應(yīng)使剖面的中性軸靠近受拉伸的一邊，以充分發(fā)揮鑄鐵的壓縮強度高于拉伸強度的特點。⑧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15～20%。第22頁，共43頁。（2）.鍛造及沖壓零件結(jié)構(gòu)設(shè)計要點---鍛造零件的結(jié)構(gòu)必須很簡單，沒有很深的溝槽。利用鍛模時，零件上要有適當?shù)男倍燃皥A角。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。第23頁，共43頁。（3）.機械加工對零件結(jié)構(gòu)的影響---機械加工對零件結(jié)構(gòu)提出如下要求：①盡可能減小加工面積，以縮短機械加工工時。②零件盡可能用圓柱、圓錐及平面等簡單幾何形狀組成，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面。③改善零件的結(jié)構(gòu)，使其簡化加工工序（如圖5-3）。第24頁，共43頁。④零件必須具有足夠的剛度，以免加工變形（如圖5-4）。⑤零件加工工具難以達到的部位（如圖5-5）。圖5-4圖5-5第25頁，共43頁。⑥在車、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5-6第26頁，共43頁。⑦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）。第27頁，共43頁。⑧如果可能，在同一零件上應(yīng)采用最少的尺寸種類及標準種類（如圖5-8）。第28頁，共43頁。（4）.裝配工藝對零件結(jié)構(gòu)的影響---①要保證零件能方便迅速地安裝及拆卸；對于經(jīng)常要拆卸檢修的部件，其零件結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計尤其重要。舉例說明（如圖5-9，圖5-10，圖5-11）。第29頁，共43頁。第30頁，共43頁。②裝置螺栓處要留出足夠的可供扳手活動的空間（如圖5-12）。③零件設(shè)計必須使能完全避免安裝時的錯誤（如圖5-13）。圖5-12圖5-13第31頁，共43頁。（5）.從結(jié)構(gòu)設(shè)計方面提高零件強度的措施---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)計來提高零件強度的重要途徑。①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。第32頁，共43頁。②改善零件受力及應(yīng)力狀態(tài)。其辦法：A.長桿盡可能設(shè)計成受拉伸載荷，避免壓縮載荷。B.使零件受力對稱及均勻，減少偏心力矩的作用。③降低應(yīng)力集中因素，采用圓角及卸載槽等辦法。第33頁，共43頁。（6）從結(jié)構(gòu)設(shè)計方面節(jié)約零件材料的措施---從合理地設(shè)計零件的結(jié)構(gòu)形狀方面來節(jié)約材料，其潛力是很大的。每個設(shè)計者在設(shè)計機器及零件時，都應(yīng)千方百計地使所設(shè)計的結(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。從零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計方面節(jié)約材料的途徑：①合理地減小各種零件的尺寸，尤其是傳動零件的外廓尺寸，這是最基本的措施；②盡可能地使用薄壁鑄件，在不受力的地方以板材沖壓件來代替沉重的鑄件；第34頁，共43頁。③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；④只有在必須的地方才使用價值昂貴的材料，如圖5-16所示。第35頁，共43頁。（7）.毛坯的選擇---設(shè)計零件時，要考慮用什么方法來獲得毛坯。這對節(jié)約材料、制造方便、使用性能等有很大的影響。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)濟因素。第36頁，共43頁。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制造方法的特性第37頁，共43頁。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、大量第38頁，共43頁。（8）.零件某些部位的制造精度和表面粗糙度等級的選擇---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。通用的選擇標準：選擇精度時，應(yīng)考慮使用要求與經(jīng)濟要求。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)保證軸徑的跳動不大于0.02mm；另一方面從經(jīng)濟性的觀點看，卻是精度越低越好。第39頁，共43頁。根據(jù)統(tǒng)計資料可知，在制造精度和制造成本之間存在著如圖5-17的關(guān)系。由此可見，設(shè)計機器零件時，要在滿足使用要求的前提下，選用低的精度等級是必須遵循的原則。選定某種精度等級，就決定了該零件的機械加工方法。第40頁，共43頁。零件的表面粗糙度與尺寸精度之間并不存在著必然的聯(lián)系。A.表面粗糙度要求高，尺寸精度不一定高。如制造粗糙度樣塊的尺寸精度是很低的，但是