机械零件的结构设计（PPT42页)

机械零件的结构设计1.机器设计的基本原则：机械零件是组成机器的基本要素，研究机械零件的设计，就要简络地讨论机器的基本设计原则。虽然机器的分类很多，但设计所遵循的原则是相同的。（1）.必须满足对机器提出的使用要求：首先，设计的机器应能有效地完成预定的使用目的；其次，必须使设计的机器能可靠地工作，就要求机械零件的设计必须满足基本的强度、刚度、寿命、精确度及稳定性等。（2）.所设计的机器应能最大限度地满足经济性的原则：机器的经济性是一个综合的指标，表现在设计、制造、使用的整个过程中。设计、制造的经济性表现在设计及制造成本的降低；使用的经济性表现为高生产率、高效率，维护费用低廉。因此，在设计时应综合考虑。（3）.必须特别关心机器操作者的劳动保护：设计机器时，首先，必须特别注意技术安全问题；其次，要尽可能地改善操作者的劳动条件；另外，对机器的外形美观也应注意。（4）.满足其他的特殊要求：如机床有长期保持精度的要求；对大型机器有便于运输的要求；对水泵有长期保持性能的要求等。2.设计机械零件时应满足的基本要求：（1）.强度---零件必须具有足够的强度，强度是设计一切机械零件及机器的最基本的要求。当机器工作时，零件承受载荷后，即不能发生任何形式的断裂，也不能出现超过容许限度的残余变形。设计时原则上可以采用以下措施：采用强度性能高的材料；使零件具有足够的剖面尺寸；合理地设计剖面形状；采用热处理等工艺方法以提高材料的强度特性；提高运动零件的精度，以降低动载荷；合理设计零件的结构，以降低载荷集中和应力集中等。（2）.刚度---零件承受载荷时抵抗产生弹性变形的能力。实践证明，凡是能满足刚度要求的零件，强度一般是没有问题的。这是由于按刚度计算的零件剖面尺寸，往往大于按强度计算所得的尺寸。刚度可分为两种，一种是由于两个零件接合间有间隙，在载荷作用后，两个零件的相互位置和设计的相互位置发生偏差，这种叫做接触刚度；另一种是零件本身在载荷作用下发生的伸长、缩短、挠曲和扭转等弹性变形，叫做变形刚度。（3）.寿命---此要求与强度有一定的联系。零件开始工作时，虽能满足强度的要求，但是，工作一定时期后，却可能丧失强度。这个要求通常是针对有相对运动的零件，或在工作时产生变应力的零件提出的。影响零件工作寿命的主要因素有：一是零件的磨损；二是零件材料的疲劳；三是高温时零件材料的蠕变。（4）.工艺性---机械零件要具有良好的工艺性，是指那些在即定的生产条件下，能用最少的资金消耗，制造出能满足使用及技术要求的零件。花钱少、制造容易、满足使用及技术要求是零件工艺性的三个方面。（5）.重量小---减轻机械零件和机器的重量有两方面的好处：一是可以节约材料；二是对运动的零件，可以减小惯性，减小机器的启动功率。3.设计与设计的方法：设计---应用正确的基本原理和已有的实践经验来创造发展新事物或改造旧事物。机器或机械零件的设计也符合这一概念。常用的设计机械零件的方法有以下几种：（1）.理论设计---是根据人们已经掌握了的合乎客观规律的理论及实践知识所进行的设计，使用理论力学、材料力学、机械原理、金属学等课程的知识。理论设计的计算过程分为：A.设计计算——在零件尺寸尚未决定之前，根据载荷情况，由计算公式直接求出零件的几何尺寸的过程叫设计计算。设计计算的必要条件是：载荷情况、材料性能、和零件工作情况，以及应力分布规律，同时，这个规律在实际设计中，一般表现为简单的数学关系。如：在计算受拉伸载荷的直杆剖面面积时，可直接引用材料力学公式：F≥P/〔σ〕p式中：F——直杆的剖面面积；P——直杆承受拉伸载荷；〔σ〕p——直杆材料的许用拉伸应力。B.校核计算——先根据其他方法，（如按经验、规范近似地计算）初步定出零件的尺寸及形状，然后，用理论的方法校核零件危险剖面的安全系数计算值。这个计算过程叫校核计算。校核计算多用于应力分布规律复杂，但又能用材料力学的公式表示出来的零件设计中，也用于应力分布规律虽简单，但其计算数据又须在零件尺寸已知时才能决定的情况下。如轴的设计、弹簧的设计是这样进行的。有时有经验的设计工作者，在设计某些零件时，虽然已经具备进行设计计算的条件，但是，为了简化计算手续，也常根据有关资料或粗略估计，直接进行结构设计，然后采用校核计算。由于理论设计是在阐明了材料性能及应力分布规律的基础上所进行的设计，因而它是比较科学和先进的方法。它是在大量的感性知识的基础上总结出来的设计规律。所以，对于一切重要的零件，都应尽可能地采用理论设计。随着科技的发展，理论设计的方法不断改善和变化。但是，理论设计还会有不完善的地方，所以，也不应当将书本的理论设计方法看作是绝对完善的方法。（2）.经验设计---根据某类零件已有的设计与使用经验而总结出来的经验公式，或根据设计者本人的设计经验，采用类比的办法所进行的设计叫经验设计。虽然经验设计没有详尽的理论化的科学分析作为依据，但经验公式的形成，已经具有一定的科学统计性。因此，具有很大的实用价值。另外，由于它也是由实践中总结出来的经验关系，因而它也能经得起实践的考验，在实践中证明是正确的。通常用于外形复杂、载荷情况不明而目前尚不能用理论分析的零件设计中。例如，机架、变速箱体的设计等。经验设计正是用在理论设计薄弱的地方，并且是理论设计的前身。此外，对一些价值不高的零件也通常采用经验设计的方法。（3）.模型实验设计---对于一些巨大的、结构复杂而重要的零件和部件，现有的理论知识尚不足以进行详尽分析，采用模型实验设计的方法。也就是说，将初步设计的零件或部件做出模型，经过实验，再根据实验结果加以修改，这样的过程叫模型实验设计。这种设计方法是借助于实验来弥补理论的不足，同时，也消除了经验设计中不够科学的成分。它用于大型重要的零件或部件。模型实验设计能够决定复杂零件中工作应力的分布实况和零件的极限承受能力，能较经验设计而设计出来的结构更加合理，这个方法是使经验设计转化为理论设计的途径之一。必须强调，设计方法是理论和实践相结合的具体体现，设计工作是创造性的工作，必须和科学分析紧密结合。任何脱离实际或是忽视理论的设计，都会给工作带来不良的影响，甚至带来不可弥补的损失。4.机械零件设计计算的理论基础：机械零件设计计算的原则及方法是根据零件的失效方式决定的。通常零件的失效方式主要为各种各样的破坏（如脆性断裂、塑性变形、尤其是整体的或表面的疲劳破坏）和磨损。现在，还没有以充分的理论为根据而拟订的磨损设计方法。因而绝大多数零件都是按照强度及疲劳寿命作为设计基础的。5.机械零件的结构工艺性：在机械零件及整台机器的设计过程中，设计计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台机器的结构设计。结构设计就是要决定零件及机器的各个部分的形状、尺寸、尺寸的配合及制造精度等，并绘制图纸。计算工作是从使用要求出发，通过计算保证了零件的强度、刚度及寿命等要求；结构设计主要是从经济、工艺、使用、检修、维护等要求出发，保证能设计出用料最少、最便宜、最容易制造与装配的零件，以及使用、检修都是最便宜的机器。因此，结构设计是保证零件及机器具有良好工艺性及使用性的决定阶段。（1）.铸造零件结构设计要点---铸造零件的结构设计，主要从以下八点考虑：①壁厚——铸件的壁厚，除了应满足强度、刚度的要求外，还要考虑到铸造的可能。②圆角——为了消灭铸造缺陷及易于造型，在铸件两个面的交界处通常采用圆角结构，圆角半径视壁厚的大小而增减。③不同壁厚处的过度结构——为了避免在铸件中产生缩孔，必须采用必要的过渡结构（如图5-1）。图5-1④铸造斜度——垂直于分型面的表面应有斜度，以利造型。对于黑色金属，斜度通常采用1:25～1:40；对于有色金属为1:100。⑤要尽可能地避免使造型发生困难的死角（如图5-2）。图5-2⑥为了增加铸造零件的刚度，常采用加强肋。肋的厚度取为所固连的壁厚的80～100%。⑦设计受弯曲应力的铸铁件时，应使剖面的中性轴靠近受拉伸的一边，以充分发挥铸铁的压缩强度高于拉伸强度的特点。⑧铸造零件内腔的壁，由于冷却较慢，故应做得薄些。通常将其壁厚较外壁减少15～20%。（2）.锻造及冲压零件结构设计要点---锻造零件的结构必须很简单，没有很深的沟槽。利用锻模时，零件上要有适当的斜度及圆角。冲压零件上的弯边大小须在材料韧性所允许的限度以内。此外，零件的形状必须以最充分地利用板材为原则。（3）.机械加工对零件结构的影响---机械加工对零件结构提出如下要求：①尽可能减小加工面积，以缩短机械加工工时。②零件尽可能用圆柱、圆锥及平面等简单几何形状组成，并且各面最好相互平行或垂直，避免特殊的几何形状及相互倾斜的加工面。③改善零件的结构，使其简化加工工序（如图5-3）。④零件必须具有足够的刚度，以免加工变形（如图5-4）。⑤零件加工工具难以达到的部位（如图5-5）。图5-4图5-5⑥在车、磨、铣等表面上，要留下足够的退刀槽和退出砂轮槽（如图5-6）。图5-6⑦要保证刀具能有最方便的工作条件，以便提高生产率（如图5-7）。⑧如果可能，在同一零件上应采用最少的尺寸种类及标准种类（如图5-8）。（4）.装配工艺对零件结构的影响---①要保证零件能方便迅速地安装及拆卸；对于经常要拆卸检修的部件，其零件结构的合理设计尤其重要。举例说明（如图5-9，图5-10，图5-11）。②装置螺栓处要留出足够的可供扳手活动的空间（如图5-12）。③零件设计必须使能完全避免安装时的错误（如图5-13）。图5-12图5-13（5）.从结构设计方面提高零件强度的措施---原则上讲，从结构上保证降低作用在零件上的力,改善零件的受力状态，以及降低由于零件形状而引起的应力集中因素等，是从改善零件的结构设计来提高零件强度的重要途径。①减轻作用力。改变零件结构形式以降低作用力，如图5-14所示，改变皮带轮的结构就可以降低作用在轴上的弯矩。②改善零件受力及应力状态。其办法：A.长杆尽可能设计成受拉伸载荷，避免压缩载荷。B.使零件受力对称及均匀，减少偏心力矩的作用。③降低应力集中因素，采用圆角及卸载槽等办法。（6）从结构设计方面节约零件材料的措施---从合理地设计零件的结构形状方面来节约材料，其潜力是很大的。每个设计者在设计机器及零件时，都应千方百计地使所设计的结构在满足使用及工艺要求的情况下尽可能的少用材料。从零件的结构设计方面节约材料的途径：①合理地减小各种零件的尺寸，尤其是传动零件的外廓尺寸，这是最基本的措施；②尽可能地使用薄壁铸件，在不受力的地方以板材冲压件来代替沉重的铸件；③用棒料做成的零件应尽可能地做成小直径的，如图5-15所示；④只有在必须的地方才使用价值昂贵的材料，如图5-16所示。（7）.毛坯的选择---设计零件时，要考虑用什么方法来获得毛坯。这对节约材料、制造方便、使用性能等有很大的影响。毛坯制造方法的选择，一般是取决于零件批量的大小、材料性能以及加工的可能性等因素。总体是取决于经济因素。毛坯制造方法尺寸或重量形状的复杂程度毛坯尺寸偏差（mm）表面质量使用材料生产类型最大最小手工砂型铸造不限壁厚3-5mm最复杂1-10取决于尺寸大小极粗糙铸钢、铸铁、有色金属单件或小批量机器造型到250kg同上较上简单1-2粗糙同上大批量刮板造型砂型铸造不限同上用于旋转体4-15取决于尺寸大小极粗糙同上单件或小批量离心铸造到200kg同上用于旋转体1-8取决于尺寸大小光滑同上大批量精密铸造不限壁厚1mm极复杂0.05-0.15mm极光滑用于不能机械加工的小批量主要毛坯制造方法的特性毛坯制造方法尺寸或重量形状的复杂程度毛坯尺寸偏差（mm）表面质量使用材料生产类型最大最小压力铸造10-16kg壁厚1mm受模型制造的可能性0.2同上一般用于铝、铜及其合金大批量自由锻造不限--简单1.5-2.5极粗糙碳钢单件或小批量锤下锻模到100kg壁厚2.5mm受模型制造的可能性0.4=-2.5粗糙碳钢中批及大量板材冲压厚15mm厚