第15章-常用机械零件的结构设计

第15章常用机械零件结构设计华南理工大学14.1轴的结构设计14.2机架类零件的结构设计14.3机械部件的结构设计14.4机械结构的合理布置15.1轴的结构设计轴的结构设计任务为定出轴的合理外形和全部结构尺寸。轴的结构是由许多因素决定的（如轴在机器中的安装位置和形式；轴上安装零件的类型、尺寸、数量以及和轴联接的方式；轴所受载荷的性质、大小、方向及分布情况；轴的加工工艺等），轴的结构设计具有较大的灵活性和多变性。轴的结构设计原则上应满足：轴和装在轴上零件应有准确的工作位置；轴上零件要便于装拆；轴应具有良好的结构工艺性，能保证足够的强度和刚度；对高速传动轴或速度并不太高，但细而长的轴还应考虑振动稳定性。15.1.1拟定轴上零件的装配方案不同的装配方案可以得出轴的不同结构形式。设计时必须拟订几种不同的装配方案，以便进行分析对比与选择。装配方案：确定轴上零件的装配方向、顺序、相互关系。图15.1轴上零件的装配方案示例1．轴上零件的轴向定位（1）轴肩和轴环采用轴肩会使轴的直径加大，且因截面突变而引起应力集中，因此轴肩多用于轴向力较大的场合。轴肩和轴环的圆角半径r必须小于轴上零件毂孔端部的圆角半径R或倒角C，即rR或rC，定位轴肩的高度a=(0.07~0.1)d，d为零件相配处的轴径尺寸。非定位轴肩是为了加工和装配方便而设置的，其高度没有严格的规定，一般取为1~2mm。轴环宽度b一般可取b1.4a。轴肩的尺寸要求:rC或rRDdrDdC1rhhCDdrDdrRb图15.2轴肩和轴环的结构15.1.2轴上零件的定位与固定（2）套筒套筒定位一般用于轴上两个零件之间的定位。套筒定位结构简单、定位可靠，轴上不需开槽、钻孔和切制螺纹，因而不影响轴的疲劳强度。用套筒定位时，应使装零件的轴头长度比轮毂宽度短（2~3）mm，以保证轴向定位可靠。如两零件的间距较大时，不宜采用套筒定位，以免增大套筒的质量及材料用量。BLl1l2B-l1=2~3mm，(B+L)-(l1+l2)=2~3mm图15.3套筒定位（3）圆螺母圆螺母对轴上零件进行轴向固定，可承受较大的轴向力，但轴上螺纹处有较大的应力集中，会降低轴的疲劳强度，故一般用于固定轴端的零件，为防止松脱，常用双螺母（图15.4a）或圆螺母加止退垫圈防松（图15.4b）。双圆螺母(a)图15.4用圆螺母作轴向固定(b)止退垫圈（4）轴端挡圈轴端挡圈适用于轴端零件的固定，可承受较大的轴向力。图15.5轴端挡圈（5）弹性挡圈采用弹性挡圈定位结构简单紧凑，但只能承受很小的轴向力，常用于滚动轴承或光轴上零件的轴向定位。图15.6弹性挡圈（6）紧定螺钉用紧定螺钉固定轴上零件结构简单，只能承受很小的轴向力。图15.7紧定螺钉（7）轴承端盖轴承端盖用螺钉或榫槽与箱体联接而使滚动轴承的外圈得到轴向定位。在一般情况下，整根轴的轴向定位也常利用轴承端盖来实现。如图（图15.1）2．轴上零件的周向定位周向定位的目的是限制轴上零件与轴发生相对转动。常用的周向定位零件有键、花键、销、紧定螺钉以及过盈配合等，图15.7所示为轴毂联接的结构设计，用紧定螺钉做周向固定，只用在传力不大的场合。图15.8轴的合理结构工艺（1）为使轴上零件容易装配，轴端应有45的倒角。（2）当轴上有几个键槽时，应尽可能使各键槽布置在同一母线上，以便于键槽加工。15.1.3轴的结构工艺性轴的结构形式应便于加工和装配轴上的零件，在满足功能要求前提下，轴的结构应尽量简单。轴的结构工艺性对轴的强度有很大的影响，应采用下面合理的工艺措施：30˚r内凹圆角过渡肩环（3）为便于轴上零件装拆，轴常制成阶梯轴，相邻两轴段的直径相差不应过大，并应有圆角过渡，过渡圆角半径应尽可能大些，以减小应力集中。对定位轴肩，还必须保证零件得到可靠的定位。当依靠轴肩定位的零件的圆角半径很小时（如滚动轴承内圈的圆角），为了增大轴肩处的圆角半径，可采用内凹圆角或过度肩环（如图15.9所示）。图15.9增大轴肩过渡圆角半径的结构（4）需要磨削的轴段应有砂轮越程槽（图15.10a）；需要车制螺纹的轴段应有螺纹退刀槽（图15.10b）。(a)(b)图15.10砂轮越程槽和螺纹退刀槽（5）与标准件（如滚动轴承、联轴器、密封圈等）配合的轴段，应取为相应的标准值及所选配合的公差。（6）为使齿轮、轴承等有配合要求的零件装拆方便，并减少配合表面的擦伤，在配合轴段前应采用较小的直径。为使与轴作过盈配合的零件易于装配，相配轴段的压入端应制出锥度；或在同一轴段的两个部位上采用不同的尺寸公差。67rH67rH117dH图15.11轴的装配锥度图15.12采用不同的尺寸公差15.2机架类零件的结构设计机架类零件包括机器的底座、机架、箱体、底板等。机架类零件主要用于容纳、约束、支承机器和各种零件。机架类零件由于体积较大而且形状复杂，常采用铸造或焊接结构。机架类零件按其构造形式大体上归纳成四类：机座类、机架类、基板类、箱壳类。若按结构分类，则可分为整体机架和剖分机架；按其制造方法可分为铸造机架和焊接机架。(a)卧式机座(b)立式机座图15.13机架类零件构造形式(c)门式机座(d)环式机座图15.13机架类零件构造形式(e)桁架式机架(f)框架式机架图15.13机架类零件构造形式(g)台架式机架(h)基座及机板(i)减、变速器箱体图15.13机架类零件构造形式(j)盖及外罩对机架类零件的设计要求：由于机器的全部重量将通过机架传至基础上，并且还承受机器工作时的作用力，因此机架类零件应有足够的强度和刚度、有较高的精度、有比较合理的工艺性、有较好的尺寸稳定性和抗振性、结构设计合理、外形美观，对于带有缸体、导轨等的机架零件，还应有良好的耐磨性，此外还要考虑到吊装、附件安装等问题。15.2.1铸造机架零件的结构设计1．截面形状的合理选择几种截面面积相等而形状不同的机架零件在弯曲刚度、弯曲强度、扭转强度、扭转刚度等方面的比较可参考表15.1、表15.2。主要受弯曲的机架以选用工字形截面为最好，而板块截面最差。主要受扭转的机架以选择空心矩形截面为最佳方案，而且在这种截面的机架上较易安装其他零部件，实际工程中大多采用这种截面形状。为了得到最大的弯曲刚度和扭转刚度，还应在设计机架时尽量使材料沿截面周边分布。截面面积相等而材料分布不同的几种梁在相对弯曲刚度方面的比较见表15.1，其中方案III比方案I大50倍，比方案II大10倍。表15.1材料分布不同的矩形截面梁的相对弯曲刚度矩形截面梁相对弯曲刚度14.5550注意：不宜以增加截面厚度来提高铸铁件的强度，因为厚大截面的铸件因金属冷却慢，析出石墨片粗，且易存有缩孔、缩松等缺陷，而使性能下降，而且其强度也并非按截面积成比例地增加。2．间壁和肋设置间壁和肋板的效果在很大程度上取决于布置是否合理，不适当的布置不仅达不到要求，而且会增加铸造困难和浪费材料。提高机架零件的强度和刚度的两种方法：增加厚度：增加壁厚将导致零件重量和成本增加，而且并非在任何情况下都能见效。布置肋板：设置间壁和肋板在提高强度和刚度方面常常是最有效的，因此经常采用。表15.2几种肋板布置情况的对比3．壁厚的选择在满足强度、刚度、振动稳定性等条件下，应尽量选用最小壁厚，以减轻零件重量，但面大而壁薄的箱体，容易因齿轮、滚动轴承的噪声引起共振，故壁厚宜适当取厚些，并适当布置肋板以提高箱壁刚度。壁厚和刚度较大的箱体，还可以起到隔音罩的作用。间壁和肋板厚度一般可取为主壁厚度的0.6～0.8，肋的高度约为主壁厚的5倍。铸件尺寸/mm铸钢灰铸铁球墨铸铁可锻铸铁铝合金铜合金200×2006～85～664～533～5200×200～500×50010～126～10125～846～8500×50018～2515～205～7表15.3砂型铸件最薄壁厚15.2.2焊接机架零件的结构设计单件或小批量生产的机架零件，可采用焊接结构以缩短生产周期、降低成本。另外，钢材的弹性模量比铸铁大，要求刚度相同时，焊接机架可比铸铁机架轻（25~50%），制成以后，若发现刚度不够，还可以临时焊上一些加强筋来增加刚度，但焊接机架时，焊接变形较大，吸振性不如铸铁件。设计焊接机架零件时，需要注意以下几点：1．防止局部刚度突然变化在一个零件中由封闭式过渡到开式结构时，两部分的扭转刚度有一个突然的变化，因此在封闭结构与开式结构的过渡部位需要有一个缓慢变化的过渡结构。焊接结构刚度比K抗拉1：1.51：1.21：4抗扭1：5001：2001：502．焊接结构力求对称布置焊缝，合理安排焊缝顺序，使焊接应力与变形相互抵消。表15.4开式结构与封闭过渡结构的刚度比ⅠⅡⅢ15.3机械部件的结构设计1．螺栓组联接的结构设计大多数机械设备的螺纹联接件都是成组使用的，其中最常用的是螺栓组联接。螺栓组联接设计的任务是选定螺栓的数目及布置形式，并确定螺栓联接的结构尺寸。对于不重要的螺栓联接，可以参考现有的机械设备，用类比法直接确定螺栓尺寸；对于重要的螺栓联接，应根据所受的工作载荷，分析螺栓的受力状况，并对受力最大的螺栓进行强度计算。15.3.1联接部件的结构设计螺栓组联接结构设计的任务主要包括：（1）确定联接接合面的几何形状联接接合面的几何形状通常都设计成轴对称的简单几何形状，如圆形、环形、矩形、框形、三角形等，以便于加工制造。圆形圆环形矩形矩形框三角形图15.14螺栓组联接接合面常用的形状螺栓组联接结构设计时，应当尽量使螺栓组的对称中心和联接接合面的形心重合，从而保证联接接合面受力比较均匀。（2）确定螺栓的布置形式和螺栓的数目对于铰制孔用螺栓联接，不要在平行于工作载荷的方向上成排地布置八个以上的螺栓，以免载荷分布过于不均，对承受弯矩或扭矩的螺栓联接，应使螺栓的位置适当靠近联接接合面的边缘，以减小螺栓的受力。合理不合理图15.15接合面受弯矩或扭矩时螺栓的布置对于承受较大横向载荷的螺栓，可采用销、套筒、键等抗剪零件来承受横向载荷，以减小螺栓的预紧力及其结构尺寸。分布在同一圆周上螺栓的数目应取4、6、8等偶数，以便于加工。同一螺栓组中螺栓的材料、直径和长度均应相同。法兰螺栓最好不要布置在正下方，这是因为正下方位置的螺栓容易受泄漏液体或气体的影响。螺栓组联接结构设计时应注意下面问题：（1）螺栓的排列应有合理的间距布置螺栓时，各螺栓轴线的距离以及螺栓轴线和机体壁间的最小距离应根据扳手所需活动空间的大小来决定（如图15.16所示），扳手空间的尺寸可查阅机械设计手册。对于有气密要求（例如压力容器）的螺栓联接，螺栓的间距t0不得大于表15.5所推荐的数值。dhD60˚CCEE60˚AB图15.16扳手空间尺寸表15.5螺栓间距t0工作压力(MPa)7d4.5d4.54d3.53dt0(mm)≤1.61.6~44~1010~1616~2020~30dt0（2）不要使螺栓受偏心载荷被联接零件、螺母和螺栓头部的支承面粗糙或倾斜，螺母上螺纹孔不正，被联接零件因刚度不够而弯曲，使用钩头螺栓以及装配不良等，都将使螺栓承受偏心载荷，偏心载荷使螺栓承受附加的弯曲应力。为了减小和避免偏心载荷，除了要在结构设计保证负荷不偏心外，还应在工艺上保证被联接件、螺母和螺栓头部的支承面平整，并与螺栓轴线相垂直。图15.17凸台与沉头座的应用图15.18斜面垫圈的应用当在铸、锻件等的粗糙表面上安装螺栓时，应制成凸台支承面为斜面时，应采用斜面垫圈（如图15.18示）。由于钩头螺栓的偏心载荷较大，应尽量少用钩头螺栓。(a)凸台（如图15.17a所示）或沉头座（如图15.17b所示）。(b)沉头座（3）高速旋转体上的螺栓不要伸出头部对于高速旋转体上的螺栓（如高速轴上联轴器的螺栓），当螺栓头、螺母等从法兰部分伸出时，随旋转体旋转而搅动空气，或造成其它各种不良影响，并且伸出物也不安全，因此设计时不要使之伸出，而要沉入。(a)不正确(b)正确图15.19联轴器的连接螺栓结构（4）使用对顶螺母防松，上螺母不能太薄对顶螺母防松的原理是：两螺母对顶拧紧后，使旋合螺纹间始终受到附加的压力和摩擦力的作用，工作载荷有变动时，该摩擦力仍然存在，