机械结构设计

1 5机械结构设计 2 机械设计的基本程序 3 机械系统的组成 4 设计方案 结构设计 强度设计 三边设计法 5 5机械结构及造型设计 5 1机械结构设计原则5 2机械结构分析及常用设计原理5 3机械结构设计常用方法5 4机械结构工艺性设计 复习思考题 6 5 1机械结构设计原则 5 1 1机械结构设计的任务5 1 2机械结构设计的内容与步骤5 1 3机械结构设计的一般原则 7 5 1 1机械结构设计的任务 依据所确定的功能原理方案 在总体设计的基础上设计出实体结构 满足预定的功能要求 并以结构设计图样表示出来 8 5 1 2机械结构设计的内容及步骤 总体设计 部件设计 零件设计 布置方式 总体尺寸 特性尺寸 装配图 外形 特性 配合尺寸 零件图 加工尺寸 公差精度 9 5 1 3机械结构设计的一般原则 完美的机械结构设计 满足功能 安全可靠 最少资源消耗 10 5 1 3机械结构设计的一般原则 结构方案设计三原则 11 5 2机械结构分析及常用设计原理 5 2 1结构件的功用5 2 2结构件的分类5 2 3零件的相关5 2 4零件的结构要素5 2 5常用的结构设计原理 12 5 2 1结构件的功用 承受载荷 正确分析结构件受力的类型 大小 方向及其对结构件正常工作的影响 是进行结构设计的重要依据和保证 传递运动和动力 保持有关零部件之间的相对位置或运动轨迹关系 其它功用 润滑 密封 美观等 当一结构件具有两种或两种以上功用时 应分清主次 在优先满足主要功用的前提下 尽量满足其它功用的要求 卧式车床简图1 前床腿2 进给箱3 主轴箱4 丝杠5 刀架6 尾座7 床身8 后床腿 1 8 承受重力 3 承受重力 夹紧力 切削力 5 承受切削力 运动和动力的传递 4 3 2 1 运动和动力的传递 5 4 3 2 1 5 2 2结构件的分类 从设计 制造和管理的角度 通常将其分为盖盘 轴套 支架 杆件 壳体 箱体和支承件等类别 因为形状类似的同一类零件 如盖盘类或轴套类中 不同零件之间在功用上 精度上会有很大差别 其设计要求也自然不同 从毛坯工艺角度可分为铸造件 焊接件 锻造件 铆接或粘结件等 在结构上也应有所不同 16 5 2 3零件的相关 在机器或机械中 任何零件都不是孤立存在的 因此 在结构设计中除了研究零件本身的功用及其特征外 还必须研究零件之间的相互关系 18 5 2 3零件的相关 每个零件都与一个或几个零件有装配关系或相互位置关系 可以称这种关系为相关 称有这种关系的两个零件互为相关零件 直接相关 两零件有直接装配关系 间接相关 没有直接装配关系的相关 包括两零件在相互位置上有要求的位置相关和一零件的运动轨迹与另一零件有关的运动相关 19 5 2 4零件的结构要素 工作部分 零件上与其它零件直接相关部位 联结部分 把各工作部分联结起来并使它们保持各自的位置 因此也常常起到支承作用 有时 也把用以固定联结的工作部分称为安装部分 有固定安装和活动安装之分 在结构设计中 通常先确定工作部分 后确定联结部分 工作部分主要考虑工作面的形状 尺寸 精度 表面质量等 而联结部分主要考虑强度 刚度等要求 固定安装 活动安装 22 5 2 5常用的结构设计原理 1 等强度原理2 合理力流原理3 变形协调原理4 力平衡原理5 任务分配原理6 自补偿原理7 稳定性原理 23 5 2 5常用的结构设计原理 1 等强度原理 通过合理地选择材料和形状 力求在规定的时间内及条件下零部件各处的材料强度得以充分的应用 例 阶梯轴 增加约束变形附件的结构1 主体构件2 辅助构件 24 5 2 5常用的结构设计原理 2 合理力流原理 力在传递路线上形成力线 汇成力流 不中断 沿最短线路通过 中心冲工作时的力流 不同形状的杆件 25 5 2 5常用的结构设计原理 2 合理力流原理 力在传递路线上形成力线 汇成力流 转折处应力求使力流平缓 轴毂连接的不同情况 26 5 2 5常用的结构设计原理 3 变形协调原理 相连接的两零件在外载荷作用下所产生的变形的方向相同并且使其相对变形尽可能小 不同搭接形式 27 5 2 5常用的结构设计原理 4 力平衡原理 采取结构措施部分或全部平衡掉无用的力 润滑泵偏心驱动装置 28 5 2 5常用的结构设计原理 5 任务分配原理 根据功能要求合理地选择载体 即选择特定零件以承担特定功能 5 2 5常用的结构设计原理 5 任务分配原理 三种可能的分配方式 一载体承担多种功能 简化结构 降低成本 轴承 一载体承担一种功能 功能明确可靠 向心 推力 多载体承担一种功能 减轻零件负载 延长寿命 螺栓 V带 同一零件中 可在不同部位采用不同材料 分别承担不同的功能 蜗轮 同一零件采用同样材料时 可在不同部位进行不同的热处理以承担不同的功能 轴颈 相同功能任务分配应保证各功能载体均匀地分担任务 5 2 5常用的结构设计原理 6 自补偿原理 通过选择系统元件及其在系统中的配置来自行实现加强功能的相互支持作用 称为自补偿 正常情况 额定载荷 下 加强功能 减载 平衡 紧急情况 超载 下 保护 救援 常见的自补偿原理 自增强自平衡自保护 超载时的自保护 带的打滑 自增强 偏心夹紧示意图1 工件2 偏心轮3 支承轴4 基座 辅助效应与初始效应的作用方向相同 使得总效应加强 自平衡 使正常载荷下的辅助效应同初始效应相反并达到平衡或部分平衡状态 以克服不利影响 离心式调速器1 竖轴2 重锤3 滑套4 杠杆5 阀门 33 5 2 5常用的结构设计原理 7 稳定性原理 当干扰出现 使系统状态发生改变的同时 会产生一种与干扰作用相反的 使系统恢复稳定的效应 活塞导向的稳定性 轴承的热稳定性 34 5 3机械结构设计常用方法 5 3 1提高强度和刚度的结构设计5 3 2防腐蚀结构设计5 3 3提高耐磨性的结构设计5 3 4提高精度的结构设计5 3 5考虑人机学的结构设计5 3 6考虑发热等问题的结构设计 5 3 1提高强度和刚度的结构设计 1 1 载荷分担 机床变速箱外输入轴皮带轮的卸荷结构 为保证主轴1不受弯曲 提高加工精度 将胶带的压力通过轴承和轴承座5传给箱体4 由箱体分担 而带轮3的转矩则通过端盖2的花键传给轴1 故轴1只承担转矩而不承担径向力 1 传动轴2 端盖3 带轮4 箱体5 轴承座 5 3 1提高强度和刚度的结构设计 2 2 载荷合理分布 尽量减小作用在地基上的力 地基一般由混凝土制成 承载能力较低 尽可能不要把加力机构的力作用在地基上 如图为一轴承实验台 用油压千斤顶加载 如把千斤顶放在地面上 则地基受力很大 如果把油压千斤顶放在一个用螺栓直接固定在实验台底座上的角形支架上面 则地基不承受油压千斤顶的推力 37 5 3 1提高强度和刚度的结构设计 3 3 避免悬臂结构或减小悬臂长度 a 伸出轴过长 受力不好 38 4 减少应力集中的影响 5 3 1提高强度和刚度的结构设计 5 减荷槽 减荷圆孔 39 5 3 2防腐蚀结构设计 1 1 隔离不相同的金属 防止电化学腐蚀 40 5 3 2防腐蚀结构设计 2 2 避免狭缝滞留液体 两壁间保留足够空间 41 5 3 2防腐蚀结构设计 3 3 容器内液体要能够排除干净 42 5 3 2防腐蚀结构设计 4 4 合理的螺钉联接结构 43 5 3 2防腐蚀结构设计 5 5 对于接触腐蚀件 设计易损件并及时更换 5 3 3提高耐磨性的结构设计 1 2 1 避免相同材料配成滑动摩擦副2 润滑剂供应充分 布满工作面 应选择适用的润滑剂和供应方式 设计油沟等使润滑剂能散布到整个工作表面 特别应注意立式轴承和导轨的润滑设计 因为在这种情况下 润滑剂容易流失 图中所示的导轨油槽直通式只用于水平导轨 曲折的油沟才适用于垂直导轨 润滑油可以较好地散布在工作面上 5 3 3提高耐磨性的结构设计 3 3 润滑油箱不能太小 采用循环润滑的设备 都有一个储油箱 此箱应足够大以保证润滑油有足够的冷却时间和沉淀混入油内的杂质 否则润滑油的工作温度将显著升高 此外还应注意油箱的通风和散热 对精度要求高的设备 油箱不宜装在机架内 以免机架受热不均匀产生扭曲变形 使机器精度降低 46 5 3 3提高耐磨性的结构设计 4 4 滑动轴承不能用接触式油封 毡圈密封 皮圈密封等接触式密封适用于滚动轴承但不适用于滑动轴承 当轴承间隙和磨损量较小时可以考虑采用间隙式或径向曲路密封 这是因为滑动轴承比滚动轴承间隙大 而且当滑动轴承磨损后 轴中心位置有较大变化 47 5 3 3提高耐磨性的结构设计 5 5 对于零件的易磨损表面增加一定的磨损裕量 开式齿轮的齿面磨损后 轮齿变薄 齿根弯曲强度降低 不能满足强度要求 因而适当加大齿轮模数 加大10 15 以保证齿轮有一定寿命 机床导轨 未使用时如正好平直 使用时则由于磨损 精度不断降低 如做成一定的上凸则可在较长时间内保持精度 5 3 3提高耐磨性的结构设计 6 7 8 6 对易磨损部分应予以保护有些气体或液体中混有粉末 颗粒或块状的固体 对零件表面有很强的研磨作用 零件表面与这些介质接触的部分应具有较强的耐磨性 如采用耐磨材料或采用表面堆焊等措施 也可以把某些易磨损部分做成易磨损件 经常更换 7 对易磨损件可以采用自动补偿磨损的结构零件磨损后 尺寸发生变化 如不能及时改变其位置 则不能实现原来的功能 8 采用防尘装置防止磨粒磨损对于在多尘条件下工作的机械应注意防尘和密封 以免异物进入摩擦面 产生磨粒磨损 如链条加防护罩 导轨为防止切屑进入摩擦面产生严重磨损 也应加防护罩 49 5 3 4提高精度的结构设计 1 1 导轨的驱动力作用点 应使两条导轨摩擦力产生的力矩互相平衡 5 3 4提高精度的结构设计 2 2 对于要求精度较高的导轨 不宜用少量滚珠支持 由于导轨运动速度是滚动速度的二倍 工作台运动到左右不同位置时 滚珠受力不同 工作台向不同方向倾斜 产生误差 宜增加滚珠数目或采用滚子轴承 滚柱刚度显著大于滚珠而摩擦阻力也较大 5 3 4提高精度的结构设计 3 3 必须严格限制螺旋轴承的轴向窜动 螺旋轴承的轴向窜动直接影响螺旋的轴向窜动 从而使螺旋机构产生运动误差 对螺旋轴承应有较高的要求 对于受力较小的螺旋 可以用一个钢球支持在螺旋中心 轴向窜动极小 52 5 3 4提高精度的结构设计 4 4 要求运动精度的减速传动链中 最后一级传动比应该取最大值 运动误差为 设三级传动的传动比为 则最后输出的传动系统总误差为 为最大值时传动系统总误差最小 53 5 3 4提高精度的结构设计 5 5 避免紧定螺钉影响滚动导轨的精度 要避免扭紧紧定螺钉时引起导轨变形 使导轨工作表面精度降低 把固定部分与导轨支承面部分做成柔性较好的联接 使紧定螺钉产生的变形不影响导轨面的精度 5 3 5考虑人机学的结构设计 1 2 1 合理选定操作姿势设计者必须正确地决定机器或仪器的操作位置和操作姿势 作为设计的一项基本内容 常见的操作姿势为立或坐 立式容易发力 活动范围较大 但对要求精密观察 读数的工作和活动范围较小的手工操作的装置则以选用坐式为好 2 设备的工作台高度与人体尺寸比例应采用合理数值工作台高度不适当容易引起操作者疲劳 根据一般统计 有一系列推荐数值 如站姿用工作台高度为人体高度的10 19 坐姿则为7 17 55 5 3 5考虑人机学的结构设计 3 3 旋钮大小 形状要合理 旋钮多做成圆形 在圆柱面上常作出齿纹以免转动时打滑 为了用一个旋钮控制多个指示器 可以做成多层旋钮 这样既节省位置 操作也方便 对多层旋钮的各旋钮尺寸应合理安排 以免使用时互相干扰 56 5 3 5考虑人机学的结构设计 4 4 按键应便于操作 按键在机械中使用很广泛 一般按键尺寸为8 20mm 突出键盘面高度为5 12mm 按动时键上下移动距离为3 6mm 键与键之间的距离最小为0 6mm 按键位置应合理 便于操作 57 5 3 6考虑发热等问题的结构设计 1 1 对较长的机械零部件 要考虑因温度变化产生尺寸变化时 能自由变形 较长的机械零部件或机械结构 由于温度变化 长度变化较大 必须考虑这部分能自由伸缩 如采用可以自由移动的支座 或可以自由胀缩的管道结构 58 5 3 6考虑发热等问题的结构设计 2 2 热膨胀大的箱体可以在中心支持 图示的两个部件之间用联轴器联接两轴 由于右边部件发热较大 工作时其中心高度变化较大 引起两轴对中误差 可以在中心支持右边部件 以避免由于发热引起的对中误差 5 3 6考虑发热等问题的结构设计 3 3 分流系统的返回流体要经过冷却 压缩机 鼓风机等为了控制输出介质量 可以采用分流运转 即把一部分输出介质送回机械中去 这部分送回的介质 在再进入机械以前应经过冷却 以免反复压缩介质引起温度升高 60 5 4机械结构工艺性设计 结构设计工艺性 有关所设计结构的制造 装配 使用 维修等方面的各种技术问题 工艺性要求 在满足功能 强度的条件下 可经济地加工安装 铸造 焊接 锻造 冲压 切削加工 加工 装配 维修 工艺性 61 5 4 1铸造件的结构设计 1 1 分型面要尽量少 铸件应尽量减少分型面 以便于保证尺寸的准确性 如图三箱造型改为两箱造型较合理 62 5 4 1铸造件的结构设计 2 2 分型面要力求简单 铸造外形应使分型方便 如 三通管各管口最好在一个平面上 图b的结构较合理 弯曲的分型面难于保证尺寸准确 图c改为图d时 分型面为平面 较合理 63 5 4 1铸造件的结构设计 3 3 起模方向留有拔模斜度 逐渐在起模方向应留有结构斜度 使模型容易起拔 保证铸件质量 64 5 4 1铸造件的结构设计 4 4 改进妨碍起模的结构 铸件侧壁上工艺凸台和工艺搭子 凸缘 肋条等有碍起模 增加造型和造芯的工作量 应尽量避免 65 5 4 1铸造件的结构设计 5 5 铸件表面避免内凹 有内凹的表面在造型时取模困难 考虑起模要求将内凹处结构予以改变 则对铸造合理 66 5 4 1铸造件的结构设计 6 6 采用易于脱芯的结构 图示零件为汽笛的剖面图 如用整体铸造则铸件型芯要用金属骨架加强 但由于铸件口很小 清除型芯及芯骨很困难 如采用图示铸焊结构 先铸出主要部分 再焊上一块钢板 则容易加工 但应注意焊接结构不宜用铸铁 应采用铸钢 67 5 4 1铸造件的结构设计 7 7 铸件结构应有利于清除芯砂 在铸件上增加工艺孔作为安装型芯的支承 并有助于铸件内腔清砂工作 68 5 4 1铸造件的结构设计 8 8 表面凸台尽量集中 为便于铸件上孔的加工 铸件表面常要铸出一些凸台 当凸台的中心距较小时 建议将位置相近的凸台连成一片 连成整体后便于造型 69 5 4 1铸造件的结构设计 9 9 避免较大又较薄的水平面 薄壁零件 尤其是面积较大的薄壁 不应设计成水平的平面结构 水平平面浇铸时容易造成冷隔或形成气孔 渣眼或夹砂 改为有坡的平面 有利于排出液态金属中的杂质和由于铁液漫流造成的冷隔等缺陷 70 5 4 1铸造件的结构设计 10 10 大型铸件外表面不应有小的突出部分 大型铸件外表面上 不应有薄壁边槽 此部位冷却快 容易造成内应力 而且在清理时容易受伤 71 5 4 1铸造件的结构设计 11 11 铸件壁厚力求均匀 均匀的壁厚可以提高铸件的质量 减少铸件中断面厚度大的部分 避免金属聚集以致产生缩孔或缩松 改变形状 使用加强筋 72 5 4 1铸造件的结构设计 12 12 合理确定壁厚 并使内壁厚小于外壁厚 形状较复杂或尺寸较大的铸件 内部壁厚应小于外壁厚 因内壁散热条件较差 所以冷却速度比外壁慢 且当外壁冷却后 内壁不能自由收缩 容易产生内应力或裂纹 73 5 4 1铸造件的结构设计 13 13 两壁相交时夹角不宜太小 铸件的相邻两壁相交时 特别是小于75 的斜向联接 单纯以园角作为过渡不能满足工艺要求 应有一过渡部分 74 5 4 2焊接件的结构设计 1 1 合理布置焊缝 分散 对称 避开最大应力和应力集中位置 75 5 4 2焊接件的结构设计 2 2 焊缝应避开加工表面 加工表面距离焊缝太近时 焊缝的热影响区或热变形会对加工面有影响 采用焊接后加工 也是一种避免焊接变形影响的方法 76 5 4 2焊接件的结构设计 3 3 减少边角料 用钢板焊制零件时 尽量使所用板料形状规范 以减少下料时产生边角废料 77 5 4 2焊接件的结构设计 4 4 采用套料剪裁 设计时设法搭配各零件的尺寸 使有些板料可以采用套料剪裁的方法制造 以减少边角料 如图所示 原设计底板冲下的圆板为废料 改进后 可以利用这块圆板制成零件顶部的圆板 废料大为减少 78 5 4 2焊接件的结构设计 5 5 考虑焊接时的气体扩散 焊接密闭容器时 应考虑焊接时容器中的气体是否能释放出来 较差的图中所示结构气体释放不好 不易焊牢 如预先设计一个放气孔 使气体能够释放 则有利于焊接 79 5 4 3锻造 冲压件的结构设计 1 1 自由锻 自由锻适用于锻造外形简单的零件 自由锻制造的毛坯 大部或全部表面均需经过切削加工才能达到要求 所以 生产效率低 消耗金属较多 劳动强度大 适用于多品种小批量生产 适应性好 采用的设备和工具通用性大 应用广泛 自由锻零件应避免锥形和楔形自由锻不宜锻出锥形和楔形 设计时应尽量采用平直结构 5 4 3锻造 冲压件的结构设计 1 相贯形体力求简化自由锻无法锻出几何形体 圆柱 立方体等 表面相贯的复杂相贯形状 如图所时的圆柱体与平板联接的形状比较复杂 采用自由锻比较困难 自由锻件不应设计复杂的凸台自由锻件很难锻出误图中所示的复杂凸台 应予以简化 5 4 3锻造 冲压件的结构设计 2 2 模锻 模锻可以获得较复杂的外形 毛坯上有相当一部分表面不需要进行切削加工 与自由锻相比 模锻的尺寸较精确 表面光洁 节省金属而且生产率较高 模锻精度高 加工余量小 多适用于中小型零件 分模面应为零件最大尺寸且为平面 模锻件形状应对称以便于分模 模锻件应有适当的圆角半径 工艺性 模锻件应便于脱模 5 4 3锻造 冲压件的结构设计 3 3 冲压件 冲压件质量轻 外形适用性较好 生产率高 但成本也较高 适用于大批量生产 冲压件的局部宽度不宜太窄尺寸过窄的部分不仅凹模难于制造 冲出的工件也难于保证质量 标注冲压件尺寸时要考虑冲压过程前两种尺寸标注方法不合理 必须将主体冲制弯曲成型后才能冲孔 加工困难 改进后可以在板料冲裁时一并冲出 节省工序 提高效率 5 4 4切削加工件的结构设计 1 1 注意减小毛坯尺寸 凸缘由圆钢直接车制而成 如设计最大直径为100mm则要用直径为105mm或110mm的圆钢加工 如最大直径为98mm则可以用直径为98mm的圆钢加工 5 4 4切削加工件的结构设计 2 2 减小加工面的长度 两表面配合时 配合面应精确加工 为减小加工量应减小配合面长度 如配合面过长 为保证配合件稳定可靠 可将中间孔加大 中间部分不必精密加工 加工方便 配合效果好 85 5 4 4切削加工件的结构设计 3 3 加工面与不加工面不应平齐 在一个大平面上 如有一小部分要加工 则该面应突出在不加工表面之上 以减少加工工作量 86 5 4 4切削加工件的结构设计 4 4 不同加工精度表面要分开 两表面粗糙度不同时 之间必须有明确的分界线 这样 不但加工方便 而且形状美观 图示凸轮工作表面要精加工 必须与轴分开 5 4 4切削加工件的结构设计 5 5 将形状复杂的零件改为组合件以便于加工 在一带轴的凸缘上有两个偏心的圆柱形小轴 加工困难 如果把这一零件改为组合件 小轴用装配式结构装上去 可以改善工艺性 在较大的机座上 有薄壁的管形零件时 因与主体部分尺寸差别很大 加工不便 改为装配件 另作一个管件安装在机座上较为合理 88 5 4 4切削加工件的结构设计 6 6 避免刀具不能接近工件 机械加工所用的刀具 机床都有一定的结构和尺寸 加工部位周围如果有长的壁或上下有凸台 都可能妨碍刀具的运动 甚至无法加工 为此应设置必要的工艺孔 槽或改变结构形状 5 4 4切削加工件的结构设计 7 7 要考虑到铸造误差的影响 铸造零件的误差是比较大的 在设计铸件加工面时必须充分考虑 如轴承端盖与箱体上的凸台相配 但箱体上凸台的位置难以做到十分准确 如端盖凸缘与凸台直径设计成正好相等 则往往会出现端盖突出到凸台以外的情况 因此铸造的凸台直径应大一些 5 4 4切削加工件的结构设计 8 8 避免多个零件组合加工 如图所示 要求在有两个零件组合而成的零件上 钻孔 加工平面 由于在生产中必须配在一起加工 装配 因而不能具有互换性 改进后的结构在工艺上得到改善 只有在特殊情况下选用组合零件加工才是有利的 如减速箱的剖分式箱体 箱装式蜗轮等 5 4 4切削加工件的结构设计 9 9 复杂加工表面要设计在外表面而不要设计在内表面 轴类零件比孔的加工容易 因此 当两个轴 孔形状的零件配在一起 它们中间有一些比较复杂的结构时 把这些结构设计在轴上 往往比设计在孔的内表面更好 92 5