结构设计手册(实用)

5.1.1机械结构设计的任务机械结构设计的任务是基于总体设计，基于确定的原理方案，确定和描绘具体的结构图，实现所要求的功能。 通过把抽象的工作原理具体化为某种部件和部件，具体内容在决定结构部件的材料、形状、尺寸、公差、热处理方式和表面状况的同时，还必须考虑其加工技术、强度、刚性、精度以及与其他部件的关系等。 所以结构设计的直接产物是技术图纸，而结构设计的工作不是简单的机械制图，图纸只是表现设计方案的语言，综合技术的具体化是结构设计的基本内容。5.1.2机械结构设计的特征机械结构设计的主要特征是： (1)它是思考、图纸、计算(有时进行必要的实验)为一体的设计过程，是与机械设计有关的问题最多、具体、工作量最大的工作阶段，在机械设计过程整体，平均约80%的时间用于结构设计，对机械设计的成功与否起到了重要的作用(2)机械结构设计问题的多解性，即满足同一设计要求的机械结构并不是唯一的。 (3)机械结构的设计阶段是活跃的设计阶段，经常需要反复交叉。 因此，在进行机械结构的设计时，必须理解从机械整体对机械结构的基本要求5.2机械结构部件的结构要素和设计方法5.2.1结构物的几何要素机械结构的功能主要是通过机械部件的几何形状和各部件间的相对位置关系来实现的。 部件的几何形状由其表面构成，一个部件通常具有多个表面，这些表面中有与其他部件的表面直接接触的，这一部分的表面称为功能表面。 功能面之间的连接部分称为连接面。 零件的功能表面是决定机器功能的重要因素，功能表面的设计是零件结构设计的核心问题。 描述功能面的主要几何参数有面的几何形状、尺寸的大小、面的数量、位置、顺序等。 通过设计功能表面的变异，可以得到实现相同技术功能的多个结构方案。5.2.2结构间的结合在机器和机器中，任何部件都不孤立地存在。 因此，结构设计中，除了部件自身的功能和其他特征外，还必须研究部件间的相互关系。 零件的关联分为直接关联和间接关联两种。 与两个零件有直接组装关系的，就成为直接关系。 没有直接汇编关系的相关成为间接的相关。 间接相关分为位置相关和运动相关两种。 所谓位置关系，因为两个零件在相互的位置上要求，例如减速机中的两个相邻传动轴的中心距离必须保证一定的精度，两个轴线必须平行，必须保证齿轮的正常啮合。 运动关联是指车床刀架的运动轨迹必须与主轴的中心线平行等，一个零件的运动轨迹与另一个零件相关联，由于床导轨和主轴轴线平行而得到保证，主轴和导轨之间的位置相关联的刀架和主轴之间与运动相关联。因为大部分零件有两个以上的直接相关零件，所以各零件多有两个以上的部位，在结构上和其他零件有关系。 进行结构设计时，为了合理选择材料的热处理方式、形状、尺寸、精度、表面质量等，必须同时考虑两部件的直接关系部位。 同时，还必须考虑满足尺寸链和精度计算等间接相关条件。 一般来说，与某个零件直接相关的零件越多，其结构就越复杂的零件的间接相关零件越多，就越需要精度。 例如，集线器的连接如图5.1所示。5.2.3结构设计结构部件材料和热处理应注意的问题可以在机械设计中选择的材料很多，不同的材料具有不同的性质，不同的材料可以对应不同的加工技术，在结构设计中根据功能要求合理地选择适当的材料，根据材料的种类决定适当的加工技术，根据加工技术的要求决定适当的结构，仅在适当的结构设计中选择的材料最充分地占优势设计者为了正确地选择材料，必须充分理解所选材料的力学性能、加工性能、使用成本等信息。 在结构设计中，根据所选材料的特性和相应的加工过程，应遵循不同的设计原则。例如，钢材被拉伸时和被压迫时的力学特性几乎相同，所以钢梁结构对称结构。 由于铸铁材料的抗压强度远远大于抗拉强度，因此受到弯曲力矩的铸铁结构截面多为非对称形状，为了使负荷时的最大压缩应力大于最大拉伸应力，图5.2对两种铸铁支撑台进行了比较。 钢结构设计中通常通过增大截面尺寸来增加结构的强度和刚性，而铸造结构中壁厚过大则难以保证铸造质量，因此铸造结构一般用加强板和隔板的方法来加强结构的刚性和强度。 由于塑料材料刚性差，铸造后冷却不均引起的内应力容易引起结构翘曲，塑料结构的肋接近壁厚，对称均匀。对需要热处理加工的零件，进行结构设计的要求包括： (1)零件的几何形状简单、对称，理想形状为球形。 (2)具有不均匀截面的部件，其大小截面变化缓慢，需要避免突变。 相邻部分的变化过大时，大小截面的冷却变得不均匀，必然形成内部应力。 (3)避免尖角的构造，为了不让尖角熔化或过热，一般在槽或孔的边缘加上23mm的倒角。 (4)避免厚度差大的截面，厚度差大的截面在淬火冷却时容易变形，裂纹的倾向大。5.3.1机械结构设计的基本要求机械产品应用于各行业，结构设计的内容和要求也千差万别，但有共同点。 其次，就机械结构设计的三个不同水平，说明对结构设计的要求。1、功能设计满足主要机械功能要求，技术具体化。 例如，在工作原理的实现、工作可靠性、技术、材料和组装等方面。2、质量设计考虑到各种要求和限制，提高产品质量和性能价格比是现代工程设计的特征。 具体是操作、美观、成本、安全、环境保护等多种其他要求和限制。 在现代设计中，质量设计非常重要，多决定产品的竞争力。 仅仅满足主要技术功能要求的机械设计时代已经过去，统一考虑各种要求，提高产品质量是现代机械设计的关键。 比起考虑工作原理，考虑各种要求似乎是细节问题，但是细节的合计是质量，产品的质量问题不仅是技术和材料的问题，提高质量应该从设计开始。3、建立优化设计和创新设计的结构设计变量等方法系统的优化设计空间，用创造性的设计思考方法和其他科学方法进行优化和创新。产品质量不断提高，市场竞争加剧，需求向个人化方向发展。 因此，优化设计和创新设计在现代机械设计中的作用越来越重要，成为未来技术产品开发的竞争焦点。得到在结构设计中可以实现的结构方案一般并不困难。 机械设计的任务是在很多可行性方案中寻求好方案或最佳方案。 结构优化设计的前提是可以构建许多优选的可能性方案，即可以构建许多优化求解空间，这也是结构设计最具创造性的地方。 结构优化设计现在限于数学模型描述的问题。 更有潜力、更有效的结构优化设计必须基于结构设计解空间来构建，该结构设计解空间由过程、材料、结合方式、形状、顺序、方位、数量、尺寸等结构设计变量组成。5.3.2机械结构的基本设计标准机械设计的最终结果用一定的结构来表现，用设计的结构进行加工组装，制造最终的产品。 因此，机械结构设计应满足产品的多方面要求，基本要求包括功能、可靠性、工艺性、经济性和外观造型等。 另外，必须改善零件的力，提高强度、刚性、精度、寿命。 因此，机械结构设计是一项综合技术工作。 由于结构设计的错误和不合理，零件可能会发生故障，机器不能满足设计精度的要求，给组装和维护带来很大的不便。 在机械结构设计过程中，必须考虑以下结构设计标准。1 .实现预期功能的设计标准2 .满足强度要求的设计标准3 .满足刚性结构的设计标准4 .考虑了加工技术的设计标准5 .考虑组装的设计标准6 .考虑造型设计的标准5.3.2机械结构的基本设计标准1 .实现预期功能的设计标准产品设计的主要目的是实现预期功能要求，所以实现预期功能的设计标准是结构设计首先考虑的问题。 为了满足功能的要求，必须达成以下几点。(1)为了明确功能：的结构设计，根据该机器的功能和其他部件的连接关系，确定参数尺寸和结构形状。 零件的主要功能是承受载荷、传递运动和动力、保证和保持相关零件和零件之间的相对位置和运动轨迹。 设计的结构应该满足从机器整体上考虑的功能要求。(2)功能的合理分配：产品设计时，通常需要根据情况合理分配任务。 即，将一个功能分割为多个功能。 各功能需要一定的结构负担，各部分结构之间要有合理协调的联系，实现总功能。 多结构部件承担同样的功能，可以减轻部件的负担，延长寿命。 v型截面结构是任务合理分配的一个例子。 纤维带用于受到拉伸力的橡胶填充层，受到皮带弯曲时的拉伸和压缩，布被复层作用于带轮槽，产生传动所需的摩擦力。 例如，如果仅通过螺栓的施力产生的摩擦力来承受横向载荷，则螺栓的尺寸会变得过大，可以增加销、套筒、钥匙等抗剪要素，分担横向载荷来解决。(3)功能集中：为了简化机械产品的结构、降低加工成本、容易安装，有时一个部件或部件可以承担多个功能。 功能集中会使零件的形状变得复杂，但如果不是一定程度，反而会影响加工过程，增加加工成本。 设计必须根据情况来决定。5.3.2机械结构的基本设计标准2 .满足强度要求的设计标准(1)等强度标准零件截面尺寸的变化要适应内部应力的变化，使各截面的强度相等。 等强度原理设计的结构充分利用了材料，减轻了重量，降低了成本。 悬臂支架、步进轴的设计等。 参照图5.3。图5.3(2)合理的力流结构为了直观地表示力是如何传递给机械构件的，力看起来像水在构件中流动，并且这些力线与力的流动汇合。 表明这种力的流动在结构设计考察中发挥了重要的作用。力的流动不会在部件中断，任何力线都不会突然消失，必定从一个地方进入，从另一个地方出来。 力流的另一特性是它沿着最短路线传递，力流在最短路线附近密集，形成高应力区域。 其他部位力流稀疏，连力流都没有，所以从应力的角度来看材料不能充分利用。 因此，为了提高构件的刚性，必须通过力的流动尽可能短的路线来设计零件的形状，减少搭载区域，累积变形越小，就越要提高构件整体的刚性，充分利用材料。像悬臂梁上配置的小伞齿轮一样，伞齿轮尽量靠近轴承，减小悬臂梁的长度，提高轴的弯曲强度。 图5.4列举了几个典型的例子。(3)降低应力集中的结构当力的流动方向急剧变化时，力的流动在转换处过于密集，引起应力集中，在设计中应采取结构性措施，减缓力的流动。 应力集中是影响零件疲劳强度的重要因素。 结构设计时，要尽量避免或减小应力集中。 那个方法在合适的文章中介绍。 例如，增大过度的圆角，或采用卸载结构。 图5.5。(4)负载平衡结构机器工作时，经常产生惯性力、斜齿轮的轴向力等无用的力，这些力增加了轴和衬套等部件的负荷，不仅降低了其精度和寿命，还降低了机器的传动效率。 负载平衡是取得结构性措施的一部分或全部的平衡，减轻或消除其不良影响。 这些结构措施主要采用平衡因素、对称配置等。例如，同轴上的两个螺旋圆筒齿轮产生的推力通过合理地选择齿轮的旋转方向和螺旋角的大小，能够抵消推力，减少轴承负荷。 图5.6。5.3.2机械结构的基本设计标准3 .符合结构刚度的设计标准零件为了在使用期限内正常发挥作用，必须使其具有充分的刚性。5.3.2机械结构的基本设计标准4 .考虑了加工技术的设计标准机械零件结构设计的主要目的是保证功能的实现，达到产品的要求性能。 但是，结构设计的结果对产品零部件的生产成本和质量有着不可低估的影响。 因此，结构设计要求产品具有良好的加工技术性好的加工技术是指零件的结构容易加工，任何加工方法都有可能不能制造某种结构的零件、生产成本高、质量受到影响。 因此，让设计者认识加工方法的特征非常重要，在设计结构时要尽量避免变长。 实际上，零件结构的技术性受到许多因素的制约，如生产批量的大小影响空白生成方法的设备的生产条件，可能会限制工件的尺寸，而且在造型、精度、热处理、成本等方面也有零件结构的工艺性上的制约。 因此，在结构设计中，必须充分考虑上述因素对过程性的影响。5.3.2机械结构的基本设计标准5 .考虑组装的设计标准组装是产品制造过程的重要工序，零件的结构直接影响组装质量成本。 关于组装的结构设计标准概述如下(1)合理划分组装单元整个单元分解成可以独立组装的单元(部件或组件)，实现平行且专业的组装作业，缩短组装周期，便于阶段性的技术检查和修理。(2)正确安装零件-保证零件的正确定位。 图5.7所示的两个法兰通过普通螺栓连接。 图(a )所示的构造没有径向的定位基准，组装时不能保证两孔的同轴度的图(b )以对方的圆筒面为定位基准，构造合理。-避免双重协调。 在图5.8(a )的部件a中，两个端面与部件b卡合，由于制造误差，无法保证部件a的正确位置。 图5.8(b )的结构是合理的。防止组装错误。 图5.9所示的外壳由两个销定位。 在图(a )中两个销反向配置，到螺栓的距离相等，组装时将支撑台旋转180度进行安装的可能性较高，座孔的中心线和轴的中心线的位置偏差变大。 因此，请将两个定位销配置在同一侧，或不要使两个定位销和螺栓的距离相等图5.9(2)便于零件的组装和拆卸在结构设计中，为了避免必须确保扳手空间等充分的组装空间过长的配合，提高组装的难易度，损伤配合面，使有台阶轴的设计等的零件的拆卸变得容易，要设置轴承的拆卸等拆卸工具图5-10。5.3.2机械结构的基本设计标准6 .考虑造型设计的标准产品设计不仅要满足功能要求，还应该考虑产品造型的美学价值，给人以魅力。 从心理学上看，60%的人的决定取决于第一印象。 技术产品的社会属性是商品，在买方市场时代，为产品设计吸引顾客的外观是重要的设计要求，同时造型美观的产品，可以减少操作人员疲劳引起的误操作。外观设计有形状、颜色和表面处理三个方面。在考虑造型时，请注意以下三个问题(1)尺寸比例协调