第6章-机设学-机械结构设计（总体结构设计和零部件的结构设计）

1、第六章 机械结构设计（总体结构设计和零部件的结构设计）,6-1结构件的功用和基本类型 6-2结构方案设计的基本原则和原理 6-3结构设计中的强度和刚度问题 6-4支承件的结构设计 6-5结构设计中的工艺问题 6-6材料选择,结构设计的任务： 在功能原理方案设计和总体设计的基础上，确定机械装置的具体结构与参数、装配关系，确定所有零件的材料、热处理方式、形状，达到功能实现的可能性和可靠性。,6-1结构件的功用和基本类型,一、结构件的功用 1承受载荷：普通车床 2传递运动和动力：牛头刨床 3成形:工艺过程中，通过工作头的形状、运动方式和作用场，完成对对象物的成形。如刀具、模具等。 4其它功用:如起容

2、器作用的油箱、起引导作用的导轨等。,二、结构件的分类 为了设计、制造和管理上的方便，通常将其分为盖盘、轴套、支架、杆件、壳体、箱体和支承件等 从毛坯工艺角度分：铸造件、焊接件、锻造件、铆接或粘结件等 三、零件的相关 1定义：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。 2分类 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，如两轴平行关系是靠轴与轴承之间、轴承与箱体之间的直接关系组合实现的。,实线：直接相关 虚线：间接相关,间接相关又分为两大类： 1）位置相关：两零件在相互位置上有要求 2）运动相关：一零件的运动轨迹

3、与另一零件有关 如车床中：主轴与导轨之间为位置相关，刀架与主轴之间为运动相关 四、零件的结构要素（构成零件形体的表面） 1、进行结构设计，直接相关部位必须同时考虑 2、考虑满足间接相关条件 3、直接相关越多，结构越复杂； 间接相关越多，精度要求就越高。 4、工作部分和安装部分,6-2结构方案设计的基本原则和原理,一、结构方案设计的基本原则 1明确：对产品设计中所应考虑的问题都应在结构方案中获得明确的体现。 1）功能明确原则 2）工作原理明确 3）使用工况及承载 状态明确。 4）其它 2简单,3安全可靠（直接安全技术、间接安全技术、提示性安全技术）,二、结构方案设计原理,1等强度原理 1）材料可

4、以得到充分的利用，减轻重量、降低成本 2）可通过结构措施来降低高应力区的应力或提高低应力区的应力,等强度梁优点：,1.零件截面尺寸的变化应与其内应力变化相适应，使各截面的强度相等。 2.按等强度原理设计的结构，材料可以得到充分的利用，从而减轻了重量、降低成本。如悬臂支架、阶梯轴的设计等。,2、变形协调原理,使相连接的两零件在外载荷的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。,3、任务分配原理,1）功能与载体间的关系：一载体承担多功能、一载体承担一种功能、 多载体承担一种功能 2）在同一零件中，可在不同位置采用不同的材料，分别承担不同的功能。 3）同一零件采用同一材料，可以在不同部位

5、采用不同的热处理以承担不同的功能,4、自助原理 1）自补偿：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。 2）总效应=初始效应+辅助效应 3）常见的应用形式如下：,（1）自增强,辅助效应与初始效应的方向相同时，总效应加强,（2）自平衡 通常是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。,（3）自保护：自动保护装置,5.稳定性原理：机械装置在工作过程中会有一些干扰因素，通过合理的结构设计会使得这些干扰因素出现时系统自动产生一种与之作用相反的作用，是系统保持稳定状态。,6-3结构设计中的强度和刚度问题,一、提高静强度的设计方法 1合理确定截

6、面形状 空心轴的强度高于实心轴，同时空心轴的截面惯性矩和极惯性矩都显著增大，抗弯和抗扭刚度也大为提高。 当要求一定的材料消耗时，选择合理的截面形状可以显著提高构件的强度和刚度；当要求一定的强度和刚度时，合理的选择截面形状可以大大的节省材料、减轻重量。,2载荷分流 将一个较大的载荷或复合载荷分流到不同零件或同一零件的不同部位上，从而达到降低应力、减小变形的效果。,3、载荷均化：将集中或分布不均的载荷变成近似均布的载荷以降低构件的最大应力,3、载荷均化：将集中或分布不均的载荷变成近似均布的载荷以降低构件的最大应力,4.改善轴系支承,5.充分发挥材料特性,6.合理强化,弹性强化：使构件在受工作载荷之

7、前预受一个与工作载荷相反的载荷，产生一个相应的预变形，以及一个与工作应力相反的预应力，工作时该预加载荷部分的抵消工作载荷，预变形部分的抵消工作变形，从而降低了构件的最大应力。,内部产生高压的情况,塑性强化：使构件在工作状态下应力最大那部分材料预先经塑性变形而产生一个与工作应力符号相反的残留应力，用以部分的抵消工作应力。,二、提高静刚度的设计方法,采用桁架结构 合理布置隔板 与肋板,合理布置支承,合理布置隔板与肋板,四、有关强度和刚度的其它问题 1提高疲劳强度和动刚度 措施:降低应力集中程度,应特别注意在钻孔、切槽、过度圆角及截面急剧变化处的结构，以减少应力集中。 提高零件的动刚度可以从提高静刚

8、度、增加阻尼和调整固有频率等方面着手。,降低应力幅：,第13次课:15周 周一,2提高零件的接触强度和接触刚度 1）增大球面支承的综合曲率半径,2）增加接触元素数量,3）以面接触代替线接触或点接触,4.通过预紧提高接触刚度,6-4结构设计中的精度问题,一、误差分析 1、原始误差：加工、安装、调整过程中产生的误差。 2、原理误差：采用近似工作原理产生的误差。 3、工作误差：受力、受热、磨损等。 4、回程误差：运动副间间隙等造成运动转向时。,二、提高精度的设计方法1、有利减少原始误差的结构设计措施,2、补偿系统误差,其他减少误差的设计方法(自学),误差均化 利用误差传动规律 合理配置精度 选择较好

9、的近似机构 采用有利于施工的结构等,6-5结构设计中的工艺问题,一、机械加工的工艺性 （按零件结构力求简单等四个原则） 1零件结构力求简单 2便于加工 3便于装卡 4提高切削效率,零件加工工艺性举例：,零件加工工艺性举例：,二、零件装配的工艺性,机器的装配工艺性要求机器结构在装配过程中，使相互联接的零部件不用或少用修配和机械加工，就能按要求顺利地、花比较少的劳动量装配起来并达到规定的装配精度。装配对零部件结构工艺性的要求，主要是使装配周期最短、劳动量最少、而且操作方便容易达到装配精度要求。为此，应考虑以下几个方面 （1）将结构分拆成若干个独立的装配单元为了多快好省地装配机器，必须最大限度缩短装

10、配周期，而把机器分成若干个装配单元是缩短装配周期的基本措施。,将机器分拆成若干独立装配单元，除上述优点外，还有： 1）便于部件规格化、系列化和标准化，并可减少劳动量，提高装配生产率和降低成本。2）有利于机器质量不断的改进和提高。这对重型机器尤为重要，因为它们寿命周期较长，不会轻易报废。随着科学技术进步和要求的不断提高，经常在使用过程中需加以改进。若机器具有独立装配单元，则改进起来很方便。3）便于协作生产。可由各专业工厂分别生产独立单元，然后再集中进行装配。4）给重型机械包装运输带来很大方便。5）装配工作中，可在组织平行装配作业基础上安排流水作业生产。6）各独立装配单元可预先进行调整实验，各部分

11、以比较完善状态进入总装，有利于保证产品质量和总装顺利进行。,（2）尽量减少装配时的修配和机械加工 装配时的修配工作，不仅要求技术高，而且多半是手工操作，既费工又难以确定工作量。因此，在结构设计中就应考虑到如何将装配时的修配工作减少到最低限度 （3）尽量使装配和拆卸方便 设计机器结构时，必须考虑装配工作简单方便。很重要的一点是套件的几个表面不应该是同时地装入基准零件（如箱体零件）的配合孔中，而应该按先后次序，依次装入。 ,三、铸件及焊接件设计准则 1铸件的工艺性：便于造型、考虑铸件冷却变形、适用于金属流体流动充满的原则 2.焊接件的工艺性：适用于焊接操作、焊缝受力合理性、防止焊缝被切削的原则,6

12、-6材料选择,一、材料选择的原则 1考虑材料承载能力的原则 根据工作载荷的性质、工作环境等因素来考虑，力争做到零件的各个部分的材料都发挥其承载能力 2考虑材料的工艺性能的原则 （1）性能要求不高的一般零件： 毛坯（铸铁或碳钢）-正火（低、中碳钢）或退火（中、高碳钢）-机械加工-零件 （2)性能要求较高的零件： 毛坯-正火或退火-粗加工-最后热处理（淬火、回火或渗碳处理）-精加工 (3)要求较高的精密零件 3考虑材料经济性的原则,1.轴杆类零件 轴杆零件的结构特点是其轴向尺寸远比径向尺寸大。这类零件包括各种传动轴、机床主轴、丝杠、光杠、曲轴、偏心轴、凸轮轴、连杆、拔叉等。 (1)轴的工作条件 其

13、受力情况如下： 1）传递扭矩，同时还承受一定的交变弯曲应力。 2）轴颈承受较大的摩擦。 3）大多承受一定的过载或冲击载荷。 (2)选材 显然，作为轴的材料，如选用高分子材料，弹性模量小，刚度不足，极易变形，所以不合适；如用陶瓷材料，则太脆，韧性差，亦不合适。因此，作为重要的轴，几乎都选用金属材料。,二、典型零件的选材,多数情况下，轴杆类零件是各种机械中重要的受力和传动零件，要求材料具有较高的强度、疲劳极限、塑性与韧性，即要求具有良好的综合力学性能。因此，这类零件几乎都采用锻造成形法，常用中碳钢和合金钢材料。中碳钢中45钢使用最多，合金钢中40Cr、40CrNi、20CrMnTi、18Cr2Ni

14、4W等也常用。这些材料一般须经调质处理，以使零件具有较好的综合力学性能。 （3）其制造工艺流程如下： 棒料锻造正火或退火粗加工调质处理精加工 在满足使用要求的前提下，某些具有异截面的轴，如凸轮轴、曲轴等，也常采用QT450-10，QT500-5，QT600-2等球墨铸铁毛坯，以降低制造成本。与锻造成形的钢轴相比，球墨铸铁有良好的减振性、切削加工性及低的缺口敏感性；此外，它还有较高的力学性能，疲劳强度与中碳钢相近，耐磨性优于表面淬火钢，经过热处理后，还可使其强度硬度韧性有所提高。,因此，对于主要考虑刚度的轴以及主要承受静载荷的轴，采用铸造成形的球墨铸铁是安全可靠的。目前部分负载较重但冲击不大的锻

15、造成形轴已被铸造成形轴所代替，既满足了使用性能的要求，又降低了零件的生产成本，取得了良好的经济效益。 对于在高温或介质中使用的轴，可考虑使用具有相应耐热、耐磨、耐腐蚀的材料。 2.齿轮类零件 齿轮主要是用来传递扭矩，有时也用来换档或改变传动方向，有的齿轮仅起分度定位作用。齿轮的转速可以相差很大，齿轮的直径可以从几毫米到几米，工作环境也有很大的差别，因此齿轮的工作条件是复杂的。,大多数重要齿轮的受力共同特点是：由于传递扭矩，齿轮根部承受较大的交变弯曲应力；齿的表面承受较大的接触应力，在工作过程中相互滚动和滑动，表面受到强烈的摩擦和磨损；由于换档启动或啮合不良，轮齿会受到冲击。 因此，作为齿轮的材

16、料应具有以下主要性能：高的弯曲疲劳强度和高的接触疲劳强度；齿面有高的硬度和耐磨性；轮齿心部要有足够的强度和韧性。 显然，作为齿轮用材料，陶瓷是不合适的，因为其脆性大，不能承受冲击。绝大多数情况下有机高分子类材料也是不合适的，其强度硬度太低。,对于传递功率大、接触应力大、运转速度高而又受较大冲击载荷的齿轮，通常选择低碳钢或低碳合金钢，如20Cr、18CrMnTi等制造，并经渗碳及渗碳后热处理，最终表面硬度要求为5662HRC。属于这类齿轮的一般有精密机床的主轴传动齿轮走刀齿轮和变速箱的高速齿轮。 其制造工艺流程如下： 棒料镦粗正火或退火机械加工成形渗碳或碳氮共渗淬火加低温回火。 对于小功率齿轮，

17、通常选择中碳钢，并经表面淬火和低温回火，最终表面硬度要求为4550HRC或5258HRC。属于这类齿轮的，通常是机床的变速齿轮。其中硬度较低的，用于运转速度较低的齿轮；硬度较高的，用于运转速度较高的齿轮。,在一些受力不大或无润滑条件下工作的齿轮，可选用塑料（如尼龙、聚碳酸脂等）来制造。一些低应力、低冲击载荷条件下工作的齿轮，可用HT250、HT300、HT350、QT600-3、QT700-2等材料来制造。较为重要的齿轮，一般都用合金钢制造。 具体选用哪种材料，应按照齿轮的工作条件而定。首先，要考虑所受载荷的性质和大小、传动速度、精度要求等；其次，也应考虑材料的成形及机加工工艺性、生产批量、结

18、构尺寸、齿轮重量、原料供应的难易和经济效果等因素。此外，在选择齿轮材料时还应考虑以下3点：,1)应根据齿轮的模数、断面尺寸、齿面和心部要求的硬度及强韧性，选择淬透性相适应的钢号。钢的淬透性低了，则齿轮的强度达不到要求；淬透性太高，会使淬火应力和变形增大，材料价格也较高。 2)某些高速、重载的齿轮，为避免齿面咬合，配合的齿轮应选用不同材料制造。 3)在齿轮副中，小齿轮的齿根较薄，而受载次数较多。因此，小齿轮的强度硬度应比大齿轮高，即材料较好，以利于两者磨损均匀，受损程度及使用寿命较为接近。,3.海水中使用的水泵叶轮和水泵轴的选材 由于海水对材料的腐蚀作用较大，在海水中使用的材料必须考虑材料的耐蚀性问题。在淡水中能够使用的3Cr13或4Cr13马氏体不锈钢，而它们在海水中就不耐腐蚀。 对于水泵叶轮，主要考虑材料的耐腐蚀性即可，根据有关手册，可选用含钼奥氏体不锈钢，如1Cr18Ni12Mo2Ti、 0Cr17Ni12Mo2。而对于泵轴，由于其的负荷较大，要求轴颈处有高的硬度和耐磨性，奥氏体不锈钢就不宜选用，Cr13型马氏体不锈钢的强韧性和耐磨性好，但耐蚀性较差，也不理想。,如选用奥氏体不锈钢，并在轴颈部位