产品的结构.ppt

课程简介学习目标授课教案习题作业 课程简介 产品的结构及机构就是产品的 骨骼系统 皮肤与肌肉系统 即产品外部及连接结构 产品内部骨架及安装结构 产品运动机构等 产品结构对于产品主要起到包装 支撑 安装 连接等作用 而产品机构主要起到完成运动 完成空间动作 产生功能等作用 学习目标 掌握产品机械结构设计的基本原理和原则 了解产品机械系统与结构的功能 作用 产品结构的组成与分类 了解钣金结构设计 塑料产品结构设计的内容与要求 能够分析家用电器及常见仪器设备的结构特点 教案 产品机械结构设计的基本原理和原则常见产品的结构设计产品机械结构设计的任务和特点产品机械结构件的结构要素和设计方法产品机械结构设计的基本要求和设计准则产品机械结构设计的工作步骤典型案例分析课程设计 1 产品设计的工艺原则是什么2 钣金结构中弯曲件的设计注意点是什么3 钣金结构件中拉深件的设计注意点是什么4 产品塑料外壳多数是用热塑性塑料 其一般厚度是多少5 怎样在产品塑料外壳不增加厚度的情况下 增加其强度和刚度6 为什么塑料产品的设计必须有脱模斜度 一般外表面的脱模斜度是多少7 简述塑料产品的设计中加强筋的厚度与高度对外观的影响8 请自选一台机器 仪器 作钣金结构和塑料结构分析9 请自选一件塑料制品 作一下它的塑料结构分析10 课程设计 习题作业 产品机械结构设计基本原理和原则 产品机械系统与结构的功能和应用 产品结构的组成 产品对机械系统的基本要求 产品机械结构设计的原则 机械系统与外壳结构是现代设备发展的基础和必不可少的组成部分 各种科学的最新成果和先进的技术系统 如微电子技术 计算机应用技术和其他高新技术 如果要成为具有实用价值的产品 必须有机械系统与外壳结构 安装结构系统 现代产品机械系统结构的零部件和机构种类繁多 各自的功能和作用多种多样 但可概括为两个主要方面 产品机械系统与结构的功能和应用 通过各种动力 传动机构及其相互组合 构成机器设备中的特定机械与机构的功能系统 以实现运动 能量和信息的传递 转换 控制 显示和记录以及完成机器设备功能所要求的各种动作 通过机座 机壳等各种基体零部件和紧固件的组合 设备中机构的机架和支承系统 实现设备 仪器各种元器件的刚性或弹性连接 固定和高速 保证各元器件获得所要求的 确定的和稳定的相对位置 摄像机是典型的具有机械 微电子系统的产品 如图所示 机芯和镜头是精密机械系统 装有集成电路的线路板是微电子系统 整个机械 微电子系统都安装在底座 冲压金属板上 再与机壳固定在一起 产品机械系统与结构的的应用实例之一是数控绘图仪中的机械装置 数控绘图仪是根据计算机输出的数字信息 经过处理 高速度 高精度地将原来的连续模型以绘制图形的形式输出的装置 它的出现和应用对设计工作是一大飞跃 它既可作为主计算机的一种终端联机使用 也可与主计算机脱机使用 主计算机将处理过的图形信息存在磁盘或光盘上 自动绘图时 绘图仪与配套的微型计算机进行信息处理 然后通过插补器发出一系列X Y方向的指令脉冲 经过伺服放大器 伺服电动机 传动装置 最后使笔架上的画笔进行X Y方向的合成运动 绘出图形 它主要由绘图平台 X向导机 Y向导机 传动装置和笔架等部分组成 绘图平台 台面通常由硬质橡胶构成 上面有许多小孔 与真空吸附装置相通 以便固定图纸 导轨与横梁 X向导轨位于平台两侧 Y向导横梁上 横梁由两端的滑座支承X向导轨上 传动装置 X向导传动装置由齿轮减速器和齿轮齿条机构组成 Y向传动装置由齿轮减速器和滚珠螺旋机构组成 笔架 笔架支承在Y向导轨上 它在导轨上的移动是由电机驱动并通过滚珠螺叶在螺杆上的移动而实现的 它与由电机驱动使横梁在X向导轨上的移动组合实现画笔的绘图 而笔架按计算机的指令要求可自动抬笔和落笔 从以上实例简介中 可初步了解机械系统与结构在机器设备中的基本功能和作用 任何一部结构比较复杂的产品 按照结构的观点 均可视为由若干零件 部件和组件组成 产品结构的组成 又称元件 是产品的基础 是组成产品的最基本成分 是一个不经破坏不可分解的单一整体 是一种不采用装配工序而制成的成品 零件通常是用一种材料经过所需的各种加工工序制成的 如螺钉 弹簧 轴等 1 零件 又称器件 是生产过程中由加工好的两个或两个以上的零件 以可拆联接或永久连接的形式 按照装配图要求装配而成的一个单元 其目的是将产品的装配分成若干初级阶段 也可以作为独立的产品 如滚动轴承 减振器等 2 部件 又称整件 是由若干零件和部件按照装配图要求 装配成的一种具有完整机构和结构 能实施独立功能 能执行一定任务的装置 从而将比较复杂产品的装配分成若干高级阶段 或作为独立的产品 如减速器 录像机机芯 磁带机芯等 3 组件 是由若干组件 部件和零件按总装配图要求 装配成的完整的仪器设备产品 整机能完成技术条件规定的复杂任务和功能 并配备所谓的一切配套附件 如录放机 复印机 摄像机 放映机等 4 整机 一般来说 产品中的技术性能指标主要是针对产品的系统和结构能否满足技术条件规定的功能和使用技术性能要求 经济指标则主要是针对产品的结构能否经济地进行生产 满足成本和经济效益的要求 产品对机械系统与结构的基本要求 可概括为以下几个方面 产品对机械系统的基本要求 是最基本的技术要求 机械系统主要体现为执行机构运动规律和运动范围的要求 1 功能特性要求 是最重要的技术性能要求 对于机械系统主要体现为对执行机构输出部分的位置误差 位移误差和空回误差的严格控制 2 精度要求 执行机构的输出部分应能灵敏地反映输入部分的微量变化 为此 必须减小系统的惯量 减少磨擦 提高效率 以利于系统的动态响应 3 灵敏度要求 构件的弹性变形应限制在允许的范围之内 以免由弹性变形引起运行误差和影响系统的稳定性及动态响应 4 刚度要求 构件应在一定的使用期限内不产生破坏 以保证运动和能量的正常传递 5 强度要求 系统和结构应能在冲击 振动 高温 低温 腐蚀 潮湿 灰尘等恶劣环境下 保持工作的稳定性 6 各种环境下工作稳定性要求 结构应便于加工 装配 维修 应充分贯彻标准化 系列化 通用化等经济原则 以降低成本 提高效益 7 结构工艺性的要求 结构应尽量紧凑 轻便 操作简便 安全 造型美观 携带 运输方便 8 使用要求 所设计的产品及其机械结构能否在满足使用技术性能要求的前提下 采用最合理的工艺方法和流程 最经济地进行生产 即所谓结构工艺性问题 须给予极大的重视 在产品结构设计中应严格遵循以下工艺原则 并贯穿产品结构设计的全部过程中的各个阶段 产品机械结构设计的原则 产品生产规模按产品生产的数量分为单件 小批 中批 大批和大量生产 它是由社会实际需求决定的 不同的生产规模具有不同的生产线和相应的生产设备 因此 所设计的产品结构应反映出生产规模的特点 并与相应的生产线及其生产能力相适应 例如大量和大批生产的产品结构从毛坯制取 机械加工和装配都应适应造化或半自动化生产线 由各种高效率的专用加工设备和插装设备进行加工 装配 甚至包括生产各个阶段质量的在线检测和控制 直到标牌安装或封贴以及产品包装 为此 零件的加工和装备必须达到完全互换 而单件和小批生产的产品结构 则应适应由通用设备 通用工艺装置等组成的生产线进行加工 装配的特点 1 产品结构应反映生产规模的特点 设计产品结构时应从产品总体着眼 使产品结构易于分成若干独立组件 以便采用积木式进行总装 各组件的装配最好是彼此独立 并行地进行装配 以利于提高总装效率和查找产生问题的部位 各组件之间的联系应方便拆装 易于装调 并便于对任何零 部件检修和更换而不影响其他部分 2 合理划分产品结构的组件 设计新产品或对原有产品进行改进时 应充分分析吸收原有产品或相近产品结构的优点 尽量利用原有产品或借用相近产品中经过生产和使用证明已比较成熟的结构 或尽量采用典型结构 只对少部分结构另行设计 或局部改动 这不仅可大大简化设计和生产过程 缩短产品研制和生产周期 而且易于保证产品质量 3 尽量利用典型结构 在保证产品技术恨不能要求的前提下 设计时应尽量简化传动链 这样使系统中的零 部件的数量大大减少 从而使结构尽量简单 零 部件自身的结构也应尽量简化 这不仅减少了加工劳动量 同时也减少了误差来源 4 力求系统和结构简单化 总体结构设计时应使每个零 部件都具有合理的定位基准 尽量使定位基准 包括辅助基准 分布在同一平面内 并且尽量使零 部件的设计基准与工艺基准 包括定位基准 测量基准 装配基准 重合一致 以减少由于基准不一致所造成的误差和繁琐计算 5 合理选择基准 力求合一 产品结构设计中贯彻标准化是获得工艺性结构的最重要条件 贯彻标准化 统一化原则主要体现为 结构中最大限度地采用标准件 确定产品结构的各种参数时 应最大限度地采用相应的标准值和优先数系的规定值 尽量统一结构中相近零件的材料牌号 标准件的品种 规格 型号尺寸系列 6 贯彻标准化 统一化原则 7 结构应能进行调整和定位 常见产品的结构设计 工业设计专业涉及的结构设计 主要是产品的外部壳体结构设计 目前壳体材料主要是金属材料通过钣金冲压工艺成型和塑料通过注塑工艺成型 本节主要就这两类材料壳体的结构设计进行探讨 1钣金结构的设计 弯曲件的结构设计 冲裁件的结构设计 拉深件的结构设计 2塑料产品的结构设计 塑料产品的形状 塑料产品的壁厚 塑料产品的脱模斜度 塑料产品的加强筋 塑料产品的底部支承面 塑料产品的孔 塑料产品的圆角 塑料产品的标志设计 3电子设备整机结构 机箱的结构形式 机柜的结构形式 通风窗口的开设形式 常见产品的结构设计 具有良好工艺性的弯曲件 能简化弯曲的工艺过程和提高弯曲件的精度 下面对弯曲件的结构提出一些设计要求 一 弯曲件的结构设计 弯曲件的形状最好对称 弯曲半径左右一致 否则 由于磨擦力不均匀 板料在弯曲过程中会产生滑动 为了防止板料的偏移 设计模具时应有可靠的定位措施 弯曲件的圆角半径应大于板料许可的最小弯曲半径 当必须弯曲成很小圆角时 可进行多次弯曲 中间辅以退火工序 弯曲件的圆角半径也不宜过大 因为过大时 回弹值增大 弯曲件的精度不易保证 弯曲件的直边高度不宜过小 弯曲高度为直边的两倍 可在弯曲前 在弯曲处先压槽 再弯曲 如图所示 或加高直边 弯曲后再切掉 在弯曲件有孔时 如果孔的位置处于弯曲变形区 则孔会发生变形 为避免这种情况 必须使孔处于变形区之外 弯曲件直边高度 压槽 在局部弯曲某一段边缘时 为避免角部形成裂纹 可预先切出工艺槽 如图3所示 可以离开尺寸突变处 如图4所示 直角的拐弯处 可在弯曲前冲制工艺孔 如图5所示 边缘部分有缺口的弯曲件 弯曲时必须于缺口处留连接带 将缺口连住 待弯曲成形后 再将连接带切除 若在毛料上先冲缺口再弯曲 会出现叉口甚至无法形成 添加工艺槽 剪曲前冲的工艺孔 转移弯曲线 冲工艺孔 切除连接带 2 弯曲后切除的连接带 二 冲裁件的结构设计 冲裁件的结构设计是指冲裁件对冲裁工艺的适应性 良好的冲裁结构设计应保证材料利用率高 工序数目少 模具结构简单且寿命高 产品质量稳定等 一般情况下 对冲裁件结构影响最大的是精度要求和几何形状及尺寸 1 冲裁件的精度等级 冲裁件精度一般可达IT10 IT12级 高精度可达IT8 IT10级 冲孔比落料的精度约高一级 具体数值可查有关设计手册 如果工件要求更高精度时 冲裁后需通过整修或辅以切削加工 或者采用精密冲裁 2 冲裁件的结构设计 冲裁件的形状应尽量简单 最好是规则的几何形状或由规则的几何形状所组成 同时应避免冲裁件上过长的悬臂与凹槽 它们的宽度要大于料厚的1 5 2倍 一般情况下 冲裁件的外形和内孔应避免尖角 采用圆角的形式 当需要冲制不带圆角的工件时 可以用分段冲切的办法冲制 但模具寿命明显降低 冲孔时 因受凸模强度限制 孔的尺寸不宜过小 孔与孔之间的距离或孔与零件边缘之间的距离 因受模具强度和冲裁件质量的限制 其值不能过小 一般应为3 4mm 在弯曲件或拉深件上冲孔时 其孔壁与工件直壁之间的距离不宜过小 否则 会使凸模受侧向力作用 同时 会影响弯曲件或拉深件的已成形区域 三 拉深件的结构设计 拉深件的形状应尽量简单对称 尽量避免急剧的轮廓变化 旋转体零件在圆周方向上的变形应是均匀的 这样模具加工较容易 其工艺性最佳 其他形状的拉深件 应尽最避免轮廓的急剧变化 否则 变形不均匀 拉深困难 拉深件凸缘的外轮廓最好与拉深部分的轮廓形状相似 如果凸缘的宽度不一致 不仅拉深困难 需要添加工序 而且还需放宽修边余量 增加材料损耗 拉深件的圆角半径要合适 内部圆角半径为壁厚的3 5倍 拉深件底部孔的大小要合适 在拉深件的底部冲孔时 其孔边到侧壁的距离应不濒于该处圆角半径加上板料厚度的一半 拉深件的精度要求不宜过高 拉深件的精度包括拉深件内形或外形的直径尺寸公差 高度尺寸公差等 其精度等级要求不宜过高 如图所示为一件较复杂的拉深产品 其外形均匀对称 轮廓变化较柔和 顺滑 顶部凸缘宽度一致 底部孔大小合适 外部凸凹装饰条凹进较浅 整体结构设计合理 工艺性较佳 一次压延 二次压延 三次压延 做成外形 拉深件冲压过程 拉深件冲压过程 作成凸凹条 塑料产品的结构设计 塑料产品的结构设计 良好的塑料产品既要美观大方 好用 又要便于成型 塑料产品结构的几何形状包括 形状 壁厚 加强筋 支承面 脱面斜度 圆角 孔 标志与花纹等 一 塑料产品的形状 塑料产品应尽量避免侧壁凹槽或与塑件脱模方向垂直的孔 这样可避免采用瓣合分型或侧抽芯等复杂的模具结构 避免使分型面上留下飞边 如图所示 改进前的塑件需要采用侧抽芯或瓣合分型凹模 或凸模 结构 改进后的塑件简化了模具结构 可采用整体式凹模 或凸模 结构 对于较浅的内侧凹槽并带有圆角的塑料件 可利用塑料在脱模温度下具有足够弹性的特性以强行脱模的方式脱模 而不必采用组合型芯的方法 多数情况下 带侧凹的塑料件不宜采用强行脱模 以免损坏塑料件 塑料产品的形状还要有利于提高塑料件的强度和刚度 如把薄壳状的塑料产品顶部或底部设计成球面或拱形曲面 可以有效地增加刚性和减少变形 如图1所示 对于薄壁容器的边缘可按图2所示设计来增加刚性和减少变形 紧固的凸耳或台阶应有足够的强度和刚度 以承受紧固时的作用力 应避免台阶的突然过渡和尺寸过小 如图所示 此外 塑料产品的形状还应考虑成型时分型面位置 脱模后不易变形等 综合所述 塑料产品的形状必须便于成型以简化模具结构 降低成本 提高生产率和保证塑料件的质量 二 塑料产品的壁厚 塑料产品的外壳壁厚取决于塑料件的使用条件 即强度 刚度 结构 电性能 尺寸稳定性以及装配等各项要求 但壁厚的大小对塑料成型影响很大 所以合理地选择塑料件壁厚是很重要的 任何塑料产品均需要有一定的壁厚 这是因为塑料在成型时要有良好的流动性 并保证产品有足够的强度和刚度 也便于从模具里顶出产品 部件装配操作也需要制品有一定的壁厚 壁厚过大 不仅浪费原料 增加塑料制品的成本 而且增加成型时间和冷却时间 处长模塑周期 降低生产率 还容易产生气泡 缩孔等缺陷 壁厚过小 成型时流动阻力大 对大型复杂塑料产品就难以充满型腔 而且不能保证塑料产品的强度和刚度 塑料产品的壁厚应力求均匀 厚薄适当 以减少应力的产生 壁太厚 易形成 沉陷点 或产生翘曲 为此 常将厚的部分挖空 采用适当的修饰半径以缓慢过渡厚薄部分空间 壁厚设计对比如下图所示 热固性塑料产品的厚度一般在1 6mm之间 最大不得超过13mm 在保证成型和使用条件下 应力求采用均匀和最小的壁厚 以得到快速 完全的固化 三 塑料产品的脱模斜度 脱模斜度又称拔模斜度 出模斜度塑料成型后塑料产品紧紧抱住模具型芯或型腔中凸出部位 给取出产品带来困难 为便于从模具内取出产品或从产品内抽出型芯 设计塑料产品结构时 必须考虑足够的脱模斜度 脱模斜度如图所示 塑料产品的内表面 外表面沿脱模方向均应有脱模斜度 所取数值按经验确定 必须限制在制造公差范围内 一般脱模斜度为1 2 最小为0 5 内表面的脱模斜度大于外表面的脱模斜度 塑料产品有凸起或加强肋 单边应有4 5 的脱模斜度 型芯长度及型腔浓度越大 斜度适当缩小 通常取0 5 即可 厚壁产品会因壁厚使成型收缩增大 故斜度应放大 若斜度不妨碍制品的使用 则可将斜度取得大些 热固性塑料较热塑性塑料收缩小些 脱模斜度也相应小些 复杂及不规则形状制品其斜度应大些 不通孔深度小于10mm 外形高度不大于20mm时 允许不设计斜度 有时根据产品预留的位置来确定脱模斜度 若为了在开模后让产品留在凸模上 则有意将凸模斜度减小 而将凹模斜度放大 反之亦然 总之 在满足塑料产品尺寸公差要求的前提下 脱模斜度可以取大些 四 塑料产品的加强筋 加强筋的作用不仅可以提高塑料产品的强度和刚度 减少扭歪现象 而且可使塑料成型时容易充满型腔 设计加强筋时应注意以下问题 加强筋的厚度应小于被加强的产品壁厚 防止连接处产生凹陷 加强筋的高度不宜过高 否则会使筋部受力破坏 降低自身刚性 如图所示的为加强筋尺寸比例 图 a 所示的加强筋底部厚度为壁厚的一半 高度较矮 不易产生缩孔 图 b 所示的加强筋底部厚度等于壁厚 高度较高 在交汇处产生 沉陷点 为了增加产品的刚度 宁可增加加强筋的数目而应增加其高度 产品加强筋为两个以上时 其中点距不小于2mm 加强筋脱模斜度可大些 以利脱模 单边应有4 5 使多数加强筋的方向与型腔塑料的流向一致 避免塑料流向的干扰而损害产品的质量 多条加强筋要分布得当 排列相互错开 以减少收缩不均 如下图所示 加强筋与支承面如下图所示 加强筋的端面不应与支承面相平 至少低于支承面0 5mm 五 塑料产品的底部支承面 塑料产品的底部支承面选用整平面结构是不适宜的 因为要使整平面达到绝对平直是十分困难的 所以采用凸台结构效果较好 凸台以3个为最好 高度应高出平面0 5mm以上 位置应均匀设置在制品的边角 有足够的强度 适宜的出模斜度和绞变的过渡联接 塑料产品的底部支承面凸台结构如下图所示 塑料产品上的孔有通孔 盲孔和复杂形状的孔 孔的位置应尽可能设置在最不易削弱塑料产品强度的地方 在相邻孔之间以及孔到边缘之间 均应留出适当的距离 且尽可能使壁厚大一些 以保证有足够的强度 如图 a 所示 圆筒边部通孔 孔在筒边设计成管柱状 管边直到加强筋的作用 不减弱筒壁强度 如图 b c 所示 孔边缘设计凸台 以增加强度 六 塑料产品的孔 对于斜孔和形状复杂孔的成型方法 可采用拼合型芯来完成 以避免抽侧芯结构 塑料产品上出现侧孔及侧凹时 为便于出模 必须设置滑块或侧抽芯机构 从而使模具结构复杂 成本增加 因此 应加以改进 如图 b 所示 孔改为槽状 便于拔模 在塑料产品的拐角处设置圆角 可增加产品的机械强度 改善成型时材料的流动性 也有利于产品的脱模 因此 在设计塑料产品结构时 应尽可能采用圆角 在两部位交接处的内 外角上采用圆弧过渡能减小应力集中 外圆弧半径应是壁厚的1 5倍 内圆弧半径是壁厚的0 5倍 使厚度一致 塑料产品所有拐角处均应设置圆弧过渡 七 塑料产品的圆角 根据装满或某种使用上的要求 塑料产品上常需要直接制出花纹 标记 符号及文字 为了工艺上的要求及模具制作的方便 设计的花纹应注意其凸凹纹方向与胶模方向的一致性 塑料产品侧壁的花纹或文字等是依靠侧壁斜度保证脱模的 如下图所示的是塑料旋钮花纹 其中图 a 为设计不合理 不能脱模 图 b 为设计合理 便于脱模 八 塑料产品的标志设计 塑料产品上的标记 符号或文字可以设计成三种不同的形式 1 凸字 如图 a 所示 它在模具制造时比较方便 可用机械或手工将字雕刻在模具上 但使用过程中凸字容易损坏 2 凹字 如图 b 所示 它可以填上各种颜色的油漆 使字迹更为鲜明 这种形式如果用机械加工模具则较麻烦 现在多采用电铸 冷挤压或电火花方法来制造模具 3 凹坑凸字 如图 c 所示 在凸字的周围带来凹入的装饰框 制造这种结构形式模具可以采用镶块 然后镶入模体中 制造比较方便 凸字在使用时也避免碰坏 电子设备整机结构 人们把利用电子学原理制成的设备 装置 仪器 仪表等统称为电子设备 电子设备的结构设计有其独特的结构组成 其内部需安装电子元 器件及机械零 部件 常见结构分机箱 机柜两种 如下图所示 机箱 机柜均需考虑通风口的开设 机箱是把整个设备安置在一个箱体中 常用于尺寸较小 结构简单的小型电子设备 外形往往是箱形的 称为机箱 机柜是对于结构复杂 尺寸较大的电子设备 往往将其分为若干分机或插箱 安置在一个共同的安装架上 封闭后的整体称为机柜 常见结构形式为立式 琴柜式和组合式 现代新的发展方向为外插式积木化结构 下面就机箱 机柜和通风窗口的开设一一加以介绍 一 机箱的结构形式 机箱的结构可按其材料和结构形式分为两大类 1 按制造材料分根据机箱使用的材料与工艺不同可划分为 1 钣金结构机箱用各种冷轧 热轧薄钢板经过剪切 冲压 弯曲等工艺过程 最后用焊接 螺钉组装 制成各式机箱 机柜 用这种材料制成的箱柜成本低 取材方便 如下图所示的是简单的钣金机箱 它由上下两个 门 字形钢板组成 其优点是 机箱可以设计成各种形式及尺寸 灵活多样 用料品种少 机箱的强度与刚度好 适用于单件多品种生产 其缺点是 机箱的外形尺寸公差大 不宜于批量生产 钣金工水平要求高 有一定的工装模具 外形不美观 2 铝型材机箱铝型材机箱按其结构可划分为 1 型材围框结构机箱用铝型材折弯 形成前后围框 也可以是左右围框 再用铝型材腰带 支撑为侧梁组成机箱框架 最后加上下盖板及前后面板即成机箱 如下图所示 其优点是 结构简单 若改变型材的下料长度工 则可组成各种不同外形尺寸的机箱 采用通用折弯模后 可用于批量生产 其缺点是 型材折弯后 围框与盖板 面板的配合不易做到紧密吻合 机箱外形尚不够美观 由于采用薄壁型材折弯 其刚度与强度较差 仅适用于轻型设备 2 型材组合结构机箱这种机箱是用多种不同断面形状铝型材 通过螺钉在转角处联接组成机箱框架 再加前后面板及左右 上下盖板组成机箱 其优点是 机箱的外形尺寸变换方便 适应多品种及有一定批量的产品 用途广 可组合成台式 装架式机箱及插箱 由于选用较高强度的铝合金 因此机箱具有较高的强度与刚度 3 型板结构机箱型板是具有板状特征的铝型材 利用型板作为机箱柜架的侧面 也可为前后面 再用铝型材横梁与侧面板连接 就构成机箱框架 如下图所示 这种结构的机箱由于采用了型板 故机加工量小 工艺简单 机箱的强度与刚度均较好 但机箱高度方向的尺寸受型板尺寸的限制 故适用于扁平形状的机箱 4 压铸结构机箱若将型板结构机箱的型板及其连接部分制成铝压铸件 即成为压铸结构机箱 这种机箱由于采用了压铸工艺 故尺寸精确度高 适用于大批量生产 强度与刚度均较好 且装配方便 其缺点是需要压铸设备 压铸模的成本高 机箱的外形尺寸受压铸机的限制 2 按箱体的结构形式分1 插箱式 2 盖盒式 3 翻转式 二 机柜的结构形式 1 常见机柜的结构常见机柜的结构形式有三种 立式 组合式和琴柜式 如图所示 2 外插式积木化结构随着科学技术的发展 电子仪器 设备在工业和民用中得到广泛的应用 促使人们将能独立的功能单元设计成台式设备 它既能上架 柜使用 又能单独使用 接着又发展到由多台台式设备组合使用 各种设备间的连接由内连接转到外连接 从而形成了外插式积木化结构机柜并得到日益广泛的应用 图所示的是地面站接收设备机柜 图所示的是外插卡式机箱 图所示的是内插卡式机箱 为现代微型计算机广泛采用 三 通风窗口的开设形式当机箱 机柜需要散热时 应在盖门或侧板上开设通风口 常见的通风口或孔如上图所示 机械结构设计的任务和特点 机械结构设计的任务 机械结构设计的任务是在总体设计的基础上 根据所确定的原理方案 确定并绘出具体的结构图 以体现所要求的功能 是将抽象的工作原理具体化为某类构件或零部件 具体内容为在确定结构件的材料 形状 尺寸 公差 热处理方式和表面状况的同时 还须考虑其加工工艺 强度 刚度 精度以及与其它零件相互之间关系等问题 所以 结构设计的直接产物虽是技术图纸 但结构设计工作不是简单的机械制图 图纸只是表达设计方案的语言 综合技术的具体化是结构设计的基本内容 机械结构设计特点 机械结构设计的主要特点有 1 它是集思考 绘图 计算 有时进行必要的实验 于一体的设计过程 是机械设计中涉及的问题最多 最具体 工作量最大的工作阶段 在整个机械设计过程中 平均约80 的时间用于结构设计 对机械设计的成败起着举足轻重的作用 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 机械结构设计阶段是一个很活跃的设计环节 常常需反复交叉的进行 为此 在进行机械结构设计时 必须了解从机器的整体出发对机械结构的基本要求 机械结构件的结构要素和设计方法 1结构件的几何要素2结构件之间的联接3结构件的材料及热处理 结构件的几何要素 机械结构的功能主要是靠机械零部件的几何形状及各个零部件之间的相对位置关系实现的 零部件的几何形状由它的表面所构成 一个零件通常有多个表面 在这些表面中有的与其它零部件表面直接接触 把这一部分表面称为功能表面 在功能表面之间的联结部分称为联接表面 零件的功能表面是决定机械功能的重要因素 功能表面的设计是零部件结构设计的核心问题 描述功能表面的主要几何参数有表面的几何形状 尺寸大小 表面数量 位置 顺序等 通过对功能表面的变异设计 可以得到为实现同一技术功能的多种结构方案 结构件之间的联接 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能和其它特征外 还必须研究零件之间的相互关系 零件的相关分为直接相关和间接相关两类 凡两零件有直接装配关系的 成为直接相关 没有直接装配关系的相关成为间接相关 间接相关又分为位置相关和运动相关两类 位置相关是指两零件在相互位置上有要求 如减速器中两相邻的传动轴 其中心距必须保证一定的精度 两轴线必须平行 以保证齿轮的正常啮合 运动相关是指一零件的运动轨迹与另一零件有关 如车床刀架的运动轨迹必须平行于于主轴的中心线 这是靠床身导轨和主轴轴线相平行来保证的 所以 主轴与导轨之间位置相关 而刀架与主轴之间为运动相关 多数零件都有两个或更多的直接相关零件 故每个零件大都具有两个或多个部位在结构上与其它零件有关 在进行结构设计时 两零件直接相关部位必须同时考虑 以便合理地选择材料的热处理方式 形状 尺寸 精度及表面质量等 同时还必须考虑满足间接相关条件 如进行尺寸链和精度计算等 一般来说 若某零件直接相关零件愈多 其结构就愈复杂 零件的间接相关零件愈多 其精度要求愈高 例如 轴毂联接见图 结构设计据结构件的材料及热处理不同应注意的问题 机械设计中可以选择的材料众多 不同的材料具有不同的性质 不同的材料对应不同的加工工艺 结构设计中既要根据功能要求合理地选择适当的材料 又要根据材料的种类确定适当的加工工艺 并根据加工工艺的要求确定适当的结构 只有通过适当的结构设计才能使所选择的材料最充分的发挥优势 设计者要做到正确地选择材料就必须充分地了解所选材料的力学性能 加工性能 使用成本等信息 结构设计中应根据所选材料的特性及其所对应的加工工艺而遵循不同的设计原则 如 钢材受拉和受压时的力学特性基本相同 因此钢梁结构多为对称结构 铸铁材料的抗压强度远大于抗拉强度 因此承受弯矩的铸铁结构截面多为非对称形状 以使承载时最大压应力大于最大拉应力 图示为两种铸铁支架比较 钢结构设计中通常通过加大截面尺寸的方法增大结构的强度和刚度 但是铸造结构中如果壁厚过大则很难保证铸造质量 所以铸造结构通常通过加筋板和隔板的方法加强结构的刚度和强度 塑料材料由于刚度差 铸造后的冷却不均匀造成的内应力极易引起结构的翘曲 所以塑料结构的筋板与壁厚相近并均匀对称 对于需要热处理加工的零件 在进行结构设计时的要求有如下几点 1 零件的几何形状应力求简单 对称 理想的形状为球形 2 具有不等截面的零件 其大小截面的变化必须平缓 避免突变 如果相邻部分的变化过大 大小截面冷却不均 必然形成内应力 3 避免锐边尖角结构 为了防止锐边尖角处熔化或过热 一般在槽或孔的边缘上切出2 mm的倒角 4 避免厚薄悬殊的截面 厚薄悬殊的截面在淬火冷却时易变形 开裂的倾向较大 机械结构设计的基本要求和设计准则 1机械结构设计的基本要求 2机械结构基本设计准则 机械产品应用于各行各业 结构设计的内容和要求也是千差万别 但都有相同的共性部分 下面就机械结构设计的三个不同层次来说明对结构设计的要求 机械结构设计的基本要求 1 功能设计满足主要机械功能要求 在技术上的具体化 如工作原理的实现 工作的可靠性 工艺 材料和装配等方面 2 质量设计兼顾各种要求和限制 提高产品的质量和性能价格比 它是现代工程设计的特征 具体为操作 美观 成本 安全 环保等众多其它要求和限制 在现代设计中 质量设计相当重要 往往决定产品的竞争力 那种只满足主要技术功能要求的机械设计时代已经过去 统筹兼顾各种要求 提高产品的质量 是现代机械设计的关键所在 与考虑工作原理相比 兼顾各种要求似乎只是设计细节上的问题 然而细节的总和是质量 产品质量问题不仅是工艺和材料的问题 提高质量应始于设计 3 优化设计和创新设计用结构设计变元等方法系统地构造优化设计空间 用创造性设计思维方法和其它科学方法进行优选和创新 对产品质量的提高永无止境 市场的竞争日趋激烈 需求向个性化方向发展 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 它们将是未来技术产品开发的竞争焦点 结构设计中得到一个可行的结构方案一般并不很难 机械设计的任务是在众多的可行性方案中寻求较好的或是最好的方案 结构优化设计的前提是要能构造出大量可供优选的可能性方案 即构造出大量的优化求解空间 这也是结构设计最具创造性的地方 结构优化设计目前基本仍局限在用数理模型描述的那类问题上 而更具有潜力 更有成效的结构优化设计应建立在由工艺 材料 联接方式 形状 顺序 方位 数量 尺寸等结构设计变元所构成的结构设计解空间的基础上 机械结构基本设计准则 机械设计的最终结果是以一定的结构形式表现出来的 按所设计的结构进行加工 装配 制造成最终的产品 所以 机械结构设计应满足作为产品的多方面要求 基本要求有功能 可靠性 工艺性 经济性和外观造型等方面的要求 此外 还应改善零件的受力 提高强度 刚度 精度和寿命 因此 机械结构设计是一项综合性的技术工作 由于结构设计的错误或不合理 可能造成零部件不应有的失效 使机器达不到设计精度的要求 给装配和维修带来极大的不方便 机械结构设计过程中应考虑如下的结构设计准则 1 实现预期功能的设计准则2 满足强度要求的设计准则3 满足刚度结构的设计准则4 考虑加工工艺的设计准则5 考虑装配的设计准则6 考虑造型设计的准则 1 实现预期功能的设计准则 产品的设计主要目的是为了实现预定的功能要求 因此实现预期功能的设计准则是结构设计首先考虑的问题 要满足功能要求 必须做到以下几点 1 明确功能 结构设计是要根据其在机器中的功能和与其他零部件相互的连接关系 确定参数尺寸和结构形状 零部件主要的功能有承受载荷 传递运动和动力 以及保证或保持有关零件或部件之间的相对位置或运动轨迹等 设计的结构应能满足从机器整体考虑对它的功能要求 2 功能合理的分配 产品设计时 根据具体情况 通常有必要将任务进行合理的分配 即将一个功能分解为多个分功能 每个分功能都要有确定的结构承担 各部分结构之间应具有合理 协调的联系 以达到总功能的实现 多结构零件承担同一功能可以减轻零件负担 延长使用寿命 V型带截面的结构是任务合理分配的一个例子 纤维绳用来承受拉力 橡胶填充层承受带弯曲时的拉伸和压缩 包布层与带轮轮槽作用 产生传动所需的摩擦力 例如 若只靠螺栓预紧产生的摩擦力来承受横向载荷时 会使螺栓的尺寸过大 可增加抗剪元件 如销 套筒和键等 以分担横向载荷来解决这一问题 3 功能集中 为了简化机械产品的结构 降低加工成本 便于安装 在某些情况下 可由一个零件或部件承担多个功能 功能集中会使零件的形状更加复杂 但要有度 否则反而影响加工工艺 增加加工成本 设计时应根据具体情况而定 2 满足强度要求的设计准则 1 等强度准则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 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 见图 2 合理力流结构为了直观地表示力在机械构件中怎样传递的状态 将力看作犹如水在构件中流动 这些力线汇成力流 表示这个力的流动在结构设计考察中起着重要的作用 力流在构件中不会中断 任何一条力线都不会突然消失 必然是从一处传入 从另一处传出 力流的另一个特性是它倾向于沿最短的路线传递 从而在最短路线附近力流密集 形成高应力区 其它部位力流稀疏 甚至没有力流通过 从应力角度上讲 材料未能充分利用 因此 若为了提高构件的刚度 应该尽可能按力流最短路线来设计零件的形状 减少承载区域 从而累积变形越小 提高了整个构件的刚度 使材料得到充分利用 如悬臂布置的小锥齿轮 锥齿轮应尽量靠近轴承以减小悬臂长度 提高轴的弯曲强度 图例举几个典型的实例 3 减小应力集中结构当力流方向急剧转折时 力流在转折处会过于密集 从而引起应力集中 设计中应在结构上采取措施 使力流转向平缓 应力集中是影响零件疲劳强度的重要因素 结构设计时 应尽量避免或减小应力集中 其方法在相应的章节会作介绍 如增大过度圆角 采用卸载结构等 如图 4 使载荷平衡结构在机器工作时 常产生一些无用的力 如惯性力 斜齿轮轴向力等 这些力不但增加了轴和轴衬等零件的负荷 降低其精度和寿命 同时也降低了机器的传动效率 所谓载荷平衡就是指采取结构措施部分或全部平衡无用力 以减轻或消除其不良的影响 这些结构措施主要采用平衡元件 对称布置等 例如 同一轴上的两个斜齿圆柱齿轮所产生的轴向力 可通过合理选择轮齿的旋向及螺旋角的大小使轴向力相互抵消 使轴承负载减小 如图 3 满足结构刚度的设计准则为保证零件在使用期限内正常地实现其功能 必须使其具有足够的刚度 4 考虑加工工艺的设计准则机械零部件结构设计的主要目的是 保证功能的实现 使产品达到要求的性能 但是 结构设计的结果对产品零部件的生产成本及质量有着不可低估的影响 因此 在结构设计中应力求使产品有良好的加工工艺性 所谓好的加工工艺指的是零部件的结构易于加工制造 任何一种加工方法都有可能不能制造某些结构的零部件 或生产成本很高 或质量受到影响 因此 对于设计者认识一种加工方法的特点非常重要 以便在设计结构时尽可能的扬长避短 实际中 零部件结构工艺性受到诸多因素的制约 如生产批量的大小会影响坯件的生成方法 生产设备的条件可能会限制工件的尺寸 此外 造型 精度 热处理 成本等方面都有可能对零部件结构的工艺性有制约作用 因此 结构设计中应充分考虑上述因素对工艺性的影响 5 考虑装配的设计准则装配是产品制造过程中的重要工序 零部件的结构对装配的质量 成本有直接的影响 有关装配的结构设计准则简述如下 1 合理划分装配单元整机应能分解成若干可单独装配的单元 部件或组件 以实现平行且专业化的装配作业 缩短装配周期 并且便于逐级技术检验和维修 2 使零部件得到正确安装保证零件准确的定位 图所示的两法兰盘用普通螺栓连接 图 a 所示的结构无径向定位基准 装配时不能保证两孔的同轴度 图 b 以相配的圆柱面作为定位基准 结构合理 避免双重配合 图5 8 a 中的零件A有两个端面与零件B配合 由于制造误差 不能保证零件A的正确位置 图5 8 b 结构合理 防止装配错误 图所示轴承座用两个销钉定位 图 a 中两销钉反向布置 到螺栓的距离相等 装配时很可能将支座旋转180 安装 导致座孔中心线与轴的中心线位置偏差增大 因此 应将两定位销布置在同一侧 或使两定位销到螺栓的距离不等 3 使零部件便于装配和拆卸结构设计中 应保证有足够的装配空间 如扳手空间 避免过长配合以免增加装配难度 使配合面擦伤 如有些阶梯轴的设计 为便于拆卸零件 应给出安放拆卸工具的位置 如轴承的拆卸 如图 6 考虑造型设计的准则产品的设计不仅要满足功能要求 而且还应考虑产品造型的美学价值 使之对人产生吸引力 从心理学角度看 人60 的决定取决于第一印象 技术产品的社会属性是商品 在买方市场的时代 为产品设计一个能吸引顾客的外观是一个重要的设计要求 同时造型美观的产品可使操作者减少因精力疲惫而产生的误操作 外观设计包括三个方面 造型 颜色和表面处理 考虑造型时 应注意下述三个问题 1 尺寸比例协调在结构设计时 应注意保持外形轮廓各部分尺寸之间均匀协调的比例关系 应有意识地应用 黄金分割法 来确定尺寸 使产品造型更具美感 2 形状简单统一机械产品的外形通常由各种基本的几何形体 长方体 圆柱体 锥体等 组合而成 结构设计时 应使这些形状配合适当 基本形状应在视觉上平衡 接近对称又不完全对称的外形易产生倾倒的感觉 尽量减少形状和位置的变化 避免过分凌乱 改善加工工艺 3 色彩 图案的支持和点缀在机械产品表面涂漆 除具有防