机械结构设计(实用)

1、机械构造设计的任务机械构造设计的任务是在总体设计的根底上，根据所确定的原理方案，确定 并绘出具体的构造图，以表达所要求的功能。是将抽象的工作原理具体化为某 类构件或零部件，具体容为在确定构造件的材料、形状、尺寸、公差、热处理 方式和外表状况的同时，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，构造设计的直接产物虽是技术图纸，但构造 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构造设计的根本容。机械构造设计特点机械构造设计的主要特点有：1它是集思考、绘图、计算有时进展必要 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

2、作量 最大的工作阶段，在整个机械设计过程中，平均约80%的时间用于构造设计，对机械设计的成败起着举足轻重的作用。2机械构造设计问题的多解性，即满足同一设计要求的机械构造并不是唯一的。3机械构造设计阶段是一个很活泼的设计环节，常常需反复穿插的进展。为此，在进展机械构造设计时，必 须了解从机器的整体出发对机械构造的根本要求5.2机械构造件的构造要素和设计方法构造件的几何要素机械构造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外表所构成，一个零件通常有多个 外表，在这些外表中有的与其它零部件外表直接接触，把这一局部外表称为功 能外表。在功能外表之间

3、的联结局部称为联接外表。零件的功能外表是决定机械功能的重要因素，功能外表的设计是零部件构 造设计的核心问题。描述功能外表的主要几何参数有外表的几何形状、尺寸大 小、外表数量、位置、顺序等。通过对功能外表的变异设计，可以得到为实现 同一技术功能的多种构造方案。522构造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。因此在构造设计中除了研究零 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，

4、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 部位在构造上与其它零件有关。在进展构造设计时，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、精度及外表质量 等。同时还必须考虑满足间接相关条件，如进展尺寸链和精度计算等。一般来 说，假设某零件直接相关零件愈多，其

5、构造就愈复杂；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 5.1。构造设计据构造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，构造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构造，只有通过适当的构造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、使用本钱等信息。构造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那么。女口：钢材受拉和受压时的力学特性根本

6、一样，因此钢梁构造多为对称构造。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构造截 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5.2为两种铸 铁支架比拟。钢构造设计常通过加大截面尺寸的方法增大构造的强度和刚度， 但是铸造构造中如果壁厚过大那么很难保证铸造质量，所以铸造构造通常通过 加筋板和隔板的方法加强构造的刚度和强度。塑料材料由于刚度差，铸造后的 冷却不均匀造成的应力极易引起构造的翘曲，所以塑料构造的筋板与壁厚相近 并均匀对称。对于需要热处理加工的零件，在进展构造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

7、截面的变化必须平缓，防止突变。如果相邻局部的变化过大，大小 截面冷却不均，必然形成应力。3防止锐边尖角构造，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 23 mm的倒角。4防止厚薄悬殊 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。机械构造设计的根本要求机械产品应用于各行各业，构造设计的容和要求也是千差万别，但都有一样的共性局部。下面就机械构造设计的三个不同层次来说明对构造设计的要求。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

8、代工程设计的特征。具体为操作、美观、本钱、平安、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构造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展优选和创新。对产品质量的提高永无止境，市场的竞争日趋剧烈，需求向个性化方向开展。 因此，优化设计和创新设计

9、在现代机械设计中的作用越来越重要，它们将 未来技术产品开发的竞争焦点。构造设计中得到一个可行的构造方案一般并不很难。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。构造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，这也是构造设 计最具创造性的地方。构造优化设计目前根本仍局限在用数理模型描述的那类 问题上。而更具有潜力、更有成效的构造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、尺寸等构造设计变元所构成的构造设计解 空间的根底上。机械构造根本设计准那么机械设计的最终结果是以一定的构造形式表现出来的，按所设计的构造进展 加工、

10、装配，制造成最终的产品。所以，机械构造设计应满足作为产品的多方 面要求，根本要求有功能、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，机械构造 设计是一项综合性的技术工作。由于构造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。机械构造设计过程中应考虑如下的构造设计准那么。1实现预期功能的设计准那么2满足强度要求的设计准那么3满足刚度构造的设计准那么4考虑加工工艺的设计准那么5考虑装配的设计准那么6考虑造型设计的准那么机械构造根本设计准那么1.实现预期功能的设计准那么产品

11、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 准那么是构造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：构造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，确定参数尺寸和构造形状。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 的构造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展合理 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构造承当， 各局部构造之间应具有合理、协调的联系，以到达总功能的实现。多构造

12、零件 承当同一功能可以减轻零件负担，延长使用寿命。V型带截面的构造是任务合理 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，假设只靠螺栓预 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构造，降低加工本钱，便于安装，在某些 情况下，可由一个零件或部件承当多个功能。功能集中会使零件的形状更加复 杂，但要有度，否那么反而影响加工工艺、增加加工本钱，设计时应根据具体 情况而定。532机械构造根本设计准那么2满足强度要

13、求的设计准那么(1) 等强度准那么零件截面尺寸的变化应与其应力变化相适应，使各截面的强度相等。按等强 度原理设计的构造，材料可以得到充分的利用，从而减轻了重量、降低本钱。 如悬臂支架、阶梯轴的设计等。见图 5.3。图5.3(2) 合理力流构造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构造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

14、讲，材料未能充分利用。因此，假设为了提高构件的 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5.4例举几个典型的实例。(3) 减小应力集中构造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， 设计中应在构造上采取措施，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。构造设计时，应尽量防止或减小应力集中。其方法在相应的 章节会作介绍，如增大过度圆角、采用卸载构造等。如图 5.5。(4) 使载荷平衡构造在机器工作时，

15、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构造措施局部或全部平衡无用力， 以减轻或消除其不良的影响。这些构造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5.6机械构造根本设计准那么 3满足构造刚度的设计准那么为保证零件在使用期限正常地实现其功能，必须使其具有足够的刚度 532机械构造根本设计准那么4考虑加工工艺的设计准那么机械零部件构造设计的主要目的是：保证功能的实现，

16、使产品到达要求的性能。但是，构造设计的结果对产品零部件的生产本钱及质量有着不可低估的影响。因此，在构造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构造易于加工制造，任何一种加工方法 都有可能不能制造某些构造的零部件，或生产本钱很高，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，以便在设计构造时尽可能 的扬长避短。实际中，零部件构造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、本钱等方面都有可能对零部件构造的工艺性有制约作用。 因此，构造设计中应充分考虑上述因素对工艺性的

17、影响。机械构造根本设计准那么5考虑装配的设计准那么装配是产品制造过程中的重要工序，零部件的构造对装配的质量、本钱有直接的影响。有关装配的构造设计准那么简述如下（1）合理划分装配单元整机应能分解成假设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5.7所示的两法兰盘用普通螺栓连接。图a所示的 构造无径向定位基准，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，构造合理。-防止双重配合。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

18、.8 b构造合理。-防止装配错误。图5.9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 螺栓的距离不等图5.9(2) 使零部件便于装配和拆卸构造设计中，应保证有足够的装配空间，如扳手空间；防止过长配合以免增 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 5-10。机械构造根本设计准那么6.考虑造型设计的准那么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

19、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、颜色和外表处理。考虑造型时，应注意下述三个问题：（1）尺寸比例协调在构造设计时，应注意保持外形轮廓各局部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根本的几何形体长方体、圆柱体、锥体等组 合而成。构造设计时，应使这些形状配适宜当，根本形状应在视

20、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， 防止过分凌乱；改善加工工艺（3）色彩、图案的支持和点缀在机械产品外表涂漆，除具有防止腐蚀的功能外，还可增强视觉效果。恰当 的色彩可使操作者眼睛的疲劳程度降低，并能提高对设备显示信息的区分能力。单色只使用于小构件。大的特别是运动构件如果只用一种颜色就会显得单调 无层次，一个小小的附加色块会使整个色调活泼起来。在多个颜色并存的情况 下，应有一个起 主导作用的底色，和底色相对应的颜色叫 比照色。但在一个产 品上，不同色调的数量不宜太多，太多的色彩会给人一种华而不实的感觉。舒服的色彩大约位于从浅黄、绿黄到棕的区域。这个

21、趋势是渐暖，正黄正绿 往往显得不舒服；强烈的灰色调显得压抑。对于冷环境应用暖色，如黄、橙黄 和红。对于热环境用冷色，如浅蓝。所有颜色都应 淡化。另外，通过一定的色彩配置可使产品显得平安、稳固。将形状变化小的、 面积较大的平面配置浅色，而将运动、活泼轮廓的元件配置深色；深色应安置 于机械的下部，浅色置于上部。5.4机械构造设计的工作步骤不同类型的机械构造设计中各种具体情况的差异很大，没有必要以某种步骤 按部就班的进展。通常是确定完成既定功能零部件的形状、尺寸和布局。构造 设计过程是综合分析、绘图、计算三者相结合 的过程，其过程大致如下：1. 理清主次、统筹兼顾：明确待设计构造件的主要任务和限制，

22、将实现其目的 的功能分解成几个功能。然后从实现机器主要功能指机器中对实现能量或 物料转换起关键作用的根本功能的零部件入手，通常先从实现功能的构造 外表开场，考虑与其他相关零件的相互位置、联结关系，逐渐同其它外表一 起连接成一个零件，再将这个零件与其它零件联结成部件，最终组合成实现 主要功能的机器。而后，再确定次要的、补充或支持主要部件的部件，如： 密封、润滑及维护保养等。2. 绘制草图：在分析确定构造的同时，粗略估算构造件的主要尺寸并按一定的 比例，通过绘制草图，初定零部件的构造。图中应表示出零部件的根本形状， 主要尺寸，运动构件的极限位置，空间限制，安装尺寸等。同时构造设计中 要充分注意标准件、常用件和通用件的应用，以减少设计与制造的工作量。3. 对初定的构造进展综合分析，确定最后的构造方案：综合过程是指找出实现功能目的各种可供选择的构造的所有工作。分析过程那么是评价、比拟并最 终确定构造的工作。可通过改变工作面的大小、方位、数量及构件材料、外 表特性、连接方式，系统地产生新方