结构设计实用样本

5.1.1机械构造设计任务机械构造设计任务是在总体设计基本上，依照所拟定原理方案，拟定并绘出详细构造图，以体现所规定功能。是将抽象工作原理详细化为某类构件或零部件，详细内容为在拟定构造件材料、形状、尺寸、公差、热解决方式和表面状况同步，还须考虑其加工工艺、强度、刚度、精度以及与其他零件互相之间关系等问题。因此，构造设计直接产物虽是技术图纸，但构造设计工作不是简朴机械制图，图纸只是表达设计方案语言，综合技术详细化是构造设计基本内容。5.1.2机械构造设计特点机械构造设计重要特点有：（1）它是集思考、绘图、计算（有时进行必要实验）于一体设计过程，是机械设计中涉及问题最多、最详细、工作量最大工作阶段，在整个机械设计过程中，平均约80%时间用于构造设计，对机械设计成败起着举足轻重作用。（2）机械构造设计问题多解性，即满足同一设计规定机械构造并不是唯一。（3）机械构造设计阶段是一种很活跃设计环节，经常需重复交叉进行。为此，在进行机械构造设计时，必要理解从机器整体出发对机械构造基本规定2机械构造件构造要素和设计办法5.2.1构造件几何要素机械构造功能重要是靠机械零部件几何形状及各个零部件之间相对位置关系实现。零部件几何形状由它表面所构成，一种零件普通有各种表而，在这些表面中有与其他零部件表面直接接触，把这一某些表而称为功能表面。在功能表而之间联结某些称为联接表面。零件功能表面是决定机械功能重要因素，功能表而设计是零部件构造设计核心问题。描述功能表面重要几何参数有表而几何形状、尺寸大小、表面数量、位置、顺序等。通过对功能表面变异设计，可以得到为实现同一技术功能各种构造方案。5.2.2构造件之间联接在机器或机械中，任何零件都不是孤立存在。因而在构造设计中除了研究零件自身功能和其他特性外，还必要研究零件之间互有关系。零件有关分为直接有关和间接有关两类。凡两零件有直接装配关系，成为直接有关。没有直接装配关系有关成为间接有关。间接有关又分为位置有关和运动有关两类。位置有关是指两零件在互相位置上有规定，如减速器中两相邻传动轴，其中心距必要保证一定精度，两轴线必要平行，以保证齿轮正常啮合。运动有关是指一零件运动轨迹与另一零件关于，如车床刀架运动轨迹必要平行于于主轴中心线，这是靠床身导轨和主轴轴线相平行来保证，因此，主轴与导轨之间位置有关；而刀架与主轴之间为运动有关。多数零件均有两个或更多直接有关零件，故每个零件大都具备两个或各种部位在构造上与其他零件关于。在进行构造设计时，两零件直接有关部位必要同步考虑，以便合理地选取材料热解决方式、形状、尺寸、精度及表面质量等。同步还必要考虑满足间接有关条件，如进行尺寸链和精度计算等。普通来说，若某零件直接有关零件愈多，其构造就愈复杂；零件间接有关零件愈多，其精度规定愈高。例如，轴毂联接见图5.1。5.2.3构造设计据构造件材料及热解决不同应注意问题机械设计中可以选取材料众多，不同材料具备不同性质，不同材料相应不同加工工艺，构造设计中既要依照功能规定合理地选取恰当材料，又要依照材料种类拟定恰当加工工艺，并依照加工工艺规定拟定恰当构造，只有通过恰当构造设计才干使所选取材料最充分发挥优势。设计者要做到对的地选取材料就必要充分地理解所选材料力学性能、加工性能、使用成本等信息。构造设计中应依照所选材料特性及其所相应加工工艺而遵循不同设计原则。女口：钢材受拉和受压时力学特性基本相似，因而钢梁构造多为对称构造。铸铁材料抗压强度远不不大于抗拉强度，因而承受弯矩铸铁构造截而多为非对称形状，以使承载时最大压应力不不大于最大拉应力，图示5.2为两种铸铁支架比较。钢构造设计中普通通过加大截而尺寸办法增大构造强度和刚度，但是锻造构造中如果壁厚过大则很难保证锻造质量，因此锻造构造普通通过加筋板和隔板办法加强构造刚度和强度。塑料材料由于刚度差，锻造后冷却不均匀导致内应力极易引起构造翘曲，因此塑料构造筋板与壁厚相近并均匀对称。对于需要热解决加工零件，在进行构造设计时规定有如下几点：（1）零件几何形状应力求简朴、对称，抱负形状为球形。（2）具备不等截而零件，其大小截面变化必要平缓，避免突变。如果相邻某些变化过大，大小截而冷却不均，必然形成内应力。（3）避免锐边尖角构造，为了防止锐边尖角处熔化或过热，普通在槽或孔边沿上切出2〜3mm倒角。(4)避免厚薄悬殊截而，厚薄悬殊截而在淬火冷却时易变形，开裂倾向较大。5.3.1机械构造设计基本规定机械产品应用于各行各业，构造设计内容和规定也是千差万别，但均有相似共性某些。下而就机械构造设计三个不同层次来阐明对构造设计规定。功能设计满足重要机械功能规定，在技术上详细化。如工作原理实现、工作可靠性、工艺、材料和装配等方面。质量设计兼顾各种规定和限制，提高产品质量和性能价格比，它是当代工程设计特性。详细为操作、美观、成本、安全、环保等众多其他规定和限制。在当代设计中，质量设计相称重要，往往决定产品竞争力。那种只满足重要技术功能规定机械设计时代己通过去，统筹兼顾各种规定，提高产品质量，是当代机械设计核心所在。与考虑工作原理相比，兼顾各种规定似乎只是设计细节上问题，然而细节总和是质量，产品质量问题不但是工艺和材料问题，提高质量应始于设计。优化设计和创新设计用构造设计变元等办法系统地构造优化设计空间，用创造性设计思维办法和其他科学办法进行优选和创新。对产品质量提高永无止境，市场竞争日趋激烈，需求向个性化方向发展。因而，优化设计和创新设计在当代机械设计中作用越来越重要，它们将是将来技术产品开发竞争焦点。构造设计中得到一种可行构造方案普通并不很难。机械设计任务是在5.3.5.3.2机械构造基本设计准则众多可行性方案中谋求较好或是最佳方案。构造优化设计前提是要能构造出大量可供优选也许性方案，即构造出大量优化求解空间，这也是构造设计最具创造性地方。构造优化设计当前基木仍局限在用数理模型描述那类问题上。而更具备潜力、更有成效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构造设计解空间基本上。5.3.2机械构造基本设计准则机械设计最后成果是以一定构造形式体现出来，按所设计构造进行加工、装配，制导致最后产品。因此，机械构造设计应满足作为产品多方而规定，基木规定有功能、可靠性、工艺性、经济性和外观造型等方而规定。此外，还应改进零件受力，提高强度、刚度、精度和寿命。因而，机械构造设计是一项综合性技术工作。由于构造设计错误或不合理，也许导致零部件不应有失效，使机器达不到设计精度规定,给装配和维修带来极大不以便。机械构造设计过程中应考虑如下构造设计准则。实现预期功能设计准则满足强度规定设计准则3.满足刚3.满足刚i构造设计准则考虑加工工艺设计准则考虑装配设计准则考虑造型设计准则1.实现预期功能设计准则产品设计重要目是为了实现预定功能规定，因而实现预期功能设计准则是构造设计一方而考虑问题。要满足功能规定，必要做到如下几点。明确功能：构造设计是要依照其在机器中功能和与其她零部件互相连接关系，拟定参数尺寸和构造形状。零部件重要功能有承受载荷、传递运动和动力，以及保证或保持关于零件或部件之间相对位置或运动轨迹等。设计构造应能满足从机器整体考虑对它功能规定。功能合理分派：产品设计时，依照详细状况，普通有必要将任务进行合理分派，即将一种功能分解为各种分功能。每个分功能都要有拟定构造承担，各某些构造之间应具备合理、协调联系，以达到总功能实现。多构造零件承担同一功能可以减轻零件承担，延长使用寿命。V型带截面构造是任务合理分派一种例子。纤维绳用来承受拉力；橡胶填充层承受带弯曲时拉伸和压缩；包布层与带轮轮槽作用，产生传动所需摩擦力。例如，若只靠螺栓预紧产生摩擦力来承受横向载荷时,会使螺栓尺寸过大，可增长抗剪元件，如销、套筒和键等，以分担横向载荷来解决这一问题。功能集中：为了简化机械产品构造，减少加工成木，便于安装,在某些状况下，可由一种零件或部件承担各种功能。功能集中会使零件形状更加复杂，但要有度，否则反而影响加工工艺、增长加工成本,设计时应依照详细状况而定。2.满足强度规定设计准则(1)等强度准则零件截面尺寸变化应与其内应力变化相适应，使各截面强度相等。按等强度原理设计构造，材料可以得到充分运用，从而减轻了重量、减少成本。如悬臂支架、阶梯轴设计等。见图5.3。图5.3(2)合理力流构造为了直观地表达力在机械构件中如何传递状态，将力看作犹如水在构件中流动，这些力线汇成力流。表达这个力流动在构造设计考察中起着重要作用。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。力流另一种特性是它倾向于沿最短路线传递，从而在最短路线附近力流密集，形成高应力区。其他部位力流稀疏，甚至没有力流通过，从应力角度上讲，材料未能充分运用。因而，若为了提高构件刚度，应当尽量按力流最短路线来设计零件形状，减少承载区域，从而累积变形越小，提高了整个构件刚度，使材料得到充分运用。如悬臂布置小锥齿轮，锥齿轮应尽量接近轴承以减小悬臂长度，提高轴弯曲强度。图5.4例举几种典型实例。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用办法，使力流转向平缓。应力集中是影响零件疲劳强度重要因素。构造设计时，应尽量避免或减小应力集中。其办法在相应章节会作简介，如增大过度圆角、采用卸载构造等。如图5.5。使载荷平衡构造在机器工作时，常产生某些无用力，如惯性力、斜齿轮轴向力等,这些力不但增长了轴和轴衬等零件负荷，减少其精度和寿命，同步也减少了机器传动效率。所谓载荷平衡就是指采用构造办法某些或所有平衡无用力，以减轻或消除其不良影响。这些构造办法重要采用平衡元件、对称布置等。例如，同一轴上两个斜齿圆柱齿轮所产生轴向力，可通过合理选取轮齿旋向及螺旋角大小使轴向力互相抵消，使轴承负载减小。如图5.6。5.3.2机械构造基本设计准则满足构造刚度设计准则为保证零件在有效期限内正常地实现其功能，必要使其具备足够刚度。5.3.2机械构造基本设计准则考虑加工工艺设计准则机械零部件构造设计重要目是：保证功能实现，使产品达到规定性能。但是，构造设计成果对产品零部件生产成本及质量有着不可低估影响。因而，在构造设计中应力求使产品有良好加工工艺性所谓好加工工艺指是零部件构造易于加工制造，任何一种加工办法均有也许不能制造某些构造零部件，或生产成木很高，或质量受到影响。因而，对于设计者结识一种加工办法特点非常重要，以便在设计构造时尽量扬长避短。实际中，零部件构造工艺性受到诸多因素制约，如生产批量大小会影响坯件生成办法；生产设备条件也许会限制工件尺寸；此外，造型、精度、热解决、成木等方而均有也许对零部件构造工艺性有制约作用。因而，构造设计中应充分考虑上述因素对工艺性影响。5.3.2机械构造基本设计准则考虑装配设计准则装配是产品制造过程中重要工序，零部件构造对装配质量、成木有直接影响。关于装配构造设计准则简述如下合理划分装配单元整机应能分解成若干可单独装配单元(部件或组件)，以实现平行且专业化装配作业，缩短装配周期，并且便于逐级技术检查和维修。使零部件得到对的安装-保证零件准拟定位。图5.7所示两法兰盘用普通螺栓连接。图(a)

所示构造无径向定位基准，装配时不能保证两孔同轴度；图(b)以相配圆柱而作为定位基准，构造合理。-避免双重配合。图5.8(a)中零件A有两个端而与零件B配合，由于制造误差，不能保证零件A对的位置。图5.8(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，到螺栓距离相等，装配时很也许将支座旋转180。安装，导致座孔中心线与轴中心线位置偏差增大。因而，应将两定位销布置在同一侧，或使两定位销到螺栓距离不等II3Cb)II3Cb)图5.9(2)使零部件便于装配和拆卸构造设计中，应保证有足够装配空间，如扳手空间；避免过长配合以免增长装配难度，使配合面擦伤，如有些阶梯轴设计；为便于拆卸零件，应给出安放拆卸工具位置，如轴承拆卸。如图5-10。5.3.2机械构造基本设计准则得单调无层次，一种小小附加色块会使整个色调活跃起来。在各种颜色并存状况下，应有一种起主导作用底色，和底色相相应颜色叫对比色。但在一种产品上，不同色调数量不适当太多，太多色彩会给人一种华而不实感觉。舒服色彩大概位于从浅黄、绿黄到棕区域。这个趋势是渐暖，正黄正绿往往显得不舒服；强烈灰色调显得压抑。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。此外，通过一定色彩配备可使产品显得安全、稳固。将形状变化小、而积较大平面配备浅色，而将运动、活跃轮廓元件配备深色；深色应安顿于机械下部，浅色置于上部。5.4机械构造设计工作环节不同类型机械构造设计中各种详细状况差别很大，没有必要以某种环节按部就班进行。普通是拟定完毕既定功能零部件形状、尺寸和布局。构造设计过程是综合分析、绘图、计算三者相结合过程，其过程大体如下：理清主次、统筹兼顾：明确待设计构造件重要任务和限制，将实现其目功能分解成几种功能。然后从实现机器重要功能（指机器中对实现能量或物料转换起核心作用基本功能）零部件入手，普通先从实现功能构造表面开始，考虑与其她有关零件互相位置、联结关系，逐渐同其他表而一起连接成一种零件，再将这个零件与其他零件联结成部件，最后组合成实现重要功能机器。而后，再拟定次要、补充或支持重要部件部件，如：密封、润滑及维护保养等。绘制草图：在分析拟定构造同步，粗略估算构造件重要尺寸并按一定比例，通过绘制草图，初定零部件构造。图中应表达出零部件基本形状，重要尺寸，运动构件极限位置，空间限制，安装尺寸等。同步构造设计中要充分注意原则件、惯用件和通用件应用,以减少设计与制造工作量。对初定构造进行综合分析，拟定最后构造方案：综合过程是指找出实现功能目各种可供选取构造所有工作。分析过程则是评价、比较并最后拟定构造工作。可通过变化工作而大小、方位、数量及构件材料、表面特性、连接方式，系统地产生新方案。此外，综合分析思维特点更多是以直觉方式进行，即不是以系统方式进行。人感觉和直觉不是无道