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文档简介
机械零件的结构设计1.机器设计的基本原则:机械零件是组成机器的基本要素,研究机械零件的设计,就要简络地讨论机器的基本设计原则。虽然机器的分类很多,但设计所遵循的原则是相同的。(1).必须满足对机器提出的使用要求:首先,设计的机器应能有效地完成预定的使用目的;其次,必须使设计的机器能可靠地工作,就要求机械零件的设计必须满足基本的强度、刚度、寿命、精确度及稳定性等。(2).所设计的机器应能最大限度地满足经济性的原则:机器的经济性是一个综合的指标,表现在设计、制造、使用的整个过程中。设计、制造的经济性表现在设计及制造成本的降低;使用的经济性表现为高生产率、高效率,维护费用低廉。因此,在设计时应综合考虑。(3).必须特别关心机器操作者的劳动保护:设计机器时,首先,必须特别注意技术安全问题;其次,要尽可能地改善操作者的劳动条件;另外,对机器的外形美观也应注意。(4).满足其他的特殊要求:如机床有长期保持精度的要求;对大型机器有便于运输的要求;对水泵有长期保持性能的要求等。2.设计机械零件时应满足的基本要求:(1).强度---零件必须具有足够的强度,强度是设计一切机械零件及机器的最基本的要求。当机器工作时,零件承受载荷后,即不能发生任何形式的断裂,也不能出现超过容许限度的残余变形。设计时原则上可以采用以下措施:采用强度性能高的材料;使零件具有足够的剖面尺寸;合理地设计剖面形状;采用热处理等工艺方法以提高材料的强度特性;提高运动零件的精度,以降低动载荷;合理设计零件的结构,以降低载荷集中和应力集中等。(2).刚度---零件承受载荷时抵抗产生弹性变形的能力。实践证明,凡是能满足刚度要求的零件,强度一般是没有问题的。这是由于按刚度计算的零件剖面尺寸,往往大于按强度计算所得的尺寸。刚度可分为两种,一种是由于两个零件接合间有间隙,在载荷作用后,两个零件的相互位置和设计的相互位置发生偏差,这种叫做接触刚度;另一种是零件本身在载荷作用下发生的伸长、缩短、挠曲和扭转等弹性变形,叫做变形刚度。(3).寿命---此要求与强度有一定的联系。零件开始工作时,虽能满足强度的要求,但是,工作一定时期后,却可能丧失强度。这个要求通常是针对有相对运动的零件,或在工作时产生变应力的零件提出的。影响零件工作寿命的主要因素有:一是零件的磨损;二是零件材料的疲劳;三是高温时零件材料的蠕变。(4).工艺性---机械零件要具有良好的工艺性,是指那些在即定的生产条件下,能用最少的资金消耗,制造出能满足使用及技术要求的零件。花钱少、制造容易、满足使用及技术要求是零件工艺性的三个方面。(5).重量小---减轻机械零件和机器的重量有两方面的好处:一是可以节约材料;二是对运动的零件,可以减小惯性,减小机器的启动功率。3.设计与设计的方法:设计---应用正确的基本原理和已有的实践经验来创造发展新事物或改造旧事物。机器或机械零件的设计也符合这一概念。常用的设计机械零件的方法有以下几种:(1).理论设计---是根据人们已经掌握了的合乎客观规律的理论及实践知识所进行的设计,使用理论力学、材料力学、机械原理、金属学等课程的知识。理论设计的计算过程分为:A.设计计算——在零件尺寸尚未决定之前,根据载荷情况,由计算公式直接求出零件的几何尺寸的过程叫设计计算。设计计算的必要条件是:载荷情况、材料性能、和零件工作情况,以及应力分布规律,同时,这个规律在实际设计中,一般表现为简单的数学关系。如:在计算受拉伸载荷的直杆剖面面积时,可直接引用材料力学公式:F≥P/〔σ〕p式中:F——直杆的剖面面积;P——直杆承受拉伸载荷;〔σ〕p——直杆材料的许用拉伸应力。B.校核计计算——先先根据其他他方法,((如按经验验、规范近近似地计算算)初步定定出零件的的尺寸及形形状,然后后,用理论论的方法校校核零件危危险剖面的的安全系数数计算值。。这个计算算过程叫校校核计算。。校核计算多多用于应力力分布规律律复杂,但但又能用材材料力学的的公式表示示出来的零零件设计中中,也用于于应力分布布规律虽简简单,但其其计算数据据又须在零零件尺寸已已知时才能能决定的情情况下。如如轴的设计计、弹簧的的设计是这这样进行的的。有时有经验验的设计工工作者,在在设计某些些零件时,,虽然已经经具备进行行设计计算算的条件,,但是,为为了简化计计算手续,,也常根据据有关资料料或粗略估估计,直接接进行结构构设计,然然后采用校校核计算。。由于理论设设计是在阐阐明了材料料性能及应应力分布规规律的基础础上所进行行的设计,,因而它是是比较科学学和先进的的方法。它它是在大量量的感性知知识的基础础上总结出出来的设计计规律。所所以,对于于一切重要要的零件,,都应尽可可能地采用用理论设计计。随着科技的的发展,理理论设计的的方法不断断改善和变变化。但是是,理论设设计还会有有不完善的的地方,所所以,也不不应当将书书本的理论论设计方法法看作是绝绝对完善的的方法。(2).经经验设计---根据据某类零件件已有的设设计与使用用经验而总总结出来的的经验公式式,或根据据设计者本本人的设计计经验,采采用类比的的办法所进进行的设计计叫经验设设计。虽然经验设设计没有详详尽的理论论化的科学学分析作为为依据,但但经验公式式的形成,,已经具有有一定的科科学统计性性。因此,,具有很大大的实用价价值。另外外,由于它它也是由实实践中总结结出来的经经验关系,,因而它也也能经得起起实践的考考验,在实实践中证明明是正确的的。通常用于外外形复杂、、载荷情况况不明而目目前尚不能能用理论分分析的零件件设计中。。例如,机机架、变速速箱体的设设计等。经经验设计正正是用在理理论设计薄薄弱的地方方,并且是是理论设计计的前身。。此外,对对一些价值值不高的零零件也通常常采用经验验设计的方方法。(3).模模型实验设设计---对于一些些巨大的、、结构复杂杂而重要的的零件和部部件,现有有的理论知知识尚不足足以进行详详尽分析,,采用模型型实验设计计的方法。。也就是说说,将初步步设计的零零件或部件件做出模型型,经过实实验,再根根据实验结结果加以修修改,这样样的过程叫叫模型实验验设计。这这种设计方方法是借助助于实验来来弥补理论论的不足,,同时,也也消除了经经验设计中中不够科学学的成分。。它用于大大型重要的的零件或部部件。模型实验设设计能够决决定复杂零零件中工作作应力的分分布实况和和零件的极极限承受能能力,能较较经验设计计而设计出出来的结构构更加合理理,这个方方法是使经经验设计转转化为理论论设计的途途径之一。。必须强调,,设计方法法是理论和和实践相结结合的具体体体现,设设计工作是是创造性的的工作,必必须和科学学分析紧密密结合。任任何脱离实实际或是忽忽视理论的的设计,都都会给工作作带来不良良的影响,,甚至带来来不可弥补补的损失。。4.机械械零件设计计计算的理理论基础::机械零件设设计计算的的原则及方方法是根据据零件的失失效方式决决定的。通通常零件的的失效方式式主要为各各种各样的的破坏(如如脆性断裂裂、塑性变变形、尤其其是整体的的或表面的的疲劳破坏坏)和磨损损。现在,,还没有以以充分的理理论为根据据而拟订的的磨损设计计方法。因因而绝大多多数零件都都是按照强强度及疲劳劳寿命作为为设计基础础的。5.机机械械零件件的结结构工工艺性性:在机械械零件件及整整台机机器的的设计计过程程中,,设计计计算算只占占一部部分工工作量量,很很重要要的另另外一一部分分工作作量就就是零零件及及整台台机器器的结结构设设计。。结构构设计计就是是要决决定零零件及及机器器的各各个部部分的的形状状、尺尺寸、、尺寸寸的配配合及及制造造精度度等,,并绘绘制图图纸。。计算算工作作是从从使用用要求求出发发,通通过计计算保保证了了零件件的强强度、、刚度度及寿寿命等等要求求;结结构设设计主主要是是从经经济、、工艺、、使用用、检检修、、维护护等要要求出出发,,保证证能设设计出出用料料最少少、最最便宜宜、最最容易易制造造与装装配的的零件件,以以及使使用、、检修修都是是最便便宜的的机器器。因因此,,结构构设计计是保保证零零件及及机器器具有有良好好工艺艺性及及使用用性的的决定定阶段段。(1)).铸铸造零零件结结构设设计要要点---铸造零零件的的结构构设计计,主主要从从以下下八点点考虑虑:①壁厚厚———铸件件的壁壁厚,,除了了应满满足强强度、、刚度度的要要求外外,还还要考考虑到到铸造造的可可能。。②圆角角———为了了消灭灭铸造造缺陷陷及易易于造造型,,在铸铸件两两个面面的交交界处处通常常采用用圆角角结构构,圆圆角半半径视视壁厚厚的大大小而而增减减。③不同壁壁厚处的的过度结结构———为了避免免在铸件件中产生生缩孔,,必须采用用必要的的过渡结结构(如图5-1))。图5-1④铸造斜斜度———垂直于于分型面面的表面面应有斜斜度,以以利造型型。对于于黑色金金属,斜斜度通常常采用1:25~1:40;;对于有有色金属属为1:100。⑤要尽可可能地避避免使造造型发生困难的的死角((如图5-2))。图5-2⑥为了增增加铸造造零件的的刚度,,常采用用加强肋肋。肋的的厚度取取为所固固连的壁壁厚的80~100%。⑦设计受受弯曲应应力的铸铸铁件时时,应使使剖面的的中性轴轴靠近受受拉伸的的一边,,以充分分发挥铸铸铁的压压缩强度度高于拉拉伸强度度的特点点。⑧铸造零零件内腔腔的壁,,由于冷冷却较慢慢,故应应做得薄薄些。通通常将其其壁厚较较外壁减减少15~20%。(2).锻造及及冲压零零件结构构设计要要点---锻造零件件的结构构必须很很简单,,没有很很深的沟沟槽。利利用锻模模时,零零件上要要有适当当的斜度度及圆角角。冲压零件件上的弯弯边大小小须在材材料韧性性所允许许的限度度以内。。此外,,零件的的形状必必须以最最充分地地利用板板材为原原则。(3).机械加加工对零零件结构构的影响响---机械加工工对零件件结构提提出如下下要求::①尽可能能减小加加工面积积,以缩缩短机械械加工工工时。②零件尽尽可能用用圆柱、、圆锥及及平面等等简单几几何形状状组成,,并且各各面最好好相互平平行或垂垂直,避避免特殊殊的几何何形状及及相互倾倾斜的加加工面。。③改善零零件的结结构,使使其简化化加工工工序(如如图5-3)。。④零件必必须具有有足够的的刚度,,以免加加工变形形(如图图5-4)。⑤零件加加工工具具难以达达到的部部位(如如图5-5)。。图5-4图5-5⑥在车、、磨、铣铣等表面面上,要要留下足足够的退退刀槽和和退出砂砂轮槽((如图5-6))。图5-6⑦要保证证刀具能能有最方方便的工工作条件件,以便便提高生生产率((如图5-7))。⑧如果可可能,在在同一零零件上应应采用最最少的尺尺寸种类类及标准准种类((如图5-8))。(4).装配工工艺对零零件结构构的影响响---①要保证证零件能能方便迅迅速地安安装及拆拆卸;对对于经常常要拆卸卸检修的的部件,,其零件件结构的的合理设设计尤其其重要。。举例说说明(如如图5-9,图图5-10,图图5-11)。。②装置螺螺栓处要要留出足足够的可可供扳手手活动的的空间((如图5-12)。③零件设设计必须须使能完完全避免免安装时时的错误误(如图图5-13)。。图5-12图5-13(5).从结构构设计方方面提高高零件强强度的措措施---原则上讲讲,从结结构上保保证降低低作用在在零件上上的力,改善零零件的受受力状态态,以及及降低由由于零件件形状而而引起的的应力集集中因素素等,是是从改善善零件的的结构设设计来提提高零件件强度的的重要途途径。①减轻作作用力。。改变零零件结构形式式以降低低作用力力,如图5-14所所示,改改变皮带带轮的结构构就可以以降低作作用在轴上的的弯矩。。②改善零零件受力力及应力力状态。。其办法法:A.长杆杆尽可能能设计成成受拉伸伸载荷,,避免压压缩载荷荷。B.使零零件受力力对称及及均匀,,减少偏偏心力矩矩的作用用。③降低应应力集中中因素,,采用圆圆角及卸卸载槽等等办法。。(6)从从结构设设计方面面节约零零件材料料的措施施---从合理地地设计零零件的结结构形状状方面来来节约材材料,其其潜力是是很大的的。每个个设计者者在设计计机器及及零件时时,都应应千方百百计地使使所设计计的结构构在满足足使用及及工艺要要求的情情况下尽尽可能的的少用材材料。从零件的的结构设设计方面面节约材材料的途途径:①合理地地减小各各种零件件的尺寸寸,尤其其是传动动零件的的外廓尺尺寸,这这是最基基本的措措施;②尽可能能地使用用薄壁铸铸件,在在不受力力的地方方以板材材冲压件件来代替替沉重的的铸件;;③用棒料料做成的的零件应应尽可能能地做成成小直径径的,如如图5-15所所示;④只有在在必须的的地方才才使用价值昂贵贵的材料料,如图图5-16所示。(7).毛坯的的选择---设计零件件时,要要考虑用用什么方方法来获获得毛坯坯。这对对节约材材料、制制造方便便、使用用性能等等有很大大的影响响。毛坯坯制造方方法的选选择,一一般是取取决于零零件批量量的大小小、材料料性能以以及加工工的可能能性等因因素。总总体是取取决于经经济因素素。毛坯制造方法尺寸或重量形状的复杂程度毛坯尺寸偏差(mm)表面质量使用材料生产类型最大最小手工砂型铸造不限壁厚3-5mm最复杂1-10取决于尺寸大小极粗糙铸钢、铸铁、有色金属单件或小批量机器造型到250kg同上较上简单1-2粗糙同上大批量刮板造型砂型铸造不限同上用于旋转体4-15取决于尺寸大小极粗糙同上单件或小批量离心铸造到200kg同上用于旋转体1-8取决于尺寸大小光滑同上大批量精密铸造不限壁厚1mm极复杂0.05-0.15mm极光滑用于不能机械加工的小批量主要毛坯坯制造方方法的特特性毛坯制造方法尺寸或重量形状的复杂程度毛坯尺寸偏差(mm)表面质量使用材料生产类型最大最小压力铸造10-16kg壁厚1mm受模型制造的可能性0.2同上一般用于铝、铜及其合金大批量自由锻造不限--简单1.5-2.5极粗糙碳钢单件或小批量锤下锻模到100kg壁厚2.5mm受模型制造的可能性0.4=-2.5粗糙碳钢中批及大量板材冲压厚15mm厚0.1mm复杂0.05-0.5极光滑所有板材直径25mm冷镦直径25mm直径3mm简单1.0-0.25光滑钢材直径25mm从型材上切割型材-简单0.5mm粗糙-单件、大量(8).零件某某些部位位的制造造精度和和表面粗粗糙度等等级的选选择---零件某些些部位的的制造精精度的选选择,主主要取决决于零件件本身的的工作条条件以及及与这些些部位相相连接的的零件的的精度。。通用的的选择标标准
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