机械结构设计的要素及特点

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，依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，具体内容为在确定构造件的材料、外形、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洁的机械制图，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内容。机械构造设计特点1〕它是集思考、绘图、计算〔有时进展必要的试验〕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%的时间用于构造设计，对机械设计的成败起着〔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，必需了解从机器的整体动身对机械构造的根本要求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外形及各个零部件之间的相对位置关系实现的。零部件的几何外形由它的外表所构成，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。在功能外表之间的联结局部称为联接外表。零件的功能外表是打算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外形、尺寸大小、外表数量、位置、挨次等。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。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争论零件本身的功能和其它特征外，还必需争论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，其中心距必需保证肯定的精度，两轴线必需平行，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需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。两零件直接相关部位必需同时考虑，以便合理地选择材料的热处理方式、外形、尺寸、精度及外表质量等。同时还必需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，其构造就愈简单；零件的间接相关零件愈5.1。构造设计据构造件的材料及热处理不同应留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，构造设计中既要依据功能要求合理地选择适当的材料，又要依据材料的种类确定适当的加工工艺，并依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需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。构造设计中应依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根本一样，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5.2为两种铸铁支架比较。钢构造设计中通常通过加大截面尺寸的方法增大构造的强度和刚度，但是铸造构造中假设壁厚过大则很难保证铸造质量，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内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〕零件的几何外形应力求简洁、对称，抱负的外形为球〔2〕具有不等截面的零件，其大小截面的变化必需平缓，避开突变。假设相邻局部的变化过大，大小截面冷却不均，必定形〔3〕避开锐边尖角构造，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2～３mm〔4〕避开厚薄悬殊的截面，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次来说明对构造设计的要求。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、工作的牢靠性、工艺、材料和装配等方面。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、本钱、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，往往打算产品的竞争力。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．优化设计和创设计用构造设计变元等方法系统地构造优化设计空间，用制造性设计思维方法和其它科学方法进展优选和创。对产品质量的提高永无止境，市场的竞争日趋剧烈，需求向共性化方向进展。因此，优化设计和创设计在现代机械设计中的作用越来越重要，它们将是将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制造性的地方。联接方式、外形、挨次、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则机械设计的最终结果是以肯定的构造形式表现出来的，按所设计的构造进展加工、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、牢靠性、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，给装配和修理带来极大的不便利。机械构造设计过程中应考虑如下的构造设计准则。实现预期功能的设计准则 2.满足强度要求的设计准则 3.满足刚度构造的设计准则 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机械构造根本设计准则实现预期功能的设计准则必需做到以下几点。明确功能: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。功能合理的安排：产品设计时，依据具体状况，通常有必要将任务进展合理的安排，马上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担当，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。多构造零件担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安排的一个例子。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。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，在某些状况下，可由一个零件或部件担当多个功能。功能集中会使零件的外形更加简单，但要有度，否则反而影响加工工艺、增加加工本钱，设计时应依据具体状况而定。5.3.2满足强度要求的设计准则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。5.3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，将力看作如同水在构件中流淌，这些力线汇成力流。表示这个力的流淌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逝，必定是从一处传入，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，从而在最短路线四周力流密集，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，假设为了提高构件的刚度，应当尽可能按力流最短路线来设计零件的外形，削减承载区域，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。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，设计中应在构造上实行措施，使力流转向平缓。应力集中是影响零件疲乏强度的重要因素。构造设计时，应尽量避开或减小应力集中。其方法在相应的章节会作介绍，如增大过5.5。使载荷平衡构造在机器工作时，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实行构造措施局部或全部平衡无用力，以减轻或消退其不良的影响。这些构造措施主要承受平衡元件、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5.6。5.3.2满足构造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，必需使其具有足够的刚度。5.3.2考虑加工工艺的设计准则机械零部件构造设计的主要目的是：保证功能的实现，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行低估的影响。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，对于设计者生疏一种加工方法的特点格外重要，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影响。5.3.2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则简述如下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〔部件或组件验和修理。使零部件得到正确安装5.7〔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。5.8(a)中的零件A有两个端面与零件BA5.8〔b〕构造合理。5.9〔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；避开过长协作以免增加装配难度，使协作面擦伤，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。5.3.2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%的打算取决于第一印象。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削减因精力疲乏而产生的误操作。外观设计包括三个方面：造型、颜色和外表处理。考虑造型时，应留意下述三个问题：尺寸比例协调在构造设计时，应留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。外形简洁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，应使这些外形协作适当，根本外形应在视觉上平衡，接近对称又不完全对称的外形易产生倾倒的感觉；尽量削减外形和位置的变化，避开过分凌乱；改善加工工艺颜色、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，还可增加视觉效果。恰当的颜色可使操作者眼睛的疲乏程度降低，并能提高对设备显示信息的区分力量。单色只使用于小构件。大的特别是运动构件假设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。在多个颜色并存的状况下，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，太多的颜色会给人一种华而不实的感觉。舒适的颜色大约位于从浅黄、绿黄到棕的区域。这个趋势是渐暖，正黄正绿往往显得不舒适；猛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。全部颜色都应淡化。另外，通过肯定的颜色配置可使产品显得安全、稳固。将外形变化小的、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不同类型的机械构造设计中各种具体状况的差异很大，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外形、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：理清主次、统筹兼顾：明确待设计构造件的主要任务和限制，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头，考虑与其他相关零件的相互位置、联结关系，渐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。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肯定的比例，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外形，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留意标准件、常用件和通用件的应用，以削减设计与制造的工作量。综合过程是指找出实现功能目的各种可供选择的构造的全部工作。分析过程则是评价、比较并最终确定构造的工作。可通过转变工作面的大小、方位、数量及构件材料、外表特性、连接方式，系统地产生方案。另外，综合分析的思维特点更多的是以直觉方