机械零件的结构设计

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1、机械零件的结构设计1.机器设计的基本原则：v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。v（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。v（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

2、用低廉。因此，在设计时应综合考虑。v（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。v（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：v（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。v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

3、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。v（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。v 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。v（3）.寿命-此要求与强

4、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。v 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。v（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。v（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

5、.设计与设计的方法：v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：v（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：vA.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。v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

6、荷的直杆剖面 面积时，可直接引用材料力学公式：FP/ pv式中：F直杆的剖面面积；P直杆承受拉伸载荷；p直杆材料的许用拉伸应力。vB.校核计算先根据其他方法，（如按经验 、规范近似地计算）初步定出零件的尺寸及形 状，然后，用理论的方法校核零件危险剖面的 安全系数计算值。这个计算过程叫校核计算。v 校核计算多用于应力分布规律复杂，但又能 用材料力学的公式表示出来的零件设计中，也 用于应力分布规律虽简单，但其计算数据又须 在零件尺寸已知时才能决定的情况下。如轴的 设计、弹簧的设计是这样进行的。v 有时有经验的设计工作者，在设计某些零件时 ，虽然已经具备进行设计计算的条件，但是， 为了简化计算手续，

7、也常根据有关资料或粗略 估计，直接进行结构设计，然后采用校核计算 。v 由于理论设计是在阐明了材料性能及应力分布 规律的基础上所进行的设计，因而它是比较科 学和先进的方法。它是在大量的感性知识的基 础上总结出来的设计规律。所以，对于一切重 要的零件，都应尽可能地采用理论设计。v 随着科技的发展，理论设计的方法不断改善 和变化。但是，理论设计还会有不完善的地方 ，所以，也不应当将书本的理论设计方法看作 是绝对完善的方法。v（2）.经验设计-根据某类零件已有的设计与 使用经验而总结出来的经验公式，或根据设计 者本人的设计经验，采用类比的办法所进行的 设计叫经验设计。v 虽然经验设计没有详尽的理论化

8、的科学分析 作为依据，但经验公式的形成，已经具有一定 的科学统计性。因此，具有很大的实用价值。 另外，由于它也是由实践中总结出来的经验关 系，因而它也能经得起实践的考验，在实践中 证明是正确的。v 通常用于外形复杂、载荷情况不明而目前尚 不能用理论分析的零件设计中。例如，机架、 变速箱体的设计等。经验设计正是用在理论设 计薄弱的地方，并且是理论设计的前身。此外 ，对一些价值不高的零件也通常采用经验设计 的方法。v（3）.模型实验设计-对于一些巨大的、结构 复杂而重要的零件和部件，现有的理论知识尚 不足以进行详尽分析，采用模型实验设计的方 法。也就是说，将初步设计的零件或部件做出 模型，经过实验

9、，再根据实验结果加以修改， 这样的过程叫模型实验设计。这种设计方法是 借助于实验来弥补理论的不足，同时，也消除 了经验设计中不够科学的成分。它用于大型重 要的零件或部件。v 模型实验设计能够决定复杂零件中工作应力 的分布实况和零件的极限承受能力，能较经验 设计而设计出来的结构更加合理，这个方法是 使经验设计转化为理论设计的途径之一。v 必须强调，设计方法是理论和实践相结合的具 体体现，设计工作是创造性的工作，必须和科 学分析紧密结合。任何脱离实际或是忽视理论 的设计，都会给工作带来不良的影响，甚至带 来不可弥补的损失。4. 机械零件设计计算的理论基础：v 机械零件设计计算的原则及方法是根据零件

10、 的失效方式决定的。通常零件的失效方式主要 为各种各样的破坏（如脆性断裂、塑性变形、 尤其是整体的或表面的疲劳破坏）和磨损。现 在，还没有以充分的理论为根据而拟订的磨损 设计方法。因而绝大多数零件都是按照强度及 疲劳寿命作为设计基础的。5. 机械零件的结构工艺性：v 在机械零件及整台机器的设计过程中，设计 计算只占一部分工作量，很重要的另外一部分 工作量就是零件及整台机器的结构设计。结构 设计就是要决定零件及机器的各个部分的形状 、尺寸、尺寸的配合及制造精度等，并绘制图 纸。计算工作是从使用要求出发，通过计算保 证了零件的强度、刚度及寿命等要求；结构设 计主要是从经济、工艺、使用、检修、维护等

11、要求出发，保证能设 计出用料最少、最便宜、最容易制造与装配的零 件，以及使用、检修都是最便宜的机器。因此， 结构设计是保证零件及机器具有良好工艺性及使 用性的决定阶段。v（1）.铸造零件结构设计要点-v铸造零件的结构设计，主要从以下八点考虑：v壁厚铸件的壁厚，除了应满足强度、刚 度的要求外，还要考虑到铸造的可能。v圆角为了消灭铸造缺陷及易于造型，在 铸件两个面的交界处通常采用圆角结构，圆角 半径视壁厚的大小而增减。v不同壁厚处的过度结构为了避免在铸件中产生缩孔，必须采用必要的过渡结构（如图5-1）。图5-1v铸造斜度垂直于分型面的表面应有斜度 ，以利造型。对于黑色金属，斜度通常采用 1:251

12、:40；对于有色金属为1:100。v要尽可能地避免使造型发生困难的死角（如图5-2）。图5-2v为了增加铸造零件的刚度，常采用加强肋。肋 的厚度取为所固连的壁厚的80100%。v设计受弯曲应力的铸铁件时，应使剖面的中性 轴靠近受拉伸的一边，以充分发挥铸铁的压缩强 度高于拉伸强度的特点。v铸造零件内腔的壁，由于冷却较慢，故应做得 薄些。通常将其壁厚较外壁减少1520%。v（2）.锻造及冲压零件结构设计要点-v 锻造零件的结构必须很简单，没有很深的沟 槽。利用锻模时，零件上要有适当的斜度及圆 角。v 冲压零件上的弯边大小须在材料韧性所允许 的限度以内。此外，零件的形状必须以最充分 地利用板材为原则

13、。v（3）.机械加工对零件结构的影响-v机械加工对零件结构提出如下要求：v尽可能减小加工面积，以缩短机械加工工时 。v零件尽可能用圆柱、圆锥及平面等简单几何 形状组成，并且各面最好相互平行或垂直，避 免特殊的几何形状及相互倾斜的加工面。v改善零件的结构，使其简化加工工序（如图5 -3）。v零件必须具有足够的刚度，以免加工变形（ 如图5-4）。v零件加工工具难以达到的部位（如图5-5）。图5-4图5-5v在车、磨、铣等表面上，要留下足够的退刀槽 和退出砂轮槽（如图5-6）。图5-6v要保证刀具能有最方便的工作条件，以便提高 生产率（如图5-7）。v如果可能，在同一零件上应采用最少的尺寸种 类及标

14、准种类（如图5-8）。v（4）.装配工艺对零件结构的影响-v要保证零件能方便迅速地安装及拆卸；对于 经常要拆卸检修的部件，其零件结构的合理设 计尤其重要。举例说明（如图5-9，图5-10，图 5-11）。v装置螺栓处要留出足够的可供扳手活动的空间 （如图5-12）。v零件设计必须使能完全避免安装时的错误（如 图5-13）。图5-12图5-13v（5）.从结构设计方面提高零件强度的措施-v 原则上讲，从结构上保证降低作用在零件上 的力,改善零件的受力状态，以及降低由于零件 形状而引起的应力集中因素等，是从改善零件 的结构设计来提高零件强度的重要途径。v减轻作用力。改变零件结构形式以降低作用力，如

15、图5-14所示，改变皮带轮的结构就可以降低作用在轴上的弯矩。v改善零件受力及应力状态。其办法： A.长杆尽可能设计成受拉伸载荷，避免压缩载荷 。 B.使零件受力对称及均匀，减少偏心力矩的作用 。v降低应力集中因素，采用圆角及卸载槽等办法 。v（6）从结构设计方面节约零件材料的措施-v 从合理地设计零件的结构形状方面来节约材 料，其潜力是很大的。每个设计者在设计机器 及零件时，都应千方百计地使所设计的结构在 满足使用及工艺要求的情况下尽可能的少用材 料。v从零件的结构设计方面节约材料的途径：v合理地减小各种零件的尺寸，尤其是传动零 件的外廓尺寸，这是最基本的措施；v尽可能地使用薄壁铸件，在不受力

16、的地方以 板材冲压件来代替沉重的铸件；v用棒料做成的零件应尽可能地做成小直径的 ，如图5-15所示；v只有在必须的地方才使用价值昂贵的材料，如图5-16所示。v（7）.毛坯的选择-v 设计零件时，要考虑用什么方法来获得毛坯 。这对节约材料、制造方便、使用性能等有很 大的影响。毛坯制造方法的选择，一般是取决 于零件批量的大小、材料性能以及加工的可能 性等因素。总体是取决于经济因素。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