機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)

1、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)1前言前言1.1機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的任務(wù)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的任務(wù)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的任務(wù)是在總體設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，根據(jù)所確定的原理方案，確定并繪出具體的結(jié)構(gòu)圖，以體現(xiàn)所要求的功能。是將抽象的工作原理具體化為某類構(gòu)件或零部件，具體內(nèi)容為在確定結(jié)構(gòu)件的材料、形狀、尺寸、公差、熱處理方式和表面狀況的同時(shí)，還須考慮其加工工藝、強(qiáng)度、剛度、精度以及與其它零件相互之間關(guān)系等問(wèn)題。所以，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的直接產(chǎn)物雖是技術(shù)圖紙，但結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作不是簡(jiǎn)單的機(jī)械制圖，

2、圖紙只是表達(dá)設(shè)計(jì)方案的語(yǔ)言，綜合技術(shù)的具體化是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容合技術(shù)的具體化是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容。1.2機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)有：（1）它是集思考、繪圖、計(jì)算（有時(shí)進(jìn)行必要的實(shí)驗(yàn)）于一體的設(shè)計(jì)過(guò)程，是機(jī)械設(shè)計(jì)中涉及的問(wèn)題最多、最具體、工作量最大的工作階段，在整個(gè)機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程中，平均約80%的時(shí)間用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)的成敗起著舉足輕重的作用。（2）機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題的多解性，即滿足同一設(shè)計(jì)要求的機(jī)械結(jié)構(gòu)

3、并不是唯一的。（3）機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段是一個(gè)很活躍的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，常常需反復(fù)交叉的進(jìn)行。為此，在進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須了解從機(jī)器的整體出發(fā)對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的基本要求2機(jī)械結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)要素和設(shè)計(jì)方法機(jī)械結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)要素和設(shè)計(jì)方法2.1結(jié)構(gòu)件的幾何要素結(jié)構(gòu)件的幾何要素機(jī)械結(jié)構(gòu)的功能主要是靠機(jī)械零部件的幾何形狀及各個(gè)零部件之間的相對(duì)位置關(guān)系實(shí)現(xiàn)的。零部件的幾何形狀由它的表面所構(gòu)成，一個(gè)零件通常有多個(gè)表面，在這些表面中有的與其它零部件表面直接接觸，把這一

4、部分表面稱為功能表面。在功能表面之間的聯(lián)結(jié)部分稱為聯(lián)接表面。零件的功能表面是決定機(jī)械功能的重要因素，功能表面的設(shè)計(jì)是零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心問(wèn)題。描述功能表面的主要幾何參數(shù)有表面的幾何形狀、尺寸大小、表面數(shù)量、位置、順序等。通過(guò)對(duì)功能表面的變異設(shè)計(jì)，可以得到為實(shí)現(xiàn)同一技術(shù)功能的多種結(jié)構(gòu)方案。2.2結(jié)構(gòu)件之間的聯(lián)接結(jié)構(gòu)件之間的聯(lián)接在機(jī)器或機(jī)械中，任何零件都不是孤立存在的。因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中除了研究零件本身的功能和其它特征外，還必須研究零件之間的

5、相互關(guān)系。零件的相關(guān)分為直接相關(guān)和間接相關(guān)兩類。凡兩零件有直接裝配關(guān)系的，成為直接相關(guān)。沒(méi)有直接裝配關(guān)系的相關(guān)成為間接相關(guān)。間接相關(guān)又分為位置相關(guān)和運(yùn)動(dòng)相關(guān)兩類。位置相關(guān)是指兩零件在相互位置上有要求，如減速器中兩相鄰的傳動(dòng)軸，其中心距必須保證一定的精度，兩軸線必須平行，以保證齒輪的正常嚙合。運(yùn)動(dòng)相關(guān)是指一零件的運(yùn)動(dòng)軌跡與另一零件有關(guān)，如車床刀架的運(yùn)動(dòng)軌跡必須平行于于主軸的中心線，這是靠床身導(dǎo)軌和主軸軸線相平行來(lái)保證的，所以，主軸與導(dǎo)軌之

6、間位置相關(guān)；而刀架與主軸之間為運(yùn)動(dòng)相關(guān)。多數(shù)零件都有兩個(gè)或更多的直接相關(guān)零件，故每個(gè)零件大都具有兩個(gè)或多個(gè)部位在結(jié)構(gòu)上與其它零件有關(guān)。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，兩零件直接相關(guān)部位必須同時(shí)考慮，以便合理地選擇材料的熱處理方式、形狀、尺寸、精度及表面質(zhì)量等。同時(shí)還必須考慮滿足間接相關(guān)條件，如進(jìn)行尺寸鏈和精度計(jì)算等。一般來(lái)說(shuō)，若某零件直接相關(guān)零件愈多，其結(jié)構(gòu)就愈復(fù)雜；零件的間接相關(guān)零件愈多，其精度要求愈高。例如，軸轂聯(lián)接見圖1。2.3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)據(jù)結(jié)構(gòu)件

7、的材料及熱處理不同應(yīng)注意的問(wèn)題結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)據(jù)結(jié)構(gòu)件的材料及熱處理不同應(yīng)注意的問(wèn)題機(jī)械設(shè)計(jì)中可以選擇的材料眾多，不同的材料具有不同的性質(zhì)，不同的材料對(duì)應(yīng)不同的加工工藝，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中既要根據(jù)功能要求合理地選擇適當(dāng)?shù)牟牧?，又要根?jù)材料的種類確定適當(dāng)?shù)募庸すに?，并根?jù)加工工藝的要求確定適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)，只有通過(guò)適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)才能使所選擇的材料最充分的發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。設(shè)計(jì)者要做到正確地選擇材料就必須充分地了解所選材料的力學(xué)性能、加工性能、使用成本等信息。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中

8、應(yīng)根據(jù)所選材料的特性及其所對(duì)應(yīng)的加工工藝而遵循不同的設(shè)計(jì)原4.考慮加工工藝工藝的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則考慮裝配裝配的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則6.考慮造型造型設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則3.2機(jī)械結(jié)構(gòu)基本設(shè)計(jì)準(zhǔn)則機(jī)械結(jié)構(gòu)基本設(shè)計(jì)準(zhǔn)則1.實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則產(chǎn)品的設(shè)計(jì)主要目的是為了實(shí)現(xiàn)預(yù)定的功能要求，因此實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)首先考慮的問(wèn)題。要滿足功能要求，必須做到以下幾點(diǎn)。(1)明確功能明確功能:結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是要根據(jù)其在機(jī)器中的功能和與其他零部件相互的連接

9、關(guān)系，確定參數(shù)尺寸和結(jié)構(gòu)形狀。零部件主要的功能有承受載荷、傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，以及保證或保持有關(guān)零件或部件之間的相對(duì)位置或運(yùn)動(dòng)軌跡等。設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)應(yīng)能滿足從機(jī)器整體考慮對(duì)它的功能要求。(2)功能合理的分配：功能合理的分配：產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)具體情況，通常有必要將任務(wù)進(jìn)行合理的分配，即將一個(gè)功能分解為多個(gè)分功能。每個(gè)分功能都要有確定的結(jié)構(gòu)承擔(dān)，各部分結(jié)構(gòu)之間應(yīng)具有合理、協(xié)調(diào)的聯(lián)系，以達(dá)到總功能的實(shí)現(xiàn)。多結(jié)構(gòu)零件承擔(dān)同一功能可以減輕零件負(fù)擔(dān)，延長(zhǎng)使

10、用壽命。V型帶截面的結(jié)構(gòu)是任務(wù)合理分配的一個(gè)例子。纖維繩用來(lái)承受拉力；橡膠填充層承受帶彎曲時(shí)的拉伸和壓縮；包布層與帶輪輪槽作用，產(chǎn)生傳動(dòng)所需的摩擦力。例如，若只靠螺栓預(yù)緊產(chǎn)生的摩擦力來(lái)承受橫向載荷時(shí)，會(huì)使螺栓的尺寸過(guò)大，可增加抗剪元件，如銷、套筒和鍵等，以分擔(dān)橫向載荷來(lái)解決這一問(wèn)題。(3)功能集中：功能集中：為了簡(jiǎn)化機(jī)械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，降低加工成本，便于安裝，在某些情況下，可由一個(gè)零件或部件承擔(dān)多個(gè)功能。功能集中會(huì)使零件的形狀更加復(fù)雜，但要

11、有度，否則反而影響加工工藝、增加加工成本，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)具體情況而定。3.2機(jī)械結(jié)構(gòu)基本設(shè)計(jì)準(zhǔn)則機(jī)械結(jié)構(gòu)基本設(shè)計(jì)準(zhǔn)則2.滿足強(qiáng)度要求的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則滿足強(qiáng)度要求的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則(1)等強(qiáng)度準(zhǔn)則等強(qiáng)度準(zhǔn)則零件截面尺寸的變化應(yīng)與其內(nèi)應(yīng)力變化相適應(yīng)，使各截面的強(qiáng)度相等。按等強(qiáng)度原理設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，材料可以得到充分的利用，從而減輕了重量、降低成本。如懸臂支架、階梯軸的設(shè)計(jì)等。見圖3。圖3(2)合理力流結(jié)構(gòu)合理力流結(jié)構(gòu)為了直觀地表示力在機(jī)械構(gòu)件中怎樣傳遞的狀態(tài)，將