機械結(jié)構(gòu)基本設計準則
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機械結(jié)構(gòu)設計的任務是在總體設計的基礎上，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，還須考慮其加工工藝、強度、剛度、精度以及與其它零件相互之間關(guān)系等問題。所以，結(jié)構(gòu)設計的直接產(chǎn)物雖是技術(shù)圖紙，但結(jié)構(gòu)設計工作不是簡單的機械制圖，圖紙只是表達設計方案的語言，綜合技術(shù)的具體化是結(jié)構(gòu)設計的基本內(nèi)容?！ ?.1.2機械結(jié)構(gòu)設計特點 機械結(jié)構(gòu)設計的主要特點有： ?。?）它是集思考、繪圖、計算（有時進行必要的實驗）于一體的設計過程，是機械設計中涉及的問題最多、最具體、工作量最大的工作階段，在整個機械設計過程中，平均約80%的時間用于結(jié)構(gòu)設計，對機械設計的成敗起著舉足輕重的作用?！ 。?）機械結(jié)構(gòu)設計問題的多解性，即滿足同一設計要求的機械結(jié)構(gòu)并不是唯一的?！ 。?）機械結(jié)構(gòu)設計階段是一個很活躍的設計環(huán)節(jié)，常常需反復交叉的進行。為此，在進行機械結(jié)構(gòu)設計時，必須了解從機器的整體出發(fā)對機械結(jié)構(gòu)的基本要求 5.2機械結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)要素和設計方法 5.2.1結(jié)構(gòu)件的幾何要素 機械結(jié)構(gòu)的功能主要是靠機械零部件的幾何形狀及各個零部件之間的相對位置關(guān)系實現(xiàn)的。零部件的幾何形狀由它的表面所構(gòu)成，一個零件通常有多個表面，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械功能的重要因素，功能表面的設計是零部件結(jié)構(gòu)設計的核心問題。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。通過對功能表面的變異設計，可以得到為實現(xiàn)同一技術(shù)功能的多種結(jié)構(gòu)方案。 5.2.2結(jié)構(gòu)件之間的聯(lián)接 在機器或機械中，任何零件都不是孤立存在的。因此在結(jié)構(gòu)設計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)和運動相關(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。運動相關(guān)是指一零件的運動軌跡與另一零件有關(guān)，如車床刀架的運動軌跡必須平行于于主軸的中心線，這是靠床身導軌和主軸軸線相平行來保證的，所以，主軸與導軌之間位置相關(guān)；而刀架與主軸之間為運動相關(guān)。 多數(shù)零件都有兩個或更多的直接相關(guān)零件，故每個零件大都具有兩個或多個部位在結(jié)構(gòu)上與其它零件有關(guān)。在進行結(jié)構(gòu)設計時，兩零件直接相關(guān)部位必須同時考慮，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。同時還必須考慮滿足間接相關(guān)條件，如進行尺寸鏈和精度計算等。一般來說，若某零件直接相關(guān)零件愈多，其結(jié)構(gòu)就愈復雜；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5.1?！ ?.2.3結(jié)構(gòu)設計據(jù)結(jié)構(gòu)件的材料及熱處理不同應注意的問題 機械設計中可以選擇的材料眾多，不同的材料具有不同的性質(zhì)，不同的材料對應不同的加工工藝，結(jié)構(gòu)設計中既要根據(jù)功能要求合理地選擇適當?shù)牟牧?，又要根?jù)材料的種類確定適當?shù)募庸すに嚕⒏鶕?jù)加工工藝的要求確定適當?shù)慕Y(jié)構(gòu)，只有通過適當?shù)慕Y(jié)構(gòu)設計才能使所選擇的材料最充分的發(fā)揮優(yōu)勢?！ ?設計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性能、加工性能、使用成本等信息。結(jié)構(gòu)設計中應根據(jù)所選材料的特性及其所對應的加工工藝而遵循不同的設計原則?！ ?如：鋼材受拉和受壓時的力學特性基本相同，因此鋼梁結(jié)構(gòu)多為對稱結(jié)構(gòu)。鑄鐵材料的抗壓強度遠大于抗拉強度，因此承受彎矩的鑄鐵結(jié)構(gòu)截面多為非對稱形狀，以使承載時最大壓應力大于最大拉應力，圖示5.2為兩種鑄鐵支架比較。鋼結(jié)構(gòu)設計中通常通過加大截面尺寸的方法增大結(jié)構(gòu)的強度和剛度，但是鑄造結(jié)構(gòu)中如果壁厚過大則很難保證鑄造質(zhì)量，所以鑄造結(jié)構(gòu)通常通過加筋板和隔板的方法加強結(jié)構(gòu)的剛度和強度。塑料材料由于剛度差，鑄造后的冷卻不均勻造成的內(nèi)應力極易引起結(jié)構(gòu)的翹曲，所以塑料結(jié)構(gòu)的筋板與壁厚相近并均勻?qū)ΨQ?！ ?對于需要熱處理加工的零件，在進行結(jié)構(gòu)設計時的要求有如下幾點： ?。?）零件的幾何形狀應力求簡單、對稱，理想的形狀為球形?！ 。?）具有不等截面的零件，其大小截面的變化必須平緩，避免突變。如果相鄰部分的變化過大，大小截面冷卻不均，必然形成內(nèi)應力?！ 。?）避免銳邊尖角結(jié)構(gòu)，為了防止銳邊尖角處熔化或過熱，一般在槽或孔的邊緣上切出2～３mm的倒角?！ 。?）避免厚薄懸殊的截面，厚薄懸殊的截面在淬火冷卻時易變形，開裂的傾向較大?！ ?.3.1機械結(jié)構(gòu)設計的基本要求 機械產(chǎn)品應用于各行各業(yè)，結(jié)構(gòu)設計的內(nèi)容和要求也是千差萬別，但都有相同的共性部分。下面就機械結(jié)構(gòu)設計的三個不同層次來說明對結(jié)構(gòu)設計的要求?！ ?.功能設計 滿足主要機械功能要求，在技術(shù)上的具體化。如工作原理的實現(xiàn)、工作的可靠性、工藝、材料和裝配等方面?！ ?．質(zhì)量設計兼顧各種要求和限制，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和性能價格比，它是現(xiàn)代工程設計的特征。具體為操作、美觀、成本、安全、環(huán)保等眾多其它要求和限制。在現(xiàn)代設計中，質(zhì)量設計相當重要，往往決定產(chǎn)品的競爭力。那種只滿足主要技術(shù)功能要求的機械設計時代已經(jīng)過去，統(tǒng)籌兼顧各種要求，提高產(chǎn)品的質(zhì)量，是現(xiàn)代機械設計的關(guān)鍵所在。與考慮工作原理相比，兼顧各種要求似乎只是設計細節(jié)上的問題，然而細節(jié)的總和是質(zhì)量，產(chǎn)品質(zhì)量問題不僅是工藝和材料的問題，提高質(zhì)量應始于設計?！ ?．優(yōu)化設計和創(chuàng)新設計 用結(jié)構(gòu)設計變元等方法系統(tǒng)地構(gòu)造優(yōu)化設計空間，用創(chuàng)造性設計思維方法和其它科學方法進行優(yōu)選和創(chuàng)新。 對產(chǎn)品質(zhì)量的提高永無止境，市場的競爭日趨激烈，需求向個性化方向發(fā)展。因此，優(yōu)化設計和創(chuàng)新設計在現(xiàn)代機械設計中的作用越來越重要，它們將是未來技術(shù)產(chǎn)品開發(fā)的競爭焦點?！ 〗Y(jié)構(gòu)設計中得到一個可行的結(jié)構(gòu)方案一般并不很難。機械設計的任務是在眾多的可行性方案中尋求較好的或是最好的方案。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計的前提是要能構(gòu)造出大量可供優(yōu)選的可能性方案，即構(gòu)造出大量的優(yōu)化求解空間，這也是結(jié)構(gòu)設計最具創(chuàng)造性的地方。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計目前基本仍局限在用數(shù)理模型描述的那類問題上。而更具有潛力、更有成效的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計應建立在由工藝、材料、聯(lián)接方式、形狀、順序、方位、數(shù)量、尺寸等結(jié)構(gòu)設計變元所構(gòu)成的結(jié)構(gòu)設計解空間的基礎上?！ ?.3.2機械結(jié)構(gòu)基本設計準則 機械設計的最終結(jié)果是以一定的結(jié)構(gòu)形式表現(xiàn)出來的，按所設計的結(jié)構(gòu)進行加工、裝配，制造成最終的產(chǎn)品。所以，機械結(jié)構(gòu)設計應滿足作為產(chǎn)品的多方面要求，基本要求有功能、可靠性、工藝性、經(jīng)濟性和外觀造型等方面的要求。此外，還應改善零件的受力，提高強度、剛度、精度和壽命。因此，機械結(jié)構(gòu)設計是一項綜合性的技術(shù)工作。由于結(jié)構(gòu)設計的錯誤或不合理，可能造成零部件不應有的失效，使機器達不到設計精度的要求，給裝配和維修帶來極大的不方便。機械結(jié)構(gòu)設計過程中應考慮如下的結(jié)構(gòu)設計準則?！ ?.實現(xiàn)預期功能的設計準則 2.滿足強度要求的設計準則 3.滿足剛度結(jié)構(gòu)的設計準則 4.考慮加工工藝的設計準則 5.考慮裝配的設計準則 6.考慮造型設計的準則 5.3.2機械結(jié)構(gòu)基本設計準則 1. 實現(xiàn)預期功能的設計準則 產(chǎn)品的設計主要目的是為了實現(xiàn)預定的功能要求，因此實現(xiàn)預期功能的設計準則是結(jié)構(gòu)設計首先考慮的問題。要滿足功能要求，必須做到以下幾點。 (1)明確功能: 結(jié)構(gòu)設計是要根據(jù)其在機器中的功能和與其他零部件相互的連接關(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、傳遞運動和動力，以及保證或保持有關(guān)零件或部件之間的相對位置或運動軌跡等。設計的結(jié)構(gòu)應能滿足從機器整體考慮對它的功能要求?！ ?2)功能合理的分配：產(chǎn)品設計時，根據(jù)具體情況，通常有必要將任務進行合理的分配，即將一個功能分解為多個分功能。每個分功能都要有確定的結(jié)構(gòu)承擔，各部分結(jié)構(gòu)之間應具有合理、協(xié)調(diào)的聯(lián)系，以達到總功能的實現(xiàn)。多結(jié)構(gòu)零件承擔同一功能可以減輕零件負擔，延長使用壽命。V型帶截面的結(jié)構(gòu)是任務合理分配的一個例子。纖維繩用來承受拉力；橡膠填充層承受帶彎曲時的拉伸和壓縮；包布層與帶輪輪槽作用，產(chǎn)生傳動所需的摩擦力。例如，若只靠螺栓預緊產(chǎn)生的摩擦力來承受橫向載荷時，會使螺栓的尺寸過大，可增加抗剪元件，如銷、套筒和鍵等，以分擔橫向載荷來解決這一問題。 (3)功能集中：為了簡化機械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，降低加工成本，便于安裝，在某些情況下，可由一個零件或部件承擔多個功能。功能集中會使零件的形狀更加復雜，但要有度，否則反而影響加工工藝、增加加工成本，設計時應根據(jù)具體情況而定?！ ?.3.2機械結(jié)構(gòu)基本設計準則 2.滿足強度要求的設計準則 (1) 等強度準則 零件截面尺寸的變化應與其內(nèi)應力變化相適應，使各截面的強度相等。按等強度原理設計的結(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、階梯軸的設計等?！ ?2) 合理力流結(jié)構(gòu) 為了直觀地表示力在機械構(gòu)件中怎樣傳遞的狀態(tài)，將力看作猶如水在構(gòu)件中流動，這些力線匯成力流。表示這個力的流動在結(jié)構(gòu)設計考察中起著重要的作用。 力流在構(gòu)件中不會中斷，任何一條力線都不會突然消失，必然是從一處傳入，從另一處傳出。力流的另一個特性是它傾向于沿最短的路線傳遞，從而在最短路線附近力流密集，形成高應力區(qū)。其它部位力流稀疏，甚至沒有力流通過，從應力角度上講，材料未能充分利用。因此，若為了提高構(gòu)件的剛度，應該盡可能按力流最短路線來設計零件的形狀，減少承載區(qū)域，從而累積變形越小，提高了整個構(gòu)件的剛度，使材料得到充分利用。 如懸臂布置的小錐齒輪，