第6章-機設(shè)學-機械結(jié)構(gòu)設(shè)計（總體結(jié)構(gòu)設(shè)計和零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計）

1、第六章 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計（總體結(jié)構(gòu)設(shè)計和零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計）,§6-1結(jié)構(gòu)件的功用和基本類型 §6-2結(jié)構(gòu)方案設(shè)計的基本原則和原理§6-3結(jié)構(gòu)設(shè)計中的強度和剛度問題 §6-4支承件的結(jié)構(gòu)設(shè)計§6-5結(jié)構(gòu)設(shè)計中的工藝問題§6-6材料選擇,,結(jié)構(gòu)設(shè)計的任務(wù)： 在功能原理方案設(shè)計和總體設(shè)計的基礎(chǔ)上，確定機械裝置的具體結(jié)構(gòu)與參數(shù)、裝配關(guān)系，確定所有零件的材料、熱處理方式、形

2、狀，達到功能實現(xiàn)的可能性和可靠性。,§6-1結(jié)構(gòu)件的功用和基本類型,一、結(jié)構(gòu)件的功用1．承受載荷：普通車床2．傳遞運動和動力：牛頭刨床3．成形:工藝過程中，通過工作頭的形狀、運動方式和作用場，完成對對象物的成形。如刀具、模具等。4．其它功用:如起容器作用的油箱、起引導作用的導軌等。,,,二、結(jié)構(gòu)件的分類 為了設(shè)計、制造和管理上的方便，通常將其分為蓋盤、軸套、支架、桿件、殼體、箱體和支承件等 從毛坯工藝角

3、度分：鑄造件、焊接件、鍛造件、鉚接或粘結(jié)件等 三、零件的相關(guān)1．定義：每個零件都與一個或幾個零件有裝配關(guān)系或相互位置關(guān)系，可以稱這種關(guān)系為相關(guān)，稱有這種關(guān)系的兩個零件互為相關(guān)零件。2．分類 直接相關(guān)：兩零件有直接裝配關(guān)系 間接相關(guān)：沒有直接裝配關(guān)系，如兩軸平行關(guān)系是靠軸與軸承之間、軸承與箱體之間的直接關(guān)系組合實現(xiàn)的。,,實線：直接相關(guān)虛線：間接相關(guān),間接相關(guān)又分為兩大類：1）位置相關(guān)：兩零件在相互位置上有要求

4、2）運動相關(guān)：一零件的運動軌跡與另一零件有關(guān) 如車床中：主軸與導軌之間為位置相關(guān)，刀架與主軸之間為運動相關(guān)四、零件的結(jié)構(gòu)要素（構(gòu)成零件形體的表面）1、進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，直接相關(guān)部位必須同時考慮2、考慮滿足間接相關(guān)條件3、直接相關(guān)越多，結(jié)構(gòu)越復雜； 間接相關(guān)越多，精度要求就越高。4、工作部分和安裝部分,,,§6-2結(jié)構(gòu)方案設(shè)計的基本原則和原理,一、結(jié)構(gòu)方案設(shè)計的基本原則1．明確：對產(chǎn)品設(shè)計中所應(yīng)考慮的問題都應(yīng)在

5、結(jié)構(gòu)方案中獲得明確的體現(xiàn)。 1）功能明確原則 2）工作原理明確 3）使用工況及承載狀態(tài)明確。 4）其它2．簡單,,3．安全可靠（直接安全技術(shù)、間接安全技術(shù)、提示性安全技術(shù)）,二、結(jié)構(gòu)方案設(shè)計原理,1．等強度原理 1）材料可以得到充分的利用，減輕重量、降低成本 2）可通過結(jié)構(gòu)措施來降低高應(yīng)力區(qū)的應(yīng)力或提高低應(yīng)力區(qū)的應(yīng)力,,等強度梁優(yōu)點：,1.零件截面尺寸的變化應(yīng)與其內(nèi)應(yīng)力變化相

6、適應(yīng)，使各截面的強度相等。2.按等強度原理設(shè)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(shè)計等。,2、變形協(xié)調(diào)原理,使相連接的兩零件在外載荷的作用下所產(chǎn)生的變形的方向相同并且使其相對變形盡可能小。,,3、任務(wù)分配原理,1）功能與載體間的關(guān)系：一載體承擔多功能、一載體承擔一種功能、 多載體承擔一種功能2）在同一零件中，可在不同位置采用不同的材

7、料，分別承擔不同的功能。3）同一零件采用同一材料，可以在不同部位采用不同的熱處理以承擔不同的功能,,4、自助原理1）自補償：通過選擇系統(tǒng)元件及其在系統(tǒng)中的配置來自行實現(xiàn)加強功能的相互支持作用。2）總效應(yīng)=初始效應(yīng)+輔助效應(yīng)3）常見的應(yīng)用形式如下：,（1）自增強,輔助效應(yīng)與初始效應(yīng)的方向相同時，總效應(yīng)加強,,（2）自平衡 通常是使正常載荷下的輔助效應(yīng)同初始效應(yīng)相反并達到平衡或部分平衡狀態(tài)，以克服不利影響。,（3）自保護：自

8、動保護裝置,5.穩(wěn)定性原理：機械裝置在工作過程中會有一些干擾因素，通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計會使得這些干擾因素出現(xiàn)時系統(tǒng)自動產(chǎn)生一種與之作用相反的作用，是系統(tǒng)保持穩(wěn)定狀態(tài)。,§6-3結(jié)構(gòu)設(shè)計中的強度和剛度問題,一、提高靜強度的設(shè)計方法1．合理確定截面形狀 空心軸的強度高于實心軸，同時空心軸的截面慣性矩和極慣性矩都顯著增大，抗彎和抗扭剛度也大為提高。 當要求一定的材料消耗時，選擇合理的截面形狀可以顯著提高構(gòu)件

9、的強度和剛度；當要求一定的強度和剛度時，合理的選擇截面形狀可以大大的節(jié)省材料、減輕重量。,,2．載荷分流 將一個較大的載荷或復合載荷分流到不同零件或同一零件的不同部位上，從而達到降低應(yīng)力、減小變形的效果。,3、載荷均化：將集中或分布不均的載荷變成近似均布的載荷以降低構(gòu)件的最大應(yīng)力,3、載荷均化：將集中或分布不均的載荷變成近似均布的載荷以降低構(gòu)件的最大應(yīng)力,4.改善軸系支承,,,5.充分發(fā)揮材料特性,6.合理強化,彈性強化：使構(gòu)件在

10、受工作載荷之前預(yù)受一個與工作載荷相反的載荷，產(chǎn)生一個相應(yīng)的預(yù)變形，以及一個與工作應(yīng)力相反的預(yù)應(yīng)力，工作時該預(yù)加載荷部分的抵消工作載荷，預(yù)變形部分的抵消工作變形，從而降低了構(gòu)件的最大應(yīng)力。,內(nèi)部產(chǎn)生高壓的情況,塑性強化：使構(gòu)件在工作狀態(tài)下應(yīng)力最大那部分材料預(yù)先經(jīng)塑性變形而產(chǎn)生一個與工作應(yīng)力符號相反的殘留應(yīng)力，用以部分的抵消工作應(yīng)力。,,,二、提高靜剛度的設(shè)計方法,采用桁架結(jié)構(gòu)合理布置隔板 與肋板,合理布置支承,合理布置隔板

11、與肋板,,,四、有關(guān)強度和剛度的其它問題1．提高疲勞強度和動剛度 措施:降低應(yīng)力集中程度,應(yīng)特別注意在鉆孔、切槽、過度圓角及截面急劇變化處的結(jié)構(gòu)，以減少應(yīng)力集中。 提高零件的動剛度可以從提高靜剛度、增加阻尼和調(diào)整固有頻率等方面著手。,降低應(yīng)力幅：,第13次課:15周 周一,2．提高零件的接觸強度和接觸剛度 1）增大球面支承的綜合曲率半徑,2）增加接觸元素數(shù)量,3）以面接觸代替線接觸或點接觸,4.通過預(yù)緊提高接觸

12、剛度,§6-4結(jié)構(gòu)設(shè)計中的精度問題,一、誤差分析1、原始誤差：加工、安裝、調(diào)整過程中產(chǎn)生的誤差。2、原理誤差：采用近似工作原理產(chǎn)生的誤差。3、工作誤差：受力、受熱、磨損等。4、回程誤差：運動副間間隙等造成運動轉(zhuǎn)向時。,,二、提高精度的設(shè)計方法1、有利減少原始誤差的結(jié)構(gòu)設(shè)計措施,2、補償系統(tǒng)誤差,其他減少誤差的設(shè)計方法(自學),誤差均化利用誤差傳動規(guī)律合理配置精度選擇較好的近似機構(gòu)采用有利于施工的結(jié)構(gòu)等,

13、67;6-5結(jié)構(gòu)設(shè)計中的工藝問題,一、機械加工的工藝性（按零件結(jié)構(gòu)力求簡單等四個原則）1．零件結(jié)構(gòu)力求簡單2．便于加工3．便于裝卡4．提高切削效率,零件加工工藝性舉例：,零件加工工藝性舉例：,,二、零件裝配的工藝性,機器的裝配工藝性要求機器結(jié)構(gòu)在裝配過程中，使相互聯(lián)接的零部件不用或少用修配和機械加工，就能按要求順利地、花比較少的勞動量裝配起來并達到規(guī)定的裝配精度。裝配對零部件結(jié)構(gòu)工藝性的要求，主要是使裝配周期最短、勞

14、動量最少、而且操作方便容易達到裝配精度要求。為此，應(yīng)考慮以下幾個方面（1）將結(jié)構(gòu)分拆成若干個獨立的裝配單元為了多快好省地裝配機器，必須最大限度縮短裝配周期，而把機器分成若干個裝配單元是縮短裝配周期的基本措施。,將機器分拆成若干獨立裝配單元，除上述優(yōu)點外，還有：1）便于部件規(guī)格化、系列化和標準化，并可減少勞動量，提高裝配生產(chǎn)率和降低成本。2）有利于機器質(zhì)量不斷的改進和提高。這對重型機器尤為重要，因為它們壽命周

15、期較長，不會輕易報廢。隨著科學技術(shù)進步和要求的不斷提高，經(jīng)常在使用過程中需加以改進。若機器具有獨立裝配單元，則改進起來很方便。3）便于協(xié)作生產(chǎn)?？捎筛鲗I(yè)工廠分別生產(chǎn)獨立單元，然后再集中進行裝配。4）給重型機械包裝運輸帶來很大方便。5）裝配工作中，可在組織平行裝配作業(yè)基礎(chǔ)上安排流水作業(yè)生產(chǎn)。6）各獨立裝配單元可預(yù)先進行調(diào)整實驗，各部分以比較完善狀態(tài)進入總裝，有利于保證產(chǎn)品質(zhì)量和總裝順利進行。,（2）盡量減少裝配時

16、的修配和機械加工 裝配時的修配工作，不僅要求技術(shù)高，而且多半是手工操作，既費工又難以確定工作量。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中就應(yīng)考慮到如何將裝配時的修配工作減少到最低限度 （3）盡量使裝配和拆卸方便 設(shè)計機器結(jié)構(gòu)時，必須考慮裝配工作簡單方便。很重要的一點是套件的幾個表面不應(yīng)該是同時地裝入基準零件（如箱體零件）的配合孔中，而應(yīng)該按先后次序，依次裝入。 ,,三、鑄件及焊接件設(shè)計準則1．鑄件的工藝性：便于造型、

17、考慮鑄件冷卻變形、適用于金屬流體流動充滿的原則2.焊接件的工藝性：適用于焊接操作、焊縫受力合理性、防止焊縫被切削的原則,§6-6材料選擇,一、材料選擇的原則1．考慮材料承載能力的原則 根據(jù)工作載荷的性質(zhì)、工作環(huán)境等因素來考慮，力爭做到零件的各個部分的材料都發(fā)揮其承載能力2．考慮材料的工藝性能的原則 （1）性能要求不高的一般零件： 毛坯（鑄鐵或碳鋼）-正火（低、中碳鋼）或退火（中、高碳鋼）-機械加工-零件

18、 （2)性能要求較高的零件： 毛坯-正火或退火-粗加工-最后熱處理（淬火、回火或滲碳處理）-精加工 (3)要求較高的精密零件3．考慮材料經(jīng)濟性的原則,1.軸桿類零件 軸桿零件的結(jié)構(gòu)特點是其軸向尺寸遠比徑向尺寸大。這類零件包括各種傳動軸、機床主軸、絲杠、光杠、曲軸、偏心軸、凸輪軸、連桿、拔叉等。(1)軸的工作條件 其受力情況如下： 1）傳遞扭矩，同時還承受一定的交變彎曲應(yīng)力。 2）軸

19、頸承受較大的摩擦。 3）大多承受一定的過載或沖擊載荷。(2)選材 顯然，作為軸的材料，如選用高分子材料，彈性模量小，剛度不足，極易變形，所以不合適；如用陶瓷材料，則太脆，韌性差，亦不合適。因此，作為重要的軸，幾乎都選用金屬材料。,二、典型零件的選材,多數(shù)情況下，軸桿類零件是各種機械中重要的受力和傳動零件，要求材料具有較高的強度、疲勞極限、塑性與韌性，即要求具有良好的綜合力學性能。因此，這類零件幾乎都采用鍛造成形法，

20、常用中碳鋼和合金鋼材料。中碳鋼中45鋼使用最多，合金鋼中40Cr、40CrNi、20CrMnTi、18Cr2Ni4W等也常用。這些材料一般須經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，以使零件具有較好的綜合力學性能。（3）其制造工藝流程如下： 棒料鍛造→正火或退火→粗加工→調(diào)質(zhì)處理→精加工 在滿足使用要求的前提下，某些具有異截面的軸，如凸輪軸、曲軸等，也常采用QT450-10，QT500-5，QT600-2等球墨鑄鐵毛坯，以降低制造成本。與鍛造成

21、形的鋼軸相比，球墨鑄鐵有良好的減振性、切削加工性及低的缺口敏感性；此外，它還有較高的力學性能，疲勞強度與中碳鋼相近，耐磨性優(yōu)于表面淬火鋼，經(jīng)過熱處理后，還可使其強度硬度韌性有所提高。,因此，對于主要考慮剛度的軸以及主要承受靜載荷的軸，采用鑄造成形的球墨鑄鐵是安全可靠的。目前部分負載較重但沖擊不大的鍛造成形軸已被鑄造成形軸所代替，既滿足了使用性能的要求，又降低了零件的生產(chǎn)成本，取得了良好的經(jīng)濟效益。 對于在高溫或介質(zhì)中使用的軸

22、，可考慮使用具有相應(yīng)耐熱、耐磨、耐腐蝕的材料。2.齒輪類零件 齒輪主要是用來傳遞扭矩，有時也用來換檔或改變傳動方向，有的齒輪僅起分度定位作用。齒輪的轉(zhuǎn)速可以相差很大，齒輪的直徑可以從幾毫米到幾米，工作環(huán)境也有很大的差別，因此齒輪的工作條件是復雜的。,,大多數(shù)重要齒輪的受力共同特點是：由于傳遞扭矩，齒輪根部承受較大的交變彎曲應(yīng)力；齒的表面承受較大的接觸應(yīng)力，在工作過程中相互滾動和滑動，表面受到強烈的摩擦和磨損；由于換檔啟動或嚙合

23、不良，輪齒會受到?jīng)_擊。 因此，作為齒輪的材料應(yīng)具有以下主要性能：高的彎曲疲勞強度和高的接觸疲勞強度；齒面有高的硬度和耐磨性；輪齒心部要有足夠的強度和韌性。 顯然，作為齒輪用材料，陶瓷是不合適的，因為其脆性大，不能承受沖擊。絕大多數(shù)情況下有機高分子類材料也是不合適的，其強度硬度太低。,對于傳遞功率大、接觸應(yīng)力大、運轉(zhuǎn)速度高而又受較大沖擊載荷的齒輪，通常選擇低碳鋼或低碳合金鋼，如20Cr、18CrMnTi等制造，并經(jīng)滲碳及

24、滲碳后熱處理，最終表面硬度要求為56～62HRC。屬于這類齒輪的一般有精密機床的主軸傳動齒輪走刀齒輪和變速箱的高速齒輪。 其制造工藝流程如下： 棒料鐓粗→正火或退火→機械加工成形→滲碳或碳氮共滲→淬火加低溫回火。 對于小功率齒輪，通常選擇中碳鋼，并經(jīng)表面淬火和低溫回火，最終表面硬度要求為45～50HRC或52～58HRC。屬于這類齒輪的，通常是機床的變速齒輪。其中硬度較低的，用于運轉(zhuǎn)速度較低的齒輪；硬度較高的，用于

25、運轉(zhuǎn)速度較高的齒輪。,在一些受力不大或無潤滑條件下工作的齒輪，可選用塑料（如尼龍、聚碳酸脂等）來制造。一些低應(yīng)力、低沖擊載荷條件下工作的齒輪，可用HT250、HT300、HT350、QT600-3、QT700-2等材料來制造。較為重要的齒輪，一般都用合金鋼制造。 具體選用哪種材料，應(yīng)按照齒輪的工作條件而定。首先，要考慮所受載荷的性質(zhì)和大小、傳動速度、精度要求等；其次，也應(yīng)考慮材料的成形及機加工工藝性、生產(chǎn)批量、結(jié)構(gòu)尺寸、齒輪重

26、量、原料供應(yīng)的難易和經(jīng)濟效果等因素。此外，在選擇齒輪材料時還應(yīng)考慮以下3點：,,1)應(yīng)根據(jù)齒輪的模數(shù)、斷面尺寸、齒面和心部要求的硬度及強韌性，選擇淬透性相適應(yīng)的鋼號。鋼的淬透性低了，則齒輪的強度達不到要求；淬透性太高，會使淬火應(yīng)力和變形增大，材料價格也較高。2)某些高速、重載的齒輪，為避免齒面咬合，配合的齒輪應(yīng)選用不同材料制造。3)在齒輪副中，小齒輪的齒根較薄，而受載次數(shù)較多。因此，小齒輪的強度硬度應(yīng)比大齒輪高，即材料較好，以利于兩

27、者磨損均勻，受損程度及使用壽命較為接近。,,3.海水中使用的水泵葉輪和水泵軸的選材 由于海水對材料的腐蝕作用較大，在海水中使用的材料必須考慮材料的耐蝕性問題。在淡水中能夠使用的3Cr13或4Cr13馬氏體不銹鋼，而它們在海水中就不耐腐蝕。 對于水泵葉輪，主要考慮材料的耐腐蝕性即可，根據(jù)有關(guān)手冊，可選用含鉬奧氏體不銹鋼，如1Cr18Ni12Mo2Ti、 0Cr17Ni12Mo2。而對于泵軸，由于其的負荷較大，要求軸頸處有高

28、的硬度和耐磨性，奧氏體不銹鋼就不宜選用，Cr13型馬氏體不銹鋼的強韌性和耐磨性好，但耐蝕性較差，也不理想。,,如選用奧氏體不銹鋼，并在軸頸部位進行滲氮處理，提高其硬度和耐磨性，即可滿足軸的性能要求，但工藝較復雜。選用沉淀硬化型不銹鋼，強韌性好，硬度為40HRC左右，基本上可滿足耐磨性的要求，同時在海水中使用也具有良好的耐蝕性，是比較理想的材料。4.箱體類零件 箱體是工程中重要的一類零件，如工程中所用的床頭箱，變速箱，進給箱，溜

29、板箱，內(nèi)燃機的缸體等，都是箱體類零件。由于箱體類零件結(jié)構(gòu)復雜，外形和內(nèi)腔結(jié)構(gòu)較多，難以采用別的成形方法，幾乎都是采用鑄造方法成形。所用的材料均為鑄造材料。,,對受力較大、要求高強度、受較大沖擊的箱體，一般選用鑄鋼；對受力不大，或主要是承受靜力，不受沖擊的箱體可選用灰鑄鐵，如該零件在服役時與其它部件發(fā)生相對運動，其間有磨擦，磨損發(fā)生，可選用珠光體基體的灰鑄鐵；對受力不大、要求重量輕或?qū)嵝院玫南潴w，可選用鋁合金制造；對受力很小的箱體，還可

30、考慮選用工程塑料?？傊潴w類零件的選材較多，主要是根據(jù)負荷情況考慮選材。 對于大多數(shù)大箱體類零件，都要在相應(yīng)的熱處理后使用。如選用鑄鋼材質(zhì)，為了消除粗晶組織，偏析及鑄造應(yīng)力，對應(yīng)進行完全退火或正火；對鑄鐵，一般要進行應(yīng)力退火；對鋁合金應(yīng)根據(jù)成分不同，時行退火或淬火時效等處理。,課程總結(jié)：,第一章：介紹機械設(shè)計學的發(fā)展歷史和主要內(nèi)容；第二章：針對典型及其的結(jié)構(gòu)及運動進行了分析；第三章：機械系統(tǒng)的功能原理設(shè)計的基本內(nèi)容；第四章