第6章-機(jī)設(shè)學(xué)-機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)）

1、第六章 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)）,§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(jì)的基本原則和原理§6-3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的強(qiáng)度和剛度問題 §6-4支承件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)§6-5結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的工藝問題§6-6材料選擇,,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的任務(wù)： 在功能原理方案設(shè)計(jì)和總體設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，確定機(jī)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(dá)到功能實(shí)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(yùn)動(dòng)和動(dòng)力：牛頭刨床3．成形:工藝過程中，通過工作頭的形狀、運(yùn)動(dòng)方式和作用場(chǎng)，完成對(duì)對(duì)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(dǎo)作用的導(dǎo)軌等。,,,二、結(jié)構(gòu)件的分類 為了設(shè)計(jì)、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(gè)零件都與一個(gè)或幾個(gè)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(gè)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(shí)現(xiàn)的。,,實(shí)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(yùn)動(dòng)相關(guān)：一零件的運(yùn)動(dòng)軌跡與另一零件有關(guān) 如車床中：主軸與導(dǎo)軌之間為位置相關(guān)，刀架與主軸之間為運(yùn)動(dòng)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(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，直接相關(guān)部位必須同時(shí)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(fù)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(jì)的基本原則和原理,一、結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)的基本原則1．明確：對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(jiǎn)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(jì)原理,1．等強(qiáng)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(qiáng)度梁優(yōu)點(diǎn)：,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(qiáng)度相等。2.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。,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(duì)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(dān)多功能、一載體承擔(dān)一種功能、 多載體承擔(dān)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(dān)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(dān)不同的功能,,4、自助原理1）自補(bǔ)償：通過選擇系統(tǒng)元件及其在系統(tǒng)中的配置來自行實(shí)現(xiàn)加強(qiáng)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(qiáng),輔助效應(yīng)與初始效應(yīng)的方向相同時(shí)，總效應(yīng)加強(qiáng),,（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(dá)到平衡或部分平衡狀態(tài)，以克服不利影響。,（3）自保護(hù)：自

8、動(dòng)保護(hù)裝置,5.穩(wěn)定性原理：機(jī)械裝置在工作過程中會(huì)有一些干擾因素，通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)會(huì)使得這些干擾因素出現(xiàn)時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)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(jì)中的強(qiáng)度和剛度問題,一、提高靜強(qiáng)度的設(shè)計(jì)方法1．合理確定截面形狀 空心軸的強(qiáng)度高于實(shí)心軸，同時(shí)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(dāng)要求一定的材料消耗時(shí)，選擇合理的截面形狀可以顯著提高構(gòu)件

9、的強(qiáng)度和剛度；當(dāng)要求一定的強(qiáng)度和剛度時(shí)，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(gè)較大的載荷或復(fù)合載荷分流到不同零件或同一零件的不同部位上，從而達(dá)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(qiáng)化,彈性強(qiáng)化：使構(gòu)件在

10、受工作載荷之前預(yù)受一個(gè)與工作載荷相反的載荷，產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的預(yù)變形，以及一個(gè)與工作應(yīng)力相反的預(yù)應(yīng)力，工作時(shí)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(qiáng)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(gè)與工作應(yīng)力符號(hào)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(jì)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(qiáng)度和剛度的其它問題1．提高疲勞強(qiáng)度和動(dòng)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(dòng)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(qiáng)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?cái)?shù)量,3）以面接觸代替線接觸或點(diǎn)接觸,4.通過預(yù)緊提高接觸

12、剛度,§6-4結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)副間間隙等造成運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)向時(shí)。,,二、提高精度的設(shè)計(jì)方法1、有利減少原始誤差的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)措施,2、補(bǔ)償系統(tǒng)誤差,其他減少誤差的設(shè)計(jì)方法(自學(xué)),誤差均化利用誤差傳動(dòng)規(guī)律合理配置精度選擇較好的近似機(jī)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(jì)中的工藝問題,一、機(jī)械加工的工藝性（按零件結(jié)構(gòu)力求簡(jiǎn)單等四個(gè)原則）1．零件結(jié)構(gòu)力求簡(jiǎn)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(jī)器的裝配工藝性要求機(jī)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(jī)械加工，就能按要求順利地、花比較少的勞動(dòng)量裝配起來并達(dá)到規(guī)定的裝配精度。裝配對(duì)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(dòng)量最少、而且操作方便容易達(dá)到裝配精度要求。為此，應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面（1）將結(jié)構(gòu)分拆成若干個(gè)獨(dú)立的裝配單元為了多快好省地裝配機(jī)器，必須最大限度縮短裝配周期，而把機(jī)器分成若干個(gè)裝配單元是縮短裝配周期的基本措施。,將機(jī)器分拆成若干獨(dú)立裝配單元，除上述優(yōu)點(diǎn)外，還有：1）便于部件規(guī)格化、系列化和標(biāo)準(zhǔn)化，并可減少勞動(dòng)量，提高裝配生產(chǎn)率和降低成本。2）有利于機(jī)器質(zhì)量不斷的改進(jìn)和提高。這對(duì)重型機(jī)器尤為重要，因?yàn)樗鼈儔勖?/p>

15、期較長(zhǎng)，不會(huì)輕易報(bào)廢。隨著科學(xué)技術(shù)進(jìn)步和要求的不斷提高，經(jīng)常在使用過程中需加以改進(jìn)。若機(jī)器具有獨(dú)立裝配單元，則改進(jìn)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(dú)立單元，然后再集中進(jìn)行裝配。4）給重型機(jī)械包裝運(yùn)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(dú)立裝配單元可預(yù)先進(jìn)行調(diào)整實(shí)驗(yàn)，各部分以比較完善狀態(tài)進(jìn)入總裝，有利于保證產(chǎn)品質(zhì)量和總裝順利進(jìn)行。,（2）盡量減少裝配時(shí)

16、的修配和機(jī)械加工 裝配時(shí)的修配工作，不僅要求技術(shù)高，而且多半是手工操作，既費(fèi)工又難以確定工作量。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中就應(yīng)考慮到如何將裝配時(shí)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(jì)機(jī)器結(jié)構(gòu)時(shí)，必須考慮裝配工作簡(jiǎn)單方便。很重要的一點(diǎn)是套件的幾個(gè)表面不應(yīng)該是同時(shí)地裝入基準(zhǔn)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(jì)準(zhǔn)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(dòng)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(zhēng)做到零件的各個(gè)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(jī)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(jì)性的原則,1.軸桿類零件 軸桿零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是其軸向尺寸遠(yuǎn)比徑向尺寸大。這類零件包括各種傳動(dòng)軸、機(jī)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(shí)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(jī)械中重要的受力和傳動(dòng)零件，要求材料具有較高的強(qiáng)度、疲勞極限、塑性與韌性，即要求具有良好的綜合力學(xué)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(xué)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(xué)性能，疲勞強(qiáng)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(qiáng)度硬度韌性有所提高。,因此，對(duì)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(fù)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(jì)效益。 對(duì)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(shí)也用來換檔或改變傳動(dòng)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(fù)雜的。,,大多數(shù)重要齒輪的受力共同特點(diǎn)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(dòng)和滑動(dòng)，表面受到強(qiáng)烈的摩擦和磨損；由于換檔啟動(dòng)或嚙合

23、不良，輪齒會(huì)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(qiáng)度和高的接觸疲勞強(qiáng)度；齒面有高的硬度和耐磨性；輪齒心部要有足夠的強(qiáng)度和韌性。 顯然，作為齒輪用材料，陶瓷是不合適的，因?yàn)槠浯嘈源?，不能承受沖擊。絕大多數(shù)情況下有機(jī)高分子類材料也是不合適的，其強(qiáng)度硬度太低。,對(duì)于傳遞功率大、接觸應(yīng)力大、運(yùn)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(jī)床的主軸傳動(dòng)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(jī)械加工成形→滲碳或碳氮共滲→淬火加低溫回火。 對(duì)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(jī)床的變速齒輪。其中硬度較低的，用于運(yùn)轉(zhuǎn)速度較低的齒輪；硬度較高的，用于

25、運(yùn)轉(zhuǎn)速度較高的齒輪。,在一些受力不大或無潤(rùn)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(dòng)速度、精度要求等；其次，也應(yīng)考慮材料的成形及機(jī)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(jì)效果等因素。此外，在選擇齒輪材料時(shí)還應(yīng)考慮以下3點(diǎn)：,,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(qiáng)韌性，選擇淬透性相適應(yīng)的鋼號(hào)。鋼的淬透性低了，則齒輪的強(qiáng)度達(dá)不到要求；淬透性太高，會(huì)使淬火應(yīng)力和變形增大，材料價(jià)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(qiáng)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(duì)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?cè)诤Ｋ芯筒荒透g。 對(duì)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(cè)，可選用含鉬奧氏體不銹鋼，如1Cr18Ni12Mo2Ti、 0Cr17Ni12Mo2。而對(duì)于泵軸，由于其的負(fù)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(qiáng)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(jìn)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(fù)雜。選用沉淀硬化型不銹鋼，強(qiáng)韌性好，硬度為40HRC左右，基本上可滿足耐磨性的要求，同時(shí)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(jìn)給箱，溜

29、板箱，內(nèi)燃機(jī)的缸體等，都是箱體類零件。由于箱體類零件結(jié)構(gòu)復(fù)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(duì)受力較大、要求高強(qiáng)度、受較大沖擊的箱體，一般選用鑄鋼；對(duì)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(shí)與其它部件發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，其間有磨擦，磨損發(fā)生，可選用珠光體基體的灰鑄鐵；對(duì)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(duì)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(fù)荷情況考慮選材。 對(duì)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(duì)應(yīng)進(jìn)行完全退火或正火；對(duì)鑄鐵，一般要進(jìn)行應(yīng)力退火；對(duì)鋁合金應(yīng)根據(jù)成分不同，時(shí)行退火或淬火時(shí)效等處理。,課程總結(jié)：,第一章：介紹機(jī)械設(shè)計(jì)學(xué)的發(fā)展歷史和主要內(nèi)容；第二章：針對(duì)典型及其的結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了分析；第三章：機(jī)械系統(tǒng)的功能原理設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容；第四章