机械结构设计中应考虑的主要问题课件.ppt
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1、机械结构设计中应考虑的主要问题,现代设计与分析研究所何雪浤,现代设计与分析研究所 何雪宏 2002年4月20-28日,主要内容(1),提高强度和刚度的结构设计,提高耐磨性的结构设计,提高精度的结构设计,考虑人机学的结构设计,更多,主要内容(1),考虑发热、腐蚀、噪声等问题的结构设计,设计总体,现代设计与分析研究所 何雪宏 2002年4月20-28日,提高强度和刚度的结构设计(之一),1.载荷分担,机床变速箱外输入轴皮带轮的卸荷结构,为保证主轴1不受弯曲,提高加工精度,将胶带的压力通过轴承和轴承座5传给箱体4,由箱体分担;而带轮3的转矩则通过端盖2的花键传给轴1,故轴1只承担转矩而不承担径向力。
2、,1-传动轴;2-端盖;3-带轮;4-箱体;5-轴承座,现代设计与分析研究所 何雪宏 2002年4月20-28日,提高强度和刚度的结构设计(之二),2.避免悬臂结构或减小悬臂长度,提高强度和刚度的结构设计(之二),(a)伸出轴过长,受力不好,现代设计与分析研究所 何雪宏 2002年4月20-28日,提高强度和刚度的结构设计(之三),3.受振动载荷的零件避免用摩擦力,摩擦传力的结构在振动载荷下容易松脱,宜采用靠零件形状传力的结构。如把联接两板的螺栓由普通螺栓改为铰制孔螺栓(两板受拉力)。,现代设计与分析研究所 何雪宏 2002年4月20-28日,提高强度和刚度的结构设计(之四),4.考虑工作时零
3、件变形对于受力分布的影响,有些零件空载的接触情况与负载后的接触情况不同。如图示齿轮减速箱,负载运转时,由于轴弯曲变形,齿轮接触不良发生偏载。正图中高速级齿轮轴的扭转变形可以补偿弯曲产生的偏载,而误图则不能。,现代设计与分析研究所 何雪宏 2002年4月20-28日,提高强度和刚度的结构设计(之五),5. 受力分布要合理,尽量设计成支持点与受力点一致。图示设备由3足支撑,采用4腿工作台时,台面虽厚,变形仍很大;用3腿工作台,每个腿对准设备的足,台面虽薄,却无变形。,避免或减小应力集中。尖锐缺口、凹槽,螺纹等结构因素,对变应力条件下工作的零件强度有很大影响,应尽量避免,或改善其形状以减小应力集中。
4、可应用有限元、优化、CAD等技术,设计出最优的零件几何形状。,现代设计与分析研究所 何雪宏 2002年4月20-28日,提高强度和刚度的结构设计(之五),5. 受力分布要合理,避免影响强度的局部结构相距太近。图示圆管外壁上有螺纹退刀槽,内壁有镗孔退刀槽,如二者距离太近,对管道强度影响较大,宜分散安排。,可以不传力的中间零部件应尽量避免受力。如齿轮经过轴将转矩传给卷筒,则轴受力较大。改用螺栓直接联接,轴不受转矩,则结构较合理。,现代设计与分析研究所 何雪宏 2002年4月20-28日,提高强度和刚度的结构设计(之五),5. 受力分布要合理,尽量减小作用在地基上的力。地基一般由混凝土制成,承载能力
5、较低,尽可能不要把加力机构的力作用在地基上。如图为一轴承实验台,用油压千斤顶加载,如把千斤顶放在地面上,则地基受力很大。如果把油压千斤顶放在一个用螺栓直接固定在实验台底座上的角形支架上面,则地基不承受油压千斤顶的推力。,现代设计与分析研究所 何雪宏 2002年4月20-28日,提高耐磨性的结构设计(之一、二),1.避免相同材料配成滑动摩擦副,2.润滑剂供应充分,布满工作面,应选择适用的润滑剂和供应方式;设计油沟、油式等使润滑剂能散布到整个工作表面;特别应注意立式轴承和导轨的润滑设计,因为在这种情况下,润滑剂容易流失。图中所示的导轨油槽直通式只用于水平导轨,曲折的油沟才适用于垂直导轨,润滑油可以
6、较好地散布在工作面上。,现代设计与分析研究所 何雪宏 2002年4月20-28日,提高耐磨性的结构设计(之三),3.润滑油箱不能太小,采用循环润滑的设备,都有一个储油箱,此箱应足够大以保证润滑油有足够的冷却时间和沉淀混入油内的杂质,否则润滑油的工作温度将显著升高。此外还应注意油箱的通风和散热。对精度要求高的设备,油箱不宜装在机架内,以免机架受热不均匀产生扭曲变形,使机器精度降低。,现代设计与分析研究所 何雪宏 2002年4月20-28日,提高耐磨性的结构设计(之四),4.滑动轴承不能用接触式油封,毡圈密封、皮圈密封等接触式密封适用于滚动轴承但不适用于滑动轴承。当轴承间隙和磨损量较小时可以考虑采
7、用间隙式或径向曲路密封。这是因为滑动轴承比滚动轴承间隙大,而且当滑动轴承磨损后,轴中心位置有较大变化。,现代设计与分析研究所 何雪宏 2002年4月20-28日,提高耐磨性的结构设计(之五、六、七),5.对易磨损部分应予以保护,6.对易磨损件可以采用自动补偿磨损的结构,7.采用防尘装置防止磨粒磨损,有些气体或液体中混有粉末、颗粒或块状的固体,对零件表面有很强的研磨作用。零件表面与这些介质接触的部分应具有较强的耐磨性,如采用耐磨材料或采用表面堆焊等措施。也可以把某些易磨损部分做成易磨损件,经常更换。,零件磨损后,尺寸发生变化,如不能及时改变其位置,则不能实现原来的功能。,对于在多尘条件下工作的机
8、械应注意防尘和密封,以免异物进入摩擦面,产生磨粒磨损。如链条加防护罩,导轨为防止切屑进入摩擦面产生严重磨损,也应加防护罩。,现代设计与分析研究所 何雪宏 2002年4月20-28日,提高耐磨性的结构设计(之八),8.对于零件的易磨损表面增加一定的磨损裕量,开式齿轮的齿面磨损后,轮齿变薄,齿根弯曲强度降低,不能满足强度要求。因而适当加大齿轮模数(加大10%-15%),以保证齿轮有一定寿命;机床导轨,未使用时如正好平直,使用时则由于磨损,精度不断降低。如做成一定的上凸则可在较长时间内保持精度。,现代设计与分析研究所 何雪宏 2002年4月20-28日,提高精度的结构设计(之一),1.导轨的驱动力作
9、用点,应使两条导轨摩擦力产生的力矩 互相平衡,现代设计与分析研究所 何雪宏 2002年4月20-28日,提高精度的结构设计(之二、三),2.对于要求精度较高的导轨,不宜用少量滚珠支持,由于导轨运动速度是滚动速度的二倍,工作台运动到左右不同位置时,滚珠受力不同,工作台向不同方向倾斜,产生误差。宜增加滚珠数目或采用滚子轴承(滚柱刚度显著大于滚珠而摩擦阻力也较大),3.必须严格限制螺旋轴承的轴向窜动,螺旋轴承的轴向窜动直接影响螺旋的轴向窜动,从而使螺旋机构产生运动误差。对螺旋轴承应有较高的要求。对于受力较小的螺旋,可以用一个钢球支持在螺旋中心,轴向窜动极小。,现代设计与分析研究所 何雪宏 2002年
10、4月20-28日,提高精度的结构设计(之四),4.要求运动精度的减速传动链中,最后一级传动比应该取 最大值,,运动误差为,设三级传动的传动比为,则最后输出的传动系统总误差为:,为最大值时传动系统总误差最小。,现代设计与分析研究所 何雪宏 2002年4月20-28日,提高精度的结构设计(之五),5.避免紧定螺钉影响滚动导轨的精度,要避免扭紧紧定螺钉时引起导轨变形,使导轨工作表面精度降低。把固定部分与导轨支承面部分做成柔性较好的联接,使紧定螺钉产生的变形不影响导轨面的精度。,现代设计与分析研究所 何雪宏 2002年4月20-28日,考虑人机学的结构设计(之一、二),1.合理选定操作姿势,设计者必须
11、正确地决定机器或仪器的操作位置和操作姿势,作为设计的一项基本内容。常见的操作姿势为立或坐。立式容易发力,活动范围较大,但对要求精密观察、读数的工作和活动范围较小的手工操作的装置则以选用坐式为好。,2.设备的工作台高度与人体尺寸比例应采用合理数值,工作台高度不适当容易引起操作者疲劳。根据一般统计,有一系列推荐数值,如站姿用工作台高度为人体高度的10/19,坐姿则为7/17。,现代设计与分析研究所 何雪宏 2002年4月20-28日,考虑人机学的结构设计(之三),3.旋钮大小、形状要合理,旋钮多做成圆形,在圆柱面上常作出齿纹以免转动时打滑。为了用一个旋钮控制多个指示器,可以做成多层旋钮,这样既节省
12、位置,操作也方便。对多层旋钮的各旋钮尺寸应合理安排,以免使用时互相干扰。,现代设计与分析研究所 何雪宏 2002年4月20-28日,考虑人机学的结构设计(之四),4.按键应便于操作,按键在机械中使用很广泛,一般按键尺寸为8-20mm,突出键盘面高度为5-12mm,按动时键上下移动距离为3-6mm,键与键之间的距离最小为0.6mm。按键位置应合理,便于操作,现代设计与分析研究所 何雪宏 2002年4月20-28日,考虑发热、腐蚀、噪声等的结构设计(之一、二),1.避免采用低效率的机械结构,有些机械结构效率低,发热大,不但浪费了能源,而且所发出的热量引起热变形、热应力、润滑油粘度降低等一系列不良后
13、果。因此在传递动力较大的装置中,建议尽量采用齿轮传动,以代替效率较低的蜗杆传动、滑动轴承。,2.润滑油箱尺寸应足够大,对采用循环润滑的机械设备,应采用尺寸足够大的油箱。以保证润滑油在工作后由机械设备排至油箱时,有足够长的在油箱中停留的时间。有的热量可以散出,油中杂质可以沉淀,使润滑油在泵入设备时,有较低的温度,含杂质较少,提高润滑的效果。,现代设计与分析研究所 何雪宏 2002年4月20-28日,考虑发热、腐蚀、噪声等的结构设计(之三),3.分流系统的返回流体要经过冷却,压缩机、鼓风机等为了控制输出介质量,可以采用分流运转,即把一部分输出介质送回机械中去。这部分送回的介质,在再进入机械以前应经
14、过冷却,以免反复压缩介质引起温度升高。,现代设计与分析研究所 何雪宏 2002年4月20-28日,考虑发热、腐蚀、噪声等的结构设计(之四),4.容器内的液体应能排除干净,必须保证容器中的腐蚀性液体能排放干净,在容器中不应该有起阻隔作用的结构,排放液体的孔应该安排在容器的最低处。,现代设计与分析研究所 何雪宏 2002年4月20-28日,考虑发热、腐蚀、噪声等的结构设计(之五),5.对较长的机械零部件,要考虑因温度变化产生尺寸变化时,能自由变形,较长的机械零部件或机械结构,由于温度变化,长度变化较大,必须考虑这部分能自由伸缩。如采用可以自由移动的支座,或可以自由胀缩的管道结构。,现代设计与分析研
15、究所 何雪宏 2002年4月20-28日,考虑发热、腐蚀、噪声等的结构设计(之六),6.热膨胀大的箱体可以在中心支持,图示的两个部件之间用联轴器联接两轴。由于右边部件发热较大,工作时其中心高度变化较大,引起两轴对中误差。可以在中心支持右边部件,以避免由于发热引起的对中误差。,现代设计与分析研究所 何雪宏 2002年4月20-28日,考虑发热、腐蚀、噪声等的结构设计(之七),7.避免易腐蚀的螺钉结构,在露天工作的机械设备,螺纹联接处最容易产生腐蚀。尤其是内六角螺栓头部凹坑易腐蚀,宜令钉头朝下,或加塑料保护盖。,现代设计与分析研究所 何雪宏 2002年4月20-28日,考虑发热、腐蚀、噪声等的结构
16、设计(之八十),8.精密机械的箱体零件内部不宜安排油箱,以免产生热变形,在精密机械的底座等零件内,常有较大的空间。这些空间内不宜安排作为循环润滑的储油箱等之用。因为由于箱内介质发热,会使机座产生变形,特别是产生不均匀的变形,使机器发生扭曲,导致机械精度显著降低。,9.淬硬材料工作温度不能过高,经淬火处理的零件,在高温条件下工作时,零件温度不能超过其回火温度,否则零件表面硬度会降低。要加热屏蔽保护。,10.高速转子必须进行平衡,高速转子的中心偏离回转中心线是产生振动和噪声的重要原因。如磨床砂轮经过平衡以后,不但减小噪声而且提高了加工质量。根据实际经验,必须综合考虑转子与轴承支座整个系统的振动问题
17、,才能使这一问题得到正确的解决。,现代设计与分析研究所 何雪宏 2002年4月20-28日,主要内容(2),焊接结构设计,锻造、冲压结构设计,铸造结构设计,机加工件结构设计,热处理和表面处理件结构设计,更多,主要内容(2),加工工艺,现代设计与分析研究所 何雪宏 2002年4月20-28日,铸造结构设计(之一),1.分型面力求简单,铸造外形应使分型方便。如:三通管各管口最好在一个平面上,图b的结构较合理。弯曲的分型面难于保证尺寸准确,图c改为图d时,分型面为平面,较合理。,现代设计与分析研究所 何雪宏 2002年4月20-28日,铸造结构设计(之二、三),2.铸件表面避免内凹,有内凹的表面在造
18、型时取模困难,考虑起模要求将内凹处结构予以改变,则对铸造合理。,3. 表面凸台尽量集中,为便于铸件上孔的加工,铸件表面常要铸出一些凸台,当凸台的中心距较小时,建议将位置相近的凸台连成一片,连成整体后便于造型。,现代设计与分析研究所 何雪宏 2002年4月20-28日,铸造结构设计(之四、五),4.大型铸件外表面不应有小的突出部分,大型铸件外表面上,不应有薄壁边槽,此部位冷却快,容易造成内应力,而且在清理时容易受伤。,5.改进妨碍起模的结构,铸件侧壁上工艺凸台和工艺搭子、凸缘、肋条等有碍起模,增加造型和造芯的工作量,应尽量避免。,现代设计与分析研究所 何雪宏 2002年4月20-28日,铸造结构
19、设计(之六),6.避免较大又较薄的水平面,薄壁零件,尤其是面积较大的薄壁,不应设计成水平的平面结构。水平平面浇铸时容易造成冷隔或形成气孔、渣眼或夹砂。改为有坡的平面,有利于排出液态金属中的杂质和由于铁液漫流造成的冷隔等缺陷。,现代设计与分析研究所 何雪宏 2002年4月20-28日,铸造结构设计(之七、八),7.采用易于脱芯的结构,8.分型面要尽量少,图示零件为汽笛的剖面图,如用整体铸造则铸件型芯要用金属骨架加强,但由于铸件口很小,清除型芯及芯骨很困难,如采用图示铸焊结构,先铸出主要部分,再焊上一块钢板,则容易加工。但应注意焊接结构不宜用铸铁,应采用铸钢。,铸件应尽量减少分型面,以便于保证尺寸
20、的准确性。如图三箱造型改为两箱造型较合理。,现代设计与分析研究所 何雪宏 2002年4月20-28日,铸造结构设计(之九),9.铸件壁厚力求均匀,均匀的壁厚可以提高铸件的质量,减少铸件中断面厚度大的部分,避免金属聚集以致产生缩孔或缩松。,改变形状,使用加强筋,现代设计与分析研究所 何雪宏 2002年4月20-28日,铸造结构设计(之十),10.合理确定壁厚,内壁厚应小于外壁厚形状较复杂或尺寸较大的铸件,内部壁厚应小于外壁厚。因内壁散热条件较差,所以冷却速度比外壁慢,且当外壁冷却后,内壁不能自由收缩,容易产生内应力或裂纹。,现代设计与分析研究所 何雪宏 2002年4月20-28日,铸造结构设计(
21、之十),10.合理确定壁厚,铸件壁厚应逐渐过渡铸件两相邻部位壁厚应该是平稳而圆滑的过渡,要使厚壁的截面逐渐过渡到薄壁的截面,不应有壁厚突变或尖角等。,现代设计与分析研究所 何雪宏 2002年4月20-28日,铸造结构设计(之十一、十二),11.两壁相交时夹角不宜太小,12.铸件结构应有利于清除芯砂,铸件的相邻两壁相交时,特别是小于75的斜向联接,单纯以园角作为过渡不能满足工艺要求,应有一过渡部分。,铸件的孔太小或内腔中有内凹等复杂结构,则不利于清除芯砂,有时甚至无法清除,图中的结构即为不好的结构,若改为图中虚线所示结构则较合理。,现代设计与分析研究所 何雪宏 2002年4月20-28日,铸造结
22、构设计(之十三),13.铸件孔结构设计,铸件的孔边应有凸台铸件的孔周围应该有凸台(尤其是当壁较薄时),以免铸孔边缘产生裂纹,可以在壁的一面或两面设置凸台。,铸件的孔尽可能穿通为了使成型方便或容易安放型芯撑,铸件的孔最好做成穿通的结构。,现代设计与分析研究所 何雪宏 2002年4月20-28日,锻造、冲压结构设计(之一),1.自由锻,自由锻适用于锻造外形简单的零件。自由锻制造的毛坯,大部或全部表面均需经过切削加工才能达到要求。所以,生产效率低,消耗金属较多,劳动强度大,适用于多品种小批量生产。适应性好,采用的设备和工具通用性大,应用广泛。,自由锻零件应避免锥形和楔形自由锻不宜锻出锥形和楔形,设计
23、时应尽量采用平直结构。,现代设计与分析研究所 何雪宏 2002年4月20-28日,锻造、冲压结构设计(之一),相贯形体力求简化自由锻无法锻出几何形体(圆柱、立方体等)表面相贯的复杂相贯形状。如图所时的圆柱体与平板联接的形状比较复杂,采用自由锻比较困难。,自由锻件不应设计复杂的凸台自由锻件很难锻出误图中所示的复杂凸台,应予以简化。,现代设计与分析研究所 何雪宏 2002年4月20-28日,锻造、冲压结构设计(之二),2.模锻,模锻可以获得较复杂的外形,毛坯上有相当一部分表面不需要进行切削加工。与自由锻相比,模锻的尺寸较精确,表面光洁,节省金属而且生产率较高。模锻精度高,加工余量小,多适用于中小型
24、零件。,分模面应为零件最大尺寸切为平面,模锻件形状应对称以便于分模,模锻件应有适当的圆角半径(工艺性),模锻件应便于脱模,现代设计与分析研究所 何雪宏 2002年4月20-28日,锻造、冲压结构设计(之三),3.冲压件,冲压件质量轻,外形适用性较好,生产率高,但成本也较高,适用于大批量生产。,冲压件的局部宽度不宜太窄尺寸过窄的部分不仅凹模难于制造,冲出的工件也难于保证质量。,标注冲压件尺寸时要考虑冲压过程前两种尺寸标注方法不合理,必须将主体冲制弯曲成型后才能冲孔,加工困难。改进后可以在板料冲裁时一并冲出,节省工序,提高效率。,现代设计与分析研究所 何雪宏 2002年4月20-28日,焊接结构设
25、计(之一、二),1.合理设计外形,焊接件应尽量采用直线轮廓,以提高焊接工艺性,并使造型美观。其结构最好能用各种标准的型钢或钢板拼焊而成,其种类和尺寸型号也应尽量少。只有当必要时,才用铸焊结构。,2.减少边角料,用钢板焊制零件时,尽量使所用板料形状规范,以减少下料时产生边角废料。,现代设计与分析研究所 何雪宏 2002年4月20-28日,焊接结构设计(之三、四),3.采用套料剪裁,设计时设法搭配各零件的尺寸,使有些板料可以采用套料剪裁的方法制造,以减少边角料。如图所示,原设计底板冲下的圆板为废料。改进后,可以利用这块圆板制成零件顶部的圆板,废料大为减少。,4.断面转折处不应布置焊缝,一般情况下不
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