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一 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(lèi)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,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。
二 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)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
三 機(jī)械結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)要素和設(shè)計(jì)方法
3.1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。
3.2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(lèi)。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(lèi)。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(chē)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(jiàn)圖5.1。
3.3 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(lèi)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)原則。
如:鋼材受拉和受壓時(shí)的力學(xué)特性基本相同,因此鋼梁結(jié)構(gòu)多為對(duì)稱結(jié)構(gòu)。鑄鐵材料的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于抗拉強(qiáng)度,因此承受彎矩的鑄鐵結(jié)構(gòu)截面多為非對(duì)稱形狀,以使承載時(shí)最大壓應(yīng)力大于最大拉應(yīng)力,圖示5.2為兩種鑄鐵支架比較。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中通常通過(guò)加大截面尺寸的方法增大結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度,但是鑄造結(jié)構(gòu)中如果壁厚過(guò)大則很難保證鑄造質(zhì)量,所以鑄造結(jié)構(gòu)通常通過(guò)加筋板和隔板的方法加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度。塑料材料由于剛度差,成型后的冷卻不均勻造成的內(nèi)應(yīng)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(duì)于需要熱處理加工的零件,在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)的要求有如下幾點(diǎn):(1)零件的幾何形狀應(yīng)力求簡(jiǎn)單、對(duì)稱,理想的形狀為球形。(2)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(guò)大,大小截面冷卻不均,必然形成內(nèi)應(yīng)力。(3)避免銳邊尖角結(jié)構(gòu),為了防止銳邊尖角處熔化或過(guò)熱,一般在槽或孔的邊緣上切出2~3mm的倒角。(4)避免厚薄懸殊的截面,厚薄懸殊的截面在淬火冷卻時(shí)易變形,開(kāi)裂的傾向較大。