机械零件的结构设计共42页

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§1-3 平面机构的自由度
一、平面机构的自由度计算
机构的自由度：机构中活动构件相对于机架所具有的独立运 动的数目。（与构件数目、运动副的类型和数目有关）
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第一章 平面机构的运动简图及自由度
1.平面机构的组成 2.平面机构自由度及其计算 3.平面机构运动简图及绘制画法 4.平面机构具有确定相对运动的条件
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§1-1 平面机构的组成
平面机构：各构件在同一平面或相互平行的平面内运动 空间机构：各构件不完全在同一平面或相互平行的平面内运动
机械设计基础-朱龙英-01平面机构运 动简图
6
、
露
凝
无
游
氛
，
天
高
风
景
澈
。
7、翩翩新 来燕，双双入我庐 ，先巢故尚在，相 将还旧居。
8
、
吁
嗟
身
后
名
，
于
我
若
浮
烟
。
9、 陶渊 明（ 约 365年 —427年 ），字 元亮， （又 一说名 潜，字 渊明 ）号五 柳先生 ，私 谥“靖 节”， 东晋 末期南 朝宋初 期诗 人、文 学家、 辞赋 家、散
基本要求：➢ 用简单线条表示构件
➢ 作规定符号代表运动副 ➢ 按比例定出运动副的相对位置 ➢ 与原机械具有完全相同的运动特性
（机构示意图：只需表明机构运动传递情况和构造特征，不必 按严格比例所画的图形）
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2、常用构件和运动副的表示方法： （1）构件（杆）：
杆、轴类构件 机架

✓机械装置工作所需的力 ✓零件所受的重力 ✓由于速度波动使零件受到的惯性力 ✓由于做旋转运动使零件受到的离心力 ✓直接接触的零件之间的摩擦力 ✓在介质中运动的零件受到介质的作用力（液压 力、风阻力） ✓对连接结构施加的预紧力(螺纹联接、过盈联接) ✓由于温度变化而产生的附加载荷等
如图6-2所示减速器结 构中，齿轮传动所受到的 力通过轴传递给轴承，其 中的径向力和切向力通过 轴承传递给箱体，轴向力 经轴承传递给端盖，再经 端盖传递给箱体。
例如螺栓和螺母的螺纹工作表面共同设计，滑动轴承与 轴的轴颈表面共同设计，主动齿轮和被动齿轮的齿廓表面 共同设计。
鉴于工作表面对零件工作能力影响的重要 性，因而常用零件工作表面的设计计算方法有 相应的标准(有些属于国家标准)，这些标准所 规定的算法严格、统一、规范。
连接表面
连接表面将各个工作表面连接成为完整形体，并保证 零件的工作表面的形状、尺寸和位置在工作中不被破坏。
如图6—7所示的轴系结构中，轴系工作中会因发热使 轴伸长，轴承端盖与滚动轴承外圈应不接触，否则端盖可 能参与轴向力的传递，使工作状态不明确。
2．简单
➢ 在结构设计中，在同样可以完成功能要求的条件下， 应优先选用结构较简单的方案。
➢ 结构简单体现为结构中包含的零部件数量较少，专用 零部件数量较少，零部件的种类较少，零件的形状简单， 被加工面数量较少，所需加工工序较少，结构的装配关 系较简单。
注意以下几点：
1)如果在某些结构中追求等强会增大成本，则应放弃等强 原理。
例如在滚动轴承轴系结构设计中，同一轴系两端的两个轴承 通常受力不同，如果要求其工作寿命或承载能力相同，就需 要选用不同型号的轴承，这虽然可以降低轴承成本，但是会 增大加工轴承孔的工艺成本，所以应放弃等强原理。

机械零件的结构设计
v 有时有经验的设计工作者，在设计某些零件时， 虽然已经具备进行设计计算的条件，但是，为了 简化计算手续，也常根据有关资料或粗略估计， 直接进行结构设计，然后采用校核计算。
v 由于理论设计是在阐明了材料性能及应力分布 规律的基础上所进行的设计，因而它是比较科学 和先进的方法。它是在大量的感性知识的基础上 总结出来的设计规律。所以，对于一切重要的零 件，都应尽可能地采用理论设计。
机械零件的结构设计
v （3）.模型实验设计---对于一些巨大的、结构复 杂而重要的零件和部件，现有的理论知识尚不足 以进行详尽分析，采用模型实验设计的方法。也 就是说，将初步设计的零件或部件做出模型，经 过实验，再根据实验结果加以修改，这样的过程 叫模型实验设计。这种设计方法是借助于实验来 弥补理论的不足，同时，也消除了经验设计中不 够科学的成分。它用于大型重要的零件或部件。
v 虽然经验设计没有详尽的理论化的科学分析作为 依据，但经验公式的形成，已经具有一定的科学 统计性。因此，具有很大的实用价值。另外，由 于它也是由实践中总结出来的经验关系，因而它 也能经得起实践的考验，在实践中证明是正确的。
机械零件的结构设计
v 通常用于外形复杂、载荷情况不明而目前尚不能 用理论分析的零件设计中。例如，机架、变速箱 体的设计等。经验设计正是用在理论设计薄弱的 地方，并且是理论设计的前身。此外，对一些价 值不高的零件也通常采用经验设计的方法。
其潜力是很大的。每个设计者在设计机器及零件 时，都应千方百计地使所设计的结构在满足使用 及工艺要求的情况下尽可能的少用材料。 v 从零件的结构设计方面节约材料的途径： v ①合理地减小各种零件的尺寸，尤其是传动零件 的外廓尺寸，这是最基本的措施； v ②尽可能地使用薄壁铸件，在不受力的地方以板 材冲压件来代替沉重的铸件；

• 总结词：紧固类零件的结构设计需考虑其与被连接件之间的配合和装配工艺， 以确保连接的可靠性和稳定性。
• 详细描述：在紧固件的结构设计中，应特别注意被连接件的定位和固定，以及 紧固件与其他部件的配合公差。此外，还需考虑紧固件的制造工艺和热处理工 艺对其性能的影响，以确保紧固类零件的质量和性能。
03 机械零部件结构设计的基 本原则
性。
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• 总结词：轮毂类零件的结构设计需考虑其与轴承、键、齿轮等其他机械部件的 配合，以确保整个机械系统的稳定性和可靠性。
• 详细描述：在轮毂的结构设计中，应特别注意轮毂上零件的定位和固定，以及 轮毂与其他部件的配合公差。此外，还需考虑轮毂的加工工艺性和装配过程， 以确保轮毂类零件的质量和性能。
箱体类零件
总结词
详细描述
总结词
详细描述
箱体类零件是机械中重 要的支撑和保护部件， 其结构设计需考虑强度 、刚度和稳定性。
箱体类零件的结构设计 包括确定箱体的形状、 尺寸和材料，以及优化 箱体的结构以降低应力 集中和提高稳定性。此 外，还需考虑箱体与其 他部件的配合和装配工 艺。
箱体类零件的结构设计 需考虑其与轴承、键、 齿轮等其他机械部件的 配合，以确保整个机械 系统的稳定性和可靠性 。
考虑弹簧的疲劳强度和寿命，合理选择弹簧钢丝的材料 和直径。
详细描述
设计合理的弹簧结构和尺寸，以满足安装和固定要求。
考虑弹簧的防锈和防腐问题，合理选择表面处理和涂层 材料。
紧固类零件设计实例
01
总结词：紧固类零件是机械中用于连接和固定各个部件的 零件，其设计需满足强度、刚度、稳定性和工艺性等要求 。
总结词
轴类零件的结构设计需考虑其与轴承、键、齿轮 等其他机械部件的配合，以确保整个机械系统的 稳定性和可靠性。

〔螺栓、V带〕 同一零件中，可在不同部位采用不同材料，分别
承担不同的功能；〔蜗轮〕
5.2.5 常用的构造设计原理
6. 自补偿原理：通过选择系统元件及其在系 统中的配置来自行实现加强功能的相互支持 作用，称为自补偿。
正常情况〔额定载荷〕下：加强功能、减载、 平衡；
紧急情况〔超载〕下：保护、救援； 常见的自补偿原理： 自增强 自平衡
3
设计方案
构造设计
强度设计
三边设计法
4
5 机械构造及造型设计
5.1 机械构造设计原那么
5.2 机械构造分析及常用设计原理
5.3 机械构造设计常用方法 复
5.4 机械构造工艺性设计
习
思
考
题
5
5.1 机械构造设计原那么
5.1.1 机械构造设计的任务 5.1.2 机械构造设计的内容与步骤 5.1.3 机械构造设计的一般原那么
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5.2.4 零件的构造要素
在工构作造局设计部中：，零通常件先上确与定工其作它局零部，件后直确接定联相结关局部部。位。
工作局部主要考虑工作面的形状、尺寸、精度、外表质量等，
联结局而部联结：局把部各主要工考作虑局强度部、联刚结度等起要来求并。使它们 保持各自的位置，因此也常常起到支承作用。 有时，也把用以固定联结的工作局部称为安 装局部。有固定安装和活动安装之分。
增加约束变形附件的构造
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1-主体构件 2-辅助构件
5.2.5 常用的构造设计原理
2. 合理力流原理：力在传递路线上形成力 线，汇成力流〔不中断、沿最短线路通 过〕。
24 中心冲工作时的力流
不同形状的杆件
5.2.5 常用的构造设计原理
2. 合理力流原理：力在传递路线上形成力 线，汇成力流。〔转折处应力求使力流平 缓〕

一、零件图的作用
零件图是制造和检验零件的主要依据，是设计部门提交给消
费部门的重要技术文件，也是停止技术交流的重要资料。
二、零件图的主要内容
1.一组视图
缩小(suōxiǎo)本图
表达零件的内外结构外形(wài xínɡ);
2.完整的尺寸
制造、检验零件所需的全部定形、
定位尺寸;
3.技术要求
加工零件的一些技术要求，如表
⑴ 基本尺寸 设计时选定 的尺寸；
⑵ 实践尺寸 零件完工后 实践测量所的尺寸；
⑶ 极限尺寸 设计时确定 的允许零件尺寸变化范围的 两个界限值。因此极限尺寸 又分为最大极限尺寸和最小 极限尺寸。
第十八页，共43页。
图8-13 公差(gōngchā)的术语及 定义
⑷ 尺寸(chǐ cun)倾
向
尺寸倾向又分上倾向和下倾向： 上倾向=最大极限尺寸-基本尺寸；
外表(wàibiǎo)粗糙度标注例如一、例如二。
第十七页，共43页。
二、极限(jíxiàn) 与配合
1.零件的互换性概念 在已加工的一批零件中，任取一件都能顺利装配运用，并能到达规则的技术要求，零件 具有这种性质就称零件具有互换性。 2.极限与配合的概念 零件的实践加工尺寸是不能够与设计尺寸相对分歧的，因此设计时应允许零件尺寸有一 个变化范围，尺寸在该范围内变化时，相互(xiānghù)结合的零件之间能构成一定的关系 ，并能满足运用要求。这就是〝极限与配合〞的概念。 3.极限与配合术语
CAD机械制图(jī xiè zhì tú)之零件图
2021/11/10
第一页，共43页。
概 述：任何机器或部件都是由许多零件组成的。表达单个零件的
结构外形、尺寸大小及技术要求等外容的图样称为零件图。本 章主要引见零件图的有关内容及其绘制与阅读方法。

机械零件设计概论
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前言 机械零件设计概述
机械零件的强度 机械制造中常用材料及其选择 公差与配合、表面粗糙度和优先数列
机械零件的工艺性及标准化
2
精品资料
• 你怎么称呼老师？ • 如果老师最后没有总结一节课的重点的难点，你
是否会认为老师的教学方法需要改进？ • 你所经历的课堂，是讲座式还是讨论式？ • 教师的教鞭 • “不怕太阳晒，也不怕那风雨狂，只怕先生骂我
非金属材料如塑料、橡胶等 。
一、金属材料
常用金属 材料
铸铁 含碳量>2% 钢 含碳量≤ 2% 铜合金
铁碳合金
1.铸铁：灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、合金铸铁等。
特点：良好的液态流动性，可铸造成形状复杂的零件。较好的减 震性、耐磨性、切削性（指灰铸铁）、成本低廉。
应用：应用范围广。其中灰铸铁最广、球墨铸铁次之。
•当σmax、σmin均维持常数→稳定交变应力 •当σmax和σmin的数值随时间而改变→不稳定的变应力
2.交变应力的特征及典型的交变应力
交变应力－随时间作周期性变化的应力
平均应 m 力 ma2 x： min
应力幅 a： ma2 xmin
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三、变应力下的许用应力
变应力下，零件的损坏形式是疲劳断裂。具有以下特征：
失效形式→ 强度、刚度、振动稳定性、耐磨性、温度等。
准则：根据各种失效形式而定。但常根据一个或几个主要失 效形式确定。
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1、强度准则
失效形式
计算准则
1. 整 体
静应→整体 力 破坏
整体断裂(脆性材料) 过大的残余变形
强
（塑性材料）
B S
静 强
S S 度
度 变应力 →疲劳破坏 →疲劳断裂 (塑、脆性材料)

(2) 改善受力状况
齿轮布置在 远离转矩 输入端
等强度
减少悬臂 长度
(3) 减少应力集中 过渡圆角
(4) 使载荷平衡 合理选择轮齿旋向 减少轴承轴向力
卸载槽
6.自助
(1) 自加强
工作压力 p 升高
密封效果加强
7.利于回用
(1) 零部件拆卸简便 (2) 可用零部件便于整修 (3) 材料容易分离
(2) 自保护
壁厚应均匀 避免两连接壁成锐角
(2) 锻件结构工艺性
自由锻： 将加热坯料放在砧块上锻打
锻件形状应简单、对称、平直
模锻： 将加热坯料放在上下锻模型腔内施压
分模面应为水平面、形状简单、拔模斜度、过渡圆角
(3) 机加工件结构工艺性
退刀槽与 砂轮越程槽
使零件便于装夹
ห้องสมุดไป่ตู้
减少加工面
加工面位于 同一高度
锥度、圆角、孔径 等相同，减少刀具 安装调整
一次装夹完成加工
斜孔采用凸台与 出刀底面，防止 钻头引偏
4.装配
(1) 合理划分装配单元 高速轴系
减速器 中间轴系 低速轴系
(2) 零部件正确安装
准确 定位
避免 过定位
防止 错误 安装
(3) 便于装拆 足够装配空间
板手空间
避免过长配合面
便于装拆
装配简化
5.满足强度要求
(1) 等强度结构
强度差
强度高 费材
1.功能明确 每一功能须有确定的结构来实现
例如：实现定位和定心的功能
采用锥形轴颈
采用圆柱形轴颈和轴肩
毂孔较小
毂孔较大
轴肩不起作用
轴向能定位 定心不准确
2.简单

(3)生产周期短
焊接需要的工装比较简单，焊接组件也常采用现成的板材、型材等 预制件。
(4)强度高
通常认为，焊接组合的连接部位易出现开焊、开裂等现象，事实上
，焊接部位的强度要比组件本体强度高。
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3.1 壳体、箱体结构设计
焊接的主要缺点是造型能力较差，需借助组件的造型；加工精度较 低，需借助一定的工装设备保证或在焊接后进行机加工；焊接部位表面 质量通常较差，需进行后处理；焊接产生一定的内应力，造成成品的变 形。
滑动轴承连接结构在设计上应重点考虑轴承运动间隙、摩擦面的润 滑、连接相关结构的固定及装拆等问题。
轴承的运动间隙取决于运动精度和运动状况要求。间隙大，运动阻 力小、摩擦磨损小、装拆容易，但运动精度、刚度低；间隙小，可达到 较高的运动精度、刚度，但代价是运动阻力大，对润滑条件要求高，运 动摩擦大、易发热。
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3.1 壳体、箱体结构设计
②常规计算。利用材料力学、弹性力学等固体力学理论和计算公式 ，进行强度、刚度和稳定性等方面的校核，修改设计以满足设计要求。
③静动态分析、模型实物试验及优化分析。通常对于复杂和要求高 的产品要进行此步骤，并据此对设计进行修改和优化。
④制造工艺性和经济性分析。 ⑤详细结构设计。 值得指出的是，由于现代计算机技术及相应设计工具的普及应用， 上述设计程序与内容已呈一体化和交叉进行的趋势，即在造型与结构设 计的同时，交叉进行有关计算、校核、分析与优化。 3.1.4不同制造方法的结构特点 1.铸造壳体、箱体 铸造是将熔融金属浇注、压射或吸入铸型型腔，冷却凝固后获得一 定形状和性能的零件或毛坯的金属成型工艺。
③材料及加工、生产方式。产品的功能和使用目的决定了产品外壳 采用的材料，考虑产品的生产批量和成本等因素，又决定了其加工、生 产方式，进而又决定了壳体、箱体的结构设计。如铸造件结构、冲压件 结构、模塑结构在设计上考虑的因素和结构特点是不同的，详见后面的 有关介绍。

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4. 机械零件设计计算的理论基础：
❖ 机械零件设计计算的原则及方法是根据零件的失 效方式决定的。通常零件的失效方式主要为各种 各样的破坏（如脆性断裂、塑性变形、尤其是整 体的或表面的疲劳破坏）和磨损。现在，还没有 以充分的理论为根据而拟订的磨损设计方法。因 而绝大多数零件都是按照强度及疲劳寿命作为设 计基础的。
❖ ①减轻作用力。改变零件
结构形式以降低作用力，
如图5-14所示，改变皮带
轮的结构就可以降低作用
在轴上的弯矩。
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❖ ②改善零件受力及应力状态。其办法： A.长杆尽可能设计成受拉伸载荷，避免压缩载荷。 B.使零件受力对称及均匀，减少偏心力矩的作用。
❖ ③降低应力集中因素，采用圆角及卸载槽等办法。
❖ 影响零件工作寿命的主要因素有：一是零件的磨 损；二是零件材料的疲劳；三是高温时零件材料 的蠕变。
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❖ （4）.工艺性---机械零件要具有良好的工艺性， 是指那些在即定的生产条件下，能用最少的资金 消耗，制造出能满足使用及技术要求的零件。花 钱少、制造容易、满足使用及技术要求是零件工 艺性的三个方面。
❖ （4）.满足其他的特殊要求：如机床有长期保持 精度的要求；对大型机器有便于运输的要求；对 水泵有长期保持性能的要求等。
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2.设计机械零件时应满足的基本要求：
❖ （1）.强度---零件必须具有足够的强度，强度是 设计一切机械零件及机器的最基本的要求。当机 器工作时，零件承受载荷后，即不能发生任何形 式的断裂，也不能出现超过容许限度的残余变形。
❖ （5）.重量小---减轻机械零件和机器的重量有两 方面的好处：一是可以节约材料；二是对运动的 零件，可以减小惯性，减小机器的启动功率。

❖ 式中：F——直杆的剖面面积；
P——直杆校核计算——先根据其他方法，（如按经验、 规范近似地计算）初步定出零件的尺寸及形状， 然后，用理论的方法校核零件危险剖面的安全系 数计算值。这个计算过程叫校核计算。
❖ 校核计算多用于应力分布规律复杂，但又能用材 料力学的公式表示出来的零件设计中，也用于应 力分布规律虽简单，但其计算数据又须在零件尺 寸已知时才能决定的情况下。如轴的设计、弹簧 的设计是这样进行的。
❖ （5）.重量小---减轻机械零件和机器的重量有两 方面的好处：一是可以节约材料；二是对运动的 零件，可以减小惯性，减小机器的启动功率。
3.设计与设计的方法：
❖ 设计---应用正确的基本原理和已有的实践经验来 创造发展新事物或改造旧事物。机器或机械零件 的设计也符合这一概念。常用的设计机械零件的 方法有以下几种：
❖ 有时有经验的设计工作者，在设计某些零件时， 虽然已经具备进行设计计算的条件，但是，为了 简化计算手续，也常根据有关资料或粗略估计， 直接进行结构设计，然后采用校核计算。
❖ 由于理论设计是在阐明了材料性能及应力分布 规律的基础上所进行的设计，因而它是比较科学 和先进的方法。它是在大量的感性知识的基础上 总结出来的设计规律。所以，对于一切重要的零 件，都应尽可能地采用理论设计。
❖ （2）.所设计的机器应能最大限度地满足经济性 的原则：机器的经济性是一个综合的指标，表现 在设计、制造、使用的整个过程中。设计、制造 的经济性表现在设计及制造成本的降低；使用的 经济性表现为高生产率、高效率，维护费用低廉。 因此，在设计时应综合考虑。
❖ （3）.必须特别关心机器操作者的劳动保护：设 计机器时，首先，必须特别注意技术安全问题； 其次，要尽可能地改善操作者的劳动条件；另外， 对机器的外形美观也应注意。