机械结构设计.docx

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机械结构设计

第一章壳体箱体结构设计

1．1概述1．1．1壳体箱体的功能与作用

（一）壳体箱体

（二）

壳体：

从产品构造有构造特点上习惯的一种称谓，它具有包容内部组成部件，且厚度较薄的特征。

如：

电视机机壳、手机壳等。

相比更多的是从零部件功能和结构方面的，具有包容等功能，且相对封闭。

箱体：

尽管两者的材料不同和构造不同，但是其功能和作用大致类似。

如：

照相机的功能：

1容纳包容的功能。

2定位和支撑

3防护保护

4其他

1．1．2壳体箱体结构特点和设计要求

（一）按照零部件的定位是固定的零部件和运动的零部件在结构上需要有不同的考虑。

（二）要便于拆装，为了便于拆、装、修、护壳，箱体都设计成粉体结构。

个零部件通过螺丝锁扣等，进行连接。

耐用的拆装结构。

如：

塑壳上嵌金属的螺纹件。

要快速拆装结构。

如：

塑壳上的弹性螺扣。

无需拆装的结构。

如：

小型电产品。

材料加工生产方式：

因批量大小，和成品因素，决定了加工成产方式，进而决定了壳体箱体的结构设计，铸造件的结构冲压、模塑。

（三）装饰造型

根据产品的功能构造材料加工生产方式来进行考虑。

如：

相机的调焦环调焦表面的纹饰机身皮质的贴面。

装饰作用和防滑作用，材料与加工方本式对外形有很大影响。

塑壳比冲压造型变化大。

1．1．3壳体箱体的设计准则与程序

壳体箱体的结构设计:

首先保证壳体箱体的刚度、强度、稳固性和加工性,需要时还要进行相应的理论计算和实验。

刚度问题：

能构承受越大载荷，作为支撑和其他零部件壳体箱体。

如：

电度箱变速箱等。

强度问题：

要考虑壳体箱体防护性和保护性进行设计。

稳定性：

收拾等结构存在的问题，特别是薄壁的附件存在的局部失稳，必须校和。

加工性：

铸造铸塑要考虑液体的流动性和填充性，脱膜冲压件应考虑它的延展性和加深性。

程序

1．要初步确定形状主结构和尺寸。

2．常规的计算。

3．要做静动态分析：

模型与实物的试验或优化设计。

4．造型的公益性和经济性分析。

5．关于详细的结构特点。

1．2铸造壳箱体

主要是金属材料的铸造，使将熔融的金属烧纹压膜或吸入纹形的型腔冷凝,

固后获得一定的性能的零件或毛丕的金属成形工艺。

铸造外壳的构件：

常用于对刚度强度有较高要求及造型于内部结构较复杂的产品。

1．2．1铸造壳体箱体的特点：

优点：

1．它有较高的刚强度。

2．造型适应力强。

3．表面粗糙，尺寸精度比较低。

4．封闭性好，它可广泛用于气体，液体的传输和密壁产品的构件。

（发动机钢底）

5．工艺的灵活性较大，成本低。

6．其他

缺点：

1．铸造组织的晶粒粗大，铸件内部常有缩孔还有砂眼缺陷。

2．力学性能一般不如锻件。

3．铸造工艺过程中，工作条件较差，劳动强度较大。

1．2．2铸造壳体箱体常用材料

铸铁（生铁）：

铸铁的流动性比较好，铸铁的体收缩和线收缩比较小，在铸造中加入少量的合金元素，可以提高它的耐磨性。

铸造的壁厚如果厚，力学性能显著下降，不宜设计成很厚的铸体。

常用铸铁：

灰铸铁、对墨铸铁、蠕墨铸铁、可锻铸铁等。

铸造碳钢：

铸造的熔点高，流动性差，收缩率大，吸震性低于铸铁,弹性的模量比较大。

优点：

铸钢的综合力学性能高于各种铸铁，不仅强度高，而且具有优良的塑性和韧性，此外铸铁的焊接性好，可实现铁焊结合。

铸钢件的晶粒粗大，组织不均怯常存在残余的内应，致使铸件的强度特别是塑性和耐性也存在着一定的问题。

铸件必须进行热处理。

铝合金：

纯铅强度低、硬度小，因此产品壳件厂用铝合金材料。

铝和一些元素形成铸铝合金，密度小。

且大多数可通过热外处理强化，使其具有足够高的强度，较好的塑性，良好的低温韧性，和耐热性良好的机加工性能，使合作各种产品外壳。

常用铸造铝合金：

铝硅合金铝铜合金铝镁合金铝锌合金。

1．2．3铸造工艺流程

1.沙性铸造：

应用最广泛的铸造方法。

首先要根据零件图来设计制作出模型及其他的工装设备，用模型、砂箱、型砂等制作沙型。

然后把熔炼好的金属也浇入型腔，金塑液凝固冷却后可以把砂型破坏，取出铸件检验清理。

（即获得所需的部件）

沙性铸造可分为手工单件铸造和机械批量铸造。

特点：

砂型铸造具有适应性强，生产简单等优点，广泛应用于制造业，但砂型铸造生产的铸件精度较低，表面粗糙内在质量较差，且生产过程较复杂。

2.熔模铸造：

熔模铸造用蜡料制成模型，然后在铸模表面涂覆耐火材料，硬化干燥后，将蜡模熔去，从而得到与蜡模相应的型腔壳，然后进行浇注获得铸件的方法。

特点：

（1）铸件的精度及表面质量高。

（2）能够铸造各种的形状合金铸件。

（3）生产批量不受限制。

（4）铸件的重量不宜太大。

熔模工艺过程较复杂，且不易控制。

使用的材料较贵，适用生产形状复杂、精度要求较高或进行机械加工的小零件。

3．金属型铸造：

用铸造制成的铸型型腔，进行浇注获得铸件的铸造方法。

金属型可反复多次使用，铸型常用铸铁制成，也可以采用钢材制作。

特点：

（1）“一应多用”

（2）铸件的力学性能提高（3）精度及表面质量高，加工量大（4）金属型的制造成本高，周期长

金属性铸造主要适用于大批量生产有色合金铸件。

4．压力铸造：

在高压下，使液态或半液态的金属，以较高的速度填入铸型的型腔，并在压力的作用下，凝固而获得铸件的方法。

优点：

（1）铸件尺寸精度，表面质量高

（2）铸件强度和表面的密度比较高

（3）可以铸造形态复杂的薄壁铸件

（4）生产效率高

缺点：

（1）设备投资大，制作压型成本高

（2）压铸高熔合金时，压型的寿命底

适用于中小型低熔点的锌、铝、镁、铜等有色金属。

5。

离心铸造：

将液态合金浇入高速旋转的铸型中，使金属在离心力的作用下填充铸型。

离心铸造的铸型由金属型和沙型两种，一般采用金属型离心铸造。

特点：

1）工艺过程简单。

2）离心铸造，它的组织过密。

3）铸造合金的种类不限。

4）表面质量差，孔的尺寸不易控制。

适用于做铸铁管、港涛等中空件。

1．2．4壳体箱体的结构设计

1．2．5铸造零件的处理加工（解决零件的内应力问题）

消除内力的方法：

1．材料放一段时间，自动消除。

2．人工式处理，人工处理和将铸件缓慢降至500至600摄氏度。

3．机械振动法，将机械振机卡在铸件上，让其震动，需7分钟。

1．3焊接壳体箱体

焊接也是制造壳体箱体的一种方法，主要用于金属薄板外壳。

一般采用机加工或压力加工预制件，然后焊接组装外壳薄壁的预制件，常采用压力加工的方法。

焊接的方法主要用于金属钢板的外壳加工处理，也适用于有色金属，及其金属外壳。

1．3．1焊接壳体箱体的特点

优点：

1．适用范围广。

2。

使用灵活。

3。

周期短4。

强度高

缺点：

1。

造型较差2。

加工密度低3。

局部质量差4。

造型成品变形

1．3．2焊接的方法与适用场合

焊接的方法很多，常用的电弧焊：

利用电弧作为热源的熔焊方法称为弧焊。

有：

受供电弧焊、埋弧身动焊、气体保护焊。

电阻焊：

是利用电流通过工件及焊接接触面之间所产生的电阻面，就是说江汉界面加热到局部熔化的状态再施加压力，形成焊接接头的方式。

分别：

电焊、缝焊、相对焊。

1．3．3焊接壳体箱体的设计

1．焊接结构材料的选择，应选含碳量底的钢和合金钢作为合金材料。

如果大批量生产形状复杂的薄壁焊接结构时，尽量设计成冲压、焊接、组合的结构。

2．焊接方法的选择：

根据选择的焊接性，工作的厚度，焊接方法的使用范围和设备条件综合考虑，比如：

对比焊接良好的低碳钢，中等源度（10—20毫米）采用手工电工焊，埋弧自动焊，气体保护焊，氩弧焊（成本高一般不采用）对于薄板轻结构。

无密封要求的时候，可优先考虑生产率较高的电焊，对于合金钢不锈钢等重要工件，应采用氩弧焊以保证焊接质量，铝合金也优先考虑氩弧焊。

3．焊接接头的工艺设计：

焊接接头以坡口形式的选择，应接根据焊接结构的形状尺寸材料强度要求，焊接方法及焊接难易度等，都要考虑来决定工艺设计。

手工电接焊有几种：

对接、角接、T形接、搭接。

在焊件较厚的情况下要注意坡口问题，如下：

一型，V型，U型，X型

四种接口，用的焊接厚度不同：

一型（1—6毫米）V型（3—26厘米）U型（20—60厘米）X型（12—60厘米）

焊缝物质的原则：

1。

便于施焊（024页，图1—33）2。

有利于减少焊接应力易变形。

尽管选择板责越大，简化焊接密度，减少焊缝数量3。

避开最大应力区（转角处）4。

避开或远离机械加工面。

1．4充压壳体箱体

冲压是利用冲模子压力机上对板料施加压力。

使其变形或分离，获得一定形状尺寸的零件的加工方式。

板料冲压通常在常温下进行，又称冷冲压。

当班厚达于8—10cm时，采用热冲压。

冲压属于压力加工的一种，是工业产品金属外壳的一种主要加工形式，广泛用于汽车、电器等制造行业。

1．4．1冲压课题的特点

优点：

1）生产率高，操作简单2）产品质量好3）材料利用率高4）造型能力强

缺点：

1）制模复杂2）成本高3）一个模型一个模4）大批量的生产可使用，但成本高。

小批量生产不可行

1．4．2冲压工艺与模具

冲压设备主要有剪床和冲床两大类

冲压模居按冲床的每一次冲程完成工序的多少可分为简单冲模、连续冲模既复合冲模。

1．4．3冲模零件的设计

1．5注塑壳体箱体

1．5．1注塑壳体箱体的特点

1）生产周期短，效率高2）可使用材料丰富，实用性较强3）产品质量高，质量好，一致性好，呼唤性好，成本低4）造型能力强，可生产结构复杂的产品5）功能性和装饰性结合得比较好6）不适于单件和小件的生产，强度、表面硬度较低，抗击耐磨性差，细小结构外损。

1．5．2铸苏的工艺与模具

1．热塑性塑料它在注塑机上，将熔熔的塑料注入到闭合的模具新形箱内，并且古画而得到的各种塑料制品的方法。

2．注塑器加热作用1）热力使及达得熔熔状态。

2）对融融的塑料施加压力，使其射出，并充满。

3．注塑制品：

模具的分合存有毛边需要修整需要后处理，润湿处理。

1．5．3注塑壳体箱体设计

因考虑产品要求，产品外观造型，注塑材料，各功能局部生产加工条件成本。

第二章连接与固定结构设计

2．1概述

连接与固定是产品中常用的重要结构，构成产品的各功能部件，需要以各种方式连接或固定在一起形成整体，完成产品的设计功能。

连接与固定在功能上不同，有些连接结构同时也起到固定作用，称固定连接。

有些连接结构允许相连接的部件以一定方式在一定范围内运动，称活动连接。

固定结构的重要功能是固定部件。

2．1．1连捷与固定结构的功能与种类

1．不可拆固定连接（如：

焊接、铰接、铆接等）

2．可拆卸固定连接（如;螺纹连接等）

3．活动连接（如：

转动、移动和柔性连接）

4．固定连接（如：

锁扣）

2．1．2连接与固定结构的设计要求

1．不可拆固定连接要求达到一定程度，封闭的结构间要达到一定的封闭要求。

2．可拆固定连接要保护重要文件部分，在拆卸中不被破坏，连接结构应不宜松动失效。

常拆卸的固定连接应考虑拆卸的方便快捷。

3．活动连接主要考虑工作的稳定性和使用寿命。

4．固定结构主要考虑工作的可靠性开启的方便性。

2．2固定的连接结构设计

2．2．1不可固定连接：

焊接是不可拆卸固定连接的主要形式之一，主要用于金属的连接。

铆接是在被连接的部件上打适当的铆，穿上铆钉通过打击、挤压等外历使其变形轧机端面，从而将连接件固定在一起。

铰接也是不可拆的一种方式，铰接是用铰接剂将被连接件连接在一起的过程，其特点

优点：

1）应力部分均匀2）整个铰接面都能承受载荷3）减轻结构分量4）密封、绝缘、隔热、防潮、减震5）可连接各种相同或不同的材料6）工艺简单，生产效率高，广泛用于电器玩具等。

缺点：

1）强度不如其他形式，耐高低温性能较差，常用的胶粘剂有环氧树脂的胶粘剂，粉尘树脂胶剂、聚氨酯胶粘剂。

接头的形式：

对接、斜接、搭接、套接、锁接、复合接。

2．2．2可拆的固定连接

1．螺纹连接：

螺柱、螺栓、螺钉、螺母。

2．销连接：

各种销子插入被连接不见的连接部位，从而实现零件连接固定是定位的一种连接方式。

3．键连接：

键主要是用于轴和轴上零件的用键

2．2．3易拆装固定连接

1．过盈配合连接：

主要是用于轴和空的连接，轴比孔径略大通过连接面的摩擦力。

传递抵抗扭曲，光是靠冲击力，折卸是热胀冷缩。

2．弹性变形连接：

利用连接件整体式局部的弹性变形实现结构部件之间的连接与固定。

3．管箍连接：

常用于要求拆装方便的管道连接的场合多用于软管，常见的管箍。

2．3活动连接结构设计

2．3．1种类

常用的是单运动自由度连接结构，。

即移动或转动。

常用的是多运动自由连接可有单运动自由度连接组合来获得。

但自由转动连接其构件围绕一级轨旋转式摆动，连接的结构必须是用一个固定的轨，如：

车把，车轮。

单自由度移动连接其构件沿一条固定轨迹运动，其轨迹可以使空间的平面或平面的曲线，最常用的轨迹是直线，如：

抽屉的轨迹，手机滑盖的导轨，天线的伸缩结构，发动机的活塞钢体螺旋运动是一种比较特殊的单自由度运动。

2．3．2转动连接结构设计

转动连接结构设计的核心和关键是转动轨的相关结构设计其形式有多种，如果按轴考虑，可分为流动和滑动，流动轴承连接摩擦小，承载能力强，工作稳定可靠。

滑动承轴式转动连接的重要的常用的一种方式，使用场所：

门、窗、钳子、翻盖手机及发动机的轴。

2．3．3移动连接结构设计

核心和关键是滑动的导轨，部件在导轨上的安装固定及相关结构集体形式

1）简单的直线移动结构。

2）在装有滚轮轴承的直线移动连接结构。

3）增强摩擦阻力的移动结构。

4）双轨道移动结构，可增加易懂的可靠性（图2—66），5）采用夹持导轨结构的移动导轨。

（图2—65）6）借助丝口同步带导定位保证移动稳定性。

（图2—64）7）车床结构（图2—67）8）起有机设备上的夹轨器（图2—69）9）重力货架上浮动轨道结构（图2—70）

2．3．4柔性连接结构设计

柔性连接结构设计广泛用于各种具有运动的设备中是一种非常重要的运动连接结构。

柔性的连接结构自身连接范围。

钢性联轴器：

较难保证轴间对中性。

柔性联轴器：

允许一定的误差，方便安装调试，常用的有弹性。

弹簧连接是柔性连接的重要和常用的一种形式，一般而言，凡是在结构中利用自己的弹性变形发生作用的零部件都乘坐弹簧原件。

弹簧联连接分为：

螺旋式弹簧、片弹簧、板弹簧、碟形弹簧、龌卷弹簧，橡胶弹簧、空气弹簧；载荷分为：

拉簧、压簧、扭簧、弯曲簧。

弹簧主要用于机械，以表及各种电子电器，弹簧可提供凝紧力，驱动力、自动复位、缓冲减震、测量聚能

2．4固定结构设计

主要用于零部件固定

2．4．1弹性锁扣结构

在塑料构成中设置的一种锁扣结构，利用材料允许的弹性变形来固定其他构件和零部件。

2．4．2插接结构（图2—87）

在需要互相固定的零部件，在相关部件设定相应的插装配合的固定结构。

第三章连续运动结构设计

在运动结构设置是很多工业产品设备的核心结构和实现设计功能的基础的设计装置。

3．1概述

3．1．1常用运动结构的功能与种类

分为执行机构和传动机构。

原动力和运动是通过传动机构传递到执行机构来实现运动目的（见图3—1）自行车

按照运动部件的运动规律特征可分为转动机构，直线、曲线、往复运动机构，简谐运动机构

3．2旋转运动机构

旋转运动是机电产品中常见的运动形式

3．2．1齿轮机构：

通常有两个齿轮构成一组依靠轮齿的啮合和传递转动。

（图3—7）

3．2．2带传动机构：

又称皮带运动，历史经久，结构简单成本低，用于机床，洗衣机等。

3．2．3链转动机构：

有主动链轮，易动链轮和封闭的链条。

（图3—19）

3．2．4摩擦轮传动机构：

采用以一定压力保持互相接触的旋转轮。

依靠接触磨擦力实现有主动轮向从动轮传递转动和扭曲的结构。

（图3—2223）

连接结构问题是产品设计中一个重要的问题。

构成产品的各个功能部件需要以各种方式连接固定在一起形成整体，以完成产品的设计功能。

满足外观造型设计的产品外壳，通常也是由底盖，主体框架等部件组成，需要连接固定形成一个整体。

因此有必要对产品设计中连接结构问题进行探讨。

一、相关名词解释

从产品设计的角度，可以将“连接”解释为部件之间的衔接方式。

“结构”也可以从功能、位置、材料等角度分为支撑结构、折叠结构、箱体结构等。

在这里，我们要研究的连接结构是产品造型中的连接结构。

手机在屏幕和键盘之间采用了不同的连接结构方式，出现了不同的造型和使用方式。

二、连接结构的分类

按照不同的分类标准，连接结构可以分为不同的形式。

按照不同的连接原理，可以分为机械连接结构、粘接和焊接三种连接方式；按照结构的功能和部件的活动空间，可以分为动连接和静连接结构。

如下面二表所示。

机械连接

铆接、螺栓连接、键销连接、弹性卡扣连接等

焊接

利用电能的焊接（电弧焊、埋弧焊、气体保护焊、点焊、激光焊）

利用化学能的焊接（气焊、原子氢能焊接、铸焊等）

利用机械能的焊接（锻焊、冷压焊、爆炸焊、摩擦焊等）

粘接

粘接剂粘接、溶剂粘接等

静连接

不可拆固定连接：

焊接、铆接、粘接等

可拆固定连接：

螺纹连接、销连接、弹性变形连接、锁扣连接、插接等

动连接

柔性连接：

弹簧连接、软轴连接

移动连接：

滑动连接、滚动连接

转动连接