符合造型、载荷、材料等因素要求的零部件结构设计准则

发布日期:[15-12-26 21:10:48] 浏览人次:[]


符合造型要求的结构设计准则

准  则

造型不合理

造型合理

1.选择合理的表达方式

寻求一种有目的的、合理的表达方式

526

526-1

2.形状统一

(1)应用少的形状立体

526-6

526-7

(2)力求形状与轮廓相似

526-2

526-3

(3)线缝走向合适

526-4

526-5

3.构造总的外形

(1)用可描述的方式安置

526-8

526-10

(2)可分解成清晰的、界限分明的部分

526-9

526-11

4.通过色彩支持

(1)色彩与造型协调

527

527-1

(2)减少色调与材料差别

527-4

527-5

(3)规定与衬色协调的特征色

5.通过图形补充

(1)采用格式相同的字体与符号

527-2

527-3

(2)力求表达一致

527-6

527-7

(3)图形单元在种类、大小与色彩方面与其他部分构形相协调

527-10

527-11


符合载荷要求的结构设计准则

准  则

改进前的设计

改进后的设计

1.铸钢受压应力比受拉应力或扭转应力好

527-12

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2.由于纵向弯曲的原因,钢或塑料受拉比受压好

527-14

527-15

3.力求力流传递路径合理。图a力流在A处急剧转向流经齿轮,致使A处应力很大,产生较大应力集中;图a'力流过渡平缓,应力分布较均匀,不易出现应力集中

527-16

527-17

4.力求力流传递路线长短合理

(1)图a为普通轧机,它有一个高大的工作机架。图a'为无机架轧机,由于没有机架,其应力回线长度比普通轧机大大缩短,这样,整个结构尺寸和零部件尺寸均大大缩小,变形小,刚度增大,提高了轧材轧制精度,节省了材料,因此而得名短应力线轧机

(2)图b'为使力流线长更为合理的实例。这是因为在利用轴的扭转变形部分地改善因轴的弯曲变形而产生的轮齿齿面上载荷不均的程度方面,图b'的齿轮布置优于图b

528

528-1

5.力求载荷分布均匀化

(1)增加结构弹性变形。图a各圈螺纹受力不均,第1圈螺牙受力可为第7圈螺牙受力的十几倍。图b、c、d用降低螺母局部刚度,以增加其弹性变形来达到均载的目的

528-2

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(2)设置载荷均载装置

行星轮系由于制造误差和工作时各构件变形,致使各行星轮间受力不均。为使各行星轮间载荷分配均匀,采用了均载装置(弹性轴,弹性销轴),如图所求。它是通过弹性构件的弹性变形来达到各行星轮均载目的的(图中仅绘出一个行星轮)

528-4

1,3—中心轮;2—行星轮;4—弹性销;5—弹性销轴

图c为某星型高速大马力柴油机曲轴自由端弹性联接结构,曲轴通过弹性轴1驱动辅助机组,通过空心弹性轴2驱动凸轮传动机构。弹性轴两端采用弹性卡圈定位,这种定位,结构使用较多

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1—弹性轴;2—空心弹性轴;3—凸轮轴传动机构的齿轮;4—曲轴;

5—辅助机组传动机构的齿轮;6—定位用弹性卡圈

6.借助力的平衡设计部分地或全部地将某些零部件由于本身结构而伴生的无用力平衡掉

(1)采用对称结构设计。如图a人字齿轮传动,可全部抵消;图b二级圆柱斜齿减速器,可部分抵消,从而减轻该轴及轴承支承上的载荷

(2)设置平衡装置。图c为齿轮泵简图,为平衡液压径向力,在泵壳或侧板上开有液压力平衡槽,将高压油引入低压氏,同时,又将低压油与高压区连通,这样两个齿轮轴上的载荷由于液压力被平衡掉而仅是齿轮啮合力,减轻了轴承上的作用载荷

529-1

7.合理分配载荷。如图采用了卸载结构设计,使轴承座2和输出轴1悬臂段分别只承受单一的径向力和传递单一扭矩,从而大大改善了输出轴的受力条件和蜗轮副的啮合条件

529-2

1—输出轴;2—轴承座

8.避免因离心力而损害收缩接合(过盈联接)

530

530-1

9.避免由于变形产生的内压力造成不密封

530-2

530-3

10.通过增大弹簧长度减小弯曲应力(软弹簧特性)

530-4

530-5

11.力求具有恒定强度(应力)的梁

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530-7

12.避免零件高应力部位的切口

530-8

530-9

13在板带和缆索上通过夹紧部位的阻尼保持小的弯曲交变应力

530-10

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14.利用压力自适性。如图是中部凸起的平带轮,目的是防止平带从带轮轮面脱落下来。平带运动时,一旦出现跑偏,则借助摩擦力将平带拉回到中央,以保持带与轮面的正常接触

531

15.利用速度自适应。如图为汽车后轴差速器传动简图。通过差速器既可实现将驱动轴的转动转化为两个后轮轴的同步转动(汽车直行),同时又可以实现将驱动轴的转动转化成两个后轮的两个不同的转速(汽车转弯行驶,且随弯道曲率半径不同而任意组合),实现汽车两后轮轴转动速度的自适应

531-1

16.改用新轴承,提高可靠性CARB轴承是一种综合了短圆柱滚子轴承、球面滚子轴承和滚针轴承的优点,克服了它们的缺点的一种新型轴承。它可以调节变形、不同心和轴向位移,如图a,b。因此,其承载能力比传统轴承高。它用于轧机定位端(图b),在轧制材料进入辊隙,轴承受到极大撞击时,可以明显降低振动幅度,提高使用寿命

531-2

17.合理地合并为整体。图a所示的齿轮传动,齿轮作用力通过各自的轴承座传给联接螺栓。如果将两个轴承座合并为一个整体,如图b,则整体轴承座承受大部分作用力而且是内力,螺栓受力就小多了

531-3

531-4

18.外力尽量作用在形心位置,避免产生或减小附加力矩。图a所示结构油缸安放位置,油缸驱动力P对立柱将产生附加弯矩(如图b),改成图c,使截面形心外移,可减小附加力矩,但制作易使立柱发生挠曲。如将油缸中心线安放在立柱的对称中心线上,则使立柱受力得到很大改善。但因油缸外移,横梁跨度加大,对横梁的强度和刚度都不利,故应综合分析对比,求得整机结构设计的合理方案

532

532-1


符合公差要求的结构设计准则

准    则

改进前的设计

改进后的设计

1.通过避免双重配合(超确切)来避免小的公差

image001

image003

2.通过弹性元件来避免小的公差和消除间隙配合

图a为通过弹簧

图b是通过在电动机1和减速器3中引入浮动轴2使起升系统的力流长度加长,弹性增加,达到补偿制造和安装误差

533

3.通过采用调整元件避免小公差

image007

4.利用小的绝对尺寸可以得到低成本的小公差

533-2

533-3

5.延伸较小的面比延伸较大的面更能低成本地实现小公差

image013

image015

6.通过减少中间构件的数量(尺寸的数量或“尺寸链的长度”)可以低成本地获得小公差

533-6

533-7


铸钢、铸铁件等及材料相关因素要求的结构设计准则

准   则

改进前的设计

改进后的设计

1.零部件结构形状和受力应与材料特性相适应;铸钢受压比受拉更好,钢和塑料则相反,受拉比受压好些(纵向弯曲),如图a和图b

534

钢材料结构应以三角桁架代替简支梁,以拉压代替受弯,使承载能力大为提高,如图c'

534-1

534-2

铸铁抗压强度远高于抗拉强度,铸铁支座应设计成图d'

534-3

534-4

2.重要的轴类不能用圆棒车出(图a),必须锻制。而且锻制还应避免缩锻(图b,但比图a好),因为缩锻会使料中的轧丝破坏或容易破坏。在可能情况下,应尽量采用伸锻(图c)。重要的齿轮也应用锻制毛坯(图f)制造,而不要采用热轧钢棒(图d)或热轧钢板(图e)来加工

534-5

534-6

3.图a用埋头螺钉固定很薄的铁皮,靠沉头部分支承是不够的,须将下面厚板锪-60°的倒角将铁皮压入,如图a'

534-7

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4.考虑材料膨胀。图a由于轴受热伸长,使轴承间隙减小甚至卡死,不能正常工作。改成图a'后右轴承可随轴伸长而自由窜动,轴的伸长影响工作的稳定性

534-9

534-10

在壳体及法兰盘中,特别是在加热阶梯,温度的差异将引起椭圆变形。若零件不是完全回转对称,应使导轨元件设在对称线上,以防导轨卡死。图b导向元件安排得不符号膨胀规律,椭圆变形可能引起导轨的卡死。图b'符合膨胀规律的布置形式,导轨位于对称线上,不会产生椭圆变形下的卡死危险

535

535-1

5.考虑材料蠕变。在图a中,材料在圆柱面附近蠕变,受热较快的盖体被限制在中心,同时在y处发生蠕变,盖体无法拆卸。改为图a'后,尽管发生蠕变,也可以毫无损害地拆卸

535-2

535-3

6.考虑腐蚀

(1)应避免潮气或腐蚀液体集中部位,如图a

535-4

535-5

(2)在立式冷却管中的水位线处由于高浓度而形成在气相与液相边界上的腐蚀,如图b。改进后的图b'通过加高水位而加以克服

(3)图c、c'是两种高压气体贮藏器,图c'优于图c。因为,图c'受腐蚀面积仅为图c的1/6;预计10年后腐蚀深度为2mm,从强度看,图c对此腐蚀量决不可忽视,迫使增大壁厚达8mm,而对图形c′来说,2mm腐蚀量对于30mm的壁厚,几乎没有大的影响

(4)图a容器出口支承没有绝缘,由于冷却到露点以下,形成具有强烈电解质性质的冷凝物。在冷凝物与气体的过渡处产生可能导致支承损坏的腐蚀。改进后的图b、图c一边采用绝缘,另一边则采用抗腐蚀性好的材料制成特殊支承,防止了损坏

536

536-1

7.在冲击载荷下,由于热塑性塑料具有蠕变这一不利特性,因此,塑料字头的形状应与钢不同

536-2

8.利用形状记忆合金防止防振橡胶耐久限下降

如图是引擎防振支承装置。它用加入苯乙烯、丁二烯的防振橡胶做成鼓形,而周围用鼓形形状记忆合金做的弹簧缠绕制成。它可把变形抑制在一定的范围内,从而提高耐久性。当环境温度超过预定值时,弹簧半径变小;使橡胶收缩起到抑制(变形)器的作用,故可防止橡胶变形增大,从而阻止其耐久限下降

536-3

9.提高阻尼,改善结构抗振性图a'为机床床身,保留砂芯的新结构由于砂芯的吸振作用,比原结构的阻尼提高了。这时沿Z 轴方向抗弯曲振动能力提高了6.8倍,Y 轴方向抗弯曲振动能力提高了10倍,抗扭转振动能力提高了0.1倍

536-4

536-5


镁合金件合理的结构设计

根据镁合金的腐蚀特征

镁及镁合金的腐蚀类型有全面腐蚀、电偶腐蚀、高温氧化、点蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀开裂和腐蚀疲劳等。其中,电偶腐蚀、应力腐蚀开裂和腐蚀疲劳是镁合金应用中常见的和危害较大的腐蚀类型

由于镁合金中通常含有较多的电极电位较高的组元如重金属等(特别是Fe、Cu、Ni),以及镁及其合金在实际应用中经常与其他高电位金属(如钢等)接触,从而很容易发生电偶腐蚀,因此电偶腐蚀是镁合金腐蚀的基本类型。人们常常忽视镁合金组合件的电偶腐蚀,从而出现灾难性后果,这已成为镁合金结构应用的障碍。通常,镁基体中与阴极相邻的局部区域都会产生严重的腐蚀,阴极可能是外部与镁合金相接触的其他金属,也可能是镁合金内的第二相或杂质。在盐水环境中,通过严格控制杂质含量如Fe、Ni、Cu及Fe-Mn可以减轻内部腐蚀,提高镁合金耐蚀性。镁与不同金属形成电偶是电化学腐蚀电动势的主要外部来源

电偶腐蚀包括阴极、阳极、电解质和导体四个基本环节。其中任何一个环节消失,电偶腐蚀就会停止。因此,可按下表所列措施与方法进行镁合金件的结构设计

设计程序与方法

程序

措施

方法

双金属接头材料择优顺序

消除密封的污损区域,尽量避免湿气与金属直接接触

①选择与镁电化学相容的异种金属,或在镁上镀一层与镁电化学相容的金属

②采用适当的表面处理对镁和异种金属进行保护

③异种金属加绝缘的垫圈或填充填料,避免出现封闭电路

④在密封化合物或底漆中加入铬酸盐,抑制微电池作用

仔细注意结构细节,设计出完整工件,设计合适的排水孔,最小孔径为3.2mm,防止堵塞

顺序

镁-铝

1

2

3

4

5056铝合金(线材和铆钉)

5052铝合金(压延板材)

6061铝合金(挤压材和压延板材)

6053铝合金(挤压材和铆钉)

选择吸附性差、无芯的材料作为与镁接触的材料

测量所用材料的含水量

采用环氧树脂、塑料带和薄膜,用蜡和橡胶保护

尽可能避免使用木头、纸张、纸板、多孔泡沫和海绵状橡皮

保护所有的搭接面

所有的搭接面都采用合适的密封材料,使用底漆

加长连续流体路径以减小电偶腐蚀电流

顺序

镁-钢

采用兼容金属

大多数5000和6000系列铝合金与镁兼容,镁铁连接中有锌钢板、80%Sn-20%Zn、锡或镉

双金属接头材料择优顺序见右栏

1

2

3

4

镀锌

镀80%锡-20%锌

镀锡

镀镉

选择合适的精整方法

根据要求选择化学处理、涂层和电镀,并在安装运行前进行检测

设计注意事项

改进前的设计

改进后的设计

镁合金与镁合金连接

在许多实际使用情况下,镁合金之间的连接,由于同牌号镁合金的成分几乎保持不变,它们之间的电化学腐蚀是非常轻微的。但是,在结合处可能会出现缝隙,聚集腐蚀介质,使镁与镁合金之间产生缝隙腐蚀。因此,在装配时,需要采取一些有效的预防措施:一是在镁合金零件表面采用铬酸盐颜料涂层,或者采用在连接处用封口胶的“湿装配”技术,阻碍水由毛细管作用而进入镁合金表面;二是正确地设计接触面和配套面,如螺栓连接时,螺栓的曲度有助于减少连接的腐蚀问题。另一种保护方式是,在构件组装前涂覆底漆,组装后再涂一层漆。镁与镁装配时的正确方法如图a所示。镁螺栓连接装配件也可以采用此方法

b1d11d5a

镁合金构件与非金属材料连接

镁构件与非金属的组合,虽然连接的大多数非金属材料,如塑料和陶瓷,对镁构件都不会产生电化学腐蚀,但是,镁构件与木材连接时,由于木材有吸水性,木材吸水后内部的天然酸被浸析出来,使镁合金构件长期与酸接触,引起镁构件腐蚀。因此,与镁合金构件接触的木材必须采用油漆或清漆封闭,以防止吸水;并且,在接触面还必须采用镁与镁装配时所用的保护措施,如镁零件表面采用铬酸盐颜料涂层。与镁合金构件连接的碳纤维增强塑料和镁构件与木材的装配一样,在一般的电解液中,镁表面易发生电化学腐蚀,如果不加保护将导致镁的腐蚀。镁合金构件与木材或异种金属连接时正确的保护方法如图b所示

b1d11d5b

镁合金构件与异种金属连接

镁与异种金属装配时,接触金属之间的电位差和工作环境是引起镁腐蚀的主要因素。阻止或减少镁与异种金属之间的接触腐蚀,可以采用以下几种方法

b1d11d5d

采用与镁相容的异种金属

镁与异种金属接触时,材料的电化学相容性尤为重要,异种金属与镁合金的电化学相容性好,可以明显减少构件的电化学腐蚀。高纯度的铝(99.99%)与镁有很好的电化学相容性,但在工业铝合金中,常有铁、铜的存在,会严重破坏这种相容性;此外,在高pH值的水溶液中,铝与镁的接触,会导致铝的腐蚀。常用的与镁相容的异种金属有:铝合金体系(5052、6053、6061、6063)、锌和锌合金体系。这些合金体系可用来制作垫片、衬垫、紧固件和构件。当镁与其他金属,如不锈钢、钛、铜连接时,必须对其他金属进行表面处理,采取防护措施。与镁连接的金属材料,一般遵循下列优选原则

镁合金与铝装配:5056、6061、5052、6053;镁合金与钢装配:镀锌钢、镀锌-锡(80%Sn-20%Zn)合金钢、镀锡钢

镁合金与其他金属的装配:在腐蚀条件下镁都会发生腐蚀,因此都必须采取防护措施。镁合金与异种金属铆接的正确方法如图a、图b所示

隔开异种金属

隔开异种金属,避免腐蚀介质构成回路。通常在异种金属之间使用绝缘的垫圈、填料或防潮膜,使镁与异种金属(如铝或钢)分开。如采用厚度为0.08mm的乙烯树脂胶带或不吸水的橡胶胶带,或者在密封化合物和底漆中加入铬酸盐,避免电解液环境,以抑制电偶腐蚀,如图c所示

表面避免积水

为保证镁零件有良好的腐蚀防护性,装配件连接处合理的设计是非常必要的。首先应尽量避免镁构件表面产生可能聚集水滴的结构,并且考虑排水。为避免缝隙的毛细管作用而吸水,应尽量避免在零件上形成窄的缝隙、缺口或凹槽。此外,在零件上应避免形成尖角以避免材料处于高应力状态。图d和图e分别为镁合金零件结构设计时应注意的问题

填充缝隙,如图f所示,能有效降低电偶腐蚀

盐雾腐蚀环境中异种金属-AZ91D压铸合金装配时的电偶腐蚀情况

电偶腐蚀程度

金属

轻微

高纯铝(10×10-6Fe)、5056铝合金、5052铝合金、6061铝合金、6063铝合金

中等

镀锌+铬酸盐+硅酸盐①

镀80%Sn-20%Zn+铬酸盐①

严重

50%Sn-50%Pb、镀锡①②、镀镉①②、镀锌①②、铅、黄铜、钛

非常严重

碳钢、不锈钢、镍、锌粉/无机胶黏剂/密封剂①、380铸铝

铝粉/无机黏结剂/密封剂①、离子束沉积1100铝(1000×10-6Fe)①

b1d11d5e

① 钢紧固件上有薄膜

② 铬酸盐将提高镀层的相容性

对镁合金和异种金属同时采取保护措施

镁合金与异种金属接触时,用适当的表面处理保护镁和异种金属。通常对异种金属和镁都覆盖一层完整的膜,如图g中的1,可以避免发生电偶腐蚀。但是,如果镁的防护膜破裂,则形成小阳极面积的镁与大阴极面积的异种金属原电池,镁的腐蚀速度显著增加,使镁发生严重的电化学腐蚀,如图g中的2。一般情况下,应尽可能避免这种现象出现。同时,在使用防潮膜时,任何情况下,采用的保护膜必须是抗碱腐蚀的,这样,才能避免因腐蚀而形成强碱性的氢氧化镁所引起膜的破裂。阴极与阳极的面积比对镁合金腐蚀速率的影响见右表

b1d11d5f

镁合金AZ31B-H24与工业纯钛连接的

面积比对腐蚀速率的影响

环境气氛

与暴露时间/d

腐蚀速率/g·m-2·d-1

未配对

AZ31B-H24

阴极与阳极的面积比为1∶6

阴极与阳极的面积比为6∶1

潮湿环境

3

17.4

26.5

88.7

358

0.106

0.171

0.372

715

0.095

0.156

0.235

1087

0.082

0.125

0.207

2563

0.077

0.115

0.204

平均腐蚀速率

0.090

0.142

0.255

城市

环境

368

0.096

0.120

0.148

722

0.101

0.120

0.173

1087

0.096

0.120

0.161

2575

0.078

0.099

0.130

平均腐蚀速率

0.093

0.112

0.153

紧固件的选择

镁合金不宜用作紧固件,而绝大多数镁合金装配件需要用铆钉、螺钉、螺母这类紧固件,因此螺栓组合的设计、紧固件材料的选择对镁在盐水中的应用是非常重要的。一般情况下,非金属材料能完全避免镁合金的电化学腐蚀,可以用作镁合金部件的紧固件和绝缘的垫圈。纯铝几乎能与所有的镁合金相容,含镁、锰、硅的铝合金与镁合金相容性较好,可以用来制作镁合金部件的紧固件,如5×××系铝合金的5056合金铆钉、5052合金垫圈以及6×××系的6061和6053合金铆钉。但铝铆钉在使用前需进行化学处理或阳极氧化处理

对于镀铬钢螺栓,一般采用5052铝合金垫圈。对于钢铆钉、铜铆钉、钢、镍、铝(除5056、6053或6061铝合金以外)或黄铜螺钉与螺栓,在镁合金装配件中使用时,由于其与镁不相容,不能裸露使用,而必须对这些部件先进行镀锡、锌或锡-铅合金,然后再进行化学处理才能使用

对于紧固件与镶嵌件的隔离,可采用特殊的有机涂层,如烘干的乙烯塑料溶胶、环氧树脂和耐高温的氟化烃类树脂涂层

用于镁合金工件的两种拧入式垫圈、尼龙垫圈应用

螺纹垫圈可以压入或热装到镁合金工件上,但拧入式垫圈应用得较多。为了使螺纹孔与垫圈配合更好,可采用一次攻螺纹后再精攻

拧入式垫圈有两种类型,如图h、图i所示。其中一种为管状,螺纹在其外表面,它被拧入到工件的螺纹孔中,这种垫圈可以起到轴承和轴瓦的作用,见图h。螺纹也可攻在里面,从而与螺杆、螺栓或其他螺纹紧固件连接。大螺距可以有效地增加强度,BWS倒角螺纹或类似系列的螺纹可以减小根部应力集中。垫圈与螺栓或螺杆的强度应保证在扭曲过程中后者先失效,而不是垫圈内部的螺纹先剥落。另一种类型是由弹簧线圈精确螺旋而成的螺纹衬套,它用于攻螺纹孔与螺栓、螺钉或螺杆的配合,螺纹与美国标准系列类似,见图i。采用热处理钢质螺栓时,垫圈塞入深度为螺栓直径的2.5倍效果最好。对于盲孔,垫圈厚度应为紧固件直径的3倍

压入式或热装式垫圈的室温过盈不能大于垫圈紧固的极限。应变为0.1%时产生的残余应力很小,一般情况下不会发生问题,其中0.03%的应变已成功应用于生产。同时,应变为0.3%的过盈配合也已得到了应用,但此时产生的残余应力较大,可能导致应力腐蚀开裂,增大镁合金的疲劳破坏倾向。另外,镁合金的热膨胀系数一般比垫圈金属的大,所以在高温下装配可以增加室温过盈,从而使之在高温下保持足够的紧固力

b1d11d5g

镁合金板闪光铆接接头设计形式

闪光铆接可以用于镁合金的连接,其接头设计形式如图k所示。机械沉头孔孔深至少为1.3mm,底部圆柱形台阶的最小高度为0.38mm,以保证与铆钉尺寸匹配

厚1.3mm左右的材料可以采用上连接板攻螺纹的闪光铆接,螺纹孔和铆钉坡口标准张角为100°。攻螺纹前,应先冲好或钻好铆钉孔,且孔径应略小于铆钉直径;攻螺纹时,扩孔到标准尺寸。倒角圆孔将会减小边缘应力集中和接头疲劳破坏。攻螺纹必须在热态下进行,使板局部加热,其范围刚好达到攻螺纹尺寸。如果板材处于H24状态,加热时间应有所限制,以避免局部淬火。例如,AZ31B-H24板材在423K温度下加热5s不会发生淬火效应

b1d11d5h

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