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【机械设计】机械设计准则,机械设计的这些“套路”你都掌握了吗!

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第一章 标准件设计准则

1.1 标准化的重要性

标准化是现代化大生产的必要条件。现代化大生产是以技术和生产高度社会化为特征的,分工越来越细,企业间的联系与协作协调越来越广泛和密切。标准化是企业间联系与协作协调的工具与手段。它能使企业建立最佳秩序,提供共同语言,能让各企业看到共同的目标与利益;它能对各企业有无偏见的、规范的、权威的约束;它能给各企业带来成功,也能给社会带来巨大效益。标准件一般是指螺钉螺帽、垫圈、弹簧、轴承等等,从广义来说电视机、电机、减速机、电器机柜、电脑、自行车、摩托车等也是标准件产品。标准化的作用正是通过标准件和标准化体系实现的。

1.2 选用标准件的意义

选用标准件可以节省大量设计时间;选用标准件可以节省大量原材料;选用标准件可以节省大量生产工时;选用标准件方便装配和出厂维修;专业化厂家大批量生产的标准件质量更胜一筹。 总之,选用的标准件比例越多节约的资金越多,企业可以把更多的精力用在产品的功能和品质上。

1.3 标准件的分类

1. 从标准件使用材料分:

a.黑金属 – 碳钢合金钢不锈钢

b.有色金属 – 铜合金铝合金鎂合金钛合金

c. 非金属 – 塑料尼龙橡胶岩棉陶瓷

2.从标准件使用功能分:

a.各种螺钉、螺帽、垫圈、销钉、铆钉、键

b.各种弹簧及弹性元件

c.各种密封圈及密封元件

d.各种轴承、丝杠丝母、直线导轨、五金件

e.各种操作件、润滑件

f.各种型材、法兰、管接头

g.各种电脑、减速机、减速器

h.各种刀量卡模具及各种工艺装备

1.4 优选器件准则

建立《优选器件清单》,制定清单中增加物料的控制流程,通过流程控制物料种类和规格。

1.5 标准件种类最少准则

标准件种类不超过__5_种

单一种类中规格不超过_3__种

1.6 非标件慎用准则

自行设计和非标螺钉慎用;

若不可避免,考虑系列产品公用的设计

1.7 相同装配相同标准件准则

相同装配要求用相同的标准件。

1.8 腐蚀环境材料同质准则

在腐蚀性环境下工作的设备,标准件材料与构件材质须相同,如不同,标准件加套管等隔离防护措施,避免腐蚀。

1.9 外部螺钉特征一致准则

外部螺钉型号、颜色一致

1.10 防呆准则

用到的标准件,要么有明显差异,要么完全相同。有明显差异是为了防止装错,完全相同是为了维修过程的互换性。

检查:维修过程重装时,应没有螺钉装错依然能够装上的情况,并分析螺钉装错不会造成事故。

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第二章:薄板件设计准则

2.1 薄板翻边准则

薄板(≤0.8mm)的零件,安装螺钉的孔位应有折边。大的薄板件四周都有折边,如汽车覆盖件、设备外观件、金属门板。

2.2 薄板零件禁攻丝准则

薄板(≤0.8mm)的零件禁止翻边攻丝,可采用压铆螺母或拉铆螺母。

2.3 薄板件判定标准

确认是否有薄板件,判定标准:板厚和其长度相比小得多的钢板,特点是横向抗弯能力差。包括三个加工工艺:

1、下料包括剪切和冲裁。
2、成形包括弯曲、折叠、卷边和深拉。
3、连接包括焊接和粘接。
2.4 形状简单准则 
用直线、圆形等简单形状,便于加工

2.5 节省材料准则

明确了解所选用材料的原材料形状。形状设计考虑加工时的排样,减少下脚料,尤其是批量大时。

解决方法:
1、下料排列方法优化;
2、下脚料再利用。
2.6 足够强度刚度准则
1、尖角刚度不足,用钝角代替。
2、两孔间距不宜太近,避免切割冲孔时的裂纹。
3、细长板条剪裁会产生裂纹,应避免。

2.7 避免粘刀准则

需要冲裁切割部分作如下处理:1留有一定坡度;2切割面连通。

2.8 弯曲棱边垂直切割面准则

切割后的薄板如果需要进行弯曲,弯曲棱需垂直于切割面;不能保证时,应在切割面和弯曲棱边交汇处设计一个r>2倍板厚的圆角。否则会有裂纹的危险。

2.9 平缓弯曲准则

对板材进行弯折时,弯曲半径不宜太小,外侧会出现裂纹,内侧会出现褶皱。

2.10 避免小圆形卷边准则

r>1.5倍的板厚;
不要完全的卷形。
加强刚度,避免棱边划伤。

2.11 槽孔边不弯曲准则

弯曲棱边与槽孔的棱边的距离大于弯曲半径+2倍壁厚的距离;或者让槽孔横跨整个弯曲棱边

2.12 复杂结构组合制造准则

 将超过二(三)道工序的结构件的结构进行分解,分解成只由圆形、直线等组成的简单结构,然后焊接在一起。

2.13 避免直线贯通准则

1、薄板横向弯曲刚度较差,用加压槽的设计避免。
2、并且无压槽区域禁止直线贯通,贯通的低刚度无压槽窄带区域易成为板面弯曲失稳的惯性轴。
3、不规则排列是消除直线贯通的较好方法。
2.14 压槽连通   排列准则
压槽终点是薄弱点,通过连通消除终点为佳
2.15 空间压槽准则
  非单一平面的薄板结构,棱边附近是失稳的薄弱环节,设计压槽不能只在一个平面上设计,需要设计成空间的。
2.16 局部松弛准则
 薄板局部变形受阻碍时,会出现皱折,在皱折附近设几个小的压槽,减少变形阻碍。
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第三章:防腐蚀设计准则

3.1 避免大面积叠焊准则

是否存在大面积的叠焊、缝隙中的残留物可能导致零件生锈。确认腐蚀环境条件:两个不同电化学位势的电极分别是什么?两个电极通过何方式实现电接触?浸泡两电极的电解质是什么?如何形成的?确定是面腐蚀还是点腐蚀如果是面腐蚀,选择增加板的厚度,按照预期设计寿命留出板厚余量。选择其中一种防护层工艺方法:电镀、喷涂、浸渍上漆、渗透、滚压、化学转换等。

3.2 避免间隙腐蚀准则

金属浓度不同,间隙内腐蚀产物经水解化作用酸化,氧气扩散困难,发生间隙腐蚀的可能性大得多,例如支承结构、钢架结构、点焊、单侧焊、容器衬板中。

1、避免间隙结构出现。
2、将间隙密封,使腐蚀性物质无法进入。
3、将狭窄空间设计成较大空间,不停的对流使电解质平衡。

3.3 避免局部微观腐蚀环境准则

1、不同金属是否有电接触?
2、通过加绝缘措施使不同金属没有电接触。
3、有电接触的不同金属,哪是贱金属,哪是贵金属?如有螺栓、螺钉连接的结构。
4、确定贱金属是不是要保护的防腐蚀部件(贱金属充当阳极被腐蚀),如果是则采取系列措施,如果不是,则贵金属是被保护部件,牺牲贱金属(阳极)被腐蚀,保护贵金属(阴极),则不必作技术处理。

5、金属是否被电解质包围。

3.4 防止流体通道淤积原则

结构上保证停车期间,管道中的介质能空干,否则温度下降,残留介质在器壁上浓缩结壳,再启动后壁受热,粘结在器壁上的结壳成为应力裂纹腐蚀源。

3.5 避免大温度和浓度梯度差准则

1、防止大的温度和浓度梯度,否则会引起沉淀物、冷凝物、局部势差。
2、高温度、高浓度也会加速腐蚀过程。
3、局部高温引起结壳,结壳反过来加剧局部过热。
4、局部低温会导致冷凝。

3.6 防止高速流体准则 

常出现在高湍流区;确认结构系统里是否存在高湍流区?
1、结构改进,增大弯管弯曲半径。
2、过滤和离心分离流体,消除固体粒子和气泡。
3、阴极保护或加防腐剂。
4、在危险壁面电镀或加涂层。
5、选择具有坚硬保护层不易腐蚀的材料。

3.7 腐蚀裕度准则

对腐蚀速率较慢、均匀的面腐蚀适用。

腐蚀速率和设备的设计寿命确定壁厚。

3.8 最小比表面积准则

在容积相等的前提下,使受腐蚀的表面最小,比表面积=表面积/体积六面体>正方体>圆柱体>椭圆体>球体

3.9 便利后继措施准则 

不能通过结构措施消除的腐蚀损坏,可设计上为后续更换腐蚀部件或加防护措施提供便利。

1、易于观察腐蚀损坏。

2、易于更换腐蚀严重的构件。

3、易于上涂层,易于电镀。

3.10 良好力学状态准则

1、类似于焊接件里的强度要求设计规范,让焊缝处于较好的受力状态。
2、拉应力会加剧腐蚀。
3、裂纹应力同时存在时,可能产生应力裂纹腐蚀。
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第四章:公差设计准则

4.1 关键配合尺寸的加工要求明确准则

关键配合尺寸的加工是否有。

粗糙度或形位公差的要求。

4.2 同一道工序准则

1、对有平行、同轴、对中等要求的加工面,设计上尽量使这些有位置精度要求的元素在同一道工序中加工。

2、平行、同轴、对中等要求的加工面,只用一道工序解决。

4.3 减少刚体转动位移准则

1、消除刚体位移。
2、减小配合面到传动中心的距离,有转动倾向的配合、减小配合面到转动点的距离。

4.4 避免双重配合准则

4.5最小公称尺寸准则

1、同样加工精度,构件公称尺寸越小,越容易加工;即构件尺寸越小,加工精度越容易提高。
2、使较高配合精度要求的工作面的面积和配合距离尽可能小。

4.6 避免累积误差准则 

 要尽量避免串联尺寸链上的标注方法,非功能性的尺寸可以不标。

4.7 形状简单准则

1.配合面的几何形状应尽量简单。
2.圆柱面代替圆锥面。
3.平行、垂直面代替倾斜面。
4.8 最小尺寸数量准则
配合性能和多个尺寸相关时,误差累积会致配合精度难提高,应尽量使配合面和较少的尺寸相关。  
 导轨、螺纹、绞联、插接有间隙会降低配合精度,过盈摩擦力太大会咬死,这种配合状态用选择公差的方法难实现,用柔度大的弹性体消除间隙。

4.10 采用调节元件准则

螺母或弹性垫片实现。

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第五章:焊接件设计准则

5.1 几何连续性原则

几何连续性原则,避免在几何突变处设置焊缝,这里容易产生应力集中。如果实在不能避免,则要通过设计过渡结构来解决。焊缝连接的两侧,板厚不一致,不能保证几何形状的连续性,则需要设计过渡结构。封口是曲率突变区

5.2 避免焊缝重叠

1.避免焊缝重叠,多条焊缝交汇处刚性大,结构翘曲严重,会加大焊缝内应力。
2.结构多次过热,材料性能下降,应该避免。
3.措施有三个:
a.加辅助结构。
b.切除部分。
c.焊缝错开。

5.3 焊缝根部优先受压

焊缝根部优先受压,焊缝根部有裂纹,易产生缺口作用。

承受拉载荷能力 < 承受压载荷能力

5.4 避免铆接式结构

焊接式结构通常用衬板搭接形式,焊缝多,费材料,造价高,且导致力流转折,提高了焊缝处的应力水平。

5.5 避免尖角

避免尖角(锐角),焊接处尖角定位困难,且尖角热容体太小,尖角易被熔化。如下图所示。

5.6 便于焊接前后的处理操作和检测准则

结构的设计便于焊接前、后的处理、焊接的操作和品质检测。
1、足够大的操作空间。
2、焊接时易于定位,易于操作,电极不会和周围的板粘结。
3、焊接后便于检查。

5.7对接焊缝强度大及动载荷设计准则

对接焊缝强度较大,尤其动载荷时优先采用。

5.8焊接区柔性准则

焊接时的热变形在冷却后不能完全消除。产生残余变形,引起热应力。

解决措施:

1、热处理工艺降低热应力。
2、降低焊接区周围的刚性,从根本上减少内应力的产生。

5.9 最少的焊接

最好的焊接是最少的焊接,减少焊缝的数量,减少焊缝的长度。焊接的强度总会低于母材焊接过程的热应力总会对材料特性有影响。

5.10 材料的可焊性,碳钢中的碳含量

材料的可焊性,碳钢中的碳含量<0.22%。

5.11 焊缝受载形式利于焊接工艺准则

焊缝受载形式利于焊接工艺的进行。

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第六章:可靠性设计准则

6.1 冗余法则

重复设置多个功能相同元件,分功能冗余和原理冗余。

1、功能冗余:原理相同、功能相同的备份;功能冗余针对元件本身而非外界环境因素的失效。
2、原理冗余:相同功能,不同原理的元件互为备份。原理冗余采取不同的原理器件,比如对锅炉安全阀的监测,可以用电、光、热敏等不同原理的传感器,可避免在某一失效因素下,两个器件不会同时失效。

6.2 零流准则

  在需要外部构件执行某项功能时,让它不依赖或尽量少依赖外部条件,从而减少可能阻碍其执行功能的外在因素。

电磁车刹右图 通电 磁力使车刹强迫分离左图 断电 弹簧力使车刹抱紧

6.3 可靠的工作原理准则

1.机械优于电气、电磁、液压系统,工作性能较可靠;
2.形状联结方式比力联接方式可靠,外界因素难改变机械构件的几何形状,但容易改变其受力状态。

6.4 裕度准则

  安全系数方法,通常加大构件尺寸,工程上很多因素自身并无一个绝对的数值,而是一个分布范围,裕度设计是解决问题的根本。断裂破坏、热应力破坏等因材料特性引起的问题,在构件尺寸上加强裕度设计无效。

6.5 安全阀准则

1、设计上有意设置一个薄弱点,丢卒保帅。
2、安全阀、保险丝。

6.6 简单准则

最少的数量、最简到形状、最少的工艺步骤、最简的加工装配工艺、最普通的材料、最简的工具、最简的拆卸步骤等等结合零部件特点,设定量化评估指标。

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第七章:力学原理设计准则

7.1 强度计算和试验准则

对承受较大负载或扭矩的钣金位置,强度须经过计算,并安全合格;必要时须有试验报告和数据。

7.2 均匀受载准则

通过构件设计,使受力载荷分布均匀,载荷不集中可以保证同等条件下,承受的应力成倍增加。 连续性和载荷均匀分布的设计可以实现。

7.3 力流路径最短准则

力流优先走较短路径,刚度最大的路径;力线连续。为提高构建刚度,尽量使力流路径最短,越短则受力区域越小,累积变形就越小,刚度就提高。尽量保证力流线路的直线状态,这时力流路径最短。

7.4 减低缺口效应准则

缺口效应的原因是力流在截面突变处,被迫急剧改变原有路径,因而力流抢近道引起近道局部力线拥挤,应力急剧集中上升。

解决措施:

1、避免截面突变的设计,尤其是避免力流截面急剧变小;
2、降低缺口附近的材料钢度;
3、加预压力应力;
4、避免力流突然转弯
孔、槽、螺纹、台肩等缺口处易发生;判定标准是界面尺寸变化的急剧程度;

7.5 变形协调准则

在力的传递中,构件会发生变形,变形不对称、接触面变形不匹配等都会引起走偏、应力集中等问题;

解决措施:

在接触面处,降低构件在力流方向上的刚度,以便减少对另一构件变形的阻碍,使变形同步;如:轴承的轴固定架、天车的导轨

7.6 等强度准则

1、构件局部的应力和该处的材料许用值相等。省材料降能耗。
2、注意次要载荷的影响

7.7 附加力自平衡准则

力传递中,出现的无用力或力矩,白白增加损耗,

通过让附加力自行平衡或抵消的方法解决。

解决措施:

1、平衡件。
2、对称安置。

7.8 空心截面准则

弯曲和扭转应力在横截面越远离中心越大,横截面中心很小,同等材料截面积情况下,空心的结构有更好的强度和刚度。

1、空心也可以通过其他形式实现,不一定就得是圆管形。
2、空心结构的壁厚不能太薄,否则发生局部皱折而丧失承载能力。

7.9 受扭截面凸形封闭准则

受扭转作用的薄壁构件的截面避免开口形状,抵抗剪切变形的能力低,扭转刚度就低。

7.10 最佳着力点准则

1.力矢量经过横截面扭转中心,不会产生附加扭矩;
2.多个力的作用节点尽量使力矢量交汇于一处,避免附加弯矩,降低应力水平。

7.11 受冲击载荷结构柔性准则

在有冲击载荷的情况下,加大其柔性,避免冲击,

但快速响应特性会下降。

柔性准则的措施:

1.增加等截面杆的长度;
2.避免截面突变;
3.安装缓冲器;
4.选用弹性模量小的材料。

7.12 避免长压杆失稳准则 

对于金属构件,压应力是拉应力的多倍,但压状态下,失稳破坏会破坏强度,设计上应避免。注意检查是否有细长杆受压结构。改进措施有:

1、加大截面惯性矩;
2、减小压杆长度;
3、加强支撑约束性;
4、截面形状与约束方式的最优组合;
5、合理选材

处于弹塑阶段的中小柔度杆,用高强度钢;

对大柔度杆,高强度钢不能提高其稳定性,须用普通钢。

7.13 热变形自由准则

使机械结构因为受热的变形自由。

具体措施:

1、留有热变形的间隔
2、加膨胀节或将管道做成弯的。
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第八章:便于切削设计准则

8.1 便于退刀准则

受扭转作用的薄壁构件的截面避免开口形状,抵抗剪切变形的能力低,扭转刚度就低。

8.2 最小加工量准则

1、选择合适毛坯,使毛坯接近构件形状。
2、分解构件,使单一复杂构件拆成多个标准毛坯形状简单构件。
3、平缓过渡。
4.减小行程。

8.3 可靠夹紧准则

加工过程要有夹持面,否则会单独需要设计工装、难以加工、加工过程夹持不牢容易飞出伤人。

8.4 一次夹紧成形准则

一次夹紧就可以加工到位;中间更换夹持部位,加工配合精度难以保证。  削件尺寸单向变化。

8.5 便利切削准则

1、形状简单,比如圆柱体较容易加工。
2、内外有别,避免结构内部加工键槽和高精度配合,对内孔和外壁的倒角、棱等采取不一样的设计要求,因为加工难度不一样。

8.6 减少缺口效应准则

1、不同截面间平缓过渡。
2、减低缺口周围刚度。
3、避免尖锐棱边。

8.7 避免斜面开孔准则

斜面上钻孔,钻头不好定位。

8.8 贯通孔优先准则

贯通孔使刀臂两端平衡成为可能,盲孔只能是悬臂支撑,刀具易发生变形,产生加工误差。

8.9 孔周边条件相近准则

孔周边的约束条件要求基本相同。约束条件包括材料的弹性、构件的形状和支撑情况,差别大了,钻头将退让到加工抗力小的一侧,产生加工误差。

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第九章:热应力设计准则

9.1 问题点明确准则

1.找出热胀冷缩导致功能误差的设计点。
2.温度变化大条件下,材料发生功能变化的设计点。
3.同一机构不同部件间,温度不同致热变形不同步的设计点。
举例:
a.钟表的表针。
b.直管道连接温差较大,骤冷骤热导致的膨胀收缩。

9.2知识点明确准则

材料热胀冷缩导致的功能性障碍。各材料的热膨胀系数不同导致的配合问题和功能障碍。

热变形受到阻碍时构件内部产生的热应力。1.累积变形量和构件的尺寸成正比。

9.3 减法结构准则

单一构件的热膨胀必然存在,通过组合构件,让各构件的热膨胀互相抵消。

9.4 加法结构准则

对相对热变形不同导致的结构配合问题,通过增加中间过渡结构,将其中一个构建分解为两个不同膨胀系数材料的构件,使组合膨胀效果与另一配合构件的膨胀效果一致。

9.5 方向调节原则

通过结构设计,将膨胀方向转移到非配合面上去。如轴承的固定-松弛装配方法。

9.6 消除温度差准则

相同材料的两构件,因为温度不同,导致膨胀程度不一样,出现热变形。解决措施:使有关构件的热传递边界条件尽量相近或相同。

9.7 柔性准则

  两构件热变形不能消除时,加大构件的柔性减少热应力。比如用软管、橡胶材料、将热应力的直线方向转变成曲线方向等。

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第十章:运动部件设计准则

10.1 可活动部件预防准则

多次运转后容易脱落和卡死,须有措施:

1、防脱落措施,使活动部件仅仅松脱但仍能维持运动功能;
2、即使运动部件脱落,也不会脱落或飞出

10.2 运动部件防护和标识准则

1、装好的风扇有防护件,手指不能伸入,拆卸防护件必须使用工具
2、运动部件有防护,实际限制不能加防护措施,则须有清晰的图示警示标志。
3、磨损后的运动部件无安全风险,且磨损易于检查。

10.3 运动部件磨损储存腐蚀SFC分析准则

分析运动部件因为长期使用磨损、长期储存腐蚀而引起的单一故障后果,并有针对性预防措施。

10.4 磨损后的运动部件安全设计准则

磨损后的运动部件无安全风险,且磨损易于检查

10.5 最大活动范围受控准则

运动部件的活动范围有严密的理论推导,活动位置已量化。

如果有故障发生,有设计措施保证活动部件不会超出设计范围

10.6 运动部件装配专用工装夹具准则

运动部件装配应有专用的工装夹具以满足定位精度要求

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