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如何提高零件剛度的設(shè)計(jì)？

嘉峪檢測網(wǎng)        2025-11-22 21:30

提高零件剛度的因素：

①  選擇彈性模量較高的材料

②  用拉、壓代替彎曲的準(zhǔn)則

③  合理布置支持準(zhǔn)則

④  合理確定肋的形狀和尺寸

⑤  用預(yù)變形提高剛度減小工作變形準(zhǔn)則

⑥  提高機(jī)械零件接觸面的接觸剛度準(zhǔn)則

 

PART 01選擇彈性模量較高的材料

 

在提升結(jié)構(gòu)剛度時(shí)，材料的選擇是比較重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。

 

如何選擇合適的材料？

（1）了解材料的彈性模量：不同材料的彈性模量差異很大。

在常用的工業(yè)金屬中，鋼材的彈性模量是最高的，注意，這里說的是常見的工業(yè)金屬。具體來說，碳鋼和合金鋼的彈性模量約為 206 GPa，它們在承受較大負(fù)載時(shí)不易變形，因而非常適合制造要求高剛度的零件。

銅合金和鋁合金的彈性模量大約為鋼的 1/3 到 1/2，即在 70 GPa 到 100 GPa 之間。這些材料雖然在重量和耐腐蝕性方面表現(xiàn)優(yōu)異，但在剛度方面明顯遜色。

提高零件剛度的因素：      ①  選擇彈性模量較高的材料      ②  用拉、壓代替彎曲的準(zhǔn)則      ③  合理布置支持準(zhǔn)則      ④  合理確定肋的形狀和尺寸      ⑤  用預(yù)變形提高剛度減小工作變形準(zhǔn)則      ⑥  提高機(jī)械零件接觸面的接觸剛度準(zhǔn)則 PART 01選擇彈性模量較高的材料 在提升結(jié)構(gòu)剛度時(shí)，材料的選擇是比較重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。 如何選擇合適的材料？ （1）了解材料的彈性模量：不同材料的彈性模量差異很大。 在常用的工業(yè)金屬中，鋼材的彈性模量是最高的，注意，這里說的是常見的工業(yè)金屬。具體來說，碳鋼和合金鋼的彈性模量約為 206 GPa，它們在承受較大負(fù)載時(shí)不易變形，因而非常適合制造要求高剛度的零件。 銅合金和鋁合金的彈性模量大約為鋼的 1/3 到 1/2，即在 70 GPa 到 100 GPa 之間。這些材料雖然在重量和耐腐蝕性方面表現(xiàn)優(yōu)異，但在剛度方面明顯遜色。 PART 02用拉、壓代替彎曲的準(zhǔn)則 提升結(jié)構(gòu)剛度的另一個(gè)重要準(zhǔn)則是：盡量使用拉力和壓力來代替彎曲力。 為什么要避免彎曲？ 我們可以通過想象一個(gè)簡單的例子來理解彎曲的影響。 假設(shè)你拿著一根長木棒，雙手分別抓住它的兩端。如果你用力彎曲它，木棒的中間部分就會發(fā)生彎曲，受力較大的地方可能會出現(xiàn)裂紋，甚至斷裂。 為什么會這樣呢？這是因?yàn)閺澢诓牧蟽?nèi)部產(chǎn)生較大的“剪切應(yīng)力”，這些應(yīng)力會導(dǎo)致材料在彎曲處發(fā)生裂紋，甚至破壞。 這就解釋了為什么我們盡量要避免使用彎曲。尤其在一些對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求高的設(shè)計(jì)中，比如建筑、橋梁和航空航天領(lǐng)域，過多的彎曲力會削弱材料的耐久性和安全性。 PART 03合理布置支持原則 在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，大家應(yīng)該可以想象到，支承條件對零件的強(qiáng)度和剛度有著明顯的影響，尤其是在設(shè)計(jì)軸類零件時(shí)，這種影響更為明顯。合理的支撐布置不僅能夠提高零件的承載能力，還能有效減小變形，延長使用壽命。 支承條件對強(qiáng)度和剛度的影響 懸臂支撐：懸臂支撐的支撐條件在這三種支撐方式中是最苛刻的，通常只有一端固定，另一端自由。在這種情況下，施加在懸臂梁上的力都會容易導(dǎo)致產(chǎn)生較大的彎曲變形和撓度（即梁中間的下凹程度）。懸臂梁的最大彎曲力矩（Mmax）和最大撓度（fmax）相對較大，其強(qiáng)度和剛度在三種基本的支撐類型中是最差的。 簡支：簡支梁的兩端都固定在支撐點(diǎn)上，能更好地分散施加在其上的負(fù)載，從而降低彎曲力矩和撓度。相較于懸臂梁，簡支梁具有更高的強(qiáng)度和剛度，因?yàn)樗闹吸c(diǎn)更多，可以更有效地分散受力。 固定端支承：這是支撐條件中更優(yōu)的一種，將簡支梁的球軸承改為滾子軸承，支撐點(diǎn)由點(diǎn)接觸轉(zhuǎn)變?yōu)榫€接觸。這種改動能夠有效提高支撐特性，使得梁的強(qiáng)度和剛度得到進(jìn)一步提升。固定端支承可以承受更大的負(fù)載，且產(chǎn)生的撓度更小。 支承條件對強(qiáng)度和剛度的影響（見表1） 表1 支承條件對強(qiáng)度和剛度的影響 PART 04合理確定肋的形狀和尺寸 在大型機(jī)械零件的設(shè)計(jì)中，為了提高產(chǎn)品的強(qiáng)度和剛度，同時(shí)減輕重量并節(jié)約材料，通常在零件上添加肋。肋的設(shè)計(jì)不僅可以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的承載能力，還能有效分散應(yīng)力，提高整體穩(wěn)定性。以下是關(guān)于肋的形狀和尺寸設(shè)計(jì)的一些重要考慮因素。 1. 肋的設(shè)計(jì)原則 肋的厚度：肋的厚度通常應(yīng)比鑄件的壁厚薄，一般取為壁厚的80%左右。 肋的形式：不同形狀的肋在強(qiáng)度和剛度方面表現(xiàn)不同。表2提供了幾種常見肋的斷面形式及其剛度比較，通常情況下，斜肋的效果最佳，能更好地承受彎曲和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。 表2 四種斷面形式的剛度比較 用預(yù)變形提高剛度減小工作變形準(zhǔn)則 許多結(jié)構(gòu)件，如導(dǎo)軌、機(jī)架和橫梁，常常在工作載荷的作用下產(chǎn)生下凹變形。為了有效減少這些零件在受力后產(chǎn)生的變形量，可以采用了一種被稱為預(yù)變形的設(shè)計(jì)方法。這種方法通過在零件制造時(shí)施加一定的上凸形狀，從而在實(shí)際工作中實(shí)現(xiàn)更小的變形。 1. 預(yù)變形的原理 預(yù)變形的基本原理其實(shí)就是利用材料的彈性特性。 材料在受力時(shí)，具有彈性和塑性兩種基本行為。彈性變形是材料在卸載后能恢復(fù)到原始形狀的部分，而塑性變形則是材料在受力后發(fā)生永久性變形。預(yù)變形設(shè)計(jì)主要利用了材料的彈性特性，通過合理控制變形，確保在工作載荷下零件能保持在可接受的變形范圍內(nèi)。 例如，拿起重機(jī)的橫梁來說，其在承載重物時(shí)會受到巨大的力，這種情況橫梁容易產(chǎn)生較大的下凹變形，影響起重機(jī)的穩(wěn)定性和安全性。通過設(shè)計(jì)一個(gè)上凸的結(jié)構(gòu)，當(dāng)重物被吊起時(shí)，橫梁的變形會減少，從而保持更好的剛度和穩(wěn)定性。 2. 預(yù)變形設(shè)計(jì) 在進(jìn)行預(yù)變形設(shè)計(jì)時(shí)，需要特別關(guān)注以下幾個(gè)關(guān)鍵方面： 2.1 預(yù)變形量的控制 預(yù)變形的程度是設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵。預(yù)變形量應(yīng)根據(jù)以下因素進(jìn)行合理計(jì)算和調(diào)整： ① 載荷大?。侯A(yù)變形量設(shè)計(jì)應(yīng)考慮到實(shí)際工作載荷的大小和性質(zhì)。例如，在某些應(yīng)用中，載荷可能是瞬時(shí)的、沖擊性的，而在其他情況下則可能是恒定的、持續(xù)的。這種不同的載荷類型對材料的反應(yīng)也有所不同，設(shè)計(jì)時(shí)需結(jié)合具體工況進(jìn)行分析。 ② 零件幾何形狀：零件的幾何形狀會影響其剛度和變形行為。長細(xì)桿與短粗桿在受力時(shí)表現(xiàn)出不同的變形特性，因此設(shè)計(jì)師在計(jì)算預(yù)變形量時(shí)，需要結(jié)合零件的形狀特征，確保能夠在外載荷作用下達(dá)到最佳效果。 2.2 材料選擇 選擇合適的材料是實(shí)現(xiàn)有效預(yù)變形設(shè)計(jì)的另一個(gè)重要因素。設(shè)計(jì)人員在選擇材料時(shí)，應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)： ① 材料特性：不同材料具有不同的彈性模量和屈服強(qiáng)度。 材料的彈性模量直接影響其在預(yù)變形狀態(tài)下的剛度； 塑性特性則決定了材料在受力時(shí)的變形行為。 通常，高彈性模量的材料能夠更有效地承受外部載荷，從而在預(yù)變形后保持更好的剛度。 設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)所選材料的這些特性，計(jì)算出適當(dāng)?shù)念A(yù)變形量，以避免在使用過程中達(dá)到或超過材料的屈服強(qiáng)度。 ② 工作條件的適應(yīng)性：材料在實(shí)際工作條件下的表現(xiàn)，包括溫度、濕度、化學(xué)腐蝕等環(huán)境因素，對選擇合適材料至關(guān)重要。例如，在高溫環(huán)境下，某些材料可能會軟化，導(dǎo)致剛度降低，因此選擇時(shí)要充分考慮這些因素。 2.3 工藝影響 ① 熱處理工藝：在某些情況下，熱處理可以改善材料的性能，增加材料的耐久性和剛度。例如，通過淬火和回火等熱處理工藝，可以提高鋼材的硬度和強(qiáng)度，從而使產(chǎn)品在預(yù)變形狀態(tài)下保持更好的表現(xiàn)。 ② 表面處理：表面處理工藝（如噴涂、陽極氧化等）可以增強(qiáng)材料的耐腐蝕性和耐磨性，對延長零件的使用壽命有好的作用。因此，設(shè)計(jì)人員在考慮預(yù)變形時(shí)，也可以考慮表面處理的選擇。 PART 05提高機(jī)械零件接觸面的接觸剛度準(zhǔn)則 在機(jī)械設(shè)計(jì)中，接觸面的剛度對整個(gè)結(jié)構(gòu)的性能和穩(wěn)定性也具有一定影響。機(jī)械零件的表面粗糙度會導(dǎo)致互相接觸表面發(fā)生變形，從而降低接觸剛度。在之前的粗糙度文章《系列三：表面粗糙度究竟對產(chǎn)品有多大影響？（下）》中也講到過這一點(diǎn)。因此，在設(shè)計(jì)中，應(yīng)對受力零件接觸面的表面粗糙度參數(shù)提出適當(dāng)?shù)囊蟆?1.接觸剛度的定義 接觸剛度是描述兩個(gè)接觸表面在外力作用下，抵抗變形能力的指標(biāo)。它通常與材料的彈性模量、接觸表面的幾何形狀以及表面粗糙度等因素有關(guān)。接觸剛度越高，零件在受力時(shí)的變形越小，連接的穩(wěn)定性也越好。 2. 表面粗糙度的影響 表面粗糙度是描述表面不平整程度的參數(shù)。表面越粗糙，接觸面之間的接觸點(diǎn)越少，導(dǎo)致接觸面積減小。這會使得外部載荷集中在少數(shù)接觸點(diǎn)上，從而引起局部過度變形，降低整體接觸剛度。 3 表面粗糙度的要求 為保證機(jī)械零件在使用過程中的接觸剛度，設(shè)計(jì)人員應(yīng)針對受力零件的接觸面設(shè)計(jì)合理的表面粗糙度參數(shù)值。Rz值是表面粗糙度的一種常用參數(shù)，表示表面最高點(diǎn)與最低點(diǎn)之間的垂直距離。一般而言，Rz值越小，表面越光滑，接觸剛度越高。 表1提供了螺栓、螺母及壓緊的鋼制零件的壓陷量參考值，數(shù)據(jù)摘自德國工程師協(xié)會的技術(shù)準(zhǔn)則VD2230，《高強(qiáng)度螺栓連接系統(tǒng)計(jì)算》。 表1 螺栓、螺母和壓緊的鋼制零件壓陷量的參考值(摘自VDI2230一2003)

 

PART 02用拉、壓代替彎曲的準(zhǔn)則

 

提升結(jié)構(gòu)剛度的另一個(gè)重要準(zhǔn)則是：盡量使用拉力和壓力來代替彎曲力。

 

為什么要避免彎曲？

我們可以通過想象一個(gè)簡單的例子來理解彎曲的影響。

假設(shè)你拿著一根長木棒，雙手分別抓住它的兩端。如果你用力彎曲它，木棒的中間部分就會發(fā)生彎曲，受力較大的地方可能會出現(xiàn)裂紋，甚至斷裂。

為什么會這樣呢？這是因?yàn)閺澢诓牧蟽?nèi)部產(chǎn)生較大的“剪切應(yīng)力”，這些應(yīng)力會導(dǎo)致材料在彎曲處發(fā)生裂紋，甚至破壞。

這就解釋了為什么我們盡量要避免使用彎曲。尤其在一些對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求高的設(shè)計(jì)中，比如建筑、橋梁和航空航天領(lǐng)域，過多的彎曲力會削弱材料的耐久性和安全性。

 

PART 03合理布置支持原則

 

在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，大家應(yīng)該可以想象到，支承條件對零件的強(qiáng)度和剛度有著明顯的影響，尤其是在設(shè)計(jì)軸類零件時(shí)，這種影響更為明顯。合理的支撐布置不僅能夠提高零件的承載能力，還能有效減小變形，延長使用壽命。

 

支承條件對強(qiáng)度和剛度的影響


懸臂支撐：懸臂支撐的支撐條件在這三種支撐方式中是最苛刻的，通常只有一端固定，另一端自由。在這種情況下，施加在懸臂梁上的力都會容易導(dǎo)致產(chǎn)生較大的彎曲變形和撓度（即梁中間的下凹程度）。懸臂梁的最大彎曲力矩（Mmax）和最大撓度（fmax）相對較大，其強(qiáng)度和剛度在三種基本的支撐類型中是最差的。

 

簡支：簡支梁的兩端都固定在支撐點(diǎn)上，能更好地分散施加在其上的負(fù)載，從而降低彎曲力矩和撓度。相較于懸臂梁，簡支梁具有更高的強(qiáng)度和剛度，因?yàn)樗闹吸c(diǎn)更多，可以更有效地分散受力。

 

固定端支承：這是支撐條件中更優(yōu)的一種，將簡支梁的球軸承改為滾子軸承，支撐點(diǎn)由點(diǎn)接觸轉(zhuǎn)變?yōu)榫€接觸。這種改動能夠有效提高支撐特性，使得梁的強(qiáng)度和剛度得到進(jìn)一步提升。固定端支承可以承受更大的負(fù)載，且產(chǎn)生的撓度更小。

 

支承條件對強(qiáng)度和剛度的影響（見表1）

表1 支承條件對強(qiáng)度和剛度的影響

提高零件剛度的因素：      ①  選擇彈性模量較高的材料      ②  用拉、壓代替彎曲的準(zhǔn)則      ③  合理布置支持準(zhǔn)則      ④  合理確定肋的形狀和尺寸      ⑤  用預(yù)變形提高剛度減小工作變形準(zhǔn)則      ⑥  提高機(jī)械零件接觸面的接觸剛度準(zhǔn)則 PART 01選擇彈性模量較高的材料 在提升結(jié)構(gòu)剛度時(shí)，材料的選擇是比較重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。 如何選擇合適的材料？ （1）了解材料的彈性模量：不同材料的彈性模量差異很大。 在常用的工業(yè)金屬中，鋼材的彈性模量是最高的，注意，這里說的是常見的工業(yè)金屬。具體來說，碳鋼和合金鋼的彈性模量約為 206 GPa，它們在承受較大負(fù)載時(shí)不易變形，因而非常適合制造要求高剛度的零件。 銅合金和鋁合金的彈性模量大約為鋼的 1/3 到 1/2，即在 70 GPa 到 100 GPa 之間。這些材料雖然在重量和耐腐蝕性方面表現(xiàn)優(yōu)異，但在剛度方面明顯遜色。 PART 02用拉、壓代替彎曲的準(zhǔn)則 提升結(jié)構(gòu)剛度的另一個(gè)重要準(zhǔn)則是：盡量使用拉力和壓力來代替彎曲力。 為什么要避免彎曲？ 我們可以通過想象一個(gè)簡單的例子來理解彎曲的影響。 假設(shè)你拿著一根長木棒，雙手分別抓住它的兩端。如果你用力彎曲它，木棒的中間部分就會發(fā)生彎曲，受力較大的地方可能會出現(xiàn)裂紋，甚至斷裂。 為什么會這樣呢？這是因?yàn)閺澢诓牧蟽?nèi)部產(chǎn)生較大的“剪切應(yīng)力”，這些應(yīng)力會導(dǎo)致材料在彎曲處發(fā)生裂紋，甚至破壞。 這就解釋了為什么我們盡量要避免使用彎曲。尤其在一些對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求高的設(shè)計(jì)中，比如建筑、橋梁和航空航天領(lǐng)域，過多的彎曲力會削弱材料的耐久性和安全性。 PART 03合理布置支持原則 在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，大家應(yīng)該可以想象到，支承條件對零件的強(qiáng)度和剛度有著明顯的影響，尤其是在設(shè)計(jì)軸類零件時(shí)，這種影響更為明顯。合理的支撐布置不僅能夠提高零件的承載能力，還能有效減小變形，延長使用壽命。 支承條件對強(qiáng)度和剛度的影響 懸臂支撐：懸臂支撐的支撐條件在這三種支撐方式中是最苛刻的，通常只有一端固定，另一端自由。在這種情況下，施加在懸臂梁上的力都會容易導(dǎo)致產(chǎn)生較大的彎曲變形和撓度（即梁中間的下凹程度）。懸臂梁的最大彎曲力矩（Mmax）和最大撓度（fmax）相對較大，其強(qiáng)度和剛度在三種基本的支撐類型中是最差的。 簡支：簡支梁的兩端都固定在支撐點(diǎn)上，能更好地分散施加在其上的負(fù)載，從而降低彎曲力矩和撓度。相較于懸臂梁，簡支梁具有更高的強(qiáng)度和剛度，因?yàn)樗闹吸c(diǎn)更多，可以更有效地分散受力。 固定端支承：這是支撐條件中更優(yōu)的一種，將簡支梁的球軸承改為滾子軸承，支撐點(diǎn)由點(diǎn)接觸轉(zhuǎn)變?yōu)榫€接觸。這種改動能夠有效提高支撐特性，使得梁的強(qiáng)度和剛度得到進(jìn)一步提升。固定端支承可以承受更大的負(fù)載，且產(chǎn)生的撓度更小。 支承條件對強(qiáng)度和剛度的影響（見表1） 表1 支承條件對強(qiáng)度和剛度的影響 PART 04合理確定肋的形狀和尺寸 在大型機(jī)械零件的設(shè)計(jì)中，為了提高產(chǎn)品的強(qiáng)度和剛度，同時(shí)減輕重量并節(jié)約材料，通常在零件上添加肋。肋的設(shè)計(jì)不僅可以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的承載能力，還能有效分散應(yīng)力，提高整體穩(wěn)定性。以下是關(guān)于肋的形狀和尺寸設(shè)計(jì)的一些重要考慮因素。 1. 肋的設(shè)計(jì)原則 肋的厚度：肋的厚度通常應(yīng)比鑄件的壁厚薄，一般取為壁厚的80%左右。 肋的形式：不同形狀的肋在強(qiáng)度和剛度方面表現(xiàn)不同。表2提供了幾種常見肋的斷面形式及其剛度比較，通常情況下，斜肋的效果最佳，能更好地承受彎曲和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。 表2 四種斷面形式的剛度比較 用預(yù)變形提高剛度減小工作變形準(zhǔn)則 許多結(jié)構(gòu)件，如導(dǎo)軌、機(jī)架和橫梁，常常在工作載荷的作用下產(chǎn)生下凹變形。為了有效減少這些零件在受力后產(chǎn)生的變形量，可以采用了一種被稱為預(yù)變形的設(shè)計(jì)方法。這種方法通過在零件制造時(shí)施加一定的上凸形狀，從而在實(shí)際工作中實(shí)現(xiàn)更小的變形。 1. 預(yù)變形的原理 預(yù)變形的基本原理其實(shí)就是利用材料的彈性特性。 材料在受力時(shí)，具有彈性和塑性兩種基本行為。彈性變形是材料在卸載后能恢復(fù)到原始形狀的部分，而塑性變形則是材料在受力后發(fā)生永久性變形。預(yù)變形設(shè)計(jì)主要利用了材料的彈性特性，通過合理控制變形，確保在工作載荷下零件能保持在可接受的變形范圍內(nèi)。 例如，拿起重機(jī)的橫梁來說，其在承載重物時(shí)會受到巨大的力，這種情況橫梁容易產(chǎn)生較大的下凹變形，影響起重機(jī)的穩(wěn)定性和安全性。通過設(shè)計(jì)一個(gè)上凸的結(jié)構(gòu)，當(dāng)重物被吊起時(shí)，橫梁的變形會減少，從而保持更好的剛度和穩(wěn)定性。 2. 預(yù)變形設(shè)計(jì) 在進(jìn)行預(yù)變形設(shè)計(jì)時(shí)，需要特別關(guān)注以下幾個(gè)關(guān)鍵方面： 2.1 預(yù)變形量的控制 預(yù)變形的程度是設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵。預(yù)變形量應(yīng)根據(jù)以下因素進(jìn)行合理計(jì)算和調(diào)整： ① 載荷大?。侯A(yù)變形量設(shè)計(jì)應(yīng)考慮到實(shí)際工作載荷的大小和性質(zhì)。例如，在某些應(yīng)用中，載荷可能是瞬時(shí)的、沖擊性的，而在其他情況下則可能是恒定的、持續(xù)的。這種不同的載荷類型對材料的反應(yīng)也有所不同，設(shè)計(jì)時(shí)需結(jié)合具體工況進(jìn)行分析。 ② 零件幾何形狀：零件的幾何形狀會影響其剛度和變形行為。長細(xì)桿與短粗桿在受力時(shí)表現(xiàn)出不同的變形特性，因此設(shè)計(jì)師在計(jì)算預(yù)變形量時(shí)，需要結(jié)合零件的形狀特征，確保能夠在外載荷作用下達(dá)到最佳效果。 2.2 材料選擇 選擇合適的材料是實(shí)現(xiàn)有效預(yù)變形設(shè)計(jì)的另一個(gè)重要因素。設(shè)計(jì)人員在選擇材料時(shí)，應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)： ① 材料特性：不同材料具有不同的彈性模量和屈服強(qiáng)度。 材料的彈性模量直接影響其在預(yù)變形狀態(tài)下的剛度； 塑性特性則決定了材料在受力時(shí)的變形行為。 通常，高彈性模量的材料能夠更有效地承受外部載荷，從而在預(yù)變形后保持更好的剛度。 設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)所選材料的這些特性，計(jì)算出適當(dāng)?shù)念A(yù)變形量，以避免在使用過程中達(dá)到或超過材料的屈服強(qiáng)度。 ② 工作條件的適應(yīng)性：材料在實(shí)際工作條件下的表現(xiàn)，包括溫度、濕度、化學(xué)腐蝕等環(huán)境因素，對選擇合適材料至關(guān)重要。例如，在高溫環(huán)境下，某些材料可能會軟化，導(dǎo)致剛度降低，因此選擇時(shí)要充分考慮這些因素。 2.3 工藝影響 ① 熱處理工藝：在某些情況下，熱處理可以改善材料的性能，增加材料的耐久性和剛度。例如，通過淬火和回火等熱處理工藝，可以提高鋼材的硬度和強(qiáng)度，從而使產(chǎn)品在預(yù)變形狀態(tài)下保持更好的表現(xiàn)。 ② 表面處理：表面處理工藝（如噴涂、陽極氧化等）可以增強(qiáng)材料的耐腐蝕性和耐磨性，對延長零件的使用壽命有好的作用。因此，設(shè)計(jì)人員在考慮預(yù)變形時(shí)，也可以考慮表面處理的選擇。 PART 05提高機(jī)械零件接觸面的接觸剛度準(zhǔn)則 在機(jī)械設(shè)計(jì)中，接觸面的剛度對整個(gè)結(jié)構(gòu)的性能和穩(wěn)定性也具有一定影響。機(jī)械零件的表面粗糙度會導(dǎo)致互相接觸表面發(fā)生變形，從而降低接觸剛度。在之前的粗糙度文章《系列三：表面粗糙度究竟對產(chǎn)品有多大影響？（下）》中也講到過這一點(diǎn)。因此，在設(shè)計(jì)中，應(yīng)對受力零件接觸面的表面粗糙度參數(shù)提出適當(dāng)?shù)囊蟆?1.接觸剛度的定義 接觸剛度是描述兩個(gè)接觸表面在外力作用下，抵抗變形能力的指標(biāo)。它通常與材料的彈性模量、接觸表面的幾何形狀以及表面粗糙度等因素有關(guān)。接觸剛度越高，零件在受力時(shí)的變形越小，連接的穩(wěn)定性也越好。 2. 表面粗糙度的影響 表面粗糙度是描述表面不平整程度的參數(shù)。表面越粗糙，接觸面之間的接觸點(diǎn)越少，導(dǎo)致接觸面積減小。這會使得外部載荷集中在少數(shù)接觸點(diǎn)上，從而引起局部過度變形，降低整體接觸剛度。 3 表面粗糙度的要求 為保證機(jī)械零件在使用過程中的接觸剛度，設(shè)計(jì)人員應(yīng)針對受力零件的接觸面設(shè)計(jì)合理的表面粗糙度參數(shù)值。Rz值是表面粗糙度的一種常用參數(shù)，表示表面最高點(diǎn)與最低點(diǎn)之間的垂直距離。一般而言，Rz值越小，表面越光滑，接觸剛度越高。 表1提供了螺栓、螺母及壓緊的鋼制零件的壓陷量參考值，數(shù)據(jù)摘自德國工程師協(xié)會的技術(shù)準(zhǔn)則VD2230，《高強(qiáng)度螺栓連接系統(tǒng)計(jì)算》。 表1 螺栓、螺母和壓緊的鋼制零件壓陷量的參考值(摘自VDI2230一2003)

 

 

PART 04合理確定肋的形狀和尺寸

 

在大型機(jī)械零件的設(shè)計(jì)中，為了提高產(chǎn)品的強(qiáng)度和剛度，同時(shí)減輕重量并節(jié)約材料，通常在零件上添加肋。肋的設(shè)計(jì)不僅可以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的承載能力，還能有效分散應(yīng)力，提高整體穩(wěn)定性。以下是關(guān)于肋的形狀和尺寸設(shè)計(jì)的一些重要考慮因素。

1. 肋的設(shè)計(jì)原則

肋的厚度：肋的厚度通常應(yīng)比鑄件的壁厚薄，一般取為壁厚的80%左右。

肋的形式：不同形狀的肋在強(qiáng)度和剛度方面表現(xiàn)不同。表2提供了幾種常見肋的斷面形式及其剛度比較，通常情況下，斜肋的效果最佳，能更好地承受彎曲和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。

表2 四種斷面形式的剛度比較

提高零件剛度的因素：      ①  選擇彈性模量較高的材料      ②  用拉、壓代替彎曲的準(zhǔn)則      ③  合理布置支持準(zhǔn)則      ④  合理確定肋的形狀和尺寸      ⑤  用預(yù)變形提高剛度減小工作變形準(zhǔn)則      ⑥  提高機(jī)械零件接觸面的接觸剛度準(zhǔn)則 PART 01選擇彈性模量較高的材料 在提升結(jié)構(gòu)剛度時(shí)，材料的選擇是比較重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。 如何選擇合適的材料？ （1）了解材料的彈性模量：不同材料的彈性模量差異很大。 在常用的工業(yè)金屬中，鋼材的彈性模量是最高的，注意，這里說的是常見的工業(yè)金屬。具體來說，碳鋼和合金鋼的彈性模量約為 206 GPa，它們在承受較大負(fù)載時(shí)不易變形，因而非常適合制造要求高剛度的零件。 銅合金和鋁合金的彈性模量大約為鋼的 1/3 到 1/2，即在 70 GPa 到 100 GPa 之間。這些材料雖然在重量和耐腐蝕性方面表現(xiàn)優(yōu)異，但在剛度方面明顯遜色。 PART 02用拉、壓代替彎曲的準(zhǔn)則 提升結(jié)構(gòu)剛度的另一個(gè)重要準(zhǔn)則是：盡量使用拉力和壓力來代替彎曲力。 為什么要避免彎曲？ 我們可以通過想象一個(gè)簡單的例子來理解彎曲的影響。 假設(shè)你拿著一根長木棒，雙手分別抓住它的兩端。如果你用力彎曲它，木棒的中間部分就會發(fā)生彎曲，受力較大的地方可能會出現(xiàn)裂紋，甚至斷裂。 為什么會這樣呢？這是因?yàn)閺澢诓牧蟽?nèi)部產(chǎn)生較大的“剪切應(yīng)力”，這些應(yīng)力會導(dǎo)致材料在彎曲處發(fā)生裂紋，甚至破壞。 這就解釋了為什么我們盡量要避免使用彎曲。尤其在一些對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求高的設(shè)計(jì)中，比如建筑、橋梁和航空航天領(lǐng)域，過多的彎曲力會削弱材料的耐久性和安全性。 PART 03合理布置支持原則 在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，大家應(yīng)該可以想象到，支承條件對零件的強(qiáng)度和剛度有著明顯的影響，尤其是在設(shè)計(jì)軸類零件時(shí)，這種影響更為明顯。合理的支撐布置不僅能夠提高零件的承載能力，還能有效減小變形，延長使用壽命。 支承條件對強(qiáng)度和剛度的影響 懸臂支撐：懸臂支撐的支撐條件在這三種支撐方式中是最苛刻的，通常只有一端固定，另一端自由。在這種情況下，施加在懸臂梁上的力都會容易導(dǎo)致產(chǎn)生較大的彎曲變形和撓度（即梁中間的下凹程度）。懸臂梁的最大彎曲力矩（Mmax）和最大撓度（fmax）相對較大，其強(qiáng)度和剛度在三種基本的支撐類型中是最差的。 簡支：簡支梁的兩端都固定在支撐點(diǎn)上，能更好地分散施加在其上的負(fù)載，從而降低彎曲力矩和撓度。相較于懸臂梁，簡支梁具有更高的強(qiáng)度和剛度，因?yàn)樗闹吸c(diǎn)更多，可以更有效地分散受力。 固定端支承：這是支撐條件中更優(yōu)的一種，將簡支梁的球軸承改為滾子軸承，支撐點(diǎn)由點(diǎn)接觸轉(zhuǎn)變?yōu)榫€接觸。這種改動能夠有效提高支撐特性，使得梁的強(qiáng)度和剛度得到進(jìn)一步提升。固定端支承可以承受更大的負(fù)載，且產(chǎn)生的撓度更小。 支承條件對強(qiáng)度和剛度的影響（見表1） 表1 支承條件對強(qiáng)度和剛度的影響 PART 04合理確定肋的形狀和尺寸 在大型機(jī)械零件的設(shè)計(jì)中，為了提高產(chǎn)品的強(qiáng)度和剛度，同時(shí)減輕重量并節(jié)約材料，通常在零件上添加肋。肋的設(shè)計(jì)不僅可以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的承載能力，還能有效分散應(yīng)力，提高整體穩(wěn)定性。以下是關(guān)于肋的形狀和尺寸設(shè)計(jì)的一些重要考慮因素。 1. 肋的設(shè)計(jì)原則 肋的厚度：肋的厚度通常應(yīng)比鑄件的壁厚薄，一般取為壁厚的80%左右。 肋的形式：不同形狀的肋在強(qiáng)度和剛度方面表現(xiàn)不同。表2提供了幾種常見肋的斷面形式及其剛度比較，通常情況下，斜肋的效果最佳，能更好地承受彎曲和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。 表2 四種斷面形式的剛度比較 用預(yù)變形提高剛度減小工作變形準(zhǔn)則 許多結(jié)構(gòu)件，如導(dǎo)軌、機(jī)架和橫梁，常常在工作載荷的作用下產(chǎn)生下凹變形。為了有效減少這些零件在受力后產(chǎn)生的變形量，可以采用了一種被稱為預(yù)變形的設(shè)計(jì)方法。這種方法通過在零件制造時(shí)施加一定的上凸形狀，從而在實(shí)際工作中實(shí)現(xiàn)更小的變形。 1. 預(yù)變形的原理 預(yù)變形的基本原理其實(shí)就是利用材料的彈性特性。 材料在受力時(shí)，具有彈性和塑性兩種基本行為。彈性變形是材料在卸載后能恢復(fù)到原始形狀的部分，而塑性變形則是材料在受力后發(fā)生永久性變形。預(yù)變形設(shè)計(jì)主要利用了材料的彈性特性，通過合理控制變形，確保在工作載荷下零件能保持在可接受的變形范圍內(nèi)。 例如，拿起重機(jī)的橫梁來說，其在承載重物時(shí)會受到巨大的力，這種情況橫梁容易產(chǎn)生較大的下凹變形，影響起重機(jī)的穩(wěn)定性和安全性。通過設(shè)計(jì)一個(gè)上凸的結(jié)構(gòu)，當(dāng)重物被吊起時(shí)，橫梁的變形會減少，從而保持更好的剛度和穩(wěn)定性。 2. 預(yù)變形設(shè)計(jì) 在進(jìn)行預(yù)變形設(shè)計(jì)時(shí)，需要特別關(guān)注以下幾個(gè)關(guān)鍵方面： 2.1 預(yù)變形量的控制 預(yù)變形的程度是設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵。預(yù)變形量應(yīng)根據(jù)以下因素進(jìn)行合理計(jì)算和調(diào)整： ① 載荷大?。侯A(yù)變形量設(shè)計(jì)應(yīng)考慮到實(shí)際工作載荷的大小和性質(zhì)。例如，在某些應(yīng)用中，載荷可能是瞬時(shí)的、沖擊性的，而在其他情況下則可能是恒定的、持續(xù)的。這種不同的載荷類型對材料的反應(yīng)也有所不同，設(shè)計(jì)時(shí)需結(jié)合具體工況進(jìn)行分析。 ② 零件幾何形狀：零件的幾何形狀會影響其剛度和變形行為。長細(xì)桿與短粗桿在受力時(shí)表現(xiàn)出不同的變形特性，因此設(shè)計(jì)師在計(jì)算預(yù)變形量時(shí)，需要結(jié)合零件的形狀特征，確保能夠在外載荷作用下達(dá)到最佳效果。 2.2 材料選擇 選擇合適的材料是實(shí)現(xiàn)有效預(yù)變形設(shè)計(jì)的另一個(gè)重要因素。設(shè)計(jì)人員在選擇材料時(shí)，應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)： ① 材料特性：不同材料具有不同的彈性模量和屈服強(qiáng)度。 材料的彈性模量直接影響其在預(yù)變形狀態(tài)下的剛度； 塑性特性則決定了材料在受力時(shí)的變形行為。 通常，高彈性模量的材料能夠更有效地承受外部載荷，從而在預(yù)變形后保持更好的剛度。 設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)所選材料的這些特性，計(jì)算出適當(dāng)?shù)念A(yù)變形量，以避免在使用過程中達(dá)到或超過材料的屈服強(qiáng)度。 ② 工作條件的適應(yīng)性：材料在實(shí)際工作條件下的表現(xiàn)，包括溫度、濕度、化學(xué)腐蝕等環(huán)境因素，對選擇合適材料至關(guān)重要。例如，在高溫環(huán)境下，某些材料可能會軟化，導(dǎo)致剛度降低，因此選擇時(shí)要充分考慮這些因素。 2.3 工藝影響 ① 熱處理工藝：在某些情況下，熱處理可以改善材料的性能，增加材料的耐久性和剛度。例如，通過淬火和回火等熱處理工藝，可以提高鋼材的硬度和強(qiáng)度，從而使產(chǎn)品在預(yù)變形狀態(tài)下保持更好的表現(xiàn)。 ② 表面處理：表面處理工藝（如噴涂、陽極氧化等）可以增強(qiáng)材料的耐腐蝕性和耐磨性，對延長零件的使用壽命有好的作用。因此，設(shè)計(jì)人員在考慮預(yù)變形時(shí)，也可以考慮表面處理的選擇。 PART 05提高機(jī)械零件接觸面的接觸剛度準(zhǔn)則 在機(jī)械設(shè)計(jì)中，接觸面的剛度對整個(gè)結(jié)構(gòu)的性能和穩(wěn)定性也具有一定影響。機(jī)械零件的表面粗糙度會導(dǎo)致互相接觸表面發(fā)生變形，從而降低接觸剛度。在之前的粗糙度文章《系列三：表面粗糙度究竟對產(chǎn)品有多大影響？（下）》中也講到過這一點(diǎn)。因此，在設(shè)計(jì)中，應(yīng)對受力零件接觸面的表面粗糙度參數(shù)提出適當(dāng)?shù)囊蟆?1.接觸剛度的定義 接觸剛度是描述兩個(gè)接觸表面在外力作用下，抵抗變形能力的指標(biāo)。它通常與材料的彈性模量、接觸表面的幾何形狀以及表面粗糙度等因素有關(guān)。接觸剛度越高，零件在受力時(shí)的變形越小，連接的穩(wěn)定性也越好。 2. 表面粗糙度的影響 表面粗糙度是描述表面不平整程度的參數(shù)。表面越粗糙，接觸面之間的接觸點(diǎn)越少，導(dǎo)致接觸面積減小。這會使得外部載荷集中在少數(shù)接觸點(diǎn)上，從而引起局部過度變形，降低整體接觸剛度。 3 表面粗糙度的要求 為保證機(jī)械零件在使用過程中的接觸剛度，設(shè)計(jì)人員應(yīng)針對受力零件的接觸面設(shè)計(jì)合理的表面粗糙度參數(shù)值。Rz值是表面粗糙度的一種常用參數(shù)，表示表面最高點(diǎn)與最低點(diǎn)之間的垂直距離。一般而言，Rz值越小，表面越光滑，接觸剛度越高。 表1提供了螺栓、螺母及壓緊的鋼制零件的壓陷量參考值，數(shù)據(jù)摘自德國工程師協(xié)會的技術(shù)準(zhǔn)則VD2230，《高強(qiáng)度螺栓連接系統(tǒng)計(jì)算》。 表1 螺栓、螺母和壓緊的鋼制零件壓陷量的參考值(摘自VDI2230一2003)

用預(yù)變形提高剛度減小工作變形準(zhǔn)則

 

許多結(jié)構(gòu)件，如導(dǎo)軌、機(jī)架和橫梁，常常在工作載荷的作用下產(chǎn)生下凹變形。為了有效減少這些零件在受力后產(chǎn)生的變形量，可以采用了一種被稱為預(yù)變形的設(shè)計(jì)方法。這種方法通過在零件制造時(shí)施加一定的上凸形狀，從而在實(shí)際工作中實(shí)現(xiàn)更小的變形。

1. 預(yù)變形的原理

預(yù)變形的基本原理其實(shí)就是利用材料的彈性特性。

材料在受力時(shí)，具有彈性和塑性兩種基本行為。彈性變形是材料在卸載后能恢復(fù)到原始形狀的部分，而塑性變形則是材料在受力后發(fā)生永久性變形。預(yù)變形設(shè)計(jì)主要利用了材料的彈性特性，通過合理控制變形，確保在工作載荷下零件能保持在可接受的變形范圍內(nèi)。

例如，拿起重機(jī)的橫梁來說，其在承載重物時(shí)會受到巨大的力，這種情況橫梁容易產(chǎn)生較大的下凹變形，影響起重機(jī)的穩(wěn)定性和安全性。通過設(shè)計(jì)一個(gè)上凸的結(jié)構(gòu)，當(dāng)重物被吊起時(shí)，橫梁的變形會減少，從而保持更好的剛度和穩(wěn)定性。

 

2. 預(yù)變形設(shè)計(jì)

在進(jìn)行預(yù)變形設(shè)計(jì)時(shí)，需要特別關(guān)注以下幾個(gè)關(guān)鍵方面：

2.1 預(yù)變形量的控制

預(yù)變形的程度是設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵。預(yù)變形量應(yīng)根據(jù)以下因素進(jìn)行合理計(jì)算和調(diào)整：

① 載荷大?。侯A(yù)變形量設(shè)計(jì)應(yīng)考慮到實(shí)際工作載荷的大小和性質(zhì)。例如，在某些應(yīng)用中，載荷可能是瞬時(shí)的、沖擊性的，而在其他情況下則可能是恒定的、持續(xù)的。這種不同的載荷類型對材料的反應(yīng)也有所不同，設(shè)計(jì)時(shí)需結(jié)合具體工況進(jìn)行分析。

② 零件幾何形狀：零件的幾何形狀會影響其剛度和變形行為。長細(xì)桿與短粗桿在受力時(shí)表現(xiàn)出不同的變形特性，因此設(shè)計(jì)師在計(jì)算預(yù)變形量時(shí)，需要結(jié)合零件的形狀特征，確保能夠在外載荷作用下達(dá)到最佳效果。

 

2.2 材料選擇

選擇合適的材料是實(shí)現(xiàn)有效預(yù)變形設(shè)計(jì)的另一個(gè)重要因素。設(shè)計(jì)人員在選擇材料時(shí)，應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：

① 材料特性：不同材料具有不同的彈性模量和屈服強(qiáng)度。

材料的彈性模量直接影響其在預(yù)變形狀態(tài)下的剛度；

塑性特性則決定了材料在受力時(shí)的變形行為。

通常，高彈性模量的材料能夠更有效地承受外部載荷，從而在預(yù)變形后保持更好的剛度。

設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)所選材料的這些特性，計(jì)算出適當(dāng)?shù)念A(yù)變形量，以避免在使用過程中達(dá)到或超過材料的屈服強(qiáng)度。

 

② 工作條件的適應(yīng)性：材料在實(shí)際工作條件下的表現(xiàn)，包括溫度、濕度、化學(xué)腐蝕等環(huán)境因素，對選擇合適材料至關(guān)重要。例如，在高溫環(huán)境下，某些材料可能會軟化，導(dǎo)致剛度降低，因此選擇時(shí)要充分考慮這些因素。

 

2.3 工藝影響

① 熱處理工藝：在某些情況下，熱處理可以改善材料的性能，增加材料的耐久性和剛度。例如，通過淬火和回火等熱處理工藝，可以提高鋼材的硬度和強(qiáng)度，從而使產(chǎn)品在預(yù)變形狀態(tài)下保持更好的表現(xiàn)。

 

② 表面處理：表面處理工藝（如噴涂、陽極氧化等）可以增強(qiáng)材料的耐腐蝕性和耐磨性，對延長零件的使用壽命有好的作用。因此，設(shè)計(jì)人員在考慮預(yù)變形時(shí)，也可以考慮表面處理的選擇。

 

PART 05提高機(jī)械零件接觸面的接觸剛度準(zhǔn)則

 

在機(jī)械設(shè)計(jì)中，接觸面的剛度對整個(gè)結(jié)構(gòu)的性能和穩(wěn)定性也具有一定影響。機(jī)械零件的表面粗糙度會導(dǎo)致互相接觸表面發(fā)生變形，從而降低接觸剛度。在之前的粗糙度文章《系列三：表面粗糙度究竟對產(chǎn)品有多大影響？（下）》中也講到過這一點(diǎn)。因此，在設(shè)計(jì)中，應(yīng)對受力零件接觸面的表面粗糙度參數(shù)提出適當(dāng)?shù)囊蟆?/span>

1.接觸剛度的定義

接觸剛度是描述兩個(gè)接觸表面在外力作用下，抵抗變形能力的指標(biāo)。它通常與材料的彈性模量、接觸表面的幾何形狀以及表面粗糙度等因素有關(guān)。接觸剛度越高，零件在受力時(shí)的變形越小，連接的穩(wěn)定性也越好。

 

2. 表面粗糙度的影響

表面粗糙度是描述表面不平整程度的參數(shù)。表面越粗糙，接觸面之間的接觸點(diǎn)越少，導(dǎo)致接觸面積減小。這會使得外部載荷集中在少數(shù)接觸點(diǎn)上，從而引起局部過度變形，降低整體接觸剛度。

 

3 表面粗糙度的要求

為保證機(jī)械零件在使用過程中的接觸剛度，設(shè)計(jì)人員應(yīng)針對受力零件的接觸面設(shè)計(jì)合理的表面粗糙度參數(shù)值。Rz值是表面粗糙度的一種常用參數(shù)，表示表面最高點(diǎn)與最低點(diǎn)之間的垂直距離。一般而言，Rz值越小，表面越光滑，接觸剛度越高。

表1提供了螺栓、螺母及壓緊的鋼制零件的壓陷量參考值，數(shù)據(jù)摘自德國工程師協(xié)會的技術(shù)準(zhǔn)則VD2230，《高強(qiáng)度螺栓連接系統(tǒng)計(jì)算》。

表1 螺栓、螺母和壓緊的鋼制零件壓陷量的參考值(摘自VDI2230一2003)

提高零件剛度的因素：      ①  選擇彈性模量較高的材料      ②  用拉、壓代替彎曲的準(zhǔn)則      ③  合理布置支持準(zhǔn)則      ④  合理確定肋的形狀和尺寸      ⑤  用預(yù)變形提高剛度減小工作變形準(zhǔn)則      ⑥  提高機(jī)械零件接觸面的接觸剛度準(zhǔn)則 PART 01選擇彈性模量較高的材料 在提升結(jié)構(gòu)剛度時(shí)，材料的選擇是比較重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。 如何選擇合適的材料？ （1）了解材料的彈性模量：不同材料的彈性模量差異很大。 在常用的工業(yè)金屬中，鋼材的彈性模量是最高的，注意，這里說的是常見的工業(yè)金屬。具體來說，碳鋼和合金鋼的彈性模量約為 206 GPa，它們在承受較大負(fù)載時(shí)不易變形，因而非常適合制造要求高剛度的零件。 銅合金和鋁合金的彈性模量大約為鋼的 1/3 到 1/2，即在 70 GPa 到 100 GPa 之間。這些材料雖然在重量和耐腐蝕性方面表現(xiàn)優(yōu)異，但在剛度方面明顯遜色。 PART 02用拉、壓代替彎曲的準(zhǔn)則 提升結(jié)構(gòu)剛度的另一個(gè)重要準(zhǔn)則是：盡量使用拉力和壓力來代替彎曲力。 為什么要避免彎曲？ 我們可以通過想象一個(gè)簡單的例子來理解彎曲的影響。 假設(shè)你拿著一根長木棒，雙手分別抓住它的兩端。如果你用力彎曲它，木棒的中間部分就會發(fā)生彎曲，受力較大的地方可能會出現(xiàn)裂紋，甚至斷裂。 為什么會這樣呢？這是因?yàn)閺澢诓牧蟽?nèi)部產(chǎn)生較大的“剪切應(yīng)力”，這些應(yīng)力會導(dǎo)致材料在彎曲處發(fā)生裂紋，甚至破壞。 這就解釋了為什么我們盡量要避免使用彎曲。尤其在一些對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求高的設(shè)計(jì)中，比如建筑、橋梁和航空航天領(lǐng)域，過多的彎曲力會削弱材料的耐久性和安全性。 PART 03合理布置支持原則 在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，大家應(yīng)該可以想象到，支承條件對零件的強(qiáng)度和剛度有著明顯的影響，尤其是在設(shè)計(jì)軸類零件時(shí)，這種影響更為明顯。合理的支撐布置不僅能夠提高零件的承載能力，還能有效減小變形，延長使用壽命。 支承條件對強(qiáng)度和剛度的影響 懸臂支撐：懸臂支撐的支撐條件在這三種支撐方式中是最苛刻的，通常只有一端固定，另一端自由。在這種情況下，施加在懸臂梁上的力都會容易導(dǎo)致產(chǎn)生較大的彎曲變形和撓度（即梁中間的下凹程度）。懸臂梁的最大彎曲力矩（Mmax）和最大撓度（fmax）相對較大，其強(qiáng)度和剛度在三種基本的支撐類型中是最差的。 簡支：簡支梁的兩端都固定在支撐點(diǎn)上，能更好地分散施加在其上的負(fù)載，從而降低彎曲力矩和撓度。相較于懸臂梁，簡支梁具有更高的強(qiáng)度和剛度，因?yàn)樗闹吸c(diǎn)更多，可以更有效地分散受力。 固定端支承：這是支撐條件中更優(yōu)的一種，將簡支梁的球軸承改為滾子軸承，支撐點(diǎn)由點(diǎn)接觸轉(zhuǎn)變?yōu)榫€接觸。這種改動能夠有效提高支撐特性，使得梁的強(qiáng)度和剛度得到進(jìn)一步提升。固定端支承可以承受更大的負(fù)載，且產(chǎn)生的撓度更小。 支承條件對強(qiáng)度和剛度的影響（見表1） 表1 支承條件對強(qiáng)度和剛度的影響 PART 04合理確定肋的形狀和尺寸 在大型機(jī)械零件的設(shè)計(jì)中，為了提高產(chǎn)品的強(qiáng)度和剛度，同時(shí)減輕重量并節(jié)約材料，通常在零件上添加肋。肋的設(shè)計(jì)不僅可以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的承載能力，還能有效分散應(yīng)力，提高整體穩(wěn)定性。以下是關(guān)于肋的形狀和尺寸設(shè)計(jì)的一些重要考慮因素。 1. 肋的設(shè)計(jì)原則 肋的厚度：肋的厚度通常應(yīng)比鑄件的壁厚薄，一般取為壁厚的80%左右。 肋的形式：不同形狀的肋在強(qiáng)度和剛度方面表現(xiàn)不同。表2提供了幾種常見肋的斷面形式及其剛度比較，通常情況下，斜肋的效果最佳，能更好地承受彎曲和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。 表2 四種斷面形式的剛度比較 用預(yù)變形提高剛度減小工作變形準(zhǔn)則 許多結(jié)構(gòu)件，如導(dǎo)軌、機(jī)架和橫梁，常常在工作載荷的作用下產(chǎn)生下凹變形。為了有效減少這些零件在受力后產(chǎn)生的變形量，可以采用了一種被稱為預(yù)變形的設(shè)計(jì)方法。這種方法通過在零件制造時(shí)施加一定的上凸形狀，從而在實(shí)際工作中實(shí)現(xiàn)更小的變形。 1. 預(yù)變形的原理 預(yù)變形的基本原理其實(shí)就是利用材料的彈性特性。 材料在受力時(shí)，具有彈性和塑性兩種基本行為。彈性變形是材料在卸載后能恢復(fù)到原始形狀的部分，而塑性變形則是材料在受力后發(fā)生永久性變形。預(yù)變形設(shè)計(jì)主要利用了材料的彈性特性，通過合理控制變形，確保在工作載荷下零件能保持在可接受的變形范圍內(nèi)。 例如，拿起重機(jī)的橫梁來說，其在承載重物時(shí)會受到巨大的力，這種情況橫梁容易產(chǎn)生較大的下凹變形，影響起重機(jī)的穩(wěn)定性和安全性。通過設(shè)計(jì)一個(gè)上凸的結(jié)構(gòu)，當(dāng)重物被吊起時(shí)，橫梁的變形會減少，從而保持更好的剛度和穩(wěn)定性。 2. 預(yù)變形設(shè)計(jì) 在進(jìn)行預(yù)變形設(shè)計(jì)時(shí)，需要特別關(guān)注以下幾個(gè)關(guān)鍵方面： 2.1 預(yù)變形量的控制 預(yù)變形的程度是設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵。預(yù)變形量應(yīng)根據(jù)以下因素進(jìn)行合理計(jì)算和調(diào)整： ① 載荷大小：預(yù)變形量設(shè)計(jì)應(yīng)考慮到實(shí)際工作載荷的大小和性質(zhì)。例如，在某些應(yīng)用中，載荷可能是瞬時(shí)的、沖擊性的，而在其他情況下則可能是恒定的、持續(xù)的。這種不同的載荷類型對材料的反應(yīng)也有所不同，設(shè)計(jì)時(shí)需結(jié)合具體工況進(jìn)行分析。 ② 零件幾何形狀：零件的幾何形狀會影響其剛度和變形行為。長細(xì)桿與短粗桿在受力時(shí)表現(xiàn)出不同的變形特性，因此設(shè)計(jì)師在計(jì)算預(yù)變形量時(shí)，需要結(jié)合零件的形狀特征，確保能夠在外載荷作用下達(dá)到最佳效果。 2.2 材料選擇 選擇合適的材料是實(shí)現(xiàn)有效預(yù)變形設(shè)計(jì)的另一個(gè)重要因素。設(shè)計(jì)人員在選擇材料時(shí)，應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)： ① 材料特性：不同材料具有不同的彈性模量和屈服強(qiáng)度。 材料的彈性模量直接影響其在預(yù)變形狀態(tài)下的剛度； 塑性特性則決定了材料在受力時(shí)的變形行為。 通常，高彈性模量的材料能夠更有效地承受外部載荷，從而在預(yù)變形后保持更好的剛度。 設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)所選材料的這些特性，計(jì)算出適當(dāng)?shù)念A(yù)變形量，以避免在使用過程中達(dá)到或超過材料的屈服強(qiáng)度。 ② 工作條件的適應(yīng)性：材料在實(shí)際工作條件下的表現(xiàn)，包括溫度、濕度、化學(xué)腐蝕等環(huán)境因素，對選擇合適材料至關(guān)重要。例如，在高溫環(huán)境下，某些材料可能會軟化，導(dǎo)致剛度降低，因此選擇時(shí)要充分考慮這些因素。 2.3 工藝影響 ① 熱處理工藝：在某些情況下，熱處理可以改善材料的性能，增加材料的耐久性和剛度。例如，通過淬火和回火等熱處理工藝，可以提高鋼材的硬度和強(qiáng)度，從而使產(chǎn)品在預(yù)變形狀態(tài)下保持更好的表現(xiàn)。 ② 表面處理：表面處理工藝（如噴涂、陽極氧化等）可以增強(qiáng)材料的耐腐蝕性和耐磨性，對延長零件的使用壽命有好的作用。因此，設(shè)計(jì)人員在考慮預(yù)變形時(shí)，也可以考慮表面處理的選擇。 PART 05提高機(jī)械零件接觸面的接觸剛度準(zhǔn)則 在機(jī)械設(shè)計(jì)中，接觸面的剛度對整個(gè)結(jié)構(gòu)的性能和穩(wěn)定性也具有一定影響。機(jī)械零件的表面粗糙度會導(dǎo)致互相接觸表面發(fā)生變形，從而降低接觸剛度。在之前的粗糙度文章《系列三：表面粗糙度究竟對產(chǎn)品有多大影響？（下）》中也講到過這一點(diǎn)。因此，在設(shè)計(jì)中，應(yīng)對受力零件接觸面的表面粗糙度參數(shù)提出適當(dāng)?shù)囊蟆?1.接觸剛度的定義 接觸剛度是描述兩個(gè)接觸表面在外力作用下，抵抗變形能力的指標(biāo)。它通常與材料的彈性模量、接觸表面的幾何形狀以及表面粗糙度等因素有關(guān)。接觸剛度越高，零件在受力時(shí)的變形越小，連接的穩(wěn)定性也越好。 2. 表面粗糙度的影響 表面粗糙度是描述表面不平整程度的參數(shù)。表面越粗糙，接觸面之間的接觸點(diǎn)越少，導(dǎo)致接觸面積減小。這會使得外部載荷集中在少數(shù)接觸點(diǎn)上，從而引起局部過度變形，降低整體接觸剛度。 3 表面粗糙度的要求 為保證機(jī)械零件在使用過程中的接觸剛度，設(shè)計(jì)人員應(yīng)針對受力零件的接觸面設(shè)計(jì)合理的表面粗糙度參數(shù)值。Rz值是表面粗糙度的一種常用參數(shù)，表示表面最高點(diǎn)與最低點(diǎn)之間的垂直距離。一般而言，Rz值越小，表面越光滑，接觸剛度越高。 表1提供了螺栓、螺母及壓緊的鋼制零件的壓陷量參考值，數(shù)據(jù)摘自德國工程師協(xié)會的技術(shù)準(zhǔn)則VD2230，《高強(qiáng)度螺栓連接系統(tǒng)計(jì)算》。 表1 螺栓、螺母和壓緊的鋼制零件壓陷量的參考值(摘自VDI2230一2003)

 

 

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