一般轴类零件结构设计都有哪些原则

机械零件设计是从机器的工作原理、承载能力、构造和维护等方面研究通用机械零件的设计问题，其中包括如何合理确定零件的形状和尺寸、如何合理选择零件的材料以及如何使零件具有良好的工艺性等。

机械零件设计的基本要求：

零件是组成机器的基本单元，要使所设计的机器满足基本使用要求，就必须使组成机器的零件满足以下要求。

1、避免在预定寿命期内失效的要求

在预定寿命期内不失效的要求包括三方面：强度、刚度、寿命。

(1)强度

零件在工作中发生断裂、磨损或不允许的变形统属强度不足。上述失效形式，除了用于安全装置中预定适时破坏的零件外，对任何零件都是应当避免的。因此保证零件有足够的强度，是机器正常工作的一个基本要求。

为了提高机械零件的强度，在设计时原则上可以采用以下的措施：采用强度高的材料；使零件具有足够的截面尺寸；合理地设计零件的截面形状，以增大截面的惯性矩；采用热处理和化学热处理方法，以提高材料的力学性能；提高运动零件的制造精度，以降低工作时的动载荷；合理地配置机器中各零件的相互位置，以降低作用于零件上的载荷等。

(2)刚度

零件在工作时所产生的弹性变形不超过允许的限度，就叫做满足了刚度要求。对于弹性变形过大就要影响机器工作性能的零件，设计时除了要作强度计算外，还必须作刚度计算。

为了提高零件的整体刚度，可采取如下措施：增大零件截面尺寸或增大截面的惯性矩；缩短支承跨距或采用多支点结构，以减小挠曲变形等。

(3)寿命

有的零件在工作初期虽然能够满足各种要求，但在工作一定时间后，却可能由于某些原因而失效。这个零件正常工作延续的时间就叫零件的寿命。

零件寿命是决定机器寿命的基础，零件的破坏会导致机器无法正常工作。影响零件寿命的主要原因有：材料的疲劳，材料的腐蚀以及相对运动零件接触表面的磨损。

2、结构工艺性要求

零件具有良好的结构工艺性，是指在既定的生产条件下，能够方便而经济地生产出来，并便于装配。所以零件的结构工艺性应从毛坯制造、机械加工过程及装配等几个生产环节加以综合考虑。工艺性还和批量大小及具体的生产条件相关。为了改善零件的工艺性，就应当熟悉当前的生产水平及条件。对零件的结构工艺性具有决定性影响的零件结构设计，在整个设计工作中占有很大的比重，因而必须予以足够的重视。

3、经济性要求

零件的经济性首先表现在零件本身的生产成本上。零件的经济性决定了机器的经济性，设计零件时，应力求设计出耗费(包括钱财、制造时间及人工)最少的零件。

要降低零件的成本，首先要采用轻型的零件结构，以降低材料消耗，并且采用廉价而供应充足的材料以代替贵重材料，可以降低材料费用；采用少余量或无余量的毛坯或简化零件结构，以减少加工工时；工艺性良好的结构就意味着加工及装配费用低，所以工艺性对经济性有着直接的影响，对于大型零件采用组合结构以代替整体结构，这些对降低零件成本均有显著的作用。另外，尽可能采用标准化的零、部件，就可在经济性方面取得很大的效益。

4、质量小的要求

对绝大多数零件来说，都应当力求减小其质量。减小质量有两方面的好处：一方面可以节约材料，节约材料就意味着节省成本；另一方面，对于运动零件来说，可以减小惯性，改善机器的动力性能。

可采取以下措施减小零件的质量：采用缓冲装置来降低零件上所受的冲击载荷；使用安全装置来限制作用在主要零件上的最大载荷；适当减少零件上应力较小处材料，以改善零件受力的均匀性，从而提高材料的利用率；施加与工作载荷相反方向的预载荷，以降低零件上的工作载荷，采用轻型薄壁的冲压件或焊接件来代替铸、锻零件，以及采用强重比高的材料等。

5、可靠性要求

机器的可靠性是由零件的可靠性保证的，零件可靠度是指在规定的使用时间内和预定的环境条件下，零件能够正常地完成其功能的概率。对于绝大多数机械来说，失效的发生都是随机性的。因此，为了提高零件的可靠性，就应当在工作条件和零件的性能两个方面使其随机变化尽可能地小。此外，在使用中加强维护和对工作条件进行监测，也可以提高零件的可靠性。

一、机械零件的常规设计方法

1、理论设计

理论设计是根据设计理论和实验数据所进行的设计。它又可分为设计计算和校核计算两类。设计计算是根据零件的工作情况，选定计算准则，按其所规定的要求计算出零件的主要几何尺寸和参数。校核计算是先按其他办法初步拟定出零件的主要尺寸和参数，然后根据计算准则所规定的要求校校零件是否安全。由于校核计算时，已知零件的有关尺寸，因此能计入影响强度的结构因素和尺寸因素，计算结果比较精确。

2、经验设计

经验设计是根据已有的经验公式或设计者本人的工作经验，或借助类比方法所进行的设计。这主要适用于使用要求不大变动而结构形状已典型化的零件，如箱体、机架、传动零件的结构要素等。

3、模型实验设计

这种设计是对一些尺寸巨大、结构复杂的重要零件，根据初步设计的结果，按比例制成小尺寸的模型，经过实验手段对其各方面的特性进行检验，再根据实验结果对原设计进行逐步修改，从而达到完善的设计。模型实验设计是在设计理论还不成熟，已有的经验又不足以解决设计问题时，为积累新经验、发展新理论和获得好结果而采用的一种设计方法。但这种设计方法费时、耗资，一般只用于特别重要的设计中。

二、机械零件设计的一般步骤

1)选择零件的类型和结构。这要根据零件的使用要求，在熟悉各种零件的类型、特点及应用范围的基础上进行。

2)分析和计算载荷。分析和计算载荷，是根据机器的工作情况，来确定作用在零件上的载荷。

3)选择合适的材料。要根据零件的使用要求、工艺要求和经济性要求来选择合适的材料。

4)确定零件的主要尺寸和参数。根据对零件的失效分析和所确定的计算准则进行计算，便可确定零件的主要尺寸和参数。

5)零件的结构设计。应根据功能要求、工艺要求、标准化要求，确定零件合理的形状和结构尺寸。

6)校核计算。只是对重要的零件且有必要时才进行这种校核计算，以确定零件工作时的安全程度。

7)绘制零件的工作图。

8)编写设计计算说明书。

三、机械零件的设计计算

机械零件的主要尺寸常常需要通过理论计算确定。理论设计计算是根据零件的结构特点和工作情况，将它合理简化成一定的物理模型，运用理论力学、材料力学、流体力学、摩擦学、热力学、机械振动学等理论或利用这些理论推导出设计公式、实验数据来进行设计。理论设计计算可分为设计计算和校核计算两种。

1)设计计算。按设计公式直接求得零件的有关主要尺寸。

2)校核计算。已知零件各部分的尺寸，用设计公式校核它是否满足有关的设计计算准则。

为了使设计计算的结果更符合实际，应该多方面参考过去成功的设计和实践积累的经验关系式、统计数据等。对于一些大型、结构复杂的重要零件，必要时还可以进行模型实验或实物实验。

零件结构设计原则

1.以产品设计使得零件种类与数量最少。

2.致力于消除装配时的调整工作。

3.设计零件具有自行对准与自行定位。

4.确保提供作业上所需适当的进出空间与视线。

5.设计出容易搬运处理之零件。

6.在装配过程中,减少零件重新定向之需求。

7.零件应设计成不至于被错误装配之可能。

8.零件设计应尽可能对称,若有特性需求则使零件凸显特征。

9.设计零件由上往下装配,并使用模块化装配设计。提供者：宁波三泰公司

锻造流线使金属性能呈现异向性，沿着流线方向（纵向）抗拉强度较高，而垂直于流线方向（横向）抗拉强度较低。

生产中若能利用流线组织纵向强度高的特点，使锻件中的流线组织连续分布并且与其受拉力方向一致，则会显著提高零件的承载能力。例如 , 吊钩采用弯曲工序成形时，就能使流线方向与吊钩受力方向一致，从而可提高吊钩承受拉伸载荷的能力。锻压成形的曲轴中，其流线的分布是合理的。

锻件特点

与铸件相比，金属经过锻造加工后能改善其组织结构和力学性能。铸造组织经过锻造方法热加工变形后由于金属的变形和再结晶，使原来的粗大枝晶和柱状晶粒变为晶粒较细、大小均匀的等轴再结晶组织，使钢锭内原有的偏析、疏松、气孔、夹渣等压实和焊合，其组织变得更加紧密，提高了金属的塑性和力学性能。

铸件的力学性能低于同材质的锻件力学性能。此外，锻造加工能保证金属纤维组织的连续性，使锻件的纤维组织与锻件外形保持一致，金属流线完整，可保证零件具有良好的力学性能与长的使用寿命采用精密模锻、冷挤压、温挤压等工艺生产的锻件，都是铸件所无法比拟的

锻件是金属被施加压力，通过塑性变形塑造要求的形状或合适的压缩力的物件。这种力量典型的通过使用铁锤或压力来实现。锻件过程建造了精致的颗粒结构，并改进了金属的物理属性。在零部件的现实使用中，一个正确的设计能使颗粒流在主压力的方向。

铸件是用各种铸造方法获得的金属成型物件，即把冶炼好的液态金属，用浇注、压射、吸入或其它浇铸方法注入预先准备好的铸型中，冷却后经落砂、清理和后处理等，所得到的具有一定形状，尺寸和性能的物件。

如下：

1、这个二抓卡盘是抓不稳的，因为定位面不足，这就是三个点的定位夹紧，在这个零件的径向是没有完全限定位置的，所以无法满足正常加工的需要。

2、这两个锥面的同轴度无法保证，因为你根本就没有定位基准，也没有校核的条件，所以这样的加工是无法保证这两个锥面的同轴度。

3、因为夹紧不可靠，自然也就无法保证锥面的雏度和零件的表面粗精度等技术要求。所以这个零件以这样的装夹方式是行不通的，这样的设计只能停留在图纸上。

加工技巧

在加工零件的时候可以先加工—个圆锥体出来，然后再用—个过渡夹具中的零件来固定这个零件，然后将这个组合零件安装在三抓卡盘上，这样就可以进行零件的另—端的锥体加工了。

这样的加T方式，虽然比较警琐，而目加T成本也相对较高，但是却可以更好的保证两个锥体的同轴度、锥度和表面粗糙度。这个过渡夹具是有一个前提的，那就是这个零件必须允许去打这个拉紧螺纹孔，如果不允许做这样的工艺孔的话，这个零件的加工依然是非常麻烦的。

通用原则。 先看同类产品是否有可替代其次设计的产品是否必须的再次成本核算是否在预算内最后生产加工的设备是不是通用设备。 产品设计是个综合信息处理的复杂过程，它最终的结果是把线条、符号、数字绘制成合理的设计图样，设计人员应从以下几个方面综合考虑；（l）简化每个零件的形状，使机器结构简单；（2）合并零件的功能，减少零件的种类或数量；（3）应用新结构、新工艺、新材料、新原理来简化产品结构；（4）分解部件，研究其装配、组装的最简单的结构；（5）对相似零件进行分组；（6）对相似产品按标准数序列进行产品系列化分析；（7）实现产品零件的通用化和标准化。产品设计人员提高设计质量的关键在于自觉、主动地学习与生产加工过程和加工工艺方面有关的知识，熟练掌握设计技巧。

描述产品的结构设计是指产品开发环节中结构设计工程师根据产品功能而进行的内部结构的设计工作，产品结构设计的工作包括根据外观模型进行零件的分件、确定各个部件的固定方法、设计产品使用和运动功能的实现方式、确定产品各部分的使用材料和表面处理工艺等等，产品结构设计是机械设计的基本内容之一，也是设计过程中花费时间最多的一个工作环节。在产品形成过程中，起着十分重要的作用。如果把设计过程视为一个数据处理过程，那么，以一个零件为例，工作能力设计只为人们提供了极为有限的数据，尽管这少量数据对于设计很重要，而零件的最终几何形状，包括每一个结构的细节和所有尺寸的确定等大量工作均需在结构设计阶段完成。其次，因为零件的构形与其用途以及其它“相邻”零件有关，为了能使各零件之间彼此“适应”，一般一个零件不能抛开其余相关零件而孤立地进行构形。因此，设计者总是需要同时构形较多的相关零件（或部件）。此外，在结构设计中，人们还需地考虑如何使产品尽可能做到外形美观、使用性能优良、成本低、可制造性、可装配性、维修简单、方便运输以及对环境无不良影响等等。因此可以说，结构设计具有“全方位”和“多目标”的工作特点。一个零件、部件或产品，为要实现某种技术功能，往往可以采用不同的构形方案，而目这项工作又大都是凭着设计者的“直觉”进行的，所以结构设计具有灵活多变和工作结果多样性等特点。对于一个产品来说，往往从不同的角度提出许多要求或限制条件，而这些要求或限制条件常常是彼此对立的。例如：高性能与低成本的要求，结构紧凑与避免干涉或足够调整空间的要求，在接触式密封中既要密封可靠又要运动阻力小的要求，以及零件既要加工简单又要装配方便的要求等等。结构设计必须面对这些要求与限制条件，并需根据各种要求与限制条件的重要程度去寻求某种“折衷”，求得对立中的统一。产品的结构设计是有规律可循的，结构设计指南是由多代机械工程师通过真实的产品开发经验和教训总结而得，具有非常高的结构设计指导价值。牛顿说过：如果说我比别人看得更远些,那是因为我站在了巨人的肩上。一个成功的产品结构设计离不开对设计指南的遵循，机械工程师掌握了结构设计指南，就相当于牛顿站在了巨人的肩上。常见的结构设计指南包括：面向装配的设计指南、塑胶件设计指南、钣金件设计指南和压铸件设计指南等，具体的指南可参考机械工业出版社出版的《面向制造和装配的产品设计指南》一书，掌握了这些指南，产品开发才有可能以更低的开发成本、更短的开发周期和更高的产品质量进行。例如，面向装配的设计指南的主要内容有：减少零件数量、简化产品结构、零件标准化、产品模块化、设计稳定的基座、设计导向特征、零件先定位后固定、防错的设计、人机工程学的设计等等。产品结构设计通过遵循面向装配的设计指南，提高产品的可装配性，从而提高产品装配效率、减少产品装配错误和装配时间、提高产品装配质量等。

1、根据工作要求及条件，确定零件类型

2、确定零件载荷，选取材料，拟定零件工作能力，计算关键尺寸；

3、结构设计；

4、绘图，标注公差配合，粗糙度，加工要求及技术条件；

机器是由零件组成的。因此，设计的机器是否满足前述基本要求，零件的质量是关键，为此还应对机械零件提出以下基本要求：

（1）强度、刚度及寿命要求。

强度是衡量零件抵抗破坏的能力。零件强度不足，将导致过大的塑性变形甚至断裂破坏，使机器停止工作甚至发生严重事故。采用高强度材料，增大零件截面尺寸及合理设计截面形状，采用热处理及化学处理方法，提高运动零件的制造精度，以及合理配置机器中各零件的相互位置等，均有利于提高零件的强度。2004年5月23日，巴黎戴高乐机场2E候机厅顶棚发生坍塌事故，如图4-11所示，造成包括两名中国公民在内的4人死亡，3人受伤。事后调查表明，候机厅顶棚坍塌事故是由候机厅顶棚上的一个穿孔引起强度不足所致。

图4-11　戴高乐机场候机厅垮塌刚度是衡量零件抵抗弹性变形的能力。零件刚度不足，将导致过大弹性变形，引起载荷集中，影响机器工作性能，甚至造成事故。例如，机床主轴、导轨等，若刚度不足、变形过大，将严重影响所加工零件的精度。零件的刚度分整体变形刚度和表面接触刚度两种，增大零件的截面尺寸、增大截面惯性矩、缩短支承跨距或采用多支点结构等措施，有利于提高零件的整体刚度；增大贴合面及采用精细加工等措施，将有利于提高零件的接触刚度。一般来说，满足刚度要求的零件，也满足其强度要求。

寿命是指零件正常工作的期限。材料的疲劳、腐蚀以及相对运动对零件接触表面的磨损，是影响零件寿命的主要因素，此外还有高温下的蠕变等。提高零件抗疲劳破坏能力的主要措施有减小应力集中、保证零件有足够大小的尺寸及提高零件表面质量等。提高零件耐腐蚀性能的主要措施有选用耐腐蚀材料及采取各种防腐蚀的表面保护措施。

（2）结构工艺性要求。

零件应具有良好的结构工艺性。这就是说，在一定的生产条件下，零件应能方便而经济地生产出来，并便于装配成机器，如图4-12所示。为此，应从零件的毛坯制造、机械加工及装配等几处生产环节综合考虑，对零件的结构设计予以足够重视。

图4-12　汽车内部结构（3）可靠性要求。

零件可靠度的定义和机器可靠度的定义是相同的，而机器的可靠度主要是由其组成零件的可靠度来保证。提高零件的可靠性，应从工作条件（载荷、环境温度等）和零件性能两个方面综合考虑，使其随机变化尽可能小。同时，加强使用中的维护与监测，也可提高零件的可靠性。

（4）经济性要求。

零件的经济性，主要决定于零件的材料和加工成本。因此，提高零件的经济性主要从零件的材料选择和结构工艺性设计两个方面加以考虑。如采用廉价材料以代替贵重材料，采用轻型结构和少余量、无余量毛坯，简化零件结构和改善零件结构工艺性，以及尽可能采用标准化的零、部件等。

（5）质量小的要求。

尽可能减小质量对绝大多数机械零件都是必要的。减小质量首先可以节约材料，另一方面对运动零件可减小其惯性，从而改善机器动力性能。对运输机械来说，减小零件质量就可减小机械本身的质量，从而减小动载量。要达到零件质量小的目的，应从多方面采取设施。