3.7 典型零件设计

机械零件设计中主要包括四种类型的典型零件,分别是轴套类零件、盘盖类零件、叉架类零件及箱体类零件。因为这四种类型零件结构比较典型,所以其设计方法及考虑相对来讲也是比较固定的,我们只要掌握这些典型零件设计方法,就能够很好完成这些零件设计。本节主要介绍这四种典型零件设计方法与技巧。

3.7.1　轴套类零件设计

轴套类零件一般装在轴上或机体腔体孔中,起支承、导向、轴向定位、保护传动零件、传递动力等作用。

轴套类零件多数是由共轴的多段圆柱体、圆锥体构成,一般其轴向尺寸大于径向尺寸,根据设计和加工工艺要求,在各段上常有倒角、键槽、销孔、螺纹等结构,轴段与轴段之间常有轴肩、退刀槽、砂轮越程槽等结构。轴类零件的毛坯多是棒料或锻件,加工方法以车削、磨削为主。轴套类零件的毛坯多是管筒件或铸造件,加工方法以车削、磨削、镗削为主。图3⁃427所示的是常见轴套类零件。

(1)轴套类零件结构特点分析

欲设计轴套类零件,首先要分析轴套类零件结构特点。轴套类零件不同于前面章节介绍的任何一种一般类型的零件,所以不能使用一般零件设计方法进行设计。轴套类零件属于机械设计中的一种典型零件,一般可以划分为四大结构。

① 轴套主体结构　轴套主体结构是轴套零件的基础结构,就是将轴套上所有细节去掉之后的结构,轴套类零件上的其余结构都是在这个主体结构基础上设计的。

② 轴套沟槽结构　轴套沟槽结构包括各种回转沟槽、退刀槽等。

③ 轴套附属结构　轴套附属结构包括各种键槽、花键、切口、内外螺纹等结构。

④ 轴套修饰结构　轴套修饰结构就是为了方便轴套零件与其他零件安装配合而设计的倒角结构及圆角结构,一般需要在安装配合的轴段连接位置设计。

(2)轴套类零件设计思路

分析轴套类零件结构特点。轴套类零件一般都是回转类零件,在设计中首先使用旋转命令设计轴套类零件的主体结构及沟槽结构,然后再设计轴套类零件上的其他附属结构及修饰结构。在SOLIDWORKS中进行轴套类零件设计的一般思路如下:

① 使用旋转凸台命令设计轴套零件的主体结构;

② 使用旋转切除命令设计轴套零件上的沟槽结构;

③ 使用合适工具设计轴套上其他附属结构;

④ 使用倒斜角或倒圆角命令设计轴套零件上的修饰结构。

(3)轴套类零件设计要求及规范

轴套类零件设计不仅要注意轴套类零件结构要求,更要注意轴套类零件内在要求及规范。下面主要介绍一下轴套类零件设计过程中一定要注意的内在设计要求及规范。

① 主体结构设计要求及规范　轴套类零件一般都是回转零件,在设计中首先使用旋转凸台基体命令设计轴套类零件的主体结构。在绘制轴套类零件主体结构旋转截面时要特别注意以下几点:

首先,在没有特殊说明的情况下,一般是在主视图(SOLIDWORKS软件中的前视基准面)上绘制旋转截面,方便以后出工程图,因为在机械制图中轴套零件主视图是非常重要的视图,反映轴套零件主体结构。

其次,在机械制图中,轴套零件的主视图一般都是沿轴线水平放置的(特殊情况例外),所以在草绘环境中绘制的轴套截面也应该按照水平方向绘制,如果竖直绘制或者采用其他方位绘制不符合机械制图关于轴套零件工程图的标准规范。

第三,对于轴套类零件设计基准的确定,如果没有比较明确的设计基准或特殊说明,都是取轴套零件总长的中点作为其设计基准。

最后,绘制轴套类零件主体结构旋转截面时,轴套类零件各段轴径一定要直接标注直径值,不能标注轴的半径值,否则不符合轴套零件工程图尺寸标注要求及规范。

另外,轴套零件主体结构中各段的长度要根据具体要求进行计算,千万不要随便设计,特别是涉及与其他轴套上附属零件安装时,一定要保证符合安装尺寸要求,如轴零件上与轴承安装的轴段,轴段长度一般要小于或等于安装轴承的宽度值。

② 沟槽结构设计要求及规范　轴套零件上往往有各种沟槽结构,如回转沟槽、退刀槽等,这些沟槽主要作用如下。

a.首先,方便加工过程中加工刀具从轴上退出,确保已加工结构的安全。例如在已加工好的轴段上还需要加工螺纹结构,就需要在加工螺纹结构之前,先在轴段上加工退刀槽,再去加工螺纹,此时加工螺纹的刀具就能够方便地从退刀槽位置退出加工,同时确保其他已加工结构的安全。

b.其次,沟槽结构方便轴套类零件与其他轴套上零件(如齿轮、带轮、轴承等)之间的安装配合,保证安装精度要求,所以凡是涉及要与轴套上零件安装配合的轴段,都要设计相应的沟槽结构。

在实际轴套类零件设计中,沟槽结构很容易与轴套类主体结构搞混淆,所以很多人会错误地将轴套上的沟槽结构与轴套主体结构一块进行设计,这样能够一次性完成轴套主体与沟槽的设计,看似很简便高效,但是存在很多实际问题,所以在实际设计时一定要注意以下3个方面:

a.首先,将轴套主体结构与沟槽一块进行设计会使回转截面草图更加复杂,这不符合零件设计中简化草图的设计原则。

b.其次,从轴套设计与工艺来讲,轴套主体结构与沟槽结构属于不同结构工艺,在加工过程中使用不同的车刀进行加工,对其进行分开设计,符合对轴套加工工艺的理解。

c.最后,这些沟槽结构属于轴套上比较细微的特征,在结构分析中应该进行简化,如果将沟槽与轴套主体结构一起设计会影响轴套类零件简化与结构分析。

基于以上原因,在轴套类零件设计中应该将轴套上沟槽结构与轴套主体结构进行分步设计,一般是先设计轴套主体结构,再设计轴套上的沟槽结构。

③ 附属结构设计要求及规范　轴套类零件上附属结构主要包括键槽、花键、螺纹以及各种孔结构,一定要注意这些附属结构标准化设计要求及规范。

下面以键槽设计为例,因为键槽位置将来要安装键零件,而所有的键都属于标准件,其具体尺寸都已经标准化了,一定要根据标准选用。如果不按标准进行设计,将来在安装键零件时找不到合适键零件,会影响整个产品设计。

另外,在绘制键槽截面时(以长圆形键槽为例),需要绘制一个长圆形截面,在进行标注时,一定要标注长圆形的宽度值,标注长圆形圆弧半径是不规范的,因为此处的长圆形宽度就是键槽的宽度值。

最后是键槽的定位尺寸,这个取决于整个轴套零件的尺寸基准,一般要从尺寸基准处开始标注。

④ 修饰结构设计要求及规范　修饰结构主要包括倒角与圆角。轴套类零件上的一些轴段需要安装各种轴上附属结构,如轴承、轴套等,为了方便之后在轴套上安装这些附属结构,需要在配合的轴段位置设计合适的倒角与圆角,方便安装导向,实现精确安装。

这些修饰结构的设计与前面介绍的沟槽结构设计类似,不要与轴套主体一起设计,主要考虑还是简化草图的原则以及方便以后在结构分析中进行结构简化。

(4)轴套类零件设计实例

如图3⁃428所示是一轴零件的设计图纸,根据该设计图纸,完成轴零件的结构设计,在设计中注意轴零件设计思路及典型结构的设计。

根据轴结构特点及前面介绍的轴设计思路,要完成该轴的设计,首先需要设计轴主体结构(轴主体就是轴的基础结构,一般就是将轴上沟槽、附属结构及倒角全部简化后的光轴结构,需要按照轴图纸信息标注各段轴长度及直径尺寸);然后设计轴上沟槽结构,一共两处沟槽,沟槽宽度为2,沟槽直径为33;接着设计轴上附属结构,包括左端的键槽和右端的螺纹,左端键槽尺寸为26×6,定位尺寸为4,右端螺纹规格为M24×30;最后设计轴上倒角结构,所有倒角尺寸为C1。具体设计过程请参看随书视频。

3.7.2　盘盖类零件设计

盘盖类零件的基本形状为扁平的盘状结构,其主要结构为多个回转体,直径方向尺寸一般大于轴向尺寸,为了与其他结构连接,结构中一般包括一些凸台结构及圆周分布的孔结构。盘盖类零件的毛坯一般为铸件、锻件,然后经过车削加工、磨削加工形成最终的形状,如图3⁃429所示的是常见盘盖类零件。

(1)盘盖类零件结构特点分析

欲设计盘盖类零件,首先要分析盘盖类零件结构特点。盘盖类零件不同于前面章节介绍的任何一种一般类型的零件,所以不能使用一般零件设计方法进行设计。盘盖类零件属于机械设计中的一种典型零件,一般可以划分为三大结构:

① 盘盖主体结构　盘盖主体结构就是盘盖类零件的基础结构,就是将盘盖上所有细节去掉之后的结构,盘盖零件上的其余结构都是在这个主体结构基础上设计的。

② 盘盖附属结构　盘盖类零件附属结构主要包括各种凸台、切口、孔等结构。

③ 盘盖修饰结构　盘盖类零件修饰结构就是为了方便盘盖类零件与其他零件安装配合而设计的倒角结构及圆角结构。

(2)盘盖类零件设计思路

分析盘盖类零件结构特点。盘盖类零件一般都是回转类零件,在设计中首先使用旋转凸台命令设计盘盖类零件的主体结构,然后再设计盘盖类零件上的其他附属结构及修饰结构。在SOLIDWORKS中进行盘盖零件设计的一般思路如下:

① 使用旋转凸台命令设计盘盖类零件的主体结构;

② 使用合适工具设计盘盖上的附属结构;

③ 使用倒圆角或倒斜角命令设计盘盖类零件上的圆角及倒角结构。

(3)盘盖类零件设计要求及规范

盘盖类零件设计不仅要注意盘盖类零件结构要求,更要注意盘盖类零件设计要求及规范。下面主要介绍一下盘盖类零件设计过程中一定要注意的设计要求及规范。

① 主体结构设计要求及规范　盘盖类零件主体多为回转结构,在绘制盘盖类零件主体旋转截面时要特别注意,虽然在机械制图中对于盘盖类零件的主视图没有严格的要求,但是确定主视图放置一定要从多个方面(如工作方位、放置与安装方位、图纸幅面等)综合考虑,一般都是沿轴线水平放置的,所以在草绘环境中绘制的盘盖主体旋转截面时,如果没有特殊的考虑,也应该按照水平方向绘制(跟轴套类零件设计类似)。

另外,对于结构复杂的而且带中间腔体的盘盖类零件,在设计盘盖主体结构时,一般将盘盖中间腔体与盘盖主体分开设计,主要考虑就是简化草图原则,提高设计效率。

② 附属结构设计要求及规范　盘盖类零件中比较常见的一种附属结构就是圆周孔结构。一般圆周孔包括均匀分布圆周孔和非均匀圆周孔两种类型。为了规范高效地进行圆周孔设计,需要特别注意这两种圆周孔设计要求及规范。

a.非均匀分布圆周孔设计。首先选择合适的打孔平面绘制圆周孔定位草图点,然后选择任一定位草图点创建第一个圆周孔,最后使用草图驱动阵列方式将第一个圆周孔按照定位草图点进行阵列,类似于前面章节介绍的基座零件中底板孔的设计。

b.均匀分布圆周孔设计。这种均匀分布圆周孔在SOLIDWORKS直接使用圆周阵列即可,但是要注意阵列参数的正确设置,方便后期修改。

对于盘盖类零件中其他的附属结构,按照一般结构设计要求及规范进行设计即可。

(4)盘盖类零件设计实例

如图3⁃430所示的是法兰盘零件的设计图纸,需要根据该设计图纸,完成法兰盘零件的结构设计,在设计中注意盘盖类零件设计思路、设计方法。

根据盘盖类零件结构特点及前面介绍的盘盖类零件设计思路,要完成该法兰盘的设计,首先需要设计法兰盘主体结构(法兰盘主体就是法兰盘的基础结构,将法兰盘上两侧切除结构、圆周孔及倒角结构全部去掉后的简化结构);然后设计法兰盘上附属结构[包括法兰盘两侧切除结构(两侧切除宽度为82)及圆周孔结构(一共六个沉头孔)];最后设计法兰盘上倒角结构(所有倒角尺寸为C1),具体设计过程请参看随书视频。

3.7.3　叉架类零件设计

叉架类零件主要起连接与支承固定作用,如发动机连杆就是连接发动机活塞与曲轴的典型叉架类零件。各种管线支架、轴承及轴支架都是起支承固定作用的叉架类零件。叉架类零件的使用强度及刚度要求比较高,所以其结构中经常有各种肋板、梁等结构,肋板、梁的截面形状有工字形、T形、矩形、椭圆形等,其毛坯多为铸件、锻件,要经过多种机械加工工序制成。如图3⁃431所示是常见叉架类零件。

(1)叉架类零件结构特点分析

欲设计叉架类零件,首先要分析叉架类零件结构特点。叉架类零件形状结构变化灵活,没有比较固定的结构特点,绝大部分叉架类零件类似于前文介绍的一般类型零件(特别是分割类零件),但是不能单纯按照一般类型零件设计方法进行设计,为了规范高效地进行叉架类零件的设计,一般按照叉架类零件功能进行结构划分。叉架类零件包括以下主要结构:

① 定位结构　叉架类零件中经常会包含各种定位结构,这些定位结构就是为了从不同角度方位对结构进行固定,这些定位结构也是叉架类零件设计的基础与关键。

② 连接结构　连接结构作用就是将各种定位结构连接起来形成一个整体零件。

③ 附属结构　附属结构作用就是增强叉架类零件结构强度并完善叉架类零件功能,需要特别注意的是,附属结构对于叉架类零件来讲不是必须的,根据具体需要确定其设计。

④ 修饰结构　修饰结构主要是叉架类零件上的各种倒角及圆角结构。

(2)叉架类零件设计思路

因为叉架类零件形状结构变化灵活,没有比较固定的结构特点,所以在具体设计中对于设计工具的选择是非常灵活的,在SOLIDWORKS中进行叉架类零件设计的一般思路如下:

① 首先使用合适的工具设计叉架类零件定位结构;

② 然后使用合适工具设计叉架连接结构;

③ 根据需要使用合适工具设计叉架附属结构;

④ 最后使用倒圆角或倒斜角命令设计叉架类零件上的圆角及倒角结构。

(3)叉架类零件设计要求及规范

叉架类零件设计不仅要注意叉架类零件结构要求,更要注意叉架类零件内在设计要求及规范,下面主要介绍一下叉架类零件设计过程中一定要注意的内在设计要求及规范。

① 定位结构设计要求及规范　设计叉架类零件首先一个问题就是其设计方位(定位)的问题,因为支承类型的零件在工作中主要起连接及支承作用,其工作位置一般由与其相连接的零件确定,没有比较固定的放置方位,在设计中一般采用其实际的工作位置来放置即可。

叉架类零件设计中的结构位置关系非常重要,为了保证这些重要的位置定位关系,保证将来在装配中能够符合装配的位置要求,要灵活使用各种基准特征辅助完成设计。

② 附属结构设计要求及规范　叉架类零件中典型结构主要包括加强筋结构。在SOLIDWORKS中提供了两种加强筋设计工具,一种是轮廓筋,另一种是网格筋,需要根据具体结构特点,确定使用哪种工具来进行设计。有时还会使用扫描等特殊方式进行加强筋结构的设计。

(4)叉架类零件设计实例

如图3⁃432所示的连接臂零件设计图纸,根据该设计图纸设计连接臂零件。设计前仔细分析具体的设计思路,在设计中注意充分考虑零件的放置及定位,还有结构与结构之间的位置定位关系,另外还要注意结构中加强筋的设计。

根据叉架类零件结构特点及前面介绍的叉架类零件设计思路,要完成该连接臂的设计,首先需要设计连接臂右侧的定位结构,这是整个零件设计的基础,也是关键。这个定位结构主要由两个不同方向的圆柱筒体交叉连接构成。完成该定位结构设计后再设计连接结构,也就是零件中左侧的弯臂结构。这种弯臂结构是S形弯臂,可以使用拉伸凸台和拉伸切除方法来设计。最后是连接臂中的加强筋辅助结构及修饰结构的设计。具体设计过程请参看随书视频。

3.7.4　箱体类零件设计

箱体类零件一般起支承、容纳、定位和密封等作用。一般箱体类零件的内外结构形状比较复杂,其上常有空腔、轴孔、内支承壁、肋板、凸台、大小各异的孔等结构,如图3⁃433所示,箱体类零件毛坯多为铸件,需经各种机械加工。

箱体类零件是典型零件中结构最复杂的一种,要考虑的具体问题比较多,包括设计顺序、典型细节设计方法与技巧,还要特别注意设计效率等。

(1)箱体类零件设计思路

对于箱体类零件的设计,主要注意以下几点:一是箱体类零件的尺寸基准,一般都是以箱体底座结构上的底面作为尺寸基准,所以一般的箱体类零件设计首先创建箱体底座,然后创建箱体其他结构;箱体的壁厚一般都是均匀的,常使用薄壁拉伸方法来创建,保证壁厚均匀性;另外,要注意的就是充分考虑箱体上轴承、轴的承载凸台结构的设计,这些结构在箱体设计中是为了增加这些地方的强度,比较关键的尺寸一般是凸台面相对于箱体外表面以及箱体内表面的尺寸,对于箱体中的其他结构,没有特殊的地方,按照正常的建模要求来创建就可以了。

在SOLIDWORKS中进行箱体类零件设计的主要顺序如下:

① 使用拉伸凸台工具、倒圆角工具及孔工具设计箱体底板结构;

② 使用基准特征确定箱体重要设计基准及设计尺寸;

③ 使用加厚拉伸或抽壳方式设计箱体主体结构;

④ 使用拉伸工具及圆周孔设计箱体中的各种加厚凸台结构;

⑤ 使用倒圆角或倒斜角命令设计箱体类零件上的圆角及倒角结构。

(2)箱体类零件设计关键点

箱体类零件设计关键是各种结构形位尺寸的设计,主要包括以下两点:

① 箱体高度尺寸设计　合理选择箱体高度设计基准,一般是选择箱体底座底面为整个箱体设计基准,然后以该设计基准设计箱体高度即可直接得到箱体高度尺寸。

② 箱体表面凸台尺寸设计　一般会设计一个草图来控制箱体中凸台的主要设计尺寸,同时方便尺寸的修改。另外也可以先创建好控制尺寸的设计基准,然后根据这些设计基准来设计相应的结构。

(3)箱体类零件典型结构设计

箱体类零件的结构设计主要包括以下典型结构的设计,在具体设计过程中一定要注意相关的设计规范,才能正确设计箱体类零件。

① 箱体类零件的放置定位一般很好确定,箱体底板结构放置在水平面上,也就是上视基准平面,然后依次在箱体底板上叠加设计箱体其余结构。

② 箱体底座的设计要考虑箱体安装平稳性问题,所以箱体底座底面一般都不设计成大平整面,要设计成沟槽结构,按照“小面接触代替大面接触”的原则进行设计,特别是体型尺寸比较大的箱体更应该采用这种思路去设计。

③ 箱体均厚这一结构特点主要有两种方法进行设计:一种是用薄壁拉伸的方式进行设计;另外一种就是用抽壳方式进行设计。前者适用于绝大部分箱体的设计,后者主要用于整体式箱体结构的设计,有时还要考虑使用多个实体方式进行创建。

④ 对于箱体主体的设计还要注意箱体“底部”和“顶部”的设计。箱体“底部”一般要比其他位置厚,保证箱体底部及根部的强度。箱体“顶部”一般要考虑与箱盖的安装配合问题,需要设计相应的安装孔及定位销孔的设计。

(4)箱体类零件设计实例

如图3⁃434所示的齿轮箱零件设计图纸,根据该设计图纸设计齿轮箱零件,设计前仔细分析具体的设计思路,在设计中注意充分考虑零件的放置及定位,特别是箱体主体及箱体周边各种凸台结构的设计。

根据齿轮箱零件结构特点及前面介绍的箱体类零件设计思路,要完成该齿轮箱的设计,首先需要设计箱体底板结构,然后在箱体底板基础上创建箱体主体结构,注意箱体底部与顶部的设计;然后设计箱体四周的各种凸台结构,虽然凸台结构比较多,但是大概的形状都差不多,关键要注意各凸台的准确位置,这种情况下可以先创建必须的关键基准面以确定凸台准确位置;最后设计各种修饰结构,包括倒圆角及倒角,具体设计过程请参看随书视频。