机械原理与机械设计基本第二十七章 机架、箱体和导轨的结构设计
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二 、 箱体设计应考虑的主要问题
设计的过程中主要应考虑以下问题： 1.满足强度和刚度要求。
2. 散热性能和热变形问题。 3. 结构设计合理。 4. 工艺性问题。 5. 减振、隔振问题。 6. 造型好、质量轻。
值得注意的是在设计不同的箱体时，考虑问题时应该有所侧重。
三 、箱体毛坯的选择
铸造容易制造出结构复杂的箱体毛坯，铸造箱体的热影响变形小，吸 振能力较强，也容易获得较好的结构刚度，但其质量大。
焊接箱体允许有薄壁和大平面，而铸造却较难实现薄壁和大平面，此 外焊接箱体一般比铸造箱体轻，
大型的机座或箱体的制造，则常采用分体铸造，整体焊接的办法。 在选择箱体毛坯的时候，还要与生产能力和生产规模相符合。
四、 箱体结构主要参数设计
1． 壁厚 铸铁、铸钢和其它材料箱体的壁厚可以从表16-1和表16-2中选取，表中
• 机架的强度和刚度都需要从静态和动态两方 面来考虑。动刚度是衡量机架抗震能力的指 标，而提高机架抗振能力应从提高机架构件 的静刚度，控制固有频率，加大阻尼等方面 着手。
• ３．稳定性
• 机架受压结构及受压弯结构都存在失稳问 题。有些构件制成薄壁腹式也存在局部失 稳。稳定性是保证机架正常工作的基本条 件。必须加以校核。
• ４．对于机床、仪器等精密机械还应考虑 热变形。
• 热变形将直接影响机架原有精度，从而使 产品精度下降。
• 二 .机架设计的一般要求 • 1.在满足强度和刚度的前提下，机架的重量
应要求轻、成本低。
• 2.抗振性好。 • 3 .噪声小。 • 4.温度场分布合理，热变形对精度的影响小。 • 5.结构设计合理，工艺性良好，便于铸造、
• 三.焊接机架的退火
箱体的结构设计
一 、 箱体的主要功能
箱体的主要功能有： 1．支承并包容各种传动零件，还可以储存润滑剂，实现各种运动零件的润滑。 2．安全保护和密封作用，并有一定的隔振、隔热和隔音作用。 3．使机器各部分分别由独立的箱体组成，便于加工、装配、调整和修理。 4．改善机器造型，协调机器各部分比例，使整机造型美观。
• 4.制造工艺性和经济性分析。
机架的常用材料
• 材料的选用，主要是根据机架的使用要求。 多数机架形状较复杂，故一般采用铸造。 由于铸铁的铸造性能好、价廉和吸振能力 强，所以应用最广。焊接机架具有制造周 期短、重量轻和成本低等优点，故在机器 制造业中，焊接机架日益增多。
• 一.铸造机架常用材料 • 1.铸铁 • 铸铁流动性好，体收缩和线收缩小，容易获得
机架的热处理
• 一.铸钢机架的热处理 • 铸钢件一般都要经过热处理。热处理的目
的是为了消除铸造内应力和改善力学性能。 铸钢机架的热处理方法一般有正火加回火， 退火、高 温扩散退火和焊补后回火等。
• 二.铸铁机架时效处理
• 时效处理的目的是在不降低铸铁力学性能 的前提下，使铸铁的内应力和机加工切削 应力得到消除或稳定，以减少长期使用中 的变形，保证几何精度。
第二十七章 机架、 箱体和导轨的结构
设计
第一节 机架、箱体及其结构设计
机架的结构设计
• 在机器（或仪器）中支承或容纳零、部件 的零件称之为机架。
• 机架是底座、机体、床身、立柱、壳体、 箱体、以及基础平台等零件的统称。
机架设计一般要求
• 一.机架设计准则 • 机架的设计主要应保证刚度、强度及稳定
形状复杂的铸件。铸铁的内摩擦大、阻尼作用 强，故动态刚性好。另外还有切削性能好、价 格便宜和易于大量生产等优点。铸铁主要 有灰 铸铁、球墨铸铁。 • 2.铸造碳钢 • 铸钢的弹性模量大，强度也比铸铁高，故用于 受力较大的机架。由于钢水流动性差，在铸型 中凝固冷却时体收缩和线收缩都较大，故不宜 设计复杂形状的铸件。 • 3.铸造铝合金 • 铝合金密度小、重量轻，通过热处理强化，具 有足够高的强度、较好的塑性，良好的韧性。
焊接和机械加工。
• 6.结构便于安装、调整及修理。 • 7.导轨面受力合理、耐磨性良好。 • 8.造型好。
• 三.设计步骤
• 1.初步确定机架的形状和尺寸
• 2.常规计算
• 利用材料力学、弹性力学等固体力学理论和计算 公式，对机架进行强度、刚度和稳定性等方面的 校核。
• 3.有限元静动态分析、模型试验（或实物试验） 和优化设计。
N用下式计算： N=（2L+B+H）/3000 （mm）
式中： L-铸件长度（mm），Fra bibliotek、B、H中，L为最大值； B-铸件宽度（mm）； H-铸件高度（mm）
2．加强筋
加设筋板既可以增大强度和刚度，又可以减少质量。 筋板的不同布置对于加设筋板的效果有很大的影响。表16-4列出了几 种筋板的布置情况。
大小或改变液体压力。这类箱体在结构上除了要保证好的密封性、高的强度和刚 度外，还要能承受箱体内液体的压力。
性． • １．刚度 • 评定大多数机架工作能力的主要准则是刚
度。在机床中刚度决定着机床生产效率和 产品精度；在齿轮减速器中，箱体的刚度 决定了齿轮的啮合情况和它的工作性能； 薄板轧机的机架刚度直接影响钢板的质量 和精度。
• ２．强度
• 强度是评定重载机架工作性能的基本准则。
• 机架的强度应根据机器在运转过程中可能发 生最大载荷或安全装置所能传递的最大载荷 来校核其静强度。此外还要校核其疲劳强度。
3．孔和凸台
箱体内壁和外壁上位于同一轴线上的孔，单件小批量生产时，应尽可能 使孔的质量相等；成批大量生产时，外壁上的孔应大于内壁上的孔径。
在箱壁上与孔中心线垂直的端面处附加凸台，可以增加箱体局部的刚度。
4．联接和固定
为了保证联接刚度，应注意以下几个方面的问题：
（1）重要结合面表面粗糙度值Ra应不大于3.2µm，接触表面粗糙度值越小， 则接触刚度越好。
（2）合理选择联接螺钉的直径和数量，保证结合面的预紧力。 (3) 合理设计联接部位的结构，联接部位的结构、特点及应用见表16-5。
五、 典型箱体结构
1. 传动箱体 如减速器、汽车变速箱及机床主轴箱等的箱体，主要功能是包容和支承各传
动件及其支承零件，这类箱体在结构上应保证有好的密封性、高的强度和刚度。 2. 机壳类箱体 如齿轮泵的泵体，各种液压阀的阀体，主要功能是改变液体流动方向、流量
设计的过程中主要应考虑以下问题： 1.满足强度和刚度要求。
2. 散热性能和热变形问题。 3. 结构设计合理。 4. 工艺性问题。 5. 减振、隔振问题。 6. 造型好、质量轻。
值得注意的是在设计不同的箱体时，考虑问题时应该有所侧重。
三 、箱体毛坯的选择
铸造容易制造出结构复杂的箱体毛坯，铸造箱体的热影响变形小，吸 振能力较强，也容易获得较好的结构刚度，但其质量大。
焊接箱体允许有薄壁和大平面，而铸造却较难实现薄壁和大平面，此 外焊接箱体一般比铸造箱体轻，
大型的机座或箱体的制造，则常采用分体铸造，整体焊接的办法。 在选择箱体毛坯的时候，还要与生产能力和生产规模相符合。
四、 箱体结构主要参数设计
1． 壁厚 铸铁、铸钢和其它材料箱体的壁厚可以从表16-1和表16-2中选取，表中
• 机架的强度和刚度都需要从静态和动态两方 面来考虑。动刚度是衡量机架抗震能力的指 标，而提高机架抗振能力应从提高机架构件 的静刚度，控制固有频率，加大阻尼等方面 着手。
• ３．稳定性
• 机架受压结构及受压弯结构都存在失稳问 题。有些构件制成薄壁腹式也存在局部失 稳。稳定性是保证机架正常工作的基本条 件。必须加以校核。
• ４．对于机床、仪器等精密机械还应考虑 热变形。
• 热变形将直接影响机架原有精度，从而使 产品精度下降。
• 二 .机架设计的一般要求 • 1.在满足强度和刚度的前提下，机架的重量
应要求轻、成本低。
• 2.抗振性好。 • 3 .噪声小。 • 4.温度场分布合理，热变形对精度的影响小。 • 5.结构设计合理，工艺性良好，便于铸造、
• 三.焊接机架的退火
箱体的结构设计
一 、 箱体的主要功能
箱体的主要功能有： 1．支承并包容各种传动零件，还可以储存润滑剂，实现各种运动零件的润滑。 2．安全保护和密封作用，并有一定的隔振、隔热和隔音作用。 3．使机器各部分分别由独立的箱体组成，便于加工、装配、调整和修理。 4．改善机器造型，协调机器各部分比例，使整机造型美观。
• 4.制造工艺性和经济性分析。
机架的常用材料
• 材料的选用，主要是根据机架的使用要求。 多数机架形状较复杂，故一般采用铸造。 由于铸铁的铸造性能好、价廉和吸振能力 强，所以应用最广。焊接机架具有制造周 期短、重量轻和成本低等优点，故在机器 制造业中，焊接机架日益增多。
• 一.铸造机架常用材料 • 1.铸铁 • 铸铁流动性好，体收缩和线收缩小，容易获得
机架的热处理
• 一.铸钢机架的热处理 • 铸钢件一般都要经过热处理。热处理的目
的是为了消除铸造内应力和改善力学性能。 铸钢机架的热处理方法一般有正火加回火， 退火、高 温扩散退火和焊补后回火等。
• 二.铸铁机架时效处理
• 时效处理的目的是在不降低铸铁力学性能 的前提下，使铸铁的内应力和机加工切削 应力得到消除或稳定，以减少长期使用中 的变形，保证几何精度。
第二十七章 机架、 箱体和导轨的结构
设计
第一节 机架、箱体及其结构设计
机架的结构设计
• 在机器（或仪器）中支承或容纳零、部件 的零件称之为机架。
• 机架是底座、机体、床身、立柱、壳体、 箱体、以及基础平台等零件的统称。
机架设计一般要求
• 一.机架设计准则 • 机架的设计主要应保证刚度、强度及稳定
形状复杂的铸件。铸铁的内摩擦大、阻尼作用 强，故动态刚性好。另外还有切削性能好、价 格便宜和易于大量生产等优点。铸铁主要 有灰 铸铁、球墨铸铁。 • 2.铸造碳钢 • 铸钢的弹性模量大，强度也比铸铁高，故用于 受力较大的机架。由于钢水流动性差，在铸型 中凝固冷却时体收缩和线收缩都较大，故不宜 设计复杂形状的铸件。 • 3.铸造铝合金 • 铝合金密度小、重量轻，通过热处理强化，具 有足够高的强度、较好的塑性，良好的韧性。
焊接和机械加工。
• 6.结构便于安装、调整及修理。 • 7.导轨面受力合理、耐磨性良好。 • 8.造型好。
• 三.设计步骤
• 1.初步确定机架的形状和尺寸
• 2.常规计算
• 利用材料力学、弹性力学等固体力学理论和计算 公式，对机架进行强度、刚度和稳定性等方面的 校核。
• 3.有限元静动态分析、模型试验（或实物试验） 和优化设计。
N用下式计算： N=（2L+B+H）/3000 （mm）
式中： L-铸件长度（mm），Fra bibliotek、B、H中，L为最大值； B-铸件宽度（mm）； H-铸件高度（mm）
2．加强筋
加设筋板既可以增大强度和刚度，又可以减少质量。 筋板的不同布置对于加设筋板的效果有很大的影响。表16-4列出了几 种筋板的布置情况。
大小或改变液体压力。这类箱体在结构上除了要保证好的密封性、高的强度和刚 度外，还要能承受箱体内液体的压力。
性． • １．刚度 • 评定大多数机架工作能力的主要准则是刚
度。在机床中刚度决定着机床生产效率和 产品精度；在齿轮减速器中，箱体的刚度 决定了齿轮的啮合情况和它的工作性能； 薄板轧机的机架刚度直接影响钢板的质量 和精度。
• ２．强度
• 强度是评定重载机架工作性能的基本准则。
• 机架的强度应根据机器在运转过程中可能发 生最大载荷或安全装置所能传递的最大载荷 来校核其静强度。此外还要校核其疲劳强度。
3．孔和凸台
箱体内壁和外壁上位于同一轴线上的孔，单件小批量生产时，应尽可能 使孔的质量相等；成批大量生产时，外壁上的孔应大于内壁上的孔径。
在箱壁上与孔中心线垂直的端面处附加凸台，可以增加箱体局部的刚度。
4．联接和固定
为了保证联接刚度，应注意以下几个方面的问题：
（1）重要结合面表面粗糙度值Ra应不大于3.2µm，接触表面粗糙度值越小， 则接触刚度越好。
（2）合理选择联接螺钉的直径和数量，保证结合面的预紧力。 (3) 合理设计联接部位的结构，联接部位的结构、特点及应用见表16-5。
五、 典型箱体结构
1. 传动箱体 如减速器、汽车变速箱及机床主轴箱等的箱体，主要功能是包容和支承各传
动件及其支承零件，这类箱体在结构上应保证有好的密封性、高的强度和刚度。 2. 机壳类箱体 如齿轮泵的泵体，各种液压阀的阀体，主要功能是改变液体流动方向、流量