如何提高零件刚度的设计？
提高零件刚度的因素：
① 选择弹性模量较高的材料
② 用拉、压代替弯曲的准则
③ 合理布置支持准则
④ 合理确定肋的形状和尺寸
⑤ 用预变形提高刚度减小工作变形准则
⑥ 提高机械零件接触面的接触刚度准则
PART 01
选择弹性模量较高的材料
在提升结构刚度时，材料的选择是比较重要的一个环节。
如何选择合适的材料？
（1）了解材料的弹性模量：不同材料的弹性模量差异很大。
在常用的工业金属中，钢材的弹性模量是最高的，注意，这里说的是常见的工业金属。具体来说，碳钢和合金钢的弹性模量约为 206 GPa，它们在承受较大负载时不易变形，因而非常适合制造要求高刚度的零件。
铜合金和铝合金的弹性模量大约为钢的 1/3 到 1/2，即在 70 GPa 到 100 GPa 之间。这些材料虽然在重量和耐腐蚀性方面表现优异，但在刚度方面明显逊色。
PART 02
用拉、压代替弯曲的准则
提升结构刚度的另一个重要准则是：尽量使用拉力和压力来代替弯曲力。
为什么要避免弯曲？
我们可以通过想象一个简单的例子来理解弯曲的影响。
假设你拿着一根长木棒，双手分别抓住它的两端。如果你用力弯曲它，木棒的中间部分就会发生弯曲，受力较大的地方可能会出现裂纹，甚至断裂。
为什么会这样呢？这是因为弯曲力会在材料内部产生较大的“剪切应力”，这些应力会导致材料在弯曲处发生裂纹，甚至破坏。
这就解释了为什么我们尽量要避免使用弯曲。尤其在一些对结构稳定性要求高的设计中，比如建筑、桥梁和航空航天领域，过多的弯曲力会削弱材料的耐久性和安全性。
PART 03
合理布置支持原则
在机械产品设计中，大家应该可以想象到，支承条件对零件的强度和刚度有着明显的影响，尤其是在设计轴类零件时，这种影响更为明显。合理的支撑布置不仅能够提高零件的承载能力，还能有效减小变形，延长使用寿命。
支承条件对强度和刚度的影响
悬臂支撑：悬臂支撑的支撑条件在这三种支撑方式中是最苛刻的，通常只有一端固定，另一端自由。在这种情况下，施加在悬臂梁上的力都会容易导致产生较大的弯曲变形和挠度（即梁中间的下凹程度）。悬臂梁的最大弯曲力矩（Mmax）和最大挠度（fmax）相对较大，其强度和刚度在三种基本的支撑类型中是最差的。
简支：简支梁的两端都固定在支撑点上，能更好地分散施加在其上的负载，从而降低弯曲力矩和挠度。相较于悬臂梁，简支梁具有更高的强度和刚度，因为它的支撑点更多，可以更有效地分散受力。
固定端支承：这是支撑条件中更优的一种，将简支梁的球轴承改为滚子轴承，支撑点由点接触转变为线接触。这种改动能够有效提高支撑特性，使得梁的强度和刚度得到进一步提升。固定端支承可以承受更大的负载，且产生的挠度更小。
支承条件对强度和刚度的影响（见表1）
表1 支承条件对强度和刚度的影响
PART 04
合理确定肋的形状和尺寸
在大型机械零件的设计中，为了提高产品的强度和刚度，同时减轻重量并节约材料，通常在零件上添加肋。肋的设计不仅可以增强结构的承载能力，还能有效分散应力，提高整体稳定性。以下是关于肋的形状和尺寸设计的一些重要考虑因素。
1. 肋的设计原则
肋的厚度：肋的厚度通常应比铸件的壁厚薄，一般取为壁厚的80%左右。
肋的形式：不同形状的肋在强度和刚度方面表现不同。表2提供了几种常见肋的断面形式及其刚度比较，通常情况下，斜肋的效果最佳，能更好地承受弯曲和扭转应力。
表2 四种断面形式的刚度比较
用预变形提高刚度减小工作变形准则
许多结构件，如导轨、机架和横梁，常常在工作载荷的作用下产生下凹变形。为了有效减少这些零件在受力后产生的变形量，可以采用了一种被称为预变形的设计方法。这种方法通过在零件制造时施加一定的上凸形状，从而在实际工作中实现更小的变形。
1. 预变形的原理
预变形的基本原理其实就是利用材料的弹性特性。
材料在受力时，具有弹性和塑性两种基本行为。弹性变形是材料在卸载后能恢复到原始形状的部分，而塑性变形则是材料在受力后发生永久性变形。预变形设计主要利用了材料的弹性特性，通过合理控制变形，确保在工作载荷下零件能保持在可接受的变形范围内。
例如，拿起重机的横梁来说，其在承载重物时会受到巨大的力，这种情况横梁容易产生较大的下凹变形，影响起重机的稳定性和安全性。通过设计一个上凸的结构，当重物被吊起时，横梁的变形会减少，从而保持更好的刚度和稳定性。
2. 预变形设计
在进行预变形设计时，需要特别关注以下几个关键方面：
2.1 预变形量的控制
预变形的程度是设计成功的关键。预变形量应根据以下因素进行合理计算和调整：
① 载荷大小：预变形量设计应考虑到实际工作载荷的大小和性质。例如，在某些应用中，载荷可能是瞬时的、冲击性的，而在其他情况下则可能是恒定的、持续的。这种不同的载荷类型对材料的反应也有所不同，设计时需结合具体工况进行分析。
② 零件几何形状：零件的几何形状会影响其刚度和变形行为。长细杆与短粗杆在受力时表现出不同的变形特性，因此设计师在计算预变形量时，需要结合零件的形状特征，确保能够在外载荷作用下达到最佳效果。
2.2 材料选择
选择合适的材料是实现有效预变形设计的另一个重要因素。设计人员在选择材料时，应考虑以下几点：
① 材料特性：不同材料具有不同的弹性模量和屈服强度。
材料的弹性模量直接影响其在预变形状态下的刚度；
塑性特性则决定了材料在受力时的变形行为。
通常，高弹性模量的材料能够更有效地承受外部载荷，从而在预变形后保持更好的刚度。
设计人员需要根据所选材料的这些特性，计算出适当的预变形量，以避免在使用过程中达到或超过材料的屈服强度。
② 工作条件的适应性：材料在实际工作条件下的表现，包括温度、湿度、化学腐蚀等环境因素，对选择合适材料至关重要。例如，在高温环境下，某些材料可能会软化，导致刚度降低，因此选择时要充分考虑这些因素。
2.3 工艺影响
① 热处理工艺：在某些情况下，热处理可以改善材料的性能，增加材料的耐久性和刚度。例如，通过淬火和回火等热处理工艺，可以提高钢材的硬度和强度，从而使产品在预变形状态下保持更好的表现。
② 表面处理：表面处理工艺（如喷涂、阳极氧化等）可以增强材料的耐腐蚀性和耐磨性，对延长零件的使用寿命有好的作用。因此，设计人员在考虑预变形时，也可以考虑表面处理的选择。
PART 05
提高机械零件接触面的接触刚度准则
在机械设计中，接触面的刚度对整个结构的性能和稳定性也具有一定影响。机械零件的表面粗糙度会导致互相接触表面发生变形，从而降低接触刚度。在之前的粗糙度文章《系列三：表面粗糙度究竟对产品有多大影响？（下）》中也讲到过这一点。因此，在设计中，应对受力零件接触面的表面粗糙度参数提出适当的要求。
1.接触刚度的定义
接触刚度是描述两个接触表面在外力作用下，抵抗变形能力的指标。它通常与材料的弹性模量、接触表面的几何形状以及表面粗糙度等因素有关。接触刚度越高，零件在受力时的变形越小，连接的稳定性也越好。
2. 表面粗糙度的影响
表面粗糙度是描述表面不平整程度的参数。表面越粗糙，接触面之间的接触点越少，导致接触面积减小。这会使得外部载荷集中在少数接触点上，从而引起局部过度变形，降低整体接触刚度。
3 表面粗糙度的要求
为保证机械零件在使用过程中的接触刚度，设计人员应针对受力零件的接触面设计合理的表面粗糙度参数值。Rz值是表面粗糙度的一种常用参数，表示表面最高点与最低点之间的垂直距离。一般而言，Rz值越小，表面越光滑，接触刚度越高。
表1提供了螺栓、螺母及压紧的钢制零件的压陷量参考值，数据摘自德国工程师协会的技术准则VD2230，《高强度螺栓连接系统计算》。
表1 螺栓、螺母和压紧的钢制零件压陷量的参考值(摘自VDI2230一2003)
