第六章機械結構設計

1、第六章第六章 機械結構設計機械結構設計目錄第一節(jié)第一節(jié) 結構件的功用及基本類型結構件的功用及基本類型第二節(jié)第二節(jié) 結構方案設計的基本原則和原理結構方案設計的基本原則和原理第三節(jié)第三節(jié) 結構設計中的強度和剛度問題結構設計中的強度和剛度問題第四節(jié)第四節(jié) 支承件的結構設計支承件的結構設計第五節(jié)第五節(jié) 結構設計中的工藝問題結構設計中的工藝問題第一節(jié)第一節(jié) 結構件的功用及基本結構件的功用及基本類型類型 結構設計包括機器的總體結構設計和零部件結構設計兩方面內容。結構件:零件是構成機器的基本元素，從結構設計角度出發(fā)，可以把零件稱為結構件。 一、結構件的功用一、結構件的功用 各種結構件可能具有的功能主要有承受

2、載荷、傳遞運動和動力，以及保證或保持有關零件或部件之間的相對位置或運動軌跡關系等。 1 1 承受載荷承受載荷 有些結構件還可能承受液壓力、氣壓力、裝配產生的預緊力以及運動引起的摩擦力等。某些在室外工作的結構件還要承受自然環(huán)境中所產生的力，如風力、水流或海浪的沖擊力以及雨、雪的壓力、溫度變化所產生的熱變形力等。 2 2 傳遞運動和動力傳遞運動和動力 3.3.保持有關零部件之間的相對位置或運動保持有關零部件之間的相對位置或運動軌跡關系軌跡關系4 4 其它功用其它功用 有些結構件還具有其它一些功用，如箱體除了保證各傳動軸的相對位置及其中心距外，還起著包容和保護傳動件的作用，還可以盛裝潤滑油。有的結構

3、件還兼有或主要用作防護或裝飾作用，要求具有一定的外形及色彩。二、結構件的分類二、結構件的分類 結構件的形式多種多樣，從不同的角度可以有不同的分類。為了設計、制造和管理上的方便，通常將其分為蓋盤、軸套、支架、桿件、殼體、箱體和支承件等類別。從毛坯工藝角度可分為鑄造件、焊接件、鍛造件、鉚接或粘結件等，在結構上也應有所不同，故設計時應根據實際情況作具體分析。 三、零件的相關三、零件的相關 在機械系統(tǒng)中，各零件通常成鏈狀、樹狀或網狀相互聯(lián)接，構成完整的機械網絡。 每個零件都與一個或幾個零件有裝配關系或相互位置關系，可以稱這種關系為相關，稱有這種關系的兩個零件互為相關零件。 零件的相關分為直接相關和間接

4、相關兩類。 凡是兩零件有直接裝配關系的，稱為直接相關，沒有直接裝配關系的相關稱為間接相關。 間接相關又可分為位置相關和運動相關兩類。位置相關是指兩零件在相互位置上有要求，如軸和軸 運動相關是指一零件的運動軌跡與另一零件有關，如車床刀架的運動軌跡必須平行于主軸中心線，由此可見，欲滿足運動相關條件，一般需要一個或幾個位置相關的中間件來達到，上例中的床身導軌就是這樣的中間件。 四、零件的結構要素四、零件的結構要素 每一零件至少有一個直接相關的零件，多數零件都有兩個或多個直接相關的零件，故每個零件大都具有兩個或多個部位在結構上與其它零件有關。若某零件的直接相關零件愈多，其結構就愈復雜；零件的間接相關零

5、件愈多，其精度要求愈高。工作部分:把零件上與其它零件直接相關部位稱為工作部分。聯(lián)結部分：把各工作部分聯(lián)結起來并使它們保持各自的位置的部分，有時也起到支承作用。安裝部分：用以固定聯(lián)結的工作部分稱為安裝部分。 當結構件為活動安裝時，不論運動是旋轉還是直線的(如導軌)，其安裝部分都與工作部分類似，可按工作部分進行設計。在某些情況下，安裝部分與工作部分不易區(qū)分，比如連桿，其兩端的孔均為工作部分。 工作部分與安裝部分在多數情況下沒有明顯區(qū)別，可以通稱為工作部分。而固定安裝和活動安裝在設計上卻需區(qū)別對待，具有不同的設計要求，比如活動安裝需要考慮接觸表面，即工作表面的耐磨性及潤滑方法等。 在結構設計中，通常

6、先確定工作部分，后確定聯(lián)結部分。工作部分主要考慮工作面的形狀、尺寸、精度、表面質量等，而聯(lián)結部分主要考慮強度、剛度等要求。 第二節(jié)第二節(jié) 結構方案設計的基本結構方案設計的基本原則和原理原則和原理一、結構方案設計的基本原則一、結構方案設計的基本原則 確定和選擇結構方案時應遵循三項基本原則：明確、簡單和安全可靠。 1 1 明確明確 明確：對產品設計中所應考慮的問題都應在結構方案中獲得明確的體現與分擔。 (1)功能明確 所確定的結構方案應能明確地體現產品或結構所要求的各種功能的分擔情況 (2)工作原理明確 (3)(3)使用工況及承載狀態(tài)明確使用工況及承載狀態(tài)明確 材料選擇及尺寸計算要依據載荷情況進行

7、，不應盲目采用雙重保險措施。 (4)(4)其它其它 凡與結構設計有關的其它方面也都應在圖樣或技術文件中予以明確體現。例如人一機顯示系統(tǒng)、制造、檢驗、運輸、安裝調試、使用及保養(yǎng)諸方面的要求等。2 2 簡單簡單 在確定結構方案時，應使其所含零件數目和加工工序數量與類型盡可能減少 3 3 安全可靠安全可靠 安全技術可分為直接的、間接的和提示性的三種類型。 直接安全技術：結構中直接滿足安全要求，使用中不存在危險性的稱為直接安全技術。 間接安全技術：通過采用防護系統(tǒng)或保護裝置來保證安全的稱為間接安全技術。 提示性安全技術：僅能在發(fā)生危險之前進行預報和報警的，則稱為提示性安全技術。它既不能直接保證安全可靠

8、，又沒有保護或防護措施。 在結構設計中應根據產生不安全情況的危害性大小、技術的難易程度和成本等因素按直接的、間接的和提示性的這樣的順序來選擇。 安全可靠主要從構件的可靠性、功能的可靠性、工作安全性和環(huán)境安全性等方面來衡量。 1)直接安全技術 首先要確保構件的可靠性。正確地分析和計算，必要時通過試驗確定構件受力情況和應力狀態(tài)，避免出現應力過于集中，防止出現斷裂。 2)間接安全技術 間接安全技術的主要方式是采用防護系統(tǒng)和防護裝置。防護系統(tǒng)應能防止機器在超負載下工作，可自動脫險。3)提示性安全技術 在由于技術上或經濟上的原因不能采用上述兩種安全技術而又可能出現不安全情況時，可采用提示性安全技術。 二

9、、結構方案設計原理二、結構方案設計原理 1 1 等強度原理等強度原理 按等強度原理設計的結構，材料可以得到充分利用，從而減輕了重量、降低了成本。 2 2 合理力流原理合理力流原理 可以認為力在其傳遞路線上形成所謂力線，這些力線匯成力流。 力流在構件中不會中斷，也不會增多，任一條力線都不會突然消失，必然是從一處傳入從另一處傳出。力流的另一個特性是它傾向于沿最短路線通過，從而在最短路線附近力流密集，形成高應力區(qū)。 當力流方向急劇轉折時，力流在轉折處會過于密集，從而引起應力集中，設計中應在結構上采取相應措施，使力流轉向平緩。 3 3 變形協(xié)調原理：變形協(xié)調原理：變形協(xié)調：就是使相聯(lián)接的兩零件在外載荷

10、的作用下所產生的變形的方向相同并且使其相對變形盡可能小。 4 4 力平衡原理力平衡原理 力平衡：采取結構措施部分或全部平衡掉無用的力，以減輕或消除其不良影響。這些結構措施主要有采用平衡元件、采取對稱布置等。 5 任務分配原理任務分配原理 任務分配也就是功能與載體之間關系的確定。分配不外有三種可能：一載體承擔多種功能；一載體承擔一種功能；多載體共同承擔一種功能。 簡言之，功能集中于一載體，可簡化結構、降低成本；功能與載體一一對應，便于做到“明確”、“可靠”，便于實現結構優(yōu)化及準確計算；多載體承擔同一功能可以減輕零件負載，延長使用壽命，設計時應根據具體情況進行任務分配。 6 6 自補償原理自補償原

11、理 自補償：通過選擇系統(tǒng)元件及其在系統(tǒng)中的配置來自行實現加強功能的相互支持作用,稱為自補償。 自補償在正常情況下有加強功能、減載和平衡的含義，而在緊急情況(超載)下有保護和救援的含義。 在自補償結構中，所要求的總效應是由初始效應和輔助效應共同構成的。 常見的自補償原理應用形式有：自增強、自平衡和自保護。 1)1)自增強自增強 當輔助效應與初始效應的作用方向相同時，使得總效應加強，就是所謂自增強。2)2)自平衡自平衡 自平衡通常是使正常載荷下的輔助效應同初始效應相反并達到平衡或部分平衡狀態(tài)，以克服不利影響。 3)3)自保護自保護 超載時，特別是超載有可能反復出現時，采取自動防止破壞的措施同采取保

12、護性破壞或采用特殊的防護裝置相比更為合理。 7 7 穩(wěn)定性原理穩(wěn)定性原理 所謂系統(tǒng)的結構穩(wěn)定是指當出現干擾，使系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生改變的同時，會產生一種與干擾作用相反的、使系統(tǒng)恢復穩(wěn)定的效應。 第三節(jié)第三節(jié) 結構設計中的強度和結構設計中的強度和剛度問題剛度問題一、通過結構設一、通過結構設計降低應力減少計降低應力減少變形變形 1 合理確定截合理確定截面形狀面形狀 2 2 合理確定軸向尺寸合理確定軸向尺寸 改變截面形狀降低截面上各點的應力，可以提高零件本身抗破壞和抗變形的能力，但不能改變其所受彎矩的大小，通過合理地確定零件軸向尺寸，可以減少彎矩，從而更為有效地提高強度和剛度。這里所謂軸向尺寸，主要指梁或軸

13、的支承跨距和懸伸長度。 3 3 合理選擇支承形式合理選擇支承形式由于軸承和支承在受力時也會產生彈性變形，從而增加了軸端對正確位置的偏移。 由于成本或結構的限制，軸和軸承(包括支座)的剛度都不能無限提高。因此必須合理地選擇，以求最滿意的結果。 4 4 合理利用材料特性合理利用材料特性 用較少的材料獲得較大的強度和剛度。例如,材料為鋼時,應盡量用拉、壓代替受彎；材料為鑄鐵時；則考慮用受壓代替受拉或受彎 。 二、改善零件的受力狀況二、改善零件的受力狀況 1 1 載荷分流載荷分流 載荷分流就是將一個較大的或復合的載荷分流到不同零件或同一零件的不同部位上，從而達到降低應力、減小變形的效果。 2 2 載荷

14、均化載荷均化 載荷均化是指將集中或分布不均的載荷變成近似均布的載荷以降低構件的最大應力。 3 3 載荷抵消載荷抵消廣義地講，載荷抵消是設法在結構上將無用的力或有用力的不利作用全部或局部抵消。例：斜齒輪的軸向力、汽車曲軸動平衡、潤滑泵偏心驅動裝置 三、預加載荷三、預加載荷 預加載荷是構件在制造或裝配時就被施加一定的載荷使其產生相應的塑性變形或彈性變形，從而減小工作應力或工作載荷引起的再變形。 以減小應力為目的的預加載荷方法稱為強化，強化分彈性強化和塑性強化兩類，以提高剛度、減小工作時再變形為目的的預加載荷方法稱為預緊。 1 1 彈性強化彈性強化彈性強化是使構件在受工作載荷之前預受一個與工作載荷相

15、反的載荷，產生一個相應的預變形，以及一個與工作應力相反的預應力，工作時該預加載荷部分地抵消工作載荷，預變形部分抵消工作變形，從而降低了構件的最大應力。由上述可見，彈性強化的特征是預加載荷與工作載荷方向相反，且使構件產生相應的彈性變形，構件工作時此載荷并不撤出。 2 2 塑性強化塑性強化 塑性強化是使構件在工作狀態(tài)下應力最大那部分材料預先經塑性變形而產生一個與工作應力符號相反的殘留應力，用以部分地抵消工作應力。 塑性強化的特點是預加載荷與工作載荷方向一致，而且在構件工作時預加載荷已經撤出，靠殘留應力而不是靠預加載荷本身來抵消工作應力。故要求材料必須具有足夠的塑性，構件的塑性變形量不得超過一定限度

16、。 預緊是通過一個與工作載荷方向相同的預加載荷，使零件產生一定的與工作時同方向的彈性變形，以減少工作時的進一步變形，從而提高剛度的有效措施。它的應用很廣泛。比如滾動軸承 預緊的特點是預加載荷與工作載荷方向相同，工作時不撤出。因此，工作應力不是抵消，而是疊加，其目的在于提高剛度，而不是減少應力，故預應力應不超過一定限度。 第四節(jié)第四節(jié) 支承件的結構設計支承件的結構設計一、支持件的功用類型和基本要求一、支持件的功用類型和基本要求 1 1 支承件的功用支承件的功用 支承件是機器上大型受力構件的總稱，它可以單獨或聯(lián)接起來構成機器的主體、基礎或框架等，對其它零件起聯(lián)接、支承或包容作用，以保證零件之間的相

17、對位置或相對運動關系，并承受其它零件的重力及工作載荷。 2 2 支承件的類型支承件的類型 支承件形式多種多樣，根據形狀可大體分為三大類型，即梁型、板型和箱型。 3 3 對支承件的要求對支承件的要求 支承件通常應滿足剛度，抗振性、熱穩(wěn)定性及內應力等方面要求。 (1)剛度 支承件的功用決定了剛度是其最主要的指標之。 (2)抗振性 支承件的抗振性是指其抵抗受迫振動和自激振動的能力。 (3)熱穩(wěn)定性 機器工作時會有很多熱量傳給支承件，主要有動力源熱：摩擦熱：工藝熱：環(huán)境熱：提高其熱穩(wěn)定性，減少熱變形也是支承件乃至整機設計不可忽略的問題。常用方法有減少熱源、隔熱、散熱、冷卻等，還可通過合理的結構設計，如

18、合理分配金屬量、用熱變形補償元件等方法使其熱變形均勻。 4)內應力 較大零件在鑄造、焊接等過程中會有內應力產生，而內應力在經過一定時間后的重新分布或逐漸消失會使已加工或已工作的零件產生變形，甚至喪失精度。故在設計中應使支承件在結構上盡可能減少內應力的產生；在制造中應在精加工之前用天然時效或人工處理等方法消除內應力。 5)其它要求 設計中還應滿足支承件特定功能的要求，如電器、油箱等的位置和安裝方式；冷卻液回收；安裝、吊運的方法等。 二、保證支承件剛度的結構措施二、保證支承件剛度的結構措施1 1合理確定截面的形狀和尺寸合理確定截面的形狀和尺寸 支承件的受力、變形情況很復雜，而對其影響較大者為彎曲、扭轉或者二者的組合。如前所述，截面積相同而形狀不同時，其截面慣性矩和極慣性矩差別很大，因此其抗彎和抗扭剛度差別也很大。表64所列8