第六章机械结构设计

1、第六章第六章 机械结构设计机械结构设计目录第一节第一节 结构件的功用及基本类型结构件的功用及基本类型第二节第二节 结构方案设计的基本原则和原理结构方案设计的基本原则和原理第三节第三节 结构设计中的强度和刚度问题结构设计中的强度和刚度问题第四节第四节 支承件的结构设计支承件的结构设计第五节第五节 结构设计中的工艺问题结构设计中的工艺问题第一节第一节 结构件的功用及基本结构件的功用及基本类型类型 结构设计包括机器的总体结构设计和零部件结构设计两方面内容。结构件:零件是构成机器的基本元素，从结构设计角度出发，可以把零件称为结构件。 一、结构件的功用一、结构件的功用 各种结构件可能具有的功能主要有承受

2、载荷、传递运动和动力，以及保证或保持有关零件或部件之间的相对位置或运动轨迹关系等。 1 1 承受载荷承受载荷 有些结构件还可能承受液压力、气压力、装配产生的预紧力以及运动引起的摩擦力等。某些在室外工作的结构件还要承受自然环境中所产生的力，如风力、水流或海浪的冲击力以及雨、雪的压力、温度变化所产生的热变形力等。 2 2 传递运动和动力传递运动和动力 3.3.保持有关零部件之间的相对位置或运动保持有关零部件之间的相对位置或运动轨迹关系轨迹关系4 4 其它功用其它功用 有些结构件还具有其它一些功用，如箱体除了保证各传动轴的相对位置及其中心距外，还起着包容和保护传动件的作用，还可以盛装润滑油。有的结构

3、件还兼有或主要用作防护或装饰作用，要求具有一定的外形及色彩。二、结构件的分类二、结构件的分类 结构件的形式多种多样，从不同的角度可以有不同的分类。为了设计、制造和管理上的方便，通常将其分为盖盘、轴套、支架、杆件、壳体、箱体和支承件等类别。从毛坯工艺角度可分为铸造件、焊接件、锻造件、铆接或粘结件等，在结构上也应有所不同，故设计时应根据实际情况作具体分析。 三、零件的相关三、零件的相关 在机械系统中，各零件通常成链状、树状或网状相互联接，构成完整的机械网络。 每个零件都与一个或几个零件有装配关系或相互位置关系，可以称这种关系为相关，称有这种关系的两个零件互为相关零件。 零件的相关分为直接相关和间接

4、相关两类。 凡是两零件有直接装配关系的，称为直接相关，没有直接装配关系的相关称为间接相关。 间接相关又可分为位置相关和运动相关两类。位置相关是指两零件在相互位置上有要求，如轴和轴 运动相关是指一零件的运动轨迹与另一零件有关，如车床刀架的运动轨迹必须平行于主轴中心线，由此可见，欲满足运动相关条件，一般需要一个或几个位置相关的中间件来达到，上例中的床身导轨就是这样的中间件。 四、零件的结构要素四、零件的结构要素 每一零件至少有一个直接相关的零件，多数零件都有两个或多个直接相关的零件，故每个零件大都具有两个或多个部位在结构上与其它零件有关。若某零件的直接相关零件愈多，其结构就愈复杂；零件的间接相关零

5、件愈多，其精度要求愈高。工作部分:把零件上与其它零件直接相关部位称为工作部分。联结部分：把各工作部分联结起来并使它们保持各自的位置的部分，有时也起到支承作用。安装部分：用以固定联结的工作部分称为安装部分。 当结构件为活动安装时，不论运动是旋转还是直线的(如导轨)，其安装部分都与工作部分类似，可按工作部分进行设计。在某些情况下，安装部分与工作部分不易区分，比如连杆，其两端的孔均为工作部分。 工作部分与安装部分在多数情况下没有明显区别，可以通称为工作部分。而固定安装和活动安装在设计上却需区别对待，具有不同的设计要求，比如活动安装需要考虑接触表面，即工作表面的耐磨性及润滑方法等。 在结构设计中，通常

6、先确定工作部分，后确定联结部分。工作部分主要考虑工作面的形状、尺寸、精度、表面质量等，而联结部分主要考虑强度、刚度等要求。 第二节第二节 结构方案设计的基本结构方案设计的基本原则和原理原则和原理一、结构方案设计的基本原则一、结构方案设计的基本原则 确定和选择结构方案时应遵循三项基本原则：明确、简单和安全可靠。 1 1 明确明确 明确：对产品设计中所应考虑的问题都应在结构方案中获得明确的体现与分担。 (1)功能明确 所确定的结构方案应能明确地体现产品或结构所要求的各种功能的分担情况 (2)工作原理明确 (3)(3)使用工况及承载状态明确使用工况及承载状态明确 材料选择及尺寸计算要依据载荷情况进行

7、，不应盲目采用双重保险措施。 (4)(4)其它其它 凡与结构设计有关的其它方面也都应在图样或技术文件中予以明确体现。例如人一机显示系统、制造、检验、运输、安装调试、使用及保养诸方面的要求等。2 2 简单简单 在确定结构方案时，应使其所含零件数目和加工工序数量与类型尽可能减少 3 3 安全可靠安全可靠 安全技术可分为直接的、间接的和提示性的三种类型。 直接安全技术：结构中直接满足安全要求，使用中不存在危险性的称为直接安全技术。 间接安全技术：通过采用防护系统或保护装置来保证安全的称为间接安全技术。 提示性安全技术：仅能在发生危险之前进行预报和报警的，则称为提示性安全技术。它既不能直接保证安全可靠

8、，又没有保护或防护措施。 在结构设计中应根据产生不安全情况的危害性大小、技术的难易程度和成本等因素按直接的、间接的和提示性的这样的顺序来选择。 安全可靠主要从构件的可靠性、功能的可靠性、工作安全性和环境安全性等方面来衡量。 1)直接安全技术 首先要确保构件的可靠性。正确地分析和计算，必要时通过试验确定构件受力情况和应力状态，避免出现应力过于集中，防止出现断裂。 2)间接安全技术 间接安全技术的主要方式是采用防护系统和防护装置。防护系统应能防止机器在超负载下工作，可自动脱险。3)提示性安全技术 在由于技术上或经济上的原因不能采用上述两种安全技术而又可能出现不安全情况时，可采用提示性安全技术。 二

9、、结构方案设计原理二、结构方案设计原理 1 1 等强度原理等强度原理 按等强度原理设计的结构，材料可以得到充分利用，从而减轻了重量、降低了成本。 2 2 合理力流原理合理力流原理 可以认为力在其传递路线上形成所谓力线，这些力线汇成力流。 力流在构件中不会中断，也不会增多，任一条力线都不会突然消失，必然是从一处传入从另一处传出。力流的另一个特性是它倾向于沿最短路线通过，从而在最短路线附近力流密集，形成高应力区。 当力流方向急剧转折时，力流在转折处会过于密集，从而引起应力集中，设计中应在结构上采取相应措施，使力流转向平缓。 3 3 变形协调原理：变形协调原理：变形协调：就是使相联接的两零件在外载荷

10、的作用下所产生的变形的方向相同并且使其相对变形尽可能小。 4 4 力平衡原理力平衡原理 力平衡：采取结构措施部分或全部平衡掉无用的力，以减轻或消除其不良影响。这些结构措施主要有采用平衡元件、采取对称布置等。 5 任务分配原理任务分配原理 任务分配也就是功能与载体之间关系的确定。分配不外有三种可能：一载体承担多种功能；一载体承担一种功能；多载体共同承担一种功能。 简言之，功能集中于一载体，可简化结构、降低成本；功能与载体一一对应，便于做到“明确”、“可靠”，便于实现结构优化及准确计算；多载体承担同一功能可以减轻零件负载，延长使用寿命，设计时应根据具体情况进行任务分配。 6 6 自补偿原理自补偿原

11、理 自补偿：通过选择系统元件及其在系统中的配置来自行实现加强功能的相互支持作用,称为自补偿。 自补偿在正常情况下有加强功能、减载和平衡的含义，而在紧急情况(超载)下有保护和救援的含义。 在自补偿结构中，所要求的总效应是由初始效应和辅助效应共同构成的。 常见的自补偿原理应用形式有：自增强、自平衡和自保护。 1)1)自增强自增强 当辅助效应与初始效应的作用方向相同时，使得总效应加强，就是所谓自增强。2)2)自平衡自平衡 自平衡通常是使正常载荷下的辅助效应同初始效应相反并达到平衡或部分平衡状态，以克服不利影响。 3)3)自保护自保护 超载时，特别是超载有可能反复出现时，采取自动防止破坏的措施同采取保

12、护性破坏或采用特殊的防护装置相比更为合理。 7 7 稳定性原理稳定性原理 所谓系统的结构稳定是指当出现干扰，使系统状态发生改变的同时，会产生一种与干扰作用相反的、使系统恢复稳定的效应。 第三节第三节 结构设计中的强度和结构设计中的强度和刚度问题刚度问题一、通过结构设一、通过结构设计降低应力减少计降低应力减少变形变形 1 合理确定截合理确定截面形状面形状 2 2 合理确定轴向尺寸合理确定轴向尺寸 改变截面形状降低截面上各点的应力，可以提高零件本身抗破坏和抗变形的能力，但不能改变其所受弯矩的大小，通过合理地确定零件轴向尺寸，可以减少弯矩，从而更为有效地提高强度和刚度。这里所谓轴向尺寸，主要指梁或轴

13、的支承跨距和悬伸长度。 3 3 合理选择支承形式合理选择支承形式由于轴承和支承在受力时也会产生弹性变形，从而增加了轴端对正确位置的偏移。 由于成本或结构的限制，轴和轴承(包括支座)的刚度都不能无限提高。因此必须合理地选择，以求最满意的结果。 4 4 合理利用材料特性合理利用材料特性 用较少的材料获得较大的强度和刚度。例如,材料为钢时,应尽量用拉、压代替受弯；材料为铸铁时；则考虑用受压代替受拉或受弯 。 二、改善零件的受力状况二、改善零件的受力状况 1 1 载荷分流载荷分流 载荷分流就是将一个较大的或复合的载荷分流到不同零件或同一零件的不同部位上，从而达到降低应力、减小变形的效果。 2 2 载荷

14、均化载荷均化 载荷均化是指将集中或分布不均的载荷变成近似均布的载荷以降低构件的最大应力。 3 3 载荷抵消载荷抵消广义地讲，载荷抵消是设法在结构上将无用的力或有用力的不利作用全部或局部抵消。例：斜齿轮的轴向力、汽车曲轴动平衡、润滑泵偏心驱动装置 三、预加载荷三、预加载荷 预加载荷是构件在制造或装配时就被施加一定的载荷使其产生相应的塑性变形或弹性变形，从而减小工作应力或工作载荷引起的再变形。 以减小应力为目的的预加载荷方法称为强化，强化分弹性强化和塑性强化两类，以提高刚度、减小工作时再变形为目的的预加载荷方法称为预紧。 1 1 弹性强化弹性强化弹性强化是使构件在受工作载荷之前预受一个与工作载荷相

15、反的载荷，产生一个相应的预变形，以及一个与工作应力相反的预应力，工作时该预加载荷部分地抵消工作载荷，预变形部分抵消工作变形，从而降低了构件的最大应力。由上述可见，弹性强化的特征是预加载荷与工作载荷方向相反，且使构件产生相应的弹性变形，构件工作时此载荷并不撤出。 2 2 塑性强化塑性强化 塑性强化是使构件在工作状态下应力最大那部分材料预先经塑性变形而产生一个与工作应力符号相反的残留应力，用以部分地抵消工作应力。 塑性强化的特点是预加载荷与工作载荷方向一致，而且在构件工作时预加载荷已经撤出，靠残留应力而不是靠预加载荷本身来抵消工作应力。故要求材料必须具有足够的塑性，构件的塑性变形量不得超过一定限度

16、。 预紧是通过一个与工作载荷方向相同的预加载荷，使零件产生一定的与工作时同方向的弹性变形，以减少工作时的进一步变形，从而提高刚度的有效措施。它的应用很广泛。比如滚动轴承 预紧的特点是预加载荷与工作载荷方向相同，工作时不撤出。因此，工作应力不是抵消，而是叠加，其目的在于提高刚度，而不是减少应力，故预应力应不超过一定限度。 第四节第四节 支承件的结构设计支承件的结构设计一、支持件的功用类型和基本要求一、支持件的功用类型和基本要求 1 1 支承件的功用支承件的功用 支承件是机器上大型受力构件的总称，它可以单独或联接起来构成机器的主体、基础或框架等，对其它零件起联接、支承或包容作用，以保证零件之间的相

17、对位置或相对运动关系，并承受其它零件的重力及工作载荷。 2 2 支承件的类型支承件的类型 支承件形式多种多样，根据形状可大体分为三大类型，即梁型、板型和箱型。 3 3 对支承件的要求对支承件的要求 支承件通常应满足刚度，抗振性、热稳定性及内应力等方面要求。 (1)刚度 支承件的功用决定了刚度是其最主要的指标之。 (2)抗振性 支承件的抗振性是指其抵抗受迫振动和自激振动的能力。 (3)热稳定性 机器工作时会有很多热量传给支承件，主要有动力源热：摩擦热：工艺热：环境热：提高其热稳定性，减少热变形也是支承件乃至整机设计不可忽略的问题。常用方法有减少热源、隔热、散热、冷却等，还可通过合理的结构设计，如

18、合理分配金属量、用热变形补偿元件等方法使其热变形均匀。 4)内应力 较大零件在铸造、焊接等过程中会有内应力产生，而内应力在经过一定时间后的重新分布或逐渐消失会使已加工或已工作的零件产生变形，甚至丧失精度。故在设计中应使支承件在结构上尽可能减少内应力的产生；在制造中应在精加工之前用天然时效或人工处理等方法消除内应力。 5)其它要求 设计中还应满足支承件特定功能的要求，如电器、油箱等的位置和安装方式；冷却液回收；安装、吊运的方法等。 二、保证支承件刚度的结构措施二、保证支承件刚度的结构措施1 1合理确定截面的形状和尺寸合理确定截面的形状和尺寸 支承件的受力、变形情况很复杂，而对其影响较大者为弯曲、扭转或者二者的组合。如前所述，截面积相同而形状不同时，其截面惯性矩和极惯性矩差别很大，因此其抗弯和抗扭刚度差别也很大。表64所列8