设计结构全套教学教程完整版电子课件最全ppt电子教案

1、设计结构第1章 结构设计导论1.1 结构设计概述1.2 结构设计的特点1.3 结构设计的要求1.4 结构设计的基本原则和步骤结构设计是产品设计中技术设计阶段的一个重要环节，它是在总体设计的基础上，根据选定的原理方案，确定满足功能要求的零部件材料、热处理万式、零部件结构尺寸等。结构设计是涉及问题最多、最具体、工作量最大的工作阶段，是一种蕴藏着巨大优化和创新潜力的工作。它要求设计师必须掌握多门基础理论知识，更要求设计师必须具备丰富的工程知识和实践经验。现代产品结构设计不但要满足机械设备的基本功能要求，还要兼顾其他技术、经济和社会要求，并且应系统地设计出尽可能多的可能方案，然后从中优选。结构设计包括

2、4个方面的内容。功能设计满足并在技术上具体实现产品的主要功能要求。质量设计兼顾其他要求和限制，提高产品的质量和性能价格比。这已成为现代工程设计的特征。1.1 结构设计概述下一页返回优化设计和创新设计用结构设计变元等创新设计方法系统地构造尽可能大的结构方案解空间，并用创造性设计思维方法和其他科学方法进行优选和创新。CAD技术的应用计算机辅助设计技术应用于产品结构设计的计算、制图，以及制备技术文件等工作，并为设计师提供丰富的设计信息，提高设计师的空间思维能力和创新能力。1.1 结构设计概述上一页返回结构设计包括下面4个特点。1.实践性特点实践性是结构设计创新的源泉与归宿。有问题要解决，人们才会千万

3、百计地想办法，以满足自己解决问题的需要，以获得一个满意的设计结果。反过来，通过实践获得实践经验又帮助设计师优化他们的设计。长期以来，机械结构设计依靠的就是机械设计师的实践经验。只有通过实践，创新的思想才能转化为现实;只有通过不断实践，人的创新意识和能力才能得到培养。下面几个例子就是来源于实践的设计。如果没有实践经验，就很难发现这些问题。 如图1-1所示，在设计销钉定位结构时，必须考虑到销钉应易于从销钉孔中拔出，因此就有了把销钉孔做成通孔的结构、带螺纹尾的销钉(有内螺纹和外螺纹)的结构等。对于盲孔，为避免孔中封入空气引起装拆困难，还应该有通气孔。1.2 结构设计的特点下一页返回如图1-2所示，采

4、用径向锥销和半圆键加紧定螺钉的固定轴上零件的方法，在实际应用中都要求配作，在装配时，进行这些加工效率是比较低的，而采用轴用弹簧卡圈作轴向固定则要好些。如图1-3所示的考虑节料的冲压件结构。可以将零件设计成能相互嵌入的形状，这样既不降低零件的性能，又可以节省很多材料。如图1-4(a) 所示的零件采用整体锻造，加工余量大。修改设计后采用铸锻焊复合结构，将整体分为两部分见图1-4(b)，下半部分为锻成的腔体，上半部分为铸钢制成的头部，将两者焊接成一个整体，可使毛坯重量减轻一半，机加工量也减少了40%。 2.细节性特点结构设计是一种细节性设计。与原理方案设计相比，结构设计是通过许多细节设计来兼顾产品的

5、各种要求，细节的总和就是质量，现代技术产品的竞争焦点不是其工作原理，而是产品的技术指标。1.2 结构设计的特点上一页下一页返回细节不是无关大局的小节。它的差别能导致整个产品的技术、经济性能的显著差异。结构细节决定了产品质量的高低。实际中，绝大多数机械故障和质量问题，不是因为工作原理，而是错误的或不合理的结构细节所致。结构上的细节缺陷可能导致整个零件难以甚至无法制造和实现其功能。细节并不简单，细节的改进也不是唾手可得的，需要设计者掌握相应的专业知识和实践知识。改进设计是一个需要亲自体验的渐进过程，理解别人的设计和自己亲自设计其难易程度是有天壤之别的。如图1-5所示，为减小零件的加工量、提高配合精

6、度，应尽量减小配合长度。如果必须要有很长的配合面，则可将孔的中间部分加大，这样中间部分就不必精密加工，加工方便，配合的效果较好。如图1-6所示，如零件两部分交接处有直角转弯，则会在该处产生较大的应力集中。设计时可将直角转弯改为斜面和圆弧过渡，这样可以减少应力集中，防止热裂。 1.2 结构设计的特点上一页下一页返回如图1-7所示的凸缘，用的是先加工成整圆，切去两边再加工两端圆弧的方法。在零件的形状变化并不影响其使用性能的条件下，在设计时应采用最容易加工的形状。如图1-8所示，螺纹孔孔边如果不倒尾，则螺纹容易被碰坏，碰坏后易产生装拆困难，但如果将钉孔口倒角可以避免。 3.多样性特点通过改变零件结构

7、本身的形态形状、位置、数目、尺寸，零件的材料，零件间的连接方式、运动方式等，可以得到许多不同的机械结构方案。满足同样功能的结构的多样性，得到一个尽可能大的结构设计方案解空间，是进行结构创新设计中的一个不可缺少的环节，是进行结构创新设计和优化设计的重要前提。如图1-9所示即为改变零件结构本身的形态所得到的不同的滚动导轨结构方案。1.2 结构设计的特点上一页下一页返回4.创造性特点市场竞争日益激烈，需求向个性化发展，人们对产品质量的提高永无止境，因此，创新设计在现代产品设计中的作用越来越重要，并将是未来技术产品开发的竞争焦点。 结构创新设计就是要构造出大量可供优选的可能性方法，即构造出大的优化求解

8、空间，为优化设计提供依据，这是结构设计中最具创造性的地方。创新设计是一种创造性的思维活动，运用创造性的思维方法能显著地提高产品设计师的创造设计能力。在对过去的经验和知识的分解和综合基础之上，充分发挥设计师的创造性能力，将会设计出性能更完善的产品。基于上面对结构设计特点的分析可知，实践性特点是结构设计最基本的特点。设计师只有积累了一定的实践经验，才能从容地处理一些貌似细节的问题，才能充分理解结构设计的多样性问题，才能充分发挥设计师的创造能力。1.2 结构设计的特点上一页返回结构设计过程要统筹兼顾多种技术、经济和社会的要求，即结构设计有很多实际限制。例如发动机，它不仅要满足将化学能转化为机械能这一

9、功能要求，而且还要满足下列诸多要求!较少的制造使用费用、高的效率、较低的噪声、较低的有害物质排放、长的使用寿命、高的可靠性、小的体积、低的自重、便于制造、便于安装、便于检查、便于维护和修理、便于废品回收、便于资源再利用等。结构设计对上述这些要求的满足程度决定了该产品的性能和市场竞争能力。这里将结构设计的众多要求概括为下列几类：和市场有关的要求、和环境有关的要求、和社会有关的要求、和生产有关的要求、和故障有关的要求。1.和市场有关的要求市场的要求是最高要求，是结构设计、产品开发的最终归宿。结构设计者首先要弄清楚所设计的产品是为什么样特定的市场准备的，工业化国家和发展中国家，个人消费和集团消费所要

10、求的重点是不同的。技术现状、竞争对手状况和市场需求是市场要求的重点。1.3 结构设计的要求下一页返回2.和环境有关的要求这一要求有两方面：其一是产品对环境的影响;其二是环境对产品的干扰。技术产品在生产、使用和报废的全过程应对环境(人、动物、植物、空气、水、大地)不产生负担和损害。产品对环境的影响有噪声、辐射(热、光、无线波、放射线)、振动和有害物质排放等。而技术产品遭受的干扰包括物理、化学或生物式的。物理式的干扰有空气潮湿、灰尘、赃物结垢、光、冷、热、静电聚集和重力变化等。化学式的干扰有腐蚀和氧化等。3.和社会有关的要求技术产品是为满足人类社会的需求而开发生产的，因此它不能和社会的要求相违背。

11、这些要求通常以规范、标准、规定、法律、专利等形式加以确定。产品设计一定要注意这些方面的要求和限制。1.3 结构设计的要求上一页下一页返回4.和生产有关的要求技术产品要开发、加工、储藏、运输和销售，这一系列过程中的很多要求必须在设计过程中考虑到。这些要求统称为生产要求，可分为下列几个方面：开发要求、加工要求、装配要求、检测要求、储存和运输要求、使用要求、保养要求、修理要求、回收要求、报废要求。开发要求指产品开发部门要有对应的能力、经验和试制手段。加工要求首先指产品可以通过现有的加工方法被加工出来;其次，这种加工方法要方便、可靠，特别是要尽量利用本企业的加工条件。加工要求可进一步分为工艺要求、公差

12、要求和易被加工材料的要求。其中工艺要求又可分为冲压工艺要求、切削工艺要求、焊接工艺要求、锻造工艺要求和热处理工艺要求等。对装配、检测、储存、运输的要求就是要求结构设计使这些过程成为可能，尽量使这一过程方便。1.3 结构设计的要求上一页下一页返回对于使用要求，首先应考虑到任何产品都不是孤立的系统，它必须和其他系统联系，即有接头和交接面问题。这种交接面既可能是技术系统之间，也可能是人一机之间。例如，机械连接、插头、离合器和管道等，功能数据如转矩、力、转速、电流强度、电压和频率等。使用要求还包括使用方便、食用安全、使用愉快。对于保养修理要求指结构设计应使保养、修理的要求尽量低，即次数少、间隔长，也较

13、方便。回收报废要求是指产品不能作为原用途使用时，还可用于其他要求较低的场合，或其中部分系统可继续在其他场合利用。在完全丧失了使用功能以后，即报废以后，其材料应便于回收再利用，毫无利用价值的原材料应便于处理成对环境无负担的形式。1.3 结构设计的要求上一页下一页返回5.和故障有关的要求这一要求是指在结构设计阶段，应采用适当的防范措施，避免一些消极因素的产生，至少尽量避免这些消极因素的影响。消极因素包括摩擦、磨损、内应力、材料疲劳、老化、腐蚀、发热和热膨胀、蠕变、自振和共振、自重等。这里的关键是在结构设计阶段要能准确认识到可能发生的故障及其原因，因此，了解该产品的使用经验和工作环境条件非常有益。1

14、.3 结构设计的要求上一页返回影响结构的因素较多。完成不同功能的零件结构不一样，功能相同的零件的结构也千差万别。机械结构纷繁复杂，因此并没有一个统一的结构设计标准。下面只是介绍一下结构设计过程的基本原则和基本步骤，这样可以对结构设计过程有一个大致的了解，当然不能按部就班地按基本步骤进行设计。结构设计过程基本原则是：从内到外、从重要到次要、从局部到总体、从粗略到精细，统筹兼顾，权衡利弊，反复检查，逐步改进。结构设计的基本步骤：明确结构的主要任务和要求; 熟悉与待设计结构类似的已知结构;估算结构的主要尺寸;选择结构中相关的标准件、通用件等;1.4 结构设计的基本原则和步骤下一页返回用创新设计等各种

15、方法系统地产生多个新方案;按技术、经济和社会指标评价，选择最佳方案;寻找所选方案中的缺陷和薄弱环节;对照各种要求、限制，从细节上反复改进;校核结构强度、刚度以及其他功能指标;绘制装配图及零件工作图;编写技术说明书。下面举一实例来说明结构设计的过程。这里重点突出基本结构草图的设计过程，其他设计步骤都略去。例:有两个壁厚分别为的直壁需用螺栓连接，见图1-10(a)，试设计该螺栓连接结构。解:首先确定螺栓的直径dod以由螺栓所要承担的载荷根据计算或经验确定，一般来说d=1.25，然后确定螺栓离壁外表面的距离。1.4 结构设计的基本原则和步骤上一页下一页返回为此，需要先明确螺栓头的直径D、壁面和法兰过

16、渡区半径r。D由d确定，有标准可查。r根据经验约为一半壁厚。所以螺栓轴心到直壁外表面的距离是 ，见图1-10(b)。接着确定法兰厚度h，这里取h=2，这样便可按标准画螺栓和螺母，见图1-10(c)。法兰宽度根据螺母、螺栓头大小以及一定的余量f.确定，f主要根据铸件精度和构件大小而定。螺栓和法兰之间要留有间隙，具体数值根据规范确定。此外，不要忘记倒角，见图1一10(d)。在结构设计过程中，常常是先画特性面(或工作面)草图，然后在特性面之间添加“材料”，从局部到整体逐步扩展设计。在此过程中，可通过改变特性面的大小、方位，连接件的数量、材料，连接方式等，不断比较各种可能的结构，选择最佳方案。1.4

17、结构设计的基本原则和步骤上一页返回图1-1返回图1-2返回图1-3返回图1-4返回图1-5返回图1-6返回图1-7返回图1-8返回图1-9返回图1-10返回第2章 结构设计的计算方法2.1 机械结构的计算简图2.2 结构承载能力的设计计算方法2.3 许用应力实际的结构一般都很复杂，想要完全按照结构的真实情况去进行分析，往往很难办到，对于少数问题也许有可能，但从实际观点来看是没有必要的。因此，对实际结构进行力学分析时，总是需要做出一些简化和假设，略去某些次要因素，保留其主要受力特性，从而使计算切实可行。这种把实际结构作适当简化，用作力学分析的结构图形，就称为结构计算简图，或叫做结构计算模型。一般

18、说来，在进行结构简化和假设时，应当符合以下两条原则：第一，结构计算简图必须能够反映实际结构的主要受力特性，确保计算结果可靠;第二，在满足计算精度要求的条件下，结构计算简图应当尽量简单，使得计算方便可行。2.1.1结构体系、构件以及构件间联系的简化严格讲，实际的结构都是空间结构，然而，对于绝大多数的空间结构，其主要承重结构和力的传递路线，大多是由若干平面组合形成的。由于平面力系的计算要比空间力系简单得多，所以通常总是尽可能地把它简化为平面结构来计算。2.1 机械结构的计算简图下一页返回对桁架结构，在计算简图中杆件通常以其轴线来代表，曲率不大的微曲杆件可以用直的轴线或折线段来代替。结构中各杆件相互

19、之间是通过“结点”连接的，结点本身往往是很复杂的。但在计算时通常都简化为“铰结点”和“刚结点”两种。铰结点是指连接杆件的节点时光滑无摩擦的理想铰，各杆可绕此铰结点作相对转动，因此铰结点上的弯矩为零。当然无摩擦的理想铰在实际结构中是不存在的。但是当杆件的长度与直径之比较大时，可以将结构中的结点简化为理想铰结点，这样可使计算大大简化，而所求得的主要内力基本上是符合实际受力情况的。由于真实结点与铰结点的差异，发生在结点附近的附加弯应力与轴向应力想必是很小的，在一般情况下可忽略不计。1.支座的简化支座是用来支撑其他部件或零件的结构件。在传递力的过程中，支座将承受支反力，同时也阻止所支撑部件在支座方向上

20、的位移。2.1 机械结构的计算简图上一页下一页返回在工程实际中，支座分为刚性支座和弹性支座，刚性支座又分为3类。(1)活动铰支座其特点是在支撑部分有一个铰结构或类似于铰结构的装置，其上部结构可以绕铰点自由转动，而铰结构又可沿一个方向自由移动。如桥式起重机横梁与车轮用轴相接，可以绕轮轴转动，车轮则可以在轨道上自由滚动如图2-1(a)引所示。这种支座可以简化为活动铰支座如图2-1 (b)所示，它产生垂直方向的支反力，其作用线沿着支座链杆方向。(2)固定铰支座它与活动铰支座的区别在于整个支座不能移动，但是被支撑的部件可以绕一固定轴线自由转动如图2-2(a)所示，制作简图见图2-2(b)。支座反作用力

21、通过支座铰点，其大小和方向由作用在所支撑的部件上的载荷所决定。2.1 机械结构的计算简图上一页下一页返回(3)固定支座这种支座的特点是，当部件或零件用这种支座与基础或其他部件相连接后，支座所支撑的部件或零件不能转动或移动。固定支座的实例见图2-3(a)所示。图中上部分用焊接方法固接于基础上，支座简图见图2-3(b)。支座反力除具有支反力外还有支反力矩。以上为刚性支座的3种基本形式，当支座的位移和支反力不处于同一平面时，称为空间支座。在实际结构中，经常会遇到支座结构在外载荷作用下产生较大的弹性变形，这种情况下的支座称为弹性支座。同一空间支座，在分解成平面结构进行分析时，支座的形式有可能是不一样的

22、。如塔式起重机臂架的根部通过转轴与塔架相连如图2-4 (a)所示。在臂架起升平面，由于臂架根部可以绕轴O点转动，不能承受弯矩，这时就可以认为是固定铰支座。而在回转平面，由于两铰点作用，可以承受绕垂直轴的弯矩，一般可以作为固定端处理，整个臂架就是悬臂梁 如图2-4(b)所示。 2.1 机械结构的计算简图上一页下一页返回即使对同一平面的支座，有时针对分析对象的不同，也有可能取两种支承形式。对于图2-5(a)龙门起重机，在分析时可以取图2-5(b)和图2-5(c)两种支承形式，它们在实际中都可能出现，结构的内力分布是不一样的。在图2-5(b) 的情况下，横梁的弯矩较大。在图2-5(c)的情况下，支腿

23、中的弯矩较大。所以对以上两种情况都应进行计算。 在对结构加约束时，还应该注意分析约束对结构所产生的反力特征。如载重汽车的车架中，与前车轮相连的前悬挂采用纵向滑轮式结构的钢板弹簧。见图2-6(a)，前车轮和钢板弹簧都表现为弹性元件。由于前悬挂的对称性，A与B处所受垂直反力基本相等。在计算车架时，若简单地如图2-6(b)所示在A, B两点加弹性支座，这样，A处和B处的垂直反力不可能相等。这时，可以如图2-6(c)所示加约束，即前悬挂 (钢板弹簧) 用变截面梁来模拟，轮胎则在垂直方向用弹性支座模拟，纵向与横向可以用活动铰支座模拟。2.1 机械结构的计算简图上一页下一页返回另外，在实际结构中，由于钢板

24、弹簧的前端为固定铰链，后端可在支架内纵向移动，所以图2-6(c)中，模拟钢板弹簧的变截面梁在A和B两端的转动自由度均应释放，同时在B端的轴向位移自由度也应释放。这样处理基本可以反映车架前端的支承情况。确定支承形式后，一般可以直接沿相应的坐标轴方向加约束(包括弹性约束)。但是对与坐标轴不平行的斜支座和弹性斜支座，则不能简单地用坐标轴方向的约束替代，而应以等效杆单元来模拟。2.载荷的简化对机械与汽车结构进行分析时，载荷通常是给定的。根据不同的计算工况确定载荷，是保证分析计算结果反映工程结构实际情况的前提。由于计算上的需要，载荷可以按不同的方法分类。根据载荷在结构上的分布情况，可以分为以下两种。2.

25、1 机械结构的计算简图上一页下一页返回(1)集中载荷当外载荷作用在结构上的区域很小时，可以认为这种载荷是集中载荷，如龙门起重机的轮压，塔式起重机臂架上变幅小车的轮压、吊重，挖掘机的挖掘阻力等。在载重汽车中，发动机的重力也是以集中载荷的形式作用在车架上的。(2)分布载荷如果作用在结构上的载荷，其位置是连续变化的，即载荷作用在一定面积或一定长度上，称其为分布载荷。如分布载荷的集中度是均匀的，则为均匀载荷。结构的自重、风载荷、由质量引起的惯性力等，通常都作为分布载荷。根据载荷作用随时间变化的情况，可以分为以下两类。(1)静载荷当载荷的大小、方向和作用点不随时间变化时，称为静载荷或固定载荷。如结构自重

26、。2.1 机械结构的计算简图上一页下一页返回(2)动载荷当载荷的大小、方向和作用点随时间变化时，称为动载荷。其中，如仅仅是载荷的作用点随时间而变时，又常常称为移动载荷。动载荷作用在结构上时一般都是一个过程，如起重机吊重的离地起升过程。吊重由地面到离地、直到平稳上升，臂架结构将承受一个十分复杂的动载荷。又如汽车在正常行驶过程中突然制动，在制动过程中，汽车结构也将承受很复杂的动载荷。桥式类型起重机的起重小车的移动对主梁而言是典型的移动载荷。机械结构承受的动载荷，其大小与变化情况不仅与施加的载荷本身有关，而且与承受载荷的结构刚度有关。在动载荷作用下的结构分析方法完全不同于静载荷作用时的分析方法。结构

27、在动载荷作用下，经常发生结构振动现象，因此，动载荷作用下的分析比静载荷作用时要复杂得多。2.1 机械结构的计算简图上一页下一页返回在形成计算模型时，计算载荷组合一定要根据相应规范、标准所规定的计算工况来确定。对同一结构进行分析时，可以有多种计算工况，如对汽车起重机车架进行有限元分析时，臂架位置可以位于正侧方、正后方和在后支腿上方，这三种工况都应进行计算。因为它们都有可能使车价的应力分布出现最不利情形。对同一结构进行分析时，针对不同部件的考核又有不同的载荷组合。如龙门起重机，在对主梁进行考核时，应把载荷作用在主梁跨中，这时主梁受力最大。而对支腿进行考核时，则应把载荷作用在支腿附近(自然应是小车能

28、够行驶到的位置)。对这两种不同的载荷组合都应计算。在确定计算载荷时，除根据不同工况计算实际载荷组合外，也常用单位载荷作用法。其方法是计算出同一工况中不同的载荷在单位值作用时的结果，然后根据实际工况的载荷直接把相应的计算结果加权叠加，从而得出实际工况下的结果。2.1 机械结构的计算简图上一页下一页返回如对汽车起重机车架进行分析时，首先分别计算在回转中心作用单位垂直力、绕纵轴的单位弯矩和绕横轴的单位弯矩时的情形，然后计算出臂架在不同位置时的实际垂直力、绕纵轴弯矩和绕横轴弯矩，根据它们与单位力的权值把相应点的计算结果加权叠加，就可得出实际位移和应力值。以上是有关形成计算简图 (计算模型) 的一般原则

29、。应当指出，一个结构的计算简图并非是永远不变的。一方面，它将随着人们认识的发展、计算技术的进步以及不断放宽的简化要求，使计算简图更趋近于结构的实际工作情况。另一方面，也应因需要不同而异，例如，在结构初步设计时，为了粗略估算杆件的截面，可以选用比较简单的计算简图，而在正式设计时，则又采用比较复杂更能反映实际情况的计算简图作精确计算。2.1 机械结构的计算简图上一页下一页返回2.1.2载荷及其组合大多数情况下，产品的结构是承受载荷的。根据载荷的性质可划分为自重载荷、工作载荷、惯性载荷、冲击载荷、自然载荷以及其他载荷。根据载荷作用的概率可划分为基本载荷、附加载荷和特殊载荷。所有载荷并非始终作用在结构

30、上，因此，在设计结构时通常根据各类机械的实际工况，将载荷先组合，然后进行结构计算。1.载荷种类工程机械常见外载荷分为5类。(1)自重载荷自重载荷是指机械的结构、机构和电气设备等的重力。机械自重及其在各部件的分布在设计之前为未知数。由于结构自重载荷占了机械总重量的很大比例，因此，自重载荷的正确估定和计算十分重要。通常，可参考类型相似、参数相近的机械结构进行估算，或者利用一些经验公式(查相应设计手册)初步确定。2.1 机械结构的计算简图上一页下一页返回有的机械 (如起重运输机)金属结构的自重载荷也可根据类似结构的自重表查阅获取。经过估算或查阅后的自重载荷，在初步设计计算后再作修正。一般要求理论计算

31、值与实际重量误差小于柑10%，若误差较大必须复算。自重的分布根据结构形式而定。通常，板梁实体结构的自重视为均布载荷，桁架结构的自重可假定为均匀分布作用在桁架的结点上，机械装置及电气设备等的自重视为集中载荷作用在相应部位上。机械非作业时，自重载荷为静态。当机械作业时，因结构振动自重载荷将产生动载效应。在结构设计时习惯上计入动载系统来考虑，即自重载荷乘上相应的载荷增长系数以反映自重载荷的动载效应。动载系数根据各种机械作业时振动状况而定，由相应机械设计手册查取。(2)工作载荷机械结构在工作状态中承受的载荷称为工作载荷。工作载荷是结构主要承受的载荷。2.1 机械结构的计算简图上一页下一页返回比如起重机

32、的起升载荷、挖掘机的挖掘阻力和物料重量、装载机的铲装阻力和物料重量等。由于机械作业时都存在较大振动，使结构产生附加的动应力，因此，在计算工作载荷时往往应考虑动载效应。比如，起重机械的起升载荷，在起重质量突然离地起升或下降制动时，结构将产生冲击振动，从而增大了起升载荷的静力值。计算时常用一个大于1的动载系数乘以起升载荷静值来表示，该动载系数可由理论计算和试验研究获得。(3) 质性载荷和冲击载荷机械的惯性载荷和冲击载荷均属于动力载荷。惯性载荷又称惯性力。通常包括机械的变幅机构非稳定运动时作变速运动的质量惯性力、回转机构工作时回转质量的法向惯性力和回转机构非稳定运动时回转质量的切向惯性力、机械自身质

33、量等的水平惯性力。冲击载荷是指运行机构沿道路或轨道行驶时，由于道路不平或轨道接头的影响，对结构产生的垂直方向的最大振动惯性力。2.1 机械结构的计算简图上一页下一页返回惯性载荷和冲击载荷均计入相应的动力系数，动力系数的确定根据各类机械的不同而不同。(4)自然载荷自然载荷是指结构受自然环境因素影响所造成的载荷，如风、雪、冰、温度变化和地震等载荷。上述载荷中除风载荷外，其余载荷对于常用机械而言，如用户无特殊要求，机构设计中一般不考虑。风载荷是自然载荷中的重要载荷，这是因为工程机械大多在露天作业，尤其是一些机械 (如塔式起重机、龙门起重机等)高达几十米，受风载影响很大。因此，对起重机等类工程机械必须

34、考虑风载荷的作用。风载荷是大小和方向均为随机的水平力，由风压和受风物体的体型尺寸所确定。风压与风速和空气密度有关。风速变化不大的阵风视为静风压，用于一般起重运输机械设备的结构计算。对于高耸起重机结构，还应计入风压脉动引起的结构风振。2.1 机械结构的计算简图上一页下一页返回(5)其他载荷其他荷载包括结构在运输或安装过程中产生的震动冲击力、捆扎力、吊装力等特殊载荷;机械偏斜运行时，轨道作用在车载上的水平测向力;机械试验时的试验载荷等。2.载荷组合上述载荷都是随机变量，对结构的作用也是随机过程。根据这些载荷的不同特点以及载荷出现的频率程度，可分为3类。(1) 基本载荷始终和经常作用在结构上的载荷，

35、包括自重载荷、工作载荷、惯性载荷和冲击载荷;(2) 附加载荷机械在正常工作状态下结构所受到的非经常性作用的载荷，包括工作状态下作用在结构上的最大风载荷、机械运行过程中引起的水平侧向力等;2.1 机械结构的计算简图上一页下一页返回(3)特殊载荷机械处于非工作状态或试验状态下的载荷，包括非工作状态下最大风载荷、安装载荷、试验载荷、碰撞载荷和湿度载荷等。所有的各种载荷，不可能同时作用于结构上，因此，在结构设计时，应根据各种机械的实际工况，将可能同时作用在机械结构上的载荷进行合理组合，然后进行结构计算。各类工程机械的载荷组合是不同的。如按起重机设计规范要求，起重机械结构分为3类载荷组合。(1) 第一类

36、载荷组合第一类载荷组合仅考虑基本载荷。这一组组合是起重机最多有两个机构同时处于非稳定状态。该组合用于对结构进行疲劳计算。2.1 机械结构的计算简图上一页下一页返回(2)第二类载荷组合第二类载荷组合考虑基本载荷和附加载荷同时作用。这一组合是起重机结构正常工作状态下具有可靠的强度和稳定性的重要设计载荷。该组合用于对构件和机构零件进行强度、稳定性和刚度计算。(3) 第三类载荷组合第三类载荷组合考虑基本载荷和特殊载荷同时作用，或基本、附加与特殊载荷同时作用。产生此类载荷组合时，起重机是处于非作业状态。该组合用于验算露天作业的起重机结构的最大静强度、弹性稳定性和整机倾覆稳定性。2.1 机械结构的计算简图

37、上一页返回结构计算的目的是保证结构在载荷作用下安全可靠地工作，既要满足强度、稳定性、刚度等条件，又要符合经济要求。根据计算中安全系数处理方法的不同，结构的计算方法分为许用应力法和极限状态法两种。2.2.1许用应力法机械结构直接承受变化很大的动载荷和反复载荷。一般情况下，不考虑钢材的塑性变形，即以钢材弹性阶段为计算依据，结构的极限应力不得超过屈服极限。 结构设计时，考虑到计算载荷大小与实际承受载荷之间、钢材机械性能的取值与材料的实际数值之间、钢材的规格与实际尺寸之间、设计计算的截面尺寸与实际加工尺寸之间以及计算简图与真实结构之间都可能存在一定的差异，为了保证安全，结构的计算必须留有余地，有一定的

38、安全储备。为此，在设计中引入安全系数。2.2 结构承载能力的设计计算方法下一页返回目前广泛采用的是许用应力法，其设计准则是：结构在任一类组合载荷的作用下，所求出的构件或连接件的计算应力不得大于相应的许用应力。许用应力是构件或连接件的屈服极限s与相应的安全系数K的商。安全系数包括载荷系数K1(反映实际载荷可能超过标准载荷)、材料系数K2(反映材料的变异情况)、调整系数K3(考虑结构的重要性程度)，计算表达式为式中， 在外载荷作用下产生的内力组合; S构件的几何特性。2.2 结构承载能力的设计计算方法上一页下一页返回许用应力法采用了单一系数K来考虑结构的安全度。由于K中的载荷系数K1对各类载荷都取

39、同一数值，因此无法区分各载荷不同的超载情况。另外，安全系数是用数理统计方法，结合工程实践经验而确定的平均数值，尽管一般都偏于保守，却也难以保证每个构件的安全度。但由于许用应力法简便、可靠，易于掌握，因此，目前国内外仍广泛采用这种方法进行结构设计计算。2.2.2极限状态法为了更好地反映出结构的实际安全度，包括我国在内的许多国家制订的(钢结构设计规范)均采用了极限状态计算法。该计算法的设计准则是：结构在任一类包含了载荷系数K1和调整系数K3的组合载荷作用下，所求得的构件或连接件的计算应力不得大于相应的极限应力。极限应力是构件或连接件的屈服极限S与材料系数K2的商。计算表达式为2.2 结构承载能力的

40、设计计算方法上一页下一页返回式中， 在考虑了载荷系数和调整系数的外载荷作用下产生的内力组合。由于极限状态法采用分项系数来考虑结构的安全度，将载荷系数和调整系数归入了载荷项内，因此不仅适合几何线性结构体系，还适用于几何非线性的结构体系。这种计算法显然能真实反映结构构件或连接件的实际安全度，计算比较精确合理，从而保证了设计的可靠性。 由此可见，极限状态法与许用应力法的主要区别在于安全系数的采用，前者是根据具体结构对所承受的载荷、结构的材料和工作情况分别选取不同的系数，因此必须提供各项系数的数据。但是，在工程机械设计中，目前还缺乏适用于机械结构的各分项系数的可靠统计数据，因此，我国以及大多数国家至今

41、尚未采用极限状态法来设计结构。2.2 结构承载能力的设计计算方法上一页返回工程机械金属结构的安全系数和许用应力，是经过大量试验和根据工程实践而确定的。以起重机械为例，在结构设计时，按照三类载荷组合情况分别取用不同的许用应力。按第一类载荷组合对重级和特重级工作类型的结构进行疲劳计算时，取疲劳许用应力，按有关设计手册中计算公式确定。按第二类载荷组合进行结构强度和稳定性计算时，钢材的许用应力根据表2-1的尺寸分组后，按表2-2取用。这是因为钢材的屈服极限随其厚度增加而降低，在确定许用应力值时需考虑这一特点。按第三类载荷组合进行结构强度和稳定性计算时，可根据具体情况适当提高许用应力。对于起重机金属结构

42、材料的安全系数n和许用应力，按(起重机设计规范)规定，结构和连接件材料的拉伸、压缩、弯曲许用应力以及剪切、端面承压许用应力按相应载荷组合而定，可从表2-3中选取。2.3 许用应力下一页返回在确定许用应力时，需考虑到钢材随着屈服极限S与抗拉强度b的比值增大，其屈服后的强度储备相应会减小，脆性破坏的危险性会增大，因此，当比值大于0.7时，为了确定材料安全，应按下式确定其许用应力。式中，n为与表2-3中载荷组合相应的安全系数。2.3 许用应力上一页返回图2-1返回图2-2返回图2-3返回图2-4返回图2-5返回图2-6返回表2-1返回表2-2返回表2-3返回第3章 典型零件的结构设计3.1 壳体、箱

43、体结构设计3.2 支撑件的结构设计3.3 连接件的结构设计3.4 密封件的结构设计3.5 传动件的结构设计各种工业产品的构成材料、结构、外观造型等可能千差万别，但在构成上大多有外壳，如壳体、箱体 (仪器、工具及设备或构成部件等的外壳)。一般壳体、箱体暴露在产品外部，其内部装置有产品的构成功能零部件。3.1.1 壳体、箱体功能与作用壳体与箱体没有本质上的区别，壳体是从产品构造和结构特点上的习惯称谓，具有包容内部组成部件且厚度较薄的特征，如电视机壳、手机壳等；箱体更多是从零部件功能和结构特征方面的定义，特点是具有包容、支撑等结构功能且相对封闭，如汽车变速箱、计算机主机箱等。尽管各种产品的功能、用途

44、及构成产品外壳的壳体、箱体的构造、材料不尽相同，但产品外壳的主要功能与作用大致类似。以吸尘器为例(如图3-1所示)，壳体、箱体的主要功能归纳如下。容纳、包容：将产品构成的功能部件容纳于内。定位、支撑：支撑、确定产品构成各零部件的位置。3.1 壳体、箱体结构设计下一页返回防护、保护：防止构成产品的零部件受环境的影响、破坏或其对使用者与操作者造成危险与侵害。装饰、美化：这正是工业造型设计主要关注的问题。其他：依产品的功能和使用目的不同而定，如汽车的车厢、音响系统的音箱等。3.1.2壳体、箱体的结构的特点与设计要求作为产品或其外壳的壳体或箱体，在满足强度、刚度等设计要求的基础上，通常采用薄壁结构，并

45、设置有容纳、固定其他零部件的结构和方便安装、拆卸的结构。在具体结构设计上，除考虑其主要功能、作用外，还应考虑以下几个要素。定位零部件。固定的零部件和运动的零部件在结构上需有不同的考虑，如图3-2所示的照相机的镜头。 便于拆、装。考虑产品的组装、拆卸和维修、维护，壳体、箱体多设计成分体结构，各部分通过螺丝、锁扣等进行组合连接。3.1 壳体、箱体结构设计上一页下一页返回对于长久使用或可能多次拆卸的产品，需考虑采用便于拆卸、耐用的结构，如在塑料壳上内嵌金属螺纹件；对经常拆卸的产品，需考虑采用便于快速拆卸、组装的结构，如壳体上采用的弹性锁扣和打火机机芯与外壳的组装等，如图3-3,图3-4所示。值得指出

46、，某些产品设计上只考虑产品出厂时的组装，不需要考虑使用过程的拆装问题，如一次性产品和极少考虑拆卸维修的产品，如图3-5所示的手机电池和小电子产品。 材料及加工、生产方式。产品的功能和使用目的决定了产品外壳采用的材料，考虑产品的生产批量和成本等因素，又决定了其加工、生产方式，进而又决定了壳体、箱体的结构设计。如铸造件结构、冲压件结构、模塑结构在设计上考虑的因素和结构特点是不同的，详见后面的有关介绍。装饰与造型。装饰与造型的设计应结合产品的功能、构件的材料及加工、生产方式进行。3.1 壳体、箱体结构设计上一页下一页返回如照相机镜头调焦环表面的纹饰和机身上的皮质贴面，既起到了装饰、美化作用，又在功能

47、上起到防滑作用。材料与加工方式反过来又影响外观造型，如模塑壳体比冲压壳体的造型变化能力要丰富得多。3.1.3壳体、箱体的设计程序壳体、箱体的结构设计主要应保证刚度、强度、稳定性及加工性，在需要时进行相应的理论计算和实验。对于工业设计师而言，这方面的工作通常需要结构工程师配合，故在此不详细介绍。1.刚度对于承受较大载荷及作为支撑并对其他零部件进行定位的壳体和箱体，刚度是主要设计准则。如齿轮减速器、变速箱，箱体的刚度决定了齿轮的啮合情况和工作性能。打印机的壳体及机架刚度直接影响运动部件的运动精度，进而影响打印质量和精度。3.1 壳体、箱体结构设计上一页下一页返回2.强度强度是考虑壳体、箱体的防护和

48、保护性能进行设计的基本准则。一般情况下，需考虑搬运过程及意外冲击载荷造成的外壳强度破坏。如电视机、洗衣机等的外壳设计。3.稳定性受压及受压弯结构都存在失稳问题，特别是薄壁腹部还存在局部失稳问题，必须校核。4.加工性铸造、注塑构件应考虑液体的流动性、填充性和脱模，冲压件应考虑材料延展性和拉伸能力，并作相应计算。壳体、箱体的通常设计步骤与程序如下。初步确定形状、主要结构和尺寸。考虑安装在内部与外部的零部件形状、尺寸、配置及安装与拆卸等要求，综合加工工艺、所承受的载荷、运动等情况，利用经验公式或参考同类产品，初步拟定。3.1 壳体、箱体结构设计上一页下一页返回常规计算。利用材料力学、弹性力学等固体力

49、学理论和计算公式，进行强度、刚度和稳定性等方面的校核，修改设计以满足设计要求。静动态分析、模型实物试验及优化分析。通常对于复杂和要求高的产品要进行此步骤，并据此对设计进行修改和优化。制造工艺性和经济性分析。详细结构设计。值得指出的是，由于现代计算机技术及相应设计工具的普及应用，上述设计程序与内容已呈一体化和交叉进行的趋势，即在造型与结构设计的同时，交叉进行有关计算、校核、分析与优化。3.1.4不同制造方法的结构特点1.铸造壳体、箱体铸造是将熔融金属浇注、压射或吸入铸型型腔，冷却凝固后获得一定形状和性能的零件或毛坯的金属成型工艺。3.1 壳体、箱体结构设计上一页下一页返回金属铸造成型的原理和方法

50、已被广泛借鉴、应用于高分子材料、陶瓷及复合材料的成型。铸造外壳构件常用于对刚度、强度有较高要求及造型内部结构比较复杂的产品。铸造壳体、箱体具有以下特点。(1) 有较高的刚度和强度铸造构件一般壁厚较大，适合于对刚度、强度要求较高的产品外壳，如机床、汽车的变速箱、齿轮减速器等；除作为外壳，可在铸件上制作部分其他结构部件，如汽车、摩托车发动机将活塞缸体直接制作在壳体上，液压泵壳体也是泵的封闭构件，可以作为整个产品的底座或支架。(2)造型适应性强可制作比较复杂和变化不规则的外形，在生产难度和成本上增加不大，如带有散热片的铸造暖气片、带有散热结构的摩托车缸体 (如图3-6所示)；3.1 壳体、箱体结构设

51、计上一页下一页返回适于内腔形状复杂或不规则、不便加工的产品结构，如水龙头、水暖件等。(3)表面粗糙、尺寸精度低一般在铸件的一些关键部位、局部需采用机加工保证精度。现代铸造随着技术的进步，也已能够达到较高的制造精度。(4)封闭性好广泛用于气体、液体传输和密闭构件，如发动机缸体、压缩机壳体及自来水水表等，如图3-7所示。(5)工艺灵活性大、成本低对于各种成分、尺寸、形状和重量，铸件几乎都能适应，特别是在机器制造业中应用极其广泛。(6)其他铸铁材料具有减振、抗振性能和耐磨、润滑性能。3.1 壳体、箱体结构设计上一页下一页返回作为高速运动部件的壳体能起到一定的减振、降噪作用，如发动机、压缩机；作为运动

52、部件的支撑，能起到减少摩擦、磨损作用，如机床的导轨。铸造成型的主要缺点有：铸造组织的晶粒比较粗大，且内部常有缩孔、缩松、气孔砂眼等缺陷，力学性能一般不如锻件；铸造生产工序繁多，工艺过程较难控制，废品率较高；工作条件较差，劳动强度比较大。2.焊接壳体、箱体焊接是制造产品外壳的一种主要方法。焊接壳体、箱体一般采用机加工或压力加工预制好的备件经焊接组装成型，壁厚较大的产品壳体、箱体多采用机加工预制件，薄壁预制件常用压力加工方法成型。焊接方法主要用于金属钢板外壳，也适于有色金属及其合金外壳。焊接壳体、箱体有以下特点。3.1 壳体、箱体结构设计上一页下一页返回(1) 适用范围广适用不同材料、尺寸、形状、

53、厚度及生产批量的产品，如船体、汽车外壳、计算机主机箱及家用电器机壳等。(2)使用灵活焊接方法多样，适于不同用途，可单独使用，也可与其他成型方法结合或作为其他成型方法的补充及最终组合成型。如汽车外壳、车门主要是采用压力加工方法成型的，通过焊接进行组装，而油箱等密闭容器利用焊接方法进行密封。(3)生产周期短焊接需要的工装比较简单，焊接组件也常采用现成的板材、型材等预制件。(4)强度高通常认为，焊接组合的连接部位易出现开焊、开裂等现象，事实上，焊接部位的强度要比组件本体强度高。3.1 壳体、箱体结构设计上一页下一页返回焊接的主要缺点是造型能力较差，需借助组件的造型；加工精度较低，需借助一定的工装设备

54、保证或在焊接后进行机加工；焊接部位表面质量通常较差，需进行后处理；焊接产生一定的内应力，造成成品的变形。3.冲压壳体冲压是利用冲模在压力机上对板料施加压力使其变形分离，从而获得一定形状、尺寸的零件的加工万法。板料冲压通常是在常温下进行，又称冷冲压，当板厚超过8一10 mm时，采用热冲压。冲压是薄壁金属外壳的一种主要制造方法。冲压既可加工仪表上的小零件，也能加工汽车车身等大型制件。广泛用于汽车、拖拉机、电器、航空、仪表及日常生活用品等制造行业。板料冲压制造产品壳体具有下列特点。(1) 生产率高、操作简单生产过程只是简单的重复。3.1 壳体、箱体结构设计上一页下一页返回(2)产品质量好尺寸精度和表

55、面质量较高，互换性好。(3)材料利用率高按壳体的设计壁厚选择板材，有效利用材料；可采用组合冲压等方法，合理利用板材，产生的废料少。(4)造型能力强可制造复杂的曲面零件，复杂性仅反映在模具的设计和制作上，与生产加工关系不大。 (5)适用广泛制作壳体的材料可以是钢板，也可以是有色金属及其他合金板材，且适于较宽的尺寸范围。使用冲压方法生产制造产品壳体的主要缺点集中在模具方面。冲模设计、制造复杂，成本较高，且一件一模，局部更改也要更换模具。3.1 壳体、箱体结构设计上一页下一页返回因此，只有在大批量生产的条件下，才能显示出优越性。当然在特殊情况下，从产品的要求出发，小批量生产也可使用，但成本较高。4.

56、注塑壳体、箱体塑料壳体、箱体及塑料零件在现代工业产品中已得到广泛应用，如各种仪器、仪表、家电产品、电器工具、玩具及生活用品等。塑料壳体、箱体一般多采用注塑成型工艺制造，可选择的塑料材料种类很多，可根据具体产品要求确定。注塑壳体、箱体具有以下特点。生产周期短，生产效率高，易于实现大批量、自动化生产。可使用材料丰富，适应性强。产品质量较高，一致性好、互换性强，成本低。几何造型能力强，可产生形状、结构复杂的产品。功能性与装饰性结合好。3.1 壳体、箱体结构设计上一页下一页返回塑料材料具有很多优良的特性，相应地也反映在注塑壳体、箱体上。例如，通常塑料具有良好的绝缘性，制作电器产品、工具的外壳非常合适；

57、很多塑料具有良好的透明性，透明产品外壳可观察到产品内部的状况；在塑料壳体表面可以使用喷、涂、镀等装饰工艺，制成不同材质、装饰效果。注塑壳体、箱体也存在一些明显的缺点。主要有：注塑模具成本较高，不适于单件、小批量生产；强度、表面硬度较低，抗冲击、磨损性能差，局部细小结构在维修过程中易损坏；材料存在老化问题，耐久性差。3.1 壳体、箱体结构设计上一页返回3.2.1滑动轴承支撑滑动轴承是转动连接的重要和常用支承结构形式，在具体产品中形式多样，应用灵活。基本的滑动轴承结构形式如图3-8所示，轴承设计为套筒状，并安装、固定在轴承座或机架上，轴转动时与轴承之间的滑动摩擦产生的运动阻力大、滑动零件易磨损、要

58、求加工和安装精度较高。滑动轴承连接结构在设计上应重点考虑轴承运动间隙、摩擦面的润滑、连接相关结构的固定及装拆等问题。轴承的运动间隙取决于运动精度和运动状况要求。间隙大，运动阻力小、摩擦磨损小、装拆容易，但运动精度、刚度低；间隙小，可达到较高的运动精度、刚度，但代价是运动阻力大，对润滑条件要求高，运动摩擦大、易发热。对于运动速度低、运动载荷小、运动阻力影响小或运动精度要求不高及不便采用滚动轴承等场合，滑动轴承连接结构可采用更简单的形式，3.2 支撑件的结构设计下一页返回直接在机壳或零件体上制孔作为轴承。例如，钳子、剪刀等常用的工具，门窗合叶、锁具等小五金，由于结构摩擦小、转动要求低，可采用简单的

59、定期润滑等措施保证运转灵活性，有的甚至不考虑润滑。图3-9为机械照相机的自拍机构，也是将部件机架上的孔直接作为轴承使用。与之类似的钟表结构，由于零部件转动要求高，考虑零件磨损等因素，常在孔上镶嵌红宝石等特殊材料的套筒作为轴承。作为滑动轴承的材料，润滑和耐磨性是设计上主要考虑的两个因素，而这两个因素不是彼此孤立的，润滑状况好，则摩擦、磨损小。通常，在机械结构设计时，轴的表面硬度较高，耐磨。同种类材料接触摩擦，发热后易产生粘连，特别是高速运转时更突出。因此，轴承尽可能选择与轴不同的材料。常用滑动轴承材料包括各种铸铁、青铜、含油粉末冶金、尼龙、塑料及橡胶等。铸铁材料内的石墨有辅助润滑作用，属于自润滑

60、材料；粉末冶金材料内的空隙能保存油脂，作为轴承，润滑结构简单且有很好的效果；3.2 支撑件的结构设计上一页下一页返回尼龙、塑料材料质轻、摩擦系数小、疲劳强度高，但加工、安装容易，在机械设备上经常采用。特别是采用各种塑料材质外壳的一些小电器产品，如图3-10所示的电子词典和手机，转动结构(轴承)直接设计在壳体上，结构简单且工作可靠。 滑动轴承的润滑主要取决于运动状况，对高速运转和重要的结构，需在轴承上设计润滑结构(润滑沟槽、润滑孔等)及相应的润滑装置。轴在旋转时，由轴承内壁油膜支承转轴，使之不与轴承内壁接触，以减小摩擦阻力及磨损。通过轴旋转时在轴承内壁形成楔状间隙，间隙中的油膜产生动压力支承转轴