机械设计学_第六章_机械结构设计

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1、机械设计学课件机械结构是机械功能的载体，机械结构设 计的任务是依据所确定的功能原理方案设计出实 体结构。该结构能体现出所要求的功能，用结构 设计图样表示。结构图应表示出结构件的形状、 尺寸及所用的材料，同时还必须考虑加工工艺、 强度、刚度、精度、寿命、可靠性及零件间的相 互关系，有关造型设计及人机工程等问题也应在 这一阶段解决。第六章 机械结构设计机械设计学课件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，它们之间既有联系，又有区别 ，本章将着重讨论零件结构设计的共性问题。如果说功能原理设计决定了产品的先进性、新颖 性，那么结构设计则决定了产品的质量和成本的 7080，因此说结构

2、设计是机械设计中涉及问 题最多，工作量最大的一个环节。本章将重点讨 论结构设计的共性问题。机械设计学课件第一节 结构件的功用及基本类型零件是构成机器的基本元素，从结构设计的角度 出发，可以把零件称为结构件。 一、结构件的功用 各种结构件具有的功能主要有：承受载荷、传递运动 和动力、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承受载荷 正确分析结构件受力的 类型、大小、方向及其 对结构件工作正常的影 响，是进行结构设计的 重要依据和保证。机械设计学课件 2传递运动和动力摆杆3的作用是把运动和动力传给滑枕2，以便使 刨刀1实现直线住复运动并切下金属。机械设计学课件轴4和摆杆3都具

3、有传递运动的功能。由于摩擦力的 存在，它们也承受一定的弯矩和扭矩。机械设计学课件3 . 保持有关零部件之间的相对位置或运动轨迹关系仍以车床为例：车床主轴箱和床身之间应有严格 的相对位置关系。即主轴中心线应与床身上的导轨 平行，保证沿导轨移动的刀架上所装刀具的尖端走 出与主轴轴线平行的轨迹，以车削出准确的圆柱体 。同时，还要求后座顶尖与主轴顶尖的连线与床身 导轨平行。要求床身导轨本身要具有相应的直线度 ，受热、受力变形小等。机械设计学课件4 其它功用有些结构件还具有其它些功用，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 结构件还兼有或主要

4、用作防护或装饰作用，要求具 有定的外形及色彩。机械设计学课件二、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。 1）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。 2）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。机械设计学课件 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。机械设计学课件说明： 1）零件的相关分为直接相关和间接相关两类： （1）直接相关：凡是两零件有直接装配关系的。 （2）间接相关：没有直接装配关系的相关。 间接相关又分为位置相关和运动相关两类

5、： 位置相关是指两零件在相互位置上有要求。 运动相关是指一零件的运动轨迹与另一零件有关。 要满足运动相关条件，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。机械设计学课件 四、零件的结构要素若把零件上与其它零件直接相关部位称为工作部 分，则多数零件均由两个或多个工作部分及联结部分 组成，联结部分的作用是把各工作部分联结起来并使 它们保持各自的位置，同时也常常起到支承作用。有 时，也把用以固定联结的工作部分称为安装部分。机械设计学课件图6-1所示车床中的床腿1是典型的支承件，也称大 件。它的底面是安装部分，上表面是工作部分作用 是支承床身7，而床腿的工作部分恰与

6、床身的安装部 分相联结，因此也具有安装部分的持点，只是受力比 底面小些。床身两端下表面为安装部分，床头上表面 及导轨为工作部分，而床头与主轴箱的联结部分相当 于安装部分。在结构设计中通常先确定工作部分，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。机械设计学课件第二节 结构方案设计的基本原则和原理一、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明确 所谓明确是指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但。机械设计学课件 (1)功能明确 所选择结构要达到预期的功

7、能， 每个分功能有确定的结构来承担，各部分结构之 间有合理的联系。要避免冗余结构，尽量减少静 不定结构。在图6-2(a)中，传递转矩是键还是圆 锥面，零件的轴向定位是轴的台阶面还是圆锥面 ，两者均不明确。这是一种功能不明确的结构。 图6-2(b)两种功能都是由圆锥面承担，是一种好 结构机械设计学课件(2)工作原理明确所选结构的物理作用明确，从而可靠地实现能 量流(力流)、物料流和信息流的转换或传导。机械设计学课件 （3)使用工况及承载状态明确图63为组合轴承设计的两种方案。图63(a) 设计者原意是滚针轴承承担径向力，球轴承承受 轴向力。图63(b)径向力和轴向力承受者都很清 楚。 图64受拉

8、焊缝。 (a)图为静不定结构； (b)图为合理结构。机械设计学课件2简单结构设计简单是指整机、部件和零件的结构,在满足 总功能前提下，尽量力求结构形状简单、零部件数量 少等。零部件数量少，实质是缩短加工、组装和生产准备 周期，降低生产成本。在设计中常采用一个零件担任 几种功能的办法，达到减少零件数量的目的。如图6-5吊车轨道，除作导轨用外，还兼作水、空压、油压管道的作用，是多功能结构件。机械设计学课件 3安全可靠1）机器安全包括4个方面：零件安全 主要指在规定的载荷和规定时间内，零 件不发生断裂、过度变形、过度磨损，不丧失稳定性 。整机安全 指整个技术系统保证在规定条件下实现 总功能。工作安全

9、 对操作人员的防护，保证人身安全和身 心健康。环境安全 对技术系统的周围环境和人不造成危害 和污染，同时也要保证机器对环境的适应性，如挖掘 机对沼泽地工作的适应。机械设计学课件2）安全技术法为了保证安全可靠性，而采取的技术措施：(1)直接安全技术法：是指在结构设计中充分满足安 全可靠要求，保证在使用中不出现危险。如采用安全销、安全阀和易损件等。对于可能松脱的 零件加以限位，使其不致脱落造成机器事故。如图67(a)表示螺钉松脱后落入机器内，不能工作。图67(b)表示螺钉松脱时，受到限位不致掉入系统中。机械设计学课件冗余配置原理 当技术系统发生故障或失效对 会造成人身安全或重大设备事故，为了提高可

10、靠 性，常采用重复的备用系统。如飞机发动机的双 驱动、三驱动和副油箱；压力容器中两个安全阀 ；为确保煤矿井下绝对安全，对排水的水泵系统 采用两套或三套配置(一套运转，一套维修，一 套备用)。机械设计学课件(2)间接安全技术法。通过防护系统和保护装置来 实现技术系统的安全可靠。其类型是多种多样的。 如液压回路中的安全阀、电路系统中的保险丝等， 都是当设备出现危险或超负荷时，自行脱离危险状 态。图68具有故障显示正常的精过滤器:液压回 路中，精过滤器芯2被堵时，差压计1发出信号，而单向阀3打开，回路仍正常工作。机械设计学课件 (3)提示性安全技术法。既不能直接保证安全可靠 ，又没有保护或防护措施，

11、仅能在事故出现以前 发出报警和信号，提醒人们注意，如指示灯，警 铃等。机械设计学课件 二、结构方案设计原理在结构设计中常应用下述各项原理：1 . 等强度原理对于同一个零件来说，各处应力相等，各处寿命 相等，叫等强度。这样可使结构有相等强度，从而 达到充分利用材料，提高经济效益。如图5-12a)的 结构强度不等，而且强度差，b)图的结构强度不等 ，c)图适用于铸铁的等强度结构，d)图适用于钢的 等强度结构。机械设计学课件 图6-9所示为增加约束变形附件以降低高应力区应力 的两个实例。图中构件1为承受载荷的主体构件，当 在结构中增加一个约束变形的辅助构件2时，就使构 件1左半部的应力显著减小，两部

12、分应力趋于均匀。机械设计学课件2. 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。力在构件中的传递轨迹就像电场中的电力 线、磁场中的磁力线、水流中的流线一样，按力流路 线传递。 力流密集程度反映力的大小。 力线和力流方向用箭头表示。 力线和力流在连续物体中传递， 数量不变，且连续不断机械设计学课件 力流路线直接、最短原 则可以使零件尺寸缩小、 节省材料，变形小，刚 度好。固6-11a的力流路 线最短，结构尺寸最小 ；b的力流路线比图a的 长，故尺寸大。机械设计学课件 力流转向平缓原则：当结构断面发生突然变化，引 起力流方向的急剧改变，使得力流密度增加，产生 应力集中。

13、在结构设计时，应采取措施，使力流方 向变化平缓，减小应力集中。图6-13所示为轮毂联 结：图a)力流方向变化急剧，A处应力集中;图b)力 流方向变化较平缓，应力集中小。机械设计学课件3变形协调原理所谓变形协调，就是使相联接的两零件在外载荷的 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。图6-12为两焊接板的变形及应力分布。图a) 为一板受拉另一板受压，两零件在接缝的上端应力 集中很大，相对变形 大，变形不协调，应力 分布不均匀；图b)为两 板受拉，相对变形小， 符合变形协调原理应 力分布均匀。机械设计学课件4力平衡原理 在机器工作时，常产生一些无用的力。如离心惯性 力、变速惯性力

14、、斜齿轮的轴向力等，这些力不但 增加了轴和轴承等零件的负荷，降低其精度和寿命 ，同时也降低了机器的传动效率。所谓力平衡就是指采取结构措施，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。机械设计学课件 如图6-30所示为通过 人为增加一个偏心来 平衡另一个偏心产生 的离心力。 图5-30行星轮采用对 称布置，齿轮啮合产 生的径向力被抵消。机械设计学课件5任务分配原理 分配有三种可能： 1）一载体承担多种功能：功能集中于一载体，可 简化结构、降低成本； 2）一载体承担一种功能：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

15、 及准确计算； 3）多载体共同承担一种功能：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。 例如将只靠螺拴预紧产生的摩擦力来传递横向载 荷时，会使螺栓尺寸过大，可通过增加抗剪元件， 如销、套筒和端而键等，以分担横向载荷来解决这 一问题。机械设计学课件图52l是三种不同的密封和定位结构，a图轴承的 密封和定位用同一个结构1来完成，需用圆钢车成， 其制造费用高；b图的密封和定位分别由1挡圈和2轴 套承担。2可用管料车成，节约材料减少加工时间 ；c图中密封件1为冲压件，用无屑加工代替有屑加 工，确保了密封，大大节约工时和材料。机械设计学课件6自补偿原理通过选择

16、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(额定载荷)下有加强功能、减 载和平衡的含义，而在紧急情况(超载)下有自保 护和救援的含义。 常见的自补偿原理应用形式有：自增强、自平衡 和自保护：1)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。机械设计学课件在正常工作状态下辅助效应与初始效应的作用方向相同， 总效应为两者之和。如图6-12高压容器检查孔盖的设计。图 (a)拧紧螺杆，使端盖2紧贴在密封件3上，形成初始效应。 工作时间，内部高压P作用在端盖2上，加强密封效果，产生 辅助效应。总效应是两者叠加使密封自增强。图(b)是自 损结构。效应相互抵消，密封效果不好。机械设计学课件 工作时，工件1受到一个F2力，该力使工件与偏心轮之 间产生一个使偏心轮顺时针转动的趋势，该趋势与F