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1、精品学习资源机械结构设计的任务是在总体设计的基础上，依据所确定的原理方案，确定并绘出详细的结构图，以表达所要求的功能；是将抽象的工作原理详细化为某类构件或零部件，详细内容为在确定结构件的材料、外形、尺寸、公差、热处理方式和外表状况的同时，仍须考虑其加工工艺、强度、刚度、精度以及与其它零件相互之间关系等问题；所以，结构设计的直接产物虽是技术图纸，但结构设计工作不是简洁的机械制图，图纸只是表达设计方案的语言， 综合技术的详细化是结构设计的基本内容 ；机械结构设计的主要特点有： 1它是集摸索、绘图、运算有时进行必要的试验于一体的设计过程，是机械设计中涉及的问题最多、最详细、工作量最大的工作阶段，在整
2、个机械设计过程中，平均约80% 的时间用于结构设计， 对机械设计的成败起着举足轻重的作用；2机械结构设计问题的多解性，即满意同一设计要求的机械结构并不是唯独的； 3机械结构设计阶段是一个很活跃的设计环节，经常需反复交叉的进行；为此，在进行机械结构设计时，必须明白从机器的整体动身对机械结构的基本要求机械结构的功能主要是靠机械零部件的几何外形及各个零部件之间的相对位置关系实现的；零部件的几何外形由它的外表所构成，一个零件通常有多个外表，在这些外表中有的与其它零部件外表直接接触，把这一部格外表称为功能外表；在功能外表之间的联结部分称为联接外表；零件的功能外表是打算机械功能的重要因素，功能外表的设计是
3、零部件结欢迎下载精品学习资源构设计的核心问题；描述功能外表的主要几何参数有外表的几何外形、尺寸大小、外表数量、位置、次序等；通过对功能外表的变异设计，可以得到为实现同一技术功能的多种结构方案；在机器或机械中，任何零件都不是孤立存在的；因此在结构设计中除了争论零件本身的功能和其它特点外，仍必需争论零件之间的相互关系；零件的相关分为直接相关和间接相关两类；凡两零件有直接装配关系的， 成为直接相关；没有直接装配关系的相关成为间接相关；间接相关又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，如减速器中两相邻的传动轴，其中心距必需保证肯定的精度，两轴线必需平行，以保证齿轮的正常啮合；
4、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需平行于于主轴的中心线，这是靠床身导轨和主轴轴线相平行来保证的，所以，主轴与导轨之间位置相关；而刀架与主轴之间为运动相关；多数零件都有两个或更多的直接相关零件，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；在进行结构设计时，两零件直接相关部位必需同时考虑，以便合理地挑选材料的热处理方式、外形、尺寸、精度及外表质量等；同时仍必需考虑满意间接相关条件，如进行尺寸链和精度运算等；一般来说，假设某零件直接相关零件愈多，其结构就愈复杂；零件的间接相关零件愈多，其精度要求愈高；例如，轴毂联会见图5.1；结构设计据结构件的材料及热处
5、理不同应留意的问题机械设计中可以挑选的材料众多，不同的材料具有不同的性质，不同的材料对应不同的加工工艺，结构设计中既要依据功能要求合理地挑选适当的材料， 又要依据材料的种类确定适当的加工工艺，并依据加工工艺的要求确定适当的欢迎下载精品学习资源结构，只有通过适当的结构设计才能使所挑选的材料最充分的发挥优势；设计者要做到正确地挑选材料就必需充分地明白所选材料的力学性能、加工性能、使用成本等信息；结构设计中应依据所选材料的特性及其所对应的加工工艺而遵循不同的设计原就；如：钢材受拉和受压时的力学特性基本相同，因此钢梁结构多为对称结构；铸铁材料的抗压强度远大于抗拉强度，因此承担弯矩的铸铁结构截面多为非对
6、称外形， 以使承载时最大压应力大于最大拉应力， 图示 5.2 为两种铸铁支架比较；钢结构设计中通常通过加大截面尺寸的方法增大结构的强度和刚度，但是铸造结构中假如壁厚过大就很难保证铸造质量，所以铸造结构通常通过加筋板和隔板的方法加强结构的刚度和强度；塑料材料由于刚度差，铸造后的冷却不均匀造成的内应力极易引起结构的翘曲，所以塑料结构的筋板与壁厚相近并均匀对称；对于需要热处理加工的零件，在进行结构设计时的要求有如下几点：1零件的几何外形应力求简洁、对称，抱负的外形为球形；2具有不等截面的零件，其大小截面的变化必需平缓，防止突变；假如相邻部分的变化过大，大小截面冷却不均，必定形成内应力； 3防止锐边尖
7、角结构，为了防止锐边尖角处熔化或过热， 一般在槽或孔的边缘上切出 2 mm 的倒角；4防止厚薄悬殊的截面，厚薄悬殊的截面在淬火冷却时易变形，开裂的倾向较大；机械产品应用于各行各业，结构设计的内容和要求也是千差万别，但都有相同的共性部分；下面就机械结构设计的三个不同层次来说明对结构设计的要求；1. 功能设计 满意主要机械功能要求， 在技术上的详细化； 如工作原理的实现、工作的牢靠性、工艺、材料和装配等方面；欢迎下载精品学习资源2. 质量设计兼顾各种要求和限制，提高产品的质量和性能价格比，它是现代工程设计的特点；详细为操作、美观、成本、安全、环保等众多其它要求和限制；在现代设计中，质量设计相当重要
8、，往往打算产品的竞争力；那种只满意主要技术功能要求的机械设计时代已经过去，统筹兼顾各种要求，提高产品的质量，是现代机械设计的关键所在；与考虑工作原理相比，兼顾各种要求好像只是设计细节上的问题，然而细节的总和是质量，产品质量问题不仅是工艺和材料的问题，提高质量应始于设计；3. 优化设计和创新设计用结构设计变元等方法系统地构造优化设计空间， 用制造性设计思维方法和其它科学方法进行优选和创新；对产品质量的提高永无止境，市场的竞争日趋猛烈，需求向个性化方向进展； 因此， 优化设计和创新设计 在现代机械设计中的作用越来越重要，它们将是将来技术产品开发的竞争焦点；结构设计中得到一个可行的结构方案一般并不很
9、难；机械设计的任务是在众多的可行性方案中寻求较好的或是最好的方案；结构优化设计的前提是要能构造出大量可供优选的可能性方案，即构造出大量的优化求解空间，这也是结构设计最具制造性的地方；结构优化设计目前基本仍局限在用数理模型描述的那类问题上； 而更具有潜力、更有成效的结构优化设计应建立在由工艺、材料、联接方式、外形、次序、方位、数量、尺寸等结构设计变元所构成的结构设计解空间的基础上；机械设计的最终结果是以肯定的结构形式表现出来的，按所设计的结构进行加工、装配，制造成最终的产品；所以，机械结构设计应满意作为产品的多方 面要求，基本要求有功能、牢靠性、工艺性、经济性和外观造型等方面的要求；欢迎下载精品
10、学习资源此外，仍应改善零件的受力，提高强度、刚度、精度和寿命；因此，机械结构设计是一项综合性的技术工作；由于结构设计的错误或不合理，可能造成零部件不应有的失效，使机器达不到设计精度的要求，给装配和修理带来极大的不便利；机械结构设计过程中应考虑如下的结构设计准就；功能的设计准就强度要求的设计准就刚度结构的设计准就工艺的设计准就装配的设计准就造型设计的准就1. 实现预期功能的设计准就产品的设计主要目的是为了实现预定的功能要求，因此实现预期功能的设计准就是结构设计第一考虑的问题；要满意功能要求，必需做到以下几点；(1) 明确功能 : 结构设计是要依据其在机器中的功能和与其他零部件相互的连接关系，确定
11、参数尺寸和结构外形；零部件主要的功能有承担载荷、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等；设计的结构应能满意从机器整体考虑对它的功能要求；(2) 功能合理的安排： 产品设计时，依据详细情形，通常有必要将任务进行合理的安排，即将一个功能分解为多个分功能；每个分功能都要有确定的结构承担， 各部分结构之间应具有合理、和谐的联系，以到达总功能的实现；多结构零件承担同一功能可以减轻零件负担， 延长使用寿命； V 型带截面的结构是任务合理安排的一个例子；纤维绳用来承担拉力；橡胶填充层承担带弯曲时的拉伸和压欢迎下载精品学习资源缩；包布层与带轮轮槽作用，产生传动所需的摩擦力；例如
12、，假设只靠螺栓预紧产生的摩擦力来承担横向载荷时，会使螺栓的尺寸过大，可增加抗剪元件， 如销、套筒和键等，以分担横向载荷来解决这一问题；(3) 功能集中： 为了简化机械产品的结构，降低加工成本，便于安装，在某些情形下，可由一个零件或部件承担多个功能；功能集中会使零件的外形更加复杂，但要有度，否就反而影响加工工艺、增加加工成本，设计时应依据详细情形而定；2. 满意强度要求的设计准就(1) 等强度准就零件截面尺寸的变化应与其内应力变化相适应，使各截面的强度相等；按等强度原理设计的结构，材料可以得到充分的利用，从而减轻了重量、降低成本；如悬臂支架、阶梯轴的设计等；见图5.3；图(2) 合理力流结构为了
13、直观地表示力在机械构件中怎样传递的状态，将力看作如同水在构件中流淌，这些力线汇成力流；表示这个力的流淌在结构设计考察中起着重要的欢迎下载精品学习资源作用；力流在构件中不会中断，任何一条力线都不会突然消逝，必定是从一处传入，从另一处传出；力流的另一个特性是它倾向于沿最短的路线传递，从而在最短路线邻近力流密集，形成高应力区；其它部位力流稀疏，甚至没有力流通过，从应力角度上讲，材料未能充分利用；因此，假设为了提高构件的刚度，应当尽可能按力流最短路线来设计零件的外形，削减承载区域，从而累积变形越小，提高了整个构件的刚度，使材料得到充分利用；如悬臂布置的小锥齿轮，锥齿轮应尽量靠近轴承以减小悬臂长度，提高
14、轴的弯曲强度；图 5.4 例举几个典型的实例；(3) 减小应力集中结构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， 设计中应在结构上实行措施，使力流转向平缓；应力集中是影响零件疲惫强度的重要因素；结构设计时，应尽量防止或减小应力集中；其方法在相应的章节会作介绍，如增大过度圆角、采纳卸载结构等；如图 5.5；(4) 使载荷平稳结构在机器工作时，常产生一些无用的力，如惯性力、斜齿轮轴向力等，这些力不但增加了轴和轴衬等零件的负荷，降低其精度和寿命，同时也降低了机 器的传动效率；所谓载荷平稳就是指实行结构措施部分或全部平稳无用力， 以减轻或排除其不良的影响；这些结构措施主要采纳平稳
15、元件、对称布置等；例如，同一轴上的两个斜齿圆柱齿轮所产生的轴向力，可通过合理挑选轮 齿的旋向及螺旋角的大小使轴向力相互抵消，使轴承负载减小；如图5.6 ；欢迎下载精品学习资源为保证零件在使用期限内正常地实现其功能，必需使其具有足够的刚度；机械零部件结构设计的主要目的是：保证功能的实现，使产品到达要求的性能；但是，结构设计的结果对产品零部件的生产成本及质量有着不行低估的影响；因此，在结构设计中应力求使产品有良好的加工工艺性所谓好的加工工艺指的是零部件的结构易于加工制造，任何一种加工方法都有可能不能制造某些结构的零部件，或生产成本很高，或质量受到影响；因 此，对于设计者熟悉一种加工方法的特点特别重要，以便在设计结构时尽可能 的扬长避短；实际中，零部件结构工艺性受到诸多因素的制约，如生产批量的 大小会影响坯件的生成方法；生产设备的条件可能会限制工件的尺寸；此外， 造型、精度、热处理、成本等方面都有可能对零部件结构的工艺性有制约作用；因此，结构设计中应充分考虑上述因素对工艺性的影响；装配是产品制造过程中的重要工序，零部件的结构对装配的质量、成本有直接的影响；有关装配的结构设计准就简述如下（1） ） 合理划分装配单元整机应能分解成假设干可单独装配的单元
