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1、机械构造设计基本原则目 录一、改善力学性能的构造设计原则. 2 （一）载荷分担原则. 2(二）均匀受载原则（载荷均布） （三)附加力自平衡原则（载荷平衡）. 4（四）减小应力集中. (五）提高接触强度原则.6（六）提高刚度原则. 7 （七）变形协调原则. 8 (八）等强度原则. 9（九）其他. 9二、改善制造工艺性的构造设计原则. 10 (一)焊接件构造设计原则 10(二)铸件构造设计原则. 12 (三）切削件构造设计原则. 15 (四)锻件构造设计原则. 18（五）薄板件构造设计原则. 20 （六)其他. 23三、提高装配质量的构造设计原则. 2 （一)便于运送原则. 3(二）便于方位辨认原
2、则. 24 (三)以便抓取原则.24 （四)以便定位原则. 25 （五)简化妆配操作原则. 25(六)可装配原则. 6 (七）各装配面依次装配原则. 2 （八)简朴联接件原则. 27（九）便于拆卸原则. 2 四、提高精度的构造设计原则. 28 （一)阿贝（Ab）原则.28 (二)误差校正与补偿. 2 (三）误差均化. 30 （四)误差配备 (五）位置精确微调. 3 五、宜人化构造设计原则.33(一)减小操作者疲劳的构造. 34 （二)易于发力的构造. 35 （三）减少操作者观测错误的构造.6 （四)减少操作者操作错误的构造. 37 （五)考虑人体的振动特性的构造及减少操作环境噪声的构造0 38
3、(六）削弱工作环境光线照度的构造. 9 （七)保证合适工作环境温度的构造. 9 六、其他机械构造设计规定简介. 4 （一）减轻腐蚀的构造. 40 （二)符合材料热胀冷缩性质的构造.42 讨论题.43 机械构造设计基本原则机械工程师更好地适应现代机械设计的要素之一就是掌握丰富的工程知识。工程知识是连接基本理论与实践经验的桥梁,是现代工程师专业知识构造的本质特性。掌握一定的工程知识是对的进行机械构造设计的前提，有些构造错误对一种缺少工程知识的设计者来说是不易事先察觉的。(见图）这一节从改善力学性能、制造工艺性、制造精度及装配精度等方面来简介某些机械构造设计的基本原则。这些基本原则体现了某些重要的机
4、械构造设计工程知识，分类符合机械工程师的工作特点，简捷明了,具体生动,操作性强，便于学习。一、改善力学性能的构造设计原则机械构造形式千差万别,但其功能的实现几乎都与力（力矩)的产生、转换传递有关。机械零件具有足够的承载能力是保障机械构造功能实现的先决条件。因此在机械构造设计中，根据力学理论对零件的强度、刚度和稳定性进行分析是必不可少的,并在此基本上，进行构造优化设计。计算机辅助构造优化设计已被广泛应用于工程实际中。但它所依赖的力学模型与复杂的实际构造及工况有差距,力学模型的精度一般很难提高;对稍微复杂某些的实际构造仍然停留在零件尺寸的优化上,而基本构造一般还得预先选定；只能针对一种具体的实例得
5、到一种特定的数值解,并不能予以方向性指引。因此计算机辅助构造优化设计不能替代工程知识的分析与总结,结合实例分析,掌握提高构造承载能力的构造设计原则，并为构造的创新设计提供可借鉴的思路。(一)载荷分担原则如果同一零件上同步承当了多种载荷的作用,则可考虑将这些载荷分别由不同的零件来承当。采用一定的构造形式,将载荷分给两个或多种零件来承当,从而减轻单个零件的载荷,这种措施称为载荷分担。这样有助于提高机械构造的承载能力。如图5-a所示,轴已经承受了弯矩的作用,如果齿轮再通过轴将转矩传递给卷筒,则轴为转轴,受力较大。如果将齿轮和卷筒改用螺栓直接联接,则轴不受转矩作用，轴为转动心轴，构造较合理(见图51）
6、。如图51所示,靠摩擦传递横向载荷的一般螺栓联接常用销、套筒、键等抗剪元件来承当部分横向载荷,提高螺纹联接的可靠性。)b) 图5-10转轴改善为心轴a)较差构造 b)改善构造图11 螺栓联接中的抗剪元件如图5-1所示，在选择轴承类型时,在轴向载荷比径向载荷大得多或规定轴向变形较小的状况下，可选用推力轴承和径向接触轴承的组合构造来分别承受轴向载荷和径向载荷。如图513所示的带轮构造,传动带产生的轴压力和传动带传递的转矩分别通过不同的途径传递。这样，轴只承受转矩，轴压力则直接由箱体承当了。 图5-12推力和径向轴承组合构造图5-13带轮构造(二)均匀受载原则（载荷均布）在拟定工作载荷的大小的状况下
7、，可以考虑通过在构造上均匀分布载荷的措施,来提高构造承载能力。尽量避免集中载荷,尽量地将载荷分散在构造上，即为载荷均布。如图5-14所示，通过简朴的受力分析可知,受集中力的简支梁在C点的受力比受分布力的简支梁在C点的受力大了一倍,因此图514b简支梁的强度要好于图54a。a）b)图5-4 简支梁受力分析)集中力b)分布力如图5-5所示的行星齿轮减速器构造。如按图a构造制造,则会由于存在制造误差，而使得行星轮之间的载荷分派浮现不均匀的现象。在图b中，将太阳轮改为浮动，则可达到各行星轮均载的目的。如图5-16所示为改善齿轮轮齿齿向载荷分布状态而采用的桶形齿构造。正常齿上，载荷分布偏于轮齿的两端部分
8、。将轮齿修成桶形齿后,依托齿面受力的弹性变形使载荷沿齿宽方向分布比较均匀。 )b)a）b）图515 行星齿轮减速器a)较差构造 )改善构造 图16桶形齿与载荷分布)正常齿 b)桶形齿一般螺栓联接受载后，各圈螺纹牙间的载荷分布是不均匀的（见图5-7a）。为改善螺纹牙间载荷分派不均匀的现象，可采用悬置螺母、内斜螺母、环槽螺母等构造(见图517b、c、d）。a)b)c)d)图57 改善螺纹牙间载荷分布a）螺纹受载示意图 )悬置螺母 c）内斜螺母 d）环槽螺母(三)附加力自平衡原则(载荷平衡)在力的传递过程中,某些机械构造常常不可避免地浮现不做功的附加力，例如，斜齿轮啮合的轴向力，产生摩擦力的正压力,
9、往复和旋转运动的惯性力,流体机械叶片上压力差引起的轴向力等，这些对构造功能毫无作用的附加力,加大了构造的负载，减少了机械构造的承载能力。如果使其在同一零件内与其他同类载荷构成平衡力系则其他零件不受这些载荷的影响，有助于提高构造的承载能力,这就是载荷平衡原则。力自平衡措施的措施重要有:引入平衡件和对称安装。在高速回转机械中,必须靠构造的措施及动平衡的措施使旋转惯性力减少到容许的大小,这就规定回转件的质量须尽量相对与回转中心呈对称分布。可通过对回转件在动平衡机上做动平衡实验，测出并消除超过容许值的不平衡质量。做往复运动的机械，如连杆机构，也可在设计中采用构造措施和动平衡的措施，使其在运转时产生尽量
10、小的惯性力。如图5-18a、5-1a所示的构造工作时产生的轴向力最后要影响到轴的受力,而在图5-18b、-19b中,由于引入了自平衡措施,则可消除轴向力对轴的影响。)图5-8 斜齿轮啮合的自平衡措施a)较差构造 b)改善构造a)b）图5-19 圆锥式离合器的自平衡措施a)较差构造 b）改善构造（四)减小应力集中应力集中是影响承受交变应力的构造承载能力的重要因素,构造设计应设法缓和应力集中。在应力集中的部位，零件的疲劳强度将明显减少。最大应力比该截面上的平均应力可以大5倍以上。应力集中与零件的局部变化形式（见图5-2)及零件的受力状态(见图5-21）有关。减少应力集中限度可以提高零件的疲劳强度。
11、图-20 局部形状与应力集中图5 受力状况与应力集中一般螺栓联接,存在严重的应力集中现象。如图522所示为螺栓头与螺栓杆在过渡处的应力集中状况。从图中可以看出,在螺栓头与杆过渡处应力发生急剧变化,应力集中非常严重。一般可采用过渡圆角构造来缓和,但不够好,图中列出了四中过渡构造，其中以d图构造的效果最佳。a)c)d)图5-22 螺栓头杆过渡部位应力分布图如图5-23所示,减少截面尺寸变化处附近的刚度，可以减少应力集中的影响限度。注意避免多种应力集中源叠加。如图5-24所示的轴构造中台阶和键槽端部都会引起轴在弯矩作用下的应力集中,但a图构造的应力集中状况比图构造的应力集中状况要严重得多。 a） a
12、）b）图5-23 减少截面尺寸变化处附近的刚度a）较差构造 b)改善构造 图52避免多种应力集中源叠加a)较差构造）改善构造（五)提高接触强度原则根据赫兹公式,提高高副接触强度有两条途径：一是减小接触处的分布载荷，一是增大两接触零件在接触部位的综合曲率半径。如图-25所示，连杆机构的杆1与销为线接触,如在销轴处增长零件,则变线接触为面接触； c图为斜面推杆机构,零件把推杆与斜面5的点接触改为面接触; e图增长了零件10，也将点接触变为了面接触;将零件10改为零件11，则可以在零件和11之间产生液体动压润滑。这样就减小接触处的分布载荷,减少了接触应力,提高了接触强度，并且还可以改善润滑，减少磨损
13、。a)b)c)d)f)图5-2 用面接触替代点、线接触如图-26所示的构造中,从图a到图c的高副接触中综合曲率半径依次增大,这样接触应力依次减小,因此构造c有助于改善球面支承的接触强度和刚度。a)b)图-26 增大接触处的综合曲率半径（六)提高刚度原则在进行构造设计时,在不增长零件质量的前提下,要尽量提高零件构造的刚度。对于不同类型的零件,应根据其构造特点采用相应的措施。但总的来说要注意如下几点:1. 用受压、拉零件替代受弯曲零件;2. 合理布置受弯曲零件支承（见图5-27);3. 合理设计受弯曲零件的截面形状;4. 合理采用筋板，尽量使筋板受压;. 采用预变形措施。例如三角形桁架替代受弯曲的
14、悬臂梁,刚度就要好得多。如图5-28所示，选择不同类型的轴承对系统刚度也有明显的影响，且常与对弯曲强度的影响同步存在。a)a）)图527 锻造支承构造a)较差构造b）改善构造图5-28 轴承类型的影响（七）变形协调原则一种零件和另一种零件相接触,当在接触处难以同步变形时,零件间的接触区域里应力会急剧上升,这是应力集中的另一种状况。在接触处减少零件在力流方向上的刚度，尽量使两零件在接触区域里同步变形，减少应力集中的影响,此及为变形协调原则。如图-29所示,过盈配合联接构造在轮毂端部应力集中严重，可通过减少轴或轮毂相应部位的局部刚度使应力集中得到有效缓和。a)b)c）d)图5-9 过盈配合的联接构造如图5-0所示，受弯曲载荷作用的轴在滑动轴承端面常常浮现边沿挤压,从而引起轴承的失效，其因素即为轴承不能随着轴的变形而变形。因此滑动轴承轴承座
