第六章機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、第六章第六章 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目錄第一節(jié)第一節(jié) 結(jié)構(gòu)件的功用及基本類型結(jié)構(gòu)件的功用及基本類型第二節(jié)第二節(jié) 結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)的基本原則和原理結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)的基本原則和原理第三節(jié)第三節(jié) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的強(qiáng)度和剛度問題結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的強(qiáng)度和剛度問題第四節(jié)第四節(jié) 支承件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)支承件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第五節(jié)第五節(jié) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的工藝問題結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的工藝問題第一節(jié)第一節(jié) 結(jié)構(gòu)件的功用及基本結(jié)構(gòu)件的功用及基本類型類型 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括機(jī)器的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩方面內(nèi)容。結(jié)構(gòu)件:零件是構(gòu)成機(jī)器的基本元素，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度出發(fā)，可以把零件稱為結(jié)構(gòu)件。 一、結(jié)構(gòu)件的功用一、結(jié)構(gòu)件的功用 各種結(jié)構(gòu)件可能具有的功能主要有承受

2、載荷、傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，以及保證或保持有關(guān)零件或部件之間的相對(duì)位置或運(yùn)動(dòng)軌跡關(guān)系等。 1 1 承受載荷承受載荷 有些結(jié)構(gòu)件還可能承受液壓力、氣壓力、裝配產(chǎn)生的預(yù)緊力以及運(yùn)動(dòng)引起的摩擦力等。某些在室外工作的結(jié)構(gòu)件還要承受自然環(huán)境中所產(chǎn)生的力，如風(fēng)力、水流或海浪的沖擊力以及雨、雪的壓力、溫度變化所產(chǎn)生的熱變形力等。 2 2 傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力 3.3.保持有關(guān)零部件之間的相對(duì)位置或運(yùn)動(dòng)保持有關(guān)零部件之間的相對(duì)位置或運(yùn)動(dòng)軌跡關(guān)系軌跡關(guān)系4 4 其它功用其它功用 有些結(jié)構(gòu)件還具有其它一些功用，如箱體除了保證各傳動(dòng)軸的相對(duì)位置及其中心距外，還起著包容和保護(hù)傳動(dòng)件的作用，還可以盛裝潤(rùn)滑油。有的結(jié)構(gòu)

3、件還兼有或主要用作防護(hù)或裝飾作用，要求具有一定的外形及色彩。二、結(jié)構(gòu)件的分類二、結(jié)構(gòu)件的分類 結(jié)構(gòu)件的形式多種多樣，從不同的角度可以有不同的分類。為了設(shè)計(jì)、制造和管理上的方便，通常將其分為蓋盤、軸套、支架、桿件、殼體、箱體和支承件等類別。從毛坯工藝角度可分為鑄造件、焊接件、鍛造件、鉚接或粘結(jié)件等，在結(jié)構(gòu)上也應(yīng)有所不同，故設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況作具體分析。 三、零件的相關(guān)三、零件的相關(guān) 在機(jī)械系統(tǒng)中，各零件通常成鏈狀、樹狀或網(wǎng)狀相互聯(lián)接，構(gòu)成完整的機(jī)械網(wǎng)絡(luò)。 每個(gè)零件都與一個(gè)或幾個(gè)零件有裝配關(guān)系或相互位置關(guān)系，可以稱這種關(guān)系為相關(guān)，稱有這種關(guān)系的兩個(gè)零件互為相關(guān)零件。 零件的相關(guān)分為直接相關(guān)和間接

4、相關(guān)兩類。 凡是兩零件有直接裝配關(guān)系的，稱為直接相關(guān)，沒有直接裝配關(guān)系的相關(guān)稱為間接相關(guān)。 間接相關(guān)又可分為位置相關(guān)和運(yùn)動(dòng)相關(guān)兩類。位置相關(guān)是指兩零件在相互位置上有要求，如軸和軸 運(yùn)動(dòng)相關(guān)是指一零件的運(yùn)動(dòng)軌跡與另一零件有關(guān)，如車床刀架的運(yùn)動(dòng)軌跡必須平行于主軸中心線，由此可見，欲滿足運(yùn)動(dòng)相關(guān)條件，一般需要一個(gè)或幾個(gè)位置相關(guān)的中間件來達(dá)到，上例中的床身導(dǎo)軌就是這樣的中間件。 四、零件的結(jié)構(gòu)要素四、零件的結(jié)構(gòu)要素 每一零件至少有一個(gè)直接相關(guān)的零件，多數(shù)零件都有兩個(gè)或多個(gè)直接相關(guān)的零件，故每個(gè)零件大都具有兩個(gè)或多個(gè)部位在結(jié)構(gòu)上與其它零件有關(guān)。若某零件的直接相關(guān)零件愈多，其結(jié)構(gòu)就愈復(fù)雜；零件的間接相關(guān)零

5、件愈多，其精度要求愈高。工作部分:把零件上與其它零件直接相關(guān)部位稱為工作部分。聯(lián)結(jié)部分：把各工作部分聯(lián)結(jié)起來并使它們保持各自的位置的部分，有時(shí)也起到支承作用。安裝部分：用以固定聯(lián)結(jié)的工作部分稱為安裝部分。 當(dāng)結(jié)構(gòu)件為活動(dòng)安裝時(shí)，不論運(yùn)動(dòng)是旋轉(zhuǎn)還是直線的(如導(dǎo)軌)，其安裝部分都與工作部分類似，可按工作部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。在某些情況下，安裝部分與工作部分不易區(qū)分，比如連桿，其兩端的孔均為工作部分。 工作部分與安裝部分在多數(shù)情況下沒有明顯區(qū)別，可以通稱為工作部分。而固定安裝和活動(dòng)安裝在設(shè)計(jì)上卻需區(qū)別對(duì)待，具有不同的設(shè)計(jì)要求，比如活動(dòng)安裝需要考慮接觸表面，即工作表面的耐磨性及潤(rùn)滑方法等。 在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，通常

6、先確定工作部分，后確定聯(lián)結(jié)部分。工作部分主要考慮工作面的形狀、尺寸、精度、表面質(zhì)量等，而聯(lián)結(jié)部分主要考慮強(qiáng)度、剛度等要求。 第二節(jié)第二節(jié) 結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)的基本結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)的基本原則和原理原則和原理一、結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)的基本原則一、結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)的基本原則 確定和選擇結(jié)構(gòu)方案時(shí)應(yīng)遵循三項(xiàng)基本原則：明確、簡(jiǎn)單和安全可靠。 1 1 明確明確 明確：對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中所應(yīng)考慮的問題都應(yīng)在結(jié)構(gòu)方案中獲得明確的體現(xiàn)與分擔(dān)。 (1)功能明確 所確定的結(jié)構(gòu)方案應(yīng)能明確地體現(xiàn)產(chǎn)品或結(jié)構(gòu)所要求的各種功能的分擔(dān)情況 (2)工作原理明確 (3)(3)使用工況及承載狀態(tài)明確使用工況及承載狀態(tài)明確 材料選擇及尺寸計(jì)算要依據(jù)載荷情況進(jìn)行

7、，不應(yīng)盲目采用雙重保險(xiǎn)措施。 (4)(4)其它其它 凡與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有關(guān)的其它方面也都應(yīng)在圖樣或技術(shù)文件中予以明確體現(xiàn)。例如人一機(jī)顯示系統(tǒng)、制造、檢驗(yàn)、運(yùn)輸、安裝調(diào)試、使用及保養(yǎng)諸方面的要求等。2 2 簡(jiǎn)單簡(jiǎn)單 在確定結(jié)構(gòu)方案時(shí)，應(yīng)使其所含零件數(shù)目和加工工序數(shù)量與類型盡可能減少 3 3 安全可靠安全可靠 安全技術(shù)可分為直接的、間接的和提示性的三種類型。 直接安全技術(shù)：結(jié)構(gòu)中直接滿足安全要求，使用中不存在危險(xiǎn)性的稱為直接安全技術(shù)。 間接安全技術(shù)：通過采用防護(hù)系統(tǒng)或保護(hù)裝置來保證安全的稱為間接安全技術(shù)。 提示性安全技術(shù)：僅能在發(fā)生危險(xiǎn)之前進(jìn)行預(yù)報(bào)和報(bào)警的，則稱為提示性安全技術(shù)。它既不能直接保證安全可靠

8、，又沒有保護(hù)或防護(hù)措施。 在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)產(chǎn)生不安全情況的危害性大小、技術(shù)的難易程度和成本等因素按直接的、間接的和提示性的這樣的順序來選擇。 安全可靠主要從構(gòu)件的可靠性、功能的可靠性、工作安全性和環(huán)境安全性等方面來衡量。 1)直接安全技術(shù) 首先要確保構(gòu)件的可靠性。正確地分析和計(jì)算，必要時(shí)通過試驗(yàn)確定構(gòu)件受力情況和應(yīng)力狀態(tài)，避免出現(xiàn)應(yīng)力過于集中，防止出現(xiàn)斷裂。 2)間接安全技術(shù) 間接安全技術(shù)的主要方式是采用防護(hù)系統(tǒng)和防護(hù)裝置。防護(hù)系統(tǒng)應(yīng)能防止機(jī)器在超負(fù)載下工作，可自動(dòng)脫險(xiǎn)。3)提示性安全技術(shù) 在由于技術(shù)上或經(jīng)濟(jì)上的原因不能采用上述兩種安全技術(shù)而又可能出現(xiàn)不安全情況時(shí)，可采用提示性安全技術(shù)。 二

9、、結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)原理二、結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)原理 1 1 等強(qiáng)度原理等強(qiáng)度原理 按等強(qiáng)度原理設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，材料可以得到充分利用，從而減輕了重量、降低了成本。 2 2 合理力流原理合理力流原理 可以認(rèn)為力在其傳遞路線上形成所謂力線，這些力線匯成力流。 力流在構(gòu)件中不會(huì)中斷，也不會(huì)增多，任一條力線都不會(huì)突然消失，必然是從一處傳入從另一處傳出。力流的另一個(gè)特性是它傾向于沿最短路線通過，從而在最短路線附近力流密集，形成高應(yīng)力區(qū)。 當(dāng)力流方向急劇轉(zhuǎn)折時(shí)，力流在轉(zhuǎn)折處會(huì)過于密集，從而引起應(yīng)力集中，設(shè)計(jì)中應(yīng)在結(jié)構(gòu)上采取相應(yīng)措施，使力流轉(zhuǎn)向平緩。 3 3 變形協(xié)調(diào)原理：變形協(xié)調(diào)原理：變形協(xié)調(diào)：就是使相聯(lián)接的兩零件在外載荷

10、的作用下所產(chǎn)生的變形的方向相同并且使其相對(duì)變形盡可能小。 4 4 力平衡原理力平衡原理 力平衡：采取結(jié)構(gòu)措施部分或全部平衡掉無用的力，以減輕或消除其不良影響。這些結(jié)構(gòu)措施主要有采用平衡元件、采取對(duì)稱布置等。 5 任務(wù)分配原理任務(wù)分配原理 任務(wù)分配也就是功能與載體之間關(guān)系的確定。分配不外有三種可能：一載體承擔(dān)多種功能；一載體承擔(dān)一種功能；多載體共同承擔(dān)一種功能。 簡(jiǎn)言之，功能集中于一載體，可簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、降低成本；功能與載體一一對(duì)應(yīng)，便于做到“明確”、“可靠”，便于實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化及準(zhǔn)確計(jì)算；多載體承擔(dān)同一功能可以減輕零件負(fù)載，延長(zhǎng)使用壽命，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)具體情況進(jìn)行任務(wù)分配。 6 6 自補(bǔ)償原理自補(bǔ)償原

11、理 自補(bǔ)償：通過選擇系統(tǒng)元件及其在系統(tǒng)中的配置來自行實(shí)現(xiàn)加強(qiáng)功能的相互支持作用,稱為自補(bǔ)償。 自補(bǔ)償在正常情況下有加強(qiáng)功能、減載和平衡的含義，而在緊急情況(超載)下有保護(hù)和救援的含義。 在自補(bǔ)償結(jié)構(gòu)中，所要求的總效應(yīng)是由初始效應(yīng)和輔助效應(yīng)共同構(gòu)成的。 常見的自補(bǔ)償原理應(yīng)用形式有：自增強(qiáng)、自平衡和自保護(hù)。 1)1)自增強(qiáng)自增強(qiáng) 當(dāng)輔助效應(yīng)與初始效應(yīng)的作用方向相同時(shí)，使得總效應(yīng)加強(qiáng)，就是所謂自增強(qiáng)。2)2)自平衡自平衡 自平衡通常是使正常載荷下的輔助效應(yīng)同初始效應(yīng)相反并達(dá)到平衡或部分平衡狀態(tài)，以克服不利影響。 3)3)自保護(hù)自保護(hù) 超載時(shí)，特別是超載有可能反復(fù)出現(xiàn)時(shí)，采取自動(dòng)防止破壞的措施同采取保

12、護(hù)性破壞或采用特殊的防護(hù)裝置相比更為合理。 7 7 穩(wěn)定性原理穩(wěn)定性原理 所謂系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定是指當(dāng)出現(xiàn)干擾，使系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生改變的同時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一種與干擾作用相反的、使系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定的效應(yīng)。 第三節(jié)第三節(jié) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的強(qiáng)度和剛度問題剛度問題一、通過結(jié)構(gòu)設(shè)一、通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)降低應(yīng)力減少計(jì)降低應(yīng)力減少變形變形 1 合理確定截合理確定截面形狀面形狀 2 2 合理確定軸向尺寸合理確定軸向尺寸 改變截面形狀降低截面上各點(diǎn)的應(yīng)力，可以提高零件本身抗破壞和抗變形的能力，但不能改變其所受彎矩的大小，通過合理地確定零件軸向尺寸，可以減少?gòu)澗?，從而更為有效地提高?qiáng)度和剛度。這里所謂軸向尺寸，主要指梁或軸

13、的支承跨距和懸伸長(zhǎng)度。 3 3 合理選擇支承形式合理選擇支承形式由于軸承和支承在受力時(shí)也會(huì)產(chǎn)生彈性變形，從而增加了軸端對(duì)正確位置的偏移。 由于成本或結(jié)構(gòu)的限制，軸和軸承(包括支座)的剛度都不能無限提高。因此必須合理地選擇，以求最滿意的結(jié)果。 4 4 合理利用材料特性合理利用材料特性 用較少的材料獲得較大的強(qiáng)度和剛度。例如,材料為鋼時(shí),應(yīng)盡量用拉、壓代替受彎；材料為鑄鐵時(shí)；則考慮用受壓代替受拉或受彎 。 二、改善零件的受力狀況二、改善零件的受力狀況 1 1 載荷分流載荷分流 載荷分流就是將一個(gè)較大的或復(fù)合的載荷分流到不同零件或同一零件的不同部位上，從而達(dá)到降低應(yīng)力、減小變形的效果。 2 2 載荷

14、均化載荷均化 載荷均化是指將集中或分布不均的載荷變成近似均布的載荷以降低構(gòu)件的最大應(yīng)力。 3 3 載荷抵消載荷抵消廣義地講，載荷抵消是設(shè)法在結(jié)構(gòu)上將無用的力或有用力的不利作用全部或局部抵消。例：斜齒輪的軸向力、汽車曲軸動(dòng)平衡、潤(rùn)滑泵偏心驅(qū)動(dòng)裝置 三、預(yù)加載荷三、預(yù)加載荷 預(yù)加載荷是構(gòu)件在制造或裝配時(shí)就被施加一定的載荷使其產(chǎn)生相應(yīng)的塑性變形或彈性變形，從而減小工作應(yīng)力或工作載荷引起的再變形。 以減小應(yīng)力為目的的預(yù)加載荷方法稱為強(qiáng)化，強(qiáng)化分彈性強(qiáng)化和塑性強(qiáng)化兩類，以提高剛度、減小工作時(shí)再變形為目的的預(yù)加載荷方法稱為預(yù)緊。 1 1 彈性強(qiáng)化彈性強(qiáng)化彈性強(qiáng)化是使構(gòu)件在受工作載荷之前預(yù)受一個(gè)與工作載荷相

15、反的載荷，產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的預(yù)變形，以及一個(gè)與工作應(yīng)力相反的預(yù)應(yīng)力，工作時(shí)該預(yù)加載荷部分地抵消工作載荷，預(yù)變形部分抵消工作變形，從而降低了構(gòu)件的最大應(yīng)力。由上述可見，彈性強(qiáng)化的特征是預(yù)加載荷與工作載荷方向相反，且使構(gòu)件產(chǎn)生相應(yīng)的彈性變形，構(gòu)件工作時(shí)此載荷并不撤出。 2 2 塑性強(qiáng)化塑性強(qiáng)化 塑性強(qiáng)化是使構(gòu)件在工作狀態(tài)下應(yīng)力最大那部分材料預(yù)先經(jīng)塑性變形而產(chǎn)生一個(gè)與工作應(yīng)力符號(hào)相反的殘留應(yīng)力，用以部分地抵消工作應(yīng)力。 塑性強(qiáng)化的特點(diǎn)是預(yù)加載荷與工作載荷方向一致，而且在構(gòu)件工作時(shí)預(yù)加載荷已經(jīng)撤出，靠殘留應(yīng)力而不是靠預(yù)加載荷本身來抵消工作應(yīng)力。故要求材料必須具有足夠的塑性，構(gòu)件的塑性變形量不得超過一定限度

16、。 預(yù)緊是通過一個(gè)與工作載荷方向相同的預(yù)加載荷，使零件產(chǎn)生一定的與工作時(shí)同方向的彈性變形，以減少工作時(shí)的進(jìn)一步變形，從而提高剛度的有效措施。它的應(yīng)用很廣泛。比如滾動(dòng)軸承 預(yù)緊的特點(diǎn)是預(yù)加載荷與工作載荷方向相同，工作時(shí)不撤出。因此，工作應(yīng)力不是抵消，而是疊加，其目的在于提高剛度，而不是減少應(yīng)力，故預(yù)應(yīng)力應(yīng)不超過一定限度。 第四節(jié)第四節(jié) 支承件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)支承件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一、支持件的功用類型和基本要求一、支持件的功用類型和基本要求 1 1 支承件的功用支承件的功用 支承件是機(jī)器上大型受力構(gòu)件的總稱，它可以單獨(dú)或聯(lián)接起來構(gòu)成機(jī)器的主體、基礎(chǔ)或框架等，對(duì)其它零件起聯(lián)接、支承或包容作用，以保證零件之間的相

17、對(duì)位置或相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系，并承受其它零件的重力及工作載荷。 2 2 支承件的類型支承件的類型 支承件形式多種多樣，根據(jù)形狀可大體分為三大類型，即梁型、板型和箱型。 3 3 對(duì)支承件的要求對(duì)支承件的要求 支承件通常應(yīng)滿足剛度，抗振性、熱穩(wěn)定性及內(nèi)應(yīng)力等方面要求。 (1)剛度 支承件的功用決定了剛度是其最主要的指標(biāo)之。 (2)抗振性 支承件的抗振性是指其抵抗受迫振動(dòng)和自激振動(dòng)的能力。 (3)熱穩(wěn)定性 機(jī)器工作時(shí)會(huì)有很多熱量傳給支承件，主要有動(dòng)力源熱：摩擦熱：工藝熱：環(huán)境熱：提高其熱穩(wěn)定性，減少熱變形也是支承件乃至整機(jī)設(shè)計(jì)不可忽略的問題。常用方法有減少熱源、隔熱、散熱、冷卻等，還可通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如

18、合理分配金屬量、用熱變形補(bǔ)償元件等方法使其熱變形均勻。 4)內(nèi)應(yīng)力 較大零件在鑄造、焊接等過程中會(huì)有內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生，而內(nèi)應(yīng)力在經(jīng)過一定時(shí)間后的重新分布或逐漸消失會(huì)使已加工或已工作的零件產(chǎn)生變形，甚至喪失精度。故在設(shè)計(jì)中應(yīng)使支承件在結(jié)構(gòu)上盡可能減少內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生；在制造中應(yīng)在精加工之前用天然時(shí)效或人工處理等方法消除內(nèi)應(yīng)力。 5)其它要求 設(shè)計(jì)中還應(yīng)滿足支承件特定功能的要求，如電器、油箱等的位置和安裝方式；冷卻液回收；安裝、吊運(yùn)的方法等。 二、保證支承件剛度的結(jié)構(gòu)措施二、保證支承件剛度的結(jié)構(gòu)措施1 1合理確定截面的形狀和尺寸合理確定截面的形狀和尺寸 支承件的受力、變形情況很復(fù)雜，而對(duì)其影響較大者為彎曲、扭轉(zhuǎn)或者二者的組合。如前所述，截面積相同而形狀不同時(shí)，其截面慣性矩和極慣性矩差別很大，因此其抗彎和抗扭剛度差別也很大。表64所列8