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1、第六章第六章 机械结构设计机械结构设计 机械结构是机械功能的载体，机械结构设计机械结构是机械功能的载体，机械结构设计 的任务是在功能原理方案设计与总体设计的基础的任务是在功能原理方案设计与总体设计的基础 上，将原理设计方案结构化，确定机械装置的具上，将原理设计方案结构化，确定机械装置的具 体结构与参数。体结构与参数。 回忆一下回忆一下机械设计机械设计 课程中学习的轴的结构课程中学习的轴的结构 设计的步骤和内容设计的步骤和内容 轴的结构设计的一般步骤：轴的结构设计的一般步骤： 选择材料选择材料 初估轴端直径初估轴端直径 考虑轴上零件的布置、定位、固定、装拆、调整考虑轴上零件的布置、定位、固定、装
2、拆、调整 等要求，同时考虑减少轴的应力集中和保证轴的结等要求，同时考虑减少轴的应力集中和保证轴的结 构工艺性，从而确定轴的结构（轴的形状和尺寸）构工艺性，从而确定轴的结构（轴的形状和尺寸） 刚度、强度等验算刚度、强度等验算 如有问题再做修改如有问题再做修改 机械结构设计需要确定结构的组成（形式与数机械结构设计需要确定结构的组成（形式与数 量）及其装配关系，确定所有零件的材料、热处理量）及其装配关系，确定所有零件的材料、热处理 方式、形状、尺寸及精度。还必须考虑加工工艺、方式、形状、尺寸及精度。还必须考虑加工工艺、 强度、刚度、寿命、可靠性及零件间的相互关系等。强度、刚度、寿命、可靠性及零件间的
3、相互关系等。 所确定的结构不但要保证功能实现的可能性，所确定的结构不但要保证功能实现的可能性， 而且要保证功能实现的可靠性，使得机械装置在工而且要保证功能实现的可靠性，使得机械装置在工 作中具有足够的工作能力和工作性能。作中具有足够的工作能力和工作性能。 两种结构设计：两种结构设计： 产品结构方案设计产品结构方案设计 零件结构设计（详细设计）零件结构设计（详细设计） 功能原理设计决定了产品的先进性、新颖性，功能原理设计决定了产品的先进性、新颖性， 结构设计则决定了产品的质量和成本（结构设计则决定了产品的质量和成本（7070 8080）。）。 结构设计是机械设计过程中内容最具体、涉结构设计是机械
4、设计过程中内容最具体、涉 及问题最多，工作量最大的环节。及问题最多，工作量最大的环节。 第一节第一节 零件的功能、相关与结构要素零件的功能、相关与结构要素 零件是构成机械装置的基本单元，机械装置的零件是构成机械装置的基本单元，机械装置的 功能通过零件之间相互作用而实现。功能通过零件之间相互作用而实现。 一、零件的功能一、零件的功能 机械零件在机械结构中的基本功能是：承受载机械零件在机械结构中的基本功能是：承受载 荷、传递运动和动力，以保证机械装置实现正确荷、传递运动和动力，以保证机械装置实现正确 的运动规律和运动轨迹。的运动规律和运动轨迹。 1 1传递运动和动力传递运动和动力 摆杆摆杆3 3的
5、作用是把运动的作用是把运动 和动力传给滑枕和动力传给滑枕2 2，以便，以便 使刨刀使刨刀1 1实现直线住复运实现直线住复运 动并切下金属。动并切下金属。 2 2承受载荷承受载荷 机械装置在工作中受到多种力的作用，这些力机械装置在工作中受到多种力的作用，这些力 都要由零件承受。这些力包括：都要由零件承受。这些力包括： 机械装置工作所需的力机械装置工作所需的力 零件所受的重力零件所受的重力 由于速度波动使零件受到的惯性力由于速度波动使零件受到的惯性力 由于做旋转运动使零件受到的离心力由于做旋转运动使零件受到的离心力 直接接触的零件之间的摩擦力直接接触的零件之间的摩擦力 在介质中运动的零件受到介质的
6、作用力（液压在介质中运动的零件受到介质的作用力（液压 力、风阻力）力、风阻力） 对连接结构施加的预紧力对连接结构施加的预紧力(螺纹联接、过盈联接螺纹联接、过盈联接) 由于温度变化而产生的附加载荷等由于温度变化而产生的附加载荷等 如图如图6-2所示减速器结所示减速器结 构中，齿轮传动所受到的构中，齿轮传动所受到的 力通过轴传递给轴承，其力通过轴传递给轴承，其 中的径向力和切向力通过中的径向力和切向力通过 轴承传递给箱体，轴向力轴承传递给箱体，轴向力 经轴承传递给端盖，再经经轴承传递给端盖，再经 端盖传递给箱体。端盖传递给箱体。 承受载荷是使零件发生失效的重要原因。承受载荷是使零件发生失效的重要原
7、因。 正确分析结构的受力是进行结构的工作能力正确分析结构的受力是进行结构的工作能力 设计的基础。设计的基础。 3 . 成形成形 在工艺过程中，通过工作头的形状、运动方式和作用在工艺过程中，通过工作头的形状、运动方式和作用 场，完成对对象物的成形。如切削机床上的刀具，冲压机场，完成对对象物的成形。如切削机床上的刀具，冲压机 床上的模具，锻压机床的锻锤，耕地用的犁等，都是起成床上的模具，锻压机床的锻锤，耕地用的犁等，都是起成 形作用的工作头。形作用的工作头。 4. 其它功能其它功能 起容器作用的零件起容器作用的零件(如油箱如油箱)可以容纳物体可以容纳物体(原料、燃料、原料、燃料、 废弃物等废弃物等
8、) 起引导作用的结构可以起引导作用的结构可以 引导其他零件的运动引导其他零件的运动(如导轨、螺旋如导轨、螺旋) 可以引导流体或松散物体的流动可以引导流体或松散物体的流动 可以引导场的分布，如使光波或声波发生反射或折射，可以引导场的分布，如使光波或声波发生反射或折射， 影响电场或磁场的分布，引导热量的流动等影响电场或磁场的分布，引导热量的流动等 二、零件的相关二、零件的相关 在机械装置中，每一个零件都不是独立存在的，机在机械装置中，每一个零件都不是独立存在的，机 械装置的功能是依靠零部件的形状、尺寸和相对位置械装置的功能是依靠零部件的形状、尺寸和相对位置 关系实现的。关系实现的。 在机械装置中，
9、必须使零部件之间保持确定的关系，在机械装置中，必须使零部件之间保持确定的关系， 才能保证其功能的实现，才能使零件组成机器。才能保证其功能的实现，才能使零件组成机器。 这种零件之间的确定性的关系称为零件之间的相关。这种零件之间的确定性的关系称为零件之间的相关。 有些零件之间的相对位置关系是通过零件表有些零件之间的相对位置关系是通过零件表 面之间的直接接触实现的。面之间的直接接触实现的。 如轴与装配在轴上的齿轮，通过轴径圆柱表面确定它如轴与装配在轴上的齿轮，通过轴径圆柱表面确定它 们之间的径向相对位置关系，通过轴肩端面确定它们之们之间的径向相对位置关系，通过轴肩端面确定它们之 间的轴向相对位置关系
10、；相互啮合的一对齿轮通过齿面间的轴向相对位置关系；相互啮合的一对齿轮通过齿面 间的接触确定两轮之间的相对转角关系（传动角）。间的接触确定两轮之间的相对转角关系（传动角）。 这种通过零件表面直接接触实现的相关关系这种通过零件表面直接接触实现的相关关系 称为直接相关关系。称为直接相关关系。 有些零件之间的某些关系需要通过其他零件有些零件之间的某些关系需要通过其他零件 之间的一系列的直接相关关系的组合来实现。之间的一系列的直接相关关系的组合来实现。 如轴与装配在轴上的齿轮之间的周向位置关系是通如轴与装配在轴上的齿轮之间的周向位置关系是通 过各自与键的接触问接实现的，两轴之间的平行关系过各自与键的接触
11、问接实现的，两轴之间的平行关系 是通过轴与轴承之间、轴承与箱体之间的直接相关关是通过轴与轴承之间、轴承与箱体之间的直接相关关 系间接实现的。系间接实现的。 这类相关关系称为间接相关关系。这类相关关系称为间接相关关系。 三、零件的结构要素三、零件的结构要素 零件的形体通常由多个表面构成，这些构成零件形零件的形体通常由多个表面构成，这些构成零件形 体的表面成为零件的结构要素。体的表面成为零件的结构要素。 一个零件与其他零件形成直接相关关系的结构要素，一个零件与其他零件形成直接相关关系的结构要素， 或与工作介质相接触的结构要素称为或与工作介质相接触的结构要素称为工作要素工作要素(或工作或工作 表面表
12、面)，其他结构要素称为，其他结构要素称为连接要素连接要素(或连接表面或连接表面)。 每一个零件都有工作表面。每一个零件都有工作表面。 零件的工作表面决定着零件的工作能力和工作质量，所零件的工作表面决定着零件的工作能力和工作质量，所 以零件工作表面的设计是零件设计的核心问题。以零件工作表面的设计是零件设计的核心问题。 每个零件的工作表面都不是孤立存在的，每个工件表面每个零件的工作表面都不是孤立存在的，每个工件表面 和与之相接触的表面相互配合，共同起作用，所以零件的和与之相接触的表面相互配合，共同起作用，所以零件的 工作表面都是成对进行设计，设计中共同考虑材料的选择工作表面都是成对进行设计，设计中
13、共同考虑材料的选择 搭配，表面的形状、尺寸，配合公差的分配，热处理方式搭配，表面的形状、尺寸，配合公差的分配，热处理方式 的选择等。的选择等。 例如螺栓和螺母的螺纹工作表面共同设计，滑动轴承与例如螺栓和螺母的螺纹工作表面共同设计，滑动轴承与 轴的轴颈表面共同设计，主动齿轮和被动齿轮的齿廓表面轴的轴颈表面共同设计，主动齿轮和被动齿轮的齿廓表面 共同设计共同设计。 工作表面工作表面 鉴于工作表面对零件工作能力影响的重要鉴于工作表面对零件工作能力影响的重要 性，因而常用零件工作表面的设计计算方法有性，因而常用零件工作表面的设计计算方法有 相应的标准相应的标准(有些属于国家标准有些属于国家标准)，这些
14、标准所，这些标准所 规定的算法严格、统一、规范。规定的算法严格、统一、规范。 连接表面将各个工作表面连接成为完整形体，并保证零连接表面将各个工作表面连接成为完整形体，并保证零 件的工作表面的形状、尺寸和位置在工作中不被破坏。件的工作表面的形状、尺寸和位置在工作中不被破坏。 连接表面的设计方法较为灵活，没有统一的过程和标准，连接表面的设计方法较为灵活，没有统一的过程和标准， 也不要求有统一的过程和标准，因此零件的连接表面设计也不要求有统一的过程和标准，因此零件的连接表面设计 是设计人员最能发挥创造性思维的重要方面。是设计人员最能发挥创造性思维的重要方面。 连接表面设计方法虽较灵活，但也应遵守以下
15、的原则：连接表面设计方法虽较灵活，但也应遵守以下的原则： 不影响工作表面的功能不影响工作表面的功能 不影响零件运动不影响零件运动 不影响操作不影响操作 在不违背以上原则的前提下，还应尽可能兼顾零件的强在不违背以上原则的前提下，还应尽可能兼顾零件的强 度、刚度、寿命、工艺性、经济性、美观等要素。度、刚度、寿命、工艺性、经济性、美观等要素。 连接表面连接表面 在如图在如图6-4所示的支架零件中，与轴颈表面接触的孔表面、所示的支架零件中，与轴颈表面接触的孔表面、 与箱体接触的底面和与螺母端面接触的凸台上表而为工作表与箱体接触的底面和与螺母端面接触的凸台上表而为工作表 面，其余表面均为连接表面，在不违
16、背连接表面设计原则的面，其余表面均为连接表面，在不违背连接表面设计原则的 前提下，通过改变连接表面的尺寸、位置及连接关系，可将前提下，通过改变连接表面的尺寸、位置及连接关系，可将 零件结构分别设计成如图零件结构分别设计成如图6-5所示的多种结构。所示的多种结构。 第二节第二节 结构方案设计的基本原则与原理结构方案设计的基本原则与原理 一、结构设计的基本原则一、结构设计的基本原则 确定和选择结构方案时应遵循三项基本原则：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。明确、简单和安全可靠。 1 1明确明确 (1) 功能明确功能明确 要求对于设计任务规定实现的每一项功能都必须对应于
17、某要求对于设计任务规定实现的每一项功能都必须对应于某 些具体的结构要素，同时每一项结构要素要对应于某一项或些具体的结构要素，同时每一项结构要素要对应于某一项或 多项）功能要求。多项）功能要求。 这项原则保证所有的功能要求都能够实现，同时不存在多这项原则保证所有的功能要求都能够实现，同时不存在多 余的结构要素。余的结构要素。 传递转矩是键还是圆锥传递转矩是键还是圆锥 面，零件的轴向定位是轴的面，零件的轴向定位是轴的 台阶面还是圆锥面，两者均台阶面还是圆锥面，两者均 不明确。这是一种功能不明不明确。这是一种功能不明 确的结构。确的结构。 传递转矩、零件的轴向传递转矩、零件的轴向 定位两种功能都是由
18、圆锥面定位两种功能都是由圆锥面 承担，是一种好结构。承担，是一种好结构。 (2)(2)工作原理明确工作原理明确 在功能原理设计中需要通过某种在功能原理设计中需要通过某种(或某些或某些)物理过程实现给定物理过程实现给定 的功能要求。的功能要求。 实际使用的机械装置在工作中必然同时进行着多种物理过程，实际使用的机械装置在工作中必然同时进行着多种物理过程， 例如由于受力引起零部件变形和磨损，由于受热引起的零部例如由于受力引起零部件变形和磨损，由于受热引起的零部 件形状、尺寸、位置变化等，还有电、磁、光、化学等过程，件形状、尺寸、位置变化等，还有电、磁、光、化学等过程， 设计中应充分考虑这些自然过程的
19、进行对机械装置的工作过设计中应充分考虑这些自然过程的进行对机械装置的工作过 程以及对环境的影响；对可能影响主要功能实现的自然现象程以及对环境的影响；对可能影响主要功能实现的自然现象 要采取必要的应对措施。要采取必要的应对措施。 设计者原意是滚针轴承承担设计者原意是滚针轴承承担 径向力，向心球轴承承受轴向力径向力，向心球轴承承受轴向力 。实际上，两个轴承都能承受径。实际上，两个轴承都能承受径 向力，各自受力大小因两种滚动向力，各自受力大小因两种滚动 体不同而不确定，故容易导致某体不同而不确定，故容易导致某 个轴承过载而损坏。个轴承过载而损坏。 滚针轴承承担径向力，滚针轴承承担径向力， 推力球轴承
20、承受轴向力，径推力球轴承承受轴向力，径 向力和轴向力承受者都很清向力和轴向力承受者都很清 楚，因此功能和作用原理都楚，因此功能和作用原理都 明确。明确。 （3)3)工作状态明确工作状态明确 在结构设计中，零件的材料选择及工作能力在结构设计中，零件的材料选择及工作能力 分析均根据对结构的工作状态分析进行。设计中分析均根据对结构的工作状态分析进行。设计中 应避免出现可能造成某些要素的工作状态不明确应避免出现可能造成某些要素的工作状态不明确 的结构。的结构。 如图如图67所示的轴系结构中，轴系工作中会因发热使所示的轴系结构中，轴系工作中会因发热使 轴伸长，轴承端盖与滚动轴承外圈应不接触，否则端盖可轴
21、伸长，轴承端盖与滚动轴承外圈应不接触，否则端盖可 能参与轴向力的传递，使工作状态不明确。能参与轴向力的传递，使工作状态不明确。 2 2简单简单 在结构设计中，在同样可以完成功能要求的条件下，在结构设计中，在同样可以完成功能要求的条件下， 应优先选用结构较简单的方案。应优先选用结构较简单的方案。 结构简单体现为结构中包含的零部件数量较少，专用结构简单体现为结构中包含的零部件数量较少，专用 零部件数量较少，零部件的种类较少，零件的形状简单，零部件数量较少，零部件的种类较少，零件的形状简单， 被加工面数量较少，所需加工工序较少，结构的装配关被加工面数量较少，所需加工工序较少，结构的装配关 系较简单。
22、系较简单。 结构简单通常有利于加工和装配，有利于缩短制造周结构简单通常有利于加工和装配，有利于缩短制造周 期，有利于降低制造与运行成本；简单的结构还有利于期，有利于降低制造与运行成本；简单的结构还有利于 提高装置的可靠性，有利于提高工作精度。提高装置的可靠性，有利于提高工作精度。 3 3安全可靠安全可靠 要求机械装置的工作安全可靠包括要求机械装置的工作安全可靠包括3个方面的内容：个方面的内容： 1)设计要求的功能要可靠地实现。设计要求的功能要可靠地实现。 2)在工作中，特别是在出现故障的情况下，保证操作机器在工作中，特别是在出现故障的情况下，保证操作机器 的人员的安全。的人员的安全。 3)在工
23、作中，特别是在出现故障的情况下，保证机器设备在工作中，特别是在出现故障的情况下，保证机器设备 本身及相关设备的安全。本身及相关设备的安全。 (1) 直接安全技术直接安全技术 通过设计，保证装置在工作中不出现危险，满足安全性要求通过设计，保证装置在工作中不出现危险，满足安全性要求 的设计技术，称为直接安全技术，称为固有安全性。的设计技术，称为直接安全技术，称为固有安全性。 这种方法应保证机械装置具有足够的工作能力，不但保证这种方法应保证机械装置具有足够的工作能力，不但保证 静强度，而且应保证疲劳强度和寿命，保证结构在发生磨损、静强度，而且应保证疲劳强度和寿命，保证结构在发生磨损、 因受力及受热而
24、发生变形情况下不失效。当装置发生过载时应因受力及受热而发生变形情况下不失效。当装置发生过载时应 实现自我保护，使零部件不发生损坏，过载工况解除后系统可实现自我保护，使零部件不发生损坏，过载工况解除后系统可 自行恢复正常工作状。自行恢复正常工作状。 直接安全技术还应避免由于错误操作而引起事故，当操作直接安全技术还应避免由于错误操作而引起事故，当操作 者发生错误操作时，控制装置能自动关闭设备或使设备无法起者发生错误操作时，控制装置能自动关闭设备或使设备无法起 动。动。 应用直接安全技术保证机械设备的安全虽然可靠，但在很应用直接安全技术保证机械设备的安全虽然可靠，但在很 多情况下这是不经济的方法，在
25、有些情况下由于技术条件限制，多情况下这是不经济的方法，在有些情况下由于技术条件限制， 无法应用直接安全技术。无法应用直接安全技术。 (2) 间接安全技术间接安全技术 间接全技术使得当系统发生故障时所造成的损失较小，间接全技术使得当系统发生故障时所造成的损失较小， 系统的工作状态较容易恢复。系统的工作状态较容易恢复。 间接安全技术可以在传动链中设置安全保护装置，使得间接安全技术可以在传动链中设置安全保护装置，使得 当系统发生过载时，安全保护装置中的某些结构损坏，使当系统发生过载时，安全保护装置中的某些结构损坏，使 传动链中断，保护传动链中的其他零件传动链中断，保护传动链中的其他零件(特别是重要零
26、件特别是重要零件) 不受损坏。使得零件损坏造成的影响范围尽量小。不受损坏。使得零件损坏造成的影响范围尽量小。 如图如图6-10所示的剪切销安全离合器就是对传动链起所示的剪切销安全离合器就是对传动链起 保护作用的安全装置。设计中使销的承载能力小于系统保护作用的安全装置。设计中使销的承载能力小于系统 中其他零件的承载能力，发生过载时销被剪断，使传动中其他零件的承载能力，发生过载时销被剪断，使传动 链中断。通过更换销可恢复传动链工作。链中断。通过更换销可恢复传动链工作。 间接安全技术也可以在装置中设置冗余工作系统，使得间接安全技术也可以在装置中设置冗余工作系统，使得 当某些零件因损坏不能完成预定功能
27、时冗余工作系统投入当某些零件因损坏不能完成预定功能时冗余工作系统投入 工作，代替原系统功能。这种方法适用于对系统可靠性要工作，代替原系统功能。这种方法适用于对系统可靠性要 求较高，系统功能不允许中断的情况。这种方法增加了系求较高，系统功能不允许中断的情况。这种方法增加了系 统的复杂性，同时也提高了成本。统的复杂性，同时也提高了成本。 例：例： 飞机发动机的双驱动、三驱动和副油箱；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；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 或三套配置或三套配置(一套运转，一套
28、维修，一套备用一套运转，一套维修，一套备用)。 (3)(3)提示性安全技术法提示性安全技术法 当由于技术或经济原因不适合采用前面两种技术当由于技术或经济原因不适合采用前面两种技术 的情况下，可以采用提示性安全技术。的情况下，可以采用提示性安全技术。 当故障发生时，采用文字、图像、灯光、声音等当故障发生时，采用文字、图像、灯光、声音等 措施提示使用者，或者使其排除故障，或使其避险。措施提示使用者，或者使其排除故障，或使其避险。 提示信息应准确、及时，并尽可能全面。提示信息应准确、及时，并尽可能全面。 二、结构设计的原理二、结构设计的原理 1 . 等强度原理等强度原理 等强原理要求设计者确定的结构
29、参数应使结构的各部等强原理要求设计者确定的结构参数应使结构的各部 分具有相同或相似的承载能力。分具有相同或相似的承载能力。 在机械结构设计中，提高结构的承载能力通常会增加在机械结构设计中，提高结构的承载能力通常会增加 成本。而机械装置整体的承载能力取决于承载能力最低成本。而机械装置整体的承载能力取决于承载能力最低 的结构要素。等强原理在承载能力相等的前提下使总成的结构要素。等强原理在承载能力相等的前提下使总成 本最低。本最低。 根据等强原理，当结构中某个结构要素的承载能力低根据等强原理，当结构中某个结构要素的承载能力低 于其他结构要素时，通过提高这个薄弱的结构要素的承于其他结构要素时，通过提高
30、这个薄弱的结构要素的承 载能力以提高整个结构的承载能力是最经济的方法。载能力以提高整个结构的承载能力是最经济的方法。 注意以下几点：注意以下几点： 1)如果在某些结构中追求等强会增大成本，则应放弃等强如果在某些结构中追求等强会增大成本，则应放弃等强 原理。原理。 例如在滚动轴承轴系结构设计中，同一轴系两端的两个轴承例如在滚动轴承轴系结构设计中，同一轴系两端的两个轴承 通常受力不同，如果要求其工作寿命或承载能力相同，就需通常受力不同，如果要求其工作寿命或承载能力相同，就需 要选用不同型号的轴承，这虽然可以降低轴承成本，但是会要选用不同型号的轴承，这虽然可以降低轴承成本，但是会 增大加工轴承孔的工
31、艺成本，所以应放弃等强原理。增大加工轴承孔的工艺成本，所以应放弃等强原理。 2)不同结构要素的工作原理不同，承载能力的差别很大，不同结构要素的工作原理不同，承载能力的差别很大， 使工作原理不同的结构要素的承载能力相同可能会使结构比使工作原理不同的结构要素的承载能力相同可能会使结构比 例不协调。例不协调。 例如自行车的车架和轴承、轮胎的承载能力相差较大，这种例如自行车的车架和轴承、轮胎的承载能力相差较大，这种 情况下通常采用多次更换易损零件的方法解决，将承载能力情况下通常采用多次更换易损零件的方法解决，将承载能力 较低的结构零件设计成较易更换的结构。较低的结构零件设计成较易更换的结构。 3) 为
32、保护重要零部件，设计中使某个零部件为保护重要零部件，设计中使某个零部件 的承载能力较低，通过牺牲廉价易更换零件的承载能力较低，通过牺牲廉价易更换零件 的方法保护重要零部件。的方法保护重要零部件。 4) 有些结构参数有标准系列值，在按照等强有些结构参数有标准系列值，在按照等强 原理进行设计后应按标准系列圆整参数。原理进行设计后应按标准系列圆整参数。 2变形协调原理变形协调原理 连接结构的功能要求被连接件之间要保持接触，连接结构的功能要求被连接件之间要保持接触， 如果被连接件在预紧力及工作载荷作用下的变形方如果被连接件在预紧力及工作载荷作用下的变形方 向不一致，变形规律不一致，会使被连接件之间发向
33、不一致，变形规律不一致，会使被连接件之间发 生相对位移。在连接表面上需要产生附加变形以补生相对位移。在连接表面上需要产生附加变形以补 偿相对位移，使被连接件保持接触。附加位移使载偿相对位移，使被连接件保持接触。附加位移使载 荷在接触面间的分布不均匀。荷在接触面间的分布不均匀。 在连接结构设计中，应使被连接件的变形方向和在连接结构设计中，应使被连接件的变形方向和 变形规律相一致，使相对位移量较小，以减小附加变形规律相一致，使相对位移量较小，以减小附加 变形，使载荷在接触面间均匀分布。变形，使载荷在接触面间均匀分布。 kr 螺栓联接预紧后，外螺纹受拉伸长，螺距加大，内螺纹螺栓联接预紧后，外螺纹受拉
34、伸长，螺距加大，内螺纹 受压缩短，螺距减小。螺距的变化使螺纹牙产生附加弯曲变受压缩短，螺距减小。螺距的变化使螺纹牙产生附加弯曲变 形，造成预紧力在螺纹牙之间分布不均匀。图形，造成预紧力在螺纹牙之间分布不均匀。图6-11所示为当所示为当 螺纹工作圈数为螺纹工作圈数为10圈时的载荷分布情况。由于第一圈螺纹承圈时的载荷分布情况。由于第一圈螺纹承 担总载荷的三分之一，使总体承载能力降低。担总载荷的三分之一，使总体承载能力降低。 图图6-12a所示为悬置螺母，使内外螺纹在工作中均受拉所示为悬置螺母，使内外螺纹在工作中均受拉 伸，变形方向相同；图伸，变形方向相同；图6-12b所示为环槽螺母，使原受力最所示
35、为环槽螺母，使原受力最 大的几圈螺纹的内外螺纹变形方向相同。这些措施有利于大的几圈螺纹的内外螺纹变形方向相同。这些措施有利于 改善载荷分布不均的工作情况，提高结构的总体承载能力。改善载荷分布不均的工作情况，提高结构的总体承载能力。 3 3任务分配原理任务分配原理 机械结构的功能依靠所有的零部件及其结构要素协调机械结构的功能依靠所有的零部件及其结构要素协调 工作来实现。机械功能在零部件间的分配关系通常有以下工作来实现。机械功能在零部件间的分配关系通常有以下 3种可能：种可能： 1)多个零件共同完成一个功能。多个零件共同完成一个功能。 2)一个零件完成一个功能。一个零件完成一个功能。 3)一个零件
36、完成多个功能。一个零件完成多个功能。 设计中要根据功能要求合理确定功能分配方法。一设计中要根据功能要求合理确定功能分配方法。一 个零件完成多个功能有利于简化结构，降低成本。但个零件完成多个功能有利于简化结构，降低成本。但 是多种功能通常对零件提出不同的技术要求，有些要是多种功能通常对零件提出不同的技术要求，有些要 求很难在同一个零件上实现，这种情况下就需要对功求很难在同一个零件上实现，这种情况下就需要对功 能进行分解。能进行分解。 一个零件完成一个功能的分配方法有利于分析和优一个零件完成一个功能的分配方法有利于分析和优 化设计。化设计。 对于有些复杂的功能，要求由多个零件协作完成通对于有些复杂
37、的功能，要求由多个零件协作完成通 常是必要的。常是必要的。 轴承的密封和定位用同轴承的密封和定位用同 一个结构一个结构1来完成，需用圆来完成，需用圆 钢车成，其制造费用高。钢车成，其制造费用高。 不同的密封和定位结构不同的密封和定位结构 密封和定位分别由密封和定位分别由1挡圈和挡圈和 2轴套承担，轴套承担，2可用管料车成，可用管料车成， 节约材料、减少加工时间。节约材料、减少加工时间。 V带传动要求传动带材料具有摩擦因数大、抗带传动要求传动带材料具有摩擦因数大、抗 拉、耐磨、易弯、价廉的特点，使用单一材料很拉、耐磨、易弯、价廉的特点，使用单一材料很 难同时满足这些要求，现在普遍采用的传动带是难
38、同时满足这些要求，现在普遍采用的传动带是 通过强力纤维、橡胶和帆布的组合构成的。通过强力纤维、橡胶和帆布的组合构成的。 采用同一种材料制造的零件，可以对零件的采用同一种材料制造的零件，可以对零件的 不同部位实施不同方式的热处理，使其具有不同不同部位实施不同方式的热处理，使其具有不同 的力学性能。的力学性能。 蜗杆传动设计中要求蜗轮齿廓蜗杆传动设计中要求蜗轮齿廓 表面材料具有较好的抗胶合性，表面材料具有较好的抗胶合性， 同时要求轮毂材料具有较高的强同时要求轮毂材料具有较高的强 度，传递动力的蜗轮通常采用装度，传递动力的蜗轮通常采用装 配结构，轮缘采用青铜合金，轮配结构，轮缘采用青铜合金，轮 毂采
39、用钢或铸铁。毂采用钢或铸铁。 4 4自助原理自助原理 在结构设计中，通过正确地选择结构形式及零件之在结构设计中，通过正确地选择结构形式及零件之 间的连接关系，可以使零件及其结构要素之间形成互相间的连接关系，可以使零件及其结构要素之间形成互相 支持的关系，称为自助。支持的关系，称为自助。 常见的自助原理的应用形式有：常见的自助原理的应用形式有： 自增强自增强 自平衡自平衡 自保护自保护 (1)(1)自加强自加强 装置在初始状态下具备某种功能，在工作装置在初始状态下具备某种功能，在工作 状态下这种功能会有改变，如果在工作状态下状态下这种功能会有改变，如果在工作状态下 有用的功能得到强化则称为自加强
40、。有用的功能得到强化则称为自加强。 如图如图6-136-13所示压力容器，如采用图所示压力容器，如采用图6-13a6-13a所示结构，工作所示结构，工作 压力有利于加强端口密封功能；如采用图压力有利于加强端口密封功能；如采用图6-13b6-13b所示结构，所示结构， 工作压力对密封功能有损害作用。工作压力对密封功能有损害作用。 自增强作用的密封装置，压力自增强作用的密封装置，压力P使带锥面圆使带锥面圆 盘盘1更紧密地压在密封更紧密地压在密封2上，这就是利用主参数上，这就是利用主参数 压力压力P产生了增强密封的辅助作用。产生了增强密封的辅助作用。 2)2)自平衡自平衡 在机械装置工作过程中会出现
41、多种物理过程，在机械装置工作过程中会出现多种物理过程， 其中有些过程会对结构产生不利的影响，通过设其中有些过程会对结构产生不利的影响，通过设 计选择结构形式，可以使一些不利因素相互抵消。计选择结构形式，可以使一些不利因素相互抵消。 机械装置在传递工作载荷的同时需要承担一些机械装置在传递工作载荷的同时需要承担一些 不做功的力，由于这些力的作用，使得机械装置不做功的力，由于这些力的作用，使得机械装置 传递有用工作载荷的能力降低。在结构设计中，传递有用工作载荷的能力降低。在结构设计中， 应尽力降低这些不做功的力的作用程度，缩小其应尽力降低这些不做功的力的作用程度，缩小其 作用范围。作用范围。 如图如
42、图6-7所示斜齿圆柱齿轮轴系结构，齿轮传动产生的轴所示斜齿圆柱齿轮轴系结构，齿轮传动产生的轴 向力经齿轮传递给轴，再经多个轴上零件和滚动轴承传递到向力经齿轮传递给轴，再经多个轴上零件和滚动轴承传递到 箱体，这些零件都要承受轴向力的作用；轴向力的作用会影箱体，这些零件都要承受轴向力的作用；轴向力的作用会影 响滚动轴承承受径向载荷的能力。在如图响滚动轴承承受径向载荷的能力。在如图6-15所示的双斜齿所示的双斜齿 轮轴系结构中，由于两个斜齿轮动产生的轴向力作用范围减轮轴系结构中，由于两个斜齿轮动产生的轴向力作用范围减 小，使滚动轴承的工作寿命提高。小，使滚动轴承的工作寿命提高。 图图6-16所示为叶
43、片泵中的叶片受力情况分析。在图所示为叶片泵中的叶片受力情况分析。在图6-16a 所示结构中，介质作用力会对叶片根部产生较大的弯曲应力；所示结构中，介质作用力会对叶片根部产生较大的弯曲应力； 在图在图6-16b所示结构中，将叶片向一侧倾斜，使得叶片在高所示结构中，将叶片向一侧倾斜，使得叶片在高 速旋转中的离心力对叶片根部产生的弯矩与介质作用力产生速旋转中的离心力对叶片根部产生的弯矩与介质作用力产生 弯矩方向相反，有抵消作用。弯矩方向相反，有抵消作用。 齿轮泵径向力不平衡。齿轮泵径向力不平衡。P1 与与P1为液压力，为液压力，P2与与P2为为 齿轮啮合力，齿轮啮合力，P和和P为主动齿为主动齿 轮轴
44、承和被动齿轮轴承所承轮轴承和被动齿轮轴承所承 受的径向力。受的径向力。P和和P加快了轴加快了轴 承的磨损。承的磨损。 径向力得到平衡。在泵壳或径向力得到平衡。在泵壳或 侧板上开有径向力平衡槽，把高侧板上开有径向力平衡槽，把高 压油引到低压区，把低压油引到压油引到低压区，把低压油引到 高压区，液压力高压区，液压力P1得到平衡，两得到平衡，两 个齿轮的径向力几乎等于个齿轮的径向力几乎等于P2，延，延 长了轴承的寿命。长了轴承的寿命。 3)3)自保护自保护 当结构出现过载或其他意外情况时可能当结构出现过载或其他意外情况时可能 造成零件损坏。有些结构要素具有防止过载造成零件损坏。有些结构要素具有防止过
45、载 或其他意外情况发生的作用，可以保护自身或其他意外情况发生的作用，可以保护自身 及其他零件免受损坏。及其他零件免受损坏。 各种摩擦传动各种摩擦传动(如带传动、摩擦离合器、摩擦无级变速器等如带传动、摩擦离合器、摩擦无级变速器等) 均具有过载打滑的特性。如图均具有过载打滑的特性。如图6-17所示摩擦离合器结构，当传所示摩擦离合器结构，当传 递载荷达到最大载荷时，在内、外摩擦片之间发生打滑，使传递载荷达到最大载荷时，在内、外摩擦片之间发生打滑，使传 动链中断，不但不会造成离合器零件的损坏，而且保护传动链动链中断，不但不会造成离合器零件的损坏，而且保护传动链 中的其他传动零件不因过载而损坏；当过载情
46、况消除后，传动中的其他传动零件不因过载而损坏；当过载情况消除后，传动 链自动恢复。链自动恢复。 弹簧工作应力与变形弹簧工作应力与变形 量正比，变形量过大会使量正比，变形量过大会使 弹簧失效。如图弹簧失效。如图6-18所示所示 的压缩弹簧结构，当变形的压缩弹簧结构，当变形 达到一定量时弹簧被压并，达到一定量时弹簧被压并， 无法继续变形，对弹簧丝无法继续变形，对弹簧丝 起到保护作用。起到保护作用。 5 5稳定性原理稳定性原理 机械装置工作过程中会有一些干扰因素作用，机械装置工作过程中会有一些干扰因素作用， 通过合理的结构设计会使得当这些干扰因素出通过合理的结构设计会使得当这些干扰因素出 现时，系统
47、自动产生一种与之作用相反的作用，现时，系统自动产生一种与之作用相反的作用， 使系统保持稳定状态。使系统保持稳定状态。 对于热膨胀变形而产生的干扰，需要在结构设计中采取措对于热膨胀变形而产生的干扰，需要在结构设计中采取措 施，使之消除。施，使之消除。 图图(a)，圆锥滚子轴承正装（面对面），由于轴发热伸长，使，圆锥滚子轴承正装（面对面），由于轴发热伸长，使 轴承内部的游隙缩小甚至卡死，造成工作不稳定；轴承内部的游隙缩小甚至卡死，造成工作不稳定； 图图(b)，圆锥滚子轴承反装（背靠背），不会因轴承内部的游，圆锥滚子轴承反装（背靠背），不会因轴承内部的游 隙缩小甚至卡死而造成工作不稳定。隙缩小甚至卡
48、死而造成工作不稳定。 图图6-196-19所示为自行车前轮及转向部分示意图，所示为自行车前轮及转向部分示意图， 前叉立管延长线与路面交点前叉立管延长线与路面交点A A位于车轮与路面交点位于车轮与路面交点 的前面，当前轮因干扰因素偏离向正前方行驶的的前面，当前轮因干扰因素偏离向正前方行驶的 方向时，路面作用于车轮的向心力方向时，路面作用于车轮的向心力(B(B点点) )对前叉的对前叉的 力矩使车轮恢复正确方向。力矩使车轮恢复正确方向。 图图6- 20所示为汽车前轮转向示意图，当前轮由于干扰因素所示为汽车前轮转向示意图，当前轮由于干扰因素 被转向时，前轮绕主销转动，由于主销相对于路面倾斜被转向时，前
49、轮绕主销转动，由于主销相对于路面倾斜(主销主销 内倾内倾)，发生转向时车轮相对于车身的位置下降，车身相对于，发生转向时车轮相对于车身的位置下降，车身相对于 路面的位置被抬高，总势能增大，车身有恢复较低势能状态路面的位置被抬高，总势能增大，车身有恢复较低势能状态 的趋势，这种作用使前轮恢复向前行驶的正确方向。的趋势，这种作用使前轮恢复向前行驶的正确方向。 图图6-21所示为用于柴油发动机的调速器示意图，当发所示为用于柴油发动机的调速器示意图，当发 动机工作中由于干扰因素使发动机工作转速升高时，飞球动机工作中由于干扰因素使发动机工作转速升高时，飞球 因离心力增大被甩开，推动推力盘及供油拉杆向右移动
50、，因离心力增大被甩开，推动推力盘及供油拉杆向右移动， 使喷油泵柱塞转动，供油量减小，发动机恢复正常转速。使喷油泵柱塞转动，供油量减小，发动机恢复正常转速。 第三节第三节 结构设计中的强度与刚度问题结构设计中的强度与刚度问题 机械零部件的基本功能之一是承担载荷。在载机械零部件的基本功能之一是承担载荷。在载 荷的作用下零部件可能会因损坏或发生较大变形荷的作用下零部件可能会因损坏或发生较大变形 而影响机械装置主要功能的实现。具有足够的强而影响机械装置主要功能的实现。具有足够的强 度和刚度是机械功能对零部件的基本要求。度和刚度是机械功能对零部件的基本要求。 在通常情况下，增大零部件的尺寸和增大材料在通
51、常情况下，增大零部件的尺寸和增大材料 体积可以提高其强度和刚度。但是这种方法会同体积可以提高其强度和刚度。但是这种方法会同 时增大装置的体积，提高成本。时增大装置的体积，提高成本。 本节讨论以较小的零部件尺寸和材料体积获得本节讨论以较小的零部件尺寸和材料体积获得 较高强度与刚度的设计方法。较高强度与刚度的设计方法。 一、提高静强度的设计方法一、提高静强度的设计方法 1 1采用合理的截面形状采用合理的截面形状 由于加工工艺的原因，轴类零件多采用实心圆柱形截面。由于加工工艺的原因，轴类零件多采用实心圆柱形截面。 对于承受弯矩或转矩的轴类零件，由于材料分布距离轴心线对于承受弯矩或转矩的轴类零件，由于
52、材料分布距离轴心线 较近，对承担载荷的贡献较小。较近，对承担载荷的贡献较小。 如果采用空心轴结构，使较多的材料远离轴心线，使得轴上如果采用空心轴结构，使较多的材料远离轴心线，使得轴上 因弯矩引起的正应力和由于转矩引起的切应力的分布更合理，因弯矩引起的正应力和由于转矩引起的切应力的分布更合理， 同样的载荷所引起的最大应力降低，承载能力提高。同样的载荷所引起的最大应力降低，承载能力提高。 空心轴的截面惯性矩和极惯性矩都比实心轴明显增大，所以空心轴的截面惯性矩和极惯性矩都比实心轴明显增大，所以 空心轴的刚度较大。空心轴的刚度较大。 表表6-1所示为四种不同的齿轮轴结构，其中齿轮结构相所示为四种不同的
53、齿轮轴结构，其中齿轮结构相 同，轴的跨距及支承情况相同，轴两端均采用深沟球轴同，轴的跨距及支承情况相同，轴两端均采用深沟球轴 承支承，轴的直径不同，表中列出轴的直径承支承，轴的直径不同，表中列出轴的直径(D)、质量、质量 (m)、轴的强度、轴的强度(W)、强度比、强度比(W/m)、刚度、刚度(I)、挠度、挠度(f)以以 及滚动轴承寿命（及滚动轴承寿命（h）之间的关系。）之间的关系。 由表中数据可见，由于采用了空心轴结构，使得轴的由表中数据可见，由于采用了空心轴结构，使得轴的 强度和刚度显著提高，其中强度和刚度显著提高，其中4号方案与号方案与1号方案相比，轴号方案相比，轴 的外径增大到的外径增大
54、到2.3倍，质量增加到倍，质量增加到2.2倍，而轴的强度和刚倍，而轴的强度和刚 度分别增大到度分别增大到9倍和倍和20倍。倍。 表表6-2列出了列出了8种截面积相等而截面形状不同的受弯矩梁的强度种截面积相等而截面形状不同的受弯矩梁的强度 及刚度的比较值。由表中数值可见，在截面积相同的情况下，分及刚度的比较值。由表中数值可见，在截面积相同的情况下，分 布在远离中性轴位置的材料越多，梁的强度和刚度都显著提高。布在远离中性轴位置的材料越多，梁的强度和刚度都显著提高。 所以，在材料体积相同的条件下，通过合理地选择截面形状，可所以，在材料体积相同的条件下，通过合理地选择截面形状，可 以获得较大的承载能力
55、。以获得较大的承载能力。 2载荷分流载荷分流 对于承受较大载荷或复杂载荷的零件，可对于承受较大载荷或复杂载荷的零件，可 以通过将部分载荷分流到其他零件或其他结构以通过将部分载荷分流到其他零件或其他结构 的方法降低关键零件的危险程度。的方法降低关键零件的危险程度。 图图6-22所示为机床主轴变速箱输入轴与带轮连接的两种所示为机床主轴变速箱输入轴与带轮连接的两种 结构设计方案。结构设计方案。 图图6-22a所示将带轮与输入轴直接连接，将压轴力和转所示将带轮与输入轴直接连接，将压轴力和转 矩直接作用于轴，使轴同时受到弯曲应力和扭转切应力的矩直接作用于轴，使轴同时受到弯曲应力和扭转切应力的 作用，交变
56、的弯曲应力成为影响轴强度的主要因素，从而作用，交变的弯曲应力成为影响轴强度的主要因素，从而 影响结构整体的承载能力。影响结构整体的承载能力。 图图6-22b所示将压轴力通过滚动轴承作用于套筒，套筒所示将压轴力通过滚动轴承作用于套筒，套筒 具有较大的抗弯截面系数，作用在套筒上的弯曲应力为静具有较大的抗弯截面系数，作用在套筒上的弯曲应力为静 应力，轴只承受由转矩产生的扭转切应力作用，结构整体应力，轴只承受由转矩产生的扭转切应力作用，结构整体 的承载能力得到提高。的承载能力得到提高。 3载荷均布载荷均布 机械结构中载荷的空间分布通常是不均匀的，机械结构中载荷的空间分布通常是不均匀的， 结构设计必须使
57、结构中载荷最大的位置、强度最结构设计必须使结构中载荷最大的位置、强度最 弱的位置满足强度条件，按强度最弱处的强度确弱的位置满足强度条件，按强度最弱处的强度确 定整个结构的承载能力。定整个结构的承载能力。 通过合理的结构设计，使载荷的空间分布更通过合理的结构设计，使载荷的空间分布更 均匀，降低最危险处的载荷水平，可以有效地提均匀，降低最危险处的载荷水平，可以有效地提 高结构整体的承载能力。高结构整体的承载能力。 如图如图6-23a所示的两级圆柱齿轮减速器中的齿轮相对于轴承所示的两级圆柱齿轮减速器中的齿轮相对于轴承 非对称布置，由于轴的弯曲变形，使得轮齿上的载荷沿齿长非对称布置，由于轴的弯曲变形，
58、使得轮齿上的载荷沿齿长 方向分布不均。图方向分布不均。图6-23b所示的结构中将受载荷较大的低速级所示的结构中将受载荷较大的低速级 齿轮相对于轴承对称布置，可以消除由于轴弯曲变形造成轮齿轮相对于轴承对称布置，可以消除由于轴弯曲变形造成轮 齿上的载荷沿齿长方向分布不均的现象。齿上的载荷沿齿长方向分布不均的现象。 在图在图6-23a所示的方案中，各轴不但会发生弯曲变形，所示的方案中，各轴不但会发生弯曲变形， 而且会发生扭转变形，特别是输入级的小齿轮，受到轴而且会发生扭转变形，特别是输入级的小齿轮，受到轴 的扭转变形的影响，也会引起轮齿上的载荷沿齿长方向的扭转变形的影响，也会引起轮齿上的载荷沿齿长方
59、向 分布不均。分布不均。 如果将小齿轮放置在靠近输入端的位置，由于轴的弯如果将小齿轮放置在靠近输入端的位置，由于轴的弯 曲变形和扭转变形引起的轮齿上载荷沿齿长方向分布不曲变形和扭转变形引起的轮齿上载荷沿齿长方向分布不 均的作用会互相叠加。均的作用会互相叠加。 如果将小齿轮放置在远离输入端的位置，两种作用会如果将小齿轮放置在远离输入端的位置，两种作用会 互主动相互主动相(部分部分)抵消，有利于提高承载能力。抵消，有利于提高承载能力。 图图6-24所示为一组齿轮端部结构，通过降低轮齿端部所示为一组齿轮端部结构，通过降低轮齿端部 的刚度缓解由于齿长方向误差和及变形造成的轮上载荷沿的刚度缓解由于齿长方
60、向误差和及变形造成的轮上载荷沿 齿长方向分布不均的现象。齿长方向分布不均的现象。 图图6-25所示为两种吊车梁结构方案。图所示为两种吊车梁结构方案。图6-25a所示结构所示结构 立柱位于梁的两端，当吊装重物位于梁的中部时，梁中部立柱位于梁的两端，当吊装重物位于梁的中部时，梁中部 所受弯矩较大。图所受弯矩较大。图6-25b所示方案将立柱向中间靠拢，使所示方案将立柱向中间靠拢，使 得在梁的总长度不变的情况下所受弯矩减小，提高了吊车得在梁的总长度不变的情况下所受弯矩减小，提高了吊车 的承载能力。的承载能力。 4改善轴系支撑结构改善轴系支撑结构 轴系结构的形式是影响轴及轴上零件承载轴系结构的形式是影响
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