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第六章機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)是機(jī)械功能的載體，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的任務(wù)是在功能原理方案設(shè)計(jì)與總體設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，將原理設(shè)計(jì)方案結(jié)構(gòu)化，確定機(jī)械裝置的具體結(jié)構(gòu)與參數(shù)。,,回憶一下《機(jī)械設(shè)計(jì)》課程中學(xué)習(xí)的軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的步驟和內(nèi)容,軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般步驟：選擇材料初估軸端直徑考慮軸上零件的布置、定位、固定、裝拆、調(diào)整等要求，同時(shí)考慮減少軸的應(yīng)力集中和保證軸的結(jié)構(gòu)工藝性，從而確定軸的結(jié)構(gòu)（軸的形狀和尺寸）剛度、強(qiáng)度等驗(yàn)算如有問題再做修改,機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要確定結(jié)構(gòu)的組成（形式與數(shù)量）及其裝配關(guān)系，確定所有零件的材料、熱處理方式、形狀、尺寸及精度。還必須考慮加工工藝、強(qiáng)度、剛度、壽命、可靠性及零件間的相互關(guān)系等。所確定的結(jié)構(gòu)不但要保證功能實(shí)現(xiàn)的可能性，而且要保證功能實(shí)現(xiàn)的可靠性，使得機(jī)械裝置在工作中具有足夠的工作能力和工作性能。,兩種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（詳細(xì)設(shè)計(jì)）,功能原理設(shè)計(jì)決定了產(chǎn)品的先進(jìn)性、新穎性，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)則決定了產(chǎn)品的質(zhì)量和成本（70％~80％）。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是機(jī)械設(shè)計(jì)過程中內(nèi)容最具體、涉及問題最多，工作量最大的環(huán)節(jié)。,第一節(jié)零件的功能、相關(guān)與結(jié)構(gòu)要素零件是構(gòu)成機(jī)械裝置的基本單元，機(jī)械裝置的功能通過零件之間相互作用而實(shí)現(xiàn)。一、零件的功能機(jī)械零件在機(jī)械結(jié)構(gòu)中的基本功能是：承受載荷、傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，以保證機(jī)械裝置實(shí)現(xiàn)正確的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和運(yùn)動(dòng)軌跡。,1．傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力擺桿3的作用是把運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳給滑枕2，以便使刨刀1實(shí)現(xiàn)直線住復(fù)運(yùn)動(dòng)并切下金屬。,2．承受載荷機(jī)械裝置在工作中受到多種力的作用，這些力都要由零件承受。這些力包括：機(jī)械裝置工作所需的力零件所受的重力由于速度波動(dòng)使零件受到的慣性力由于做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)使零件受到的離心力直接接觸的零件之間的摩擦力在介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)的零件受到介質(zhì)的作用力（液壓力、風(fēng)阻力）對連接結(jié)構(gòu)施加的預(yù)緊力(螺紋聯(lián)接、過盈聯(lián)接)由于溫度變化而產(chǎn)生的附加載荷等,如圖6-2所示減速器結(jié)構(gòu)中，齒輪傳動(dòng)所受到的力通過軸傳遞給軸承，其中的徑向力和切向力通過軸承傳遞給箱體，軸向力經(jīng)軸承傳遞給端蓋，再經(jīng)端蓋傳遞給箱體。,承受載荷是使零件發(fā)生失效的重要原因。正確分析結(jié)構(gòu)的受力是進(jìn)行結(jié)構(gòu)的工作能力設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。,3.成形在工藝過程中，通過工作頭的形狀、運(yùn)動(dòng)方式和作用場，完成對對象物的成形。如切削機(jī)床上的刀具，沖壓機(jī)床上的模具，鍛壓機(jī)床的鍛錘，耕地用的犁等，都是起成形作用的工作頭。4.其它功能起容器作用的零件(如油箱)可以容納物體(原料、燃料、廢棄物等)起引導(dǎo)作用的結(jié)構(gòu)可以引導(dǎo)其他零件的運(yùn)動(dòng)(如導(dǎo)軌、螺旋)可以引導(dǎo)流體或松散物體的流動(dòng)可以引導(dǎo)場的分布，如使光波或聲波發(fā)生反射或折射，影響電場或磁場的分布，引導(dǎo)熱量的流動(dòng)等,,二、零件的相關(guān)在機(jī)械裝置中，每一個(gè)零件都不是獨(dú)立存在的，機(jī)械裝置的功能是依靠零部件的形狀、尺寸和相對位置關(guān)系實(shí)現(xiàn)的。在機(jī)械裝置中，必須使零部件之間保持確定的關(guān)系，才能保證其功能的實(shí)現(xiàn)，才能使零件組成機(jī)器。這種零件之間的確定性的關(guān)系稱為零件之間的相關(guān)。,有些零件之間的相對位置關(guān)系是通過零件表面之間的直接接觸實(shí)現(xiàn)的。如軸與裝配在軸上的齒輪，通過軸徑圓柱表面確定它們之間的徑向相對位置關(guān)系，通過軸肩端面確定它們之間的軸向相對位置關(guān)系；相互嚙合的一對齒輪通過齒面間的接觸確定兩輪之間的相對轉(zhuǎn)角關(guān)系（傳動(dòng)角）。這種通過零件表面直接接觸實(shí)現(xiàn)的相關(guān)關(guān)系稱為直接相關(guān)關(guān)系。,有些零件之間的某些關(guān)系需要通過其他零件之間的一系列的直接相關(guān)關(guān)系的組合來實(shí)現(xiàn)。如軸與裝配在軸上的齒輪之間的周向位置關(guān)系是通過各自與鍵的接觸問接實(shí)現(xiàn)的，兩軸之間的平行關(guān)系是通過軸與軸承之間、軸承與箱體之間的直接相關(guān)關(guān)系間接實(shí)現(xiàn)的。這類相關(guān)關(guān)系稱為間接相關(guān)關(guān)系。,三、零件的結(jié)構(gòu)要素零件的形體通常由多個(gè)表面構(gòu)成，這些構(gòu)成零件形體的表面成為零件的結(jié)構(gòu)要素。一個(gè)零件與其他零件形成直接相關(guān)關(guān)系的結(jié)構(gòu)要素，或與工作介質(zhì)相接觸的結(jié)構(gòu)要素稱為工作要素(或工作表面)，其他結(jié)構(gòu)要素稱為連接要素(或連接表面)。,每一個(gè)零件都有工作表面。零件的工作表面決定著零件的工作能力和工作質(zhì)量，所以零件工作表面的設(shè)計(jì)是零件設(shè)計(jì)的核心問題。每個(gè)零件的工作表面都不是孤立存在的，每個(gè)工件表面和與之相接觸的表面相互配合，共同起作用，所以零件的工作表面都是成對進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)中共同考慮材料的選擇搭配，表面的形狀、尺寸，配合公差的分配，熱處理方式的選擇等。例如螺栓和螺母的螺紋工作表面共同設(shè)計(jì)，滑動(dòng)軸承與軸的軸頸表面共同設(shè)計(jì)，主動(dòng)齒輪和被動(dòng)齒輪的齒廓表面共同設(shè)計(jì)。,工作表面,鑒于工作表面對零件工作能力影響的重要性，因而常用零件工作表面的設(shè)計(jì)計(jì)算方法有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)(有些屬于國家標(biāo)準(zhǔn))，這些標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的算法嚴(yán)格、統(tǒng)一、規(guī)范。,連接表面將各個(gè)工作表面連接成為完整形體，并保證零件的工作表面的形狀、尺寸和位置在工作中不被破壞。連接表面的設(shè)計(jì)方法較為靈活，沒有統(tǒng)一的過程和標(biāo)準(zhǔn)，也不要求有統(tǒng)一的過程和標(biāo)準(zhǔn)，因此零件的連接表面設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)人員最能發(fā)揮創(chuàng)造性思維的重要方面。連接表面設(shè)計(jì)方法雖較靈活，但也應(yīng)遵守以下的原則：不影響工作表面的功能不影響零件運(yùn)動(dòng)不影響操作在不違背以上原則的前提下，還應(yīng)盡可能兼顧零件的強(qiáng)度、剛度、壽命、工藝性、經(jīng)濟(jì)性、美觀等要素。,連接表面,在如圖6-4所示的支架零件中，與軸頸表面接觸的孔表面、與箱體接觸的底面和與螺母端面接觸的凸臺上表而為工作表面，其余表面均為連接表面，在不違背連接表面設(shè)計(jì)原則的前提下，通過改變連接表面的尺寸、位置及連接關(guān)系，可將零件結(jié)構(gòu)分別設(shè)計(jì)成如圖6-5所示的多種結(jié)構(gòu)。,第二節(jié)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)的基本原則與原理一、結(jié)構(gòu)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、簡單和安全可靠。1．明確(1)功能明確要求對于設(shè)計(jì)任務(wù)規(guī)定實(shí)現(xiàn)的每一項(xiàng)功能都必須對應(yīng)于某些具體的結(jié)構(gòu)要素，同時(shí)每一項(xiàng)結(jié)構(gòu)要素要對應(yīng)于某一項(xiàng)或多項(xiàng)）功能要求。這項(xiàng)原則保證所有的功能要求都能夠?qū)崿F(xiàn)，同時(shí)不存在多余的結(jié)構(gòu)要素。,傳遞轉(zhuǎn)矩是鍵還是圓錐面，零件的軸向定位是軸的臺階面還是圓錐面，兩者均不明確。這是一種功能不明確的結(jié)構(gòu)。,傳遞轉(zhuǎn)矩、零件的軸向定位兩種功能都是由圓錐面承擔(dān)，是一種好結(jié)構(gòu)。,(2)工作原理明確在功能原理設(shè)計(jì)中需要通過某種(或某些)物理過程實(shí)現(xiàn)給定的功能要求。實(shí)際使用的機(jī)械裝置在工作中必然同時(shí)進(jìn)行著多種物理過程，例如由于受力引起零部件變形和磨損，由于受熱引起的零部件形狀、尺寸、位置變化等，還有電、磁、光、化學(xué)等過程，設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮這些自然過程的進(jìn)行對機(jī)械裝置的工作過程以及對環(huán)境的影響；對可能影響主要功能實(shí)現(xiàn)的自然現(xiàn)象要采取必要的應(yīng)對措施。,設(shè)計(jì)者原意是滾針軸承承擔(dān)徑向力，向心球軸承承受軸向力。實(shí)際上，兩個(gè)軸承都能承受徑向力，各自受力大小因兩種滾動(dòng)體不同而不確定，故容易導(dǎo)致某個(gè)軸承過載而損壞。,滾針軸承承擔(dān)徑向力，推力球軸承承受軸向力，徑向力和軸向力承受者都很清楚，因此功能和作用原理都明確。,（3)工作狀態(tài)明確在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，零件的材料選擇及工作能力分析均根據(jù)對結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)分析進(jìn)行。設(shè)計(jì)中應(yīng)避免出現(xiàn)可能造成某些要素的工作狀態(tài)不明確的結(jié)構(gòu)。,如圖6—7所示的軸系結(jié)構(gòu)中，軸系工作中會因發(fā)熱使軸伸長，軸承端蓋與滾動(dòng)軸承外圈應(yīng)不接觸，否則端蓋可能參與軸向力的傳遞，使工作狀態(tài)不明確。,2．簡單在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，在同樣可以完成功能要求的條件下，應(yīng)優(yōu)先選用結(jié)構(gòu)較簡單的方案。結(jié)構(gòu)簡單體現(xiàn)為結(jié)構(gòu)中包含的零部件數(shù)量較少，專用零部件數(shù)量較少，零部件的種類較少，零件的形狀簡單，被加工面數(shù)量較少，所需加工工序較少，結(jié)構(gòu)的裝配關(guān)系較簡單。結(jié)構(gòu)簡單通常有利于加工和裝配，有利于縮短制造周期，有利于降低制造與運(yùn)行成本；簡單的結(jié)構(gòu)還有利于提高裝置的可靠性，有利于提高工作精度。,3．安全可靠要求機(jī)械裝置的工作安全可靠包括3個(gè)方面的內(nèi)容：1)設(shè)計(jì)要求的功能要可靠地實(shí)現(xiàn)。2)在工作中，特別是在出現(xiàn)故障的情況下，保證操作機(jī)器的人員的安全。3)在工作中，特別是在出現(xiàn)故障的情況下，保證機(jī)器設(shè)備本身及相關(guān)設(shè)備的安全。,(1)直接安全技術(shù)通過設(shè)計(jì)，保證裝置在工作中不出現(xiàn)危險(xiǎn)，滿足安全性要求的設(shè)計(jì)技術(shù)，稱為直接安全技術(shù)，稱為固有安全性。這種方法應(yīng)保證機(jī)械裝置具有足夠的工作能力，不但保證靜強(qiáng)度，而且應(yīng)保證疲勞強(qiáng)度和壽命，保證結(jié)構(gòu)在發(fā)生磨損、因受力及受熱而發(fā)生變形情況下不失效。當(dāng)裝置發(fā)生過載時(shí)應(yīng)實(shí)現(xiàn)自我保護(hù)，使零部件不發(fā)生損壞，過載工況解除后系統(tǒng)可自行恢復(fù)正常工作狀。直接安全技術(shù)還應(yīng)避免由于錯(cuò)誤操作而引起事故，當(dāng)操作者發(fā)生錯(cuò)誤操作時(shí)，控制裝置能自動(dòng)關(guān)閉設(shè)備或使設(shè)備無法起動(dòng)。應(yīng)用直接安全技術(shù)保證機(jī)械設(shè)備的安全雖然可靠，但在很多情況下這是不經(jīng)濟(jì)的方法，在有些情況下由于技術(shù)條件限制，無法應(yīng)用直接安全技術(shù)。,(2)間接安全技術(shù)間接全技術(shù)使得當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)所造成的損失較小，系統(tǒng)的工作狀態(tài)較容易恢復(fù)。間接安全技術(shù)可以在傳動(dòng)鏈中設(shè)置安全保護(hù)裝置，使得當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生過載時(shí)，安全保護(hù)裝置中的某些結(jié)構(gòu)損壞，使傳動(dòng)鏈中斷，保護(hù)傳動(dòng)鏈中的其他零件(特別是重要零件)不受損壞。使得零件損壞造成的影響范圍盡量小。,如圖6-10所示的剪切銷安全離合器就是對傳動(dòng)鏈起保護(hù)作用的安全裝置。設(shè)計(jì)中使銷的承載能力小于系統(tǒng)中其他零件的承載能力，發(fā)生過載時(shí)銷被剪斷，使傳動(dòng)鏈中斷。通過更換銷可恢復(fù)傳動(dòng)鏈工作。,間接安全技術(shù)也可以在裝置中設(shè)置冗余工作系統(tǒng)，使得當(dāng)某些零件因損壞不能完成預(yù)定功能時(shí)冗余工作系統(tǒng)投入工作，代替原系統(tǒng)功能。這種方法適用于對系統(tǒng)可靠性要求較高，系統(tǒng)功能不允許中斷的情況。這種方法增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，同時(shí)也提高了成本。例：飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的雙驅(qū)動(dòng)、三驅(qū)動(dòng)和副油箱；壓力容器中兩個(gè)安全閥；為確保煤礦井下絕對安全，對排水的水泵系統(tǒng)采用兩套或三套配置(一套運(yùn)轉(zhuǎn)，一套維修，一套備用)。,(3)提示性安全技術(shù)法當(dāng)由于技術(shù)或經(jīng)濟(jì)原因不適合采用前面兩種技術(shù)的情況下，可以采用提示性安全技術(shù)。當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，采用文字、圖像、燈光、聲音等措施提示使用者，或者使其排除故障，或使其避險(xiǎn)。提示信息應(yīng)準(zhǔn)確、及時(shí)，并盡可能全面。,二、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原理1.等強(qiáng)度原理等強(qiáng)原理要求設(shè)計(jì)者確定的結(jié)構(gòu)參數(shù)應(yīng)使結(jié)構(gòu)的各部分具有相同或相似的承載能力。在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，提高結(jié)構(gòu)的承載能力通常會增加成本。而機(jī)械裝置整體的承載能力取決于承載能力最低的結(jié)構(gòu)要素。等強(qiáng)原理在承載能力相等的前提下使總成本最低。根據(jù)等強(qiáng)原理，當(dāng)結(jié)構(gòu)中某個(gè)結(jié)構(gòu)要素的承載能力低于其他結(jié)構(gòu)要素時(shí)，通過提高這個(gè)薄弱的結(jié)構(gòu)要素的承載能力以提高整個(gè)結(jié)構(gòu)的承載能力是最經(jīng)濟(jì)的方法。,注意以下幾點(diǎn)：1)如果在某些結(jié)構(gòu)中追求等強(qiáng)會增大成本，則應(yīng)放棄等強(qiáng)原理。例如在滾動(dòng)軸承軸系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，同一軸系兩端的兩個(gè)軸承通常受力不同，如果要求其工作壽命或承載能力相同，就需要選用不同型號的軸承，這雖然可以降低軸承成本，但是會增大加工軸承孔的工藝成本，所以應(yīng)放棄等強(qiáng)原理。2)不同結(jié)構(gòu)要素的工作原理不同，承載能力的差別很大，使工作原理不同的結(jié)構(gòu)要素的承載能力相同可能會使結(jié)構(gòu)比例不協(xié)調(diào)。例如自行車的車架和軸承、輪胎的承載能力相差較大，這種情況下通常采用多次更換易損零件的方法解決，將承載能力較低的結(jié)構(gòu)零件設(shè)計(jì)成較易更換的結(jié)構(gòu)。,3)為保護(hù)重要零部件，設(shè)計(jì)中使某個(gè)零部件的承載能力較低，通過犧牲廉價(jià)易更換零件的方法保護(hù)重要零部件。4)有些結(jié)構(gòu)參數(shù)有標(biāo)準(zhǔn)系列值，在按照等強(qiáng)原理進(jìn)行設(shè)計(jì)后應(yīng)按標(biāo)準(zhǔn)系列圓整參數(shù)。,2．變形協(xié)調(diào)原理連接結(jié)構(gòu)的功能要求被連接件之間要保持接觸，如果被連接件在預(yù)緊力及工作載荷作用下的變形方向不一致，變形規(guī)律不一致，會使被連接件之間發(fā)生相對位移。在連接表面上需要產(chǎn)生附加變形以補(bǔ)償相對位移，使被連接件保持接觸。附加位移使載荷在接觸面間的分布不均勻。在連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)使被連接件的變形方向和變形規(guī)律相一致，使相對位移量較小，以減小附加變形，使載荷在接觸面間均勻分布。,螺栓聯(lián)接預(yù)緊后，外螺紋受拉伸長，螺距加大，內(nèi)螺紋受壓縮短，螺距減小。螺距的變化使螺紋牙產(chǎn)生附加彎曲變形，造成預(yù)緊力在螺紋牙之間分布不均勻。圖6-11所示為當(dāng)螺紋工作圈數(shù)為10圈時(shí)的載荷分布情況。由于第一圈螺紋承擔(dān)總載荷的三分之一，使總體承載能力降低。,圖6-12a所示為懸置螺母，使內(nèi)外螺紋在工作中均受拉伸，變形方向相同；圖6-12b所示為環(huán)槽螺母，使原受力最大的幾圈螺紋的內(nèi)外螺紋變形方向相同。這些措施有利于改善載荷分布不均的工作情況，提高結(jié)構(gòu)的總體承載能力。,3．任務(wù)分配原理機(jī)械結(jié)構(gòu)的功能依靠所有的零部件及其結(jié)構(gòu)要素協(xié)調(diào)工作來實(shí)現(xiàn)。機(jī)械功能在零部件間的分配關(guān)系通常有以下3種可能：1)多個(gè)零件共同完成一個(gè)功能。2)一個(gè)零件完成一個(gè)功能。3)一個(gè)零件完成多個(gè)功能。,設(shè)計(jì)中要根據(jù)功能要求合理確定功能分配方法。一個(gè)零件完成多個(gè)功能有利于簡化結(jié)構(gòu)，降低成本。但是多種功能通常對零件提出不同的技術(shù)要求，有些要求很難在同一個(gè)零件上實(shí)現(xiàn)，這種情況下就需要對功能進(jìn)行分解。一個(gè)零件完成一個(gè)功能的分配方法有利于分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)。對于有些復(fù)雜的功能，要求由多個(gè)零件協(xié)作完成通常是必要的。,軸承的密封和定位用同一個(gè)結(jié)構(gòu)1來完成，需用圓鋼車成，其制造費(fèi)用高。,不同的密封和定位結(jié)構(gòu),密封和定位分別由1擋圈和2軸套承擔(dān)，2可用管料車成，節(jié)約材料、減少加工時(shí)間。,V帶傳動(dòng)要求傳動(dòng)帶材料具有摩擦因數(shù)大、抗拉、耐磨、易彎、價(jià)廉的特點(diǎn)，使用單一材料很難同時(shí)滿足這些要求，現(xiàn)在普遍采用的傳動(dòng)帶是通過強(qiáng)力纖維、橡膠和帆布的組合構(gòu)成的。采用同一種材料制造的零件，可以對零件的不同部位實(shí)施不同方式的熱處理，使其具有不同的力學(xué)性能。,蝸桿傳動(dòng)設(shè)計(jì)中要求蝸輪齒廓表面材料具有較好的抗膠合性，同時(shí)要求輪轂材料具有較高的強(qiáng)度，傳遞動(dòng)力的蝸輪通常采用裝配結(jié)構(gòu)，輪緣采用青銅合金，輪轂采用鋼或鑄鐵。,4．自助原理在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，通過正確地選擇結(jié)構(gòu)形式及零件之間的連接關(guān)系，可以使零件及其結(jié)構(gòu)要素之間形成互相支持的關(guān)系，稱為自助。常見的自助原理的應(yīng)用形式有：自增強(qiáng)自平衡自保護(hù),(1)自加強(qiáng)裝置在初始狀態(tài)下具備某種功能，在工作狀態(tài)下這種功能會有改變，如果在工作狀態(tài)下有用的功能得到強(qiáng)化則稱為自加強(qiáng)。,如圖6-13所示壓力容器，如采用圖6-13a所示結(jié)構(gòu)，工作壓力有利于加強(qiáng)端口密封功能；如采用圖6-13b所示結(jié)構(gòu)，工作壓力對密封功能有損害作用。,自增強(qiáng)作用的密封裝置，壓力P使帶錐面圓盤1更緊密地壓在密封2上，這就是利用主參數(shù)壓力P產(chǎn)生了增強(qiáng)密封的輔助作用。,2)自平衡在機(jī)械裝置工作過程中會出現(xiàn)多種物理過程，其中有些過程會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利的影響，通過設(shè)計(jì)選擇結(jié)構(gòu)形式，可以使一些不利因素相互抵消。機(jī)械裝置在傳遞工作載荷的同時(shí)需要承擔(dān)一些不做功的力，由于這些力的作用，使得機(jī)械裝置傳遞有用工作載荷的能力降低。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡力降低這些不做功的力的作用程度，縮小其作用范圍。,如圖6-7所示斜齒圓柱齒輪軸系結(jié)構(gòu)，齒輪傳動(dòng)產(chǎn)生的軸向力經(jīng)齒輪傳遞給軸，再經(jīng)多個(gè)軸上零件和滾動(dòng)軸承傳遞到箱體，這些零件都要承受軸向力的作用；軸向力的作用會影響滾動(dòng)軸承承受徑向載荷的能力。在如圖6-15所示的雙斜齒輪軸系結(jié)構(gòu)中，由于兩個(gè)斜齒輪動(dòng)產(chǎn)生的軸向力作用范圍減小，使?jié)L動(dòng)軸承的工作壽命提高。,圖6-16所示為葉片泵中的葉片受力情況分析。在圖6-16a所示結(jié)構(gòu)中，介質(zhì)作用力會對葉片根部產(chǎn)生較大的彎曲應(yīng)力；在圖6-16b所示結(jié)構(gòu)中，將葉片向一側(cè)傾斜，使得葉片在高速旋轉(zhuǎn)中的離心力對葉片根部產(chǎn)生的彎矩與介質(zhì)作用力產(chǎn)生彎矩方向相反，有抵消作用。,齒輪泵徑向力不平衡。P1與P1’為液壓力，P2與P2’為齒輪嚙合力，P和P’為主動(dòng)齒輪軸承和被動(dòng)齒輪軸承所承受的徑向力。P’和P加快了軸承的磨損。,徑向力得到平衡。在泵殼或側(cè)板上開有徑向力平衡槽，把高壓油引到低壓區(qū)，把低壓油引到高壓區(qū)，液壓力P1得到平衡，兩個(gè)齒輪的徑向力幾乎等于P2，延長了軸承的壽命。,3)自保護(hù)當(dāng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)過載或其他意外情況時(shí)可能造成零件損壞。有些結(jié)構(gòu)要素具有防止過載或其他意外情況發(fā)生的作用，可以保護(hù)自身及其他零件免受損壞。,各種摩擦傳動(dòng)(如帶傳動(dòng)、摩擦離合器、摩擦無級變速器等)均具有過載打滑的特性。如圖6-17所示摩擦離合器結(jié)構(gòu)，當(dāng)傳遞載荷達(dá)到最大載荷時(shí)，在內(nèi)、外摩擦片之間發(fā)生打滑，使傳動(dòng)鏈中斷，不但不會造成離合器零件的損壞，而且保護(hù)傳動(dòng)鏈中的其他傳動(dòng)零件不因過載而損壞；當(dāng)過載情況消除后，傳動(dòng)鏈自動(dòng)恢復(fù)。,彈簧工作應(yīng)力與變形量正比，變形量過大會使彈簧失效。如圖6-18所示的壓縮彈簧結(jié)構(gòu)，當(dāng)變形達(dá)到一定量時(shí)彈簧被壓并，無法繼續(xù)變形，對彈簧絲起到保護(hù)作用。,5．穩(wěn)定性原理機(jī)械裝置工作過程中會有一些干擾因素作用，通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)會使得當(dāng)這些干擾因素出現(xiàn)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)產(chǎn)生一種與之作用相反的作用，使系統(tǒng)保持穩(wěn)定狀態(tài)。,對于熱膨脹變形而產(chǎn)生的干擾，需要在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采取措施，使之消除。圖(a)，圓錐滾子軸承正裝（面對面），由于軸發(fā)熱伸長，使軸承內(nèi)部的游隙縮小甚至卡死，造成工作不穩(wěn)定；圖(b)，圓錐滾子軸承反裝（背靠背），不會因軸承內(nèi)部的游隙縮小甚至卡死而造成工作不穩(wěn)定。,圖6-19所示為自行車前輪及轉(zhuǎn)向部分示意圖，前叉立管延長線與路面交點(diǎn)A位于車輪與路面交點(diǎn)的前面，當(dāng)前輪因干擾因素偏離向正前方行駛的方向時(shí)，路面作用于車輪的向心力(B點(diǎn))對前叉的力矩使車輪恢復(fù)正確方向。,圖6-20所示為汽車前輪轉(zhuǎn)向示意圖，當(dāng)前輪由于干擾因素被轉(zhuǎn)向時(shí)，前輪繞主銷轉(zhuǎn)動(dòng)，由于主銷相對于路面傾斜(主銷內(nèi)傾)，發(fā)生轉(zhuǎn)向時(shí)車輪相對于車身的位置下降，車身相對于路面的位置被抬高，總勢能增大，車身有恢復(fù)較低勢能狀態(tài)的趨勢，這種作用使前輪恢復(fù)向前行駛的正確方向。,圖6-21所示為用于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的調(diào)速器示意圖，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作中由于干擾因素使發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速升高時(shí)，飛球因離心力增大被甩開，推動(dòng)推力盤及供油拉桿向右移動(dòng)，使噴油泵柱塞轉(zhuǎn)動(dòng)，供油量減小，發(fā)動(dòng)機(jī)恢復(fù)正常轉(zhuǎn)速。,,第三節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的強(qiáng)度與剛度問題機(jī)械零部件的基本功能之一是承擔(dān)載荷。在載荷的作用下零部件可能會因損壞或發(fā)生較大變形而影響機(jī)械裝置主要功能的實(shí)現(xiàn)。具有足夠的強(qiáng)度和剛度是機(jī)械功能對零部件的基本要求。在通常情況下，增大零部件的尺寸和增大材料體積可以提高其強(qiáng)度和剛度。但是這種方法會同時(shí)增大裝置的體積，提高成本。本節(jié)討論以較小的零部件尺寸和材料體積獲得較高強(qiáng)度與剛度的設(shè)計(jì)方法。,,一、提高靜強(qiáng)度的設(shè)計(jì)方法1．采用合理的截面形狀由于加工工藝的原因，軸類零件多采用實(shí)心圓柱形截面。對于承受彎矩或轉(zhuǎn)矩的軸類零件，由于材料分布距離軸心線較近，對承擔(dān)載荷的貢獻(xiàn)較小。如果采用空心軸結(jié)構(gòu)，使較多的材料遠(yuǎn)離軸心線，使得軸上因彎矩引起的正應(yīng)力和由于轉(zhuǎn)矩引起的切應(yīng)力的分布更合理，同樣的載荷所引起的最大應(yīng)力降低，承載能力提高?？招妮S的截面慣性矩和極慣性矩都比實(shí)心軸明顯增大，所以空心軸的剛度較大。,表6-1所示為四種不同的齒輪軸結(jié)構(gòu)，其中齒輪結(jié)構(gòu)相同，軸的跨距及支承情況相同，軸兩端均采用深溝球軸承支承，軸的直徑不同，表中列出軸的直徑(D)、質(zhì)量(m)、軸的強(qiáng)度(W)、強(qiáng)度比(W/m)、剛度(I)、撓度(f)以及滾動(dòng)軸承壽命（h）之間的關(guān)系。由表中數(shù)據(jù)可見，由于采用了空心軸結(jié)構(gòu)，使得軸的強(qiáng)度和剛度顯著提高，其中4號方案與1號方案相比，軸的外徑增大到2.3倍，質(zhì)量增加到2.2倍，而軸的強(qiáng)度和剛度分別增大到9倍和20倍。,表6-2列出了8種截面積相等而截面形狀不同的受彎矩梁的強(qiáng)度及剛度的比較值。由表中數(shù)值可見，在截面積相同的情況下，分布在遠(yuǎn)離中性軸位置的材料越多，梁的強(qiáng)度和剛度都顯著提高。所以，在材料體積相同的條件下，通過合理地選擇截面形狀，可以獲得較大的承載能力。,2．載荷分流對于承受較大載荷或復(fù)雜載荷的零件，可以通過將部分載荷分流到其他零件或其他結(jié)構(gòu)的方法降低關(guān)鍵零件的危險(xiǎn)程度。,圖6-22所示為機(jī)床主軸變速箱輸入軸與帶輪連接的兩種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。圖6-22a所示將帶輪與輸入軸直接連接，將壓軸力和轉(zhuǎn)矩直接作用于軸，使軸同時(shí)受到彎曲應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力的作用，交變的彎曲應(yīng)力成為影響軸強(qiáng)度的主要因素，從而影響結(jié)構(gòu)整體的承載能力。圖6-22b所示將壓軸力通過滾動(dòng)軸承作用于套筒，套筒具有較大的抗彎截面系數(shù)，作用在套筒上的彎曲應(yīng)力為靜應(yīng)力，軸只承受由轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力作用，結(jié)構(gòu)整體的承載能力得到提高。,3．載荷均布機(jī)械結(jié)構(gòu)中載荷的空間分布通常是不均勻的，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須使結(jié)構(gòu)中載荷最大的位置、強(qiáng)度最弱的位置滿足強(qiáng)度條件，按強(qiáng)度最弱處的強(qiáng)度確定整個(gè)結(jié)構(gòu)的承載能力。通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使載荷的空間分布更均勻，降低最危險(xiǎn)處的載荷水平，可以有效地提高結(jié)構(gòu)整體的承載能力。,如圖6-23a所示的兩級圓柱齒輪減速器中的齒輪相對于軸承非對稱布置，由于軸的彎曲變形，使得輪齒上的載荷沿齒長方向分布不均。圖6-23b所示的結(jié)構(gòu)中將受載荷較大的低速級齒輪相對于軸承對稱布置，可以消除由于軸彎曲變形造成輪齒上的載荷沿齒長方向分布不均的現(xiàn)象。,在圖6-23a所示的方案中，各軸不但會發(fā)生彎曲變形，而且會發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，特別是輸入級的小齒輪，受到軸的扭轉(zhuǎn)變形的影響，也會引起輪齒上的載荷沿齒長方向分布不均。如果將小齒輪放置在靠近輸入端的位置，由于軸的彎曲變形和扭轉(zhuǎn)變形引起的輪齒上載荷沿齒長方向分布不均的作用會互相疊加。如果將小齒輪放置在遠(yuǎn)離輸入端的位置，兩種作用會互主動(dòng)相(部分)抵消，有利于提高承載能力。,圖6-24所示為一組齒輪端部結(jié)構(gòu)，通過降低輪齒端部的剛度緩解由于齒長方向誤差和及變形造成的輪上載荷沿齒長方向分布不均的現(xiàn)象。,圖6-25所示為兩種吊車梁結(jié)構(gòu)方案。圖6-25a所示結(jié)構(gòu)立柱位于梁的兩端，當(dāng)?shù)跹b重物位于梁的中部時(shí)，梁中部所受彎矩較大。圖6-25b所示方案將立柱向中間靠攏，使得在梁的總長度不變的情況下所受彎矩減小，提高了吊車的承載能力。,4．改善軸系支撐結(jié)構(gòu)軸系結(jié)構(gòu)的形式是影響軸及軸上零件承載能力的重要因素。例如對于懸臂支撐的軸系結(jié)構(gòu)，設(shè)法通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)縮短懸臂長度，可以有效地降低軸和軸承的載荷。,圖6-26所示為錐齒輪軸系結(jié)構(gòu)的兩種設(shè)計(jì)方案。圖6-26a中的錐齒輪輪轂向支點(diǎn)內(nèi)側(cè)延伸，使得齒輪傳動(dòng)力作用點(diǎn)位置遠(yuǎn)離支承點(diǎn)，使懸臂加長。圖6-26b中的錐齒輪輪轂則向支點(diǎn)外側(cè)延伸，使得齒輪傳動(dòng)力作用點(diǎn)位置靠近支承點(diǎn)，使懸臂縮短從而提高了承載能力。,圖6-27所示為錐齒輪軸系支承方式的兩種設(shè)計(jì)方案。圖6-27a中兩軸承采用正安裝(面對面)方式，而圖6-27b中兩軸承采用反安裝(背靠背)方式，由于支承位置相對于軸承的幾何中心更偏向于支點(diǎn)外側(cè)，使得實(shí)際懸臂長度變小，軸和軸承承載能力都得到提高。,圖6-28所示的小錐齒輪軸系結(jié)構(gòu)在原懸臂端增加了輔助支承，既提高了軸系結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，同時(shí)也提高了剛度。,5．充分發(fā)揮材料特性不同的材料具有不同的力學(xué)特性，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)所選用材料的特性，合理地確定適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)，最大限度地發(fā)揮材料的承載能力。例如鑄鐵材料的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)高于抗拉強(qiáng)度，所以選用鑄鐵材料制作抗彎結(jié)構(gòu)時(shí)通常將截面設(shè)計(jì)為非對稱結(jié)構(gòu)，使零件結(jié)構(gòu)的最大壓應(yīng)力大于最大拉應(yīng)力。,如圖6-29所示結(jié)構(gòu)中，將肋板非對稱設(shè)置，其中圖6-29a所示肋板的最大拉應(yīng)力大于最大壓應(yīng)力，而圖6-29b所示肋板的最大拉應(yīng)力小于最大壓應(yīng)力，與材料自身的力學(xué)特性相吻合，充分發(fā)揮材料特性，具有更高的承載能力。,當(dāng)材料為鋼材時(shí)，應(yīng)盡量使其承受拉、壓應(yīng)力，這樣會比承受彎曲應(yīng)力的結(jié)構(gòu)更有利。如圖6-30所示的結(jié)構(gòu)中，圖6-30b用桁架結(jié)構(gòu)代替了圖6-30a的簡支梁結(jié)構(gòu)，在跨距L和載荷F不變的情況下，可以使結(jié)構(gòu)參數(shù)d遠(yuǎn)小于D，節(jié)省了材料，降低了質(zhì)量。,6．合理強(qiáng)化如果在結(jié)構(gòu)承受工作載荷之前對其施加與工作載荷相反方向的載荷，使得結(jié)構(gòu)由于預(yù)加載荷產(chǎn)生的應(yīng)力與工作載荷產(chǎn)生的應(yīng)力可以部分地互相抵消，使結(jié)構(gòu)的最高應(yīng)力水平降低，具有承受較大的工作載荷的能力。這種通過預(yù)加載荷的方式提高結(jié)構(gòu)承載能力的方法稱為結(jié)構(gòu)強(qiáng)化。如果預(yù)加載荷只使材料發(fā)生彈性變形，則稱為彈性強(qiáng)化；如果預(yù)加載荷使材料發(fā)生塑性變形，則稱為塑性強(qiáng)化。,圖6-31所示梁在承受彎曲載荷之前用高強(qiáng)度螺桿對其施加預(yù)應(yīng)力，預(yù)應(yīng)力的方向與工作應(yīng)力方向相反，有利于提高梁的承載能力。,可以通過多種不同方法施加預(yù)應(yīng)力。圖6-32所示結(jié)構(gòu)通過過盈配合的方法對厚壁筒施加預(yù)應(yīng)力。承受高壓的厚壁筒未施加預(yù)應(yīng)力時(shí)周向應(yīng)力如圖6-32a所示。為了施加預(yù)應(yīng)力，將厚壁筒改為雙層套裝結(jié)構(gòu)，層間為過盈配合，使內(nèi)、外層產(chǎn)生周向預(yù)應(yīng)力，如圖6-32b所示。在預(yù)應(yīng)力的基礎(chǔ)上施加工作載荷，工作載荷所產(chǎn)生的應(yīng)力分布如圖6-32c所示。由于原最大應(yīng)力位置(內(nèi)表面)的預(yù)應(yīng)力與工作應(yīng)力方向相反，使得最大應(yīng)力降低，如圖6-32d所示。,圖6-33所示為對梁進(jìn)行塑性強(qiáng)化對其所受應(yīng)力的影響。圖6-33a所示為如果梁完全工作在彈性范圍內(nèi)的彎曲應(yīng)力分布情況。圖6-33b所示為當(dāng)預(yù)加載荷產(chǎn)生的最大應(yīng)力超過材料的屈服極限時(shí)的應(yīng)力分布情況。在梁發(fā)生塑性變形后卸載，殘余應(yīng)力如圖6-33c所示。在殘余應(yīng)力的基礎(chǔ)上施加工作載荷，如圖6-33d所示。由于在原最大應(yīng)力位置的殘余應(yīng)力與工作應(yīng)力部分抵消，使實(shí)際的最大應(yīng)力水平降低，如圖6-33e所示。,以上的設(shè)計(jì)方法在提高靜強(qiáng)度的同時(shí)，對提高疲勞強(qiáng)度和剛度也是有益的。,二、提高靜剛度的設(shè)計(jì)方法剛度是機(jī)械結(jié)構(gòu)性能的重要指標(biāo)。機(jī)械結(jié)構(gòu)依靠零部件之間形狀、尺寸、位置關(guān)系實(shí)現(xiàn)其功能。剛度是表示零部件受力后形狀變化程度的指標(biāo)，形狀變化過大可能會威脅到預(yù)定功能的實(shí)現(xiàn)以及實(shí)現(xiàn)的質(zhì)量。,1．采用桁架結(jié)構(gòu)由于桁架結(jié)構(gòu)中的桿件只受拉、壓，所以強(qiáng)度和剛度都較高。在機(jī)械結(jié)構(gòu)中，合理采用桁架結(jié)構(gòu)可以有效地提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度。,表6-3所示為桁架結(jié)構(gòu)與懸臂粱的強(qiáng)度、剛度比較。在懸伸長度、桿件直徑及載荷相同的條件下，懸臂梁的撓度是桁架結(jié)構(gòu)的9000倍，最大應(yīng)力是懸臂梁的550倍。與桁架結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力相同的懸臂梁直徑為桁架桿件直徑的8倍多。與桁架結(jié)構(gòu)撓度相同的懸臂梁直徑為桁架桿件直徑的10倍。,2．合理布置支承軸系結(jié)構(gòu)支承參數(shù)(跨距、懸伸長度)對軸系的剛度有重要的影響。例如：跨距對主軸前端位移的影響存在極值點(diǎn)，合理選擇跨距可以使主軸獲得最佳剛度。3．合理布置隔板與肋板基礎(chǔ)件的主體結(jié)構(gòu)多為板式框架結(jié)構(gòu)。在主體結(jié)構(gòu)中添加隔板是提高結(jié)構(gòu)剛度的有效方法。布置隔板需要根據(jù)載荷的形式，合理地確定隔板的位置、數(shù)量和方向。當(dāng)主體結(jié)構(gòu)不同位置處的變形量不同時(shí)，應(yīng)將隔板布置在變形量較大的位置。由于隔板自身為薄板結(jié)構(gòu)，應(yīng)使其受拉、壓或沿剛度較大的方向受彎曲，避免隔板受扭或沿剛度較小的方向受彎曲。,圖6-35所示框架結(jié)構(gòu)中添加的隔板都沿抗彎截面系數(shù)較大的方向承受彎矩。圖6-35a結(jié)構(gòu)如果沿虛線方向布置隔板，則隔板的抗彎截面系數(shù)較小，對提高結(jié)構(gòu)的剛度貢獻(xiàn)較小。圖6-35b所示結(jié)構(gòu)如果沿虛線方向布置隔板，則隔板受扭矩。,圖6-36所示為平置矩形截面及加肋矩形截面的形狀及其幾何參數(shù)。為平置截面添加肋板總能使剛度得到提高，但是截面的強(qiáng)度隨著肋板相對高度的增大首先減低達(dá)到最小值后開始增大，只有在肋板相對高度大于某一數(shù)值后，才能使截面的強(qiáng)度和剛度同時(shí)得到提高。所以在選擇使用肋板加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的局部剛度時(shí)應(yīng)使肋板具有必要的高度。,三、提高疲勞強(qiáng)度的設(shè)計(jì)方法大量的零件承受交變載荷作用，疲勞失效是這些零件的主要失效方式，這些零件的設(shè)計(jì)要考慮交變應(yīng)力作用的特點(diǎn)，提高抗疲勞強(qiáng)度。1．緩解應(yīng)力集中應(yīng)力集中是影響承受變應(yīng)力的零件承載能力的重要因素。在零件截面形狀發(fā)生變化處的材料內(nèi)部力流會發(fā)生變化。,如圖6-38所示，局部力流密度的增加造成應(yīng)力集中。零件截面形狀的變化越突然，應(yīng)力集中就越嚴(yán)重，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)盡力避免應(yīng)力較大處的零件形狀急劇變化，以減小應(yīng)力集中對強(qiáng)度的影響。,零件受力變形時(shí)，不同位置的變形阻力(剛度)不相同也會引起應(yīng)力集中。通過降低應(yīng)力集中處附近的局部剛度可以有效地降低應(yīng)力集中。例如圖6-39a所示過盈連接在輪轂端部應(yīng)力集中嚴(yán)重，圖6-39b、c、d所示結(jié)構(gòu)通過降低軸或輪轂相應(yīng)部位的局部剛度使應(yīng)力集中得到有效緩解。,2．避免應(yīng)力集中源的聚集由于功能的需要，在零件結(jié)構(gòu)中可能存在多種形狀變化，這些變化都會引起零件中的應(yīng)力集中；如果多種變化出現(xiàn)在同一位置或過于接近，將引起應(yīng)力集中的加劇。,如圖6-40所示的軸結(jié)構(gòu)中，臺階和鍵槽端部都會引起軸的應(yīng)力集中。圖6-40a的結(jié)構(gòu)將兩個(gè)應(yīng)力集中源設(shè)計(jì)到同一截面處，加劇了局部的應(yīng)力集中；圖6-40b結(jié)構(gòu)使鍵槽長度略短于軸段長度，避免了應(yīng)力集中源的聚集。,3．降低應(yīng)力幅對于承受變載荷作用的零件，應(yīng)力幅對疲勞強(qiáng)度的影響遠(yuǎn)大于平均應(yīng)力的影響。例如承受軸向變載荷作用的普通螺栓組聯(lián)接，預(yù)緊力影響螺栓的平均應(yīng)力，工作載荷影響應(yīng)力幅；通過改變螺栓與墊片的相對剛度，可以降低螺栓桿上的應(yīng)力幅。,四、提高接觸強(qiáng)度與接觸剛度的設(shè)計(jì)方法高副接觸零件的接觸點(diǎn)處表層會出現(xiàn)較大的接觸應(yīng)力和接觸變形，接觸點(diǎn)的綜合曲率半徑和接觸元素的數(shù)量是影響接觸應(yīng)力和接觸變形的重要因素。1．增大綜合曲率半徑根據(jù)接觸理論，接觸應(yīng)力與綜合曲率半徑成反比關(guān)系。例如在漸開線齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)中，通過采用正變位，使工作齒廓遠(yuǎn)離基圓，使綜合曲率半徑增大，可以有效地提高齒輪傳動(dòng)的承載能力。,如圖6-42所示的球面接觸結(jié)構(gòu)中，將其中一個(gè)接觸表面改為平面或凹面(圖6-42b或c)，對于提高接觸強(qiáng)度和接觸剛度都是有益的。,2．增加接觸元素?cái)?shù)量接觸元素?cái)?shù)量的增加可以降低單個(gè)接觸元素所承受的載荷。在齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)中，設(shè)法增大重合度，增加同時(shí)參與承載的輪齒數(shù)量，可以降低單個(gè)齒所承受的載荷。在圖6-43所示行星輪系設(shè)計(jì)中，增加行星輪的數(shù)量，也可以降低單個(gè)輪齒的實(shí)際承載量。,3．用低副低替高副在圖6-44所示的結(jié)構(gòu)中，用低副(面接觸)零件代替高副(點(diǎn)、線接觸)零件，可以有效地提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度。但是高副與低副對運(yùn)動(dòng)自由度的限制不同，為保證在用低副代替高副的轉(zhuǎn)變中保持自由度不變，需要在原有結(jié)構(gòu)中增加其他零件。,4．通過預(yù)緊提高接觸剛度預(yù)緊是施加一個(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。例如多數(shù)彈簧都預(yù)加了一個(gè)初載荷，使其產(chǎn)生—定的初始變形，以保證其具有足夠的剛度和工作彈力。螺栓在裝配時(shí)產(chǎn)生的拉力實(shí)際上也是預(yù)加載荷，工作時(shí)承受拉力的較長螺栓必須有足夠的預(yù)緊力才能保證被聯(lián)接件的聯(lián)接剛度。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，其目的是提高剛度，而不是減少應(yīng)力，故預(yù)應(yīng)力應(yīng)不超過一定限度。,對滾動(dòng)軸承軸系的預(yù)緊是指在軸系承受工作載荷之前對其施加預(yù)加載荷。滾動(dòng)軸承在安裝時(shí)預(yù)加一個(gè)約等于徑向載荷20~30％的軸向力，彈性變形增加了接觸面積，各滾子受力也趨于均勻，從而提向了軸承的剛度。,通過預(yù)緊提高剛度的同時(shí)增大了滾動(dòng)軸承承受的載荷。這種方法只應(yīng)用在以軸系剛度及精度為主要設(shè)計(jì)目標(biāo)的情況下。由于預(yù)緊所引起的軸承受力對預(yù)緊量很敏感，預(yù)緊過程中對預(yù)緊量要精確控制。,第四節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的精度問題機(jī)械裝置主要通過零部件的形狀、尺寸、相對位置關(guān)系實(shí)現(xiàn)其預(yù)定功能。所以零部件的形狀、尺寸及相對位置的準(zhǔn)確程度，直接關(guān)系著機(jī)械裝置所實(shí)現(xiàn)的預(yù)定功能的質(zhì)量。傳動(dòng)零件精度的提高有利于提高所傳遞運(yùn)動(dòng)的規(guī)律的準(zhǔn)確性和運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，不但有利于降低噪聲，減輕振動(dòng)，而且有利于提高傳動(dòng)系統(tǒng)的承載能力。零部件的形狀及尺寸精度與加工過程密切相關(guān)。零部件的加工精度越高，對提高機(jī)械裝置的工作質(zhì)量越有利。但是加工精度的提高會使成本提高。正確的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以在同樣的成本條件下獲得較高的系統(tǒng)精度。,一、誤差分類按引起誤差的原因可將誤差作如下分類：1．原始誤差在零部件加工、安裝、調(diào)整過程中產(chǎn)生的誤差。2．原理誤差由于采用近似的工作原理所產(chǎn)生的誤差。3．工作誤差在機(jī)械裝置工作中由于零部件受力、受熱、磨損等原因造成零件的形狀變化，這種由于工作中的形狀變化所引起的誤差稱為工作誤差。4．回程誤差由于運(yùn)動(dòng)副之間存在間隙，當(dāng)運(yùn)動(dòng)方向改變時(shí)由運(yùn)動(dòng)副間隙引起的誤差。,二、提高精度的設(shè)計(jì)方法1．有利于減少原始誤差的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)措施（1）在相同的加工條件下，通常較小的公稱尺寸、較小的測量范圍，更容易實(shí)現(xiàn)較高的精度。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，對有精度要求的結(jié)構(gòu)要素，應(yīng)在保證結(jié)構(gòu)功能的前提下盡量減小其公稱尺寸，減小精度約束的范圍。,如圖6-47所示的軸系結(jié)構(gòu)中，與齒輪配合的軸頸和與右側(cè)軸承內(nèi)圈配合的軸頸有較高的尺寸精度和表面粗糙度要求，而與氈圈密封配合的軸段對尺寸精度要求較低，所以如圖6-47a所示將其沿長度方向分為不同直徑的3個(gè)軸段。如果如圖6-47b所示，將這3個(gè)軸段加以合并，則使軸段的長度方向尺寸增大，實(shí)現(xiàn)相同精度要求的難度也就加大，因此這種方案不宜采用。,（2）如果某個(gè)作用尺寸由多個(gè)尺寸元素構(gòu)成，則該尺寸的公差為組成它的各尺寸元素的公差之和，組成元素越多，作用尺寸的精度越低，所以對要求精度較高的尺寸應(yīng)減少其組成元素?cái)?shù)量，盡量使其可以直接得到。,如圖6-48所示的結(jié)構(gòu)中，標(biāo)注“120”的尺寸為作用尺寸，如果按照圖6-48b所示的方法標(biāo)注，則該尺寸由3個(gè)基本尺寸組成，累積誤差較大；如果按照圖6-48c所示的方法標(biāo)注，則該尺寸可以直接得到，容易獲得較高的精度。,（3）有些作用尺寸對精度要求較高，但是由于結(jié)構(gòu)的關(guān)系，不可避免地由較多的尺寸元素構(gòu)成。在這種情況下，可以在組成該尺寸的各尺寸元素中設(shè)置一個(gè)可調(diào)整尺寸環(huán)節(jié)，以便在裝配工序中可根據(jù)實(shí)際需要，通過調(diào)整這個(gè)尺寸實(shí)現(xiàn)對作用尺寸的精度要求。,如圖所示的軸系結(jié)構(gòu)中，滾動(dòng)軸承的軸向間隙對精度要求較高，并且由較多的尺寸元素組成，通過提高所有這些尺寸元素的精度實(shí)現(xiàn)對軸向間隙的精度要求是不經(jīng)濟(jì)的方法。圖示結(jié)構(gòu)中位于軸承端蓋與箱體之間的墊片厚度具有可調(diào)整尺寸，由于調(diào)整墊片的存在，可以降低對構(gòu)成軸承間隙的其他尺寸元素的精度要求。,2．補(bǔ)償系統(tǒng)誤差（1）對于已知影響因素的系統(tǒng)誤差，可以根據(jù)引起誤差的原因，采取相應(yīng)的措施加以補(bǔ)償。螺紋加工機(jī)床的加工精度與機(jī)床本身絲杠的螺紋精度有重要關(guān)系，為提高機(jī)床的加工精度，可以通過螺距校正裝置糾正由于基準(zhǔn)絲杠螺距誤差引起的加工誤差。首先通過測量得到基準(zhǔn)絲杠的螺距誤差隨長度變化的規(guī)律(螺距誤差曲線)，將誤差曲線按需要的比例放大，得到校正曲線，并做成凸輪(校正板)。在刀架移動(dòng)過程中，校正板推動(dòng)挺桿，挺桿將運(yùn)動(dòng)傳遞給螺母，使螺母作微小的轉(zhuǎn)動(dòng)；螺母的轉(zhuǎn)動(dòng)使得螺旋傳動(dòng)的從動(dòng)件產(chǎn)生附加移動(dòng)，補(bǔ)償由于絲杠的螺距誤差造成的運(yùn)動(dòng)誤差。,（2）零件接觸表面的磨損使零件的形狀和尺寸發(fā)生變化。設(shè)計(jì)中如果使得多個(gè)相關(guān)零件的磨損對執(zhí)行零件的作用互相抵消，則可以提高執(zhí)行零件的動(dòng)作精度。,圖6-50a所示的凸輪機(jī)構(gòu)中，凸輪與擺桿之間的接觸點(diǎn)及擺桿與執(zhí)行零件之間的接觸點(diǎn)的磨損量對執(zhí)行零件的工作位置的影響互相疊加，而圖6-50b所示機(jī)構(gòu)中這兩點(diǎn)的磨損量對執(zhí)行零件的工作位置的影響互相抵消，使執(zhí)行零件的動(dòng)作精度得到提高。,（3）如果無法使磨損的影響互相抵消，可以在結(jié)構(gòu)中設(shè)置調(diào)整環(huán)節(jié)，當(dāng)磨損量累積到一定程度時(shí)，通過調(diào)整使系統(tǒng)恢復(fù)正確的工作狀態(tài)。,圖6-51所示為滾動(dòng)軸承軸系的軸向間隙調(diào)整結(jié)構(gòu)，當(dāng)由于磨損使軸系的軸向間隙增大到一定程度時(shí)，通過調(diào)整端蓋上的螺釘使軸承外圈向右移動(dòng)，恢復(fù)正確的軸向間隙。,3．誤差均化在機(jī)構(gòu)中如果有多個(gè)作用點(diǎn)對同一個(gè)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)起限制作用，則構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)精度高于任何一個(gè)作用點(diǎn)單獨(dú)作用時(shí)的精度。圖6—53所示的雙蝸桿驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由兩個(gè)相同參數(shù)的蝸桿共同驅(qū)動(dòng)同一個(gè)蝸輪，由于均化作用，蝸輪的運(yùn)動(dòng)誤差小于任何一個(gè)蝸桿單獨(dú)驅(qū)動(dòng)的誤差。,4．利用誤差傳遞規(guī)律由多級傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成的傳動(dòng)系統(tǒng)在將輸入運(yùn)動(dòng)傳遞到輸出級的同時(shí)，也將各級傳動(dòng)機(jī)構(gòu)所產(chǎn)生的誤差向后續(xù)機(jī)構(gòu)傳遞。,圖6-54所示為由三級機(jī)械傳動(dòng)組成的減速專動(dòng)系統(tǒng)，第一級輸入角速度w1，輸出角速度除包括對w1的變換以外，還包括本級傳動(dòng)所產(chǎn)生的誤差。,在輸出角速度中，包含了各級傳動(dòng)所產(chǎn)生的誤差的疊加，但是各級誤差對輸出誤差的影響不相同。如果合理地分配各級的傳動(dòng)比，合理選擇各級傳動(dòng)件精度，可以較經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)合理的精度。通過分析誤差的構(gòu)成可以發(fā)現(xiàn)，如果為多級傳動(dòng)的最后一級選擇較大的傳動(dòng)比，則使前面各級傳動(dòng)所產(chǎn)生的誤差對最后的運(yùn)動(dòng)輸出基本不起作用，只要為最后一級傳動(dòng)零件選擇較高精度，即可提高整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)精度。對降速系統(tǒng)而言，末級傳動(dòng)對精度影響最大，故精密傳動(dòng)最末級往往采用傳動(dòng)比很大的精密蝸輪副，以此控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的精度。,5．合理配置精度機(jī)械系統(tǒng)的精度受系統(tǒng)內(nèi)各環(huán)節(jié)精度的綜合影響，但是不同環(huán)節(jié)對工作精度的影響程度不相同，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)為不同位置設(shè)置不同的精度，為敏感位置設(shè)置較高精度，這樣做可以通過較經(jīng)濟(jì)的方法獲得合理的工作精度。在機(jī)床主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，提高主軸前端的旋轉(zhuǎn)精度是重要的設(shè)計(jì)目標(biāo)。主軸前支點(diǎn)軸承和主軸后支點(diǎn)軸承的精度都會影響主軸前端的旋轉(zhuǎn)精度，但影響的程度不同。,由圖6-55可見，前支點(diǎn)誤差所引起的主軸前端誤差為:,顯然前支點(diǎn)的誤差對主軸前端的精度影響較大。所以在主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，通常為前支點(diǎn)設(shè)置具有較高精度的軸承。,6．選擇較好的近似機(jī)構(gòu)有些應(yīng)用中為簡化機(jī)構(gòu)而采用近似機(jī)構(gòu)，這會引入原理誤差，在條件允許時(shí)應(yīng)優(yōu)先采用近似性較好的近似機(jī)構(gòu)以減小原理誤差。7．采用有利于施工的結(jié)構(gòu)（1）機(jī)械裝置的原始精度是通過一系列的工藝過程實(shí)現(xiàn)的。如果設(shè)計(jì)中充分考慮工藝過程的善耍，采用有利于工藝過程實(shí)施的結(jié)構(gòu)，就可以較容易地實(shí)現(xiàn)較高的精度。,如圖6-57所示零件要求兩端軸徑同軸，在同一次裝卡中完成對兩個(gè)軸徑的加工是保證同軸度的最簡單的方法。但是圖6-57a所示的結(jié)構(gòu)不容易實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，圖6-57b所示在原結(jié)構(gòu)的一端增加了一個(gè)工藝性軸段，通過這個(gè)軸段可以實(shí)現(xiàn)在同一次裝卡中完成對兩個(gè)軸徑的加工，保證同軸度精度的實(shí)現(xiàn)。,（2）一項(xiàng)精度要求如果無法檢驗(yàn)，或無法提供相應(yīng)精度的檢驗(yàn)方法，則無法保證精度要求的實(shí)現(xiàn)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要充分考慮檢驗(yàn)工具和檢驗(yàn)工藝的要求，使得所提出的每一項(xiàng)要求都可被檢驗(yàn)。,圖6-59表示鍵槽深度參數(shù)中只有A1是可以直接測量的參數(shù)。,（3）加工后滿足精度要求的零件在裝配中由于裝配力的作用，也可能發(fā)生變形，影響工作精度。,圖6-60a所示導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，如果安裝表面(下表面)不平，在裝配中施加的裝配力會造成尋軌工作表面(上表面)變形；如將結(jié)構(gòu)改為圖6-60b所示，裝配力對結(jié)構(gòu)變形的影響較小，有利于提高導(dǎo)軌精度。,8．阿貝原則1890年，阿貝(Abbe)提出關(guān)于量儀設(shè)計(jì)的原則：“欲使量儀給出正確的測量結(jié)果，必須將儀器的讀數(shù)線尺安放在被測尺寸的延長線上?！卑⒇愒瓌t是指導(dǎo)測量儀器及其他精密儀器設(shè)計(jì)重要的指導(dǎo)性原則。,9.減小回程誤差為保證運(yùn)動(dòng)副正常工作，很多運(yùn)動(dòng)副(如齒輪、螺旋)，需要必要的間隙。但是由于間隙的存在使得被動(dòng)零件的運(yùn)動(dòng)方向改變滯后于主動(dòng)件，產(chǎn)生回程誤差?；爻陶`差是由于間隙引起的。而間隙是運(yùn)動(dòng)副正常工作的必要條件，而且，間隙會隨著磨損而增大。減小運(yùn)動(dòng)副的間隙可以減少回程誤差。,圖6-63所示為可以消除齒側(cè)間隙的齒輪機(jī)構(gòu)。結(jié)構(gòu)中將原有齒輪沿齒寬方向切分，兩半齒輪可相對轉(zhuǎn)動(dòng)，兩半齒輪通過彈簧連接，由于彈簧的作用，使得兩半齒輪分別與相嚙合的齒輪的不同齒側(cè)相接觸，彈簧的作用消除了嚙合間隙，并可以及時(shí)補(bǔ)償由于磨損造成的間隙變化。這種齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由于實(shí)際作用齒寬減小，承載能力減小，故通常用于以傳遞運(yùn)動(dòng)為主要設(shè)計(jì)目標(biāo)的傳動(dòng)裝置中。,第五節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的工藝問題設(shè)計(jì)完成的零件結(jié)構(gòu)需要通過工藝過程實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須考慮工藝過程的可能性和方便度，降低工藝過程的難度和成本。一、毛坯加工的工藝性鑄造毛坯適用于鑄造形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，由于模具成本較高，適用于較大批量生產(chǎn)。設(shè)計(jì)鑄造毛坯的工藝原則。焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)除應(yīng)注意正確選擇焊縫形式以外，還應(yīng)注意一些焊接工藝性問題。二、切削加工的工藝性,三、裝配工藝性1．緊配合面不宜過長緊配合工作面如果過長會增加裝配難度。2．多個(gè)緊配合面不宜同時(shí)裝入3．減少裝配差錯(cuò),（1）由于裝配中有方向要求，增加了裝配工作量和難度。圖6-66a所示的滑動(dòng)軸承右側(cè)有一個(gè)與箱體連通的注油孔，如果裝配中將滑動(dòng)軸承的方向裝錯(cuò)，會使滑動(dòng)軸承和與之配合的軸得不到潤滑。改為圖6-66b結(jié)構(gòu)，則零件成為對稱結(jié)構(gòu)，雖然不會發(fā)生裝配錯(cuò)誤，但是總有一個(gè)孔實(shí)際不起作用。若改為圖6-66c所示的結(jié)構(gòu)，增加環(huán)狀儲油區(qū)，則使所有的油孔都能發(fā)揮作用。,（2）不同的零件應(yīng)有容易辨別的明顯差別，否則裝配中容易造成錯(cuò)誤。如圖6-67a所示兩個(gè)零件外形相同，材料不同，裝配中很難區(qū)別。為了在裝配中容易分辨，應(yīng)采用圖6-67b的設(shè)計(jì)，使相似的零件有明顯的差異。,4．復(fù)雜結(jié)構(gòu)允許分塊集中裝配如果所有的結(jié)構(gòu)必須在同一場地上裝配，必然會延長裝配時(shí)間。如果結(jié)構(gòu)允許各部分分別裝配后再進(jìn)行部件組裝，則會提高裝配效率，有利于大批量生產(chǎn)的進(jìn)行。,四、調(diào)整、維修、拆卸工藝性1．不同工作參數(shù)的調(diào)整應(yīng)互相獨(dú)立在同一結(jié)構(gòu)中，可能存在多個(gè)參數(shù)需要通過調(diào)整確定其最終值。如果這些參數(shù)的調(diào)整過程互相嵌套，則會增加調(diào)整的難度和工作量。2．易損零件應(yīng)便于拆卸結(jié)構(gòu)中有些零件的壽命遠(yuǎn)低于設(shè)備的工作壽命。在工作中需要多次更換失效的零件，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)為這些零件的方便更換創(chuàng)造條件。,如圖6-68所示的彈性套柱銷聯(lián)軸器中的彈性套是易損零件，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)保證在更換彈性套時(shí)不必同時(shí)拆卸和移動(dòng)更多的零件，應(yīng)為彈性套及相關(guān)零件的拆下和裝入留有必要的空間。,3．裝配關(guān)系應(yīng)互相獨(dú)立機(jī)械設(shè)計(jì)中有很多參數(shù)需要依靠調(diào)整實(shí)現(xiàn)，當(dāng)進(jìn)行維修時(shí)，要破壞某些經(jīng)過調(diào)整的裝配關(guān)系，維修后需要重新調(diào)整這些參數(shù)，這就增加了維修工作的難度和工作量。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)使這些結(jié)構(gòu)各部分的裝配關(guān)系互相獨(dú)立，減少維修工作中必須對已有裝配關(guān)系的破壞程度，使維修更容易。,圖6-69a所示軸承座結(jié)構(gòu)的裝配關(guān)系不獨(dú)立，更換軸承時(shí)不但需要破壞軸承蓋與軸承座的裝配關(guān)系，而且還要破壞軸承座與機(jī)體的裝配關(guān)系。圖6-69b所示的結(jié)構(gòu)中，軸承座與機(jī)體的裝配關(guān)系和軸承蓋與軸承座的裝配關(guān)系互相獨(dú)立，更換軸承時(shí)不需要破壞軸承座與機(jī)體的裝配關(guān)系，而軸承蓋與軸承座之間有止口定位，裝配后不需要調(diào)整，使維修中更換易損件更方便。,4．為需要拆卸的緊配合設(shè)置輔助拆卸結(jié)構(gòu)對于需要反復(fù)拆、裝的緊配合結(jié)構(gòu)，應(yīng)為拆卸工藝和拆卸工具設(shè)置必要的結(jié)構(gòu)，預(yù)留必要的操作空間。,圖6-70表示了為拆卸滾動(dòng)軸承的工具的操作，應(yīng)在定位端面留有操作空間。,圖6-71表示圓錐面過盈連接的輔助拆卸結(jié)構(gòu)，可以在拆卸時(shí)通過油孔向內(nèi)徑環(huán)槽內(nèi)加入高壓油，有助于拆卸。,第六節(jié)材料的選擇一、材料選擇應(yīng)注意的主要問題對于從事機(jī)械設(shè)計(jì)與制造的工程技術(shù)人員，在材料工程方面的基本要求是能夠掌握各種工程材料的特性，正確選擇和使用材料，并能初步分析在機(jī)器及零件使用過程中出現(xiàn)的各種有關(guān)材料的問題。,針對具體的應(yīng)用條件選擇合適的機(jī)械零件材料時(shí)，需要考慮的主要問題有三：①所選材料的特性和在承載或溫度或其他環(huán)境因素變化條件下的行為，能否滿足零件在工作時(shí)所遇到的各種情況下的要求，包括使用壽命方面的要求，這是材料的工作能力，常常表現(xiàn)為承載能力的問題；②所選材料是否容易加工，是否適合所設(shè)計(jì)零件可能的加工條件，這是材料的加工工藝性能問題；③用所選材料制成的零件，其材料費(fèi)和由材料引出的加工費(fèi)是否較低而在零件成本中占的百分?jǐn)?shù)比較合理，這是材料的經(jīng)濟(jì)性問題。,作業(yè)：1、確定總體參數(shù)是總體設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。請問產(chǎn)品的總體參數(shù)主要有哪些？2、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)該遵循哪些基本原則？3、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)該遵循自助原理。請對自助原理進(jìn)行說明。4、簡述誤差傳遞規(guī)律，并舉例說明結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中如何應(yīng)用誤差傳遞規(guī)律。5、“強(qiáng)化”（包括彈性強(qiáng)化和塑性強(qiáng)化）與“預(yù)緊”是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的有效措施。請對強(qiáng)化和預(yù)緊作出比較說明。,