第3章 改善力学性能的结构设计原则(附加)

1、 机械工程师更好地适应现代机械设计的要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。工程知识素之一就是掌握丰富的工程知识。工程知识是连接基础理论与实践经验的桥梁，是现代是连接基础理论与实践经验的桥梁，是现代工程师专业知识结构的本质特征。掌握一定工程师专业知识结构的本质特征。掌握一定的工程知识是正确进行机械结构设计的前提，的工程知识是正确进行机械结构设计的前提，有些结构错误对一个缺乏工程知识的设计者有些结构错误对一个缺乏工程知识的设计者来说是不易事先觉察的。来说是不易事先觉察的。 这一节从这一节从改善力学性能、制造工艺性、制改善力学性能、制造工艺性、制造精度及装配精度造精度及

2、装配精度等方面来介绍一些机械结等方面来介绍一些机械结构设计的基本原则。构设计的基本原则。 一、改善力学性能的结构设计原则一、改善力学性能的结构设计原则 机械结构形式千差万别，但其功能的机械结构形式千差万别，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传递有关。机械零件具有足够的承载能力是保障机械结构功能实现的先决条件。力是保障机械结构功能实现的先决条件。所以在机械结构设计中，根据力学理论所以在机械结构设计中，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，并在此基础上，进行结是必不

3、可少的，并在此基础上，进行结构优化设计。构优化设计。 计算机辅助结构优化设计已被广泛计算机辅助结构优化设计已被广泛应用于工程实际中。但它所依赖的力学应用于工程实际中。但它所依赖的力学模型与复杂的实际结构及工况有差距，模型与复杂的实际结构及工况有差距，力学模型的精度通常很难提高；对稍微力学模型的精度通常很难提高；对稍微复杂一些的实际结构仍然停留在零件尺复杂一些的实际结构仍然停留在零件尺寸的优化上，而基本结构一般还得预先寸的优化上，而基本结构一般还得预先选定；只能针对一个具体的实例得到一选定；只能针对一个具体的实例得到一个特定的数值解，并不能给予方向性指个特定的数值解，并不能给予方向性指导。因此计

4、算机辅助结构优化设计不能导。因此计算机辅助结构优化设计不能代替工程知识的分析与总结，结合实例代替工程知识的分析与总结，结合实例分析，掌握提高结构承载能力的结构设分析，掌握提高结构承载能力的结构设计原则，并为结构的创新设计提供可借计原则，并为结构的创新设计提供可借鉴的思路。鉴的思路。（一）载荷分担原则（一）载荷分担原则 如果同一零件上同时承担了多种载荷的作如果同一零件上同时承担了多种载荷的作用，则可考虑将这些载荷分别由不同的零件来用，则可考虑将这些载荷分别由不同的零件来承担。采取一定的结构形式，将载荷分给两个承担。采取一定的结构形式，将载荷分给两个或多个零件来承担，从而减轻单个零件的载荷，或多个

5、零件来承担，从而减轻单个零件的载荷，这种方法称为载荷分担。这样有利于提高机械这种方法称为载荷分担。这样有利于提高机械结构的承载能力。结构的承载能力。 如图如图2所示，靠摩擦传递横向载荷的普通螺所示，靠摩擦传递横向载荷的普通螺栓联接常用销、套筒、键等抗剪元件来承担部栓联接常用销、套筒、键等抗剪元件来承担部分横向载荷，提高螺纹联接的可靠性。分横向载荷，提高螺纹联接的可靠性。图图2 螺栓联结中的抗剪元件螺栓联结中的抗剪元件 如图如图3所示，在选择轴承类型时，在所示，在选择轴承类型时，在轴向载荷比径向载荷大得多或要求轴向轴向载荷比径向载荷大得多或要求轴向变形较小的情况下，可选用推力轴承和变形较小的情况

6、下，可选用推力轴承和径向接触轴承的组合结构来分别承受轴径向接触轴承的组合结构来分别承受轴向载荷和径向载荷。向载荷和径向载荷。 如图如图4所示的带轮结构，传动带产生所示的带轮结构，传动带产生的压轴力和传动带传递的转矩分别通过的压轴力和传动带传递的转矩分别通过不同的路径传递。这样，轴只承受转矩，不同的路径传递。这样，轴只承受转矩，压轴力则直接由箱体承担了。压轴力则直接由箱体承担了。图图3 推力和径向轴承组合结构推力和径向轴承组合结构 图图4 卸荷带轮结构卸荷带轮结构（二）均匀受载原则（载荷均布）（二）均匀受载原则（载荷均布） 在确定工作载荷的大小的情况下，可在确定工作载荷的大小的情况下，可以考虑通

7、过在结构上均匀分布载荷的方以考虑通过在结构上均匀分布载荷的方法，来提高结构承载能力。尽量避免集法，来提高结构承载能力。尽量避免集中载荷，尽可能地将载荷分散在结构上，中载荷，尽可能地将载荷分散在结构上，即为载荷均布。即为载荷均布。 如图如图5所示，经过简单的受力分析可所示，经过简单的受力分析可知，受集中力的简支梁在知，受集中力的简支梁在C点的受力比点的受力比受分布力的简支梁在受分布力的简支梁在C点的受力大了一点的受力大了一倍，所以图倍，所以图5b简支梁的强度要好于图简支梁的强度要好于图5a。图图5 简支梁受力分析简支梁受力分析a)集中力集中力 b)分布力分布力 如图如图7所示为改善齿轮轮齿齿向载

8、荷分布状态所示为改善齿轮轮齿齿向载荷分布状态而采用的桶形齿结构。正常齿上，载荷分布偏而采用的桶形齿结构。正常齿上，载荷分布偏于轮齿的两端部分。将轮齿修成桶形齿后，依于轮齿的两端部分。将轮齿修成桶形齿后，依靠齿面受力的弹性变形使载荷沿齿宽方向分布靠齿面受力的弹性变形使载荷沿齿宽方向分布比较均匀。比较均匀。图图7 桶形齿与载荷分布桶形齿与载荷分布a)正常齿正常齿 b)桶形齿轮桶形齿轮 一般螺栓联接受载后，各圈螺纹牙间的载荷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（见图分布是不均匀的（见图8 8a a）。）。为改善螺纹牙间为改善螺纹牙间载荷分配不均匀的现象，可采用悬置螺母、内载荷分配不均

9、匀的现象，可采用悬置螺母、内斜螺母、环槽螺母等结构斜螺母、环槽螺母等结构( (见图见图8 8b b、c c、d)d)。图图8 改善螺纹牙间载荷分布改善螺纹牙间载荷分布a)螺纹受载示意图螺纹受载示意图 b)悬置螺母悬置螺母 c)内斜螺母内斜螺母 d)环槽螺母环槽螺母（三）附加力自平衡原则（载荷平衡（三）附加力自平衡原则（载荷平衡） 在力的传递过程中，一些机械结构常常不在力的传递过程中，一些机械结构常常不可避免地出现不做功的附加力，例如，斜齿轮可避免地出现不做功的附加力，例如，斜齿轮啮合的轴向力，产生摩擦力的正压力，往复和啮合的轴向力，产生摩擦力的正压力，往复和旋转运动的惯性力，流体机械叶片上压力

10、差引旋转运动的惯性力，流体机械叶片上压力差引起的轴向力等，这些对结构功能毫无作用的附起的轴向力等，这些对结构功能毫无作用的附加力，加大了结构的负载，降低了机械结构的加力，加大了结构的负载，降低了机械结构的承载能力。如果使其在同一零件内与其它同类承载能力。如果使其在同一零件内与其它同类载荷构成平衡力系则其它零件不受这些载荷的载荷构成平衡力系则其它零件不受这些载荷的影响，有利于提高结构的承载能力，这就是载影响，有利于提高结构的承载能力，这就是载荷平衡原则。力自平衡措施的措施主要有：荷平衡原则。力自平衡措施的措施主要有：引引入平衡件和对称安装。入平衡件和对称安装。 在高速回转机械中，必须靠结构的措施

11、及动在高速回转机械中，必须靠结构的措施及动平衡的方法使旋转惯性力降低到允许的大小，平衡的方法使旋转惯性力降低到允许的大小，这就要求回转件的质量须尽量相对与回转中心这就要求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，测出并消除超出允许值的不平衡动平衡实验，测出并消除超出允许值的不平衡质量。质量。 做往复运动的机械，如连杆机构，也可在设做往复运动的机械，如连杆机构，也可在设计中采取结构措施和动平衡的方法，使其在运计中采取结构措施和动平衡的方法，使其在运转时产生尽可能小的惯性力。转时产生尽可能小的惯性力。 图图9 斜齿轮

12、啮合的自平衡方法斜齿轮啮合的自平衡方法a)较差结构较差结构 b)改进结构改进结构如图如图9 9a所示的结构工作时产生的轴向力最终要影所示的结构工作时产生的轴向力最终要影响到轴的受力，而在图响到轴的受力，而在图9 9b中，由于引入了自平衡中，由于引入了自平衡措施，则可消除轴向力对轴的影响。措施，则可消除轴向力对轴的影响。（四）减小应力集中（四）减小应力集中 应力集中是影响承受交变应力的结构应力集中是影响承受交变应力的结构承载能力的重要因素，结构设计应设法承载能力的重要因素，结构设计应设法缓解应力集中。在应力集中的部位，零缓解应力集中。在应力集中的部位，零件的疲劳强度将显著降低。最大应力比件的疲劳

13、强度将显著降低。最大应力比该截面上的平均应力可以大该截面上的平均应力可以大25倍以上。倍以上。应力集中与零件的局部变化形式（见图应力集中与零件的局部变化形式（见图11）及零件的受力状态（见图）及零件的受力状态（见图12）有关。）有关。降低应力集中程度可以提高零件的疲劳降低应力集中程度可以提高零件的疲劳强度。强度。图图11 局部形状与应力集中局部形状与应力集中图图12 受力状况与应力集中受力状况与应力集中 普通螺栓联接，存在严重的应力集中现象。普通螺栓联接，存在严重的应力集中现象。如图如图13所示为螺栓头与螺栓杆在过渡处的应力集所示为螺栓头与螺栓杆在过渡处的应力集中情况。从图中可以看出，在螺栓头

14、与杆过渡处中情况。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结构来缓解，但不够好，图中列出采用过渡圆角结构来缓解，但不够好，图中列出了四种过渡结构，其中以了四种过渡结构，其中以d图结构的效果最佳。图结构的效果最佳。 图图13 螺栓头螺栓头杆过渡区域应力分布杆过渡区域应力分布 如图如图14所示，所示，降低截面尺寸变化处附近的刚度降低截面尺寸变化处附近的刚度，可可以降低应力集中的影响程度。以降低应力集中的影响程度。 注意避免多个应力集中源叠加。如图注意避免多个应力集中源叠加。如图15所示的轴结所示的轴结构中台阶

15、和键槽端部都会引起轴在弯矩作用下的应力集构中台阶和键槽端部都会引起轴在弯矩作用下的应力集中，但中，但a图结构的应力集中状况比图结构的应力集中状况比b图结构的应力集中状图结构的应力集中状况要严重得多。况要严重得多。 图图14 降低截面尺寸变化处附近的刚度降低截面尺寸变化处附近的刚度a)较差结构较差结构 b)改进结构改进结构图图15 避免多个应力集中源叠加避免多个应力集中源叠加a)较差结构较差结构 b)改进结构改进结构 （五）提高接触强度原则（五）提高接触强度原则 根据赫兹公式，提高高副接触强度根据赫兹公式，提高高副接触强度有两条途径：一是减小接触处的分布载有两条途径：一是减小接触处的分布载荷，一

16、是增大两接触零件在接触部位的荷，一是增大两接触零件在接触部位的综合曲率半径。综合曲率半径。 如图如图16所示，连杆机构的杆所示，连杆机构的杆1与销与销2为线接触，如在销为线接触，如在销轴处增加零件轴处增加零件3，则变线接触为面接触；，则变线接触为面接触； c图为斜面推杆图为斜面推杆机构，零件机构，零件6把推杆把推杆4与斜面与斜面5的点接触改为面接触；的点接触改为面接触；e图图增加了零件增加了零件10，也将点接触变为了面接触；将零件，也将点接触变为了面接触；将零件10改改为零件为零件11，则可以在零件，则可以在零件9和和11之间产生液体动压润滑。之间产生液体动压润滑。这样就减小接触处的分布载荷，

17、降低了接触应力，提高这样就减小接触处的分布载荷，降低了接触应力，提高了接触强度，而且还可以改善润滑，减少磨损。了接触强度，而且还可以改善润滑，减少磨损。图16 用面接触代替点、线接触 如图如图17所示的结构中，从图所示的结构中，从图a到图到图c的高副的高副接触中综合曲率半径依次增大，这样接触应接触中综合曲率半径依次增大，这样接触应力依次减小，因此结构力依次减小，因此结构c有利于改善球面支承有利于改善球面支承的接触强度和刚度。的接触强度和刚度。图图17 增大接触处的综合曲率半径增大接触处的综合曲率半径（六）提高刚度原则（六）提高刚度原则 在进行结构设计时，在不增加零件在进行结构设计时，在不增加零

18、件质量的前提下，要尽量提高零件结构的质量的前提下，要尽量提高零件结构的刚度。对于不同类型的零件，应根据其刚度。对于不同类型的零件，应根据其结构特点采用相应的措施。但总的来说结构特点采用相应的措施。但总的来说要注意以下几点：要注意以下几点：1. 用受压、拉零件替代受弯曲零件；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（见图合理布置受弯曲零件支承（见图18）；）；3. 合理设计受弯曲零件的截面形状；合理设计受弯曲零件的截面形状；4. 合理采用筋板，尽可能使筋板受压；合理采用筋板，尽可能使筋板受压；5. 采用预变形方法。采用预变形方法。 如图如图19所示，选择不同类型的轴承对系统刚度

19、也有明显的所示，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时存在。影响，且常与对弯曲强度的影响同时存在。图图18 支承结构支承结构a)较差结构较差结构 b)改进结构改进结构图图19 轴承类型的影响轴承类型的影响a)较差结构较差结构 b)改进结构改进结构（七）变形协调原则（七）变形协调原则 一个零件和另一个零件相接触，当一个零件和另一个零件相接触，当在接触处难以同步变形时，零件间的接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，这是应力集触区域里应力会急剧上升，这是应力集中的另一种情况。在接触处降低零件在中的另一种情况。在接触处降低零件在力流方向上的刚度，尽

20、量使两零件在接力流方向上的刚度，尽量使两零件在接触区域里同步变形，降低应力集中的影触区域里同步变形，降低应力集中的影响，此及为变形协调原则。响，此及为变形协调原则。 如图如图20所示，过盈配合联接结构在轮所示，过盈配合联接结构在轮毂端部应力集中严重，可通过降低轴或轮毂端部应力集中严重，可通过降低轴或轮毂相应部位的局部刚度使应力集中得到有毂相应部位的局部刚度使应力集中得到有效缓解。效缓解。 图图20 过盈配合的联结结构过盈配合的联结结构 如图如图21所示，受弯曲载荷作用的轴在滑动所示，受弯曲载荷作用的轴在滑动轴承端面常常出现边缘挤压，从而引起轴承的轴承端面常常出现边缘挤压，从而引起轴承的失效，其

21、原因即为轴承不能随着轴的变形而变失效，其原因即为轴承不能随着轴的变形而变形。因此滑动轴承轴承座的结构设计应该使轴形。因此滑动轴承轴承座的结构设计应该使轴承在轴受载荷作用时能和轴协调变形。承在轴受载荷作用时能和轴协调变形。图图21 轴承座的结构轴承座的结构a)较差结构较差结构 b)改进结构改进结构 变形不协调不仅会导致应力集中，变形不协调不仅会导致应力集中，降低机械结构的强度，而且还可能损害降低机械结构的强度，而且还可能损害机械的功能，如图机械的功能，如图22a所示，是一起重机所示，是一起重机行走机构的驱动轴，由于结构及其它条行走机构的驱动轴，由于结构及其它条件的制约，轴上齿轮不能安装在轴的中件

22、的制约，轴上齿轮不能安装在轴的中点位置上，这将导致两行走轮因轴变形点位置上，这将导致两行走轮因轴变形引起的扭角也不等。这种力矩传递的不引起的扭角也不等。这种力矩传递的不同步使得起重机的行走总有自动转弯的同步使得起重机的行走总有自动转弯的趋势。改进的方法是将齿轮两侧的轴的趋势。改进的方法是将齿轮两侧的轴的扭转刚度设计相等，如图扭转刚度设计相等，如图2222b所示。所示。图图22 行走机构驱动轴变形协调结构设计行走机构驱动轴变形协调结构设计a)较差结构较差结构 b)改进结构改进结构（八）等强度原则（八）等强度原则 一般，机械设计中的强度要求是通过一般，机械设计中的强度要求是通过零件中最大工作应力等于或小于材料许零件中最大工作应力等于或小于材料许用应力来满足，这样材料并为得到充分用应力来满足，这样材料并为得到充分利用。最理想的设计是应力处处相等，利用。最理想的设计是应力处处相等，同时达到材料的许用应力值。同时达到材料的许用应力值。 工程中大量出现的变截面梁就是按工程中大量出现的变截面梁就是按照等强度原则来设计的。比如，摇臂钻照等强度原则来设计的。比如，摇臂钻的横臂的横臂AB，汽车用的板簧和阶梯轴等汽车用的板簧和阶梯轴等（见图（见图23）。）。 按照等强度原则设计时要注意两