机械设计学_第六章_机械结构设计

1、机械设计学课件 机械结构是机械功能的载体，机械结构设机械结构是机械功能的载体，机械结构设计的任务是依据所确定的功能原理方案设计出实计的任务是依据所确定的功能原理方案设计出实体结构。该结构能体现出所要求的功能，用结构体结构。该结构能体现出所要求的功能，用结构设计图样表示。结构图应表示出结构件的形状、设计图样表示。结构图应表示出结构件的形状、尺寸及所用的材料，同时还必须考虑加工工艺、尺寸及所用的材料，同时还必须考虑加工工艺、强度、刚度、精度、寿命、可靠性及零件间的相强度、刚度、精度、寿命、可靠性及零件间的相互关系，有关造型设计及人机工程等问题也应在互关系，有关造型设计及人机工程等问题也应在这一阶段

2、解决。这一阶段解决。第六章第六章 机械结构设计机械结构设计机械设计学课件结构设计包括机器的总体结构设计和零部件结构结构设计包括机器的总体结构设计和零部件结构设计两方面内容，它们之间既有联系，又有区别，设计两方面内容，它们之间既有联系，又有区别，本章将着重讨论零件结构设计的共性问题。本章将着重讨论零件结构设计的共性问题。如果说功能原理设计决定了产品的先进性、新颖如果说功能原理设计决定了产品的先进性、新颖性，那么结构设计则决定了产品的质量和成本的性，那么结构设计则决定了产品的质量和成本的70708080，因此说结构设计是机械设计中涉及问，因此说结构设计是机械设计中涉及问题最多，工作量最大的一个环节

3、。本章将重点讨题最多，工作量最大的一个环节。本章将重点讨论结构设计的共性问题。论结构设计的共性问题。机械设计学课件第一节第一节 结构件的功用及基本类型结构件的功用及基本类型 零件是构成机器的基本元素，从结构设计的角度零件是构成机器的基本元素，从结构设计的角度出发，可以把零件称为结构件。出发，可以把零件称为结构件。一、结构件的功用一、结构件的功用各种结构件具有的功能主要有：承受载荷、传递运各种结构件具有的功能主要有：承受载荷、传递运动和动力、保证或保持有关零件或部件之间的相对动和动力、保证或保持有关零件或部件之间的相对位置或运动轨迹关系等。位置或运动轨迹关系等。1 1承受载荷承受载荷正确分析结构

4、件受力的正确分析结构件受力的类型、大小、方向及其类型、大小、方向及其对结构件工作正常的影对结构件工作正常的影响，是进行结构设计的响，是进行结构设计的重要依据和保证。重要依据和保证。机械设计学课件2 2传递运动和动力传递运动和动力摆杆摆杆3 3的作用是把运动和动力传给滑枕的作用是把运动和动力传给滑枕2 2，以便使，以便使刨刀刨刀1 1实现直线住复运动并切下金属。实现直线住复运动并切下金属。机械设计学课件轴轴4 4和摆杆和摆杆3 3都具有传递运动的功能。由于摩擦力的都具有传递运动的功能。由于摩擦力的存在，它们也承受一定的弯矩和扭矩。存在，它们也承受一定的弯矩和扭矩。机械设计学课件3 . 保持有关零

5、部件之间的相对位置或运动轨迹关系保持有关零部件之间的相对位置或运动轨迹关系 仍以车床为例：车床主轴箱和床身之间应有严仍以车床为例：车床主轴箱和床身之间应有严格的相对位置关系。即主轴中心线应与床身上的导格的相对位置关系。即主轴中心线应与床身上的导轨平行，保证沿导轨移动的刀架上所装刀具的尖端轨平行，保证沿导轨移动的刀架上所装刀具的尖端走出与主轴轴线平行的轨迹，以车削出准确的圆柱走出与主轴轴线平行的轨迹，以车削出准确的圆柱体。同时，还要求后座顶尖与主轴顶尖的连线与床体。同时，还要求后座顶尖与主轴顶尖的连线与床身导轨平行。要求床身导轨本身要具有相应的直线身导轨平行。要求床身导轨本身要具有相应的直线度，

6、受热、受力变形小等。度，受热、受力变形小等。机械设计学课件 4 4 其它功用其它功用 有些结构件还具有其它有些结构件还具有其它些功用，如箱体除了些功用，如箱体除了保证各传动轴的相对位置及其中心距外还起着包保证各传动轴的相对位置及其中心距外还起着包容和保护传动件的作用，还可以盛装润滑油。有的容和保护传动件的作用，还可以盛装润滑油。有的结构件还兼有或主要用作防护或装饰作用，要求具结构件还兼有或主要用作防护或装饰作用，要求具有有定的外形及色彩。定的外形及色彩。机械设计学课件二、结构件的分类二、结构件的分类 结构件的形式多种多样，从不同的角度可以结构件的形式多种多样，从不同的角度可以有不同的分类。有不

7、同的分类。1 1）为了设计、制造和管理上的方便，通常将其分）为了设计、制造和管理上的方便，通常将其分为：为：盖盘、轴套、支架、杆件、壳体、箱体和支承件盖盘、轴套、支架、杆件、壳体、箱体和支承件等类别。等类别。2 2）从毛坯工艺角度可分为：）从毛坯工艺角度可分为：铸造件、焊接件、锻造件、铆接或粘结件等。铸造件、焊接件、锻造件、铆接或粘结件等。机械设计学课件三、零件的相关三、零件的相关在机械系统中，各零件通常成链状、树状或网状相互在机械系统中，各零件通常成链状、树状或网状相互联接，构成完整的机械网络。联接，构成完整的机械网络。机械设计学课件说明：说明：1 1）零件的相关分为直接相关和间接相关两类：

8、）零件的相关分为直接相关和间接相关两类：（1 1）直接相关：凡是两零件有直接装配关系的。）直接相关：凡是两零件有直接装配关系的。（2 2）间接相关：没有直接装配关系的相关。）间接相关：没有直接装配关系的相关。间接相关又分为位置相关和运动相关两类：间接相关又分为位置相关和运动相关两类：位置相关是指两零件在相互位置上有要求。位置相关是指两零件在相互位置上有要求。运动相关是指一零件的运动轨迹与另一零件有关。运动相关是指一零件的运动轨迹与另一零件有关。要满足运动相关条件，一般需要一个或几个位置相要满足运动相关条件，一般需要一个或几个位置相关的中间件来达到，上例中的床身导轨就是这样的关的中间件来达到，上

9、例中的床身导轨就是这样的中间件。中间件。机械设计学课件四、零件的结构要素四、零件的结构要素 若把零件上与其它零件直接相关部位称为工作部若把零件上与其它零件直接相关部位称为工作部分，则多数零件均由两个或多个工作部分及联结部分分，则多数零件均由两个或多个工作部分及联结部分组成，联结部分的作用是把各工作部分联结起来并使组成，联结部分的作用是把各工作部分联结起来并使它们保持各自的位置，同时也常常起到支承作用。有它们保持各自的位置，同时也常常起到支承作用。有时，也把用以固定联结的工作部分称为安装部分。时，也把用以固定联结的工作部分称为安装部分。机械设计学课件 图图6-16-1所示车床中的床腿所示车床中的

10、床腿1 1是典型的支承件，也称大是典型的支承件，也称大件。它的底面是安装部分，上表面是工作部分作件。它的底面是安装部分，上表面是工作部分作用是支承床身用是支承床身7 7，而床腿的工作部分恰与床身的安装，而床腿的工作部分恰与床身的安装部分相联结，因此也具有安装部分的持点，只是受部分相联结，因此也具有安装部分的持点，只是受力比底面小些。床身两端下表面为安装部分，床头力比底面小些。床身两端下表面为安装部分，床头上表面及导轨为工作部分，而床头与主轴箱的联结上表面及导轨为工作部分，而床头与主轴箱的联结部分相当于安装部分。部分相当于安装部分。 在结构设计中通常先确定工作部分，后确定联在结构设计中通常先确定

11、工作部分，后确定联结部分。工作部分主要考虑工作面的形状、尺寸、结部分。工作部分主要考虑工作面的形状、尺寸、精度、表面质量等，而联结部分主要考虑强度、刚精度、表面质量等，而联结部分主要考虑强度、刚度等要求。度等要求。机械设计学课件第二节第二节 结构方案设计的基本原则和原理结构方案设计的基本原则和原理一、结构方案设计的基本原则一、结构方案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：明确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。、简单和安全可靠。1 1明确明确所谓明确是指对产品设计中所应考虑的问题都应在所谓明确是指对产品设计中所应考虑的问题都应在结构方案中获得明确的体现

12、与分但。结构方案中获得明确的体现与分但。 机械设计学课件(1)(1)功能明确功能明确 所选择结构要达到预期的功能，所选择结构要达到预期的功能，每个分功能有确定的结构来承担，各部分结构之每个分功能有确定的结构来承担，各部分结构之间有合理的联系。要避免冗余结构，尽量减少静间有合理的联系。要避免冗余结构，尽量减少静不定结构。在图不定结构。在图6-2(a)6-2(a)中，传递转矩是键还是圆中，传递转矩是键还是圆锥面，零件的轴向定位是轴的台阶面还是圆锥面，锥面，零件的轴向定位是轴的台阶面还是圆锥面，两者均不明确。这是一种功能不明确的结构。图两者均不明确。这是一种功能不明确的结构。图6-2(b)6-2(b

13、)两种功能都是由圆锥面承担，是一种好结两种功能都是由圆锥面承担，是一种好结构构机械设计学课件 (2)(2)工作原理明确工作原理明确 所选结构的物理作用明确，从而可靠地实现所选结构的物理作用明确，从而可靠地实现能量流能量流( (力流力流) )、物料流和信息流的转换或传导。、物料流和信息流的转换或传导。机械设计学课件（3)3)使用工况及承载状态明确使用工况及承载状态明确 图图6363为组合轴承设计的两种方案。图为组合轴承设计的两种方案。图63(a)63(a)设计者原意是滚针轴承承担径向力，球轴承承受设计者原意是滚针轴承承担径向力，球轴承承受轴向力。图轴向力。图63(b)63(b)径向力和轴向力承受

14、者都很径向力和轴向力承受者都很清楚。清楚。图图6464受拉焊缝。受拉焊缝。(a)(a)图为静不定结构；图为静不定结构；(b)(b)图为合理结构。图为合理结构。机械设计学课件 2 2简单简单 结构设计简单是指整机、部件和零件的结构结构设计简单是指整机、部件和零件的结构, ,在满足在满足总功能前提下，尽量力求结构形状简单、零部件数量总功能前提下，尽量力求结构形状简单、零部件数量少等。少等。 零部件数量少，实质是缩短加工、组装和生产准备零部件数量少，实质是缩短加工、组装和生产准备周期，降低生产成本。在设计中常采用一个零件担任周期，降低生产成本。在设计中常采用一个零件担任几种功能的办法，达到减少零件数

15、量的目的。几种功能的办法，达到减少零件数量的目的。如图如图6-56-5吊车轨道，除作导轨用外，吊车轨道，除作导轨用外，还兼作水、空压、油压管道的作用，还兼作水、空压、油压管道的作用，是多功能结构件。是多功能结构件。机械设计学课件3 3安全可靠安全可靠1 1）机器安全包括）机器安全包括4 4个方面：个方面： 零件安全零件安全 主要指在规定的载荷和规定时间内，零主要指在规定的载荷和规定时间内，零件不发生断裂、过度变形、过度磨损，不丧失稳定性。件不发生断裂、过度变形、过度磨损，不丧失稳定性。 整机安全整机安全 指整个技术系统保证在规定条件下实现指整个技术系统保证在规定条件下实现总功能。总功能。 工作

16、安全工作安全 对操作人员的防护，保证人身安全和身对操作人员的防护，保证人身安全和身心健康。心健康。 环境安全环境安全 对技术系统的周围环境和人不造成危害对技术系统的周围环境和人不造成危害和污染，同时也要保证机器对环境的适应性，如挖掘和污染，同时也要保证机器对环境的适应性，如挖掘机对沼泽地工作的适应。机对沼泽地工作的适应。机械设计学课件2 2）安全技术法）安全技术法为了保证安全可靠性，而采取的技术措施：为了保证安全可靠性，而采取的技术措施：(1)(1)直接安全技术法：是指在结构设计中充分满足安直接安全技术法：是指在结构设计中充分满足安全可靠要求，保证在使用中不出现危险。全可靠要求，保证在使用中不

17、出现危险。如采用安全销、安全阀和易损件等。对于可能松脱如采用安全销、安全阀和易损件等。对于可能松脱的零件加以限位，使其不致的零件加以限位，使其不致脱落造成机器事故。脱落造成机器事故。如图如图67(a)67(a)表示螺钉松脱后表示螺钉松脱后落入机器内，不能工作。落入机器内，不能工作。图图67(b)67(b)表示螺钉松脱时，表示螺钉松脱时，受到限位受到限位不致掉入系统中。不致掉入系统中。机械设计学课件 冗余配置原理冗余配置原理 当技术系统发生故障或失效对当技术系统发生故障或失效对会造成人身安全或重大设备事故，为了提高可靠会造成人身安全或重大设备事故，为了提高可靠性，常采用重复的备用系统。如飞机发动

18、机的双性，常采用重复的备用系统。如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；驱动、三驱动和副油箱；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用两套或三套配置( (一套运转，一套维修，一套一套运转，一套维修，一套备用备用) )。机械设计学课件 (2)(2)间接安全技术法。通过防护系统和保护装置来间接安全技术法。通过防护系统和保护装置来实现技术系统的安全可靠。其类型是多种多样的。实现技术系统的安全可靠。其类型是多种多样的。如液压回路中的安全阀、电路系统中的保险丝等，如液压回路中的安全阀、电路系统中的保险

19、丝等，都是当设备出现危险或超负荷时，自行脱离危险状都是当设备出现危险或超负荷时，自行脱离危险状态。图态。图6868具有故障显示正常的精过滤器具有故障显示正常的精过滤器: :液压回液压回路中，精过滤器芯路中，精过滤器芯2 2被堵时，被堵时，差压计差压计1 1发出信号，而单向发出信号，而单向阀阀3 3打开，回路仍正常工作。打开，回路仍正常工作。机械设计学课件(3)(3)提示性安全技术法。既不能直接保证安全可提示性安全技术法。既不能直接保证安全可靠，又没有保护或防护措施，仅能在事故出现以靠，又没有保护或防护措施，仅能在事故出现以前发出报警和信号，提醒人们注意，如指示灯，前发出报警和信号，提醒人们注意

20、，如指示灯，警铃等。警铃等。机械设计学课件二、结构方案设计原理二、结构方案设计原理 在结构设计中常应用下述各项原理：在结构设计中常应用下述各项原理： 1 . 等强度原理等强度原理 对于同一个零件来说，各处应力相等，各处寿命对于同一个零件来说，各处应力相等，各处寿命相等，叫等强度。这样可使结构有相等强度，从而相等，叫等强度。这样可使结构有相等强度，从而达到充分利用材料，提高经济效益。如图达到充分利用材料，提高经济效益。如图5-12a)的的结构强度不等，而且强度差，结构强度不等，而且强度差，b)图的结构强度不等图的结构强度不等，c)图适用于铸铁的等强度结构，图适用于铸铁的等强度结构，d)图适用于钢

21、的图适用于钢的等强度结构。等强度结构。机械设计学课件图图6-96-9所示为增加约束变形附件以降低高应力区应力所示为增加约束变形附件以降低高应力区应力的两个实例。图中构件的两个实例。图中构件1 1为承受载荷的主体构件，当为承受载荷的主体构件，当在结构中增加一个约束变形的辅助构件在结构中增加一个约束变形的辅助构件2 2时，就使构时，就使构件件1 1左半部的应力显著减小，两部分应力趋于均匀。左半部的应力显著减小，两部分应力趋于均匀。机械设计学课件2. 合理力流原理合理力流原理可以认为力在其传递路线上形成所谓力线，这些力可以认为力在其传递路线上形成所谓力线，这些力线汇成力流。力在构件中的传递轨迹就像电

22、场中的线汇成力流。力在构件中的传递轨迹就像电场中的电力线、磁场中的磁力线、水流中的流线一样，按电力线、磁场中的磁力线、水流中的流线一样，按力流路线传递。力流路线传递。力流密集程度反映力的大小。力流密集程度反映力的大小。力线和力流方向用箭头表示。力线和力流方向用箭头表示。力线和力流在连续物体中传递，力线和力流在连续物体中传递，数量不变，且连续不断数量不变，且连续不断机械设计学课件力流路线直接、最短原力流路线直接、最短原则则可以使零件尺寸缩小、可以使零件尺寸缩小、 节省材料，变形小，刚节省材料，变形小，刚度好。固度好。固6-11a6-11a的力流路的力流路线最短，结构尺寸最小；线最短，结构尺寸最小

23、；b b的力流路线比图的力流路线比图a a的长，的长，故尺寸大。故尺寸大。机械设计学课件力流转向平缓原则：当结构断面发生突然变化，引力流转向平缓原则：当结构断面发生突然变化，引起力流方向的急剧改变，使得力流密度增加，产生起力流方向的急剧改变，使得力流密度增加，产生应力集中。在结构设计时，应采取措施，使力流方应力集中。在结构设计时，应采取措施，使力流方向变化平缓，减小应力集中。图向变化平缓，减小应力集中。图6-13所示为轮毂联所示为轮毂联结：图结：图a)力流方向变化急剧，力流方向变化急剧，A处应力集中处应力集中;图图b)力力流方向变化较平缓，应力集中小。流方向变化较平缓，应力集中小。机械设计学课

24、件 3变形协调原理变形协调原理 所谓变形协调，就是使相联接的两零件在外载荷的所谓变形协调，就是使相联接的两零件在外载荷的作用下所产生的变形的方向相同，并且使其相对变形作用下所产生的变形的方向相同，并且使其相对变形尽可能小。图尽可能小。图6-12为两焊接板的变形及应力分布。图为两焊接板的变形及应力分布。图a)为一板受拉另一板受压，两零件在接缝的上端应为一板受拉另一板受压，两零件在接缝的上端应力集中很大，相对变形力集中很大，相对变形大，变形不协调，应力大，变形不协调，应力分布不均匀；图分布不均匀；图b)为两为两板受拉，相对变形小，板受拉，相对变形小，符合变形协调原理应符合变形协调原理应力分布均匀。

25、力分布均匀。kr机械设计学课件4 4力平衡原理力平衡原理在机器工作时，常产生一些无用的力。如离心惯性在机器工作时，常产生一些无用的力。如离心惯性力、变速惯性力、斜齿轮的轴向力等，这些力不但力、变速惯性力、斜齿轮的轴向力等，这些力不但增加了轴和轴承等零件的负荷，降低其精度和寿命增加了轴和轴承等零件的负荷，降低其精度和寿命，同时也降低了机器的传动效率。，同时也降低了机器的传动效率。 所谓力平衡就是指采取结构措施，部分或全部所谓力平衡就是指采取结构措施，部分或全部平衡掉无用的力，以减轻或消除其不良影响。这些平衡掉无用的力，以减轻或消除其不良影响。这些结构措施主要有采用平衡元件、采取对称布置等。结构措

26、施主要有采用平衡元件、采取对称布置等。机械设计学课件如图如图6-306-30所示为通过所示为通过人为增加一个偏心来人为增加一个偏心来平衡另一个偏心产生平衡另一个偏心产生的离心力。的离心力。图图5-305-30行星轮采用对行星轮采用对称布置，齿轮啮合产称布置，齿轮啮合产生的径向力被抵消。生的径向力被抵消。机械设计学课件 5 5任务分配原理任务分配原理分配有三种可能：分配有三种可能：1 1）一载体承担多种功能：功能集中于一载体，可）一载体承担多种功能：功能集中于一载体，可简化结构、降低成本；简化结构、降低成本；2 2）一载体承担一种功能：功能与载体一一对应，）一载体承担一种功能：功能与载体一一对应

27、，便于做到便于做到“明确明确”、“可靠可靠”，便于实现结构优化，便于实现结构优化及准确计算；及准确计算；3 3）多载体共同承担一种功能：多载体承担同一功）多载体共同承担一种功能：多载体承担同一功能可以减轻零件负载，延长使用寿命。能可以减轻零件负载，延长使用寿命。 设计时应根据具体情况进行任务分配。设计时应根据具体情况进行任务分配。例如将只靠螺拴预紧产生的摩擦力来传递横向载例如将只靠螺拴预紧产生的摩擦力来传递横向载荷时，会使螺栓尺寸过大，可通过增加抗剪元件，荷时，会使螺栓尺寸过大，可通过增加抗剪元件，如销、套筒和端而键等，以分担横向载荷来解决这如销、套筒和端而键等，以分担横向载荷来解决这一问题。

28、一问题。机械设计学课件图图52l52l是三种不同的密封和定位结构，是三种不同的密封和定位结构，a a图轴承的图轴承的密封和定位用同一个结构密封和定位用同一个结构1 1来完成，需用圆钢车成，来完成，需用圆钢车成，其制造费用高；其制造费用高；b b图的密封和定位分别由图的密封和定位分别由1 1挡圈和挡圈和2 2轴轴套承担。套承担。2 2可用管料车成，节约材料减少加工时间；可用管料车成，节约材料减少加工时间；c c图中密封件图中密封件1 1为冲压件，用无屑加工代替有屑加工，为冲压件，用无屑加工代替有屑加工，确保了密封，大大节约工时和材料。确保了密封，大大节约工时和材料。机械设计学课件6 6自补偿原理

29、自补偿原理 通过选择系统元件及其在系统中的配置来自通过选择系统元件及其在系统中的配置来自行实现加强功能的相互支持作用，称为自补偿。行实现加强功能的相互支持作用，称为自补偿。自补偿在正常情况自补偿在正常情况( (额定载荷额定载荷) )下有加强功能、减下有加强功能、减载和平衡的含义，而在紧急情况载和平衡的含义，而在紧急情况( (超载超载) )下有自保下有自保护和救援的含义。护和救援的含义。常见的自补偿原理应用形式有：自增强、自平衡常见的自补偿原理应用形式有：自增强、自平衡和自保护：和自保护： 1)1)自增强自增强 当辅助效应与初始效应的作用方向当辅助效应与初始效应的作用方向相同时，使得总效应加强，

30、就是所谓自增强。相同时，使得总效应加强，就是所谓自增强。机械设计学课件 在正常工作状态下辅助效应与初始效应的作用方向相同，在正常工作状态下辅助效应与初始效应的作用方向相同，总效应为两者之和。如图总效应为两者之和。如图6-126-12高压容器检查孔盖的设计。图高压容器检查孔盖的设计。图(a)(a)拧紧螺杆，使端盖拧紧螺杆，使端盖2 2紧贴在密封件紧贴在密封件3 3上，形成初始效应。上，形成初始效应。工作时间，内部高压工作时间，内部高压P P作用在端盖作用在端盖2 2上，加强密封效果，产生上，加强密封效果，产生辅助效应。总效应是两者叠加使密封自增强。图辅助效应。总效应是两者叠加使密封自增强。图(b

31、)(b)是自是自损结构。效应相互抵消，密封效果不好。损结构。效应相互抵消，密封效果不好。机械设计学课件工作时，工件工作时，工件1 1受到一个受到一个F2F2力，该力使工件与偏心轮之力，该力使工件与偏心轮之间产生一个使偏心轮顺时针转动的趋势，该趋势与间产生一个使偏心轮顺时针转动的趋势，该趋势与FlFl力的作用同向。故增大了夹紧力力的作用同向。故增大了夹紧力F F的作用，且该作用随的作用，且该作用随着着F2F2的增大而增大。的增大而增大。机械设计学课件 图图613613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 P使带锥面圆盘使带锥面圆盘l l更紧密地压在密封更紧密地压在密封2 2上，

32、这就是利用主参数压力上，这就是利用主参数压力P P产生了产生了增强密封的辅助作用。增强密封的辅助作用。机械设计学课件 2)2)自平衡自平衡 自平衡通常是使正常载荷下的辅自平衡通常是使正常载荷下的辅助效应同初始效应相反并达到平衡或部分平衡助效应同初始效应相反并达到平衡或部分平衡状态，以克服不利影响。状态，以克服不利影响。如图如图6-156-15所示。当所示。当竖轴竖轴1 1的转速升高而的转速升高而超过要求的转速时，超过要求的转速时，重锤重锤2 2会自动抬起，会自动抬起，带动滑套带动滑套3 3和杠杆系和杠杆系统统4 4使阀门使阀门5 5转动以转动以减少蒸汽通过量。减少蒸汽通过量。从而降低蒸汽机的从

33、而降低蒸汽机的转速以恢复到正常转速以恢复到正常值。若杠杆值。若杠杆4 4联结其联结其它机构，通过不同它机构，通过不同原理可调节其它机原理可调节其它机械的转速。械的转速。机械设计学课件 图图614齿泵径向力平衡。图齿泵径向力平衡。图(a)为齿轮泵径向力未平衡状况，为齿轮泵径向力未平衡状况，Pl与与P1为液压力，为液压力，P2与与P2为齿轮啮合力，为齿轮啮合力，P和和P 为主动齿轮为主动齿轮轴承和被动齿轮轴承所承受的径向力。由图可知，轴承和被动齿轮轴承所承受的径向力。由图可知，P和和P 加快加快了轴承的磨损。图了轴承的磨损。图(b)是径向力得到平衡，在泵壳或侧板上开有是径向力得到平衡，在泵壳或侧板

34、上开有径向力平衡槽将高压油引到低压区，把低压油引到高压区，径向力平衡槽将高压油引到低压区，把低压油引到高压区，机械设计学课件3)3)自保护自保护 超载时，特别是超载有可能反复出超载时，特别是超载有可能反复出现时，采取自动防止破坏的措施同采取保护性破现时，采取自动防止破坏的措施同采取保护性破坏或采用持殊的防护装置相比更为合理。有时，坏或采用持殊的防护装置相比更为合理。有时，采取一定的结构措施就可实现自动保护。采取一定的结构措施就可实现自动保护。例如：摩擦离合器中的摩擦片，由于超载而打例如：摩擦离合器中的摩擦片，由于超载而打滑使得离合器输入和输出端脱开，停止运动。滑使得离合器输入和输出端脱开，停止

35、运动。高压锅当压力超过时，易熔塞失效，内部压力减高压锅当压力超过时，易熔塞失效，内部压力减小，保护高压锅不受损。小，保护高压锅不受损。机械设计学课件 7 7稳定性原理稳定性原理 所谓系统的结构稳定是指当出现干扰，使系所谓系统的结构稳定是指当出现干扰，使系统状态发生改变的同时，会产生一种与干扰作用统状态发生改变的同时，会产生一种与干扰作用相反的、使系统恢复稳定的效应。相反的、使系统恢复稳定的效应。汽缸压力和作汽缸压力和作用在活塞杆上用在活塞杆上的工作抗力对的工作抗力对活塞的状态的活塞的状态的不同影响不同影响机械设计学课件图图625625是几种加强结构稳定性是几种加强结构稳定性的措施：的措施：对于

36、热膨胀变形而产生的干扰，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，使需要在结构设计中采取措施，使之消除。如图之消除。如图626(a)626(a)结构，由结构，由于轴发热伸长，使轴承内部的游于轴发热伸长，使轴承内部的游隙缩小甚至卡死，造成工作不稳隙缩小甚至卡死，造成工作不稳定；图定；图(b)(b)则不会。则不会。机械设计学课件 8、降低噪声原理、降低噪声原理根据我国根据我国“工业企业卫生标准工业企业卫生标准”的规定，生产车间的规定，生产车间和作业场地噪声不得超过和作业场地噪声不得超过85dB(90dB)，机床噪声，机床噪声应小于应小于7585dB，小型电机为，小型电机为5080dB，

37、汽油发动，汽油发动机为机为80dB，家用电器如电冰箱应控制噪声小于，家用电器如电冰箱应控制噪声小于45dB，而洗衣机噪声则应小于，而洗衣机噪声则应小于65dB。机械设计学课件第三节第三节 结构设计中的强度和刚度问题结构设计中的强度和刚度问题 本节讨论如何在较少材料消耗的前提下获得较本节讨论如何在较少材料消耗的前提下获得较高的强度和刚度的问题。高的强度和刚度的问题。一、通过结构设计降低应力减少变形一、通过结构设计降低应力减少变形1 1合理确定截面形状合理确定截面形状传动轴一般采用圆形截面。传动轴一般采用圆形截面。小直径：实心轴便于制造；小直径：实心轴便于制造；大直径：常做成空心轴。大直径：常做成

38、空心轴。空心轴：空心轴：IpIp、 IzIz大大 抗弯、抗扭刚度大抗弯、抗扭刚度大机械设计学课件直径直径D和和质量质量m的的影响：影响：机械设计学课件1）在截面积相等的情况下，受弯梁的截面在受力方向上尺寸）在截面积相等的情况下，受弯梁的截面在受力方向上尺寸愈大愈好如愈大愈好如3号的刚度是号的刚度是l号的号的25倍；倍；2）质量愈向弯曲中性面两侧分散）质量愈向弯曲中性面两侧分散(即质量向受力方向上的上、即质量向受力方向上的上、下两面集中下两面集中)愈好，如愈好，如5号的强度都刚度比号的强度都刚度比3号又有大幅度提高。号又有大幅度提高。机械设计学课件2. 2. 合理确定轴向尺寸合理确定轴向尺寸 改

39、变截面形状降低截面上各点的应力，可以提改变截面形状降低截面上各点的应力，可以提高零件本身抗破坏和抗变形的能力，但不能改变高零件本身抗破坏和抗变形的能力，但不能改变其所受弯矩的大小，通过合理地确定零件轴向尺其所受弯矩的大小，通过合理地确定零件轴向尺寸可以减少弯矩，从而更为有效地提高强度和寸可以减少弯矩，从而更为有效地提高强度和刚度。这里所谓轴向尺寸，主要指梁或轴的支承刚度。这里所谓轴向尺寸，主要指梁或轴的支承跨距和悬伸长度。跨距和悬伸长度。机械设计学课件3 3合理选择支承形式合理选择支承形式620620所示：轴端受力为所示：轴端受力为F F，假设轴承和支座是刚体，则假设轴承和支座是刚体，则轴本身

40、变形引起轴端位移为轴本身变形引起轴端位移为f1f1；若假设轴为刚体时，由；若假设轴为刚体时，由于轴承和支座的弹性变形而于轴承和支座的弹性变形而引起的轴端位移为引起的轴端位移为f2f2。而实。而实际上，它们均为弹性体，会际上，它们均为弹性体，会同时产生弹性变形，故轴端同时产生弹性变形，故轴端总位移应为上述两种情况的总位移应为上述两种情况的叠加，即为：叠加，即为： f fE E f1 f1 十十f2 f2 。机械设计学课件 分析：分析：由于成本或结构的限制，轴由于成本或结构的限制，轴和轴承和轴承( (包括支座包括支座) )的刚度都的刚度都不能无限提高。因此必须合不能无限提高。因此必须合理选择，以求

41、得最满意的结理选择，以求得最满意的结果。分析发现，跨距果。分析发现，跨距L L和悬和悬伸长度伸长度l之比之比L Ll变化时，变化时，f1f1和和f2f2在在f fE E中的比重会随之变中的比重会随之变化，如图化，如图62l62l所示。曲线所示。曲线1 1和和2 2分别为主轴本身引起的分别为主轴本身引起的轴端位移和轴承引起的轴端轴端位移和轴承引起的轴端位移位移L Ll变化的函数曲线，变化的函数曲线，曲线曲线3 3则为上述两曲线合成则为上述两曲线合成的结果。的结果。 f fE E最佳的问题！最佳的问题！机械设计学课件4 4合理利用材料特性合理利用材料特性 材料的抗弯、抗拉和抗压特性差别较大，结构设

42、材料的抗弯、抗拉和抗压特性差别较大，结构设计时应充分利用这一特点，尽量扬长避短。例如：计时应充分利用这一特点，尽量扬长避短。例如：材料为钢时应尽量用拉、压代替受弯；材料为铸材料为钢时应尽量用拉、压代替受弯；材料为铸铁时，则考虑用受压代替受拉或受弯。图铁时，则考虑用受压代替受拉或受弯。图622622所示所示为用三角珩架代替简支梁；图为用三角珩架代替简支梁；图623623所示为结构和大所示为结构和大小完全相同，仅安装方法不同的两个铸铁托架。显小完全相同，仅安装方法不同的两个铸铁托架。显然图然图623b623b方案合理。方案合理。机械设计学课件 二、改善零件的受力状况二、改善零件的受力状况 改善零件

43、的受力状况对提高零件的强度和刚度改善零件的受力状况对提高零件的强度和刚度作用比较明显，常用的方法有载荷分流、载荷均化作用比较明显，常用的方法有载荷分流、载荷均化和载荷抵消等。这些方法实际上是第六章第二节所和载荷抵消等。这些方法实际上是第六章第二节所述的合理力流、任务分配和自补偿等原理的应用。述的合理力流、任务分配和自补偿等原理的应用。1.1.载荷分流载荷分流载荷分流就是将一个较大的或复合的载荷分流到不载荷分流就是将一个较大的或复合的载荷分流到不同零件或同一零件的不同部位上，从而达到降低应同零件或同一零件的不同部位上，从而达到降低应力、减小变形的效果。特别适于强度和刚度较弱的力、减小变形的效果。

44、特别适于强度和刚度较弱的零件。如：采用多根零件。如：采用多根v v带、某些机床主轴采用并列的带、某些机床主轴采用并列的两个或多个相同的轴承等。如两个或多个相同的轴承等。如CW6163CW6163型卧式车床采型卧式车床采用了载荷分流的方法，即用一个径向轴承和两个推用了载荷分流的方法，即用一个径向轴承和两个推力轴承分别承受径向力和两个方向相反的轴向力。力轴承分别承受径向力和两个方向相反的轴向力。机械设计学课件 图图624624所示为某车床所示为某车床变速箱输入轴带轮卸荷变速箱输入轴带轮卸荷结构。这是一个将不同结构。这是一个将不同类型的载荷进行分流的类型的载荷进行分流的例子。该轴直径较小且例子。该轴

45、直径较小且为悬伸轴，故刚度低。为悬伸轴，故刚度低。采用卸荷结构后，将胶采用卸荷结构后，将胶带的压轴力通过轴承及带的压轴力通过轴承及轴承座轴承座5 5分流给箱体分流给箱体4 4，而带轮而带轮3 3的转矩则通过的转矩则通过端盖端盖2 2的花键孔传给轴的花键孔传给轴1 1，故轴故轴1 1只承受转矩而不只承受转矩而不承受径向力减少了弯承受径向力减少了弯曲变形。曲变形。机械设计学课件2 2载荷均化载荷均化 载荷均化是指将集中成分布不均的载荷变成近似载荷均化是指将集中成分布不均的载荷变成近似均布的载荷以降低构件的最大应力。均布的载荷以降低构件的最大应力。图示的非对称布置的减速器中，在力的作用下，由于图示的

46、非对称布置的减速器中，在力的作用下，由于轴的弯曲使齿轮倾斜，从而导致轮齿沿齿宽方向载荷轴的弯曲使齿轮倾斜，从而导致轮齿沿齿宽方向载荷分布不均，对于重型减速器或齿轮箱尤为突出。若采分布不均，对于重型减速器或齿轮箱尤为突出。若采用用b b图的对称布置形式，则可基本上克服上述缺点。图的对称布置形式，则可基本上克服上述缺点。机械设计学课件 渐开线齿轮若沿齿宽方向齿厚相同。则啮合齿沿接渐开线齿轮若沿齿宽方向齿厚相同。则啮合齿沿接触线长度方向上的数荷会较多地集中在两端，图触线长度方向上的数荷会较多地集中在两端，图626a所示。若将轮齿截面修整成鼓形，使端部齿厚较所示。若将轮齿截面修整成鼓形，使端部齿厚较中

47、间部分小中间部分小2535um，则齿轮工作时靠齿面弹性变，则齿轮工作时靠齿面弹性变形而使载荷分布趋于均匀，如图形而使载荷分布趋于均匀，如图626b所示。所示。机械设计学课件当螺栓受拉和螺母受压时，由于螺当螺栓受拉和螺母受压时，由于螺栓和螺母在旋合段内所受轴向力的栓和螺母在旋合段内所受轴向力的不同，导致旋合各圈螺纹牙载荷相不同，导致旋合各圈螺纹牙载荷相差很大。图差很大。图6-276-27所示：第所示：第1 1圈牙受圈牙受力可为第力可为第7 7圈的十几倍，这对于重圈的十几倍，这对于重载荷或重要部位的螺母是很严重的载荷或重要部位的螺母是很严重的问题。图问题。图6-286-28所示为均化螺纹牙载所示为

48、均化螺纹牙载荷的三种螺母结构形式。由图可见，荷的三种螺母结构形式。由图可见，各结构都在不同程度上减小了牙上各结构都在不同程度上减小了牙上的最大载荷，使载荷趋于均匀。的最大载荷，使载荷趋于均匀。机械设计学课件 3 3载荷抵消载荷抵消 广义地讲，载荷抵消是设法在结构上将无用的力广义地讲，载荷抵消是设法在结构上将无用的力或有用的力的不利作用全部或局部抵消。图或有用的力的不利作用全部或局部抵消。图6-296-29为机为机床主轴上传动力床主轴上传动力F2F2的不同布置形式，图中的不同布置形式，图中FIFI为切削力。为切削力。机械设计学课件三、预加载荷三、预加载荷 预加载荷是构件在制造或装配时就被施加一定

49、的预加载荷是构件在制造或装配时就被施加一定的载荷使其产生相应的塑性变形或弹性变形，从而载荷使其产生相应的塑性变形或弹性变形，从而减小工作应力或工作载荷引起的再变形。减小工作应力或工作载荷引起的再变形。强化：以减小应力为目的的预加载荷方法称为强强化：以减小应力为目的的预加载荷方法称为强化，强化分弹性强化和塑性强化两类。化，强化分弹性强化和塑性强化两类。预紧：以提高刚度、减小工作时再变形为目的的预紧：以提高刚度、减小工作时再变形为目的的顶加载荷方法称为预紧。顶加载荷方法称为预紧。1 1弹性强化弹性强化机械设计学课件弹件强化是使构件在受工作载荷之前预受一个与工作载弹件强化是使构件在受工作载荷之前预受

50、一个与工作载荷相反的载荷，产生一个相应的预变形，以及一个与工荷相反的载荷，产生一个相应的预变形，以及一个与工作应力相反的预应力，工作时该预加载荷部分地抵消工作应力相反的预应力，工作时该预加载荷部分地抵消工作载荷，预变形部分抵消工作变形，从而降低了构件的作载荷，预变形部分抵消工作变形，从而降低了构件的最大应力。图最大应力。图631631所示为装有拉杆的预应力工字梁。所示为装有拉杆的预应力工字梁。机械设计学课件如：加厚壁筒内部承受压力时愈靠近内部应力如：加厚壁筒内部承受压力时愈靠近内部应力愈高，可改为两个较薄的厚壁筒通过盈配合套装愈高，可改为两个较薄的厚壁筒通过盈配合套装在一起，使内筒和外筒分别产

51、生一在一起，使内筒和外筒分别产生一 定的预压应力定的预压应力和预拉应力减小工作时内筒的应力。实际上，和预拉应力减小工作时内筒的应力。实际上，也可看成是一种应力均化的措施。即此时通过外也可看成是一种应力均化的措施。即此时通过外筒的应力增大而减小内筒的应力。筒的应力增大而减小内筒的应力。机械设计学课件2 2塑性强化塑性强化塑性强化是使构件在工作状态下应力最大那部分塑性强化是使构件在工作状态下应力最大那部分材料预先经塑性变形而产生一个与工作应力符号材料预先经塑性变形而产生一个与工作应力符号相反的残留应力，用以部分地抵消工件应力。仍相反的残留应力，用以部分地抵消工件应力。仍以梁为例：给梁预加一个与工作

52、载荷以梁为例：给梁预加一个与工作载荷F F同向的预加同向的预加藏荷藏荷PP，PP去掉后梁内产生残留应力，其分布去掉后梁内产生残留应力，其分布如图如图632a632a机械设计学课件 以扭转为主的轴也可用类似方法进行塑性强化，如以扭转为主的轴也可用类似方法进行塑性强化，如图图633633：图：图633a633a为预加的与工作转矩同向的转矩为预加的与工作转矩同向的转矩TT去掉后轴的残留应力分布情况。去掉后轴的残留应力分布情况。 塑性强化的特点是预加载荷与工作载荷方向一致，塑性强化的特点是预加载荷与工作载荷方向一致，而且在构件工作时预加数荷已经撤出，靠残留应力而且在构件工作时预加数荷已经撤出，靠残留应

53、力而不是靠预加载荷本身来抵消工作应力。故要求材而不是靠预加载荷本身来抵消工作应力。故要求材料必须具有足够的塑性，构件的塑性变形量不得超料必须具有足够的塑性，构件的塑性变形量不得超过一定限度。过一定限度。机械设计学课件 3.预紧预紧 预紧是通过一个与工作载荷方向相同的预加载荷。使零件预紧是通过一个与工作载荷方向相同的预加载荷。使零件产生一定的与工作时同方向的弹性变形、以减少工作时的进一产生一定的与工作时同方向的弹性变形、以减少工作时的进一步变形，从而提高刚度的有效措施。如：滚动轴承在安装时预步变形，从而提高刚度的有效措施。如：滚动轴承在安装时预加一个约等于径向载荷加一个约等于径向载荷2030的轴

54、向力，弹性变形增加了接的轴向力，弹性变形增加了接触面积，各磙子受力也趋于均匀从而提向了轴承的刚度。又触面积，各磙子受力也趋于均匀从而提向了轴承的刚度。又如多数弹簧都预加了一个初载荷，使其产生如多数弹簧都预加了一个初载荷，使其产生定的初始变定的初始变形以保证其具有足够的刚度和工作弹力。螺栓在装配时产生形以保证其具有足够的刚度和工作弹力。螺栓在装配时产生的拉力实际上也是预加载荷，工作时承受拉力的较长螺栓必须的拉力实际上也是预加载荷，工作时承受拉力的较长螺栓必须有足够的预紧力才能保证被联接件的联接刚度。有足够的预紧力才能保证被联接件的联接刚度。 预紧的特点是预加载荷与工作载荷方向相同，工作时不撤预紧

55、的特点是预加载荷与工作载荷方向相同，工作时不撤出，因此，工作应力不是抵消而是叠加，其目的是提高刚度，出，因此，工作应力不是抵消而是叠加，其目的是提高刚度，而不是减少应力，故预应力应不超过一定限度。而不是减少应力，故预应力应不超过一定限度。机械设计学课件上述三种预加载荷方法特点见表上述三种预加载荷方法特点见表63。机械设计学课件四、有关强度和刚度的其它问题四、有关强度和刚度的其它问题1 1提高疲劳强度和提高疲劳强度和动刚度动刚度提高疲劳强度的措施很多，比较重要的是降低应提高疲劳强度的措施很多，比较重要的是降低应力集中程度应特别注意在钻孔、切槽、过渡圆力集中程度应特别注意在钻孔、切槽、过渡圆角及截

56、面急剧变化处的结构，以减小应力集中。角及截面急剧变化处的结构，以减小应力集中。又如螺纹联接中联接件和被联接件的刚度匹配、又如螺纹联接中联接件和被联接件的刚度匹配、降低零件表面的粗糙度、改善零件的尺寸和形状降低零件表面的粗糙度、改善零件的尺寸和形状以及对零件表面进行处理等。提高零件的动刚度以及对零件表面进行处理等。提高零件的动刚度可从提高其静刚度、增加阻尼和调整固有频率等可从提高其静刚度、增加阻尼和调整固有频率等方面着手也可以采用各种类型的减震器。方面着手也可以采用各种类型的减震器。机械设计学课件2. 2. 提高零件的接触强度和接触刚度提高零件的接触强度和接触刚度 当两零件的表面为点、线接触且有

57、法向载荷作当两零件的表面为点、线接触且有法向载荷作用时，虽然因弹性变形可形成小区域接触，但因面用时，虽然因弹性变形可形成小区域接触，但因面积很小，应力仍很大。合理地确定零件接触面的结积很小，应力仍很大。合理地确定零件接触面的结构可以提高接触强度。构可以提高接触强度。(1)(1)增大球面支撑的增大球面支撑的综合曲率半径。综合曲率半径。R=R1R2/R=R1R2/（R1R1R2R2）机械设计学课件(2)(2)以面接触代替线接触或点接触以面接触代替线接触或点接触图图635a635a所示为通过中间件所示为通过中间件A A把线接触改为面接触的把线接触改为面接触的实例。图实例。图635b635b所示则是增

58、加中间件所示则是增加中间件B B将点接触转变将点接触转变为面接触的实例。为面接触的实例。机械设计学课件(3)(3)采用变位齿轮传动提高齿面接触强度采用变位齿轮传动提高齿面接触强度 在齿轮传动中为提高齿面接触强度可采用变位在齿轮传动中为提高齿面接触强度可采用变位齿轮。设计变位齿轮时应满足两个条件：两相互齿轮。设计变位齿轮时应满足两个条件：两相互啮合齿轮变位系数之和最大，以获得齿面的最大啮合齿轮变位系数之和最大，以获得齿面的最大综合曲率半径，要保证足够大的重合度，以使同综合曲率半径，要保证足够大的重合度，以使同时啮合的齿数不致太少。机器的整体刚度既决定时啮合的齿数不致太少。机器的整体刚度既决定于各

59、零件本身的刚度，又决定于各零件联接面之于各零件本身的刚度，又决定于各零件联接面之间的接触刚度，因此，提高接触刚度也是结构设间的接触刚度，因此，提高接触刚度也是结构设计必须注意的问题。计必须注意的问题。机械设计学课件 接触刚度不仅与接触面的材料、硬度、几何形接触刚度不仅与接触面的材料、硬度、几何形状和尺寸等条件有关，而且还与接触面的表面粗糙状和尺寸等条件有关，而且还与接触面的表面粗糙度、加工方法、几何精度、相对运动方向、接触面度、加工方法、几何精度、相对运动方向、接触面间的介质和预紧力等因素有关。目前，还没有既简间的介质和预紧力等因素有关。目前，还没有既简单又准确的关于接触刚度的计算方法。在结构

60、设计单又准确的关于接触刚度的计算方法。在结构设计中通过限定接触面的尺寸、几何形状误差和表面粗中通过限定接触面的尺寸、几何形状误差和表面粗糙度等以保证表面间的良好接触，对于用螺钉固定糙度等以保证表面间的良好接触，对于用螺钉固定联接的表面通过螺钉数量、分布及控制预紧力的大联接的表面通过螺钉数量、分布及控制预紧力的大小来提高接触刚度。对于重要的表面可通过合理确小来提高接触刚度。对于重要的表面可通过合理确定其表面硬度，增加单位面积内的接触点数等措施定其表面硬度，增加单位面积内的接触点数等措施进一步提高接触刚度。必要时，可用模型或实物进进一步提高接触刚度。必要时，可用模型或实物进行试验，以便确定所设计的