机械结构设计导论

1、机械结构设计机械结构设计机械工程学院机械设计及自动化系机械工程学院机械设计及自动化系宋梅利宋梅利机械原理机械原理：机构的结构分析、运动学和动力学分析。：机构的结构分析、运动学和动力学分析。机械设计机械设计：重点学习了机械零件的工作原理、工作特：重点学习了机械零件的工作原理、工作特性、工作能力和寿命的计算和分析。性、工作能力和寿命的计算和分析。机械结构设计：机械结构设计：各种机构和机械零件的结构。各种机构和机械零件的结构。机械结构设计是机械设计的重要组成部分。没有结构机械结构设计是机械设计的重要组成部分。没有结构就没有机器。就没有机器。使用者使用者注重的是机器的功能和性能。注重的是机器的功能和性

2、能。设计和制造者设计和制造者设计和制造的是一套设计和制造的是一套机械结构机械结构具有能够满足使用者要求的功能和性能。具有能够满足使用者要求的功能和性能。所以，所以，结构结构是把设计是把设计制造制造使用者联系起来的使用者联系起来的纽带，是设计、制造、使用的纽带，是设计、制造、使用的具体对象具体对象，是使用性能，是使用性能的的物质承担者物质承担者。但是以前机械设计课程的重点在分析和计算方面，而但是以前机械设计课程的重点在分析和计算方面，而对结构设计注意相对不足。对结构设计注意相对不足。原因之一原因之一是理论计算系统完整，运用数学、力学等是理论计算系统完整，运用数学、力学等基础，容易理解。而结构设计

3、涉及的问题多，影响基础，容易理解。而结构设计涉及的问题多，影响因素广泛，具体规律总结的不够完整。因素广泛，具体规律总结的不够完整。因此，目前机械设计分析计算过多。因此，目前机械设计分析计算过多。课程参考书目课程参考书目q方键方键 机械结构设计机械结构设计 化学工业出版社化学工业出版社q吴宗泽吴宗泽 机械结构设计准则与实例机械结构设计准则与实例 机械工业出版社机械工业出版社本课程成绩评定方法本课程成绩评定方法序号序号考核项目考核项目成绩成绩备备 注注1 1期末考试期末考试70%70%闭卷考试闭卷考试2 2考勤考勤1010每缺勤每缺勤1 1次扣次扣1 1分，扣满为止分，扣满为止3 3课堂小测验课堂

4、小测验10101 12 2次次4 4小论文（小论文（绘图绘图）1010全部照抄不得分全部照抄不得分大作业大作业1 1：查资料或网上搜索常用机构（任何机器上的机构均可）。查资料或网上搜索常用机构（任何机器上的机构均可）。要求：要求：1、机构的结构图或简图；、机构的结构图或简图；2、介绍机构的工作原理、具体结构组成、优缺点及应用、介绍机构的工作原理、具体结构组成、优缺点及应用场合等；场合等；3、能搜到相关视频更好。、能搜到相关视频更好。第一章第一章 机械结构设计导论机械结构设计导论第二章第二章 结构设计中常用的典型机构结构设计中常用的典型机构补充：提高强度、刚度和延长寿命的结构设补充：提高强度、刚

5、度和延长寿命的结构设 计准则计准则第三章第三章 典型工程结构实例典型工程结构实例第四章第四章 CA6140型卧式车床的结构分析型卧式车床的结构分析第五章第五章 机床主运动部件设计机床主运动部件设计第六章第六章 主轴组件设计主轴组件设计本章主要介绍机械结构设计的内涵、基本章主要介绍机械结构设计的内涵、基本过程、性质及要求本过程、性质及要求重点内容：机械结构设计的内涵、基重点内容：机械结构设计的内涵、基本过程本过程难点内容：机械结构设计的内涵、基难点内容：机械结构设计的内涵、基本过程本过程第一章第一章 机械结构设计导论机械结构设计导论第一节第一节 机械结构设计的内涵机械结构设计的内涵机械结构设计就

6、是将机械结构设计就是将抽象的工作原理抽象的工作原理变成变成技术图技术图样样的过程的过程 兼顾各种技术、经济和社会要求，并且应兼顾各种技术、经济和社会要求，并且应设计出尽可能设计出尽可能多的可能性方案多的可能性方案，从中优选从中优选或归纳出或归纳出经济合理的方案经济合理的方案 机械结构设计，可分为下述三个方面：机械结构设计，可分为下述三个方面： （1）功能设计功能设计 为满足主要机械功能要求而进行的设计为满足主要机械功能要求而进行的设计 （2）质量设计质量设计 兼顾各种要求和限制，提高产品的质兼顾各种要求和限制，提高产品的质量和性能价格比量和性能价格比 （3）优化设计和创新设计优化设计和创新设计

7、 用结构设计变元等方法系统用结构设计变元等方法系统地构造优化设计解空间，用创造性设计思维方法和其地构造优化设计解空间，用创造性设计思维方法和其他科学方法优选和创新。他科学方法优选和创新。结构设计结构设计是将抽象的工作原理具体化为某类构件或零是将抽象的工作原理具体化为某类构件或零部件的图样，然后进一步确定它们的加工工艺、材料、部件的图样，然后进一步确定它们的加工工艺、材料、几何尺寸、公差等几何尺寸、公差等 图图1-1是一个两级齿轮减速箱的工作原理图是一个两级齿轮减速箱的工作原理图 该减速箱的传动比该减速箱的传动比是是6:1，传递功率，传递功率是是92kW，主动轴，主动轴转速是转速是1500r/m

8、in 一、传动装置的总体设计一、传动装置的总体设计（一）选择电机（一）选择电机 （二）定减速器总传动比和分配各级传动比（二）定减速器总传动比和分配各级传动比（三）计算减速器中各轴的功率、转矩、转速（三）计算减速器中各轴的功率、转矩、转速二、传动件的设计计算二、传动件的设计计算三、装配图设计第一阶段（总体结构设计）三、装配图设计第一阶段（总体结构设计） 四、装配图设计第二阶段四、装配图设计第二阶段任务：设计传动零件，或其它主要零件的结构、箱任务：设计传动零件，或其它主要零件的结构、箱体的主要结构，轴承的润滑与密封形式体的主要结构，轴承的润滑与密封形式结构设计是结构设计是工作原理在技工作原理在技术

9、上的具体化。术上的具体化。一定的工程知识一定的工程知识是正确的是正确的进行结构设计的前提。进行结构设计的前提。 找错误！找错误！结构设计结构设计不仅要使构件满足实现其工作原理的要求不仅要使构件满足实现其工作原理的要求，还要还要考虑力学、工艺、材料、装配、使用、美观、成考虑力学、工艺、材料、装配、使用、美观、成本、安全、环保等众多其他要求和限制本、安全、环保等众多其他要求和限制。 与考虑工作原理相比，考虑各种要求似乎只是与考虑工作原理相比，考虑各种要求似乎只是设计细设计细节上节上的问题，然而，的问题，然而，细节的总和是质量细节的总和是质量。提高质量应。提高质量应始于设计始于设计 。左右两边结构是

10、对应于左右两边结构是对应于同一设计任务的两种结同一设计任务的两种结构设计方案构设计方案 它们都能满足构件的功它们都能满足构件的功能要求，然而，两者的能要求，然而，两者的技术指标却相差甚远，技术指标却相差甚远，正是那些结构细节决定正是那些结构细节决定了产品质量的高低。了产品质量的高低。优化设计和创新设计优化设计和创新设计在现代机械设计中的作用越来越重在现代机械设计中的作用越来越重要，它们将是未来技术产品开发的竞争重点。要，它们将是未来技术产品开发的竞争重点。结构结构优化设计的前提优化设计的前提是要能拟定出大量可供优选的可是要能拟定出大量可供优选的可能性方案能性方案 如：轴承座结构如：轴承座结构

11、。不同的工艺不同的工艺对应不同的结构设计方案对应不同的结构设计方案 连杆结构。连杆结构。不同的材料不同的材料对应不同的结构设计方案对应不同的结构设计方案 铸造（灰铸铁）铸造（灰铸铁） 铸造（铸钢）铸造（铸钢） 焊接焊接 薄板冲压薄板冲压 单件切削单件切削 半成品组合半成品组合（无焊接条（无焊接条件）件） 薄板薄板 铸铁铸铁 钢钢 塑料塑料 创造设计创造设计是通过对过去的经验和知识的分解与综合，是通过对过去的经验和知识的分解与综合，使之成为新事物的过程。使之成为新事物的过程。 在工程设计过程中，不仅要充分了解现实主体，而在工程设计过程中，不仅要充分了解现实主体，而且要通过想象创造出新的事物，善于

12、观察、善于思且要通过想象创造出新的事物，善于观察、善于思考是考是创造性思维的核心创造性思维的核心 综上，机械结构设计综上，机械结构设计4个方面的内容：个方面的内容：功能设计、质量设计功能设计、质量设计、优化设计、创造设计。、优化设计、创造设计。主要学习结构设计的主要学习结构设计的基础内容基础内容：基本原则、步骤、方法等：基本原则、步骤、方法等第二节第二节 结构设计的基本过程结构设计的基本过程1、结构设计的基本原则、结构设计的基本原则从内到外、从重要从内到外、从重要到次要、从局部到到次要、从局部到整体、从粗略到整体、从粗略到精细精细、统筹兼顾、统筹兼顾、权衡利弊、反复检权衡利弊、反复检查、逐步改

13、进。查、逐步改进。如：减速器的设计如：减速器的设计从内到外、从内到外、从重要从重要到次要、从局部到到次要、从局部到整体、从粗略到整体、从粗略到精细、统筹兼顾、精细、统筹兼顾、权衡利弊、反复检权衡利弊、反复检查、逐步改进。查、逐步改进。2、结构设计的基本步骤、结构设计的基本步骤 明确待设计构件的主要任务和限制明确待设计构件的主要任务和限制 粗略估算构件的主要尺寸粗略估算构件的主要尺寸 寻找成品，例如：标准件、常用件、通用件等，寻找成品，例如：标准件、常用件、通用件等，找不到则：找不到则：1.1.画工作面草图；画工作面草图；2.2.在工作面之间填材料；在工作面之间填材料；3.3.改变工作面大小、方

14、位、数量及构件材料、表面改变工作面大小、方位、数量及构件材料、表面特性、连接方式、系统地产生新方案；特性、连接方式、系统地产生新方案；4.4.按技术、经济和社会指标评价，选择最佳方案；按技术、经济和社会指标评价，选择最佳方案；5.5.寻找所选方案中的缺陷和薄弱环节；寻找所选方案中的缺陷和薄弱环节；6.6.对照各种要求、限制，反复改进；对照各种要求、限制，反复改进；7.7.强度、刚度及各种功能指标核算；强度、刚度及各种功能指标核算；8.8.机械制图机械制图9.9.制备技术文件。制备技术文件。以螺栓结构设计为例，说明以螺栓结构设计为例，说明结构设计的过程结构设计的过程1、确定螺栓的、确定螺栓的直径

15、直径d由螺栓所要承担的载荷根据计算得到由螺栓所要承担的载荷根据计算得到或或根据经验确定根据经验确定。一般来说：一般来说：d=1.25选标准值选标准值d43 . 11Qd2、确定螺栓离壁外表面的、确定螺栓离壁外表面的距离距离螺栓头直径螺栓头直径D有有d查手册。查手册。壁面和法兰面过壁面和法兰面过渡区半径渡区半径r根据经根据经验验r=一半壁厚一半壁厚所以，螺栓轴心所以，螺栓轴心到壁的距离是到壁的距离是rD23、确定法兰、确定法兰厚度厚度h,根据经验根据经验这样，就可按标准画出螺栓和螺母。这样，就可按标准画出螺栓和螺母。4、确定法兰、确定法兰宽度宽度根据螺母和螺栓头大小及一定的余量根据螺母和螺栓头大

16、小及一定的余量f确定，确定，f主要根据铸主要根据铸件精度和构件大小而定。最后件精度和构件大小而定。最后倒角倒角。第三节第三节 结构设计的性质结构设计的性质一、结构设计不是简单重复的操作性工作，而是创造性一、结构设计不是简单重复的操作性工作，而是创造性工作工作工程知识工程知识是从事结构设计工作的是从事结构设计工作的前提前提，巧妙组合巧妙组合是结构设计是结构设计创造性的核心创造性的核心。以一个超载保护装置为例，介绍结构设计的创新空以一个超载保护装置为例，介绍结构设计的创新空间和优化潜力间和优化潜力要求设计一个功能可靠、制造方便的要求设计一个功能可靠、制造方便的过载保护装置过载保护装置。作用作用当从

17、动轴当从动轴6过载时，其上的运动和动力的传递中断，过载时，其上的运动和动力的传递中断，但主动轴但主动轴1仍可继续运转。此外，要求过载中断后，仍可继续运转。此外，要求过载中断后，该装置容易恢复到先前的状态。该装置容易恢复到先前的状态。过载保护装置的设计方案很多，可将该装置安装在不过载保护装置的设计方案很多，可将该装置安装在不同构件上，这里只讨论将其安装在主动轴的情况。同构件上，这里只讨论将其安装在主动轴的情况。从物理原理层次上看，有从物理原理层次上看，有机械式机械式、电动式、液压、气、电动式、液压、气动式和磁力式等多种。动式和磁力式等多种。以功能可靠、装配、调节方便、磨损较少和噪声较低以功能可靠

18、、装配、调节方便、磨损较少和噪声较低等作为评判准则，从上述的等作为评判准则，从上述的8个方案中选出较好方案个方案中选出较好方案图图1-27。以图以图127作为基本结构，再对其进行变化，得到多作为基本结构，再对其进行变化，得到多种设计方案种设计方案Best！二、结构设计是一种细节性工作二、结构设计是一种细节性工作上述过载保护装置的多种结构方案，无外乎是改变形状上述过载保护装置的多种结构方案，无外乎是改变形状和摩擦状况两种，绝大部分差异仅仅是结构细节上的和摩擦状况两种，绝大部分差异仅仅是结构细节上的但是，但是，细节不是无关大局细节不是无关大局的小节的小节，它的差异能导致，它的差异能导致整个产品技术

19、和经济性能整个产品技术和经济性能的显著差异的显著差异。如右图压缩连杆机构：如右图压缩连杆机构：b图的重量只是图的重量只是a图结构的图结构的一半一半！受拉受拉受压受压材料的抗压极限远大于抗拉极限材料的抗压极限远大于抗拉极限图图b结构承受动载荷的能力数倍的高于图结构承受动载荷的能力数倍的高于图a结构。结构。b图焊接结构的制造成本只有图图焊接结构的制造成本只有图a自由锻造结构的自由锻造结构的60！在实际运行中，绝大多数机械故障或质量问题，不是工在实际运行中，绝大多数机械故障或质量问题，不是工作原理有问题，而是错误或不合理的结构细节所致。作原理有问题，而是错误或不合理的结构细节所致。结构上的细节缺陷可

20、能导致整个构件难以制造和实现其结构上的细节缺陷可能导致整个构件难以制造和实现其功能功能。细节并不简单，它需要设计者掌握相应的专业知识。细节并不简单，它需要设计者掌握相应的专业知识。第四节第四节 结构设计的要求结构设计的要求1 1、机械系统的功能要求、机械系统的功能要求2 2、使用者和环境条件、使用者和环境条件3 3、工艺条件、工艺条件4 4、市场及其他情况、市场及其他情况结构设计过程要统筹兼顾多种技术、经济、社会要求，结构设计过程要统筹兼顾多种技术、经济、社会要求，即结构设计有很多实际限制。即结构设计有很多实际限制。1 1、机械系统的功能要求、机械系统的功能要求1)设计的机械系统及其各主要部分应具有的功能设计的机械系统及其各主要部分应具有的功能,总体总体和各部分的性能参数。和各部分的性能参数。(如生产率、压力、运动范围、速度如生产率、压力、运动范围、速度等等)2)输入或输出的能量、材料或信号的具体要求。输入或输出的能量、材料或信号的具体要求。如机床如机床的精度的精度 、负荷的大小及其变化情况等。、负荷的大小及其变化情况等。3)对机械系统本身的尺寸和重量的限制、寿命和可靠对机械系统本身的尺寸和重量的限制、寿命和可靠性的具体要求等。性的具体要求等。2 2、使用者和环境条件、使用者和环境条件1)1)工作环境影响工作环境影响: :环