机械结构设计-课件

机械结构设计机械结构设计1第一节概述一、结构设计的任务和重要性经过原理方案构思仅能提出实施各分功能的原理方案图。为了生产出满足要求的产品，还必须进行结构设计。产品结构设计又称技术设计，它的任务是将原理设计方案结构化，确定机器各零部件的材料、形状、尺寸、加工和装配。因此结构设计是涉及到材料、工艺、精度、设计计算方法、实验和检测技术、机械制图等许多学科领域的一项复杂、综合性的工作。2第一节概述一、结构设计的任务和重要性2

机械设计的最终成果都是以一定的结构形式所表现，并且按照设计的结构进行加工、装配出产品，以满足使用要求。因此结构设计的工作质量对满足产品功能要求有十分重要的意义。在机械零件设计时，各种计算都要以确定的结构为基础，机械设计公式都只适用于某种特定的机构或结构。如果不事先选定某种结构，机械零件的设计计算是无法进行的。结构设计关系到整机性能、零部件的强度、刚度和使用寿命及加工工艺性、人机环境系统的协调性、运输安全性等。综上所述，结构设计是保证产品质量，提高可靠性，降低产品成本的重要工作。

3机械设计的最终成果都是以一定的结构形式所表现，并且按二、结构设计的内容和步骤

结构设计内容包括:设计零部件形状、数量、相互空间位置、选择材料、确定尺寸、进行各种计算、按比例绘制结构方案总图。若有几种方案时，需进行评价决策，最后选择最优方案。在进行计算时，采用优化设计、计算机辅助设计、可靠性设计、有限元设计、反求工程等多种现代设计方法。在进行结构设计时，还要充分考虑现有的各种条件，如加工条件、现有材料、各种标准零部件、相近机器的通用件等。结构设计是从定性到定量、从抽象到具体、从粗略到详细的设计过程。4二、结构设计的内容和步骤4

结构设计的步骤如图。每个步骤的内容叙述如下:(1)明确对结构设计的要求主要明确对功率、扭矩、传动比、生产率、连接尺寸、相互位置、耐腐蚀性、抗蠕变性、规定的工作材料、空间大小、安装限制、制造及运输、包装等方面的要求。(2)主功能载体初步结构设计主功能载体是指承受主功能的元件(即零件或部件)，如减速箱中的齿轮和轴。在这一步骤中，主要是初步确定这些零部件的结构形状、几何尺寸和空间位置。（3）分功能载体的初步结构设计分功能包括支承、润滑密封、冷却、防松等。分功能载体如轴承、密封圈、箱体和端盖等。主要凭经验或粗略估算初步确定结构形状。5结构设计的步骤如图。每个步骤的内容叙述如下:5(4)检查各功能载体结构的相互影响及配合性检查各功能载体的结构形状、几何尺寸和空间位置是否相互干涉，尽量使各部分结构之间有合理的联系。(5)详细设计各功能载体结构这部分是结构设计的重点，主要确定各功能载体的几何尺寸、相互位置等。设计人员要充分运用自己所掌握的知识、现代设计方法和手段，并考虑加工(6)技术和经济评价设计中可能有多种方案，应进行技术和经济评价，选出最优方案。(7)对设计进一步修改完善对确定的最优方案的设计进行修改、完善，主要是检查和分析产品将要出现的故障和主要薄弱环节，并采取有效措施进一步修改设计。6(4)检查各功能载体结构的相互影响及配合性6

因此结构设计主要包括三个方面:一是质的设计，定性分析构形(各零件形状、数目、位置关系)；二是量的设计，定量计算尺寸，决定材料；三是按比例绘制结构图。对于改进型设计，即改进现有产品，从分析现有产品的缺点或干扰因素出发，提出新的要求明细表。这时技术设计中有关初步结构设计和详细结构设计的各个步骤，可视情况灵活处理。图5-2为改进型设计时结构设计的步骤。结构设计主要目标是:保证功能、提高性能、降低成本。7因此结构设计主要包括三个方面:一是质的设计，定性分析大家应该也有点累了，稍作休息大家有疑问的，可以询问和交流8大家应该也有点累了，稍作休息大家有疑问的，可以询问和交流84.4.1结构设计的任务、内容和步骤图5—1结构设计步骤

设计任务对结构设计的要求主要功能载体初步结构设计各分功能载体初步结构设计检查各功能载体结构的相互影响和协调性详细设计主分功能载体结构对设计进一步修改、完善

技术和经济评价结构决策结构图纸是否94.4.1结构设计的任务、内容和步骤图5—1结构设计1010

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、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互关系，有关造型设计及人机工程等问题也应在这一阶段解决。11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

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，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、新颖性，那么结构设计则决定了产品的质量和成本的70％～80％，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。本章将重点讨论结构设计的共性问题。12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第二节零件的功用及基本类型零件是构成机械设备的基本元素。一、零件的功用各种零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位置或运动轨迹关系等。1．承受载荷机械设备在工作中受到多种力的作用，这些力都要由零件承受。正确分析零件受力的类型、大小、方向及其对零件工作正常的影响，是进行结构设计的重要依据和保证。13第二节零件的功用及基本类型13

这些力包括机械装置工作所需的力，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，在介质中运动的零件受到介质的作用力(液压力、风阻力)，对连接结构施加的预紧力(螺纹联接、过盈联接)，由于温度变化而产生的附加载荷等。如图6-2所示减速器结构中，齿轮传动所受到的力通过轴传递给轴承，其中的径向力和切向力通过轴承传递给箱体，轴向力经轴承传递给端盖，再经端盖传递给箱体。14这些力包括机械装置工作所需的力，零件所受的重力，由于2．传递运动和动力机械装置的执行机构以确定的运动规律或运动轨迹实现给定的功能。原动机的运动特性通常与执行机构的要求不匹配，需要传动机构将原动机提供的运动和动力进行变换，包括对运动的轨迹、规律、频率等特征的变换。摆杆3的作用是把运动和动力传给滑枕2，以便使刨刀1实现直线住复运动并切下金属。152．传递运动和动力15轴4和摆杆3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。16轴4和摆杆3都具有传递运动的功能。由于摩擦力的存在，它们也承3.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身导轨平行。要求床身导轨本身要具有相应的直线度，受热、受力变形小等。173.保持有关零部件之间的相对位置或运动轨迹关系17

4、其它功用有些零件还具有其它一些功用，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，要求具有一定的外形及色彩。184、其它功用18二、零件的分类零件的形状虽然千差万别，但根据它们在机器（或部件）中的作用和形状特征，通过比较、归纳，可大体将它们划分为几种类型：轴套类盘盖类叉架类箱体类19二、零件的分类19

轴套类零件结构的主体部分大多是同轴回转体，它们一般起支承转动零件、传递动力的作用，因此，常带有键槽、轴肩、螺蚊及退刀槽或砂轮越程槽等结构。1、轴套类零件20轴套类零件结构的主体部分大多是同轴回转体，它们一般起2121

盘盖类零件一般包括法兰盘、端盖、压盖和各种轮子等。它在机器中主要起轴向定位、防尘、密封及传递扭矩等作用。盘盖类零件主体一般为不同直径的回转体或其他形状的扁平板状，其厚度相对于直径小得多，常有凸台、凹坑，均匀分布安装孔、轮辐和键槽等结构。

2、盘盖类零件22盘盖类零件一般包括法兰盘、端盖、压盖和各种轮子等。A23A232424

3、叉架类零件

叉架类零件包括各种拔叉、连杆、摇杆、支架、支座等。此类零件多数由铸造或模锻制成毛坯，经机械加工而成。结构大都比较复杂，一般分为支承部分、工作部分和连接安装部分。其上常有凸台、凹坑、销孔、螺纹孔及倾斜结构。

253、叉架类零件叉架类零件包括各种拔叉、连杆、摇杆2626

箱体类零件主要用来支承、包容和保护运动零件或其他零件，也起定位和密封作用。它的结构较复杂，内部有空腔、轴承孔、凸台或凹坑、肋板及螺孔等结构，毛坯多为铸件，经机械加工而成。4、箱体类零件27箱体类零件主要用来支承、包容和保护运动零件或其他零282829293030三、零件的相关在机械设备中，每一个零件都不是独立存在的，机械设备的功能是依靠零部件的形状、尺寸和相对位置关系实现的。在机械设备中，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，组成机器，这种零件之间确定性的关系称为零件之间的相关。

某个零件与另一个（零件）或几个零件有装配关系或相互位置关系，称为相关。31三、零件的相关31零件的相关在机械系统中，各零件通常成链状、树状或网状相互联接，构成完整的机械网络。32零件的相关32说明：1）零件的相关分为直接相关和间接相关两类：（1）直接相关：凡是两零件有直接装配关系的。（2）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：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。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中间件。33说明：33四、零件的结构要素零件的形体常通由多个表面构成，这些构成零件形体的表面称为零件的结构要素。一个零件与其他零件形成直接相关关系的结构要素，或与工作介质相接触的结构要素称为工作要素(或工作表面)，其他结构要素称为连接要素(或连接表面)。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，所以零件工作表面的设计是零件设计的核心问题。34四、零件的结构要素34

每个零件的工作表面部不是孤立存在的，每个工作表面和与之相接触的表面相互配合，共同起作用，所以零件的工作表面都是成对进行设计的，设计中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。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相应的标准(有些属于国家标准)，这些标准所规定的算法严格、统一、规范。35每个零件的工作表面部不是孤立存在的，每个工作表面和与

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。连接表面的设计方法较为灵活，没有统一的过程和标准，也不要求有统一的解答，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。

连接表面设计方法虽较灵活，但也应遵守以下的原则:1)不影响工作表面的功能。

2)不影响零件运动。

3)不影响操作。

36连接表面将各个工作表面连接成为完整形体，并保证零件3737

图6-1所示车床中的床腿1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．作用是支承床身7，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、刚度等要求。38图6-1所示车床中的床腿1是典型的支承件，也称大件。它的底第三节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确定和选择结构方案时应遵循三项基本原则是：明确、简单和安全可靠。1．明确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与分但。

39第三节结构方案设计的基本原则和原理39(1)功能明确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5-3(a)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，两者均不明确。这是一种功能不明确的结构。图5-3(b)两种功能都是由圆锥面承担，是一种好结构40(1)功能明确所选择结构要达到预期的功能，每个分功能有(2)工作原理明确所选结构的物理作用明确，从而可靠地实现能量流(力流)、物料流和信息流的转换或传导。

在功能原理设计中需要通过某种(或某些)物理过程实现给定的功能要求。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，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，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要采取必要的应对措施。

41(2)工作原理明确在功能原理设计中需要通过某种(

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。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体不同而不确定，故容易导致某个轴承过载而损坏。

滚针轴承承担径向力，推力球轴承承受轴向力，径向力和轴向力承受者都很清楚，因此功能和作用原理都明确。42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（3)使用工况及承载状态明确在结构设计中，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。设计中应避免出现可能造成某些要素的工作状态不明确的结构。43（3)使用工况及承载状态明确432．简单

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。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，采用标准件、通用件、操作简单等；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。442．简单44

图6-5吊车轨道，除作导轨用外，还兼作水、空压、油压管道的作用，是多功能结构件。45图6-5吊车轨道，除作导轨用外，453．安全可靠1）机器安全包括4个方面：

零件安全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。

整机安全指整个技术系统保证在规定条件下实现总功能。

工作安全对操作人员的防护，保证人身安全和身心健康。

环境安全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，如挖掘机对沼泽地工作的适应。463．安全可靠462）安全技术法为了保证安全可靠性，而采取的技术措施：(1)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，主要遵循下面3个原理。A、构件可靠性原理。组成技术系统的各零件之间的联接在规定载荷和时间内完全处于安全状态。这就必须做到:构件中受力、使用时间和使用环境是清楚的;选择的计算理论和方法、材料是经过验证且可靠的;试验负荷要高于工作负荷;严格限定使用时间和范围。472）安全技术法47B、有限损坏原理。在使用时，当出现功能干扰或零件出现断裂时，不会使主要部件或整机遭到破坏。这就要求失灵的零件易于查找和更换，或者能被另一零件所代替，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，使其不致脱落造成机器事故。如图5-9a表示螺钉松脱后会落入机器内，使机器不能工作，b图表示螺钉松脱后，受到限位，不致掉入系统中。48B、有限损坏原理。在使用时，当出现功能干扰或零件出现断裂时，

C、冗余配置原理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；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(一套运转，一套维修，一套备用)。49C、冗余配置原理当技术系统发生故障或失效对会造成人身安(2)间接安全技术

间接全技术使得当系统发生故障时通过防护系统和保护装置来实现技术系统的安全可靠。并且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(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。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，都是当设备出现危险或超负荷时，自行脱离危险状态。50(2)间接安全技术50图5—11具有故障显示正常的精过滤器:液压回路中，精过滤器芯2被堵时，差压计1发出信号，而单向阀3打开，回路仍正常工作。51图5—11具有故障显示正常的精过滤器:液压回路中，精过滤器芯(3)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，仅能在事故出现以前发出报警和信号，提醒人们注意，如指示灯，警铃等。52(3)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3安全可靠安全可靠机器安全安全技术法零件安全整机安全工作安全环境安全直接安全技术法间接安全技术法提示性安全技术法533安全可靠安机安零件安全整机安全工作安全环境安全直接安全技二、结构方案设计原理在结构设计中常应用下述各项原理：

1.等强度原理（包括零件和整机）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，从而达到充分利用材料，提高经济效益。如图5-12a)的结构强度不等，而且强度差，b)图的结构强度不等，c)图适用于铸铁的等强度结构，d)图适用于钢的等强度结构。54二、结构方案设计原理54等强度原理（相对的观点）通过适当地选择材料和适当确定几何形状，力求构件各处强度得到充分利用。目的是减轻重量，降低成本。或者采取相应措施减低高应力区应力，提高低应力区应力，使应力趋于均匀。如下图(1)（弯矩图）(2)等强度梁

55等强度原理（相对的观点）通过适当地选择材料和适当确定几何形状图6-9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1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2时，就使构件1左半部的应力显著减小，两部分应力趋于均匀。56图6-9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。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，但是会增大加工轴承孔的工艺成本，所以应放弃等强原理。

57注意以下几点：573)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，在按照等强原理进行设计后应按标准系列圆整参数。2)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。583)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2.合理力流原理

所有机械设备、工程结构都与力、力矩和运动有关。把力的传递过程（路线）称为力流。既然是“过程”，那么人的眼睛能否看到力流？在通常情况下，刚性的机械零件一个挨着一个，力从一个零件传到另一个零件，人的眼睛是不能发现这种力的传递过程的。但是，如果把一个螺旋弹簧水平放置，用手通过弹簧推动一块放在地面的砖，可立刻看到，弹簧被压缩的过程是由近及远(由手到砖)，直至砖被推动。这是借助弹簧形变过程形成的臂力流。592.合理力流原理59

假想力流是由若干条线组成的线柬，这些线沿力的传递方向伸展开，称这些假想线为力线。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，按照力流路线传递。用力线条数的多少表示力的大小，用力线的疏密变化表示应力的变化。用力流和力线这两个概念就把力这种看不见摸不着的物理现象物化，其结果是使设计师在结构设计过程能同时考虑到“两”种物化物，即零件和力，这比只考虑一种具体的物质结构的零件和一个抽象的力的概念，更容易做到细致地考虑问题。60假想力流是由若干条线组成的线柬，这些线沿力的传递方向

在力的传递过程中，力线条数不变，且连续不断，可以封闭，但力线疏密因构件结构形状而异，如图5-15所示。换句话说，力可以无衰减地作用于很大范围(在工程设计中，这个范围并不大)，不同的结构会形成不同的传递方式以及造成不同的结果(应力不同)。61在力的传递过程中，力线条数不变，且连续不断，可以封闭（1）力流路线直接、最短原则可以使零件尺寸缩小、节省材料，变形小，刚度好。图15-14(a)所示的力流路线最短，结构尺寸最小;图15-14(b)、图15-14(C)所示的力流路线比图15-14（a）的长，故尺寸大。在力流路线近似的情况下，图5-16(b)的对称结构又比图5-16(c)的非对称结构好。62（1）力流路线直接、最短原则62如果力流路线增长，承载区增大，零件体积重量和变形就增大，当然系统的弹性和柔性随之增加。其关系如下图所示。力流路线与变形的关系为力流路线短图(b)典型的弹性支承大于图(a)产生弯矩变形、刚性差挠性支承

63如果力流路线增长，承载区增大，零件体积重量和变形就增大，当然（2）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5-16所示为轴毂联接：图a)力流方向变化急剧，A处应力集中;图b)力流方向变化较平缓，应力集中小。64（2）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

3．变形协调原理

在外载荷作用下，两个相邻零件的联结处，由于各自受力不同，变形不同，在两零件间产生相对变形，这种相对变形会引起力流密集形成应力集中。所谓变形协调，就是使联结的相邻零件在外载荷作用下的变形方向相同，并尽可能减小相对变形。如下图为两焊接板的变形及应力分布。653．变形协调原理在外载荷作用下，两个相邻零件的联结一板受拉，另一板受压，相对变形大，变形不协调，应力分布不均匀。改进型设计，两板改为板厚呈线性变化的斜接口，两板相对变形几乎等于零，应力分布非常均匀。两板受拉，相对变形小，符合变形协调原理，应力分布均匀。两焊接板的变形及应力分布66一板受拉，另一板受压，相对变形大，变形不协调，应力分布不均匀4．力平衡原理为了实现总功能，各机构或零件需要传递做功的力和力矩，例如驱动力矩、圆周力等，这种力称为有功力（矩）。然而，与此同时常常伴随产生一些(无功力)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。因此，如何消除无功力的不良影响，是结构设计中一个重要问题。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。这些结构措施主要有:采用平衡元件、采取对称布置等。674．力平衡原理67如图6-30所示为通过人为增加一个偏心来平衡另一个偏心产生的离心力。图5-20行星轮采用对称布置，齿轮啮合产生的径向力被抵消。68如图6-30所示为通过人为增加一个偏心来平衡另一个偏心产生的5．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工作来实现。机械功能在零部件间的分配关系通常有三种可能：1）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；2）一载体承担一种功能：功能与载体一一对应，便于做到“明确”、“可靠”，便于实现结构优化及准确计算；3）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。（对某些复杂功能）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一问题。695．任务分配原理69(1)相同功能的任务分配相同的功能可以由一个构件来承担，如减速箱中的齿轮轴，既承受弯矩，又承受扭矩，而对承受大功率的零件，往往需要设计成大尺寸，此时可采取多个零件来分担，从而减少零件承受的功能、缩小尺寸、减少占用空间。图4-9组合弹簧，是几个零件共同承担一种功能的实例。图4-9组合弹簧70(1)相同功能的任务分配图4-9组合弹簧70如图4-9卸荷皮带轮皮带轮的径向力经滚动轴承，轴承座和螺钉传给箱体。皮带轮的扭矩经螺钉、内花键套传给轴。轴只承受转矩而不承受弯矩。因而尺寸减小，节约材料。图4-9卸荷皮带轮结构71如图4-9卸荷皮带轮图4-9卸荷皮带轮结构71(2)不同功能任务分配

在结构设计时，常用一个构件来完成多个分功能，其优点是零件数量少、减轻重量、降低成本，但随着零件承受功能增加，其承载能力和限制条件也增加，使得构件结构变得复杂，给制造或安装带来不便。若改用多个零件，由几个结构件分别承担不同的功能，则任务单一，便于达到“明确”、“简单”的目标。72(2)不同功能任务分配72图5—25是三种不同的密封和定位结构，a图轴承的密封和定位用同一个结构1来完成，需用圆钢车成，其制造费用高；b图的密封和定位分别由2挡圈和3轴套承担。3可用管料车成，节约材料．减少加工时间；c图中密封件4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。73图5—25是三种不同的密封和73

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，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配结构，轮缘采用青铜合金，轮毂采用钢或铸铁。

74746．自补偿原理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。自补偿在正常情况(额定载荷)下有加强功能、减载和平衡的含义，而在紧急情况(超载)下有自保护和救援的含义。常见的自补偿原理应用形式有：自增强、自平衡和自保护：

1)自增强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，就是所谓自增强。756．自补偿原理75

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6-12高压容器检查孔盖的设计。图(a)拧紧螺杆，使端盖2紧贴在密封件3上，形成初始效应。工作时间，内部高压P作用在端盖2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(b)是自损结构。效应相互抵消，密封效果不好。图6-13高压容器检查孔盖设计1－螺杆；2—盖；3—密封76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

工作时，工件1受到一个F2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Fl力的作用同向。故增大了夹紧力F的作用，且该作用随着F2的增大而增大。图6-14偏心夹紧示意图1-工件2-偏心轮3-支承轴77工作时，工件1受到一个F2力，该力使工件与偏心轮之间

图6—13自增强作用的密封装置，压力P使带锥面圆盘1更紧密地压在密封2上，这就是利用主参数压力P产生了增强密封的辅助作用。图6－13密封装置1—圆盘；2—密封78图6—13自增强作用的密封装置，压力P使带锥面圆盘1更紧密2)自平衡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状态，以克服不利影响。

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，应尽力降低这些不做功的力的作用程度，缩小其作用范围。792)自平衡在机械装置工作过程中会出现多种物

如图5-34所示。当竖轴1的转速升高而超过要求的转速时，重锤2会自动抬起，带动滑套3和杠杆系统4使阀门5转动以减少蒸汽通过量。从而降低蒸汽机的转速以恢复到正常值。若杠杆4联结其它机构，通过不同原理可调节其它机械的转速。80如图5-34所示。当竖轴1的转速升高而超过要求的转速时，重

如图6-7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6-15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小，使滚动轴承的工作寿命提高。

图6－7单向齿轮轴系结构

81如图6-7所示斜齿圆柱齿轮轴系结构，齿轮传动产生的轴图6—14齿轮泵径向力不平衡。P1与P1’为液压力，P2与P2’为齿轮啮合力，P和P’为主动齿轮轴承和被动齿轮轴承所承受的径向力。P’和P加快了轴承的磨损。

径向力得到平衡。在泵壳或侧板上开有径向力平衡槽，把高压油引到低压区，把低压油引到高压区，液压力P1得到平衡，两个齿轮的径向力几乎等于P2，延长了轴承的寿命。82图6—14齿轮泵径向力不平衡。P1与P1’为液压力，P2与3)自保护超载时，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。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。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。833)自保护超载时，特别是超载有可能反复出现时，采取自

各种摩擦传动(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6-17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；当过载情况消除后，传动链自动恢复。84各种摩擦传动(如带传动、摩擦离合器、摩擦无级变速器

7．稳定性原理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相反的、使系统恢复稳定的效应。汽缸压力和作用在活塞杆上的工作抗力对活塞的状态的不同影响857．稳定性原理汽缸压力和作用在活塞杆上的工作抗力对活塞的状图5-30是几种加强结构稳定性的措施：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。如图6—26(a)结构，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；图(b)则不会。86图5-30是几种加强结构稳定性的措施：对于热膨胀变形而产生的

图6-19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A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方向时，路面作用于车轮的向心力(B点)对前叉的力矩使车轮恢复正确方向。87图6-19所示为自行车前轮及转向部分示意图，前叉立管延

图6-20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(主销内倾)，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的趋势，这种作用使前轮恢复向前行驶的正确方向。88图6-20所示为汽车前轮转向示意图，当前轮由于

图6-21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。89图6-21所示为用于柴油发动机的调速器示意图，当发动90908、安全技术原理结构设计时必须考虑安全技术原理，以保证系统正常工作。在运用安全技术原理时，必须明确下面的定义和安全范围。危险:存在可能危害人或物的状态。极限危险:设备在确定的技术过程或状态的最大且经认同的特有危险。安全:危险小于极限危险的一种事物状态。保护:对危险的限制和防护。918、安全技术原理91可靠性:技术系统在规定的界限和时间内，满足使用目标所提出的条件性要求的能力。设计师在设计时应考虑并运用安全技术。德国标准DIN31000规定使用三级安全技术。即。

(1)直接安全技术。

(2)间接安全技术。

(3)指示安全技术。92可靠性:技术系统在规定的界限和时间内，满足使用目标所提出的条安全的考虑，主要涉及下列4个方面;(1)企业安全:限制技术系统对企业的危害。(2)工作安全:限制工作中对人的危害，限制对使用技术系统及工作场所以外的人的危害。(3)环境安全:限制技术系统对环境的损害。(4)保护措施:如果不可能用直接安全技术将危险降到要求的程度，就必须采用防护系统或防护设备对存在的危害限制到要求的程度。设计师原则上应力求采用直接安全技术，即设计的解根本不存在危险，如果不能确保，则采用间接安全技术，即采用防护系统。指示性安全技术只是在危险之前能发出警报，以及通过指示鉴别危险的范围。93安全的考虑，主要涉及下列4个方面;939、降低噪声原理机械振动引起噪声，过大的噪声影响人的身心健康。由于噪声引起操作者疲劳，可能导致事故发生。噪声是机器质量的重要评价指标之一。根据我国“工业企业卫生标准”的规定，生产车间和作业场地噪声不得超过85dB（90dB），机床噪声应小于75～85dB，小型电机为50～80dB，汽油发动机为80dB，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65dB。1）机械噪声分类机械噪声是由固体振动产生的，在冲击、摩擦、交变载荷和磁应力作用下，各零部件产生振动，发出噪声。其表现为：运动噪声、接触噪声、传力噪声。949、降低噪声原理94运动噪声各运动零部件作旋转或往复运动时，因质量不平衡，产生惯性力，发生自振，引起噪声，如联轴器，因不平衡的惯性力及安装偏心等产生噪声。电机由于旋转磁场变化产生电磁噪声。接触噪声机器零件因滚动、滑动和敲击而产生噪声，如齿轮啮合、滚动轴承、离合器、制动器等。传力噪声机器零件因力的传递不均匀产生振动发出噪声。如链传动、杠杆机构等。液压系统中，因液体的流量、压力脉动及液体中混人空气而产生流体噪声，如齿轮油泵因吸油、排油压力变化及困油现象都产生噪声。95运动噪声各运动零部件作旋转或往复运动时，因质量不平衡，产

2）降低噪声的原则和措施工程系统噪声产生的过程为：振源振动－共振一振动（声波）的传递。降低噪声可针对以上几个方面采取相应的措施。（l）降低噪声减少机器中振源的振动，降低噪声源是控制噪声最有效的方法，如采用较平稳的传动机构，以带传动、蜗轮传动代替齿轮传动，斜齿轮代替直齿轮，齿形链代替套筒滚子链等。对于同样的传动机构如平型带传动从结构上加以改进，用无端带或胶合接头代金属皮带扣接头，也可降低噪声。火车轨道接缝之间因考虑热膨胀量都留有间隙，火车行走时不可避免地会产生振动，现在采用长钢轨的新技术，每1000m左右才有一个接头，因而大大降低了振动和噪声。提高运动部件的平衡精度，可减小旋转件由于质量不均匀、重心偏离回转中心而引起的不平衡噪声。如家用电风扇的叶片经过专用的风扇叶动平衡机平衡后，可以将不平衡振动的振幅控制在1μm之内，使噪声明显下降。962）降低噪声的原则和措施96

（2）防止共振系统的工作振动频率与其自振频率一致而产生共振现象，会导致强烈振动并产生很大的噪声。回转系统正常的工作转速应在共振区之外。可以采用控制系统刚性的办法使共振临界转速n*值，使n＜0.75n*，；高速回转系统常用减小刚性降低共振临界转速n*的方法使n＞1.2n*。有些大而薄的零件或箱体冲击振动时会产生很大的噪声，往往通过增大壁厚或合理加筋增加其刚度的方法而降低噪声。97（2）防止共振系统的工作振动频率与其自振频率一致而产生

（3）提高机构的阻尼特性阻尼减振的作用是衰减沿结构传递的振动能量，降低结构自由振动，减弱共振频率附近的振动，以达到降低噪声的目的，在工件表面上粘接或喷涂一层有高内阻尼的材料，如塑料、橡胶、软木、沥青等，能减振和降低噪声。这种方法已广泛用于车、船体的薄壁板上。涂层材料的重量约为板材重量的30%左右。图4-30有限尼层的降噪声结构图4-30是把阻尼材料贴在悬梁和地铁车轮轮缘上以减小噪声的结构。98（3）提高机构的阻尼特性阻尼减振的作用是衰减沿结构传递

减振合金是一种新型减振材料，通过材料内部晶体或原子的相互作用，增加内损耗而减振降噪。如国产的锰-钢-锌减振合金由于热弹性马氏体相变孪晶或母相马氏体相界的移动，导致能量损耗，其强度大于45号钢，适用温度170℃以下，内耗为普通钢材的12～45倍。将减振合金制成零件或做成片、环、塞等形状，粘贴在激烈振动或撞击的机件表面，即可降低机械的辐射声。根据试验，锰-钢-锌减振合金试件与45号钢对比，打击噪声低27dB，落地噪声低于10dB。99减振合金是一种新型减振材料，通过材料内部晶体或原子的4）控制噪声的传播

①隔振利用隔振材料或采用隔振结构降低振动源的固体声传播。通过隔振可降低噪声10～30dB。隔振材料是弹性材料如塑料、橡胶、软木、塑料板、酚醛树脂、玻璃纤维板等，受力后相对变形量越大，隔振效果越好。隔振器是具有橡胶体（主要用于高频）、弹簧（螺旋弹簧或板弹簧，主要用于低频）、空气垫等隔振元件的隔振部件，根据不同要求形成系列产品供选用。。振动较大的机器，直接放在车间地面上，为减少振动对环境的影响常采用隔振沟结构。隔振沟处于机器与基础之间，宽度>100mm，填人松散软粘的物质，如石棉屑、粗砂等。1004）控制噪声的传播100

②吸声利用吸声材料（玻璃棉、矿渣棉、聚氨酯泡沫塑料、毛毡、微孔板等）及吸声结构贴附墙壁或悬挂在空中吸声。好的吸声材料能吸收入射声80%～90%，薄板状吸声结构在声波撞击板面时产生振动，吸收部分入射声，并把声能转化为热能。微穿孔板一个或两个腔的复合吸声结构利用声波通过的空气在小孔中来回摩擦消耗声能，且用腔的大小来控制吸声器的共振频率，腔愈大，共振频率愈低。空间吸声体是一种高放吸声结构，用穿孔板作成各种形状，中间填充超细玻璃棉、矿渣棉、毛毯等吸声材料。空间吸声体分散悬挂在车间或建筑物的夭花板上，声波由各个表面撞击声体，吸声效果好，降噪值可达10.5～12.5dB。101②吸声利用吸声材料（玻璃棉、矿渣棉、聚氨酯泡沫塑料、毛

③隔声利用隔声罩、隔声间、隔声门、隔声屏等结构，用声反射的原理隔声。简单的隔声屏能降低噪声5～10dB。1mm钢板作隔声门时，隔声量约为30dB；而好的隔声间可降低噪声20～45dB。

④消声将消声器、消声箱放在电机、空气动力设备及管道的进出口处，噪声可下降10～40dB，响度下降50％～93％，主观感觉有明显效果。消声器利用声阻、声反射、声干涉或空气柱共振等原理消耗声能，降低噪声。利用声阻消声的阻性消声器，当声波通过衬贴有多孔吸声杖料的管道时，声波将激发多孔材料中的无数小孔内的空气分子的振动，其中一部分声能将用于克服摩擦阻力和粘滞力而变为热能。102③隔声利用隔声罩、隔声间、隔声门、隔声屏等结构，用声反

图4-31为干涉型消声器，它将声波分为两路，使通过不同长度的途径在会合处产生振幅相等、位移相反的两种声波互相干涉而降低噪声。图4-31干涉型消声器103图4-31为干涉型消声器，它将声波分为两路，使通过不同长度

3）低噪声产品及零部件设计目前，国外已从噪声控制逐步发展为研制低噪声产品。设计低噪声产品时，必须分析产品中各部件的原理和结构对噪声的影响，从根本上来取综合措施以降低噪声。（l）低噪声齿轮传动根据日本加藤与西德尼曼（Niemann）教授提出的计算渐开线齿轮的噪声公式为：式中LA——在距声源lm处的声压A声级量值，dB；β——齿轮螺旋角；

k——系数，升速k＝4，降速k=8；i——齿数比；

fv——速度系数，齿轮精度低、线速度高，则fv减小；ε——重合系数；

P——传递功率，马力（1kw=1.36马力）。1043）低噪声产品及零部件设计式中LA——在距声源lm处的

利用上式可分析各多数对齿轮噪声的影响，并粗略估算齿轮噪声大小。降低齿轮噪声的主要途径：

①提高齿轮加工精度实验表明，齿轮加工精度提高一级，噪声可降低7～8dB。减小齿轮的线速度。噪声LA与线速度v的关系约为

LA＝av＋b，其中，a，b为常数。

②控制齿轮参数如加大斜齿轮的螺旋角β，减小模数，增加齿数或利用变位以增加重合系数。105利用上式可分析各多数对齿轮噪声的影响，并粗略估算齿轮噪声大

③改进齿轮结构图4-32改进齿轮结构以降低噪声轮齿修缘钻孔增加轮廓幅厚度106③改进齿轮结构图4-32改进齿轮结构以降低噪声轮齿修缘④采用阻尼材料涂层在齿轮端面用阻尼材料涂层，采用摩擦阻尼环如图或用高阻尼材料制造轮体。（2）通风机的降噪设计高速异步电动机采用风机通风降温，为降低通风机噪声，分析其噪声声功率W与以下参数有关。式中W——通风机声功率；

η——风机效率；

D——风机叶轮直径；；

n——风机转速；

Z——风路总风阻；

qη——体积流量。107④采用阻尼材料涂层在齿轮端面用阻尼材料涂层，采用摩擦阻10、提高精度原理

1）阿贝原则

2）补偿原则

3）误差缩放原则

4）误差配置原则10810、提高精度原理108第三节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。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。109第三节结构设计中的强度与刚度问题109一、通过结构设计降低应力减少变形1．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。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。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。110一、通过结构设计降低应力减少变形110直径D和质量m的影响：111直径D和质量m的影响：111

表6-1所示为四种不同的齿轮轴结构，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承支承，轴的直径不同，表中列出轴的直径(D)、质量(m)、轴的强度(W)、强度比(W/m)、刚度(I)、挠度(f)以及滚动轴承寿命（h）之间的关系。由表中数据可见，由于采用了空心轴结构，使得轴的强度和刚度显著提高，其中4号方案与1号方案相比，轴的外径增大到2.3倍，质量增加到2.2倍，而轴的强度和刚度分别增大到9倍和20倍。112112

表6-2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。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。113表6-2列出了8种截面积相等而截面形状不同的受弯矩梁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愈大愈好．如3号的刚度是l号的25倍；2）质量愈向弯曲中性面两侧分散(即质量向受力方向上的上、下两面集中)愈好，如5号的强度和刚度比3号又有大幅度提高。1141）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2.合理确定轴向尺寸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。1152.合理确定轴向尺寸1153．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能力的重要因素。例如对于悬臂支撑的轴系结构，设法通过结构设计缩短悬臂长度，可以有效地降低轴和轴承的载荷。1163．改善轴系支撑结构1166-20所示：轴端受力为F，假设轴承和支座是刚体，则轴本身变形引起轴端位移为f1；若假设轴为刚体时，由于轴承和支座的弹性变形而引起的轴端位移为f2。而实际上，它们均为弹性体，会同时产生弹性变形，故轴端总位移应为上述两种情况的叠加，即为：fE＝f1十f2。主轴组件的支承跨距对主轴本身刚度和对支承刚度有着很大的影响。L较大，则主轴变形较大；L较小，则轴承的变形对主轴前端的位移影响较大。最佳跨距L0

，可使主轴组件前端位移最小。主轴组件由于受结构限制以及保证主轴组件的重心落在两支承点之间，实际的支承跨距大于最佳的支承跨距。1176-20所示：轴端受力为F，假设轴承和支座是刚体，则轴本身变

分析：由于成本或结构的限制，轴和轴承(包括支座)的刚度都不能无限提高。因此必须合理选择，以求得最满意的结果。分析发现，跨距L和悬伸长度l之比L／l变化时，f1和f2在fE中的比重会随之变化，如图6—2l所示。曲线1和2分别为主轴本身引起的轴端位移和轴承引起的轴端位移L／l变化的函数曲线，曲线3则为上述两曲线合成的结果。fE最佳的问题！如实际跨距小于L0

，则综合刚度将急剧降低；如大于L0

，则刚度缓慢降低。所以实际跨距如不能等于L0

，则宁大勿小。通常，L0

=(2～3)ι。118分析：如实际跨距小于L0，则综合刚度将急剧降低；如大于L

图6-27所示为锥齿轮轴系支承方式的两种设计方案。图6-27a中两轴承采用正安装(面对面)方式，而图6-27b中两轴承采用反安装(背靠背)方式，由于支承位置相对于轴承的几何中心更偏向于支点外侧，使得实际悬臂长度变小，轴和轴承承载能力都得到提高。119图6-27所示为锥齿轮轴系支承方式的两种设计方案

图6-28所示的小锥齿轮轴系结构在原悬臂端增加了辅助支承，既提高了轴系结构的强度，同时也提高了刚度。120图6-28所示的小锥齿轮轴系结构在原悬臂端增加了

图6-25所示为两种吊车梁结构方案。图6-25a所示结构立柱位于梁的两端，当吊装重物位于梁的中部时，梁中部所受弯矩较大。图6-25b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，提高了吊车的承载能力。121图6-25所示为两种吊车梁结构方案。图6-25a所示4．充分发挥材料特性不同的材料具有不同的力学特性，结构设计中应根据所选用材料的特性，合理地确定适当的结构，最大限度地发挥材料的承载能力。例如铸铁材料的抗压强度远高于抗拉强度，所以选用铸铁材料制作抗弯结构时通常将截面设计为非对称结构，使零件结构的最大压应力大于最大拉应力。1224．充分发挥材料特性1224．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；图6—22所示为用三角珩架代替简支梁；材料为铸铁时，则考虑用受压代替受拉或受弯。图6—23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。显然图6—23b方案合理。1234．合理利用材料特性123

二、改善零件的受力状况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。1.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零件。如：采用多根V带、某些机床主轴采用并列的两个或多个相同的轴承等。如CW6163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力轴承分别承受径向力和两个方向相反的轴向力。124二、改善零件的受力状况124

图6-22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。图6-22a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。图6-22b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。125图6-22所示为机床主轴变速箱输入轴与带轮连接的两种结构设3．载荷均布(均化）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。1263．载荷均布(均化）126

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非对称布置，由于轴的弯曲变形，使得轮齿上的载荷沿齿长方向分布不均。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。

在图6-23a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，受到轴的扭转变形的影响，也会引起轮齿上的载荷沿齿长方向分布不均。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。如果将小齿轮放置在远离输入端的位置，两种作用会互相(部分)抵消，有利于提高承载能力。127如图6-23a所示的两级圆柱齿轮减速器中的齿轮相

图6-24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齿长方向分布不均的现象。128图6-24所示为一组齿轮端部结构，通过降低轮齿端部

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载荷会较多地集中在两端，图6—26a所示。若将轮齿截面修整成鼓形，使端部齿厚较中间部分小25～35um，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6—26b所示。129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不同，导致旋合各圈螺纹牙载荷相差很大。图6-27所示：第1圈牙受力可为第7圈的十几倍，这对于重载荷或重要部位的螺母是很严重的问题。图6-28所示为均化螺纹牙载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的最大载荷，使载荷趋于均匀。130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3．载荷抵消载荷抵消是设法在结构上将无用的力或有用力的不利作用全部或局部抵消。图6-29为机床主轴上传动力F2的不同布置形式，图中FI为切削力。a：部分抵消变形；b：部分抵消受力；c：均有抵消，但结构设计困难。利用偏心套抵消由于泵偏心引起的离心力：1313．载荷抵消载荷抵消是设法在结构上将无用的力或有用力三、预加载荷预加载荷是构件在制造或装配时就被施加一定的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。强化：以减小应力为目的（提高结构承载能力）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。预紧：以提高刚度、减小工作时再变形为目的的预加载荷方法称为预紧。132三、预加载荷132弹件强化是使构件在受工作载荷之前预受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，从而降低了构件的最大应力。1．弹性强化只使材料发生弹性变形通过拉杆两端的螺纹将其拉紧，使工字梁产生一个与工作时相反的预应力：即上半部受拉，下半部受压。当梁工作时，工作载荷所产生的应力恰与预应力相反。133弹件强化是使构件在受工作载荷之前预受一个与工作载荷相反的载荷如：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存一起，使内筒和外筒分别产生一定的预压应力和预拉应力．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。即此时通过外筒的应力增大而减小内筒的应力。134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

可以通过多种不同方法施加预应力。图6-32所示结构通过过盈配合的方法对厚壁筒施加预应力。承受高压的厚壁筒未施加预应力时周向应力如图6-32a所示。为了施加预应力，将厚壁筒改为双层套装结构，层间为过盈配合，使内、外层产生周向预应力，如图6-32b所示。在预应力的基础上施加工作载荷，工作载荷所产生的应力分布如图6-32c所示。由于原最大应力位置(内表面)的预应力与工作应力方向相反，使得最大应力降低，如图6-32d所示。135可以通过多种不同方法施加预应力。135

图6-33a所示为如果梁完全工作在弹性范围内的弯曲应力分布情况。图6-33b所示为当预加载荷产生的最大应力超过材料的屈服极限时的应力分布情况。在梁发生塑性变形后卸载，残余应力如图6-33c所示。在残余应力的基础上施加工作载荷，如图6-33d所示。由于在原最大应力位置的残余应力与工作应力部分抵消，使实际的最大应力水平降低，如图6-33e所示。2．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材料预先经塑性变形而产生一个与工作应力方向相反的残留应力，用以部分地抵消工件应力。136图6-33a所示为如果梁完全工作在弹性范围内的弯曲

以扭转为主的轴也可用类似方法进行塑性强化，如图6—33：图6—33a为预加的与工作转矩同向的转矩T’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，而且在构件工作时预加载荷已经撤出，靠残留应力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过一定限度。137以扭转为主的轴也可用类似方法进行塑性强化，如图6—33：图

3.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加一个约等于径向载荷20～30％的轴向力，弹性变形增加了接触面积，各滚子受力也趋于均匀．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，使其产生一定的初始变形．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。预紧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，而不是减少应力，故预应力应不超过一定限度。1383.预紧138上述三种预加载荷方法特点见表。

以上的设计方法在提高静强度的同时，对提高疲劳强度和刚度也是有益的。139上述三种预加载荷方法特点见表。以上的设计方法在提高静1、提高静刚度的设计方法刚度是机械结构性能的重要指标。机械结构依靠零部件之间形状、尺寸、位置关系实现其功能。刚度是表示零部件受力后形状变化程度的指标，形状变化过大可能会威胁到预定功能的实现以及实现的质量。四、有关强度和刚度的其它问题1401、提高静刚度的设计方法四、有关强度和刚度的其它问题140（1）采用桁架结构

由于桁架结构中的杆件只受拉、压，所以强度和刚度都较高。在机械结构中，合理采用桁架结构可以有效地提高结构的强度和刚度。141（1）采用桁架结构141

表6-3所示为桁架结构与悬臂粱的强度、刚度比较。在悬伸长度、杆件直径及载荷相同的条件下，悬臂梁的挠度是桁架结构的9000倍，最大应力是悬臂梁的550倍。与桁架结构最大应力相同的悬臂梁直径为桁架杆件直径的8倍多。与桁架结构挠度相同的悬臂梁直径为桁架杆件直径的10倍。142表6-3所示为桁架结构与悬臂粱的强度、刚度比较。142（2）合理布置支承轴系结构支承参数(跨距、悬伸长度)对轴系的刚度有重要的影响。例如：跨距对主轴前端位移的影响存在极值点，合理选择跨距可以使主轴获得最佳刚度。

（3）合理布置隔板与肋板基础件的主体结构多为板式框架结构。在主体结构中添加隔板是提高结构刚度的有效方法。布置隔板需要根据载荷的形式，合理地确定隔板的位置、数量和方向。当主体结构不同位置处的变形量不同时，应将隔板布置在变形量较大的位置。由于隔板自身为薄板结构，应使其受拉、压或沿刚度较大的方向受弯曲，避免隔板受扭或沿刚度较小的方向受弯曲。143（2）合理布置支承143

图6-35所示框架结构中添加的隔板都沿抗弯截面系数较大的方向承受弯矩。图6-35a结构如果沿虚线方向布置隔板，则隔板的抗弯截面系数较小，对提高结构的刚度贡献较小。图6-35b所示结构如果沿虚线方向布置隔板，则隔板受扭矩。144图6-35所示框架结构中添加的隔板都沿抗弯截面系数较图6-36所示为平置矩形截面及加肋矩形截面的形状及其几何参数。为平置截面添加肋板总能使刚度得到提高，但是截面的强度随着肋板相对高度的增大首先减低达到最小值后开始增大，只有在肋板相对高度大于某一数值后，才能使截面的强度和刚度同时得到提高。所以在选择使用肋板加强结构的局部刚度时应使肋板具有必要的高度。145图6-36所示为平置矩形截面及加肋矩形截面的形状及其几何参数2．提高疲劳强度和动刚度大量的零件承受交变载荷作用，疲劳失效是这些零件的主要失效方式，这些零件的设计要考虑交变应力作用的特点，