第六章机械结构设计

第六章机械构造设计

机械构造是机械功能的载体，机械构造设计的义务是在功能原理方案设计与总体设计的根底上，将原理设计方案构造化，确定机械安装的详细构造与参数。回想一下<机械设计>课程中学习的轴的构造设计的步骤和内容轴的构造设计的普通步骤：选择资料初估轴端直径思索轴上零件的布置、定位、固定、装拆、调整等要求，同时思索减少轴的应力集中和保证轴的构造工艺性，从而确定轴的构造〔轴的外形和尺寸〕刚度、强度等验算如有问题再做修正机械构造设计需求确定构造的组成〔方式与数量〕及其装配关系，确定一切零件的资料、热处置方式、外形、尺寸及精度。还必需思索加工工艺、强度、刚度、寿命、可靠性及零件间的相互关系等。所确定的构造不但要保证功能实现的能够性，而且要保证功能实现的可靠性，使得机械安装在任务中具有足够的任务才干和任务性能。两种构造设计：产品构造方案设计零件构造设计〔详细设计〕功能原理设计决议了产品的先进性、新颖性，构造设计那么决议了产品的质量和本钱〔70％~80％〕。构造设计是机械设计过程中内容最详细、涉及问题最多，任务量最大的环节。第一节零件的功能、相关与构造要素零件是构成机械安装的根本单元，机械安装的功能经过零件之间相互作用而实现。一、零件的功能机械零件在机械构造中的根本功能是：接受载荷、传送运动和动力，以保证机械安装实现正确的运动规律和运动轨迹。1．传送运动和动力摆杆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。2．接受载荷机械安装在任务中遭到多种力的作用，这些力都要由零件接受。这些力包括：机械安装任务所需的力零件所受的重力由于速度动摇使零件遭到的惯性力由于做旋转运动使零件遭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遭到介质的作用力〔液压力、风阻力〕对衔接构造施加的预紧力(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所示减速器构造中，齿轮传动所遭到的力经过轴传送给轴承，其中的径向力和切向力经过轴承传送给箱体，轴向力经轴承传送给端盖，再经端盖传送给箱体。接受载荷是使零件发生失效的重要缘由。正确分析构造的受力是进展构造的任务才干设计的根底。3.成形在工艺过程中，经过任务头的外形、运动方式和作用场，完成对对象物的成形。如切削机床上的刀具，冲压机床上的模具，锻压机床的锻锤，耕地用的犁等，都是起成形作用的任务头。4.其它功能起容器作用的零件(如油箱)可以包容物体(原料、燃料、废弃物等)起引导作用的构造可以引导其他零件的运动(如导轨、螺旋)可以引导流体或松散物体的流动可以引导场的分布，如使光波或声波发生反射或折射，影响电场或磁场的分布，引导热量的流动等

二、零件的相关在机械安装中，每一个零件都不是独立存在的，机械安装的功能是依托零部件的外形、尺寸和相对位置关系实现的。在机械安装中，必需使零部件之间坚持确定的关系，才干保证其功能的实现，才干使零件组成机器。这种零件之间确实定性的关系称为零件之间的相关。有些零件之间的相对位置关系是经过零件外表之间的直接接触实现的。如轴与装配在轴上的齿轮，经过轴径圆柱外表确定它们之间的径向相对位置关系，经过轴肩端面确定它们之间的轴向相对位置关系；相互啮合的一对齿轮经过齿面间的接触确定两轮之间的相对转角关系〔传动角〕。这种经过零件外表直接接触实现的相关关系称为直接相关关系。有些零件之间的某些关系需求经过其他零件之间的一系列的直接相关关系的组合来实现。如轴与装配在轴上的齿轮之间的周向位置关系是经过各自与键的接触问接实现的，两轴之间的平行关系是经过轴与轴承之间、轴承与箱体之间的直接相关关系间接实现的。这类相关关系称为间接相关关系。三、零件的构造要素零件的形体通常由多个外表构成，这些构成零件形体的外表成为零件的构造要素。一个零件与其他零件构成直接相关关系的构造要素，或与任务介质相接触的构造要素称为任务要素(或任务外表)，其他构造要素称为衔接要素(或衔接外表)。

每一个零件都有任务外表。零件的任务外表决议着零件的任务才干和任务质量，所以零件任务外表的设计是零件设计的中心问题。每个零件的任务外表都不是孤立存在的，每个工件外表和与之相接触的外表相互配合，共同起作用，所以零件的任务外表都是成对进展设计，设计中共同思索资料的选择搭配，外表的外形、尺寸，配合公差的分配，热处置方式的选择等。例如螺栓和螺母的螺纹任务外表共同设计，滑动轴承与轴的轴颈外表共同设计，自动齿轮和被动齿轮的齿廓外表共同设计。

任务外表鉴于任务外表对零件任务才干影响的重要性，因此常用零件任务外表的设计计算方法有相应的规范(有些属于国家规范)，这些规范所规定的算法严厉、一致、规范。衔接外表将各个任务外表衔接成为完好形体，并保证零件的任务外表的外形、尺寸和位置在任务中不被破坏。衔接外表的设计方法较为灵敏，没有一致的过程和规范，也不要求有一致的过程和规范，因此零件的衔接外表设计是设计人员最能发扬发明性思想的重要方面。衔接外表设计方法虽较灵敏，但也应遵守以下的原那么：不影响任务外表的功能不影响零件运动不影响操作在不违背以上原那么的前提下，还应尽能够兼顾零件的强度、刚度、寿命、工艺性、经济性、美观等要素。衔接外表在如图6-4所示的支架零件中，与轴颈外表接触的孔外表、与箱体接触的底面和与螺母端面接触的凸台上表而为任务外表，其他外表均为衔接外表，在不违背衔接外表设计原那么的前提下，经过改动衔接外表的尺寸、位置及衔接关系，可将零件构造分别设计成如图6-5所示的多种构造。第二节构造方案设计的根本原那么与原理一、构造设计的根本原那么确定和选择构造方案时应遵照三项根本原那么：明确、简单和平安可靠。1．明确(1)功能明确要求对于设计义务规定实现的每一项功能都必需对应于某些详细的构造要素，同时每一项构造要素要对应于某一项或多项〕功能要求。这项原那么保证一切的功能要求都可以实现，同时不存在多余的构造要素。传送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构造。传送转矩、零件的轴向定位两种功能都是由圆锥面承当，是一种好构造。(2)任务原理明确在功能原理设计中需求经过某种(或某些)物理过程实现给定的功能要求。实践运用的机械安装在任务中必然同时进展着多种物理过程，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外形、尺寸、位置变化等，还有电、磁、光、化学等过程，设计中应充分思索这些自然过程的进展对机械安装的任务过程以及对环境的影响；对能够影响主要功能实现的自然景象要采取必要的应对措施。

设计者原意是滚针轴承承当径向力，向心球轴承接受轴向力。实践上，两个轴承都能接受径向力，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。滚针轴承承当径向力，推力球轴承接受轴向力，径向力和轴向力接受者都很清楚，因此功能和作用原理都明确。〔3)任务形状明确在构造设计中，零件的资料选择及任务才干分析均根据对构造的任务形状分析进展。设计中应防止出现能够呵斥某些要素的任务形状不明确的构造。如图6—7所示的轴系构造中，轴系任务中会因发热使轴伸长，轴承端盖与滚动轴承外圈应不接触，否那么端盖能够参与轴向力的传送，使任务形状不明确。

2．简单在构造设计中，在同样可以完胜利能要求的条件下，应优先选用构造较简单的方案。构造简单表达为构造中包含的零部件数量较少，公用零部件数量较少，零部件的种类较少，零件的外形简单，被加工面数量较少，所需加工工序较少，构造的装配关系较简单。构造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转本钱；简单的构造还有利于提高安装的可靠性，有利于提高任务精度。

3．平安可靠要求机械安装的任务平安可靠包括3个方面的内容：1)设计要求的功能要可靠地实现。2)在任务中，特别是在出现缺点的情况下，保证操作机器的人员的平安。3)在任务中，特别是在出现缺点的情况下，保证机器设备本身及相关设备的平安。(1)直接平安技术经过设计，保证安装在任务中不出现危险，满足平安性要求的设计技术，称为直接平安技术，称为固有平安性。这种方法应保证机械安装具有足够的任务才干，不但保证静强度，而且应保证疲劳强度和寿命，保证构造在发生磨损、因受力及受热而发生变形情况下不失效。当安装发生过载时应实现自我维护，使零部件不发生损坏，过载工况解除后系统可自行恢复正常任务状。直接平安技术还应防止由于错误操作而引起事故，当操作者发生错误操作时，控制安装能自动封锁设备或使设备无法起动。运用直接平安技术保证机械设备的平安虽然可靠，但在很多情况下这是不经济的方法，在有些情况下由于技术条件限制，无法运用直接平安技术。

(2)间接平安技术间接全技术使得当系统发生缺点时所呵斥的损失较小，系统的任务形状较容易恢复。间接平安技术可以在传动链中设置平安维护安装，使得当系统发生过载时，平安维护安装中的某些构造损坏，使传动链中断，维护传动链中的其他零件(特别是重要零件)不受损坏。使得零件损坏呵斥的影响范围尽量小。如图6-10所示的剪切销平安离合器就是对传动链起维护作用的平安安装。设计中使销的承载才干小于系统中其他零件的承载才干，发生过载时销被剪断，使传动链中断。经过改换销可恢复传动链任务。间接平安技术也可以在安装中设置冗余任务系统，使得当某些零件因损坏不能完成预定功能时冗余任务系统投入任务，替代原系统功能。这种方法适用于对系统可靠性要求较高，系统功能不允许中断的情况。这种方法添加了系统的复杂性，同时也提高了本钱。例：飞机发动机的双驱动、三驱动和副油箱；压力容器中两个平安阀；为确保煤矿井下绝对平安，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)。(3)提示性平安技术法当由于技术或经济缘由不适宜采用前面两种技术的情况下，可以采用提示性平安技术。当缺点发生时，采用文字、图像、灯光、声音等措施提示运用者，或者使其排除缺点，或使其避险。提示信息应准确、及时，并尽能够全面。二、构造设计的原理1.等强度原理等强原理要求设计者确定的构造参数应使构造的各部分具有一样或类似的承载才干。在机械构造设计中，提高构造的承载才干通常会添加本钱。而机械安装整体的承载才干取决于承载才干最低的构造要素。等强原理在承载才干相等的前提下使总本钱最低。根据等强原理，当构造中某个构造要素的承载才干低于其他构造要素时，经过提高这个薄弱的构造要素的承载才干以提高整个构造的承载才干是最经济的方法。留意以下几点：1)假设在某些构造中追求等强会增大本钱，那么应放弃等强原理。例如在滚动轴承轴系构造设计中，同一轴系两端的两个轴承通常受力不同，假设要求其任务寿命或承载才干一样，就需求选用不同型号的轴承，这虽然可以降低轴承本钱，但是会增大加工轴承孔的工艺本钱，所以应放弃等强原理。2)不同构造要素的任务原理不同，承载才干的差别很大，使任务原理不同的构造要素的承载才干一样能够会使构造比例不协调。例如自行车的车架和轴承、轮胎的承载才干相差较大，这种情况下通常采用多次改换易损零件的方法处理，将承载才干较低的构造零件设计成较易改换的构造。3)为维护重要零部件，设计中使某个零部件的承载才干较低，经过牺牲廉价易改换零件的方法维护重要零部件。4)有些构造参数有规范系列值，在按照等强原理进展设计后应按规范系列圆整参数。2．变形协调原理衔接构造的功能要求被衔接件之间要坚持接触，假设被衔接件在预紧力及任务载荷作用下的变形方向不一致，变形规律不一致，会使被衔接件之间发生相对位移。在衔接外表上需求产生附加变形以补偿相对位移，使被衔接件坚持接触。附加位移使载荷在接触面间的分布不均匀。在衔接构造设计中，应使被衔接件的变形方向和变形规律相一致，使相对位移量较小，以减小附加变形，使载荷在接触面间均匀分布。螺栓联接预紧后，外螺纹受拉伸长，螺距加大，内螺纹受紧缩短，螺距减小。螺距的变化使螺纹牙产生附加弯曲变形，呵斥预紧力在螺纹牙之间分布不均匀。图6-11所示为当螺纹任务圈数为10圈时的载荷分布情况。由于第一圈螺纹承当总载荷的三分之一，使总体承载才干降低。图6-12a所示为悬置螺母，使内外螺纹在任务中均受拉伸，变形方向一样；图6-12b所示为环槽螺母，使原受力最大的几圈螺纹的内外螺纹变形方向一样。这些措施有利于改善载荷分布不均的任务情况，提高构造的总体承载才干。3．义务分配原理机械构造的功能依托一切的零部件及其构造要素协调任务来实现。机械功能在零部件间的分配关系通常有以下3种能够：1)多个零件共同完成一个功能。2)一个零件完成一个功能。3)一个零件完成多个功能。

设计中要根据功能要求合理确定功能分配方法。一个零件完成多个功能有利于简化构造，降低本钱。但是多种功能通常对零件提出不同的技术要求，有些要求很难在同一个零件上实现，这种情况下就需求对功能进展分解。一个零件完成一个功能的分配方法有利于分析和优化设计。对于有些复杂的功能，要求由多个零件协作完成通常是必要的。轴承的密封和定位用同一个构造1来完成，需用圆钢车成，其制造费用高。不同的密封和定位构造密封和定位分别由1挡圈和2轴套承当，2可用管料车成，节约资料、减少加工时间。V带传动要求传动带资料具有摩擦因数大、抗拉、耐磨、易弯、价廉的特点，运用单一资料很难同时满足这些要求，如今普遍采用的传动带是经过强力纤维、橡胶和帆布的组合构成的。采用同一种资料制造的零件，可以对零件的不同部位实施不同方式的热处置，使其具有不同的力学性能。蜗杆传动设计中要求蜗轮齿廓外表资料具有较好的抗胶合性，同时要求轮毂资料具有较高的强度，传送动力的蜗轮通常采用装配构造，轮缘采用青铜合金，轮毂采用钢或铸铁。

4．自助原理

在构造设计中，经过正确地选择构造方式及零件之间的衔接关系，可以使零件及其构造要素之间构成相互支持的关系，称为自助。

常见的自助原理的运用方式有：自加强自平衡自维护(1)自加强安装在初始形状下具备某种功能，在任务形状下这种功能会有改动，假设在任务形状下有用的功能得到强化那么称为自加强。

如图6-13所示压力容器，如采用图6-13a所示构造，任务压力有利于加强端口密封功能；如采用图6-13b所示构造，任务压力对密封功能有损害作用。自加强作用的密封安装，压力P使带锥面圆盘1更严密地压在密封2上，这就是利用主参数压力P产生了加强密封的辅助作用。2)自平衡在机械安装任务过程中会出现多种物理过程，其中有些过程会对构造产生不利的影响，经过设计选择构造方式，可以使一些不利要素相互抵消。机械安装在传送任务载荷的同时需求承当一些不做功的力，由于这些力的作用，使得机械安装传送有用任务载荷的才干降低。在构造设计中，应尽力降低这些不做功的力的作用程度，减少其作用范围。如图6-7所示斜齿圆柱齿轮轴系构造，齿轮传动产生的轴向力经齿轮传送给轴，再经多个轴上零件和滚动轴承传送到箱体，这些零件都要接受轴向力的作用；轴向力的作用会影响滚动轴承接受径向载荷的才干。在如图6-15所示的双斜齿轮轴系构造中，由于两个斜齿轮动产生的轴向力作用范围减小，使滚动轴承的任务寿命提高。图6-16所示为叶片泵中的叶片受力情况分析。在图6-16a所示构造中，介质作用力会对叶片根部产生较大的弯曲应力；在图6-16b所示构造中，将叶片向一侧倾斜，使得叶片在高速旋转中的离心力对叶片根部产生的弯矩与介质作用力产生弯矩方向相反，有抵消作用。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’为自动齿轮轴承和被动齿轮轴承所接受的径向力。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，延伸了轴承的寿命。3)自维护当构造出现过载或其他不测情况时能够呵斥零件损坏。有些构造要素具有防止过载或其他不测情况发生的作用，可以维护本身及其他零件免受损坏。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所示摩擦离合器构造，当传送载荷到达最大载荷时，在内、外摩擦片之间发生打滑，使传动链中断，不但不会呵斥离合器零件的损坏，而且维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。弹簧任务应力与变形量正比，变形量过大会使弹簧失效。如图6-18所示的紧缩弹簧构造，当变形到达一定量时弹簧被压并，无法继续变形，对弹簧丝起到维护作用。5．稳定性原理机械安装任务过程中会有一些干扰要素作用，经过合理的构造设计会使得当这些干扰要素出现时，系统自动产生一种与之作用相反的作用，使系统坚持稳定形状。对于热膨胀变形而产生的干扰，需求在构造设计中采取措施，使之消除。图(a)，圆锥滚子轴承正装〔面对面〕，由于轴发热伸长，使轴承内部的游隙减少甚至卡死，呵斥任务不稳定；图(b)，圆锥滚子轴承反装〔背靠背〕，不会因轴承内部的游隙减少甚至卡死而呵斥任务不稳定。图6-19所示为自行车前轮及转向部分表示图，前叉立管延伸线与路面交点A位于车轮与路面交点的前面，当前轮因干扰要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。图6-20所示为汽车前轮转向表示图，当前轮由于干扰要素被转向时，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形状的趋势，这种作用使前轮恢复向前行驶的正确方向。图6-21所示为用于柴油发动机的调速器表示图，当发动机任务中由于干扰要素使发动机任务转速升高时，飞球因离心力增大被甩开，推进推力盘及供油拉杆向右挪动，使喷油泵柱塞转动，供油量减小，发动机恢复正常转速。第三节构造设计中的强度与刚度问题机械零部件的根本功能之一是承当载荷。在载荷的作用下零部件能够会因损坏或发生较大变形而影响机械安装主要功能的实现。具有足够的强度和刚度是机械功能对零部件的根本要求。在通常情况下，增大零部件的尺寸和增大资料体积可以提高其强度和刚度。但是这种方法会同时增大安装的体积，提高本钱。本节讨论以较小的零部件尺寸和资料体积获得较高强度与刚度的设计方法。一、提高静强度的设计方法1．采用合理的截面外形由于加工工艺的缘由，轴类零件多采用实心圆柱形截面。对于接受弯矩或转矩的轴类零件，由于资料分布间隔轴心线较近，对承当载荷的奉献较小。假设采用空心轴构造，使较多的资料远离轴心线，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，承载才干提高。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。表6-1所示为四种不同的齿轮轴构造，其中齿轮构造一样，轴的跨距及支承情况一样，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，由于采用了空心轴构造，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，质量添加到2.2倍，而轴的强度和刚度分别增大到9倍和20倍。表6-2列出了8种截面积相等而截面外形不同的受弯矩梁的强度及刚度的比较值。由表中数值可见，在截面积一样的情况下，分布在远离中性轴位置的资料越多，梁的强度和刚度都显著提高。所以，在资料体积一样的条件下，经过合理地选择截面外形，可以获得较大的承载才干。2．载荷分流对于接受较大载荷或复杂载荷的零件，可以经过将部分载荷分流到其他零件或其他构造的方法降低关键零件的危险程度。

图6-22所示为机床主轴变速箱输入轴与带轮衔接的两种构造设计方案。图6-22a所示将带轮与输入轴直接衔接，将压轴力和转矩直接作用于轴，使轴同时遭到弯曲应力和改动切应力的作用，交变的弯曲应力成为影响轴强度的主要要素，从而影响构造整体的承载才干。图6-22b所示将压轴力经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，轴只接受由转矩产生的改动切应力作用，构造整体的承载才干得到提高。3．载荷均布机械构造中载荷的空间分布通常是不均匀的，构造设计必需使构造中载荷最大的位置、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构造的承载才干。经过合理的构造设计，使载荷的空间分布更均匀，降低最危险处的载荷程度，可以有效地提高构造整体的承载才干。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所示的构造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呵斥轮齿上的载荷沿齿长方向分布不均的景象。

在图6-23a所示的方案中，各轴不但会发生弯曲变形，而且会发生改动变形，特别是输入级的小齿轮，遭到轴的改动变形的影响，也会引起轮齿上的载荷沿齿长方向分布不均。假设将小齿轮放置在接近输入端的位置，由于轴的弯曲变形和改动变形引起的轮齿上载荷沿齿长方向分布不均的作用会相互叠加。假设将小齿轮放置在远离输入端的位置，两种作用会互自动相(部分)抵消，有利于提高承载才干。图6-24所示为一组齿轮端部构造，经过降低轮齿端部的刚度缓解由于齿长方向误差和及变形呵斥的轮上载荷沿齿长方向分布不均的景象。图6-25所示为两种吊车梁构造方案。图6-25a所示构造立柱位于梁的两端，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，提高了吊车的承载才干。4．改善轴系支撑构造轴系构造的方式是影响轴及轴上零件承载才干的重要要素。例如对于悬臂支撑的轴系构造，设法经过构造设计缩短悬臂长度，可以有效地降低轴和轴承的载荷。图6-26所示为锥齿轮轴系构造的两种设计方案。图6-26a中的锥齿轮轮毂向支点内侧延伸，使得齿轮传动力作用点位置远离支承点，使悬臂加长。图6-26b中的锥齿轮轮毂那么向支点外侧延伸，使得齿轮传动力作用点位置接近支承点，使悬臂缩短从而提高了承载才干。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，使得实践悬臂长度变小，轴和轴承承载才干都得到提高。图6-28所示的小锥齿轮轴系构造在原悬臂端添加了辅助支承，既提高了轴系构造的强度，同时也提高了刚度。5．充分发扬资料特性不同的资料具有不同的力学特性，构造设计中应根据所选用资料的特性，合理地确定适当的构造，最大限制地发扬资料的承载才干。例如铸铁资料的抗压强度远高于抗拉强度，所以选用铸铁资料制造抗弯构造时通常将截面设计为非对称构造，使零件构造的最大压应力大于最大拉应力。如图6-29所示构造中，将肋板非对称设置，其中图6-29a所示肋板的最大拉应力大于最大压应力，而图6-29b所示肋板的最大拉应力小于最大压应力，与资料本身的力学特性相吻合，充分发扬资料特性，具有更高的承载才干。当资料为钢材时，应尽量使其接受拉、压应力，这样会比接受弯曲应力的构造更有利。如图6-30所示的构造中，图6-30b用桁架构造替代了图6-30a的简支梁构造，在跨距L和载荷F不变的情况下，可以使构造参数d远小于D，节省了资料，降低了质量。6．合理强化假设在构造接受任务载荷之前对其施加与任务载荷相反方向的载荷，使得构造由于预加载荷产生的应力与任务载荷产生的应力可以部分地相互抵消，使构造的最高应力程度降低，具有接受较大的任务载荷的才干。这种经过预加载荷的方式提高构造承载才干的方法称为构造强化。假设预加载荷只使资料发生弹性变形，那么称为弹性强化；假设预加载荷使资料发生塑性变形，那么称为塑性强化。图6-31所示梁在接受弯曲载荷之前用高强度螺杆对其施加预应力，预应力的方向与任务应力方向相反，有利于提高梁的承载才干。可以经过多种不同方法施加预应力。图6-32所示构造经过过盈配合的方法对厚壁筒施加预应力。接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构造，层间为过盈配合，使内、外层产生周向预应力，如图6-32b所示。在预应力的根底上施加任务载荷，任务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(内外表)的预应力与任务应力方向相反，使得最大应力降低，如图6-32d所示。图6-33所示为对梁进展塑性强化对其所受应力的影响。图6-33a所示为假设梁完全任务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越资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，剩余应力如图6-33c所示。在剩余应力的根底上施加任务载荷，如图6-33d所示。由于在原最大应力位置的剩余应力与任务应力部分抵消，使实践的最大应力程度降低，如图6-33e所示。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。二、提高静刚度的设计方法刚度是机械构造性能的重要目的。机械构造依托零部件之间外形、尺寸、位置关系实现其功能。刚度是表示零部件受力后外形变化程度的目的，外形变化过大能够会要挟到预定功能的实现以及实现的质量。1．采用桁架构造由于桁架构造中的杆件只受拉、压，所以强度和刚度都较高。在机械构造中，合理采用桁架构造可以有效地提高构造的强度和刚度。表6-3所示为桁架构造与悬臂粱的强度、刚度比较。在悬伸长度、杆件直径及载荷一样的条件下，悬臂梁的挠度是桁架构造的9000倍，最大应力是悬臂梁的550倍。与桁架构造最大应力一样的悬臂梁直径为桁架杆件直径的8倍多。与桁架构造挠度一样的悬臂梁直径为桁架杆件直径的10倍。2．合理布置支承轴系构造支承参数(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正确刚度。

3．合理布置隔板与肋板根底件的主体构造多为板式框架构造。在主体构造中添加隔板是提高构造刚度的有效方法。布置隔板需求根据载荷的方式，合理地确定隔板的位置、数量和方向。当主体构造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。由于隔板本身为薄板构造，应使其受拉、压或沿刚度较大的方向受弯曲，防止隔板受扭或沿刚度较小的方向受弯曲。图6-35所示框架构造中添加的隔板都沿抗弯截面系数较大的方向接受弯矩。图6-35a构造假设沿虚线方向布置隔板，那么隔板的抗弯截面系数较小，对提高构造的刚度奉献较小。图6-35b所示构造假设沿虚线方向布置隔板，那么隔板受扭矩。图6-36所示为平置矩形截面及加肋矩形截面的外形及其几何参数。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到达最小值后开场增大，只需在肋板相对高度大于某一数值后，才干使截面的强度和刚度同时得到提高。所以在选择运用肋板加强构造的部分刚度时应使肋板具有必要的高度。三、提高疲劳强度的设计方法大量的零件接受交变载荷作用，疲劳失效是这些零件的主要失效方式，这些零件的设计要思索交变应力作用的特点，提高抗疲劳强度。1．缓解应力集中应力集中是影响接受变应力的零件承载才干的重要要素。在零件截面外形发生变化处的资料内部力流会发生变化。如图6-38所示，部分力流密度的添加呵斥应力集中。零件截面外形的变化越忽然，应力集中就越严重，构造设计中应尽力防止应力较大处的零件外形急剧变化，以减小应力集中对强度的影响。零件受力变形时，不同位置的变形阻力(刚度)不一样也会引起应力集中。经过降低应力集中处附近的部分刚度可以有效地降低应力集中。例如图6-39a所示过盈衔接在轮毂端部应力集中严重，图6-39b、c、d所示构造经过降低轴或轮毂相应部位的部分刚度使应力集中得到有效缓解。2．防止应力集中源的聚集由于功能的需求，在零件构造中能够存在多种外形变化，这些变化都会引起零件中的应力集中；假设多种变化出如今同一位置或过于接近，将引起应力集中的加剧。如图6-40所示的轴构造中，台阶和键槽端部都会引起轴的应力集中。图6-40a的构造将两个应力集中源设计到同一截面处，加剧了部分的应力集中；图6-40b构造使键槽长度略短于轴段长度，防止了应力集中源的聚集。3．降低应力幅对于接受变载荷作用的零件，应力幅对疲劳强度的影响远大于平均应力的影响。例如接受轴向变载荷作用的普通螺栓组联接，预紧力影响螺栓的平均应力，任务载荷影呼应力幅；经过改动螺栓与垫片的相对刚度，可以降低螺栓杆上的应力幅。

四、提高接触强度与接触刚度的设计方法高副接触零件的接触点处表层会出现较大的接触应力和接触变形，接触点的综合曲率半径和接触元素的数量是影响接触应力和接触变形的重要要素。1．增大综合曲率半径根据接触实际，接触应力与综合曲率半径成反比关系。例如在渐开线齿轮传动设计中，经过采用正变位，使任务齿廓远离基圆，使综合曲率半径增大，可以有效地提高齿轮传动的承载才干。如图6-42所示的球面接触构造中，将其中一个接触外表改为平面或凹面(图6-42b或c)，对于提高接触强度和接触刚度都是有益的。2．添加接触元素数量接触元素数量的添加可以降低单个接触元素所接受的载荷。在齿轮传动设计中，设法增大重合度，添加同时参与承载的轮齿数量，可以降低单个齿所接受的载荷。在图6-43所示行星轮系设计中，添加行星轮的数量，也可以降低单个轮齿的实践承载量。3．用低副低替高副在图6-44所示的构造中，用低副(面接触)零件替代高副(点、线接触)零件，可以有效地提高构造的强度和刚度。但是高副与低副对运动自在度的限制不同，为保证在用低副替代高副的转变中坚持自在度不变，需求在原有构造中添加其他零件。4．经过预紧提高接触刚度预紧是施加一个与任务载荷方向一样的预加载荷，使零件产生一定的与任务时同方向的弹性变形、以减少任务时的进一步变形，从而提高刚度。例如多数弹簧都预加了一个初载荷，使其产生—·定的初始变形，以保证其具有足够的刚度和任务弹力。螺栓在装配时产生的拉力实践上也是预加载荷，任务时接受拉力的较长螺栓必需有足够的预紧力才干保证被联接件的联接刚度。预紧的特点是预加载荷与任务载荷方向一样，任务时不撤出，因此，任务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，故预应力应不超越一定限制。对滚动轴承轴系的预紧是指在轴系接受任务载荷之前对其施加预加载荷。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，弹性变形添加了接触面积，各滚子受力也趋于均匀，从而提向了轴承的刚度。经过预紧提高刚度的同时增大了滚动轴承接受的载荷。这种方法只运用在以轴系刚度及精度为主要设计目的的情况下。由于预紧所引起的轴接受力对预紧量很敏感，预紧过程中对预紧量要准确控制。第四节构造设计中的精度问题机械安装主要经过零部件的外形、尺寸、相对位置关系实现其预定功能。所以零部件的外形、尺寸及相对位置的准确程度，直接关系着机械安装所实现的预定功能的质量。传动零件精度的提高有利于提高所传送运动的规律的准确性和运动的平稳性，不但有利于降低噪声，减轻振动，而且有利于提高传动系统的承载才干。零部件的外形及尺寸精度与加工过程亲密相关。零部件的加工精度越高，对提高机械安装的任务质量越有利。但是加工精度的提高会使本钱提高。正确的构造设计可以在同样的本钱条件下获得较高的系统精度。一、误差分类按引起误差的缘由可将误差作如下分类：1．原始误差在零部件加工、安装、调整过程中产生的误差。2．原理误差由于采用近似的任务原理所产生的误差。3．任务误差在机械安装任务中由于零部件受力、受热、磨损等缘由呵斥零件的外形变化，这种由于任务中的外形变化所引起的误差称为任务误差。4．回程误差由于运动副之间存在间隙，当运动方向改动时由运动副间隙引起的误差。二、提高精度的设计方法1．有利于减少原始误差的构造设计措施〔1〕在一样的加工条件下，通常较小的公称尺寸、较小的丈量范围，更容易实现较高的精度。在构造设计中，对有精度要求的构造要素，应在保证构造功能的前提下尽量减小其公称尺寸，减小精度约束的范围。如图6-47所示的轴系构造中，与齿轮配合的轴颈和与右侧轴承内圈配合的轴颈有较高的尺寸精度和外表粗糙度要求，而与毡圈密封配合的轴段对尺寸精度要求较低，所以如图6-47a所示将其沿长度方向分为不同直径的3个轴段。假设如图6-47b所示，将这3个轴段加以合并，那么使轴段的长度方向尺寸增大，实现一样精度要求的难度也就加大，因此这种方案不宜采用。〔2〕假设某个作用尺寸由多个尺寸元素构成，那么该尺寸的公差为组成它的各尺寸元素的公差之和，组成元素越多，作用尺寸的精度越低，所以对要求精度较高的尺寸应减少其组成元素数量，尽量使其可以直接得到。

如图6-48所示的构造中，标注“120〞的尺寸为作用尺寸，假设按照图6-48b所示的方法标注，那么该尺寸由3个根本尺寸组成，累积误差较大；假设按照图6-48c所示的方法标注，那么该尺寸可以直接得到，容易获得较高的精度。〔3〕有些作用尺寸对精度要求较高，但是由于构造的关系，不可防止地由较多的尺寸元素构成。在这种情况下，可以在组成该尺寸的各尺寸元素中设置一个可调整尺寸环节，以便在装配工序中可根据实践需求，经过调整这个尺寸实现对作用尺寸的精度要求。如下图的轴系构造中，滚动轴承的轴向间隙对精度要求较高，并且由较多的尺寸元素组成，经过提高一切这些尺寸元素的精度实现对轴向间隙的精度要求是不经济的方法。图示构造中位于轴承端盖与箱体之间的垫片厚度具有可调整尺寸，由于调整垫片的存在，可以降低对构成轴承间隙的其他尺寸元素的精度要求。2．补偿系统误差〔1〕对于知影响要素的系统误差，可以根据引起误差的缘由，采取相应的措施加以补偿。螺纹加工机床的加工精度与机床本身丝杠的螺纹精度有重要关系，为提高机床的加工精度，可以经过螺距校正安装纠正由于基准丝杠螺距误差引起的加工误差。首先经过丈量得到基准丝杠的螺距误差随长度变化的规律(螺距误差曲线)，将误差曲线按需求的比例放大，得到校正曲线，并做成凸轮(校正板)。在刀架挪动过程中，校正板推进挺杆，挺杆将运动传送给螺母，使螺母作微小的转动；螺母的转动使得螺旋传动的从动件产生附加挪动，补偿由于丝杠的螺距误差呵斥的运动误差。〔2〕零件接触外表的磨损使零件的外形和尺寸发生变化。设计中假设使得多个相关零件的磨损对执行零件的作用相互抵消，那么可以提高执行零件的动作精度。图6-50a所示的凸轮机构中，凸轮与摆杆之间的接触点及摆杆与执行零件之间的接触点的磨损量对执行零件的任务位置的影响相互叠加，而图6-50b所示机构中这两点的磨损量对执行零件的任务位置的影响相互抵消，使执行零件的动作精度得到提高。〔3〕假设无法使磨损的影响相互抵消，可以在构造中设置调整环节，当磨损量累积到一定程度时，经过调整使系统恢复正确的任务形状。图6-51所示为滚动轴承轴系的轴向间隙调整构造，当由于磨损使轴系的轴向间隙增大到一定程度时，经过调整端盖上的螺钉使轴承外圈向右挪动，恢复正确的轴向间隙。3．误差均化在机构中假设有多个作用点对同一个构件的运动起限制造用，那么构件的运动精度高于任何一个作用点单独作用时的精度。图6—53所示的双蜗杆驱动机构由两个一样参数的蜗杆共同驱动同一个蜗轮，由于均化作用，蜗轮的运动误差小于任何一个蜗杆单独驱动的误差。4．利用误差传送规律由多级传动机构组成的传动系统在将输入运动传送到输出级的同时，也将各级传动机构所产生的误差向后续机构传送。

图6-54所示为由三级机械传动组成的减速专动系统，第一级输入角速度w1，输出角速度除包括对w1的变换以外，还包括本级传动所产生的误差。在输出角速度中，包含了各级传动所产生的误差的叠加，但是各级误差对输出误差的影响不一样。假设合理地分配各级的传动比，合理选择各级传动件精度，可以较经济地实现合理的精度。经过分析误差的构成可以发现，假设为多级传动的最后一级选择较大的传动比，那么使前面各级传动所产生的误差对最后的运动输出根本不起作用，只需为最后一级传动零件选择较高精度，即可提高整个传动系统的传动精度。对降速系统而言，末级传动对精度影响最大，故精细传动最末级往往采用传动比很大的精细蜗轮副，以此控制系统运动的精度。5．合理配置精度机械系统的精度受系统内各环节精度的综合影响，但是不同环节对任务精度的影响程度不一样，在构造设计中应为不同位置设置不同的精度，为敏感位置设置较高精度，这样做可以经过较经济的方法获得合理的任务精度。在机床主轴构造设计中，提高主轴前端的旋转精度是重要的设计目的。主轴前支点轴承和主轴后支点轴承的精度都会影响主轴前端的旋转精度，但影响的程度不同。由图6-55可见，前支点误差所引起的主轴前端误差为:显然前支点的误差对主轴前端的精度影响较大。所以在主轴构造设计中，通常为前支点设置具有较高精度的轴承。6．选择较好的近似机构有些运用中为简化机构而采用近似机构，这会引入原理误差，在条件允许时应优先采用近似性较好的近似机构以减小原理误差。7．采用有利于施工的构造〔1〕机械安装的原始精度是经过一系列的工艺过程实现的。假设设计中充分思索工艺过程的善耍，采用有利于工艺过程实施的构造，就可以较容易地实现较高的精度。如图6-57所示零件要求两端轴径同轴，在同一次装卡中完成对两个轴径的加工是保证同轴度的最简单的方法。但是图6-57a所示的构造不容易实现这一点，图6-57b所示在原构造的一端添加了一个工艺性轴段，经过这个轴段可以实如今同一次装卡中完成对两个轴径的加工，保证同轴度精度的实现。〔2〕一项精度要求假设无法检验，或无法提供相应精度的检验方法，那么无法保证精度要求的实现。在构造设计中要充分思索检验工具和检验工艺的要求，使得所提出的每一项要求都可被检验。图6-59表示键槽深度参数中只需A1是可以直接丈量的参数。〔3〕加工后满足精度要求的零件在装配中由于装配力的作用，也能够发生变形，影响任务精度。图6-60a所示导轨构造，假设安装外表(下外表)不平，在装配中施加的装配力会呵斥寻轨任务外表(上外表)变形；如将构造改为图6-60b所示，装配力对构造变形的影响较小，有利于提高导轨精度。8．阿贝原那么1890年，阿贝(Abbe)提出关于量仪设计的原那么：“欲使量仪给出正确的丈量结果，必需将仪器的读数线尺安放在被测尺寸的延伸线上。〞阿贝原那么是指点丈量仪器及其他精细仪器设计重要的指点性原那么。9.减小回程误差为保证运动副正常任务，很多运动副(如齿轮、螺旋)，需求必要的间隙。但是由于间隙的存在使得被动零件的运动方向改动滞后于自动件，产生回程误差。回程误差是由于间隙引起的。而间隙是运动副正常任务的必要条件，而且，间隙会随着磨损而增大。减小运动副的间隙可以减少回程误差。图6-63所示为可以消除齿侧间隙的齿轮机构。构造中将原有齿轮沿齿宽方向切分，两半齿轮可相对转动，两半齿轮经过弹簧衔接，由于弹簧的作用，使得两半齿轮分别与相啮合的齿轮的不同齿侧相接触，弹簧的作用消除了啮合间隙，并可以及时补偿由于磨损呵斥的间隙变化。这种齿轮传动机构由于实践作用齿宽减小，承载才干减小，故通常用于以传送运动为主要设计目的的传动安装中。第五节构造设计