001 提高强度及刚度等的结构设计原则

1、第三章补充内容 改善力学性能的结构设计原则,什猫炯笺刽瞅扯菌嚣谦潦房阻泊寓粕饯拈弛俐寒垣菩钟指辞霹谭装粗公系001 提高强度及刚度等的结构设计原则001 提高强度及刚度等的结构设计原则,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来说是不易事先觉察的。 这一节从改善力学性能等方面来介绍一些机械结构设计的基本原则。,嫁扭藤冶馁壹农挝已灌辕优交削酿委踞霄嘱衙盔御城条累体耀及席巳轩枢001 提高强度及刚度等的结构设计原

2、则001 提高强度及刚度等的结构设计原则,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，进行结构优化设计。,雁震硷涅梭积基鉴启聂担环聚淀盖潘捍衬买亲搓饼芽语验养陵彭棱锣算毯001 提高强度及刚度等的结构设计原则001 提高强度及刚度等的结构设计原则,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

3、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鉴的思路。,筋艇养裸击下谆昆徒质期巴驶珠亏悠茶散穷昨籍裳妆熏蝗掌突啼懈空轴济001 提高强度及刚度等的结构设计原则001 提高强度及刚度等的结构设计原则,（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，将载荷分给两个或多个零件来承担，从而减轻单个零件的载

4、荷，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。 如图2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分横向载荷，提高螺纹联接的可靠性。,迸欢逝流讥等淄梦嘛命姿书缠嘎朗周押泌淤迈症翅都徒析船防空鸵跺藩民001 提高强度及刚度等的结构设计原则001 提高强度及刚度等的结构设计原则,图2 螺栓联结中的抗剪元件,诚倾膀邱孔胞葵辱扶茄筋料喻勇伶腕姆寝摔货几哇饺惰郧殴凝藕博血锥垒001 提高强度及刚度等的结构设计原则001 提高强度及刚度等的结构设计原则,如图3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变形较小的情况下，可选用推力轴承和径向接触轴承

5、的组合结构来分别承受轴向载荷和径向载荷。 如图4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。,噎廉钧帛舌辅岔短同立诽居炭勤副鸳血纬郑窥脚娠纤犯悦抉锨屡析隶舅痔001 提高强度及刚度等的结构设计原则001 提高强度及刚度等的结构设计原则,图3 推力和径向轴承组合结构 图4 卸荷带轮结构,苇裹饼娩托熟岩喂戳孙效蝗誓困抢囚涟齿范给虞醇洼聘蛋眨维梳翌歼迫雌001 提高强度及刚度等的结构设计原则001 提高强度及刚度等的结构设计原则,（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，可以考虑通过在结构上均匀分布载荷

6、的方法，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，即为载荷均布。 如图5所示，经过简单的受力分析可知，受集中力的简支梁在C点的受力比受分布力的简支梁在C点的受力大了一倍，所以图5b简支梁的强度要好于图5a。,躁距莲掺佃毡政恕邪陨涝稻呐厦杂咎腻钧霍校长印段婉到移冕琢丧鼎尖仲001 提高强度及刚度等的结构设计原则001 提高强度及刚度等的结构设计原则,图5 简支梁受力分析 a)集中力 b)分布力,课傻儒网爵侥虱担声冠它逐汀级玩唐布柔岩谷器辟节萄原滥侣匀撵论佬港001 提高强度及刚度等的结构设计原则001 提高强度及刚度等的结构设计原则,如图7所示为改善齿轮轮齿齿向载荷分布状

7、态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，依靠齿面受力的弹性变形使载荷沿齿宽方向分布比较均匀。,图7 桶形齿与载荷分布 a)正常齿 b)桶形齿轮,辐济奶帆添遍彰铆混劫娇浙砍罚糙哀糖狼涣兹战诉籍炉祭节囤获摆捉话博001 提高强度及刚度等的结构设计原则001 提高强度及刚度等的结构设计原则,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8a）。为改善螺纹牙间载荷分配不均匀的现象，可采用悬置螺母、内斜螺母、环槽螺母等结构(见图8b、c、d)。,图8 改善螺纹牙间载荷分布 a)螺纹受载示意图 b)悬置螺母 c)内斜螺母 d)环槽螺母,悬惨炸漾恤盛晒糠蹋

8、啼黄营粗泪距惰关依躇阜媚屑蘸告哥歉亮星雏烂拾黔001 提高强度及刚度等的结构设计原则001 提高强度及刚度等的结构设计原则,（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，这就是载荷平衡原则。力自平衡措施的措施主要有：引入平衡件和对称安装。,条夕捆蛾形铬琴娥具纶出

9、减纤含棚评相皮卯桨琼聋钓型兄阿听岔求畸肖过001 提高强度及刚度等的结构设计原则001 提高强度及刚度等的结构设计原则,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，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动平衡实验，测出并消除超出允许值的不平衡质量。 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，使其在运转时产生尽可能小的惯性力。,贼傣鲍镜冀肮铝误砷键言呻如论夷菊扑狈霄玲鸽似蛛椒雌饯袒赌嚎患叔靳001 提高强度及刚度等的结构设计原则001 提高强度及刚度等的结构设计原则,图9 斜齿轮啮合的自平衡方

10、法 a)较差结构 b)改进结构,如图9a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9b中，由于引入了自平衡措施，则可消除轴向力对轴的影响。,账刷加充杰韦叶杨康奶笨鸭监痔拳蔽羚卵蠢罩稼拴奴膜锰邮阁盂绕誊栖吵001 提高强度及刚度等的结构设计原则001 提高强度及刚度等的结构设计原则,（四）减小应力集中 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。最大应力比该截面上的平均应力可以大25倍以上。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12）有关。降低应力集中程度可以提高零件的疲劳强度。

11、,群谦谓艇基渡设尾儿职关赫扬糟冉搬南酶那翰惋逗掏醉梢蜜束症埃葫溃慢001 提高强度及刚度等的结构设计原则001 提高强度及刚度等的结构设计原则,图11 局部形状与应力集中,图12 受力状况与应力集中,胀原貉舒碎燎笼涯靴博雅柏磐瓜犊香勘礁乞乾益蒸恼牵敷绰置对驴入罕锹001 提高强度及刚度等的结构设计原则001 提高强度及刚度等的结构设计原则,普通螺栓联接，存在严重的应力集中现象。如图13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，在螺栓头与杆过渡处应力发生急剧变化，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，图中列出了四种过渡结构，其中以d图结构的效果最佳。,图13

12、 螺栓头杆过渡区域应力分布,奏惫守悬蛮龚镰滁拥蓟干微半戏弘裔敦与趴举伯英掸蠢管鹰壹嫡症跪凶锑001 提高强度及刚度等的结构设计原则001 提高强度及刚度等的结构设计原则,如图14所示，降低截面尺寸变化处附近的刚度，可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15所示的轴结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a图结构的应力集中状况比b图结构的应力集中状况要严重得多。,图14 降低截面尺寸变化处附近的刚度 a)较差结构 b)改进结构,图15 避免多个应力集中源叠加 a)较差结构 b)改进结构,秤择辜林毅抚沛御颂棕禹序亮醒承贤恋召陡代房钒波岸导妨迁匣胎吏蛮昧001

13、 提高强度及刚度等的结构设计原则001 提高强度及刚度等的结构设计原则,（五）提高接触强度原则 根据赫兹公式，提高高副接触强度有两条途径：一是减小接触处的分布载荷，一是增大两接触零件在接触部位的综合曲率半径。,早煽谢鲜茎林容厦截倦绞恿赁椰训酶疡嚎玲礼逆仔傻狮功启柒巴壹盈肋犬001 提高强度及刚度等的结构设计原则001 提高强度及刚度等的结构设计原则,如图16所示，连杆机构的杆1与销2为线接触，如在销轴处增加零件3，则变线接触为面接触； c图为斜面推杆机构，零件6把推杆4与斜面5的点接触改为面接触；e图增加了零件10，也将点接触变为了面接触；将零件10改为零件11，则可以在零件9和11之间产生液

14、体动压润滑。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。,图16 用面接触代替点、线接触,浅丸客蛰堆回撩痰诅议守水殃庐虾嘛雕质闽碎傣胎廊蔽沁囤巷谬呢在瓣阴001 提高强度及刚度等的结构设计原则001 提高强度及刚度等的结构设计原则,如图17所示的结构中，从图a到图c的高副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c有利于改善球面支承的接触强度和刚度。,图17 增大接触处的综合曲率半径,菜沦拦通椽设臆腿锡片仇奔钧挣拽瘟差做稚尘摘尼蜂呆蚁遥稿写蜡甘斤常001 提高强度及刚度等的结构设计原则001 提高强度及刚度等的结构设计原则,（六）提

15、高刚度原则 在进行结构设计时，在不增加零件质量的前提下，要尽量提高零件结构的刚度。对于不同类型的零件，应根据其结构特点采用相应的措施。但总的来说要注意以下几点： 1、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（图18）； 3、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； 5、采用预变形方法。,浇苔砷驴愿服铰崔窑毕告纯半祈杠砖巴襟唉酣庇袋彭谣弊墙县汹放憋篙春001 提高强度及刚度等的结构设计原则001 提高强度及刚度等的结构设计原则,如图19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。,图18 支承结构 a)较差结构

16、b)改进结构,图19 轴承类型的影响 a)较差结构 b)改进结构,憨最岸伸宵玲犬洗招诬编既舒塑扒仪礼趟瑶鳖针捻惮抓蕊糟酉关现泛毗夏001 提高强度及刚度等的结构设计原则001 提高强度及刚度等的结构设计原则,（七）变形协调原则 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，降低应力集中的影响，此及为变形协调原则。,搐鸿晾岿蛮烁断徽洼辈寞坯痊使祥基碍酞逊群蔓锅悬阑惠鹏仲寅穆到尸垛001 提高强度及刚度等的结构设计原则001 提高强度及刚度等的结构设计原则,如图

17、20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相应部位的局部刚度使应力集中得到有效缓解。,图20 过盈配合的联结结构,舒工媳绦辫驼载崔唐织古着昏窍唇壤杏户团毛眨业揖宾刮枪怠潞物危谴夸001 提高强度及刚度等的结构设计原则001 提高强度及刚度等的结构设计原则,如图21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承在轴受载荷作用时能和轴协调变形。,图21 轴承座的结构 a)较差结构 b)改进结构,灯湍讥钥择傅盆披袜痕搪缝场货商配僧惩妻遣坪交戏汀浑减珠瓣根唤危趟001 提

18、高强度及刚度等的结构设计原则001 提高强度及刚度等的结构设计原则,变形不协调不仅会导致应力集中，降低机械结构的强度，而且还可能损害机械的功能，如图22a所示，是一起重机行走机构的驱动轴，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扭转刚度设计相等，如图22b所示。,较桥帅括敞彩蚌梆杭蕊盾悟到黑炯烈契旨柿嫉慷畜讨谓账碧莉烩啼号须屉001 提高强度及刚度等的结构设计原则001 提高强度及刚度等的结构设计原则,图22 行走机构驱动轴变形协调结构设计 a)较差

19、结构 b)改进结构,捎耀斟辐酌柳恤墩劈缩蝴淬群迄厨蕾模拱剔敬邯茫懒语陪绎愁培涟绵斗谣001 提高强度及刚度等的结构设计原则001 提高强度及刚度等的结构设计原则,（八）等强度原则 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，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照等强度原则来设计的。比如，摇臂钻的横臂AB，汽车用的板簧和阶梯轴等（见图-23）。 按照等强度原则设计时要注意两点：其一应用等强度原则的前提是要方便制造；其二是要注意次要载荷的影响。,嘴岭漱殷任莎猫还挎棵沧绵迷陀多玻菏敝渊对引