第4章 机械系统装配结构设计

机械设计综合实践课程第4章机械系统装配结构设计高志清华大学精密仪器与机械学系装配结构设计的过程与方法概述机械结构设计的作用结构是功能的物质基础用户需要的功能依靠结构实现，没有结构就不可能实现任何功能。概述机械结构设计的作用结构是功能的物质基础结构是分析计算的对象所有的分析、计算都是以某种结构为对象进行的。装配结构设计的过程与方法概述机械结构设计的作用结构是功能的物质基础结构是分析计算的对象结构是机械设计的结果设计中的所有措施必须落实在结构上才能实现结构是所有设计行为的最终表现装配结构设计的过程与方法概述机械结构设计的作用结构是功能的物质基础结构是分析计算的对象结构是机械设计的结果结构表达是制造的依据机械结构设计的装配图和零件图是加工、装配、调试、检验的依据装配结构设计的过程与方法概述机械结构设计的作用机械结构设计是机械设计过程中工作量最大的设计环节装配结构设计的过程与方法概述机械结构设计的要求机械结构设计的目标是：保证功能，提高性能，降低成本；要求做到：明确、简单和安全。装配结构设计的过程与方法概述机械结构设计的要求（1）明确功能明确----设计要求实现的每项功能必须对应于某些结构措施（不漏），设计结果中的每个结构要素都对应于某项设计要求（不重），装配结构设计的过程与方法概述机械结构设计的要求（1）明确原理明确----设计中应充分考虑装置工作过程中可能发生的各种物理过程，并对各种过程中的要求采取有效的措施，装配结构设计的过程与方法同步相机的姿态误差基座滚动导轨相机调整轴系的游动间隙需要多次装、拆轴承，结构设计要保证装、拆方便如果端盖止口配合较紧，应设置辅助拆卸结构概述机械结构设计的要求（1）明确工作状态明确----装置工作中，每个零部件，每个结构要素所处的状态应是可以明确判断的，设计中的分析计算都是针对机械结构中确定的工作状态进行的。装配结构设计的过程与方法如果轴承端盖与轴承外圈接触，轴向力的传递路线就不明确。轮缘齿圈与轮毂之间的两个圆柱面中，必须明确一个起定位作用的圆柱面。概述机械结构设计的要求（2）简单在能够实现同样功能，具有同样性能的设计方案中，应优先选择结构简单的方案。结构简单有利于降低成本、提高精度、提高可靠性。装配结构设计的过程与方法概述机械结构设计的要求（2）简单结构简单包括以下内容：（1）较少的零件数量（2）较少的零件种类（3）较少的被加工面数量（4）较少的加工工序（5）较简单的装配关系装配结构设计的过程与方法将多个零件的结构功能集合到一个零件上，减少零件数量，方便装配普通自行车后轮制动系统不合理合理结构设计应根据合理的工艺确定非工作表面的特征减少加工表面的种类和数量，有利于提高加工效率和质量，降低成本概述机械结构设计的要求（3）安全安全的内容：1.给定的功能安全可靠地实现，2.保证操作和使用机器的人员安全3.保证机器本身的安全装配结构设计的过程与方法概述机械结构设计的要求（3）安全实现安全可靠的设计方法：1.直接安全技术（保证机器不失效）2.间接安全技术（使发生失效时损失最小）3.提示安全技术（危险出现前明确提示）装配结构设计的过程与方法概述机械结构设计的要求（3）安全直接安全技术（保证机器不失效）1.使装置具有足够的工作能力和寿命，在正常工作范围内不失效。2.当操作者发生错误操作时控制装置自动关闭设备或使设备无法启动。3.工作原理保证最危险的事故不会发生。装配结构设计的过程与方法概述机械结构设计的要求（3）安全间接安全技术（使发生失效时损失最小）1.有限损坏方法一旦发生失效使其发生在不重要的零件上，使损坏造成的影响范围最小，容易恢复。2.冗余配置方法使用多套装置起到一套装置的作用。装配结构设计的过程与方法客机设置多于工作能力需要的发动机数量，通过冗余设计保证飞行安全概述机械结构设计的要求（3）安全提示安全技术（危险出现前明确提示）当由于技术或经济原因不适合采用前面两种技术时，可以采用提示性安全技术。当故障发生时，采用文字，图像，灯光，声音等措施提示使用者，或使其排除故障，或使其避险。提示信息应准确，及时，并尽可能全面。装配结构设计的过程与方法装配结构设计方法（1）功能——约束方法结构设计需要同时处理多个结构要素，综合考虑多种设计要求，协调多项技术冲突，难以直接确定满足各项设计要求的完整解。结构设计中通常从核心功能入手，首先确定用以实现核心功能的结构要素，然后根据其他功能要求，逐项添加结构要素，直到实现所有功能要求。装配结构设计的过程与方法装配结构设计方法（1）功能——约束方法结构设计除必须考虑功能要求以外，必须考虑工艺性要求和经济性要求。在结构设计中应首先考虑功能要求，在满足功能要求的前提下追求工艺最简单和成本最低。装配结构设计的过程与方法装配结构设计方法（1）功能——约束方法以铰链设计问题为例装配结构设计的过程与方法在两个杆之间设计一套铰链结构铰链结构的主要功能是在两个杆之间建立一组约束，使两杆之间只具有绕铰链轴心线旋转的自由度。只要使两杆通过一个圆柱面接触，就可以使两杆相对于圆柱面中心线转动。如果两个杆之间只通过圆柱面接触，杆有可能从圆柱面上脱落。为了使杆不从圆柱面上脱落，可以将外圆柱面加长为了使杆不从圆柱面上脱落，可以将外圆柱面加长，并在端部做成台阶，即可防止杆脱落，但是无法装配。为了使防脱落功能更可靠，应在内、外圆柱面间设置轴向固定结构，如果轴向力较小，或无轴向力，可以采用弹性挡圈结构。如果轴向力较大，可以采用螺纹结构。也可以采用开口销结构。或采用轴端挡圈结构。这种在一个杆上做出外圆柱面，在另一个杆上做出内圆柱面的结构对于以去除材料为主要手段的切削加工方法很不方便。或采用轴端挡圈结构。这种在一个杆上做出外圆柱面，在另一个杆上做出内圆柱面的结构对于以去除材料为主要手段的切削加工方法很不方便。通常采用在两个杆上均加工内圆柱面（圆柱孔），然后装入圆柱形销（轴）的方法构造铰链结构。销轴两端均设防脱落结构（限制轴向移动自由度）通常在销轴一端做出台阶，另一端根据需要可采用不同的轴向固定结构。为减小两杆之间的摩擦力臂，可在两杆之间添加垫片。为降低销轴与杆之间的摩擦，减小磨损，可在杆孔内添加滑动轴承（铜套）。为了在滑动轴承与销轴之间添加润滑剂，可在杆端作出注油孔。为防止灰尘、水和其他杂质进入滑动轴承，为方便添加润滑剂，可在润滑油孔上加装油杯。由于销轴在轴向和径向均有间隙，在载荷的作用下会发生偏斜，载荷沿杆长方向作用，载荷沿杆长方向作用，销孔与销轴之间的力集中到孔两端，载荷沿杆长方向作用，销孔与销轴之间的力集中到孔两端，孔两端反力产生的力矩使杆偏转。为此，可将一杆加厚，中间开槽，另一杆嵌入槽中，构成对称结构。也可以只将杆端局部加厚，减轻杆整体的重量。将销轴的轴向定位结构设置在孔端部，使结构整齐、紧凑。在连杆之间加入垫片可减少杆间摩擦。在杆与销轴之间加入滚动轴承可以使摩擦阻力矩减小。用紧定螺钉结构可以使销轴与一个连杆之间实现轴向和周向定位。这是一些经常出现的，无法实现的铰链结构。齿轮箱的核心功能是传动，结构设计从传动零件开始。首先根据工作能力要求确定传动零件的主要参数。传动零件的受力通过轴和轴承传递到箱体，在传动零件设计后，进行支承零件设计，选择轴承的类型、尺寸、位置、方向和组合方式。结构设计中，为了加工、装配、位置调整等方面的需要，需要将原理方案设计中确定的同一个构件分解为多个零件，分别加工后通过装配形成一个运动部件。将零件装配成部件的结构需要考虑装配方向、路径和顺序，装配后能够形成正确的相对位置关系（定位），这种位置在载荷的作用下不被破坏（固定）。将零件组装成部件的过程中，需要通过零件之间的直接接触限制零件之间的相对运动自由度。大齿轮与轴之间通过轴颈与齿轮孔的接触限制它们之间沿径向的相对移动自由度和绕垂直于轴线方向的转动自由度，通过轴肩或轴环与齿轮端面的接触限制沿轴向移动的自由度。中间轴与大齿轮之间也可以通过同样的方法实现定位滚动轴承与轴之间也可以采用轴肩定位。相距较近的两个零件之间采用套筒确定轴向位置关系的方法可以使结构更简单。为了方便加工和装配，将安装齿轮的轴段和安装轴承的轴段设计成两个不同直径的轴段，为了可靠定位，应使与齿轮配合的轴段长度比齿轮宽度略小。中间轴与大齿轮之间也可以通过同样的结构大齿轮与轴之间通过键连接实现转矩传递其他滚动轴承与轴之间通过轴肩确定轴向位置轴端的开式齿轮和带轮可以通过轴肩或套筒实现与轴之间的轴向定位通过键连接实现转矩传递齿轮减速箱轴系的跨距通常较短，应优先选用两端单向固定的轴系结构，并优先采用正安装方式，通过轴承端盖实现轴系的轴向定位和固定，通过改变轴承端盖与箱体端面之间的垫片厚度调整轴系的轴向间隙。由于箱体内侧壁为非机械加工表面，位置不准确，为确保齿轮在转动中与箱体不发生干涉，二者应保持一定距离。为提高轴系支承刚度，应尽可能减小支点跨距；为保证滚动轴承的工作性能，轴承外圈应不突出轴承孔；由于箱体内侧壁位置不准确，轴承外圈内侧与箱体内壁之间应留有一定距离。为方便装配，箱体设计成剖分式结构，选择齿轮轴线所在平面为剖分面。箱体为铸造结构，根据铸造工艺性要求确定箱体壁厚，根据传动中心距确定箱体与箱盖之间连接螺栓的直径，根据螺栓扳手空间要求和箱体壁厚确定箱体内侧壁与箱体外侧壁之间的距离（轴承孔长度）.为防止润滑剂流失，防止箱体外的灰尘污染润滑剂，应在输入轴端和输出轴端设置密封结构，根据轴的转速和滚动轴承的润滑方式选择密封方式。根据减速箱设计的其他要求完成其他辅助功能结构设计装配结构设计方法（2）典型结构设计方法关于很多常见的应用问题，人们在长期的设计实践中积累了大量成功的、成熟的设计结构，这些典型结构综合考虑了多方面的设计要求，综合协调了各方面的设计矛盾，并经过长时间的使用证明在功能上是可靠的，在工艺上是可行的，在经济上是可接受的。这些典型结构是机械设计知识的重要内容，学习这些典型结构设计知识有利于提高设计的效率和正确性，拓展结构设计知识范围。装配结构设计的过程与方法装配结构设计方法（2）典型结构设计方法典型结构方案中，包含成功地解决设计问题设计结果。在这些设计结果中体现了对各种设计原则的应用，包含很多重要的设计技巧，通过对这些典型结构的分析，可以学习到机械设计中特有的一些解决问题的方法。装配结构设计的过程与方法装配结构设计方法（2）典型结构设计方法例如：滚动轴承轴系结构，润滑、密封结构典型离合器结构，轴毂连接结构导轨结构，装配结构设计的过程与方法装配结构设计方法（3）标准零部件及设备选用很多常用零部件和常用设备有专业生产厂家生产，质量好，成本低，品种全，在可能的情况下应优先选用这些由专业厂家生产的零部件和设备：如标准离合器，减速器，减速电动机，滚动导轨，滚动螺旋组件，移动及转动工作台，装配结构设计的过程与方法装配草图设计机械结构的装配图是对机械结构设计结果的完整描述，完整的装配结构要综合协调各项设计矛盾，能够满足所有的设计要求。现有的设计理论与方法无法使设计者直接寻找到同时满足多项设计要求的结构解，寻找可行解的基本方法是试探。通常的做法是首先在设计计算和原理方案设计的基础上提出一种只包括主要技术要素，满足部分关键技术要求的结构方案。通过对结构方案的分析计算，逐项确定其是否满足其他设计要求，根据分析结果，不断地对结构方案进行修改完善，直到结构方案能够满足全部设计要求，在这种不断修改中的装配结构设计称为结构草图设计。装配草图不必包括对结构全部细节的描述，只需要包括对分析计算所必须技术要素的描述。装配草图设计例如两级圆柱齿轮减速箱中间轴的轴系结构设计中需要确定滚动轴承的型号，使所选轴承具有足够的承载能力。要分析滚动轴承的承载能力需要首先确定滚动轴承的受力，轴承受力情况需要根据轴上的齿轮受力情况以及齿轮与滚动轴承的轴向位置关系，通过受力分析确定。装配草图设计在草图设计过程中，应在齿轮传动参数设计的基础上确定两齿轮的相对位置、齿轮端面与箱体内壁之间的距离，以及轴承与箱体内壁之间的距离，建立供轴承计算的结构草图。（画到能算的程度）装配草图设计对输出轴系草图设计还需要表示输出端零件的位