第六章机械结构设计

第六章机械结构设计机械结构是机械功能的载体，机械结构设计的任务是在功能原理方案设计与总体设计的基础上，将原理设计方案结构化，确定机械装置的具体结构与参数。回忆一下《机械设计》课程中学习的轴的结构设计的步骤和内容轴的结构设计的一般步骤：选择材料初估轴端直径考虑轴上零件的布置、定位、固定、装拆、调整等要求，同时考虑减少轴的应力集中和保证轴的结构工艺性，从而确定轴的结构（轴的形状和尺寸）刚度、强度等验算如有问题再做修改机械结构设计需要确定结构的组成（形式与数量）及其装配关系，确定所有零件的材料、热处理方式、形状、尺寸及精度。还必须考虑加工工艺、强度、刚度、寿命、可靠性及零件间的相互关系等。所确定的结构不但要保证功能实现的可能性，而且要保证功能实现的可靠性，使得机械装置在工作中具有足够的工作能力和工作性能。两种结构设计：产品结构方案设计零件结构设计（详细设计）功能原理设计决定了产品的先进性、新颖性，结构设计则决定了产品的质量和成本（70％~80％）。结构设计是机械设计过程中内容最具体、涉及问题最多，工作量最大的环节。第一节零件的功能、相关与结构要素零件是构成机械装置的基本单元，机械装置的功能通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结构中的基本功能是：承受载荷、传递运动和动力，以保证机械装置实现正确的运动规律和运动轨迹。1．传递运动和动力摆杆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．承受载荷机械装置在工作中受到多种力的作用，这些力都要由零件承受。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。承受载荷是使零件发生失效的重要原因。正确分析结构的受力是进行结构的工作能力设计的基础。3.成形在工艺过程中，通过工作头的形状、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，都是起成形作用的工作头。4.其它功能起容器作用的零件(如油箱)可以容纳物体(原料、燃料、废弃物等)起引导作用的结构可以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、零件的相关在机械装置中，每一个零件都不是独立存在的，机械装置的功能是依靠零部件的形状、尺寸和相对位置关系实现的。在机械装置中，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，才能使零件组成机器。这种零件之间的确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通过零件表面之间的直接接触实现的。如轴与装配在轴上的齿轮，通过轴径圆柱表面确定它们之间的径向相对位置关系，通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通过齿面间的接触确定两轮之间的相对转角关系（传动角）。这种通过零件表面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要通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通过各自与键的接触问接实现的，两轴之间的平行关系是通过轴与轴承之间、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、零件的结构要素零件的形体通常由多个表面构成，这些构成零件形体的表面成为零件的结构要素。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。每个零件的工作表面都不是孤立存在的，每个工件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，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。工作表面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。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，也不要求有统一的过程和标准，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：不影响工作表面的功能不影响零件运动不影响操作在不违背以上原则的前提下，还应尽可能兼顾零件的强度、刚度、寿命、工艺性、经济性、美观等要素。连接表面在如图6-4所示的支架零件中，与轴颈表面接触的孔表面、与箱体接触的底面和与螺母端面接触的凸台上表而为工作表面，其余表面均为连接表面，在不违背连接表面设计原则的前提下，通过改变连接表面的尺寸、位置及连接关系，可将零件结构分别设计成如图6-5所示的多种结构。第二节结构方案设计的基本原则与原理一、结构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：明确、简单和安全可靠。1．明确(1)功能明确要求对于设计任务规定实现的每一项功能都必须对应于某些具体的结构要素，同时每一项结构要素要对应于某一项或多项）功能要求。这项原则保证所有的功能要求都能够实现，同时不存在多余的结构要素。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。传递转矩、零件的轴向定位两种功能都是由圆锥面承担，是一种好结构。(2)工作原理明确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。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。（3)工作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。如图6—7所示的轴系结构中，轴系工作中会因发热使轴伸长，轴承端盖与滚动轴承外圈应不接触，否则端盖可能参与轴向力的传递，使工作状态不明确。2．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，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。3．安全可靠要求机械装置的工作安全可靠包括3个方面的内容：1)设计要求的功能要可靠地实现。2)在工作中，特别是在出现故障的情况下，保证操作机器的人员的安全。3)在工作中，特别是在出现故障的情况下，保证机器设备本身及相关设备的安全。(1)直接安全技术通过设计，保证装置在工作中不出现危险，满足安全性要求的设计技术，称为直接安全技术，称为固有安全性。这种方法应保证机械装置具有足够的工作能力，不但保证静强度，而且应保证疲劳强度和寿命，保证结构在发生磨损、因受力及受热而发生变形情况下不失效。当装置发生过载时应实现自我保护，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工作状。直接安全技术还应避免由于错误操作而引起事故，当操作者发生错误操作时，控制装置能自动关闭设备或使设备无法起动。应用直接安全技术保证机械设备的安全虽然可靠，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，无法应用直接安全技术。(2)间接安全技术间接全技术使得当系统发生故障时所造成的损失较小，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。如图6-10所示的剪切销安全离合器就是对传动链起保护作用的安全装置。设计中使销的承载能力小于系统中其他零件的承载能力，发生过载时销被剪断，使传动链中断。通过更换销可恢复传动链工作。间接安全技术也可以在装置中设置冗余工作系统，使得当某些零件因损坏不能完成预定功能时冗余工作系统投入工作，代替原系统功能。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。这种方法增加了系统的复杂性，同时也提高了成本。例：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)。(3)提示性安全技术法当由于技术或经济原因不适合采用前面两种技术的情况下，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，或者使其排除故障，或使其避险。提示信息应准确、及时，并尽可能全面。二、结构设计的原理1.等强度原理等强原理要求设计者确定的结构参数应使结构的各部分具有相同或相似的承载能力。在机械结构设计中，提高结构的承载能力通常会增加成本。而机械装置整体的承载能力取决于承载能力最低的结构要素。等强原理在承载能力相等的前提下使总成本最低。根据等强原理，当结构中某个结构要素的承载能力低于其他结构要素时，通过提高这个薄弱的结构要素的承载能力以提高整个结构的承载能力是最经济的方法。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。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。3)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．变形协调原理连接结构的功能要求被连接件之间要保持接触，如果被连接件在预紧力及工作载荷作用下的变形方向不一致，变形规律不一致，会使被连接件之间发生相对位移。在连接表面上需要产生附加变形以补偿相对位移，使被连接件保持接触。附加位移使载荷在接触面间的分布不均匀。在连接结构设计中，应使被连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。kr螺栓联接预紧后，外螺纹受拉伸长，螺距加大，内螺纹受压缩短，螺距减小。螺距的变化使螺纹牙产生附加弯曲变形，造成预紧力在螺纹牙之间分布不均匀。图6-11所示为当螺纹工作圈数为10圈时的载荷分布情况。由于第一圈螺纹承担总载荷的三分之一，使总体承载能力降低。图6-12a所示