机械结构设计

1第六章机械结构设计2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。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。4二、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。5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。6(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。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。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910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。142．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。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。163.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。174、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。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2021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22A23其余手轮HT150(校名)11:1图号比例数量材料审核制图抛光未注圆角R3243、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。25其余支架(校名)图号比例数量材料审核制图未注铸造圆角技术要求26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272829其余箱体技术要求2.铸件应经人工时效处理.1.未注圆角R2R4(校名)11:1HT150图号比例数量材料审核制图30三、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。3637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(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(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