机械结构设计

15机械结构设计2机械设计的基本程序3机械系统的组成4设计方案结构设计强度设计三边设计法55机械结构及造型设计5.1机械结构设计原则5.2机械结构分析及常用设计原理5.3机械结构设计常用方法5.4机械结构工艺性设计复习思考题65.1机械结构设计原则5.1.1机械结构设计的任务5.1.2机械结构设计的内容与步骤5.1.3机械结构设计的一般原则75.1.1机械结构设计的任务依据所确定的功能原理方案，在总体设计的基础上设计出实体结构，满足预定的功能要求，并以结构设计图样表示出来。85.1.2机械结构设计的内容及步骤总体设计部件设计零件设计布置方式；总体尺寸；特性尺寸装配图；外形、特性、配合尺寸零件图；加工尺寸；公差精度95.1.3机械结构设计的一般原则完美的机械结构设计满足功能安全可靠最少资源消耗105.1.3机械结构设计的一般原则结构方案设计三原则明确简单安全可靠功能明确工作原理明确使用条件明确形状简单加工简单拆装简单构件可靠功能可靠工作安全环境安全115.2机械结构分析及常用设计原理5.2.1结构件的功用5.2.2结构件的分类5.2.3零件的相关5.2.4零件的结构要素5.2.5常用的结构设计原理125.2.1结构件的功用承受载荷；正确分析结构件受力的类型、大小、方向及其对结构件正常工作的影响，是进行结构设计的重要依据和保证传递运动和动力；保持有关零部件之间的相对位置或运动轨迹关系；其它功用；（润滑、密封、美观等）当一结构件具有两种或两种以上功用时，应分清主次，在优先满足主要功用的前提下，尽量满足其它功用的要求。卧式车床简图1-前床腿2-进给箱3-主轴箱4-丝杠5-刀架6-尾座7-床身8-后床腿1、8—承受重力3—承受重力、夹紧力、切削力5—承受切削力运动和动力的传递：4-3-2-1运动和动力的传递：5-4-3-2-15.2.2结构件的分类从设计、制造和管理的角度：通常将其分为盖盘、轴套、支架、杆件、壳体、箱体和支承件等类别。因为形状类似的同一类零件，如盖盘类或轴套类中，不同零件之间在功用上、精度上会有很大差别，其设计要求也自然不同。从毛坯工艺角度可分为铸造件、焊接件、锻造件、铆接或粘结件等，在结构上也应有所不同。165.2.3零件的相关在机器或机械中，任何零件都不是孤立存在的。因此，在结构设计中除了研究零件本身的功用及其特征外，还必须研究零件之间的相互关系。185.2.3零件的相关每个零件都与一个或几个零件有装配关系或相互位置关系，可以称这种关系为相关，称有这种关系的两个零件互为相关零件。直接相关：两零件有直接装配关系。间接相关：没有直接装配关系的相关。包括两零件在相互位置上有要求的位置相关和一零件的运动轨迹与另一零件有关的运动相关。195.2.4零件的结构要素工作部分：零件上与其它零件直接相关部位。联结部分：把各工作部分联结起来并使它们保持各自的位置，因此也常常起到支承作用。有时，也把用以固定联结的工作部分称为安装部分。有固定安装和活动安装之分。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。固定安装活动安装225.2.5常用的结构设计原理1.等强度原理2.合理力流原理3.变形协调原理4.力平衡原理5.任务分配原理6.自补偿原理7.稳定性原理235.2.5常用的结构设计原理1.等强度原理：通过合理地选择材料和形状，力求在规定的时间内及条件下零部件各处的材料强度得以充分的应用。（例：阶梯轴）增加约束变形附件的结构1-主体构件2-辅助构件245.2.5常用的结构设计原理2.合理力流原理：力在传递路线上形成力线，汇成力流（不中断、沿最短线路通过）。中心冲工作时的力流不同形状的杆件255.2.5常用的结构设计原理2.合理力流原理：力在传递路线上形成力线，汇成力流。（转折处应力求使力流平缓）轴毂连接的不同情况265.2.5常用的结构设计原理3.变形协调原理：相连接的两零件在外载荷作用下所产生的变形的方向相同并且使其相对变形尽可能小。不同搭接形式275.2.5常用的结构设计原理4.力平衡原理：采取结构措施部分或全部平衡掉无用的力。润滑泵偏心驱动装置285.2.5常用的结构设计原理5.任务分配原理：根据功能要求合理地选择载体，即选择特定零件以承担特定功能。5.2.5常用的结构设计原理5.任务分配原理：–三种可能的分配方式：»一载体承担多种功能：简化结构，降低成本。（轴承）»一载体承担一种功能：功能明确可靠。（向心+推力）»多载体承担一种功能：减轻零件负载，延长寿命。（螺栓、V带）–同一零件中，可在不同部位采用不同材料，分别承担不同的功能；（蜗轮）–同一零件采用同样材料时，可在不同部位进行不同的热处理以承担不同的功能。（轴颈）–相同功能任务分配应保证各功能载体均匀地分担任务。5.2.5常用的结构设计原理6.自补偿原理：通过选择系统元件及其在系统中的配置来自行实现加强功能的相互支持作用，称为自补偿。–正常情况（额定载荷）下：加强功能、减载、平衡；–紧急情况（超载）下：保护、救援；常见的自补偿原理：–自增强–自平衡–自保护：超载时的自保护（带的打滑)自增强：偏心夹紧示意图1-工件2-偏心轮3-支承轴4-基座辅助效应与初始效应的作用方向相同，使得总效应加强。自平衡：使正常载荷下的辅助效应同初始效应相反并达到平衡或部分平衡状态，以克服不利影响。离心式调速器1-竖轴2-重锤3-滑套4-杠杆5-阀门335.2.5常用的结构设计原理7.稳定性原理：当干扰出现，使系统状态发生改变的同时，会产生一种与干扰作用相反的、使系统恢复稳定的效应。活塞导向的稳定性轴承的热稳定性345.3机械结构设计常用方法5.3.1提高强度和刚度的结构设计5.3.2防腐蚀结构设计5.3.3提高耐磨性的结构设计5.3.4提高精度的结构设计5.3.5考虑人机学的结构设计5.3.6考虑发热等问题的结构设计5.3.1提高强度和刚度的结构设计（1）1.载荷分担机床变速箱外输入轴皮带轮的卸荷结构为保证主轴1不受弯曲，提高加工精度，将胶带的压力通过轴承和轴承座5传给箱体4，由箱体分担；而带轮3的转矩则通过端盖2的花键传给轴1，故轴1只承担转矩而不承担径向力。1-传动轴2-端盖3-带轮4-箱体5-轴承座5.3.1提高强度和刚度的结构设计（2）2.载荷合理分布尽量减小作用在地基上的力。地基一般由混凝土制成，承载能力较低，尽可能不要把加力机构的力作用在地基上。如图为一轴承实验台，用油压千斤顶加载，如把千斤顶放在地面上，则地基受力很大。如果把油压千斤顶放在一个用螺栓直接固定在实验台底座上的角形支架上面，则地基不承受油压千斤顶的推力。375.3.1提高强度和刚度的结构设计（3）3.避免悬臂结构或减小悬臂长度（a）伸出轴过长，受力不好384.减少应力集中的影响5.3.1提高强度和刚度的结构设计（5）减荷槽减荷圆孔395.3.2防腐蚀结构设计（1）1.隔离不相同的金属，防止电化学腐蚀405.3.2防腐蚀结构设计（2）2.避免狭缝滞留液体，两壁间保留足够空间415.3.2防腐蚀结构设计（3）3.容器内液体要能够排除干净425.3.2防腐蚀结构设计（4）4.合理的螺钉联接结构435.3.2防腐蚀结构设计（5）5.对于接触腐蚀件，设计易损件并及时更换5.3.3提高耐磨性的结构设计（1、2）1.避免相同材料配成滑动摩擦副2.润滑剂供应充分，布满工作面应选择适用的润滑剂和供应方式；设计油沟等使润滑剂能散布到整个工作表面；特别应注意立式轴承和导轨的润滑设计，因为在这种情况下，润滑剂容易流失。图中所示的导轨油槽直通式只用于水平导轨，曲折的油沟才适用于垂直导轨，润滑油可以较好地散布在工作面上。5.3.3提高耐磨性的结构设计（3）3.润滑油箱不能太小采用循环润滑的设备，都有一个储油箱，此箱应足够大以保证润滑油有足够的冷却时间和沉淀混入油内的杂质，否则润滑油的工作温度将显著升高。此外还应注意油箱的通风和散热。对精度要求高的设备，油箱不宜装在机架内，以免机架受热不均匀产生扭曲变形，使机器精度降低。465.3.3提高耐磨性的结构设计（4）4.滑动轴承不能用接触式油封毡圈密封、皮圈密封等接触式密封适用于滚动轴承但不适用于滑动轴承。当轴承间隙和磨损量较小时可以考虑采用间隙式或径向曲路密封。这是因为滑动轴承比滚动轴承间隙大，而且当滑动轴承磨损后，轴中心位置有较大变化。475.3.3提高耐磨性的结构设计（5）5.对于零件的易磨损表面增加一定的磨损裕量开式齿轮的齿面磨损后，轮齿变薄，齿根弯曲强度降低，不能满足强度要求。因而适当加大齿轮模数（加大10%-15%），以保证齿轮有一定寿命；机床导轨，未使用时如正好平直，使用时则由于磨损，精度不断降低。如做成一定的上凸则可在较长时间内保持精度。5.3.3提高耐磨性的结构设计（6、7、8）6.对易磨损部分应予以保护–有些气体或液体中混有粉末、颗粒或块状的固体，对零件表面有很强的研磨作用。零件表面与这些介质接触的部分应具有较强的耐磨性，如采用耐磨材料或采用表面堆焊等措施。也可以把某些易磨损部分做成易磨损件，经常更换。7.对易磨损件可以采用自动补偿磨损的结构–零件磨损后，尺寸发生变化，如不能及时改变其位置，则不能实现原来的功能。8.采用防尘装置防止磨粒磨损–对于在多尘条件下工作的机械应注意防尘和密封，以免异物进入摩擦面，产生磨粒磨损。如链条加防护罩，导轨为防止切屑进入摩擦面产生严重磨损，也应加防护罩。495.3.4提高精度的结构设计（1）1.导轨的驱动力作用点，应使两条导轨摩擦力产生的力矩互相平衡5.3.4提高精度的结构设计（2）2.对于要求精度较高的导轨，不宜用少量滚珠支持由于导轨运动速度是滚动速度的二倍，工作台运动到左右不同位置时，滚珠受力不同，工作台向不同方向倾斜，产生误差。宜增加滚珠数目或采用滚子轴承（滚柱刚度显著大于滚珠而摩擦阻力也较大）5.3.4提高精度的结构设计（3）3.必须严格限制螺旋轴承的轴向窜动螺旋轴承的轴向窜动直接影响螺旋的轴向窜动，从而使螺旋机构产生运动误差。对螺旋轴承应有较高的要求。对于受力较小的螺旋，可以用一个钢球支持在螺旋中心，轴向窜动极小。525.3.4提高精度的结构设计（4）4.要求运动精度的减速传动链中，最后一级传动比应该取最大值321、、，运动误差为设三级传动的传动比为321iii、、则最后输出的传动系统总误差为：332321iii3i为最大值时传动系统总误差最小。535.3.4提高精度的结构设计（5）5.避免紧定螺钉影响滚动导轨的精度要避免扭紧紧定螺钉时引起导轨变形，使导轨工作表面精度降低。把固定部分与导轨支承面部分做成柔性较好的联接，使紧定螺钉产生的变形不影响导轨面的精度。5.3.5考虑人机学的结构设计（1、2）1.合理选定操作姿势–设计者必须正确地决定机器或仪器的操作位置和操作姿势，作为设计的一项基本内容。–常见的操作姿势为立或坐。立式容易发力，活动范围较大，但对要求精密观察、读数的工作和活动范围较小的手工操作的装置则以选用坐式为好。2.设备的工作台高度与人体尺寸比例应采用合理数值–工作台高度不适当容易引起操作者疲劳。–根据一般统计，有一系列推荐数值，如站姿用工作台高度为人体高度的10/19，坐姿则为7/17。555.3.5考虑人机学的结构设计（3）3.旋钮大小、形状要合理•旋钮多做成圆形，在圆柱面上常作出齿纹以免转动时打滑。•为了用一个旋钮控制多个指示器，可以做成多层旋钮，这样既节省位置，操作也方便。•对多层旋钮的各旋钮尺寸应合理安排，以免使用时互相干扰。565.3.5考虑人机学的结构设计（4）4.按键应便于操作按键在机械中使用很广泛，一般按键尺寸为8-20mm，突出键盘面高度为5-12mm，按动时键上下移动距离为3-6mm，键与键之间的距离最小为0.6mm。按键位置应合理，便于操作575.3.6考虑发热等问