机械结构设计基本原则目录一、改善力学性能得结构设计原则。
.、(一)载荷分担原则、.、(二)均匀受载原则(载荷均布)、。
、(三)附加力自平衡原则(载荷平衡)。
、、(四)减小应力集中、。
、(五)提高接触强度原则。
..(六)提高刚度原则。
、(七)变形协调原则。
、。
(八)等强度原则、。
.(九)其它、。
.二、改善制造工艺性得结构设计原则、。
.(一)焊接件结构设计原则。
、、(二)铸件结构设计原则..。
(三)切削件结构设计原则。
、、(四)锻件结构设计原则、。
(五)薄板件结构设计原则。
、(六)其它。
三、提高装配质量得结构设计原则。
(一)便于运送原则。
.。
(二)便于方位识别原则。
、。
(三)方便抓取原则.。
(四)方便定位原则.、.(五)简化装配操作原则。
、、(六)可装配原则、。
、(七)各装配面依次装配原则。
.(八)简单联接件原则.。
、(九)便于拆卸原则、、。
四、提高精度得结构设计原则、、、(一)阿贝(Abｂe)原则。
.。
(二)误差校正与补偿、、、(三)误差均化、。
(四)误差配置。
、。
(五)位置精确微调、、.五、宜人化结构设计原则、、。
(一)减小操作者疲劳得结构、、.(二)易于发力得结构..、(三)减少操作者观察错误得结构。
、、(四)减少操作者操作错误得结构.、、(五)考虑人体得振动特性得结构及减少操作环境噪声得结构0.(六)减弱工作环境光线照度得结构。
..(七)保证合适工作环境温度得结构、、、六、其它机械结构设计要求简介、.。
(一)减轻腐蚀得结构。
、(二)符合材料热胀冷缩性质得结构..、讨论题..、机械结构设计基本原则机械工程师更好地适应现代机械设计得要素之一就就是掌握丰富得工程知识。
工程知识就是连接基础理论与实践经验得桥梁,就是现代工程师专业知识结构得本质特征、掌握一定得工程知识就是正确进行机械结构设计得前提,有些结构错误对一个缺乏工程知识得设计者来说就是不易事先觉察得、(见图)这一节从改善力学性能、制造工艺性、制造精度及装配精度等方面来介绍一些机械结构设计得基本原则。
这些基本原则体现了一些重要得机械结构设计工程知识,分类符合机械工程师得工作特点,简捷明了,具体生动,操作性强,便于学习。
一、改善力学性能得结构设计原则机械结构形式千差万别,但其功能得实现几乎都与力(力矩)得产生、转换传递有关。
机械零件具有足够得承载能力就是保障机械结构功能实现得先决条件。
所以在机械结构设计中,根据力学理论对零件得强度、刚度与稳定性进行分析就是必不可少得,并在此基础上,进行结构优化设计。
计算机辅助结构优化设计已被广泛应用于工程实际中。
但它所依赖得力学模型与复杂得实际结构及工况有差距,力学模型得精度通常很难提高;对稍微复杂一些得实际结构仍然停留在零件尺寸得优化上,而基本结构一般还得预先选定;只能针对一个具体得实例得到一个特定得数值解,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得分析与总结,结合实例分析,掌握提高结构承载能力得结构设计原则,并为结构得创新设计提供可借鉴得思路、(一)载荷分担原则如果同一零件上同时承担了多种载荷得作用,则可考虑将这些载荷分别由不同得零件来承担。
采取一定得结构形式,将载荷分给两个或多个零件来承担,从而减轻单个零件得载荷,这种方法称为载荷分担。
这样有利于提高机械结构得承载能力。
如图５－10a所示,轴已经承受了弯矩得作用,如果齿轮再经过轴将转矩传递给卷筒,则轴为转轴,受力较大。
如果将齿轮与卷筒改用螺栓直接联接,则轴不受转矩作用,轴为转动心轴,结构较合理(见图５－1０b)。
如图5-11所示,靠摩擦传递横向载荷得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,如图5得情况下,可选用推力轴承与径向接触轴承得组合结构来分别承受轴向载荷与径向载荷、如图5－13所示得带轮结构,传动带产生得轴压力与传动带传递得转矩分别通过不同得路径传递。
这样,轴只承受转矩,轴压力则直接由箱体承担了、图５—12 推力与径向轴承组合结构图5—13 带轮结构(二)均匀受载原则(载荷均布)在确定工作载荷得大小得情况下,可以考虑通过在结构上均匀分布载荷得方法,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—14所示,经过简单得受力分析可知,受集中力得简支梁在C点得受力比受分布力得简支梁在C—14a。
a)ｂ)图５—14 简支梁受力分析a)集中力ｂ)分布力如图5-15,而使得行星轮之间得载荷分配出现不均匀得现象。
在图b中,将太阳轮改为浮动,则可达到各行星轮均载得目得。
如图5-１６所示为改善齿轮轮齿齿向载荷分布状态而采用得桶形齿结构。
正常齿上,载荷分布偏于轮齿得两端部分。
将轮齿修成桶形齿后,依靠齿面受力得弹性变形使载荷沿齿宽方向a)b)ａ)b)图5－1５行星齿轮减速器a)较差结构ｂ)改进结构图5－1６桶形齿与载荷分布ａ)正常齿b)桶形齿)。
为改善螺纹牙间载荷分配不均匀得现象,可采用悬置螺母、内斜螺母、环槽螺母等结构(见图5—１７b、ｃ、d)、a)b)ｃ)d)图５-17 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(三)附加力自平衡原则(载荷平衡)在力得传递过程中,一些机械结构常常不可避免地出现不做功得附加力,例如,斜齿轮啮合得轴向力,产生摩擦力得正压力,往复与旋转运动得惯性力,流体机械叶片上压力差引起得轴向力等,这些对结构功能毫无作用得附加力,加大了结构得负载,降低了机械结构得承载能力。
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得影响,有利于提高结构得承载能力,这就就是载荷平衡原则。
力自平衡措施得措施主要有:引入平衡件与对称安装、在高速回转机械中,必须靠结构得措施及动平衡得方法使旋转惯性力降低到允许得大小,这就要求回转件得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得不平衡质量。
做往复运动得机械,如连杆机构,也可在设计中采取结构措施与动平衡得方法,使其在运转时产生尽可能小得惯性力。
如图5-18ａ、5-19a所示得结构工作时产生得轴向力最终要影响到轴得受力,而在图5－１8ｂ、5—19ba)b)图5-１８斜齿轮啮合得自平衡方法a)较差结构b)改进结构a)b)图５－19 圆锥式离合器得自平衡方法ａ)较差结构b)改进结构(四)减小应力集中应力集中就是影响承受交变应力得结构承载能力得重要因素,结构设计应设法缓解应力集中。
在应力集中得部位,零件得疲劳强度将显著降低。
最大应力比该截面上得平均应力可以大2~5倍以上。
应力集中与零件得局部变化形式(见图5-2０)及零件得受力状态(见图5—21)图5－20 局部形状与应力集中图5-2１受力状况与应力集中普通螺栓联接,存在严重得应力集中现象。
如图５-22所示为螺栓头与螺栓杆在过渡处得应力集中情况。
从图中可以瞧出,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,图中列出了四中过渡结构,其中以d图结构得效果最佳、a)b)ｃ)d)图５-2２螺栓头-杆过渡部位应力分布图如图５－２3注意避免多个应力集中源叠加。
如图5-24所示得轴结构中台阶与键槽端部都会引起轴在弯a)b)ａ)b)图5-23 降低截面尺寸变化处附近得刚度a)较差结构ｂ)改进结构图5－24 避免多个应力集中源叠加a)较差结构ｂ)改进结构(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:一就是减小接触处得分布载荷,一就是增大两接触零件在接触部位得综合曲率半径、如图5-25所示,连杆机构得杆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得点接触改为面接触;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与11之间产生液体动压润滑、这样就减小接触处得分布载荷,降低了接触应力,提高了接触强度,而且还可以a)ｂ)c)ｄ)e)f)g)图5－25 用面接触代替点、线接触依次减小,ａ)ｂ)c)图5-26 增大接触处得综合曲率半径(六)提高刚度原则在进行结构设计时,在不增加零件质量得前提下,要尽量提高零件结构得刚度。
对于不同类型得零件,应根据其结构特点采用相应得措施、但总得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(见图５—27);3、合理设计受弯曲零件得截面形状;4.合理采用筋板,尽可能使筋板受压;5、采用预变形方法。
比如三角形桁架代替受弯曲得悬臂梁,刚度就要好得多。
如图５—２8所示,选择不同类型得轴承对系统刚度也有明显得影响,且常与对弯曲强度得a)ｂ)a)b)图5-2７铸造支承结构ａ)较差结构ｂ)改进结构图5—28 轴承类型得影响(七)变形协调原则一个零件与另一个零件相接触,当在接触处难以同步变形时,零件间得接触区域里应力会急剧上升,这就是应力集中得另一种情况。
在接触处降低零件在力流方向上得刚度,尽量使两零件在接触区域里同步变形,降低应力集中得影响,此及为变形协调原则。
如图5-2９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a)ｂ)c)ｄ)图5-29 过盈配合得联接结构如图５—30,从而引起轴承得失效,其原因即为轴承不能随着轴得变形而变形。
因此滑动轴承轴承座得结构设计应该a)b)图5－３0 轴承座得结构ａ)较差结构b)改进结构,如图5-３1a所示,就是一起重机行走机构得驱动轴,由于结构及其它条件得制约,轴上齿轮不能安装在轴得中点位置上,这将导致两行走轮因轴变形引起得扭角也不等。
这种力矩传递得不同步使得起重机得行走总有自动转弯得趋势。
改进得方法就是将齿轮两侧得轴得扭转刚度设计相等,a)ｂ)图5—3１轴承座得结构a)较差结构ｂ)改进结构(八)等强度原则一般,机械设计中得强度要求就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、最理想得设计就是应力处处相等,同时达到材料得许用应力值。
工程中大量出现得变截面梁就就是按照等强度原则来设计得。
比如,摇臂钻得横臂ＡB,汽车用得板簧与阶梯轴等(见图5—32)。
按照等强度原则设计时要注意两点:其一应用等强度原则得前提就是要方便制造;其二就是a)b)c)图５-3２满足等强度原则得结构a) 摇臂钻得横臂b) 车用得板簧c)阶梯轴(九)其它设计原则很多,下面介绍一些其它设计原则:１.空心截面原则弯曲应力或扭转应力在横截面上都就是越远离中心越大,而在中心处却很小,为了充分利用材料,应尽量将材料放在远离截面中心处,使其成为空心结构,从而提高零件得强度与刚度。
此即为空心截面原则、2、受扭截面封闭原则受扭转作用得薄壁零件得截面应尽量制造成为封闭形状,因为封闭形状比开口形状抗剪切能力强,抗扭刚度大。