机械结构设计(行业专业)课件.ppt

1、第六章第六章 机械结构设计机械结构设计1藤蔓课堂第一节概述第一节概述一、结构设计的任务和重要性一、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，它的计。产品结构设计又称技术设计，它的任务是将原理设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、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。加工和装配。因此结构设计是涉及到材料、工艺、精度、因此结构设计是涉及到材料、工艺、精度

2、、设计计算方法、实验和检测技术、机械制图等许多学科设计计算方法、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。领域的一项复杂、综合性的工作。2藤蔓课堂 机械设计的最终成果都是以一定的结构形式所表现，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以

3、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。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。安全性等。综上所述，结构设计是保证产品质量，提高可靠性，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。降低产品成本的重要工作。3藤蔓课堂二、结构设计的内容和步骤二、结构设计的内容和步骤 结构设

4、计内容包括结构设计内容包括:设计零部件形状、数量、相互设计零部件形状、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、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。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在进行结构设计时，还要充分考虑现有的各种条件，如加

5、工条件、现有材料、各种标准零部件、相近件，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。到具体、从粗略到详细的设计过程。4藤蔓课堂 结构设计的步骤结构设计的步骤如图。每个步骤的内容叙述如下如图。每个步骤的内容叙述如下:(1)(1)明确对结构设计的要求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、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、

6、制造及运输、包装等方面的要求。空间大小、安装限制、制造及运输、包装等方面的要求。(2)(2)主功能载体初步结构设计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主功能载体是指承受主功能的元件(即零件或部件即零件或部件)，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。定这些零部件的结构形状、几何尺寸和空间位置。（3 3）分功能载体的初步结构设计）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

7、要凭经验或能载体如轴承、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。粗略估算初步确定结构形状。5藤蔓课堂(4)(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。干涉，尽量使各部分结构之间有合理的联系。(5)(5)详细设计各功能载体结构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、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

8、识、现代设计相互位置等。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，并考虑加工方法和手段，并考虑加工(6)(6)技术和经济评价技术和经济评价 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。方案。(7)(7)对设计进一步修改完善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。修改设计。6藤蔓课堂 因此结构设计主要包括因此结构

9、设计主要包括三个方面三个方面:一是质的设计，一是质的设计，定性分析构形定性分析构形(各零件形状、数目、位置关系各零件形状、数目、位置关系)；二是量；二是量的设计，定量计算尺寸，决定材料；三是按比例绘制结的设计，定量计算尺寸，决定材料；三是按比例绘制结构图。构图。对于改进型设计，即改进现有产品，从分析现有产对于改进型设计，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。图骤，可视情况灵活处理。图5-25-

10、2为改进型设计时结构设为改进型设计时结构设计的步骤。计的步骤。结构设计主要目标是结构设计主要目标是:保证功能、提高性能、降低保证功能、提高性能、降低成本。成本。7藤蔓课堂4.4.1 结构设计的任务、内容和步骤结构设计的任务、内容和步骤图图51 结构设计步骤结构设计步骤 设计设计任务任务对结对结构设构设计的计的要求要求主要主要功能功能载体载体初步初步结构结构设计设计 各分各分功能功能载体载体初步初步结构结构设计设计 检查检查各功各功能载能载体结体结构的构的相互相互影响影响和协和协调性调性 详细详细设计设计主分主分功能功能载体载体结构结构 对对设计设计进一进一步修步修改、改、完善完善 技术技术和和

11、经济经济评价评价结构结构决策决策结构图纸结构图纸是是否否8藤蔓课堂9藤蔓课堂 机械结构是机械功能的载体，机械结构设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零件间的相

12、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。等问题也应在这一阶段解决。10藤蔓课堂 结构设计包括机器的总体结构设计和零部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，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又有区别，本章将着重讨论零件结构设计的共性问题。性问题。如果说功能原理设计决定了产品的先进性、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新颖性，那么结构设计则决定了产品的质量和成本的成本的70708080，因此说结构设计是机械设，因此说结构设计是机械设计中涉及问题最多，工作量

13、最大的一个环节。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。本章将重点讨论结构设计的共性问题。11藤蔓课堂第二节第二节 零件的功用及基本类型零件的功用及基本类型 零件是构成机械设备的基本元素。零件是构成机械设备的基本元素。一、零件的功用一、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。运动轨迹关系等。1 1承受载荷承受载荷 机械设备在工作中受到多种力的作用，这些力都要机械设备在工作中受到多种力的作用，

14、这些力都要由零件承受。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。工作正常的影响，是进行结构设计的重要依据和保证。12藤蔓课堂 这些力包括机械装置工作所需的力，零件所受的重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，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在介质中运动的零件受到介质的作用力 (液压力、风阻

15、液压力、风阻力力)，对连接结构施加的，对连接结构施加的预紧力预紧力(螺纹联接、过盈联螺纹联接、过盈联接接)，由于温度变化而产生，由于温度变化而产生的附加载荷等。的附加载荷等。如图如图6-26-2所示减速器结构中，所示减速器结构中，齿轮传动所受到的力通过轴齿轮传动所受到的力通过轴传递给轴承，其中的径向力传递给轴承，其中的径向力和切向力通过轴承传递给箱和切向力通过轴承传递给箱体，轴向力经轴承传递给端体，轴向力经轴承传递给端盖，再经端盖传递给箱体。盖，再经端盖传递给箱体。13藤蔓课堂2 2传递运动和动力传递运动和动力机械装置的执行机构以确机械装置的执行机构以确定的运动规律或运动轨迹定的运动规律或运动

16、轨迹实现给定的功能。原动机实现给定的功能。原动机的运动特性通常与执行机的运动特性通常与执行机构的要求不匹配，需要传构的要求不匹配，需要传动机构将原动机提供的运动机构将原动机提供的运动和动力进行变换，包括动和动力进行变换，包括对运动的轨迹、规律、频对运动的轨迹、规律、频率等特征的变换。率等特征的变换。摆杆摆杆3 3的作用是把运动和的作用是把运动和动力传给滑枕动力传给滑枕2 2，以便使，以便使刨刀刨刀1 1实现直线住复运动实现直线住复运动并切下金属。并切下金属。14藤蔓课堂轴轴4 4和摆杆和摆杆3 3都具有传递运动的功能。由于摩擦力的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

17、矩。存在，它们也承受一定的弯矩和扭矩。15藤蔓课堂3.3.保持有关零部件之间的相对位置或运动保持有关零部件之间的相对位置或运动轨迹关系轨迹关系 仍以车床为例：车床主轴箱和床身之间仍以车床为例：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求后座顶尖与主轴顶尖的连线与床身导轨平行。要求

18、床身导轨本身要具有相应的直线度，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。受热、受力变形小等。16藤蔓课堂 4 4、其它功用、其它功用 有些零件还具有其它一些功用，如箱体除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。饰作用，要求具有一定的外形及色彩。17藤蔓课堂二、零件的分类二、零件的分类 零件的形状虽然千差万别，但根

19、据它们在机器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，（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：可大体将它们划分为几种类型：轴套类轴套类 盘盖类盘盖类 叉架类叉架类 箱体类箱体类18藤蔓课堂 轴套类零件结构的主体部分大多是轴套类零件结构的主体部分大多是同轴回转体同轴回转体，它，它们一般起们一般起支承转动零件支承转动零件、传递动力传递动力的作用，因此，常带的作用，因此，常带有有键槽、轴肩、螺蚊键槽、轴肩、螺蚊及及退刀槽退刀槽或或砂轮越程槽砂轮越程槽等结构。等结构。1 1、轴套类零件轴套类零件19藤蔓课堂20藤蔓课堂 盘盖

20、类零件一般包括法兰盘、端盖、压盖和各种轮盘盖类零件一般包括法兰盘、端盖、压盖和各种轮子等。它在机器中主要起子等。它在机器中主要起轴向定位、防尘、密封及传递轴向定位、防尘、密封及传递扭矩扭矩等作用。等作用。盘盖类零件主体盘盖类零件主体一般为不同直径的一般为不同直径的回转体回转体或其他形或其他形状的状的扁平板状扁平板状，其厚度相对于直径小得多，常有，其厚度相对于直径小得多，常有凸台凸台、凹坑凹坑，均匀分布，均匀分布安装孔安装孔、轮辐和键槽轮辐和键槽等结构。等结构。2 2、盘盖类零件盘盖类零件21藤蔓课堂A22藤蔓课堂其余手 轮HT150(校名)11:1图号比例数量材料审核制图抛光未注圆角R323藤

21、蔓课堂 3 3、叉架类零件叉架类零件 叉架类零件包括各种叉架类零件包括各种拔叉、连杆、摇杆、支架、支座拔叉、连杆、摇杆、支架、支座等。此等。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，一般分为比较复杂，一般分为支承部分支承部分、工作部分工作部分和和连接安装部分连接安装部分。其上。其上常有凸台、凹坑、销孔、螺纹孔及倾斜结构。常有凸台、凹坑、销孔、螺纹孔及倾斜结构。24藤蔓课堂其余支 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25藤蔓课堂 箱体类零件主要用来箱体类零件主要用来支承支承、包容包容和和保护运动零

22、件保护运动零件或或其他零件，也起其他零件，也起定位定位和和密封密封作用。它的结构较复杂，内作用。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，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。毛坯多为铸件，经机械加工而成。4 4、箱体类零件箱体类零件26藤蔓课堂27藤蔓课堂28藤蔓课堂其余箱体技术要求2.铸件应经人工时效处理.1.未注圆角R2 R4(校名)11:1HT150图号比例数量材料审核制图29藤蔓课堂三、零件的相关三、零件的相关 在机械设备中，每一个零件都不是独立存在机械设备中，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

23、、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，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，这种其功能的实现，组成机器，这种零件之间确定零件之间确定性的关系称为零件之间的相关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。系或相互位置关系，称为相关。30藤蔓课堂零件的相关零件的相关在机械系统中，各零件通常成链状、树状或网状相互在机械系统中，各零件通常成链状、树状或网状相互

24、联接，构成完整的机械网络。联接，构成完整的机械网络。31藤蔓课堂说明：说明：1 1）零件的相关分为直接相关和间接相关两类：）零件的相关分为直接相关和间接相关两类：（1 1）直接相关：凡是两零件有直接装配关系的。）直接相关：凡是两零件有直接装配关系的。（2 2）间接相关：没有直接装配关系的相关。）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：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。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

25、或几个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。是这样的中间件。32藤蔓课堂四、零件的结构要素四、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。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 (或工作表面或工作表面)，其他结构要素称为连接要素，其他结构要素称为连接

26、要素 (或连接或连接表面表面)。每一个零件都有工作表面。零件的工作表面决定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。设计是零件设计的核心问题。33藤蔓课堂 每个零件的工作表面部不是孤立存在的，每个工作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，所以零件的零件的工作工作表面都是成对进行设计的，设计中共同考虑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

27、配，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。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常用零件工作表面的设计计算方法有相应的标准 (有些有些属于国家标准属于国家标准)，这些标准所规定的算法严格、统一、规，这些标准所规定的算法严格、统一、规范。范。

28、34藤蔓课堂 连接表面将各个工作表面连接成为完整形体，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。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，连接表面设计方法虽较灵活，但也应遵守以下的原则但也应遵守以下的原则:1)1)不影响工作表面的功能。不

29、影响工作表面的功能。2)2)不影响零件运动。不影响零件运动。3)3)不影响操作。不影响操作。35藤蔓课堂36藤蔓课堂 图图6-16-1所示车床中的床腿所示车床中的床腿1 1是典型的支承件，也称大是典型的支承件，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用是支承床身7 7，而床腿的工作部分恰与床身的安装，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

30、与主轴箱的联结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。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、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、刚精度、表面质量等，而联结部分主要考虑强度、刚度等要求。度等要求。37藤蔓课堂第三节第三节 结构方案设计的基本原则和原理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确定和选择结构方案时应遵循三项基本原则是：是：明确、

31、简单和安全可靠明确、简单和安全可靠。1 1明确明确 所谓明确是指对产品设计中所应考虑的问题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。都应在结构方案中获得明确的体现与分但。38藤蔓课堂(1)(1)功能明确功能明确 所选择结构要达到预期的功能，每个分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。在图系。要避免冗余结构，尽量减少静不定结构。在图5-5-3(a)3(a)中，传递转矩是键还是圆锥面，零件的轴向定位是中，传递转矩是键还是圆锥面，零件的

32、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。图不明确的结构。图5-3(b)5-3(b)两种功能都是由圆锥面承担，两种功能都是由圆锥面承担，是一种好结构是一种好结构39藤蔓课堂(2)(2)工作原理明确工作原理明确 所选结构的物理作用明确，从而可靠地实现能所选结构的物理作用明确，从而可靠地实现能量流量流(力流力流)、物料流和信息流的转换或传导。、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在功能原理设计中需要通过某种(或某些或某些)物理物理过程实现给定的功能要求。过程实现给定的功能要求。实际使用的机械装置在工作

33、中必然同时进行着多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，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。要的应对措施。40藤蔓课堂 设计者原意是滚针轴承承担设计者原意是滚

34、针轴承承担径向力，向心球轴承承受轴向力径向力，向心球轴承承受轴向力。实际上，两个轴承都能承受径。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，故容易导致某体不同而不确定，故容易导致某个轴承过载而损坏。个轴承过载而损坏。滚针轴承承担径向力，滚针轴承承担径向力，推力球轴承承受轴向力，径推力球轴承承受轴向力，径向力和轴向力承受者都很清向力和轴向力承受者都很清楚，因此功能和作用原理都楚，因此功能和作用原理都明确。明确。41藤蔓课堂（3)3)使用工况及承载状态明确使用工况及承载状态明确 在结构设计中，零件的材料选择及工作能力分析在结构设计中，零件的材料

35、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。现可能造成某些要素的工作状态不明确的结构。42藤蔓课堂 2 2简单简单 在结构设计中，在同样可以完成功能要求的条件下，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。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，采用标准件、用零部件数量较少，零部件的种类较少，采用标准件、通用件、操作简单等；零件的形状简单，被加工面

36、数量通用件、操作简单等；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。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。于提高装置的可靠性，有利于提高工作精度。43藤蔓课堂 图图6-56-5吊车轨道，除作导轨用外，吊车轨道，除作导轨用外，还兼作水、空压、油压管道的作用，还兼作水、空压、油压管道的作用，是多功能结构件。是多功能结构件。44藤蔓课堂3 3

37、安全可靠安全可靠1 1）机器安全包括）机器安全包括4 4个方面：个方面：零件安全零件安全 主要指在规定的载荷和规定时间内，零件主要指在规定的载荷和规定时间内，零件不发生断裂、过度变形、过度磨损，不丧失稳定性。不发生断裂、过度变形、过度磨损，不丧失稳定性。整机安全整机安全 指整个技术系统保证在规定条件下实现总指整个技术系统保证在规定条件下实现总功能。功能。工作安全工作安全 对操作人员的防护，保证人身安全和身心对操作人员的防护，保证人身安全和身心健康。健康。环境安全环境安全 对技术系统的周围环境和人不造成危害和对技术系统的周围环境和人不造成危害和污染，同时也要保证机器对环境的适应性，如挖掘机污染，

38、同时也要保证机器对环境的适应性，如挖掘机对沼泽地工作的适应。对沼泽地工作的适应。45藤蔓课堂2 2）安全技术法）安全技术法 为了保证安全可靠性，而采取的技术措施：为了保证安全可靠性，而采取的技术措施：(1)(1)直接安全技术法：是指在结构设计中充分满足安全直接安全技术法：是指在结构设计中充分满足安全可靠要求，保证在使用中不出现危险，主要遵循下面可靠要求，保证在使用中不出现危险，主要遵循下面3 3个原理。个原理。A A、构件可靠性原理。、构件可靠性原理。组成技术系统的各零件之间的联接在规定载荷和组成技术系统的各零件之间的联接在规定载荷和时间内完全处于安全状态。这就必须做到时间内完全处于安全状态。

39、这就必须做到:构件中受力、构件中受力、使用时间和使用环境是清楚的使用时间和使用环境是清楚的;选择的计算理论和方法、选择的计算理论和方法、材料是经过验证且可靠的材料是经过验证且可靠的;试验负荷要高于工作负荷试验负荷要高于工作负荷;严格限定使用时间和范围。严格限定使用时间和范围。46藤蔓课堂B B、有限损坏原理。在使用时，当出现功能干扰或零件出、有限损坏原理。在使用时，当出现功能干扰或零件出现断裂时，不会使主要部件或整机遭到破坏。这就要求现断裂时，不会使主要部件或整机遭到破坏。这就要求失灵的零件易于查找和更换，或者能被另一零件所代替，失灵的零件易于查找和更换，或者能被另一零件所代替，如采用安全销、

40、安全阀和易损件等。对于可能松脱的零如采用安全销、安全阀和易损件等。对于可能松脱的零件加以限位，使件加以限位，使其不致脱落造成机器其不致脱落造成机器事故。事故。如图如图5-9a 5-9a 表示螺钉表示螺钉松脱后会落入机器内，松脱后会落入机器内，使机器不能工作，使机器不能工作，b b 图表示螺钉松脱后，图表示螺钉松脱后，受到限位，不致掉入受到限位，不致掉入系统中。系统中。47藤蔓课堂 C C、冗余配置原理、冗余配置原理 当技术系统发生故障或失当技术系统发生故障或失效对会造成人身安全或重大设备事故，为了提效对会造成人身安全或重大设备事故，为了提高可靠性，常采用重复的备用系统。如飞机发高可靠性，常采用

41、重复的备用系统。如飞机发动机的双驱动、三驱动和副油箱；压力容器中动机的双驱动、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水的水泵系统采用两套或三套配置(一套运转，一套运转，一套维修，一套备用一套维修，一套备用)。48藤蔓课堂(2)(2)间接安全技术间接安全技术 间接全技术使得当系统发生故障时通过防护系统和保间接全技术使得当系统发生故障时通过防护系统和保护装置来实现技术系统的安全可靠。并且系统的工作状护装置来实现技术系统的安全可靠。并且系统的工作状态较容易恢复。态较容易恢复。间接安全技术可以在传动链中设

42、置安全保护装置，使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，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使传动链中断，保护传动链中的其他零件(特别是重要特别是重要零件零件)不受损坏。使得零件损坏造成的影响范围尽量小。不受损坏。使得零件损坏造成的影响范围尽量小。其类型是多种多样的。如液压回路中的安全阀、电路系其类型是多种多样的。如液压回路中的安全阀、电路系统中的保险丝等，都是当设备出现危险或超负荷时，自统中的保险丝等，都是当设备出现危险或超负荷时，自行脱离危险状态。行脱离危险状态。49藤蔓课堂图图51

43、1511具有故障显示正常的精过滤器具有故障显示正常的精过滤器:液压回路中，精液压回路中，精过滤器芯过滤器芯2 2被堵时，差压计被堵时，差压计1 1发出信号，而单向阀发出信号，而单向阀3 3打开，打开，回路仍正常工作。回路仍正常工作。50藤蔓课堂(3)(3)提示性安全技术法。既不能直接保证安提示性安全技术法。既不能直接保证安全可靠，又没有保护或防护措施，仅能在全可靠，又没有保护或防护措施，仅能在事故出现以前发出报警和信号，提醒人们事故出现以前发出报警和信号，提醒人们注意，如指示灯，警铃等。注意，如指示灯，警铃等。51藤蔓课堂 3 3 安全可靠安全可靠安安全全可可靠靠机机器器安安全全安安全全技技术

44、术法法零件安全零件安全整机安全整机安全工作安全工作安全环境安全环境安全直接安全技术法直接安全技术法间接安全技术法间接安全技术法提示性安全技术法提示性安全技术法52藤蔓课堂二、结构方案设计原理二、结构方案设计原理 在结构设计中常应用下述各项原理：在结构设计中常应用下述各项原理：1.1.等强度原理等强度原理（包括零件和整机）（包括零件和整机）对于同一个零件来说，各处应力相等，各处寿命相对于同一个零件来说，各处应力相等，各处寿命相等，叫等强度。这样可使结构有相等强度，从而达到充等，叫等强度。这样可使结构有相等强度，从而达到充分利用材料，提高经济效益。如图分利用材料，提高经济效益。如图5-12a)5-

45、12a)的结构强度不的结构强度不等，而且强度差，等，而且强度差，b)b)图的结构强度不等，图的结构强度不等，c)c)图适用于铸图适用于铸铁的等强度结构，铁的等强度结构，d)d)图适用于钢的等强度结构。图适用于钢的等强度结构。53藤蔓课堂等强度原理（相对的观点）通过适当地选择材料和适当确等强度原理（相对的观点）通过适当地选择材料和适当确定几何形状，力求构件各处强度得到充分利用。目的是减轻定几何形状，力求构件各处强度得到充分利用。目的是减轻重量，降低成本。或者采取相应措施减低高应力区应力，提重量，降低成本。或者采取相应措施减低高应力区应力，提高低应力区应力，使应力趋于均匀。如下图高低应力区应力，使

46、应力趋于均匀。如下图(1)(1)（弯矩图）（弯矩图）(2)(2)等强度梁等强度梁c54藤蔓课堂图图6-96-9所示为增加约束变形附件以降低高应力区应力所示为增加约束变形附件以降低高应力区应力的两个实例。图中构件的两个实例。图中构件1 1为承受载荷的主体构件，当为承受载荷的主体构件，当在结构中增加一个约束变形的辅助构件在结构中增加一个约束变形的辅助构件2 2时，就使构时，就使构件件1 1左半部的应力显著减小，两部分应力趋于均匀。左半部的应力显著减小，两部分应力趋于均匀。55藤蔓课堂注意以下几点：注意以下几点：1)1)如果在某些结构中追求等强会增大成本，则应放如果在某些结构中追求等强会增大成本，则

47、应放弃等强原理。弃等强原理。例如在滚动轴承轴系结构设计中，同一轴系两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。工艺成本，所以应放弃等强原理。56藤蔓课堂3)3)为保护重要零部件，设计中使某个零部件的承载能为保护重要零部件，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力较低，通过牺

48、牲廉价易更换零件的方法保护重要零部件。部件。4)4)有些结构参数有标准系列值，在按照等强原理进行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。设计后应按标准系列圆整参数。2)2)不同结构要素的工作原理不同，承载能力的差别很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。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，大，这种情况下通常采用多次更换易损零件

49、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。将承载能力较低的结构零件设计成较易更换的结构。57藤蔓课堂2.2.合理力流原理合理力流原理 所有机械设备、工程结构都与力、力矩和运动有所有机械设备、工程结构都与力、力矩和运动有关。关。把力的传递过程（路线）称为力流。既然是把力的传递过程（路线）称为力流。既然是“过过程程”，那么人的眼睛能否看到力流？在通常情况下，那么人的眼睛能否看到力流？在通常情况下，刚性的机械零件一个挨着一个，力从一个零件传到另刚性的机械零件一个挨着一个，力从一个零件传到另一个零件，人的眼睛是不能发现这种力的传递过程的。一个零件，人的眼睛是不能发现这种力的传递过程的。

50、但是，如果把一个螺旋弹簧水平放置，用手通过弹簧但是，如果把一个螺旋弹簧水平放置，用手通过弹簧推动一块放在地面的砖，可立刻看到，弹簧被压缩的推动一块放在地面的砖，可立刻看到，弹簧被压缩的过程是由近及远过程是由近及远(由手到砖由手到砖)，直至砖被推动。这是借，直至砖被推动。这是借助弹簧形变过程形成的臂力流。助弹簧形变过程形成的臂力流。58藤蔓课堂 假想力流是由若干条线组成的线柬，这些线沿力的假想力流是由若干条线组成的线柬，这些线沿力的传递方向伸展开，称这些假想线为力线。力在构件中的传递方向伸展开，称这些假想线为力线。力在构件中的传递轨迹就像电场中的电力线、磁场中的磁力线、水流传递轨迹就像电场中的电