机械结构设计概论

机械结构设计准则润滑理论及轴承研究所朱永生2011-11西安交通大学润滑理论及轴承研究所内容西安交通大学润滑理论及轴承研究所机械结构设计概论1提高强度、刚度和延长寿命的结构设计准则2提高精度的结构设计准则3符合人机工程学设计准则4避免或减小对人类损害的结构设计准则5改进零部件结构工艺性的结构设计6内容西安交通大学润滑理论及轴承研究所机械结构设计概论11.结构设计的作用机械结构设计是机械设计的重要组成部分，没有结构就没有机器。使用者关注的是产品的性能和功能，而设计和制造者则关心的是机器的机械结构，这套结构能满足使用者所要求的功能和性能。所以结构是把设计——制造——使用者联系起来的纽带，是设计、制造、使用的具体对象，是使用性能的物质承担者。www.themegallery.com1.结构设计的作用机械结构设计应满足作为产品的多方面要求，基本要求有功能、可靠性、工艺性、经济性和外观造型等方面的要求。此外，还应改善零件的受力，提高强度、刚度、精度和寿命。因此，机械结构设计是一项综合性的技术工作。1.结构设计的作用机械结构设计过程中应遵循一定的结构设计准则，否则：零部件失效机器达不到设计精度的要求给装配和维修带来极大的不方便。。。。。。西安交通大学润滑理论及轴承研究所2.机械结构设计的任务和工作内容采用各种方法，确定机械零部件所采用的原理、形状、构造、材料、尺寸公差等，并将设计结果表现为生产图样或生产机械所需的全部技术资料。这些工作主要在技术设计阶段。西安交通大学润滑理论及轴承研究所调查决策研究设计技术设计试制生产销售结构设计3.机械结构设计的基本条件和要求机械系统的功能要求？所设计的机械应具有的功能及各个部分应具有的功能、各部分的性能参数（压力、速度、运动范围等）输入输出的能量、材料或信号的具体要求，如机床的精度、信号的信噪比等对机械系统本身的要求，如重量、体积、寿命和可靠性等。使用者和环境要求环境影响：如使用环境有无砂石、腐蚀、温度、气候、辐射等特殊条件和要求。物质条件：动力、燃料、原材料、润滑剂等各种设备正常使用中所必须的辅料的供应情况。西安交通大学润滑理论及轴承研究所3.机械结构设计的基本条件和要求使用者的技术水平：操作者的技术水平和熟练程度、维修的情况及技术水平等。使用者的经济条件：购置费、维护费、材料和各项开支及使用本系统的经济效果等。安全条件：人身和健康安全要求，噪声和污染的允许界限使用者的特殊条件：某些国家、地区对不同颜色、造型的特殊爱好或禁忌等。工艺条件加工技术和设备的水平。标准化、系列化的情况。对保养、维护、修理的要求和得到配件的条件。西安交通大学润滑理论及轴承研究所3.机械结构设计的基本条件和要求市场及其他情况当前市场上有无类似产品？我们设计、生产该产品的优势？有无相关专利？对我们的影响？当前市场容量和市场预测，发展趋势。国家对本产品的使用有什么限制和要求？设计生产的进度要求。西安交通大学润滑理论及轴承研究所4.机械结构方案设计的技巧www.themegallery.com由结构中的相互关系变换而制定结构方案运动形式的变换结合方式的变换锁合的变换物理原理的变换利用形态变换的方法制定结构方案形状变换位置变换数目变换尺寸变换结构方案设计机械结构设计有两个重要步骤：一.结构方案设计，为了实现某一原理方案采用尽可能多的各种结构方案；二.结构方案择优选用。4.机械结构方案设计的技巧要设计一台点钞机，为达到钞票分离的目的，可以采用下图所示的几种功能原理方案。显然，进行原理性构思时首先要考虑应用某种物理效应（如图中的摩擦、离心力、气吹等），然后利用某种作用原理（如图中的摩擦轮、转动架、气嘴等），最后达到实现功能目标的结果。www.themegallery.com西安交通大学润滑理论及轴承实验室4.机械结构方案设计的技巧一.利用形态变换的方法制定结构方案①形状变换：改变零件的形状，尤其是工作表面的形状而得到不同的结构形式。如直齿改为斜齿，过盈配合改为花键连接等。西安交通大学润滑理论及轴承研究所将摆动导杆机构中的直线导槽改为圆弧导槽，可获得较长时间的停歇。槽轮直径变为无穷大，槽数无穷多时，演变为槽条机构滚珠变滚柱，减少变形量行星齿轮大小的变化，导致滑块的不同运动特性4.机械结构方案设计的技巧一.利用形态变换的方法制定结构方案②位置变换：改变零件的相互位置关系，来使得零部件的受力、润滑等工况改善。西安交通大学润滑理论及轴承研究所消除了推杆的轴向力改善了润滑条件4.机械结构方案设计的技巧一.利用形态变换的方法制定结构方案③数目变换：变换零件的数目或相关集合形状的数量（如平键改为花键连接）。④尺寸变化：改变零件或表面的尺寸，从而产生形态变换。西安交通大学润滑理论及轴承研究所4.机械结构方案设计的技巧一.利用形态变换的方法制定结构方案实例分析：西安交通大学润滑理论及轴承研究所功能要求：设计夹具，用于加紧安装于圆柱形外套2中的汽缸套1，以便加工内孔4.机械结构方案设计的技巧一.利用形态变换的方法制定结构方案实例分析（2）：精密控制工作台西安交通大学润滑理论及轴承研究所功能要求：精密驱动（0.08um）安装于丝杠螺母机构5，6上的工作平台。4.机械结构方案设计的技巧二.由机械结构中的相互关系变换而制定结构方案①运动形式的变换正反转180度工作台设计：用电机？机械结构？西安交通大学润滑理论及轴承研究所4.机械结构方案设计的技巧二.由机械结构中的相互关系变换而制定结构方案①结合方式的变换：对于静止件和运动件之间的相互关系称为结合方式。通常采用的是相互滑动和相互滚动（如滑动轴承和滚动轴承）。此外还可以采用空气垫、磁场或油膜隔开运动物体表面。西安交通大学润滑理论及轴承研究所4.机械结构方案设计的技巧二.由机械结构中的相互关系变换而制定结构方案②锁合方式的变换：两个互相连接的零件可以采用不同的原理把他们连接起来称为锁合。如力锁合（依靠摩擦力，如过盈配合、楔形键）、材料锁合（利用中间材料：如焊接）和形状锁合（利用形状进行连接：花键、销钉）是三种常用的锁合方式。西安交通大学润滑理论及轴承研究所4.机械结构方案设计的技巧二.由机械结构中的相互关系变换而制定结构方案③物理原理的变换：利用不同的物理原理实现某一机构功能。比如对于传动，可依靠几何形状传动（齿轮、凸轮、斜面、链）；也可靠摩擦力传动；可利用介质传动（气动、液动）；依靠磁场；或者利用某些材料在电、热、力等物理参量作用下，尺寸的改变等原理进行传动。西安交通大学润滑理论及轴承研究所超声电机超声电机工作原理镜头变焦4.机械结构方案设计的技巧二.由机械结构中的相互关系变换而制定结构方案④物理原理的变换：利用不同的物理原理实现某一机构功能。西安交通大学润滑理论及轴承研究所内容西安交通大学润滑理论及轴承研究所提高强度、刚度和延长寿命的结构设计准则22.1机械结构合理受力的准则www.themegallery.com受力强度刚度耐磨性立木支千斤千斤不压稍2.1机械结构合理受力的准则一.载荷均布准则：外载荷由多个零件或支撑点支持时，应当使它们受力尽量均匀。西安交通大学润滑理论及轴承研究所轴承受力不均匀轴弯曲导致齿轮接触情况恶化非对称布置，应当使齿轮对远离动力输入端，用扭转变形改善弯曲变形导致的齿轮沿宽度方向载荷分布不均匀2.1机械结构合理受力的准则一.载荷均布准则：外载荷由多个零件或支撑点支持时，应当使它们受力尽量均匀。西安交通大学润滑理论及轴承研究所2.1机械结构合理受力的准则一.载荷均布准则：外载荷由多个零件或支撑点支持时，应当使它们受力尽量均匀。西安交通大学润滑理论及轴承研究所2.1机械结构合理受力的准则一.载荷均布准则：外载荷由多个零件或支撑点支持时，应当使它们受力尽量均匀。西安交通大学润滑理论及轴承研究所2.1机械结构合理受力的准则二.载荷分担准则：即把作用在一个零件上的载荷，经采取结构措施，分给两个或更多个零件承担。西安交通大学润滑理论及轴承研究所2.1机械结构合理受力的准则三.自平衡准则：应使机械结构中的相互作用力相互平衡。西安交通大学润滑理论及轴承研究所2.1机械结构合理受力的准则四.自加强准则：在合理设计的前提下，机械装置的外载荷，可成为加强结构功能的因素。西安交通大学润滑理论及轴承研究所2.1机械结构合理受力的准则五.力流路径最短准则：传递力的时候，所涉及的零部件应尽可能少。西安交通大学润滑理论及轴承研究所厚度40mm,仍有变形厚度20mm,变形很小2.2提高静强度的结构设计准则西安交通大学润滑理论及轴承研究所2.2提高静强度的结构设计准则一。加大截面系数或者西安交通大学润滑理论及轴承研究所WkW2.2提高静强度的结构设计准则一。加大截面系数或者案例：西安交通大学润滑理论及轴承研究所WkW铸铁件的抗压强度是抗拉强度的数倍，因此设计中应充分考虑此特性。2.2提高静强度的结构设计准则二。采用空心轴提高刚度西安交通大学润滑理论及轴承研究所W0(W):空心（实心）轴的截面系数I0(I):空心（实心）轴的惯性矩2.2提高静强度的结构设计准则三。受转矩的截面必须封闭原则西安交通大学润滑理论及轴承研究所2.2提高静强度的结构设计准则四。避免悬臂梁伸出端过长原则西安交通大学润滑理论及轴承研究所2.2提高静强度的结构设计准则五。等强度设计准则西安交通大学润滑理论及轴承研究所2.2提高静强度的结构设计准则六。弹性强化和塑性强化准则西安交通大学润滑理论及轴承研究所2.2提高静强度的结构设计准则六。弹性强化和塑性强化准则西安交通大学润滑理论及轴承研究所2.2提高静强度的结构设计准则六。弹性强化和塑性强化准则西安交通大学润滑理论及轴承研究所利用塑性变形所产生的残余应力来抵消部分工作时的应力。塑性强化的原理适用于塑性材料；载荷方向始终一致2.3提高疲劳强度的结构设计准则机械零件失效的80%属于疲劳破坏。因此在机械结构设计中应充分重视提高疲劳强度的措施。疲劳破坏是在材料有不一致性的情况下，零部件内分布不均匀的弹性和塑性变形多次快速反复交替作用的结果。最先的破坏发生在存在相对于作用载荷的方向不利的残余应力和局部消弱部分的微观体积内，进而逐渐扩展而发生零件整体破坏。应力集中、螺纹连接中连接件与被连接件之间的相对刚度、零件表面粗糙度、形状及尺寸均影响零件的疲劳强度。西安交通大学润滑理论及轴承研究所2.3提高疲劳强度的结构设计准则一。降低应力集中准则西安交通大学润滑理论及轴承研究所断面变化急剧，则应力集中严重，反之，则应力集中轻微2.3提高疲劳强度的结构设计准则一。降低应力集中准则西安交通大学润滑理论及轴承研究所断面变化急剧，则应力集中严重，反之，则应力集中轻微2.3提高疲劳强度的结构设计准则一。降低应力集中准则西安交通大学润滑理论及轴承研究所2.3提高疲劳强度的结构设计准则一。降低应力集中准则西安交通大学润滑理论及轴承研究所2.3提高疲劳强度的结构设计准则一。降低应力集中准则西安交通大学润滑理论及轴承研究所2.3提高疲劳强度的结构设计准则二。连接件与被连接件刚度合理匹配准则在具有预紧力的螺栓连接中，如果工作载荷是脉动的，则螺栓与被连接件所受的拉力和压力都是非对称循环变化的。螺栓与被连接件相对刚度和连接的预紧力与工作载荷的比值，决定了螺栓和被连接件所受载荷的波动程度。在一定预紧力的前提下，适当选择螺栓与被连接件的刚度，可减少螺栓及被连接件受力的波动程度，从而提高螺栓连接的疲劳刚度（但同时还需要考虑连接的密合性）。西安交通大学润滑理论及轴承研究所螺栓刚度系数被连接件的刚度系数2.3提高疲劳强度的结构设计准则二。连接件与被连接件刚度合理匹配准则西安交通大学润滑理论及轴承研究所螺栓刚度改变方法：减小（或增大）螺栓的直径改变螺栓的长度被连接件刚度改变方法：加大或减少被连接件的截面积采用弹性原件2.3提高疲劳强度的结构设计准则三。改善表面状况准则降低表面粗