结构方案设计

图示
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阿贝原则图示
l l h R l lh / R
只有当φ=0或h=0时可消除Δl Φ=0,要求导轨加工精度很高 h=0,阿贝原则
阿贝原则
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阿贝原则的应用
不符合阿贝原则
符合阿贝原则
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▲补偿原则
结构设 计时要考虑到 尽量让产生的 误差相互抵消 和补偿以减小 总误差。
误差的叠加和抵消
适用于传递中等大小的力
锥形摩擦盘离合器
返回
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6 等强度原理
对于同一个零件来说，各处应力相 等，各处寿命相同，以使材料得到充分 利用，经济效益提高 。
(a)强度不等，而且强度差 (b)强度不等 (c)适于铸铁的等强度结构 (d)适用于钢的等强度结构
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7 稳定性原理
所 谓 系 统 结 构 稳 定 性 ， 是倾翻力与 恢复力平衡。或者恢复力大于、等于倾翻 力时，系统处于稳定状态。
▲零件几何形状简单 ▲采用标准零部件
多功能轨道
▲操作筒单，结构布置合理，信号显示醒目
▲包装简单，运输方便
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3．安全可靠
3.1 机器安全的范畴 ▲零件安全 ▲整机安全 ▲工作安全 ▲环境安全
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3．安全可靠
3.2 安全技术法
为保障安全所采取的措施
3.2.1 直接安全技术法 ▲安全存在原理
组成技术系统的各零件和零件之间的联接在规 定载荷和时间内完全处于安全状态。
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△误差配置示例
⑵安装时若控制前后轴承最大径向振摆在 同一方向，则 同样精度轴承可以使主轴端部振摆减小。 图b中，两轴承最大径向振摆 方向相反，端部振摆为： la a b 1 ( ) 2( ) l l 图c中，两轴承最大径向振 摆方向相同，端部振摆为： la a c 1 ( ) 2( ) l l
▲成本估算方法
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§6-1 结构设计任务、内容和步骤
5
1．结构设计（技术设计）的任务
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
结构设计是涉及到材料、工艺、精度、设计
计算方法、实验与检测技术、机械制图等许 多学科领域的一项复杂、综合性工作
6
2. 结构设计的重要性
结构设计的工作质量对满足产品功能要求有
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▲机械噪声的产生
机械噪声是由固体振动产生的，在冲击、 摩擦、交变载荷和磁应力作用下，各零部 件产生振动，发出噪声。 工程系统噪声产生的过程为： 振源振动--共振--振动（声波）的传递
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▲机械噪声分类
△运动噪声
各运动部件作旋转或往复运动时，因质量不平衡，产生惯性力，发生 自振，引起噪声。
△接触噪声
松散软粘的物质，如石棉屑、粗砂等。
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△控制噪声的传播 →吸声
利用吸声材料(玻璃棉、矿渣棉、聚氨酯 泡沫塑料、毛毡、微孔 板等)及吸声结构贴 附墙壁或悬挂在空中吸声。 好的吸声材料能吸入射生80%~90%。
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△控制噪声的传播 →隔声
利用隔声罩、隔声间、隔声门、隔声屏 等结构，用声反射的原理隔声。 简单的隔声屏能降低噪声 5 ～ 10dB 。 1mm 钢板作隔声门时，隔声量约为 30dB, 而 好的隔声间可降低噪声20~45dB。
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9 提高精度原理
▲提高机械精度的途径
△重点设计法
以最大限度简化系统为目标，减少相关零件，提 高关键精度以提高系统的精度和可靠性。
△附件校正
用凸轮或校正尺等作为机械的附件补偿误差。
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▲ 阿贝(Abbe)原则
1890年，德国人阿贝(Abbe)通过实践总结 出—个原则：
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“若使量仪给出正确的测量 结果，必须将仪器的读数线尺安 放在被测尺寸的延长线上”。
齿轮径向力平衡
返回 27
▲自保护
自保护是指技术系统在超载工作时，其结 构中元件产生保护效应，使系统免于受损。 如：摩擦离合器中的打滑
机器中采用的各种安全措施，如安全销 高压锅的易熔塞
返回
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3 力传递原理
力在构件按力流路线 传递。力线密集程度反映 力大小。力线和力流方向 用箭头表示。力线和力流 在连续物体中传递，数量 不变、且连续不断，还可 以封闭。
显然，后者主轴端部振摆小，精度高。
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§6-4 结构设计与成本
机器零件因滚动、滑动和敲击而产生的噪声。
△传力噪声
机器零件因力的传递不均匀产生振动而发出的噪声。
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▲降低噪声的原则和措施
△降低噪声源 △防止共振 △提高机构的阻尼特性 △控制噪声的传播
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△降低噪声源
●减少机器中振源的振动（最有效的方法） 如： →采用较平稳的传动机构
→用无端带或胶合接头代金属皮带扣接头 →现在采用长钢轨的新技术
活塞的不稳定结构 △保持活塞稳定的结构
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▲保持活塞稳定的结构
(a)压力平衡环 (b)圆锥形活塞
(c)压力襄
(d)活塞重心上 铰链联接
返回
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8 降低噪声原理
▲有关规定 根据我国“工业企业卫生标准”的规 定，生产车间和作业场地噪声不得超过 85dB(90dB)，机床噪声应小于75~85dB， 小 型 电 机 为 50~80dB ， 汽 油 发 动 机 为 80dB，家用电器如电冰箱应控制噪声小 于 45dB ，而洗衣机噪声则应小于 65dB 。
十分重要意义 是设计计算的基础 是保证产品质量，提高可靠性、降低产品成 本的关键环节
7
3．结构设计的内容
▲质的设计
定性分析构形（各零件形状、数目、位置关系）
▲量的设计
定量计算尺寸，决定材料
▲按比例绘制结构图
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4．结构设计的步骤
设计任务对结构设计的要求 主要功能载体初步结构设计 辅助功能载体初步结构设计 检查主辅功能载体结构的相互影响及配合性 详细设计主辅功能载体结构
3.2.2 间接安全技术法 3.2.3 指导性安全技术法
在事故出现前发出警报和信号
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§6-3 结构设计基本原理
在结构设计中，设计者要从承 载能力、寿命、强度、刚度、稳定性、 减少磨损和腐蚀等方面来提高产品性 能，获得最优方案。
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1 任务分配原理
▲相同功能的任务分配 △受载不大时，相同的功能可以由一个构件来承担
●提高运动部件的平衡精度，可减小旋转件的不平衡噪声 如：家用电风扇的叶片用专用的风扇叶动平衡机平衡
▲返回43
△防止共振
共振会导致强烈振动并产生很大的噪声 回转系统正常的工作转速应在共振区之外
使n<0．7 5n*或>1.2n*(n*为共振临界转速) 对大而薄的零件或箱体，往往通过增大壁 厚或合理加筋增加其刚度的方法而降低噪 声。
▲工作原理明确， 所选结构的物理作 用明确，从而可靠的实现能量流(力流)、 物料流和信号流的转换或传导。
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锥面联接 (a)传递转矩和零件的轴向定位，功能不明确 (b)两种功能都由圆锥面承担，功能明确
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轴承组合
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(a)静不定结构 受拉焊缝
(b)合理结构
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2．结构简单
▲零部件数量少
常采用多功 能零件达到 减少零件数 量的目的
(a)磨损量误差叠加 (b)磨损量误差补偿
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▲ 误差缩放原则
在传动机构中误差可以传递，且随传动 比而缩放。设计时要特别注意误差的主要环 节。
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△ 误差缩放示例
左图所示的齿轮传动,各对齿轮 的传动比分别为i1、i2、i3,运动误差 为Δ1、Δ2、Δ3（反映主动轴等速 回转时从动轴的角速度误差），则 传动系统总误差的最大值为：
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△控制噪声的传播 →消声
采用消声器、消声箱可使噪声下降10～ 40dB ，响度下降 50 ％～ 93 ，主观感觉有明 显效果。 消声器利用声阻、声反射、声干涉或空 气柱共振等原理消耗声能， 降低噪声。
▲返回 49
9 提高精度原理
▲机器和仪器中的误差
→原理误差：可通过设计消除或减小 →原始误差：由加工、装配、调整产生或由于 使用中磨损，弹性变形或热变形引起，它是 产生误差的主要根源，应着重研究和避免。
第六章 结构方案设计
1
学习目的：
▲理解和掌握结构方案设计中提高产品性 能和降低成本的一些原则和措施
2
学习要求：
▲掌握提高产品性能和降低成本的基本原 则和主要途径 ▲了解产品成本组成，掌握估算成本的各 种方法尤其是相似产品成本估算法
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学习重点：
▲结构设计的基本原则及主要途径
参考数目:杨文彬,机械结构设计准则及实例,机械工业出版社
▲力流路线直接、最短 ▲力流转向平缓
水压机力流的封闭轨迹
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▲力流路线直接、最短
力流路线对结构的影响
力流路线与变形的关系 返回
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▲力流转向平缓
在结构设计时，应采取措施，使 力流方向变化平缓，减小应力集中。
轮毂与轴的连接
返回
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4 变形协调原理
所谓变形协调，就是使联结的相邻零件 在外载荷作用下的变形方向相同，并尽可能 减小相对变形。
不同结构螺母螺纹间载荷分布
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5 力平衡原理
关健在于消除无功力的不良影响。
措施:
齿轮传动
▲采取对称布置 ▲采用平衡元件
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▲采取对称布置
行星齿轮传动，行星齿轮采用对称布置， 齿轮啮合产生的径向力被抵消。太阳轮、内 齿轮及转臂只传递扭矩，因而可以浮动。 它适用于体积小、功率大的场合。
34 返回
▲采用平衡元件
1 2 3 i2i3 i3
降速传动的 i>1,随着传动比增大，前级齿轮误差的 影响是缩小的。若末级传动比很大（如大于 100），除 末级传动误差直接影响甚微。对降速系统而言，末级传 动对精度影响最大。
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▲误差配置原则
设计时不但要考虑零件本身的精度，而 且要分析各零件误差对系统的综合影响。合 理配置不同精度的零件能使机器和部件总精 度得到提高。
▲返回
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△提高机构的阻尼特性
阻尼减振的作用 是衰减沿结构传递的 振动能量，降低结构 自由振动，减弱共振 频率附近的振动，以 达到降低噪声的目的。
有阻尼层的降噪声结构
▲返回
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△控制噪声的传播
→隔振
利用隔振材料或采用隔振结构降低振动 源的固体声传播。通过隔振可降低噪声 1030dB。 · 隔振材料：弹性材料，如塑料、橡胶、软木、塑料板等 · 隔振器：具有隔振元件的隔振部件 · 隔振沟结构：处于机器与基础之间，宽度>100mm，填入
要求： △构件中受力、使用时间和使用环境是清楚的 △选择的计算理论和方法、材料是经过验证而可靠的
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3．安全可靠
3.2 安全技术法
为保障安全所采取的措施
3.2.1 直接安全技术法
▲有限损坏原理
使用中，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。 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 △对可能松脱的零件限位，使不致脱 落造成机器事故
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△误差配置示例
分析机床主轴配置不同 精度的轴承对主轴端部振摆 的影响。 ⑴前轴承精度比后轴承高，有 利于减小端部振摆。
设主轴端部O处的振摆为Δ，前后轴承径向振摆分别为δ1、δ2，则：
2
la

1 2
l
la 1 ( ) 2 l
由图b、图c可见：ΔⅠ>ΔⅡ,因此, 为减小主轴端部振摆,一般情况 a 下机床主轴前轴承精度要比后 l 轴承精度至少高一级。
常见的自补偿原理的应用形式有： 自增强 自平衡 自保护
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▲自增强
在正常工作状态下辅助效应与初始效 应的作用方向相同，总效应为两者之和。
高压容器检查孔盖设计 1-螺杆;2-盖;3-密封
密封装置 1-圆盘;密封
26 返回
▲自平衡
自平衡是在工作状态下，辅助效应 和初始状态相反并达到平衡状态，取得 满意的总效应，叫自平衡。
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3．安全可靠
3.2 安全技术法
为保障安全所采取的措施
3.2.1 直接安全技术法
▲ 冗余配置原理
飞机发动机的双驱动、三驱动和副油箱 压力容器采用两个安全阀 井下排水的水泵系统采用两套或三套配置
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3．安全可靠
3.2 安全技术法
为保障安全所采取的措施
通过防护系统和保护装置来实现技术系统的安全可靠
对设计进一步修改、完善
技术经济评价
是
结构决策
否
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5. 结构设计主要目标
保证功能 提高性能 降低成本
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§6-2 结构设计基本要求
▲功能和工作原理明确
▲结构简单 ▲安全可靠
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1．功能和工作原理明确
▲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。
如减速箱中的齿轮轴，既承受弯矩，又承受扭矩
△对承受大功率的零件，可采取多个零件来分担
卸荷皮带轮结构
弹簧族
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1 任务分配原理
▲不同的功能任务分配
由几个结构分别承担不同的 功能，则任务单一，便于达 到“明确”、“简单”的目标。
不同的密封和定位结构
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2 自补偿原理
通过技术系统本身结构或相互配置关系， 产生加强功能、减载和平衡作用