第六章 机械结构设计

结构件的形式多种多样，从不同的 角度可以有不同的分类。为了设计、制 造和管理上的方便，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。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，故设计时应根 据实际情况作具体分析。
三、零件的相关
在机械系统中，各零 件通常成链状、树状 或网状相互联接，构 成完整的机械网络。
二、改善零件的受力状况
1 载荷分流 载荷分流就是将一个较大的或复合的载荷
分流到不同零件或同一零件的不同部位上，从 而达到降低应力、减小变形的效果。 2 载荷均化
载荷均化是指将集中或分布不均的载荷变 成近似均布的载荷以降低构件的最大应力。
3 载荷抵消
广义地讲，载荷 抵消是设法在结 构上将无用的力 或有用力的不利 作用全部或局部 抵消。 例：斜齿轮的轴 向力、汽车曲轴 动平衡、润滑泵 偏心驱动装置
2 传递运动和动力
3.保持有关零部件之间的相对位置或运动 轨迹关系
4 其它功用
有些结构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饰作用， 要求具有一定的外形及色彩。
二、结构件的分类
一、结构件的功用 各种结构件可能具有的功能主要有承受载 荷、传递运动和动力，以及保证或保持有关零 件或部件之间的相对位置或运动轨迹关系等。
1 承受载荷
有些结构件还可 能承受液压力、气压 力、装配产生的预紧 力以及运动引起的摩 擦力等。某些在室外 工作的结构件还要承 受自然环境中所产生 的力，如风力、水流 或海浪的冲击力以及 雨、雪的压力、温度 变化所产生的热变形 力等。
运动相关是指一零件的运动轨迹与另一零 件有关，如车床刀架的运动轨迹必须平行于主 轴中心线，由此可见，欲满足运动相关条件， 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是这样的中间件。
四、零件的结构要素
每一零件至少有一个直接相关的零件，多 数零件都有两个或多个直接相关的零件，故每 个零件大都具有两个或多个部位在结构上与其 它零件有关。若某零件的直接相关零件愈多， 其结构就愈复杂；零件的间接相关零件愈多， 其精度要求愈高。
5 任务分配原理
任务分配也就是功能与载体之间关系的确 定。分配不外有三种可能：一载体承担多种功 能；一载体承担一种功能；多载体共同承担一 种功能。
简言之，功能集中于一载体，可简化结构、 降低成本；功能与载体一一对应，便于做到 “明确”、“可靠”，便于实现结构优化及准 确计算；多载体承担同一功能可以减轻零件负 载，延长使用寿命，设计时应根据具体情况进 行任务分配。
在结构设计中应根据产生不安全情况的危害性大小、技术的 难易程度和成本等因素按直接的、间接的和提示性的这样的顺 序来选择。
安全可靠主要从构件的可靠性、功能的可靠性、工作安全 性和环境安全性等方面来衡量。
1)直接安全技术 首先要确保构件的可靠 性。正确地分析和计算，必要时通过试 验确定构件受力情况和应力状态，避免 出现应力过于集中，防止出现断裂。
3 合理选择支承形式
由于轴承和支承在受 力时也会产生弹性变 形，从而增加了轴端 对正确位置的偏移。
由于成本或结构的限制，轴和轴 承(包括支座)的刚度都不能无限提 高。因此必须合理地选择，以求 最满意的结果。
4 合理利用材料特性
用较少的材 料获得较大的强 度和刚度。例如, 材料为钢时,应尽 量用拉、压代替 受弯；材料为铸 铁时；则考虑用 受压代替受拉或 受弯 。
充分利用，从而减轻了重量、降低了成本。
2 合理力流原理
可以认为力在其传 递路线上形成所谓力线， 这些力线汇成力流。
力流在构件中不会中断， 也不会增多，任一条力 线都不会突然消失，必 然是从一处传入从另一 处传出。力流的另一个 特性是它倾向于沿最短 路线通过，从而在最短 路线附近力流密集，形 成高应力区。
7 稳定性原理
所谓系统的结构稳定是指当出现干扰，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。
第三节 结构设计中的强度和 刚度问题
一、通过结构设 计降低应力减少 变形
1 合理确定截 面形状
2 合理确定轴向尺寸
改变截面形状降低截面上各点的应力，可以提高 零件本身抗破坏和抗变形的能力，但不能改变其所受 弯矩的大小，通过合理地确定零件轴向尺寸，可以减 少弯矩，从而更为有效地提高强度和刚度。这里所谓 轴向尺寸，主要指梁或轴的支承跨距和悬伸长度。
预紧是通过一个与工作载荷方向相同的预 加载荷，使零件产生一定的与工作时同方向的 弹性变形，以减少工作时的进一步变形，从而 提高刚度的有效措施。它的应用很广泛。比如 滚动轴承
预紧的特点是预加载荷与工作载荷方向相 同，工作时不撤出。因此，工作应力不是抵消， 而是叠加，其目的在于提高刚度，而不是减少 应力，故预应力应不超过一定限度。
当力流方向急剧转 折时，力流在转折处会 过于密集，从而引起应 力集中，设计中应在结 构上采取相应措施，使 力流转向平缓。
3 变形协调原理：
变形协调： 就是使相 联接的两 零件在外 载荷的作 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。
4 力平衡原理
力平衡：采取结构措施部分或全部平衡掉 无用的力，以减轻或消除其不良影响。这些结 构措施主要有采用平衡元件、采取对称布置等。
6 自补偿原理
自补偿：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。
自补偿在正常情况下有加强功能、减 载和平衡的含义，而在紧急情况(超载) 下有保护和救援的含义。
在自补偿结构中，所要求的总效应 是由初始效应和辅助效应共同构成的。
常见的自补偿原理应用形式有：自增强、 自平衡和自保护。
4)内应力 较大零件在铸造、焊接等过程 中会有内应力产生，而内应力在经过一 定时间后的重新分布或逐渐消失会使已 加工或已工作的零件产生变形，甚至丧 失精度。故在设计中应使支承件在结构 上尽可能减少内应力的产生；在制造中 应在精加工之前用天然时效或人工处理 等方法消除内应力。
5)其它要求 设计中还应满足支承件特定 功能的要求，如电器、油箱等的位置和 安装方式；冷却液回收；安装、吊运的 方法等。
1)自增强
当辅助效 应与初始 效应的作 用方向相 同时，使 得总效应 加强，就 是所谓自 增强。
2)自平衡
自平衡通 常是使正 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。
3)自保护
超载时，特别是超载有可能反复出现时，采取自动防止破坏的措 施同采取保护性破坏或采用特殊的防护装置相比更为合理。
3 对支承件的要求
支承件通常应满足刚度，抗振性、热稳定性 及内应力等方面要求。
(1)刚度 支承件的功用决定了刚度是其最主要 的指标之—。 (2)抗振性 支承件的抗振性是指其抵抗受迫振 动和自激振动的能力。
(3)热稳定性 机器工作时会有很多热量传给支承 件，主要有动力源热：摩擦热：工艺热：环境热： 提高其热稳定性，减少热变形也是支承件乃至整 机设计不可忽略的问题。常用方法有减少热源、 隔热、散热、冷却等，还可通过合理的结构设计， 如合理分配金属量、用热变形补偿元件等方法使 其热变形均匀。
工作部分:把零件上与其它零件直接相关部位称 为工作部分。
联结部分：把各工作部分联结起来并使它们保 持各自的位置的部分，有时也起到支承作用。
安装部分：用以固定联结的工作部分称为安装 部分。
当结构件为活动安装时，不论运动是旋转还是 直线的(如导轨)，其安装部分都与工作部分类似， 可按工作部分进行设计。在某些情况下，安装部分 与工作部分不易区分，比如连杆，其两端的孔均为 工作部分。
(3)使用工况及承载状态明确
材料选择及尺寸计算要依据载荷情况 进行，不应盲目采用双重保险措施。
(4)其它
凡与结构设计有关的其它方面也都 应在图样或技术文件中予以明确体现。 例如人一机显示系统、制造、检验、运 输、安装调试、使用及保养诸方面的要 求等。
2 简单
在确定结构方案时，应使其所含零件数目和加工工序数量 与类型尽可能减少
工作部分与安装部分在多数情况下没有明显区 别，可以通称为工作部分。而固定安装和活动安装 在设计上却需区别对待，具有不同的设计要求，比 如活动安装需要考虑接触表面，即工作表面的耐磨 性及润滑方法等。
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。
3 安全可靠
安全技术可分为直接的、间接的和提示性的三种类型。
直接安全技术：结构中直接满足安全要求，使用中不存在 危险性的称为直接安全技术。
间接安全技术：通过采用防护系统或保护装置来保证安全 的称为间接安全技术。
提示性安全技术：仅能在发生危险之前进行预报和报警的， 则称为提示性安全技术。它既不能直接保证安全可靠，又没有 保护或防护措施。
源自文库二节 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 确定和选择结构方案时应遵循三项基本原
则：明确、简单和安全可靠。 1 明确 明确：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担。 (1)功能明确 所确定的结构方案应能明确地
体现产品或结构所要求的各种功能的分担情况 (2)工作原理明确
第四节 支承件的结构设计
一、支持件的功用类型和基本要求 1 支承件的功用 支承件是机器上大型受力构件的总称，它
可以单独或联接起来构成机器的主体、基础或 框架等，对其它零件起联接、支承或包容作用， 以保证零件之间的相对位置或相对运动关系， 并承受其它零件的重力及工作载荷。
2 支承件的类型 支承件形式多种多样，根据形状可大体分 为三大类型，即梁型、板型和箱型。
由上述可见，弹性强化的特征是预加载荷与 工作载荷方向相反，且使构件产生相应的弹 性变形，构件工作时此载荷并不撤出。
2 塑性强化
塑性强化是使构件在工作状态下应力最 大那部分材料预先经塑性变形而产生一个 与工作应力符号相反的残留应力，用以部 分地抵消工作应力。
塑性强化的特点是预加载荷与工作载荷方 向一致，而且在构件工作时预加载荷已经撤出， 靠残留应力而不是靠预加载荷本身来抵消工作 应力。故要求材料必须具有足够的塑性，构件 的塑性变形量不得超过一定限度。
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。
零件的相关分为直接相关和间接相关两类。
凡是两零件有直接装配关系的，称为直接相 关，没有直接装配关系的相关称为间接相关。
间接相关又可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， 如轴Ⅰ和轴Ⅱ
2)间接安全技术 间接安全技术的主要 方式是采用防护系统和防护装置。防护 系统应能防止机器在超负载下工作，可 自动脱险。
3)提示性安全技术 在由于技术上或经济 上的原因不能采用上述两种安全技术而 又可能出现不安全情况时，可采用提示 性安全技术。
二、结构方案设计原理
1 等强度原理 按等强度原理设计的结构，材料可以得到
三、预加载荷
预加载荷是构件在制造或装配时就被施加一 定的载荷使其产生相应的塑性变形或弹性变形， 从而减小工作应力或工作载荷引起的再变形。
以减小应力为目的的预加载荷方法称为强化， 强化分弹性强化和塑性强化两类，以提高刚度、 减小工作时再变形为目的的预加载荷方法称为预 紧。
1 弹性强化
弹性强化是使构件在受工作载荷之前预受一个与 工作载荷相反的载荷，产生一个相应的预变形， 以及一个与工作应力相反的预应力，工作时该预 加载荷部分地抵消工作载荷，预变形部分抵消工 作变形，从而降低了构件的最大应力。
第六章 机械结构设计
目录
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节
结构件的功用及基本类型 结构方案设计的基本原则和原理 结构设计中的强度和刚度问题 支承件的结构设计 结构设计中的工艺问题
第一节 结构件的功用及基本 类型
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。
结构件:零件是构成机器的基本元素，从结构 设计角度出发，可以把零件称为结构件。