机械结构设计基本原则

机械结构设计基本原则

目录

一、改善力学性能的结构设计原则、、、

(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、改善制造工艺性的结构设计原则、、、

(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、提高装配质量的结构设计原则、、、

(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、提高精度的结构设计原则、、、

(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)减小操作者疲劳的结构、、、

(二)易于发力的结构、、、

(三)减少操作者观察错误的结构、、、

(四)减少操作者操作错误的结构、、、

(五)考虑人体的振动特性的结构及减少操作环境噪声的结构0、

(六)减弱工作环境光线照度的结构、、、

(七)保证合适工作环境温度的结构、、、

六、其它机械结构设计要求简介、、、

(一)减轻腐蚀的结构、、、

(二)符合材料热胀冷缩性质的结构、、、

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的要素之一就就是掌握丰富的工程知识。工程知识就是连接基础理论与实践经验的桥梁,就是现代工程师专业知识结构的本质特征。掌握一定

的工程知识就是正确进行机械结构设计的前提,有些结构错误对一个缺乏工程知识的设计者来说就是不易事先觉察的。(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的基本原则。这些基本原则体现了一些重要的机械结构设计工程知识,分类符合机械工程师的工作特点,简捷明了,具体生动,操作性强,便于学习。

一、改善力学性能的结构设计原则

机械结构形式千差万别,但其功能的实现几乎都与力(力矩)的产生、转换传递有关。机械零件具有足够的承载能力就是保障机械结构功能实现的先决条件。所以在机械结构设计中,根据力学理论对零件的强度、刚度与稳定性进行分析就是必不可少的,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。但它所依赖的力学模型与复杂的实际结构及工况有差距,力学模型的精度通常很难提高;对稍微复杂一些的实际结构仍然停留在零件尺寸的优化上,而基本结构一般还得预先选定;只能针对一个具体的实例得到一个特定的数值解,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的分析与总结,结合实例分析,掌握提高结构承载能力的结构设计原则,并为结构的创新设计提供可借鉴的思路。

(一)载荷分担原则

如果同一零件上同时承担了多种载荷的作用,则可考虑将这些载荷分别由不同的零件来承担。采取一定的结构形式,将载荷分给两个或多个零件来承担,从而减轻单个零件的载荷,这种方法称为载荷分担。这样有利于提高机械结构的承载能力。

如图5-10a所示,轴已经承受了弯矩的作用,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的普通螺栓联接常用销、套筒、键等抗剪元件来承担部

a)b)

图5-11 螺栓联接中的抗剪元件

图5-10 转轴改进为心轴

a)较差结构b)改进结构

如图

况下,可选用推力轴承与径向接触轴承的组合结构来分别承受轴向载荷与径向载荷。

如图5-13所示的带轮结构,传动带产生的轴压力与传动带传递的转矩分别通过不同的路径传递。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)

在确定工作载荷的大小的情况下,可以考虑通过在结构上均匀分布载荷的方法,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,经过简单的受力分析可知,受集中力的简支梁在C点的受力比受分布力的简支梁在C点的受力大了一倍,所以图5-14b简支梁的强度要好于图5-14a。

a)b)

图5-14 简支梁受力分析

a)集中力b)分布力

如图5-15所示的行星齿轮减速器结构。如按图a结构制造,则会由于存在制造误差,而使得行星轮之间的载荷分配出现不均匀的现象。在图b中,将太阳轮改为浮动,则可达到各行星轮均载的目的。

如图5-16所示为改善齿轮轮齿齿向载荷分布状态而采用的桶形齿结构。正常齿上,载荷分布偏于轮齿的两端部分。将轮齿修成桶形齿后,依靠齿面受力的弹性变形使载荷沿齿宽方向分

a)b)a)b)

图5-15 行星齿轮减速器图5-16 桶形齿与载荷分布