机械设计学第六章机械结构设计
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机械设计学_第六章_机 械结构设计
2020年5月31日星期日
•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，又有区别 ，本章将着重讨论零件结构设计的共性问题。 •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成本的 70％~80％，因此说结构设计是机械设计中涉及问 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。
•受到限位—不致掉入系统中。
•
• 冗余配置原理 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，为了提高可靠性 ，常采用重复的备用系统。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(一套运转，一套维修，一套 备用)。
•
•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。
•
说明： 1）零件的相关分为直接相关和间接相关两类： （1）直接相关：凡是两零件有直接装配关系的。 （2）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： 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 。 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是这样 的中间件。
•
四、零件的结构要素 若把零件上与其它零件直接相关部位称为工作部 分，则多数零件均由两个或多个工作部分及联结部分 组成，联结部分的作用是把各工作部分联结起来并使 它们保持各自的位置，同时也常常起到支承作用。有 时，也把用以固定联结的工作部分称为安装部分。
•
图6-1所示车床中的床腿1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 用是支承床身7，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，而床头与主轴箱的联结部分相 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 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
•1）机器安全包括4个方面：
• 零件安全 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 。
• 整机安全 指整个技术系统保证在规定条件下实现 总功能。
• 工作安全 对操作人员的防护，保证人身安全和身 心健康。
• 环境安全 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 机对沼泽地工作的适应。
•ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
第二节 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 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。
•
•(1)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。在图6-2(a)中，传递转矩是键还是圆锥 面，零件的轴向定位是轴的台阶面还是圆锥面， 两者均不明确。这是一种功能不明确的结构。图 6-2(b)两种功能都是由圆锥面承担，是一种好结 构
•
• 4 其它功用 • 有些结构件还具有其它—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—定的外形及色彩。
•
二、结构件的分类 结构件的形式多种多样，从不同的角度可以 有不同的分类。 1）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。 2）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。
•
•2．传递运动和动力 •摆杆3的作用是把运动和动力传给滑枕2，以便使 刨刀1实现直线住复运动并切下金属。
•
•轴4和摆杆3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矩。
•
•3 . 保持有关零部件之间的相对位置或运动轨迹关系 • 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。
•
(2)工作原理明确 所选结构的物理作用明确，从而可靠地实现 能量流(力流)、物料流和信息流的转换或传导。
•
（3)使用工况及承载状态明确 图6—3为组合轴承设计的两种方案。图6— 3(a)设计者原意是滚针轴承承担径向力，球轴承 承受轴向力。图6—3(b)径向力和轴向力承受者 都很清楚。 图6—4受拉焊缝。 (a)图为静不定结构； (b)图为合理结构。
•
•2）安全技术法
•为了保证安全可靠性，而采取的技术措施：
•(1)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。
•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，使其不致
•脱落造成机器事故。
•如图6—7(a)表示螺钉松脱后
•落入机器内，不能工作。
•图6—7(b)表示螺钉松脱时，
•
• 2．简单 • 结构设计简单是指整机、部件和零件的结构,在满足 总功能前提下，尽量力求结构形状简单、零部件数量 少等。 • 零部件数量少，实质是缩短加工、组装和生产准备 周期，降低生产成本。在设计中常采用一个零件担任 几种功能的办法，达到减少零件数量的目的。 •如图6-5吊车轨道，除作导轨用外， •还兼作水、空压、油压管道的作用， •是多功能结构件。
•
第一节 结构件的功用及基本类型 零件是构成机器的基本元素，从结构设计的角度 出发，可以把零件称为结构件。 一、结构件的功用 各种结构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 置或运动轨迹关系等。 1．承受载荷 正确分析结构件受力的 类型、大小、方向及其 对结构件工作正常的影 响，是进行结构设计的 重要依据和保证。
2020年5月31日星期日
•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，又有区别 ，本章将着重讨论零件结构设计的共性问题。 •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成本的 70％~80％，因此说结构设计是机械设计中涉及问 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。
•受到限位—不致掉入系统中。
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• 冗余配置原理 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，为了提高可靠性 ，常采用重复的备用系统。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(一套运转，一套维修，一套 备用)。
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•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。
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说明： 1）零件的相关分为直接相关和间接相关两类： （1）直接相关：凡是两零件有直接装配关系的。 （2）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： 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 。 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是这样 的中间件。
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四、零件的结构要素 若把零件上与其它零件直接相关部位称为工作部 分，则多数零件均由两个或多个工作部分及联结部分 组成，联结部分的作用是把各工作部分联结起来并使 它们保持各自的位置，同时也常常起到支承作用。有 时，也把用以固定联结的工作部分称为安装部分。
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图6-1所示车床中的床腿1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 用是支承床身7，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，而床头与主轴箱的联结部分相 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 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。
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•3．安全可靠
•1）机器安全包括4个方面：
• 零件安全 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 。
• 整机安全 指整个技术系统保证在规定条件下实现 总功能。
• 工作安全 对操作人员的防护，保证人身安全和身 心健康。
• 环境安全 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 机对沼泽地工作的适应。
•ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
第二节 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 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。
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•(1)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。在图6-2(a)中，传递转矩是键还是圆锥 面，零件的轴向定位是轴的台阶面还是圆锥面， 两者均不明确。这是一种功能不明确的结构。图 6-2(b)两种功能都是由圆锥面承担，是一种好结 构
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• 4 其它功用 • 有些结构件还具有其它—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—定的外形及色彩。
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二、结构件的分类 结构件的形式多种多样，从不同的角度可以 有不同的分类。 1）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。 2）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。
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•2．传递运动和动力 •摆杆3的作用是把运动和动力传给滑枕2，以便使 刨刀1实现直线住复运动并切下金属。
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•轴4和摆杆3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矩。
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•3 . 保持有关零部件之间的相对位置或运动轨迹关系 • 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。
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(2)工作原理明确 所选结构的物理作用明确，从而可靠地实现 能量流(力流)、物料流和信息流的转换或传导。
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（3)使用工况及承载状态明确 图6—3为组合轴承设计的两种方案。图6— 3(a)设计者原意是滚针轴承承担径向力，球轴承 承受轴向力。图6—3(b)径向力和轴向力承受者 都很清楚。 图6—4受拉焊缝。 (a)图为静不定结构； (b)图为合理结构。
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•2）安全技术法
•为了保证安全可靠性，而采取的技术措施：
•(1)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。
•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，使其不致
•脱落造成机器事故。
•如图6—7(a)表示螺钉松脱后
•落入机器内，不能工作。
•图6—7(b)表示螺钉松脱时，
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• 2．简单 • 结构设计简单是指整机、部件和零件的结构,在满足 总功能前提下，尽量力求结构形状简单、零部件数量 少等。 • 零部件数量少，实质是缩短加工、组装和生产准备 周期，降低生产成本。在设计中常采用一个零件担任 几种功能的办法，达到减少零件数量的目的。 •如图6-5吊车轨道，除作导轨用外， •还兼作水、空压、油压管道的作用， •是多功能结构件。
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第一节 结构件的功用及基本类型 零件是构成机器的基本元素，从结构设计的角度 出发，可以把零件称为结构件。 一、结构件的功用 各种结构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 置或运动轨迹关系等。 1．承受载荷 正确分析结构件受力的 类型、大小、方向及其 对结构件工作正常的影 响，是进行结构设计的 重要依据和保证。