机械优化设计第6-2章

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课程名称机械设计学任课教师李玉柱第六章机械结构设计计划学时 3

教学目的和要求：

1.了解结构设计应遵循的原则和原理

2.掌握提高产品性能、降低成本的基本原则和设计中的

工艺问题

重点：

1.结构设计的原则和原理

2.提高产品性能、降低成本的基本原则，设计中的工艺

问题

难点：

设计中的工艺问题

思考题：

1. 结构方案设计的基本原则和原理有哪些？

2. 结构设计中，为什么要重视结构件的工艺性？有哪些

工艺性原则？

一、结构方案设计的基本原则

结构方案设计必须遵守三项基本原则：明确、简单、安全可靠。

1、明确所谓明确是指产品设计中所考虑的各个方面均应在结构方案中得到明确的体现。

1）功能明确所选结构要达到预期的功能，每个分功能要求有明确的结构来承担，各部分结构之间有合理的联系，要实现的功能不能遗漏，也不应重复。

如下图(a)中，传递扭矩的是键还是圆锥面，零件的轴向定位是轴的台肩还是圆锥面，两者均不明确。这是一种功能不明确的结构。

而在图(b)中，传递扭矩和轴向定位两种功能均由圆锥面来承担，是一种好的结构。（有图）

2）工作原理明确所选结构的物理原理作用明确，所依据的物理工作原理必须考虑到各种可能的物理效应，尽可能避免使载荷、变形或磨损超出允许范围的有害情况。如下图为轴向定位的两种方案。在(a)方案中，轴的轴向固定为一端固定方案，左端轴承的内外环均固定，既确定了轴的轴向位置，又可承受一定的轴向力。右端轴承外环未固定，轴受热膨胀时，右端轴承可以随轴的右部一起移动。该方案工作原理明确无误。

而在(b)方案中，轴的轴向固定为两端固定方案。在此种情况下，当轴受热膨胀时，轴的轴向载荷为轴承预紧力与热变形的附加载荷之和，轴的热伸缩量超过轴承的间隙允许范围，就会破坏轴承的正常工作状态。轴的长度愈大，此不利影响就愈严重。此方案属于工作原理不明确。（有图）

3）使用工况及应力状态明确

进行结构设计时，材料的选择、尺寸的计算等都要依据载荷情况而定。例如受压件采用铸铁材料（铸铁受压强度远远大于受拉强度）。受拉件宜采用钢结构件。另外零件结构也应根据受载情况而定，不能盲目地采用双保险。如轴毂联接的方案中，由于采用了过盈配合，平键联接在此并不受载，仅起周向定位作用，此时平键的联接就不能按承载键来计算确定尺寸了。（有图）

2、简单

结构简单是指整体、部件和零件的结构在满足总功能的前提下，力求形状简单，零部件的数量少。其好处是不仅降低了产品的成本，而且减轻了整机的重量，提高了产品工作的可靠性。

1）零件数量少，可以缩短加工、组装和生产周期，降低生产成本；由于零件少，加工面少，磨损也减少，能耗降低，保养维修容易。在设计中常采用一个零件担任几种功能的办法，达到减少零件数目的目的。

如下图的螺钉合成结构。

图（b）螺栓采用整体的、多功能的结构形式，把图（a）的防松弹性垫圈、定位垫圈、螺钉三种不同的功能集中在一个结构上，不但减少了加工、装配的工作量，而且增大了接触面，增加了摩擦，加强了防松功能。

2）零件的几何形状简单，可以使得毛坯生产加工工序缩短，制造与测量容易，安装和调整迅速。比如由平面、圆柱、圆锥、圆球或其它对称形状所构成的零件容易加工、检验。因此，可用较少的工时，获得较高的精度，以确保其功能的实现，而且便于计算，且计算结果接近实际，零件可靠性提高。

3）采用标准零部件。结构设计中，在满足功能的前提下，应尽可能采用现有的零部件，这包括工厂、企业、部门和国家各级范围内的标准零部件。标准件的采用，简化了结构设计，缩短了机器的设计与制造周期（不需画图，只要给出所需标准件的型号、代号就可以从市场上或生产单位直接购得），降低成本（据有关资料统计，在制造成本上要比自行设计加工的低10%左右），而且还有标准零部件的材料性质、性能、可靠性等数据都是成熟可靠的，并且通过实践证明是确信无疑的。在这里要强调一点，这都是建立在生产标准件的企业是可以信赖的，不是假、冒、伪劣的。举一个例子：某年的夏天，一个与我们合作生产联合收割机的企业，

采购的皮带、轴承都是一些劣质品，到地里没有使用一个上午，就出现皮带被拉坏，轴承散架的现象，致使试验无法正常进行。最后只好将所有的这些不合要求的标准件换成正规厂家的合格品，才使得试验正常进行。这是由于市场经济的规则还不完善、采购人员的素质低下出现的不正常现象，不在我们的讨论之列。

4）操作简单，结构布置合理，信号显示醒目。

5）包装简单，运输方便。

4、5两条可以举同学们熟悉的砻谷机来加以说明。

3、安全可靠

安全可靠指零件、部件有一定的工作寿命，有充分的安全措施，不发生人身和设备事故。

1）机器安全包括四个方面

零件安全指在规定的外载荷和时间内，零件不发生断裂、过度变形、过度磨损、不丧失稳定性。

整机安全指机器在规定的时间内保证在规定的条件下能够实现总功能。例如谷物联合收割机，在规定的喂入量，籽粒含水率10-20%时总损失率≤1.5%,籽粒破碎率≤2%，含杂率≤2%；玉米联合收获机，在机器最大持续喂入量，籽粒含水率≤25-30%，植株倒伏率≤5%，果穗下垂率≤15%，最低结穗高度≥35cm，土壤含水率≤15-25%，玉米茎秆（干物质）产量为1200kg/hm2，割茬高度≤80mm的条件下收获时，

籽粒损失率≤2%,果穗损失率≤3%，籽粒破碎率≤2%，茎秆切碎合格率≥90%（草长≤100mm）。

工作安全指对操作人员的保护，能够保证工作人员的人身安全和身心健康。

环境安全指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。

2）安全技术法

安全技术法包括直接安全技术法、间接安全技术法、提示性安全技术法

直接安全技术法是指结构设计时，要确保可靠性，保证使用中不出现危险。

主要包括三方面的原理：一是通过正确的分析和计算，必要时通过实验确定构件的受力情况，避免出现应力过于集中，防止出现断裂、过度变形等。二是有限损坏原理，就是在使用过程中，当出现功能干扰或零件出现断裂时，将破坏引导到或保持在特定的次要部位，不会使整个零件或整个机器遭受破坏。这就要求被破坏的零件易于查找和更换，或者能被另一零件所替代，如采用安全销、安全阀和易损件等，最典型的就是在电路设计中加入保险丝之类的元器件。三是冗余配置原理，当技术系统发生故障或失效会造成人身安全或重大设备事故时，为提高可靠性，常采用重复的备用系统，如，电站的备用机组，坦克中的备用发动机，飞机的副油箱、