第六章机械结构设计课件.ppt
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- 第六 机械 结构设计 课件
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1、第六章第六章 机械结构设计机械结构设计 机械结构是机械功能的载体,机械结构设计机械结构是机械功能的载体,机械结构设计的任务是在功能原理方案设计与总体设计的基础的任务是在功能原理方案设计与总体设计的基础上,将原理设计方案结构化,确定机械装置的具上,将原理设计方案结构化,确定机械装置的具体结构与参数。体结构与参数。回忆一下回忆一下机械设计机械设计课程中学习的轴的结构课程中学习的轴的结构设计的步骤和内容设计的步骤和内容 轴的结构设计的一般步骤:轴的结构设计的一般步骤:选择材料选择材料 初估轴端直径初估轴端直径 考虑轴上零件的布置、定位、固定、装拆、调整考虑轴上零件的布置、定位、固定、装拆、调整等要求
2、,同时考虑减少轴的应力集中和保证轴的结等要求,同时考虑减少轴的应力集中和保证轴的结构工艺性,从而确定轴的结构(轴的形状和尺寸)构工艺性,从而确定轴的结构(轴的形状和尺寸)刚度、强度等验算刚度、强度等验算 如有问题再做修改如有问题再做修改 机械结构设计需要确定结构的组成(形式与数机械结构设计需要确定结构的组成(形式与数量)及其装配关系,确定所有零件的材料、热处理量)及其装配关系,确定所有零件的材料、热处理方式、形状、尺寸及精度。还必须考虑加工工艺、方式、形状、尺寸及精度。还必须考虑加工工艺、强度、刚度、寿命、可靠性及零件间的相互关系等。强度、刚度、寿命、可靠性及零件间的相互关系等。所确定的结构不
3、但要保证功能实现的可能性,所确定的结构不但要保证功能实现的可能性,而且要保证功能实现的可靠性,使得机械装置在工而且要保证功能实现的可靠性,使得机械装置在工作中具有足够的工作能力和工作性能。作中具有足够的工作能力和工作性能。两种结构设计:两种结构设计:产品结构方案设计产品结构方案设计 零件结构设计(详细设计)零件结构设计(详细设计)功能原理设计决定了产品的先进性、新颖性,功能原理设计决定了产品的先进性、新颖性,结构设计则决定了产品的质量和成本(结构设计则决定了产品的质量和成本(70708080)。)。结构设计是机械设计过程中内容最具体、涉结构设计是机械设计过程中内容最具体、涉及问题最多,工作量最
4、大的环节。及问题最多,工作量最大的环节。第一节第一节 零件的功能、相关与结构要素零件的功能、相关与结构要素 零件是构成机械装置的基本单元,机械装置的零件是构成机械装置的基本单元,机械装置的功能通过零件之间相互作用而实现。功能通过零件之间相互作用而实现。一、零件的功能一、零件的功能 机械零件在机械结构中的基本功能是:承受载机械零件在机械结构中的基本功能是:承受载荷、传递运动和动力,以保证机械装置实现正确荷、传递运动和动力,以保证机械装置实现正确的运动规律和运动轨迹。的运动规律和运动轨迹。1 1传递运动和动力传递运动和动力 摆杆摆杆3 3的作用是把运动的作用是把运动和动力传给滑枕和动力传给滑枕2
5、2,以便,以便使刨刀使刨刀1 1实现直线住复运实现直线住复运动并切下金属。动并切下金属。2 2承受载荷承受载荷 机械装置在工作中受到多种力的作用,这些力机械装置在工作中受到多种力的作用,这些力都要由零件承受。这些力包括:都要由零件承受。这些力包括:机械装置工作所需的力机械装置工作所需的力零件所受的重力零件所受的重力由于速度波动使零件受到的惯性力由于速度波动使零件受到的惯性力由于做旋转运动使零件受到的离心力由于做旋转运动使零件受到的离心力直接接触的零件之间的摩擦力直接接触的零件之间的摩擦力在介质中运动的零件受到介质的作用力(液压在介质中运动的零件受到介质的作用力(液压力、风阻力)力、风阻力)对连
6、接结构施加的预紧力对连接结构施加的预紧力(螺纹联接、过盈联接螺纹联接、过盈联接)由于温度变化而产生的附加载荷等由于温度变化而产生的附加载荷等 如图如图6-2所示减速器结所示减速器结构中,齿轮传动所受到的构中,齿轮传动所受到的力通过轴传递给轴承,其力通过轴传递给轴承,其中的径向力和切向力通过中的径向力和切向力通过轴承传递给箱体,轴向力轴承传递给箱体,轴向力经轴承传递给端盖,再经经轴承传递给端盖,再经端盖传递给箱体。端盖传递给箱体。承受载荷是使零件发生失效的重要原因。承受载荷是使零件发生失效的重要原因。正确分析结构的受力是进行结构的工作能力正确分析结构的受力是进行结构的工作能力设计的基础。设计的基
7、础。3.成形成形 在工艺过程中,通过工作头的形状、运动方式和作用在工艺过程中,通过工作头的形状、运动方式和作用场,完成对对象物的成形。如切削机床上的刀具,冲压机场,完成对对象物的成形。如切削机床上的刀具,冲压机床上的模具,锻压机床的锻锤,耕地用的犁等,都是起成床上的模具,锻压机床的锻锤,耕地用的犁等,都是起成形作用的工作头。形作用的工作头。4.其它功能其它功能起容器作用的零件起容器作用的零件(如油箱如油箱)可以容纳物体可以容纳物体(原料、燃料、原料、燃料、废弃物等废弃物等)起引导作用的结构可以起引导作用的结构可以引导其他零件的运动引导其他零件的运动(如导轨、螺旋如导轨、螺旋)可以引导流体或松散
8、物体的流动可以引导流体或松散物体的流动可以引导场的分布,如使光波或声波发生反射或折射,可以引导场的分布,如使光波或声波发生反射或折射,影响电场或磁场的分布,引导热量的流动等影响电场或磁场的分布,引导热量的流动等 二、零件的相关二、零件的相关 在机械装置中,每一个零件都不是独立存在的,机在机械装置中,每一个零件都不是独立存在的,机械装置的功能是依靠零部件的形状、尺寸和相对位置械装置的功能是依靠零部件的形状、尺寸和相对位置关系实现的。关系实现的。在机械装置中,必须使零部件之间保持确定的关系,在机械装置中,必须使零部件之间保持确定的关系,才能保证其功能的实现,才能使零件组成机器。才能保证其功能的实现
9、,才能使零件组成机器。这种零件之间的确定性的关系称为零件之间的相关。这种零件之间的确定性的关系称为零件之间的相关。有些零件之间的相对位置关系是通过零件表有些零件之间的相对位置关系是通过零件表面之间的直接接触实现的。面之间的直接接触实现的。如轴与装配在轴上的齿轮,通过轴径圆柱表面确定它如轴与装配在轴上的齿轮,通过轴径圆柱表面确定它们之间的径向相对位置关系,通过轴肩端面确定它们之们之间的径向相对位置关系,通过轴肩端面确定它们之间的轴向相对位置关系;相互啮合的一对齿轮通过齿面间的轴向相对位置关系;相互啮合的一对齿轮通过齿面间的接触确定两轮之间的相对转角关系(传动角)。间的接触确定两轮之间的相对转角关
10、系(传动角)。这种通过零件表面直接接触实现的相关关系这种通过零件表面直接接触实现的相关关系称为直接相关关系。称为直接相关关系。有些零件之间的某些关系需要通过其他零件有些零件之间的某些关系需要通过其他零件之间的一系列的直接相关关系的组合来实现。之间的一系列的直接相关关系的组合来实现。如轴与装配在轴上的齿轮之间的周向位置关系是通如轴与装配在轴上的齿轮之间的周向位置关系是通过各自与键的接触问接实现的,两轴之间的平行关系过各自与键的接触问接实现的,两轴之间的平行关系是通过轴与轴承之间、轴承与箱体之间的直接相关关是通过轴与轴承之间、轴承与箱体之间的直接相关关系间接实现的。系间接实现的。这类相关关系称为间
11、接相关关系。这类相关关系称为间接相关关系。三、零件的结构要素三、零件的结构要素 零件的形体通常由多个表面构成,这些构成零件形零件的形体通常由多个表面构成,这些构成零件形体的表面成为零件的结构要素。体的表面成为零件的结构要素。一个零件与其他零件形成直接相关关系的结构要素,一个零件与其他零件形成直接相关关系的结构要素,或与工作介质相接触的结构要素称为或与工作介质相接触的结构要素称为工作要素工作要素(或工作或工作表面表面),其他结构要素称为,其他结构要素称为连接要素连接要素(或连接表面或连接表面)。每一个零件都有工作表面。每一个零件都有工作表面。零件的工作表面决定着零件的工作能力和工作质量,所零件的
12、工作表面决定着零件的工作能力和工作质量,所以零件工作表面的设计是零件设计的核心问题。以零件工作表面的设计是零件设计的核心问题。每个零件的工作表面都不是孤立存在的,每个工件表面每个零件的工作表面都不是孤立存在的,每个工件表面和与之相接触的表面相互配合,共同起作用,所以零件的和与之相接触的表面相互配合,共同起作用,所以零件的工作表面都是成对进行设计,设计中共同考虑材料的选择工作表面都是成对进行设计,设计中共同考虑材料的选择搭配,表面的形状、尺寸,配合公差的分配,热处理方式搭配,表面的形状、尺寸,配合公差的分配,热处理方式的选择等。的选择等。例如螺栓和螺母的螺纹工作表面共同设计,滑动轴承与例如螺栓和
13、螺母的螺纹工作表面共同设计,滑动轴承与轴的轴颈表面共同设计,主动齿轮和被动齿轮的齿廓表面轴的轴颈表面共同设计,主动齿轮和被动齿轮的齿廓表面共同设计共同设计。工作表面工作表面 鉴于工作表面对零件工作能力影响的重要鉴于工作表面对零件工作能力影响的重要性,因而常用零件工作表面的设计计算方法有性,因而常用零件工作表面的设计计算方法有相应的标准相应的标准(有些属于国家标准有些属于国家标准),这些标准所,这些标准所规定的算法严格、统一、规范。规定的算法严格、统一、规范。连接表面将各个工作表面连接成为完整形体,并保证零连接表面将各个工作表面连接成为完整形体,并保证零件的工作表面的形状、尺寸和位置在工作中不被
14、破坏。件的工作表面的形状、尺寸和位置在工作中不被破坏。连接表面的设计方法较为灵活,没有统一的过程和标准,连接表面的设计方法较为灵活,没有统一的过程和标准,也不要求有统一的过程和标准,因此零件的连接表面设计也不要求有统一的过程和标准,因此零件的连接表面设计是设计人员最能发挥创造性思维的重要方面。是设计人员最能发挥创造性思维的重要方面。连接表面设计方法虽较灵活,但也应遵守以下的原则:连接表面设计方法虽较灵活,但也应遵守以下的原则:不影响工作表面的功能不影响工作表面的功能 不影响零件运动不影响零件运动 不影响操作不影响操作 在不违背以上原则的前提下,还应尽可能兼顾零件的强在不违背以上原则的前提下,还
15、应尽可能兼顾零件的强度、刚度、寿命、工艺性、经济性、美观等要素。度、刚度、寿命、工艺性、经济性、美观等要素。连接表面连接表面 在如图在如图6-4所示的支架零件中,与轴颈表面接触的孔表面、所示的支架零件中,与轴颈表面接触的孔表面、与箱体接触的底面和与螺母端面接触的凸台上表而为工作表与箱体接触的底面和与螺母端面接触的凸台上表而为工作表面,其余表面均为连接表面,在不违背连接表面设计原则的面,其余表面均为连接表面,在不违背连接表面设计原则的前提下,通过改变连接表面的尺寸、位置及连接关系,可将前提下,通过改变连接表面的尺寸、位置及连接关系,可将零件结构分别设计成如图零件结构分别设计成如图6-5所示的多种
16、结构。所示的多种结构。第二节第二节 结构方案设计的基本原则与原理结构方案设计的基本原则与原理一、结构设计的基本原则一、结构设计的基本原则 确定和选择结构方案时应遵循三项基本原则: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。明确、简单和安全可靠。1 1明确明确(1)功能明确功能明确 要求对于设计任务规定实现的每一项功能都必须对应于某要求对于设计任务规定实现的每一项功能都必须对应于某些具体的结构要素,同时每一项结构要素要对应于某一项或些具体的结构要素,同时每一项结构要素要对应于某一项或多项)功能要求。多项)功能要求。这项原则保证所有的功能要求都能够实现,同时不存在多这项原则保证所
17、有的功能要求都能够实现,同时不存在多余的结构要素。余的结构要素。传递转矩是键还是圆锥传递转矩是键还是圆锥面,零件的轴向定位是轴的面,零件的轴向定位是轴的台阶面还是圆锥面,两者均台阶面还是圆锥面,两者均不明确。这是一种功能不明不明确。这是一种功能不明确的结构。确的结构。传递转矩、零件的轴向传递转矩、零件的轴向定位两种功能都是由圆锥面定位两种功能都是由圆锥面承担,是一种好结构。承担,是一种好结构。(2)(2)工作原理明确工作原理明确 在功能原理设计中需要通过某种在功能原理设计中需要通过某种(或某些或某些)物理过程实现给定物理过程实现给定的功能要求。的功能要求。实际使用的机械装置在工作中必然同时进行
18、着多种物理过程,实际使用的机械装置在工作中必然同时进行着多种物理过程,例如由于受力引起零部件变形和磨损,由于受热引起的零部例如由于受力引起零部件变形和磨损,由于受热引起的零部件形状、尺寸、位置变化等,还有电、磁、光、化学等过程,件形状、尺寸、位置变化等,还有电、磁、光、化学等过程,设计中应充分考虑这些自然过程的进行对机械装置的工作过设计中应充分考虑这些自然过程的进行对机械装置的工作过程以及对环境的影响;对可能影响主要功能实现的自然现象程以及对环境的影响;对可能影响主要功能实现的自然现象要采取必要的应对措施。要采取必要的应对措施。设计者原意是滚针轴承承担设计者原意是滚针轴承承担径向力,向心球轴承
19、承受轴向力径向力,向心球轴承承受轴向力。实际上,两个轴承都能承受径。实际上,两个轴承都能承受径向力,各自受力大小因两种滚动向力,各自受力大小因两种滚动体不同而不确定,故容易导致某体不同而不确定,故容易导致某个轴承过载而损坏。个轴承过载而损坏。滚针轴承承担径向力,滚针轴承承担径向力,推力球轴承承受轴向力,径推力球轴承承受轴向力,径向力和轴向力承受者都很清向力和轴向力承受者都很清楚,因此功能和作用原理都楚,因此功能和作用原理都明确。明确。(3)3)工作状态明确工作状态明确 在结构设计中,零件的材料选择及工作能力在结构设计中,零件的材料选择及工作能力分析均根据对结构的工作状态分析进行。设计中分析均根
20、据对结构的工作状态分析进行。设计中应避免出现可能造成某些要素的工作状态不明确应避免出现可能造成某些要素的工作状态不明确的结构。的结构。如图如图67所示的轴系结构中,轴系工作中会因发热使所示的轴系结构中,轴系工作中会因发热使轴伸长,轴承端盖与滚动轴承外圈应不接触,否则端盖可轴伸长,轴承端盖与滚动轴承外圈应不接触,否则端盖可能参与轴向力的传递,使工作状态不明确。能参与轴向力的传递,使工作状态不明确。2 2简单简单 在结构设计中,在同样可以完成功能要求的条件下,在结构设计中,在同样可以完成功能要求的条件下,应优先选用结构较简单的方案。应优先选用结构较简单的方案。结构简单体现为结构中包含的零部件数量较
21、少,专用结构简单体现为结构中包含的零部件数量较少,专用零部件数量较少,零部件的种类较少,零件的形状简单,零部件数量较少,零部件的种类较少,零件的形状简单,被加工面数量较少,所需加工工序较少,结构的装配关被加工面数量较少,所需加工工序较少,结构的装配关系较简单。系较简单。结构简单通常有利于加工和装配,有利于缩短制造周结构简单通常有利于加工和装配,有利于缩短制造周期,有利于降低制造与运行成本;简单的结构还有利于期,有利于降低制造与运行成本;简单的结构还有利于提高装置的可靠性,有利于提高工作精度。提高装置的可靠性,有利于提高工作精度。3 3安全可靠安全可靠 要求机械装置的工作安全可靠包括要求机械装置
22、的工作安全可靠包括3个方面的内容:个方面的内容:1)设计要求的功能要可靠地实现。设计要求的功能要可靠地实现。2)在工作中,特别是在出现故障的情况下,保证操作机器在工作中,特别是在出现故障的情况下,保证操作机器的人员的安全。的人员的安全。3)在工作中,特别是在出现故障的情况下,保证机器设备在工作中,特别是在出现故障的情况下,保证机器设备本身及相关设备的安全。本身及相关设备的安全。(1)直接安全技术直接安全技术 通过设计,保证装置在工作中不出现危险,满足安全性要求通过设计,保证装置在工作中不出现危险,满足安全性要求的设计技术,称为直接安全技术,称为固有安全性。的设计技术,称为直接安全技术,称为固有
23、安全性。这种方法应保证机械装置具有足够的工作能力,不但保证这种方法应保证机械装置具有足够的工作能力,不但保证静强度,而且应保证疲劳强度和寿命,保证结构在发生磨损、静强度,而且应保证疲劳强度和寿命,保证结构在发生磨损、因受力及受热而发生变形情况下不失效。当装置发生过载时应因受力及受热而发生变形情况下不失效。当装置发生过载时应实现自我保护,使零部件不发生损坏,过载工况解除后系统可实现自我保护,使零部件不发生损坏,过载工况解除后系统可自行恢复正常工作状。自行恢复正常工作状。直接安全技术还应避免由于错误操作而引起事故,当操作直接安全技术还应避免由于错误操作而引起事故,当操作者发生错误操作时,控制装置能
24、自动关闭设备或使设备无法起者发生错误操作时,控制装置能自动关闭设备或使设备无法起动。动。应用直接安全技术保证机械设备的安全虽然可靠,但在很应用直接安全技术保证机械设备的安全虽然可靠,但在很多情况下这是不经济的方法,在有些情况下由于技术条件限制,多情况下这是不经济的方法,在有些情况下由于技术条件限制,无法应用直接安全技术。无法应用直接安全技术。(2)间接安全技术间接安全技术 间接全技术使得当系统发生故障时所造成的损失较小,间接全技术使得当系统发生故障时所造成的损失较小,系统的工作状态较容易恢复。系统的工作状态较容易恢复。间接安全技术可以在传动链中设置安全保护装置,使得间接安全技术可以在传动链中设
25、置安全保护装置,使得当系统发生过载时,安全保护装置中的某些结构损坏,使当系统发生过载时,安全保护装置中的某些结构损坏,使传动链中断,保护传动链中的其他零件传动链中断,保护传动链中的其他零件(特别是重要零件特别是重要零件)不受损坏。使得零件损坏造成的影响范围尽量小。不受损坏。使得零件损坏造成的影响范围尽量小。如图如图6-10所示的剪切销安全离合器就是对传动链起所示的剪切销安全离合器就是对传动链起保护作用的安全装置。设计中使销的承载能力小于系统保护作用的安全装置。设计中使销的承载能力小于系统中其他零件的承载能力,发生过载时销被剪断,使传动中其他零件的承载能力,发生过载时销被剪断,使传动链中断。通过
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