第五章機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

1、1第六章第六章 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 機械結(jié)構(gòu)是機械功能的載體，機械結(jié)構(gòu)設(shè)計機械結(jié)構(gòu)是機械功能的載體，機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的任務(wù)是依據(jù)所確定的功能原理方案設(shè)計出實體的任務(wù)是依據(jù)所確定的功能原理方案設(shè)計出實體結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)能體現(xiàn)出所要求的功能，用結(jié)構(gòu)設(shè)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)能體現(xiàn)出所要求的功能，用結(jié)構(gòu)設(shè)計圖樣表示。結(jié)構(gòu)圖應(yīng)表示出結(jié)構(gòu)件的形狀、尺計圖樣表示。結(jié)構(gòu)圖應(yīng)表示出結(jié)構(gòu)件的形狀、尺寸及所用的材料，同時還必須考慮加工工藝、強寸及所用的材料，同時還必須考慮加工工藝、強度、剛度、精度、壽命、可靠性及零件間的相互度、剛度、精度、壽命、可靠性及零件間的相互關(guān)系，有關(guān)造型設(shè)計及人機工程等問題也應(yīng)在這關(guān)系，有關(guān)造型設(shè)計及

2、人機工程等問題也應(yīng)在這一階段解決。一階段解決。2結(jié)構(gòu)設(shè)計包括機器的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計和零部件結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計包括機器的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計和零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計兩方面內(nèi)容，它們之間既有聯(lián)系，又有區(qū)別，設(shè)計兩方面內(nèi)容，它們之間既有聯(lián)系，又有區(qū)別，本章將著重討論零件結(jié)構(gòu)設(shè)計的共性問題。本章將著重討論零件結(jié)構(gòu)設(shè)計的共性問題。如果說功能原理設(shè)計決定了產(chǎn)品的先進性、新穎如果說功能原理設(shè)計決定了產(chǎn)品的先進性、新穎性，那么結(jié)構(gòu)設(shè)計則決定了產(chǎn)品的質(zhì)量和成本的性，那么結(jié)構(gòu)設(shè)計則決定了產(chǎn)品的質(zhì)量和成本的70708080，因此說結(jié)構(gòu)設(shè)計是機械設(shè)計中涉及問，因此說結(jié)構(gòu)設(shè)計是機械設(shè)計中涉及問題最多，工作量最大的一個環(huán)節(jié)。本章將重點討題最多，工

3、作量最大的一個環(huán)節(jié)。本章將重點討論結(jié)構(gòu)設(shè)計的共性問題。論結(jié)構(gòu)設(shè)計的共性問題。3第一節(jié)第一節(jié) 結(jié)構(gòu)件的功用及基本類型結(jié)構(gòu)件的功用及基本類型 零件是構(gòu)成機器的基本元素，從結(jié)構(gòu)設(shè)計的角度零件是構(gòu)成機器的基本元素，從結(jié)構(gòu)設(shè)計的角度出發(fā)，可以把零件稱為結(jié)構(gòu)件。出發(fā)，可以把零件稱為結(jié)構(gòu)件。一、結(jié)構(gòu)件的功用一、結(jié)構(gòu)件的功用各種結(jié)構(gòu)件具有的功能主要有：承受載荷、傳遞運各種結(jié)構(gòu)件具有的功能主要有：承受載荷、傳遞運動和動力、保證或保持有關(guān)零件或部件之間的相對動和動力、保證或保持有關(guān)零件或部件之間的相對位置或運動軌跡關(guān)系等。位置或運動軌跡關(guān)系等。1 1承受載荷承受載荷正確分析結(jié)構(gòu)件受力的正確分析結(jié)構(gòu)件受力的類型、大

4、小、方向及其類型、大小、方向及其對結(jié)構(gòu)件工作正常的影對結(jié)構(gòu)件工作正常的影響，是進行結(jié)構(gòu)設(shè)計的響，是進行結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要依據(jù)和保證。重要依據(jù)和保證。42 2傳遞運動和動力傳遞運動和動力擺桿擺桿3 3的作用是把運動和動力傳給滑枕的作用是把運動和動力傳給滑枕2 2，以便使，以便使刨刀刨刀1 1實現(xiàn)直線住復(fù)運動并切下金屬。實現(xiàn)直線住復(fù)運動并切下金屬。5軸軸4 4和擺桿和擺桿3 3都具有傳遞運動的功能。由于摩擦力的都具有傳遞運動的功能。由于摩擦力的存在，它們也承受一定的彎矩和扭矩。存在，它們也承受一定的彎矩和扭矩。63 . 保持有關(guān)零部件之間的相對位置或運動軌跡關(guān)系保持有關(guān)零部件之間的相對位置或運動軌跡關(guān)

5、系 仍以車床為例：車床主軸箱和床身之間應(yīng)有嚴仍以車床為例：車床主軸箱和床身之間應(yīng)有嚴格的相對位置關(guān)系。即主軸中心線應(yīng)與床身上的導格的相對位置關(guān)系。即主軸中心線應(yīng)與床身上的導軌平行，保證沿導軌移動的刀架上所裝刀具的尖端軌平行，保證沿導軌移動的刀架上所裝刀具的尖端走出與主軸軸線平行的軌跡，以車削出準確的圓柱走出與主軸軸線平行的軌跡，以車削出準確的圓柱體。同時，還要求后座頂尖與主軸頂尖的連線與床體。同時，還要求后座頂尖與主軸頂尖的連線與床身導軌平行。要求床身導軌本身要具有相應(yīng)的直線身導軌平行。要求床身導軌本身要具有相應(yīng)的直線度，受熱、受力變形小等。度，受熱、受力變形小等。7 4 4 其它功用其它功用

6、 有些結(jié)構(gòu)件還具有其它有些結(jié)構(gòu)件還具有其它些功用，如箱體除了些功用，如箱體除了保證各傳動軸的相對位置及其中心距外還起著包保證各傳動軸的相對位置及其中心距外還起著包容和保護傳動件的作用，還可以盛裝潤滑油。有的容和保護傳動件的作用，還可以盛裝潤滑油。有的結(jié)構(gòu)件還兼有或主要用作防護或裝飾作用，要求具結(jié)構(gòu)件還兼有或主要用作防護或裝飾作用，要求具有有定的外形及色彩。定的外形及色彩。8二、結(jié)構(gòu)件的分類二、結(jié)構(gòu)件的分類 結(jié)構(gòu)件的形式多種多樣，從不同的角度可以結(jié)構(gòu)件的形式多種多樣，從不同的角度可以有不同的分類。有不同的分類。1 1）為了設(shè)計、制造和管理上的方便，通常將其分）為了設(shè)計、制造和管理上的方便，通常將

7、其分為：為：蓋盤、軸套、支架、桿件、殼體、箱體和支承件蓋盤、軸套、支架、桿件、殼體、箱體和支承件等類別。等類別。2 2）從毛坯工藝角度可分為：）從毛坯工藝角度可分為：鑄造件、焊接件、鍛造件、鉚接或粘結(jié)件等。鑄造件、焊接件、鍛造件、鉚接或粘結(jié)件等。9三、零件的相關(guān)三、零件的相關(guān)在機械系統(tǒng)中，各零件通常成鏈狀、樹狀或網(wǎng)狀相互在機械系統(tǒng)中，各零件通常成鏈狀、樹狀或網(wǎng)狀相互聯(lián)接，構(gòu)成完整的機械網(wǎng)絡(luò)。聯(lián)接，構(gòu)成完整的機械網(wǎng)絡(luò)。10說明：說明：1 1）零件的相關(guān)分為直接相關(guān)和間接相關(guān)兩類：）零件的相關(guān)分為直接相關(guān)和間接相關(guān)兩類：（1 1）直接相關(guān)：凡是兩零件有直接裝配關(guān)系的。）直接相關(guān)：凡是兩零件有直接裝

8、配關(guān)系的。（2 2）間接相關(guān)：沒有直接裝配關(guān)系的相關(guān)。）間接相關(guān)：沒有直接裝配關(guān)系的相關(guān)。間接相關(guān)又分為位置相關(guān)和運動相關(guān)兩類：間接相關(guān)又分為位置相關(guān)和運動相關(guān)兩類：位置相關(guān)是指兩零件在相互位置上有要求。位置相關(guān)是指兩零件在相互位置上有要求。運動相關(guān)是指一零件的運動軌跡與另一零件有關(guān)。運動相關(guān)是指一零件的運動軌跡與另一零件有關(guān)。要滿足運動相關(guān)條件，一般需要一個或幾個位置相要滿足運動相關(guān)條件，一般需要一個或幾個位置相關(guān)的中間件來達到，上例中的床身導軌就是這樣的關(guān)的中間件來達到，上例中的床身導軌就是這樣的中間件。中間件。11四、零件的結(jié)構(gòu)要素四、零件的結(jié)構(gòu)要素 若把零件上與其它零件直接相關(guān)部位稱為

9、工作部若把零件上與其它零件直接相關(guān)部位稱為工作部分，則多數(shù)零件均由兩個或多個工作部分及聯(lián)結(jié)部分分，則多數(shù)零件均由兩個或多個工作部分及聯(lián)結(jié)部分組成，聯(lián)結(jié)部分的作用是把各工作部分聯(lián)結(jié)起來并使組成，聯(lián)結(jié)部分的作用是把各工作部分聯(lián)結(jié)起來并使它們保持各自的位置，同時也常常起到支承作用。有它們保持各自的位置，同時也常常起到支承作用。有時，也把用以固定聯(lián)結(jié)的工作部分稱為安裝部分。時，也把用以固定聯(lián)結(jié)的工作部分稱為安裝部分。12 圖圖6-16-1所示車床中的床腿所示車床中的床腿1 1是典型的支承件，也稱大是典型的支承件，也稱大件。它的底面是安裝部分，上表面是工作部分作件。它的底面是安裝部分，上表面是工作部分作

10、用是支承床身用是支承床身7 7，而床腿的工作部分恰與床身的安裝，而床腿的工作部分恰與床身的安裝部分相聯(lián)結(jié)，因此也具有安裝部分的持點，只是受部分相聯(lián)結(jié)，因此也具有安裝部分的持點，只是受力比底面小些。床身兩端下表面為安裝部分，床頭力比底面小些。床身兩端下表面為安裝部分，床頭上表面及導軌為工作部分，而床頭與主軸箱的聯(lián)結(jié)上表面及導軌為工作部分，而床頭與主軸箱的聯(lián)結(jié)部分相當于安裝部分。部分相當于安裝部分。 在結(jié)構(gòu)設(shè)計中通常先確定工作部分，后確定聯(lián)在結(jié)構(gòu)設(shè)計中通常先確定工作部分，后確定聯(lián)結(jié)部分。工作部分主要考慮工作面的形狀、尺寸、結(jié)部分。工作部分主要考慮工作面的形狀、尺寸、精度、表面質(zhì)量等，而聯(lián)結(jié)部分主要

11、考慮強度、剛精度、表面質(zhì)量等，而聯(lián)結(jié)部分主要考慮強度、剛度等要求。度等要求。13第二節(jié)第二節(jié) 結(jié)構(gòu)方案設(shè)計的基本原則和原理結(jié)構(gòu)方案設(shè)計的基本原則和原理一、結(jié)構(gòu)方案設(shè)計的基本原則一、結(jié)構(gòu)方案設(shè)計的基本原則確定和選擇結(jié)構(gòu)方案時應(yīng)遵循三項基本原則：明確確定和選擇結(jié)構(gòu)方案時應(yīng)遵循三項基本原則：明確、簡單和安全可靠。、簡單和安全可靠。1 1明確明確所謂明確是指對產(chǎn)品設(shè)計中所應(yīng)考慮的問題都應(yīng)在所謂明確是指對產(chǎn)品設(shè)計中所應(yīng)考慮的問題都應(yīng)在結(jié)構(gòu)方案中獲得明確的體現(xiàn)與分但。結(jié)構(gòu)方案中獲得明確的體現(xiàn)與分但。 14(1)(1)功能明確功能明確 所選擇結(jié)構(gòu)要達到預(yù)期的功能，所選擇結(jié)構(gòu)要達到預(yù)期的功能，每個分功能有確定

12、的結(jié)構(gòu)來承擔，各部分結(jié)構(gòu)之每個分功能有確定的結(jié)構(gòu)來承擔，各部分結(jié)構(gòu)之間有合理的聯(lián)系。要避免冗余結(jié)構(gòu)，盡量減少靜間有合理的聯(lián)系。要避免冗余結(jié)構(gòu)，盡量減少靜不定結(jié)構(gòu)。在圖不定結(jié)構(gòu)。在圖6-2(a)6-2(a)中，傳遞轉(zhuǎn)矩是鍵還是圓中，傳遞轉(zhuǎn)矩是鍵還是圓錐面，零件的軸向定位是軸的臺階面還是圓錐面，錐面，零件的軸向定位是軸的臺階面還是圓錐面，兩者均不明確。這是一種功能不明確的結(jié)構(gòu)。圖兩者均不明確。這是一種功能不明確的結(jié)構(gòu)。圖6-2(b)6-2(b)兩種功能都是由圓錐面承擔，是一種好結(jié)兩種功能都是由圓錐面承擔，是一種好結(jié)構(gòu)構(gòu)15 (2) (2)工作原理明確工作原理明確 所選結(jié)構(gòu)的物理作用明確，從而可靠地

13、實現(xiàn)所選結(jié)構(gòu)的物理作用明確，從而可靠地實現(xiàn)能量流能量流( (力流力流) )、物料流和信息流的轉(zhuǎn)換或傳導。、物料流和信息流的轉(zhuǎn)換或傳導。16（3)3)使用工況及承載狀態(tài)明確使用工況及承載狀態(tài)明確 圖圖6363為組合軸承設(shè)計的兩種方案。圖為組合軸承設(shè)計的兩種方案。圖63(a)63(a)設(shè)計者原意是滾針軸承承擔徑向力，球軸承承受設(shè)計者原意是滾針軸承承擔徑向力，球軸承承受軸向力。圖軸向力。圖63(b)63(b)徑向力和軸向力承受者都很徑向力和軸向力承受者都很清楚。清楚。圖圖6464受拉焊縫。受拉焊縫。(a)(a)圖為靜不定結(jié)構(gòu)；圖為靜不定結(jié)構(gòu)；(b)(b)圖為合理結(jié)構(gòu)。圖為合理結(jié)構(gòu)。17 2 2簡單簡

14、單 結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單是指整機、部件和零件的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單是指整機、部件和零件的結(jié)構(gòu), ,在滿足在滿足總功能前提下，盡量力求結(jié)構(gòu)形狀簡單、零部件數(shù)量總功能前提下，盡量力求結(jié)構(gòu)形狀簡單、零部件數(shù)量少等。少等。 零部件數(shù)量少，實質(zhì)是縮短加工、組裝和生產(chǎn)準備零部件數(shù)量少，實質(zhì)是縮短加工、組裝和生產(chǎn)準備周期，降低生產(chǎn)成本。在設(shè)計中常采用一個零件擔任周期，降低生產(chǎn)成本。在設(shè)計中常采用一個零件擔任幾種功能的辦法，達到減少零件數(shù)量的目的。幾種功能的辦法，達到減少零件數(shù)量的目的。如圖如圖6-56-5吊車軌道，除作導軌用外，吊車軌道，除作導軌用外，還兼作水、空壓、油壓管道的作用，還兼作水、空壓、油壓管道的作用，是多

15、功能結(jié)構(gòu)件。是多功能結(jié)構(gòu)件。183 3安全可靠安全可靠1 1）機器安全包括）機器安全包括4 4個方面：個方面： 零件安全零件安全 主要指在規(guī)定的載荷和規(guī)定時間內(nèi)，零主要指在規(guī)定的載荷和規(guī)定時間內(nèi)，零件不發(fā)生斷裂、過度變形、過度磨損，不喪失穩(wěn)定性。件不發(fā)生斷裂、過度變形、過度磨損，不喪失穩(wěn)定性。 整機安全整機安全 指整個技術(shù)系統(tǒng)保證在規(guī)定條件下實現(xiàn)指整個技術(shù)系統(tǒng)保證在規(guī)定條件下實現(xiàn)總功能。總功能。 工作安全工作安全 對操作人員的防護，保證人身安全和身對操作人員的防護，保證人身安全和身心健康。心健康。 環(huán)境安全環(huán)境安全 對技術(shù)系統(tǒng)的周圍環(huán)境和人不造成危害對技術(shù)系統(tǒng)的周圍環(huán)境和人不造成危害和污染，同

16、時也要保證機器對環(huán)境的適應(yīng)性，如挖掘和污染，同時也要保證機器對環(huán)境的適應(yīng)性，如挖掘機對沼澤地工作的適應(yīng)。機對沼澤地工作的適應(yīng)。192 2）安全技術(shù)法）安全技術(shù)法為了保證安全可靠性，而采取的技術(shù)措施：為了保證安全可靠性，而采取的技術(shù)措施：(1)(1)直接安全技術(shù)法：是指在結(jié)構(gòu)設(shè)計中充分滿足安直接安全技術(shù)法：是指在結(jié)構(gòu)設(shè)計中充分滿足安全可靠要求，保證在使用中不出現(xiàn)危險。全可靠要求，保證在使用中不出現(xiàn)危險。如采用安全銷、安全閥和易損件等。對于可能松脫如采用安全銷、安全閥和易損件等。對于可能松脫的零件加以限位，使其不致的零件加以限位，使其不致脫落造成機器事故。脫落造成機器事故。如圖如圖67(a)67(

17、a)表示螺釘松脫后表示螺釘松脫后落入機器內(nèi)，不能工作。落入機器內(nèi)，不能工作。圖圖67(b)67(b)表示螺釘松脫時，表示螺釘松脫時，受到限位受到限位不致掉入系統(tǒng)中。不致掉入系統(tǒng)中。20 冗余配置原理冗余配置原理 當技術(shù)系統(tǒng)發(fā)生故障或失效對當技術(shù)系統(tǒng)發(fā)生故障或失效對會造成人身安全或重大設(shè)備事故，為了提高可靠會造成人身安全或重大設(shè)備事故，為了提高可靠性，常采用重復(fù)的備用系統(tǒng)。如飛機發(fā)動機的雙性，常采用重復(fù)的備用系統(tǒng)。如飛機發(fā)動機的雙驅(qū)動、三驅(qū)動和副油箱；壓力容器中兩個安全閥；驅(qū)動、三驅(qū)動和副油箱；壓力容器中兩個安全閥；為確保煤礦井下絕對安全，對排水的水泵系統(tǒng)采為確保煤礦井下絕對安全，對排水的水泵系

18、統(tǒng)采用兩套或三套配置用兩套或三套配置( (一套運轉(zhuǎn)，一套維修，一套一套運轉(zhuǎn)，一套維修，一套備用備用) )。21 (2) (2)間接安全技術(shù)法。通過防護系統(tǒng)和保護裝置來間接安全技術(shù)法。通過防護系統(tǒng)和保護裝置來實現(xiàn)技術(shù)系統(tǒng)的安全可靠。其類型是多種多樣的。實現(xiàn)技術(shù)系統(tǒng)的安全可靠。其類型是多種多樣的。如液壓回路中的安全閥、電路系統(tǒng)中的保險絲等，如液壓回路中的安全閥、電路系統(tǒng)中的保險絲等，都是當設(shè)備出現(xiàn)危險或超負荷時，自行脫離危險狀都是當設(shè)備出現(xiàn)危險或超負荷時，自行脫離危險狀態(tài)。圖態(tài)。圖6868具有故障顯示正常的精過濾器具有故障顯示正常的精過濾器: :液壓回液壓回路中，精過濾器芯路中，精過濾器芯2 2被

19、堵時，被堵時，差壓計差壓計3 3發(fā)出信號，而單向發(fā)出信號，而單向閥閥3 3打開，回路仍正常工作。打開，回路仍正常工作。22(3)(3)提示性安全技術(shù)法。既不能直接保證安全可提示性安全技術(shù)法。既不能直接保證安全可靠，又沒有保護或防護措施，僅能在事故出現(xiàn)以靠，又沒有保護或防護措施，僅能在事故出現(xiàn)以前發(fā)出報警和信號，提醒人們注意，如指示燈，前發(fā)出報警和信號，提醒人們注意，如指示燈，警鈴等。警鈴等。23二、結(jié)構(gòu)方案設(shè)計原理二、結(jié)構(gòu)方案設(shè)計原理 在結(jié)構(gòu)設(shè)計中常應(yīng)用下述各項原理：在結(jié)構(gòu)設(shè)計中常應(yīng)用下述各項原理： 1 . 等強度原理等強度原理 對于同一個零件來說，各處應(yīng)力相等，各處壽命對于同一個零件來說，各

20、處應(yīng)力相等，各處壽命相等，叫等強度。這樣可使結(jié)構(gòu)有相等強度，從而相等，叫等強度。這樣可使結(jié)構(gòu)有相等強度，從而達到充分利用材料，提高經(jīng)濟效益。如圖達到充分利用材料，提高經(jīng)濟效益。如圖5-12a)的的結(jié)構(gòu)強度不等，而且強度差，結(jié)構(gòu)強度不等，而且強度差，b)圖的結(jié)構(gòu)強度不等圖的結(jié)構(gòu)強度不等，c)圖適用于鑄鐵的等強度結(jié)構(gòu)，圖適用于鑄鐵的等強度結(jié)構(gòu)，d)圖適用于鋼的圖適用于鋼的等強度結(jié)構(gòu)。等強度結(jié)構(gòu)。24圖圖6-96-9所示為增加約束變形附件以降低高應(yīng)力區(qū)應(yīng)力所示為增加約束變形附件以降低高應(yīng)力區(qū)應(yīng)力的兩個實例。圖中構(gòu)件的兩個實例。圖中構(gòu)件1 1為承受載荷的主體構(gòu)件，當為承受載荷的主體構(gòu)件，當在結(jié)構(gòu)中增加

21、一個約束變形的輔助構(gòu)件在結(jié)構(gòu)中增加一個約束變形的輔助構(gòu)件2 2時，就使構(gòu)時，就使構(gòu)件件1 1左半部的應(yīng)力顯著減小，兩部分應(yīng)力趨于均勻。左半部的應(yīng)力顯著減小，兩部分應(yīng)力趨于均勻。252. 合理力流原理合理力流原理可以認為力在其傳遞路線上形成所謂力線，這些力可以認為力在其傳遞路線上形成所謂力線，這些力線匯成力流。力在構(gòu)件中的傳遞軌跡就像電場中的線匯成力流。力在構(gòu)件中的傳遞軌跡就像電場中的電力線、磁場中的磁力線、水流中的流線一樣，按電力線、磁場中的磁力線、水流中的流線一樣，按力流路線傳遞。力流路線傳遞。力流密集程度反映力的大小。力流密集程度反映力的大小。力線和力流方向用箭頭表示。力線和力流方向用箭頭

22、表示。力線和力流在連續(xù)物體中傳遞，力線和力流在連續(xù)物體中傳遞，數(shù)量不變，且連續(xù)不斷數(shù)量不變，且連續(xù)不斷26力流路線直接、最短原力流路線直接、最短原則則可以使零件尺寸縮小、可以使零件尺寸縮小、 節(jié)省材料，變形小，剛節(jié)省材料，變形小，剛度好。固度好。固6-11a6-11a的力流路的力流路線最短，結(jié)構(gòu)尺寸最?。痪€最短，結(jié)構(gòu)尺寸最小；b b的力流路線比圖的力流路線比圖a a的長，的長，故尺寸大。故尺寸大。27力流轉(zhuǎn)向平緩原則：當結(jié)構(gòu)斷面發(fā)生突然變化，引力流轉(zhuǎn)向平緩原則：當結(jié)構(gòu)斷面發(fā)生突然變化，引起力流方向的急劇改變，使得力流密度增加，產(chǎn)生起力流方向的急劇改變，使得力流密度增加，產(chǎn)生應(yīng)力集中。在結(jié)構(gòu)設(shè)計

23、時，應(yīng)采取措施，使力流方應(yīng)力集中。在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)采取措施，使力流方向變化平緩，減小應(yīng)力集中。圖向變化平緩，減小應(yīng)力集中。圖6-13所示為輪轂聯(lián)所示為輪轂聯(lián)結(jié)：圖結(jié)：圖a)力流方向變化急劇，力流方向變化急劇，A處應(yīng)力集中處應(yīng)力集中;圖圖b)力力流方向變化較平緩，應(yīng)力集中小。流方向變化較平緩，應(yīng)力集中小。28 3變形協(xié)調(diào)原理變形協(xié)調(diào)原理 所謂變形協(xié)調(diào)，就是使相聯(lián)接的兩零件在外載荷的所謂變形協(xié)調(diào)，就是使相聯(lián)接的兩零件在外載荷的作用下所產(chǎn)生的變形的方向相同，并且使其相對變形作用下所產(chǎn)生的變形的方向相同，并且使其相對變形盡可能小。圖盡可能小。圖6-12為兩焊接板的變形及應(yīng)力分布。圖為兩焊接板的變形及應(yīng)

24、力分布。圖a)為一板受拉另一板受壓，兩零件在接縫的上端應(yīng)為一板受拉另一板受壓，兩零件在接縫的上端應(yīng)力集中很大，相對變形力集中很大，相對變形大，變形不協(xié)調(diào)，應(yīng)力大，變形不協(xié)調(diào)，應(yīng)力分布不均勻；圖分布不均勻；圖b)為兩為兩板受拉，相對變形小，板受拉，相對變形小，符合變形協(xié)調(diào)原理應(yīng)符合變形協(xié)調(diào)原理應(yīng)力分布均勻。力分布均勻。kr294 4力平衡原理力平衡原理在機器工作時，常產(chǎn)生一些無用的力。如離心慣性在機器工作時，常產(chǎn)生一些無用的力。如離心慣性力、變速慣性力、斜齒輪的軸向力等，這些力不但力、變速慣性力、斜齒輪的軸向力等，這些力不但增加了軸和軸承等零件的負荷，降低其精度和壽命增加了軸和軸承等零件的負荷，

25、降低其精度和壽命，同時也降低了機器的傳動效率。，同時也降低了機器的傳動效率。 所謂力平衡就是指采取結(jié)構(gòu)措施，部分或全部所謂力平衡就是指采取結(jié)構(gòu)措施，部分或全部平衡掉無用的力，以減輕或消除其不良影響。這些平衡掉無用的力，以減輕或消除其不良影響。這些結(jié)構(gòu)措施主要有采用平衡元件、采取對稱布置等。結(jié)構(gòu)措施主要有采用平衡元件、采取對稱布置等。30如圖如圖6-306-30所示為通過所示為通過人為增加一個偏心來人為增加一個偏心來平衡另一個偏心產(chǎn)生平衡另一個偏心產(chǎn)生的離心力。的離心力。圖圖5-305-30行星輪采用對行星輪采用對稱布置，齒輪嚙合產(chǎn)稱布置，齒輪嚙合產(chǎn)生的徑向力被抵消。生的徑向力被抵消。31 5

26、5任務(wù)分配原理任務(wù)分配原理分配有三種可能：分配有三種可能：1 1）一載體承擔多種功能：功能集中于一載體，可）一載體承擔多種功能：功能集中于一載體，可簡化結(jié)構(gòu)、降低成本；簡化結(jié)構(gòu)、降低成本；2 2）一載體承擔一種功能：功能與載體一一對應(yīng)，）一載體承擔一種功能：功能與載體一一對應(yīng)，便于做到便于做到“明確明確”、“可靠可靠”，便于實現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，便于實現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化及準確計算；及準確計算；3 3）多載體共同承擔一種功能：多載體承擔同一功）多載體共同承擔一種功能：多載體承擔同一功能可以減輕零件負載，延長使用壽命。能可以減輕零件負載，延長使用壽命。 設(shè)計時應(yīng)根據(jù)具體情況進行任務(wù)分配。設(shè)計時應(yīng)根據(jù)具體情況進行任

27、務(wù)分配。例如將只靠螺拴預(yù)緊產(chǎn)生的摩擦力來傳遞橫向載例如將只靠螺拴預(yù)緊產(chǎn)生的摩擦力來傳遞橫向載荷時，會使螺栓尺寸過大，可通過增加抗剪元件，荷時，會使螺栓尺寸過大，可通過增加抗剪元件，如銷、套筒和端而鍵等，以分擔橫向載荷來解決這如銷、套筒和端而鍵等，以分擔橫向載荷來解決這一問題。一問題。32圖圖52l52l是三種不同的密封和定位結(jié)構(gòu)，是三種不同的密封和定位結(jié)構(gòu)，a a圖軸承的圖軸承的密封和定位用同一個結(jié)構(gòu)密封和定位用同一個結(jié)構(gòu)1 1來完成，需用圓鋼車成，來完成，需用圓鋼車成，其制造費用高；其制造費用高；b b圖的密封和定位分別由圖的密封和定位分別由1 1擋圈和擋圈和2 2軸軸套承擔。套承擔。2 2

28、可用管料車成，節(jié)約材料減少加工時間；可用管料車成，節(jié)約材料減少加工時間；c c圖中密封件圖中密封件1 1為沖壓件，用無屑加工代替有屑加工，為沖壓件，用無屑加工代替有屑加工，確保了密封，大大節(jié)約工時和材料。確保了密封，大大節(jié)約工時和材料。336 6自補償原理自補償原理 通過選擇系統(tǒng)元件及其在系統(tǒng)中的配置來自通過選擇系統(tǒng)元件及其在系統(tǒng)中的配置來自行實現(xiàn)加強功能的相互支持作用，稱為自補償。行實現(xiàn)加強功能的相互支持作用，稱為自補償。自補償在正常情況自補償在正常情況( (額定載荷額定載荷) )下有加強功能、減下有加強功能、減載和平衡的含義，而在緊急情況載和平衡的含義，而在緊急情況( (超載超載) )下有

29、自保下有自保護和救援的含義。護和救援的含義。常見的自補償原理應(yīng)用形式有：自增強、自平衡常見的自補償原理應(yīng)用形式有：自增強、自平衡和自保護：和自保護： 1)1)自增強自增強 當輔助效應(yīng)與初始效應(yīng)的作用方向當輔助效應(yīng)與初始效應(yīng)的作用方向相同時，使得總效應(yīng)加強，就是所謂自增強。相同時，使得總效應(yīng)加強，就是所謂自增強。34 在正常工作狀態(tài)下輔助效應(yīng)與初始效應(yīng)的作用方向相同，在正常工作狀態(tài)下輔助效應(yīng)與初始效應(yīng)的作用方向相同，總效應(yīng)為兩者之和。如圖總效應(yīng)為兩者之和。如圖6-126-12高壓容器檢查孔蓋的設(shè)計。圖高壓容器檢查孔蓋的設(shè)計。圖(a)(a)擰緊螺桿，使端蓋擰緊螺桿，使端蓋2 2緊貼在密封件緊貼在密

30、封件3 3上，形成初始效應(yīng)。上，形成初始效應(yīng)。工作時間，內(nèi)部高壓工作時間，內(nèi)部高壓P P作用在端蓋作用在端蓋2 2上，加強密封效果，產(chǎn)生上，加強密封效果，產(chǎn)生輔助效應(yīng)。總效應(yīng)是兩者疊加使密封自增強。圖輔助效應(yīng)?？傂?yīng)是兩者疊加使密封自增強。圖(b)(b)是自是自損結(jié)構(gòu)。效應(yīng)相互抵消，密封效果不好。損結(jié)構(gòu)。效應(yīng)相互抵消，密封效果不好。35工作時，工件工作時，工件1 1受到一個受到一個F2F2力，該力使工件與偏心輪之力，該力使工件與偏心輪之間產(chǎn)生一個使偏心輪順時針轉(zhuǎn)動的趨勢，該趨勢與間產(chǎn)生一個使偏心輪順時針轉(zhuǎn)動的趨勢，該趨勢與FlFl力的作用同向。故增大了夾緊力力的作用同向。故增大了夾緊力F F的

31、作用，且該作用隨的作用，且該作用隨著著F2F2的增大而增大。的增大而增大。36 圖圖613613自增強作用的密封裝置，壓力自增強作用的密封裝置，壓力P P使帶錐面圓盤使帶錐面圓盤l l更緊密地壓在密封更緊密地壓在密封2 2上，這就是利用主參數(shù)壓力上，這就是利用主參數(shù)壓力P P產(chǎn)生了產(chǎn)生了增強密封的輔助作用。增強密封的輔助作用。37 2) 2)自平衡自平衡 自平衡通常是使正常載荷下的輔自平衡通常是使正常載荷下的輔助效應(yīng)同初始效應(yīng)相反并達到平衡或部分平衡助效應(yīng)同初始效應(yīng)相反并達到平衡或部分平衡狀態(tài)，以克服不利影響。狀態(tài)，以克服不利影響。如圖如圖6-156-15所示。當所示。當豎軸豎軸1 1的轉(zhuǎn)速升

32、高而的轉(zhuǎn)速升高而超過要求的轉(zhuǎn)速時，超過要求的轉(zhuǎn)速時，重錘重錘2 2會自動抬起，會自動抬起，帶動滑套帶動滑套3 3和杠桿系和杠桿系統(tǒng)統(tǒng)4 4使閥門使閥門5 5轉(zhuǎn)動以轉(zhuǎn)動以減少蒸汽通過量。減少蒸汽通過量。從而降低蒸汽機的從而降低蒸汽機的轉(zhuǎn)速以恢復(fù)到正常轉(zhuǎn)速以恢復(fù)到正常值。若杠桿值。若杠桿4 4聯(lián)結(jié)其聯(lián)結(jié)其它機構(gòu)，通過不同它機構(gòu)，通過不同原理可調(diào)節(jié)其它機原理可調(diào)節(jié)其它機械的轉(zhuǎn)速。械的轉(zhuǎn)速。38 圖圖614齒泵徑向力平衡。圖齒泵徑向力平衡。圖(a)為齒輪泵徑向力未平衡狀況，為齒輪泵徑向力未平衡狀況，Pl與與P1為液壓力，為液壓力，P2與與P2為齒輪嚙合力，為齒輪嚙合力，P和和P 為主動齒輪為主動齒輪軸

33、承和被動齒輪軸承所承受的徑向力。由圖可知，軸承和被動齒輪軸承所承受的徑向力。由圖可知，P和和P 加快加快了軸承的磨損。圖了軸承的磨損。圖(b)是徑向力得到平衡，在泵殼或側(cè)板上開有是徑向力得到平衡，在泵殼或側(cè)板上開有徑向力平衡槽將高壓油引到低壓區(qū)，把低壓油引到高壓區(qū)，徑向力平衡槽將高壓油引到低壓區(qū)，把低壓油引到高壓區(qū)，393)3)自保護自保護 超載時，特別是超載有可能反復(fù)出超載時，特別是超載有可能反復(fù)出現(xiàn)時，采取自動防止破壞的措施同采取保護性破現(xiàn)時，采取自動防止破壞的措施同采取保護性破壞或采用持殊的防護裝置相比更為合理。有時，壞或采用持殊的防護裝置相比更為合理。有時，采取一定的結(jié)構(gòu)措施就可實現(xiàn)自

34、動保護。采取一定的結(jié)構(gòu)措施就可實現(xiàn)自動保護。例如：摩擦離合器中的摩擦片，由于超載而打例如：摩擦離合器中的摩擦片，由于超載而打滑使得離合器輸入和輸出端脫開，停止運動?；沟秒x合器輸入和輸出端脫開，停止運動。高壓鍋當壓力超過時，易熔塞失效，內(nèi)部壓力減高壓鍋當壓力超過時，易熔塞失效，內(nèi)部壓力減小，保護高壓鍋不受損。小，保護高壓鍋不受損。40 7 7穩(wěn)定性原理穩(wěn)定性原理 所謂系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定是指當出現(xiàn)干擾，使系所謂系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定是指當出現(xiàn)干擾，使系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生改變的同時，會產(chǎn)生一種與干擾作用統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生改變的同時，會產(chǎn)生一種與干擾作用相反的、使系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定的效應(yīng)。相反的、使系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定的效應(yīng)。汽缸壓力和作汽

35、缸壓力和作用在活塞桿上用在活塞桿上的工作抗力對的工作抗力對活塞的狀態(tài)的活塞的狀態(tài)的不同影響不同影響41圖圖625625是幾種加強結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是幾種加強結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的措施：的措施：對于熱膨脹變形而產(chǎn)生的干擾，對于熱膨脹變形而產(chǎn)生的干擾，需要在結(jié)構(gòu)設(shè)計中采取措施，使需要在結(jié)構(gòu)設(shè)計中采取措施，使之消除。如圖之消除。如圖626(a)626(a)結(jié)構(gòu)，由結(jié)構(gòu)，由于軸發(fā)熱伸長，使軸承內(nèi)部的游于軸發(fā)熱伸長，使軸承內(nèi)部的游隙縮小甚至卡死，造成工作不穩(wěn)隙縮小甚至卡死，造成工作不穩(wěn)定；圖定；圖(b)(b)則不會。則不會。42 8、降低噪聲原理、降低噪聲原理根據(jù)我國根據(jù)我國“工業(yè)企業(yè)衛(wèi)生標準工業(yè)企業(yè)衛(wèi)生標準”的規(guī)定，生

36、產(chǎn)車間的規(guī)定，生產(chǎn)車間和作業(yè)場地噪聲不得超過和作業(yè)場地噪聲不得超過85dB(90dB)，機床噪聲，機床噪聲應(yīng)小于應(yīng)小于7585dB，小型電機為，小型電機為5080dB，汽油發(fā)動，汽油發(fā)動機為機為80dB，家用電器如電冰箱應(yīng)控制噪聲小于，家用電器如電冰箱應(yīng)控制噪聲小于45dB，而洗衣機噪聲則應(yīng)小于，而洗衣機噪聲則應(yīng)小于65dB。43第三節(jié)第三節(jié) 結(jié)構(gòu)設(shè)計中的強度和剛度問題結(jié)構(gòu)設(shè)計中的強度和剛度問題 本節(jié)討論如何在較少材料消耗的前提下獲得較本節(jié)討論如何在較少材料消耗的前提下獲得較高的強度和剛度的問題。高的強度和剛度的問題。一、通過結(jié)構(gòu)設(shè)計降低應(yīng)力減少變形一、通過結(jié)構(gòu)設(shè)計降低應(yīng)力減少變形1 1合理確

37、定截面形狀合理確定截面形狀傳動軸一般采用圓形截面。傳動軸一般采用圓形截面。小直徑：實心軸便于制造；小直徑：實心軸便于制造；大直徑：常做成空心軸。大直徑：常做成空心軸。空心軸：空心軸：IpIp、 IzIz大大 抗彎、抗扭剛度大抗彎、抗扭剛度大44直徑直徑D和和質(zhì)量質(zhì)量m的的影響：影響：451）在截面積相等的情況下，受彎梁的截面在受力方向上尺寸）在截面積相等的情況下，受彎梁的截面在受力方向上尺寸愈大愈好如愈大愈好如3號的剛度是號的剛度是l號的號的25倍；倍；2）質(zhì)量愈向彎曲中性面兩側(cè)分散）質(zhì)量愈向彎曲中性面兩側(cè)分散(即質(zhì)量向受力方向上的上、即質(zhì)量向受力方向上的上、下兩面集中下兩面集中)愈好，如愈好

38、，如5號的強度都剛度比號的強度都剛度比3號又有大幅度提高。號又有大幅度提高。462. 2. 合理確定軸向尺寸合理確定軸向尺寸 改變截面形狀降低截面上各點的應(yīng)力，可以提改變截面形狀降低截面上各點的應(yīng)力，可以提高零件本身抗破壞和抗變形的能力，但不能改變高零件本身抗破壞和抗變形的能力，但不能改變其所受彎矩的大小，通過合理地確定零件軸向尺其所受彎矩的大小，通過合理地確定零件軸向尺寸可以減少彎矩，從而更為有效地提高強度和寸可以減少彎矩，從而更為有效地提高強度和剛度。這里所謂軸向尺寸，主要指梁或軸的支承剛度。這里所謂軸向尺寸，主要指梁或軸的支承跨距和懸伸長度?？缇嗪蛻疑扉L度。473 3合理選擇支承形式合理

39、選擇支承形式620620所示：軸端受力為所示：軸端受力為F F，假設(shè)軸承和支座是剛體，則假設(shè)軸承和支座是剛體，則軸本身變形引起軸端位移為軸本身變形引起軸端位移為f1f1；若假設(shè)軸為剛體時，由；若假設(shè)軸為剛體時，由于軸承和支座的彈性變形而于軸承和支座的彈性變形而引起的軸端位移為引起的軸端位移為f2f2。而實。而實際上，它們均為彈性體，會際上，它們均為彈性體，會同時產(chǎn)生彈性變形，故軸端同時產(chǎn)生彈性變形，故軸端總位移應(yīng)為上述兩種情況的總位移應(yīng)為上述兩種情況的疊加，即為：疊加，即為： f fE E f1 f1 十十f2 f2 。48 分析：分析：由于成本或結(jié)構(gòu)的限制，軸由于成本或結(jié)構(gòu)的限制，軸和軸承和

40、軸承( (包括支座包括支座) )的剛度都的剛度都不能無限提高。因此必須合不能無限提高。因此必須合理選擇，以求得最滿意的結(jié)理選擇，以求得最滿意的結(jié)果。分析發(fā)現(xiàn)，跨距果。分析發(fā)現(xiàn)，跨距L L和懸和懸伸長度伸長度l之比之比L Ll變化時，變化時，f1f1和和f2f2在在f fE E中的比重會隨之變中的比重會隨之變化，如圖化，如圖62l62l所示。曲線所示。曲線1 1和和2 2分別為主軸本身引起的分別為主軸本身引起的軸端位移和軸承引起的軸端軸端位移和軸承引起的軸端位移位移L Ll變化的函數(shù)曲線，變化的函數(shù)曲線，曲線曲線3 3則為上述兩曲線合成則為上述兩曲線合成的結(jié)果。的結(jié)果。 f fE E最佳的問題！

41、最佳的問題！494 4合理利用材料特性合理利用材料特性 材料的抗彎、抗拉和抗壓特性差別較大，結(jié)構(gòu)設(shè)材料的抗彎、抗拉和抗壓特性差別較大，結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)充分利用這一特點，盡量揚長避短。例如：計時應(yīng)充分利用這一特點，盡量揚長避短。例如：材料為鋼時應(yīng)盡量用拉、壓代替受彎；材料為鑄材料為鋼時應(yīng)盡量用拉、壓代替受彎；材料為鑄鐵時，則考慮用受壓代替受拉或受彎。圖鐵時，則考慮用受壓代替受拉或受彎。圖622622所示所示為用三角珩架代替簡支梁；圖為用三角珩架代替簡支梁；圖623623所示為結(jié)構(gòu)和大所示為結(jié)構(gòu)和大小完全相同，僅安裝方法不同的兩個鑄鐵托架。顯小完全相同，僅安裝方法不同的兩個鑄鐵托架。顯然圖然圖623b

42、623b方案合理。方案合理。50 二、改善零件的受力狀況二、改善零件的受力狀況 改善零件的受力狀況對提高零件的強度和剛度改善零件的受力狀況對提高零件的強度和剛度作用比較明顯，常用的方法有載荷分流、載荷均化作用比較明顯，常用的方法有載荷分流、載荷均化和載荷抵消等。這些方法實際上是第六章第二節(jié)所和載荷抵消等。這些方法實際上是第六章第二節(jié)所述的合理力流、任務(wù)分配和自補償?shù)仍淼膽?yīng)用。述的合理力流、任務(wù)分配和自補償?shù)仍淼膽?yīng)用。1.1.載荷分流載荷分流載荷分流就是將一個較大的或復(fù)合的載荷分流到不載荷分流就是將一個較大的或復(fù)合的載荷分流到不同零件或同一零件的不同部位上，從而達到降低應(yīng)同零件或同一零件的不

43、同部位上，從而達到降低應(yīng)力、減小變形的效果。特別適于強度和剛度較弱的力、減小變形的效果。特別適于強度和剛度較弱的零件。如：采用多根零件。如：采用多根v v帶、某些機床主軸采用并列的帶、某些機床主軸采用并列的兩個或多個相同的軸承等。如兩個或多個相同的軸承等。如CW6163CW6163型臥式車床采型臥式車床采用了載荷分流的方法，即用一個徑向軸承和兩個推用了載荷分流的方法，即用一個徑向軸承和兩個推力軸承分別承受徑向力和兩個方向相反的軸向力。力軸承分別承受徑向力和兩個方向相反的軸向力。51 圖圖624624所示為某車床所示為某車床變速箱輸入軸帶輪卸荷變速箱輸入軸帶輪卸荷結(jié)構(gòu)。這是一個將不同結(jié)構(gòu)。這是一

44、個將不同類型的載荷進行分流的類型的載荷進行分流的例子。該軸直徑較小且例子。該軸直徑較小且為懸伸軸，故剛度低。為懸伸軸，故剛度低。采用卸荷結(jié)構(gòu)后，將膠采用卸荷結(jié)構(gòu)后，將膠帶的壓軸力通過軸承及帶的壓軸力通過軸承及軸承座軸承座5 5分流給箱體分流給箱體4 4，而帶輪而帶輪3 3的轉(zhuǎn)矩則通過的轉(zhuǎn)矩則通過端蓋端蓋2 2的花鍵孔傳給軸的花鍵孔傳給軸1 1，故軸故軸1 1只承受轉(zhuǎn)矩而不只承受轉(zhuǎn)矩而不承受徑向力減少了彎承受徑向力減少了彎曲變形。曲變形。522 2載荷均化載荷均化 載荷均化是指將集中成分布不均的載荷變成近似載荷均化是指將集中成分布不均的載荷變成近似均布的載荷以降低構(gòu)件的最大應(yīng)力。均布的載荷以降低

45、構(gòu)件的最大應(yīng)力。圖示的非對稱布置的減速器中，在力的作用下，由于圖示的非對稱布置的減速器中，在力的作用下，由于軸的彎曲使齒輪傾斜，從而導致輪齒沿齒寬方向載荷軸的彎曲使齒輪傾斜，從而導致輪齒沿齒寬方向載荷分布不均，對于重型減速器或齒輪箱尤為突出。若采分布不均，對于重型減速器或齒輪箱尤為突出。若采用用b b圖的對稱布置形式，則可基本上克服上述缺點。圖的對稱布置形式，則可基本上克服上述缺點。53 漸開線齒輪若沿齒寬方向齒厚相同。則嚙合齒沿接漸開線齒輪若沿齒寬方向齒厚相同。則嚙合齒沿接觸線長度方向上的數(shù)荷會較多地集中在兩端，圖觸線長度方向上的數(shù)荷會較多地集中在兩端，圖626a所示。若將輪齒截面修整成鼓形

46、，使端部齒厚較所示。若將輪齒截面修整成鼓形，使端部齒厚較中間部分小中間部分小2535um，則齒輪工作時靠齒面彈性變，則齒輪工作時靠齒面彈性變形而使載荷分布趨于均勻，如圖形而使載荷分布趨于均勻，如圖626b所示。所示。54當螺栓受拉和螺母受壓時，由于螺當螺栓受拉和螺母受壓時，由于螺栓和螺母在旋合段內(nèi)所受軸向力的栓和螺母在旋合段內(nèi)所受軸向力的不同，導致旋合各圈螺紋牙載荷相不同，導致旋合各圈螺紋牙載荷相差很大。圖差很大。圖6-276-27所示：第所示：第1 1圈牙受圈牙受力可為第力可為第7 7圈的十幾倍，這對于重圈的十幾倍，這對于重載荷或重要部位的螺母是很嚴重的載荷或重要部位的螺母是很嚴重的問題。圖

47、問題。圖6-286-28所示為均化螺紋牙載所示為均化螺紋牙載荷的三種螺母結(jié)構(gòu)形式。由圖可見，荷的三種螺母結(jié)構(gòu)形式。由圖可見，各結(jié)構(gòu)都在不同程度上減小了牙上各結(jié)構(gòu)都在不同程度上減小了牙上的最大載荷，使載荷趨于均勻。的最大載荷，使載荷趨于均勻。55 3 3載荷抵消載荷抵消 廣義地講，載荷抵消是設(shè)法在結(jié)構(gòu)上將無用的力廣義地講，載荷抵消是設(shè)法在結(jié)構(gòu)上將無用的力或有用的力的不利作用全部或局部抵消。圖或有用的力的不利作用全部或局部抵消。圖6-296-29為機為機床主軸上傳動力床主軸上傳動力F2F2的不同布置形式，圖中的不同布置形式，圖中FIFI為切削力。為切削力。56三、預(yù)加載荷三、預(yù)加載荷 預(yù)加載荷是構(gòu)

48、件在制造或裝配時就被施加一定的預(yù)加載荷是構(gòu)件在制造或裝配時就被施加一定的載荷使其產(chǎn)生相應(yīng)的塑性變形或彈性變形，從而載荷使其產(chǎn)生相應(yīng)的塑性變形或彈性變形，從而減小工作應(yīng)力或工作載荷引起的再變形。減小工作應(yīng)力或工作載荷引起的再變形。強化：以減小應(yīng)力為目的的預(yù)加載荷方法稱為強強化：以減小應(yīng)力為目的的預(yù)加載荷方法稱為強化，強化分彈性強化和塑性強化兩類?；瑥娀謴椥詮娀退苄詮娀瘍深?。預(yù)緊：以提高剛度、減小工作時再變形為目的的預(yù)緊：以提高剛度、減小工作時再變形為目的的頂加載荷方法稱為預(yù)緊。頂加載荷方法稱為預(yù)緊。1 1彈性強化彈性強化57彈件強化是使構(gòu)件在受工作載荷之前預(yù)受一個與工作載彈件強化是使構(gòu)件在

49、受工作載荷之前預(yù)受一個與工作載荷相反的載荷，產(chǎn)生一個相應(yīng)的預(yù)變形，以及一個與工荷相反的載荷，產(chǎn)生一個相應(yīng)的預(yù)變形，以及一個與工作應(yīng)力相反的預(yù)應(yīng)力，工作時該預(yù)加載荷部分地抵消工作應(yīng)力相反的預(yù)應(yīng)力，工作時該預(yù)加載荷部分地抵消工作載荷，預(yù)變形部分抵消工作變形，從而降低了構(gòu)件的作載荷，預(yù)變形部分抵消工作變形，從而降低了構(gòu)件的最大應(yīng)力。圖最大應(yīng)力。圖631631所示為裝有拉桿的預(yù)應(yīng)力工字梁。所示為裝有拉桿的預(yù)應(yīng)力工字梁。58如：加厚壁筒內(nèi)部承受壓力時愈靠近內(nèi)部應(yīng)力如：加厚壁筒內(nèi)部承受壓力時愈靠近內(nèi)部應(yīng)力愈高，可改為兩個較薄的厚壁筒通過盈配合套裝愈高，可改為兩個較薄的厚壁筒通過盈配合套裝存一起，使內(nèi)筒和外

50、筒分別產(chǎn)生一存一起，使內(nèi)筒和外筒分別產(chǎn)生一 定的預(yù)壓應(yīng)力定的預(yù)壓應(yīng)力和預(yù)拉應(yīng)力減小工作時內(nèi)筒的應(yīng)力。實際上，和預(yù)拉應(yīng)力減小工作時內(nèi)筒的應(yīng)力。實際上，也可看成是一種應(yīng)力均化的措施。即此時通過外也可看成是一種應(yīng)力均化的措施。即此時通過外筒的應(yīng)力增大而減小內(nèi)筒的應(yīng)力。筒的應(yīng)力增大而減小內(nèi)筒的應(yīng)力。592 2塑性強化塑性強化塑性強化是使構(gòu)件在工作狀態(tài)下應(yīng)力最大那部分塑性強化是使構(gòu)件在工作狀態(tài)下應(yīng)力最大那部分材料預(yù)先經(jīng)塑性變形而產(chǎn)生一個與工作應(yīng)力符號材料預(yù)先經(jīng)塑性變形而產(chǎn)生一個與工作應(yīng)力符號相反的殘留應(yīng)力，用以部分地抵消工件應(yīng)力。仍相反的殘留應(yīng)力，用以部分地抵消工件應(yīng)力。仍以梁為例：給梁預(yù)加一個與工作載

51、荷以梁為例：給梁預(yù)加一個與工作載荷F F同向的預(yù)加同向的預(yù)加藏荷藏荷PP，PP去掉后梁內(nèi)產(chǎn)生殘留應(yīng)力，其分布去掉后梁內(nèi)產(chǎn)生殘留應(yīng)力，其分布如圖如圖632a632a60 以扭轉(zhuǎn)為主的軸也可用類似方法進行塑性強化，如以扭轉(zhuǎn)為主的軸也可用類似方法進行塑性強化，如圖圖633633：圖：圖633a633a為預(yù)加的與工作轉(zhuǎn)矩同向的轉(zhuǎn)矩為預(yù)加的與工作轉(zhuǎn)矩同向的轉(zhuǎn)矩TT去掉后軸的殘留應(yīng)力分布情況。去掉后軸的殘留應(yīng)力分布情況。 塑性強化的特點是預(yù)加載荷與工作載荷方向一致，塑性強化的特點是預(yù)加載荷與工作載荷方向一致，而且在構(gòu)件工作時預(yù)加數(shù)荷已經(jīng)撤出，靠殘留應(yīng)力而且在構(gòu)件工作時預(yù)加數(shù)荷已經(jīng)撤出，靠殘留應(yīng)力而不是靠預(yù)

52、加載荷本身來抵消工作應(yīng)力。故要求材而不是靠預(yù)加載荷本身來抵消工作應(yīng)力。故要求材料必須具有足夠的塑性，構(gòu)件的塑性變形量不得超料必須具有足夠的塑性，構(gòu)件的塑性變形量不得超過一定限度。過一定限度。61 3.預(yù)緊預(yù)緊 預(yù)緊是通過一個與工作載荷方向相同的預(yù)加載荷。使零件預(yù)緊是通過一個與工作載荷方向相同的預(yù)加載荷。使零件產(chǎn)生一定的與工作時同方向的彈性變形、以減少工作時的進一產(chǎn)生一定的與工作時同方向的彈性變形、以減少工作時的進一步變形，從而提高剛度的有效措施。如：滾動軸承在安裝時預(yù)步變形，從而提高剛度的有效措施。如：滾動軸承在安裝時預(yù)加一個約等于徑向載荷加一個約等于徑向載荷2030的軸向力，彈性變形增加了接

53、的軸向力，彈性變形增加了接觸面積，各磙子受力也趨于均勻從而提向了軸承的剛度。又觸面積，各磙子受力也趨于均勻從而提向了軸承的剛度。又如多數(shù)彈簧都預(yù)加了一個初載荷，使其產(chǎn)生如多數(shù)彈簧都預(yù)加了一個初載荷，使其產(chǎn)生定的初始變定的初始變形以保證其具有足夠的剛度和工作彈力。螺栓在裝配時產(chǎn)生形以保證其具有足夠的剛度和工作彈力。螺栓在裝配時產(chǎn)生的拉力實際上也是預(yù)加載荷，工作時承受拉力的較長螺栓必須的拉力實際上也是預(yù)加載荷，工作時承受拉力的較長螺栓必須有足夠的預(yù)緊力才能保證被聯(lián)接件的聯(lián)接剛度。有足夠的預(yù)緊力才能保證被聯(lián)接件的聯(lián)接剛度。 預(yù)緊的特點是預(yù)加載荷與工作載荷方向相同，工作時不撤預(yù)緊的特點是預(yù)加載荷與工作

54、載荷方向相同，工作時不撤出，因此，工作應(yīng)力不是抵消而是疊加，其目的是提高剛度，出，因此，工作應(yīng)力不是抵消而是疊加，其目的是提高剛度，而不是減少應(yīng)力，故預(yù)應(yīng)力應(yīng)不超過一定限度。而不是減少應(yīng)力，故預(yù)應(yīng)力應(yīng)不超過一定限度。62上述三種預(yù)加載荷方法特點見表上述三種預(yù)加載荷方法特點見表63。63四、有關(guān)強度和剛度的其它問題四、有關(guān)強度和剛度的其它問題1 1提高疲勞強度和動剛度提高疲勞強度和動剛度提高疲勞強度的措施很多，比較重要的是降低應(yīng)提高疲勞強度的措施很多，比較重要的是降低應(yīng)力集中程度應(yīng)特別注意在鉆孔、切槽、過渡圓力集中程度應(yīng)特別注意在鉆孔、切槽、過渡圓角及截面急劇變化處的結(jié)構(gòu)，以減小應(yīng)力集中。角及截

55、面急劇變化處的結(jié)構(gòu)，以減小應(yīng)力集中。又如螺紋聯(lián)接中聯(lián)接件和被聯(lián)接件的剛度匹配、又如螺紋聯(lián)接中聯(lián)接件和被聯(lián)接件的剛度匹配、降低零件表面的粗糙度、改善零件的尺寸和形狀降低零件表面的粗糙度、改善零件的尺寸和形狀以及對零件表面進行處理等。提高零件的動剛度以及對零件表面進行處理等。提高零件的動剛度可從提高其靜剛度、增加阻尼和調(diào)整固有頻率等可從提高其靜剛度、增加阻尼和調(diào)整固有頻率等方面著手也可以采用各種類型的減震器。方面著手也可以采用各種類型的減震器。642. 2. 提高零件的接觸強度和接觸剛度提高零件的接觸強度和接觸剛度 當兩零件的表面為點、線接觸且有法向載荷作當兩零件的表面為點、線接觸且有法向載荷作用

56、時，雖然因彈性變形可形成小區(qū)域接觸，但因面用時，雖然因彈性變形可形成小區(qū)域接觸，但因面積很小，應(yīng)力仍很大。合理地確定零件接觸面的結(jié)積很小，應(yīng)力仍很大。合理地確定零件接觸面的結(jié)構(gòu)可以提高接觸強度。構(gòu)可以提高接觸強度。(1)(1)增大球面支撐的增大球面支撐的綜合曲率半徑。綜合曲率半徑。R=R1R2/R=R1R2/（R1R1R2R2）65(2)(2)以面接觸代替線接觸或點接觸以面接觸代替線接觸或點接觸圖圖635a635a所示為通過中間件所示為通過中間件A A把線接觸改為面接觸的把線接觸改為面接觸的實例。圖實例。圖635b635b所示則是增加中間件所示則是增加中間件B B將點接觸轉(zhuǎn)變將點接觸轉(zhuǎn)變?yōu)槊娼?/p>

57、觸的實例。為面接觸的實例。66(3)(3)采用變位齒輪傳動提高齒面接觸強度采用變位齒輪傳動提高齒面接觸強度 在齒輪傳動中為提高齒面接觸強度可采用變位在齒輪傳動中為提高齒面接觸強度可采用變位齒輪。設(shè)計變位齒輪時應(yīng)滿足兩個條件：兩相互齒輪。設(shè)計變位齒輪時應(yīng)滿足兩個條件：兩相互嚙合齒輪變位系數(shù)之和最大，以獲得齒面的最大嚙合齒輪變位系數(shù)之和最大，以獲得齒面的最大綜合曲率半徑，要保證足夠大的重合度，以使同綜合曲率半徑，要保證足夠大的重合度，以使同時嚙合的齒數(shù)不致太少。機器的整體剛度既決定時嚙合的齒數(shù)不致太少。機器的整體剛度既決定于各零件本身的剛度，又決定于各零件聯(lián)接面之于各零件本身的剛度，又決定于各零件

58、聯(lián)接面之間的接觸剛度，因此，提高接觸剛度也是結(jié)構(gòu)設(shè)間的接觸剛度，因此，提高接觸剛度也是結(jié)構(gòu)設(shè)計必須注意的問題。計必須注意的問題。67 接觸剛度不僅與接觸面的材料、硬度、幾何形接觸剛度不僅與接觸面的材料、硬度、幾何形狀和尺寸等條件有關(guān)，而且還與接觸面的表面粗糙狀和尺寸等條件有關(guān)，而且還與接觸面的表面粗糙度、加工方法、幾何精度、相對運動方向、接觸面度、加工方法、幾何精度、相對運動方向、接觸面間的介質(zhì)和預(yù)緊力等因素有關(guān)。目前，還沒有既簡間的介質(zhì)和預(yù)緊力等因素有關(guān)。目前，還沒有既簡單又準確的關(guān)于接觸剛度的計算方法。在結(jié)構(gòu)設(shè)計單又準確的關(guān)于接觸剛度的計算方法。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中通過限定接觸面的尺寸、幾何形狀誤

59、差和表面粗中通過限定接觸面的尺寸、幾何形狀誤差和表面粗糙度等以保證表面間的良好接觸，對于用螺釘固定糙度等以保證表面間的良好接觸，對于用螺釘固定聯(lián)接的表面通過螺釘數(shù)量、分布及控制預(yù)緊力的大聯(lián)接的表面通過螺釘數(shù)量、分布及控制預(yù)緊力的大小來提高接觸剛度。對于重要的表面可通過合理確小來提高接觸剛度。對于重要的表面可通過合理確定其表面硬度，增加單位面積內(nèi)的接觸點數(shù)等措施定其表面硬度，增加單位面積內(nèi)的接觸點數(shù)等措施進一步提高接觸剛度。必要時，可用模型或?qū)嵨镞M進一步提高接觸剛度。必要時，可用模型或?qū)嵨镞M行試驗，以便確定所設(shè)計的結(jié)構(gòu)是否可滿足接觸剛行試驗，以便確定所設(shè)計的結(jié)構(gòu)是否可滿足接觸剛度或整體剛度的要求

60、。度或整體剛度的要求。683. 抗疲勞破壞的結(jié)構(gòu)設(shè)計抗疲勞破壞的結(jié)構(gòu)設(shè)計 上面所講的都屬于靜強度設(shè)計，而實際設(shè)備的斷上面所講的都屬于靜強度設(shè)計，而實際設(shè)備的斷裂事故中約裂事故中約80屬于疲勞破壞，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計時屬于疲勞破壞，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)給予足夠的重視。應(yīng)給予足夠的重視。 疲勞破壞是在局部應(yīng)力最高的部位發(fā)生的，故在疲勞破壞是在局部應(yīng)力最高的部位發(fā)生的，故在結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)盡量避免不必要的應(yīng)力集中和設(shè)法減結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)盡量避免不必要的應(yīng)力集中和設(shè)法減小應(yīng)力集中，為此采取如下措施：小應(yīng)力集中，為此采取如下措施：69零件的橫截面尺寸和形狀有改變的地方，應(yīng)盡可能用較大零件的橫截面尺寸和形狀有改變的地方