[知識]001高強度及剛度等的結構設計原則

1、第三章補充內容改善力學性能的結構設計原則n 機械工程師更好地適應現(xiàn)代機械設計的要素之一就是掌握豐富的工程知識。工程知識是連接基礎理論與實踐經(jīng)驗的橋梁，是現(xiàn)代工程師專業(yè)知識結構的本質特征。掌握一定的工程知識是正確進行機械結構設計的前提，有些結構錯誤對一個缺乏工程知識的設計者來說是不易事先覺察的。n 這一節(jié)從改善力學性能等方面來介紹一些機械結構設計的基本原則。n 一、改善力學性能的結構設計原則n 機械結構形式千差萬別，但其功能的實現(xiàn)幾乎都與力（力矩）的產生、轉換傳遞有關。機械零件具有足夠的承載能力是保障機械結構功能實現(xiàn)的先決條件。所以在機械結構設計中，根據(jù)力學理論對零件的強度、剛度和穩(wěn)定性進行分析

2、是必不可少的，并在此基礎上，進行結構優(yōu)化設計。 n 計算機輔助結構優(yōu)化設計已被廣泛應用于工程實際中。但它所依賴的力學模型與復雜的實際結構及工況有差距，力學模型的精度通常很難提高；對稍微復雜一些的實際結構仍然停留在零件尺寸的優(yōu)化上，而基本結構一般還得預先選定；只能針對一個具體的實例得到一個特定的數(shù)值解，并不能給予方向性指導。因此計算機輔助結構優(yōu)化設計不能代替工程知識的分析與總結，結合實例分析，掌握提高結構承載能力的結構設計原則，并為結構的創(chuàng)新設計提供可借鑒的思路。n（一）載荷分擔原則n 如果同一零件上同時承擔了多種載荷的作用，則可考慮將這些載荷分別由不同的零件來承擔。采取一定的結構形式，將載荷分

3、給兩個或多個零件來承擔，從而減輕單個零件的載荷，這種方法稱為載荷分擔。這樣有利于提高機械結構的承載能力。n 如圖2所示，靠摩擦傳遞橫向載荷的普通螺栓聯(lián)接常用銷、套筒、鍵等抗剪元件來承擔部分橫向載荷，提高螺紋聯(lián)接的可靠性。圖2 螺栓聯(lián)結中的抗剪元件n 如圖3所示，在選擇軸承類型時，在軸向載荷比徑向載荷大得多或要求軸向變形較小的情況下，可選用推力軸承和徑向接觸軸承的組合結構來分別承受軸向載荷和徑向載荷。n 如圖4所示的帶輪結構，傳動帶產生的壓軸力和傳動帶傳遞的轉矩分別通過不同的路徑傳遞。這樣，軸只承受轉矩，壓軸力則直接由箱體承擔了。圖3 推力和徑向軸承組合結構 圖4 卸荷帶輪結構n（二）均勻受載原

4、則（載荷均布）n 在確定工作載荷的大小的情況下，可以考慮通過在結構上均勻分布載荷的方法，來提高結構承載能力。盡量避免集中載荷，盡可能地將載荷分散在結構上，即為載荷均布。n 如圖5所示，經(jīng)過簡單的受力分析可知，受集中力的簡支梁在c點的受力比受分布力的簡支梁在c點的受力大了一倍，所以圖5b簡支梁的強度要好于圖5a。圖5 簡支梁受力分析a)集中力 b)分布力n 如圖7所示為改善齒輪輪齒齒向載荷分布狀態(tài)而采用的桶形齒結構。正常齒上，載荷分布偏于輪齒的兩端部分。將輪齒修成桶形齒后，依靠齒面受力的彈性變形使載荷沿齒寬方向分布比較均勻。圖7 桶形齒與載荷分布a)正常齒 b)桶形齒輪n 一般螺栓聯(lián)接受載后，各

5、圈螺紋牙間的載荷分布是不均勻的（見圖8a）。為改善螺紋牙間載荷分配不均勻的現(xiàn)象，可采用懸置螺母、內斜螺母、環(huán)槽螺母等結構(見圖8b、c、d)。圖8 改善螺紋牙間載荷分布a)螺紋受載示意圖 b)懸置螺母 c)內斜螺母 d)環(huán)槽螺母n（三）附加力自平衡原則（載荷平衡）n 在力的傳遞過程中，一些機械結構常常不可避免地出現(xiàn)不做功的附加力，例如，斜齒輪嚙合的軸向力，產生摩擦力的正壓力，往復和旋轉運動的慣性力，流體機械葉片上壓力差引起的軸向力等，這些對結構功能毫無作用的附加力，加大了結構的負載，降低了機械結構的承載能力。如果使其在同一零件內與其它同類載荷構成平衡力系則其它零件不受這些載荷的影響，有利于提高

6、結構的承載能力，這就是載荷平衡原則。力自平衡措施的措施主要有：引入平衡件和對稱安裝。n 在高速回轉機械中，必須靠結構的措施及動平衡的方法使旋轉慣性力降低到允許的大小，這就要求回轉件的質量須盡量相對與回轉中心呈對稱分布?？赏ㄟ^對回轉件在動平衡機上做動平衡實驗，測出并消除超出允許值的不平衡質量。n 做往復運動的機械，如連桿機構，也可在設計中采取結構措施和動平衡的方法，使其在運轉時產生盡可能小的慣性力。n 圖9 斜齒輪嚙合的自平衡方法a)較差結構 b)改進結構如圖9a所示的結構工作時產生的軸向力最終要影響到軸的受力，而在圖9b中，由于引入了自平衡措施，則可消除軸向力對軸的影響。n（四）減小應力集中n

7、 應力集中是影響承受交變應力的結構承載能力的重要因素，結構設計應設法緩解應力集中。在應力集中的部位，零件的疲勞強度將顯著降低。最大應力比該截面上的平均應力可以大25倍以上。應力集中與零件的局部變化形式（見圖11）及零件的受力狀態(tài)（見圖12）有關。降低應力集中程度可以提高零件的疲勞強度。圖11 局部形狀與應力集中圖12 受力狀況與應力集中n 普通螺栓聯(lián)接，存在嚴重的應力集中現(xiàn)象。如圖13所示為螺栓頭與螺栓桿在過渡處的應力集中情況。從圖中可以看出，在螺栓頭與桿過渡處應力發(fā)生急劇變化，應力集中非常嚴重。一般可采用過渡圓角結構來緩解，但不夠好，圖中列出了四種過渡結構，其中以d圖結構的效果最佳。 圖13

8、 螺栓頭桿過渡區(qū)域應力分布n 如圖14所示，降低截面尺寸變化處附近的剛度，可以降低應力集中的影響程度。n 注意避免多個應力集中源疊加。如圖15所示的軸結構中臺階和鍵槽端部都會引起軸在彎矩作用下的應力集中，但a圖結構的應力集中狀況比b圖結構的應力集中狀況要嚴重得多。 圖14 降低截面尺寸變化處附近的剛度a)較差結構 b)改進結構圖15 避免多個應力集中源疊加a)較差結構 b)改進結構n （五）提高接觸強度原則n n 根據(jù)赫茲公式，提高高副接觸強度有兩條途徑：一是減小接觸處的分布載荷，一是增大兩接觸零件在接觸部位的綜合曲率半徑。 n 如圖16所示，連桿機構的桿1與銷2為線接觸，如在銷軸處增加零件3

9、，則變線接觸為面接觸； c圖為斜面推桿機構，零件6把推桿4與斜面5的點接觸改為面接觸；e圖增加了零件10，也將點接觸變?yōu)榱嗣娼佑|；將零件10改為零件11，則可以在零件9和11之間產生液體動壓潤滑。這樣就減小接觸處的分布載荷，降低了接觸應力，提高了接觸強度，而且還可以改善潤滑，減少磨損。圖16 用面接觸代替點、線接觸n 如圖17所示的結構中，從圖a到圖c的高副接觸中綜合曲率半徑依次增大，這樣接觸應力依次減小，因此結構c有利于改善球面支承的接觸強度和剛度。圖17 增大接觸處的綜合曲率半徑n（六）提高剛度原則n 在進行結構設計時，在不增加零件質量的前提下，要盡量提高零件結構的剛度。對于不同類型的零件

10、，應根據(jù)其結構特點采用相應的措施。但總的來說要注意以下幾點：n1、用受壓、拉零件替代受彎曲零件；n2、合理布置受彎曲零件支承（圖18）；n3、合理設計受彎曲零件的截面形狀；n4、合理采用筋板，盡可能使筋板受壓；n5、采用預變形方法。n 如圖19所示，選擇不同類型的軸承對系統(tǒng)剛度也有明顯的影響，且常與對彎曲強度的影響同時存在。圖18 支承結構a)較差結構 b)改進結構圖19 軸承類型的影響a)較差結構 b)改進結構n（七）變形協(xié)調原則n 一個零件和另一個零件相接觸，當在接觸處難以同步變形時，零件間的接觸區(qū)域里應力會急劇上升，這是應力集中的另一種情況。在接觸處降低零件在力流方向上的剛度，盡量使兩零

11、件在接觸區(qū)域里同步變形，降低應力集中的影響，此及為變形協(xié)調原則。 n 如圖20所示，過盈配合聯(lián)接結構在輪轂端部應力集中嚴重，可通過降低軸或輪轂相應部位的局部剛度使應力集中得到有效緩解。 圖20 過盈配合的聯(lián)結結構n 如圖21所示，受彎曲載荷作用的軸在滑動軸承端面常常出現(xiàn)邊緣擠壓，從而引起軸承的失效，其原因即為軸承不能隨著軸的變形而變形。因此滑動軸承軸承座的結構設計應該使軸承在軸受載荷作用時能和軸協(xié)調變形。圖21 軸承座的結構a)較差結構 b)改進結構n 變形不協(xié)調不僅會導致應力集中，降低機械結構的強度，而且還可能損害機械的功能，如圖22a所示，是一起重機行走機構的驅動軸，由于結構及其它條件的制

12、約，軸上齒輪不能安裝在軸的中點位置上，這將導致兩行走輪因軸變形引起的扭角也不等。這種力矩傳遞的不同步使得起重機的行走總有自動轉彎的趨勢。改進的方法是將齒輪兩側的軸的扭轉剛度設計相等，如圖22b所示。圖22 行走機構驅動軸變形協(xié)調結構設計a)較差結構 b)改進結構n（八）等強度原則n 一般，機械設計中的強度要求是通過零件中最大工作應力等于或小于材料許用應力來滿足，這樣材料并為得到充分利用。最理想的設計是應力處處相等，同時達到材料的許用應力值。n 工程中大量出現(xiàn)的變截面梁就是按照等強度原則來設計的。比如，搖臂鉆的橫臂ab，汽車用的板簧和階梯軸等（見圖-23）。n 按照等強度原則設計時要注意兩點：其一應用等強度原則的前提是要方便制造；其二是要注意次要載荷的影響。圖23 滿足等強度原則的結構a)搖臂鉆橫臂 b)車用板簧 c)階梯軸n（九）其它n設計原則很多，下面介紹一些其它設計原則：n1. 空心截面原則n 彎曲應力或扭轉應力在橫截面上都是越遠離中心越大，而在中心處卻很小，為了充分利用材料，應盡量將材料放在遠離截面中心處，使其成為空心結構，從而提高零件的強度和剛度。此即為空心截面原則。n2.受扭截面封閉