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《機械設計學》課件機械結構是機械功能的載體，機械結構設計的任務是依據(jù)所確定的功能原理方案設計出實體結構。該結構能體現(xiàn)出所要求的功能，用結構設計圖樣表示。結構圖應表示出結構件的形狀、尺寸及所用的材料，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關系，有關造型設計及人機工程等問題也應在這一階段解決。第六章 機械結構設計《機械設計學》課件結構設計包括機器的總體結構設計和零部件結構設計兩方面內(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構設計的共性問題。如果說功能原理設計決定了產(chǎn)品的先進性、新穎性，那么結構設計則決定了產(chǎn)品的質量和成本的70％ ~80％，因此說結構設計是機械設計中涉及問題最多，工作量最大的一個環(huán)節(jié)。本章將重點討論結構設計的共性問題?！稒C械設計學》課件 第一節(jié) 結構件的功用及基本類型零件是構成機器的基本元素，從結構設計的角度出發(fā)，可以把零件稱為結構件。一、結構件的功用各種結構件具有的功能主要有：承受載荷、傳遞運動和動力、保證或保持有關零件或部件之間的相對位置或運動軌跡關系等。1．承受載荷正確分析結構件受力的類型、大小、方向及其對結構件工作正常的影響，是進行結構設計的重要依據(jù)和保證?！稒C械設計學》課件2．傳遞運動和動力擺桿 3的作用是把運動和動力傳給滑枕 2，以便使刨刀 1實現(xiàn)直線住復運動并切下金屬?！稒C械設計學》課件軸 4和擺桿 3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?！稒C械設計學》課件3 . 保持有關零部件之間的相對位置或運動軌跡關系仍以車床為例：車床主軸箱和床身之間應有嚴格的相對位置關系。即主軸中心線應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身導軌平行。要求床身導軌本身要具有相應的直線度，受熱、受力變形小等?！稒C械設計學》課件4 其它功用有些結構件還具有其它 — 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．還起著包容和保護傳動件的作用，還可以盛裝潤滑油。有的結構件還兼有或主要用作防護或裝飾作用，要求具有 — 定的外形及色彩?！稒C械設計學》課件二、結構件的分類結構件的形式多種多樣，從不同的角度可以有不同的分類。1）為了設計、制造和管理上的方便，通常將其分為：蓋盤、軸套、支架、桿件、殼體、箱體和支承件等類別。2）從毛坯工藝角度可分為：鑄造件、焊接件、鍛造件、鉚接或粘結件等?！稒C械設計學》課件三、零件的相關在機械系統(tǒng)中，各零件通常成鏈狀、樹狀或網(wǎng)狀相互聯(lián)接，構成完整的機械網(wǎng)絡?！稒C械設計學》課件說明：1）零件的相關分為直接相關和間接相關兩類：（ 1）直接相關：凡是兩零件有直接裝配關系的。（ 2）間接相關：沒有直接裝配關系的相關。間接相關又分為位置相關和運動相關兩類：位置相關是指兩零件在相互位置上有要求。運動相關是指一零件的運動軌跡與另一零件有關。要滿足運動相關條件，一般需要一個或幾個位置相關的中間件來達到，上例中的床身導軌就是這樣的中間件?！稒C械設計學》課件四、零件的結構要素若把零件上與其它零件直接相關部位稱為工作部分，則多數(shù)零件均由兩個或多個工作部分及聯(lián)結部分組成，聯(lián)結部分的作用是把各工作部分聯(lián)結起來并使它們保持各自的位置，同時也常常起到支承作用。有時，也把用以固定聯(lián)結的工作部分稱為安裝部分。《機械設計學》課件圖 6-1所示車床中的床腿 1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．作用是支承床身 7，而床腿的工作部分恰與床身的安裝部分相聯(lián)結，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，床頭上表面及導軌為工作部分，而床頭與主軸箱的聯(lián)結部分相當于安裝部分。在結構設計中．通常先確定工作部分，后確定聯(lián)結部分。工作部分主要考慮工作面的形狀、尺寸、精度、表面質量等，而聯(lián)結部分主要考慮強度、剛度等要求。《機械設計學》課件第二節(jié) 結構方案設計的基本原則和原理一、結構方案設計的基本原則確定和選擇結構方案時應遵循三項基本原則：明確、簡單和安全可靠。1．明確所謂明確是指對產(chǎn)品設計中所應考慮的問題都應在結構方案中獲得明確的體現(xiàn)與分但?！稒C械設計學》課件(1)功能明確 所選擇結構要達到預期的功能，每個分功能有確定的結構來承擔，各部分結構之間有合理的聯(lián)系。要避免冗余結構，盡量減少靜不定結構。在圖 6-2(a)中，傳遞轉矩是鍵還是圓錐面，零件的軸向定位是軸的臺階面還是圓錐面，兩者均不明確。這是一種功能不明確的結構。圖 6-2(b)兩種功能都是由圓錐面承擔，是一種好結構《機械設計學》課件(2)工作原理明確所選結構的物理作用明確，從而可靠地實現(xiàn)能量流 (力流 )、物料流和信息流的轉換或傳導?！稒C械設計學》課件（ 3)使用工況及承載狀態(tài)明確圖 6—3 為組合軸承設計的兩種方案。圖 6—3( a)設計者原意是滾針軸承承擔徑向力，球軸承承受軸向力。圖 6—3( b)徑向力和軸向力承受者都很清楚。圖 6—4 受拉焊縫。(a)圖為靜不定結構；(b)圖為合理結構。《機械設計學》課件2．簡單結構設計簡單是指整機、部件和零件的結構 ,在滿足總功能前提下，盡量力求結構形狀簡單、零部件數(shù)量少等。零部件數(shù)量少，實質是縮短加工、組裝和生產(chǎn)準備周期，降低生產(chǎn)成本。在設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。如圖 6-5吊車軌道，除作導軌用外，還兼作水、空壓、油壓管道的作用，是多功能結構件?！稒C械設計學》課件3．安全可靠1）機器安全包括 4個方面：零件安全 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。整機安全 指整個技術系統(tǒng)保證在規(guī)定條件下實現(xiàn)總功能。工作安全 對操作人員的防護，保證人身安全和身心健康。環(huán)境安全 對技術系統(tǒng)的周圍環(huán)境和人不造成危害和污染，同時也要保證機器對環(huán)境的適應性，如挖掘機對沼澤地工作的適應?！稒C械設計學》課件 2）安全技術法為了保證安全可靠性，而采取的技術措施：(1)直接安全技術法：是指在結構設計中充分滿足安全可靠要求，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。對于可能松脫的零件加以限位，使其不致脫落造成機器事故。如圖 6—7( a)表示螺釘松脫后落入機器內(nèi)，不能工作。圖 6—7( b)表示螺釘松脫時，受到限位 — 不致掉入系統(tǒng)中。《機械設計學》課件冗余配置原理 當技術系統(tǒng)發(fā)生故障或失效對會造成人身安全或重大設備事故，為了提高可靠性，常采用重復的備用系統(tǒng)。如飛機發(fā)動機的雙驅動、三驅動和副油箱；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)采用兩套或三套配置 (一套運轉，一套維修，一套備用 )?！稒C械設計學》課件(2)間接安全技術法。通過防護系統(tǒng)和保護裝置來實現(xiàn)技術系統(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，都是當設備出現(xiàn)危險或超負荷時，自行脫離危險狀態(tài)。圖 6—8 具有故障顯示正常的精過濾器 :液壓回路中，精過濾器芯 2被堵時，差壓計 1發(fā)出信號，而單向閥 3打開，回路仍正常工作?！稒C械設計學》課件(3)提示性安全技術法。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)以前發(fā)出報警和信號，提醒人們注意，如指示燈，警鈴等。《機械設計學》課件二、結構方案設計原理在結構設計中常應用下述各項原理：1 . 等強度原理對于同一個零件來說，各處應力相等，各處壽命相等，叫等強度。這樣可使結構有相等強度，從而達到充分利用材料，提高經(jīng)濟效益。如圖 5-12a)的結構強度不等，而且強度差， b)圖的結構強度不等， c)圖適用于鑄鐵的等強度結構， d)圖適用于鋼的等強度結構?！稒C械設計學》課件圖 6-9所示為增加約束變形附件以降低高應力區(qū)應力的兩個實例。圖中構件 1為承受載荷的主體構件，當在結構中增加一個約束變形的輔助構件 2時，就使構件 1左半部的應力顯著減小，兩部分應力趨于均勻?！稒C械設計學》課件 2. 合理力流原理可以認為力在其傳遞路線上形成所謂力線，這些力線匯成力流。力在構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，按力流路線傳遞。力流密集程度反映力的大小。力線和力流方向用箭頭表示。力線和力流在連續(xù)物體中傳遞，數(shù)量不變，且連續(xù)不斷．《機械設計學》課件力流路線直接、最短原則可以使零件尺寸縮小、 節(jié)省材料，變形小，剛度好。固 6-11a的力流路線最短，結構尺寸最小； b的力流路線比圖 a的長，故尺寸大?！稒C械設計學》課件力流轉向平緩原則：當結構斷面發(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)生應力集中。在結構設計時，應采取措施，使力流方向變化平緩，減小應力集中。圖 6-13所示為輪轂聯(lián)結 ：圖 a)力流方向變化急劇， A處應力集中 ;圖 b)力流方向變化較平緩，應力集中小。《機械設計學》課件 3．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 6-12為兩焊接板的變形及應力分布。圖 a)為一板受拉．另一板受壓，兩零件在接縫的上端應力集中很大，相對變形大，變形不協(xié)調(diào)，應力分布不均勻；圖 b)為兩板受拉，相對變形小，符合變形協(xié)調(diào)原理．應力分布均勻?！稒C械設計學》課件 4．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，同時也降低了機器的傳動效率。所謂力平衡就是指采取結構措施，部分或全部平衡掉無用的力，以減輕或消除其不良影響。這些結構措施主要有采用平衡元件、采取對稱布置等?！稒C械設計學》課件如圖 6-30所示為通過人為增加一個偏心來平衡另一個偏心產(chǎn)生的離心力。圖 5-30行星輪采用對稱布置，齒輪嚙合產(chǎn)生的徑向力被抵消。