机械结构设计基本原则.docx

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机械结构设计基本原则

机械结构设计基本原则

一、改善力学性能的结构设计原则...2

（一）载荷分担原则...2

（二）均匀受载原则（载荷均布）...3

（三）附加力自平衡原则（载荷平衡）...4

（四）减小应力集中...5

（五）提高接触强度原则...6

（六）提高刚度原则...7

（七）变形协调原则...8

（八）等强度原则...9

（九）其它...9

二、改善制造工艺性的结构设计原则...10

（一）焊接件结构设计原则...10

（二）铸件结构设计原则...12

（三）切削件结构设计原则...15

（四）锻件结构设计原则...18

（五）薄板件结构设计原则...20

（六）其它...23

三、提高装配质量的结构设计原则...23

（一）便于运送原则...23

（二）便于方位识别原则...24

（三）方便抓取原则...24

（四）方便定位原则...25

（五）简化装配操作原则...25

（六）可装配原则...26

（七）各装配面依次装配原则...27

（八）简单联接件原则...27

（九）便于拆卸原则...28

四、提高精度的结构设计原则...28

（一）阿贝（Abbe）原则...28

（二）误差校正与补偿...29

（三）误差均化...30

（四）误差配置...31

（五）位置精确微调...32

五、宜人化结构设计原则...33

（一）减小操作者疲劳的结构...34

（二）易于发力的结构...35

（三）减少操作者观察错误的结构...36

（四）减少操作者操作错误的结构...37

（五）考虑人体的振动特性的结构及减少操作环境噪声的结构0.38

（六）减弱工作环境光线照度的结构...39

（七）保证合适工作环境温度的结构...39

六、其它机械结构设计要求简介...40

（一）减轻腐蚀的结构...40

（二）符合材料热胀冷缩性质的结构...42

讨论题...43

机械结构设计基本原则

机械工程师更好地适应现代机械设计的要素之一就是掌握丰富的工程知识。

工程知识是连接基础理论与实践经验的桥梁，是现代工程师专业知识结构的本质特征。

掌握一定的工程知识是正确进行机械结构设计的前提，有些结构错误对一个缺乏工程知识的设计者来说是不易事先觉察的。

（见图）

这一节从改善力学性能、制造工艺性、制造精度及装配精度等方面来介绍一些机械结构设计的基本原则。

这些基本原则体现了一些重要的机械结构设计工程知识，分类符合机械工程师的工作特点，简捷明了，具体生动，操作性强，便于学习。

一、改善力学性能的结构设计原则

机械结构形式千差万别，但其功能的实现几乎都与力（力矩）的产生、转换传递有关。

机械零件具有足够的承载能力是保障机械结构功能实现的先决条件。

所以在机械结构设计中，根据力学理论对零件的强度、刚度和稳定性进行分析是必不可少的，并在此基础上，进行结构优化设计。

计算机辅助结构优化设计已被广泛应用于工程实际中。

但它所依赖的力学模型与复杂的实际结构及工况有差距，力学模型的精度通常很难提高；对稍微复杂一些的实际结构仍然停留在零件尺寸的优化上，而基本结构一般还得预先选定；只能针对一个具体的实例得到一个特定的数值解，并不能给予方向性指导。

因此计算机辅助结构优化设计不能代替工程知识的分析与总结，结合实例分析，掌握提高结构承载能力的结构设计原则，并为结构的创新设计提供可借鉴的思路。

（一）载荷分担原则

如果同一零件上同时承担了多种载荷的作用，则可考虑将这些载荷分别由不同的零件来承担。

采取一定的结构形式，将载荷分给两个或多个零件来承担，从而减轻单个零件的载荷，这种方法称为载荷分担。

这样有利于提高机械结构的承载能力。

如图5-10a所示，轴已经承受了弯矩的作用，如果齿轮再经过轴将转矩传递给卷筒，则轴为转轴，受力较大。

如果将齿轮和卷筒改用螺栓直接联接，则轴不受转矩作用，轴为转动心轴，结构较合理（见图5-10b）。

如图5-11所示，靠摩擦传递横向载荷的普通螺栓联接常用销、套筒、键等抗剪元件来承担部分横向载荷，提高螺纹联接的可靠性。

a）

b）

图5-10 转轴改进为心轴

a）较差结构 b）改进结构

图5-11 螺栓联接中的抗剪元件

如图5-12所示，在选择轴承类型时，在轴向载荷比径向载荷大得多或要求轴向变形较小的情况下，可选用推力轴承和径向接触轴承的组合结构来分别承受轴向载荷和径向载荷。

如图5-13所示的带轮结构，传动带产生的轴压力和传动带传递的转矩分别通过不同的路径传递。

这样，轴只承受转矩，轴压力则直接由箱体承担了。

图5-12 推力和径向轴承组合结构

图5-13 带轮结构

（二）均匀受载原则（载荷均布）

在确定工作载荷的大小的情况下，可以考虑通过在结构上均匀分布载荷的方法，来提高结构承载能力。

尽量避免集中载荷，尽可能地将载荷分散在结构上，即为载荷均布。

如图5-14所示，经过简单的受力分析可知，受集中力的简支梁在C点的受力比受分布力的简支梁在C点的受力大了一倍，所以图5-14b简支梁的强度要好于图5-14a。

a）

b）

图5-14 简支梁受力分析

a）集中力 b）分布力

如图5-15所示的行星齿轮减速器结构。

如按图a结构制造，则会由于存在制造误差，而使得行星轮之间的载荷分配出现不均匀的现象。

在图b中，将太阳轮改为浮动，则可达到各行星轮均载的目的。

如图5-16所示为改善齿轮轮齿齿向载荷分布状态而采用的桶形齿结构。

正常齿上，载荷分布偏于轮齿的两端部分。

将轮齿修成桶形齿后，依靠齿面受力的弹性变形使载荷沿齿宽方向分布比较均匀。

a）

b）

a）

b）

图5-15 行星齿轮减速器

a）较差结构 b）改进结构

图5-16 桶形齿与载荷分布

a）正常齿 b）桶形齿

一般螺栓联接受载后，各圈螺纹牙间的载荷分布是不均匀的（见图5-17a）。

为改善螺纹牙间载荷分配不均匀的现象，可采用悬置螺母、内斜螺母、环槽螺母等结构（见图5-17b、c、d）。

a）

b）

c）

d）

图5-17 改善螺纹牙间载荷分布

a）螺纹受载示意图 b）悬置螺母 c）内斜螺母 d）环槽螺母

（三）附加力自平衡原则（载荷平衡）

在力的传递过程中，一些机械结构常常不可避免地出现不做功的附加力，例如，斜齿轮啮合的轴向力，产生摩擦力的正压力，往复和旋转运动的惯性力，流体机械叶片上压力差引起的轴向力等，这些对结构功能毫无作用的附加力，加大了结构的负载，降低了机械结构的承载能力。

如果使其在同一零件内与其它同类载荷构成平衡力系则其它零件不受这些载荷的影响，有利于提高结构的承载能力，这就是载荷平衡原则。

力自平衡措施的措施主要有：

引入平衡件和对称安装。

在高速回转机械中，必须靠结构的措施及动平衡的方法使旋转惯性力降低到允许的大小，这就要求回转件的质量须尽量相对与回转中心呈对称分布。

可通过对回转件在动平衡机上做动平衡实验，测出并消除超出允许值的不平衡质量。

做往复运动的机械，如连杆机构，也可在设计中采取结构措施和动平衡的方法，使其在运转时产生尽可能小的惯性力。

如图5-18a、5-19a所示的结构工作时产生的轴向力最终要影响到轴的受力，而在图5-18b、5-19b中，由于引入了自平衡措施，则可消除轴向力对轴的影响。

a）

b）

图5-18 斜齿轮啮合的自平衡方法

a）较差结构 b）改进结构

a）

b）

图5-19 圆锥式离合器的自平衡方法

a）较差结构 b）改进结构

（四）减小应力集中

应力集中是影响承受交变应力的结构承载能力的重要因素，结构设计应设法缓解应力集中。

在应力集中的部位，零件的疲劳强度将显著降低。

最大应力比该截面上的平均应力可以大2~5倍以上。

应力集中与零件的局部变化形式（见图5-20）及零件的受力状态（见图5-21）有关。

降低应力集中程度可以提高零件的疲劳强度。

图5-20 局部形状与应力集中

图5-21 受力状况与应力集中

普通螺栓联接，存在严重的应力集中现象。

如图5-22所示为螺栓头与螺栓杆在过渡处的应力集中情况。

从图中可以看出，在螺栓头与杆过渡处应力发生急剧变化，应力集中非常严重。

一般可采用过渡圆角结构来缓解，但不够好，图中列出了四中过渡结构，其中以d图结构的效果最佳。

a）

b）

c）

d）

图5-22 螺栓头—杆过渡部位应力分布图

如图5-23所示，降低截面尺寸变化处附近的刚度，可以降低应力集中的影响程度。

注意避免多个应力集中源叠加。

如图5-24所示的轴结构中台阶和键槽端部都会引起轴在弯矩作用下的应力集中，但a图结构的应力集中状况比b图结构的应力集中状况要严重得多。

a）

b）

a）

b）

图5-23 降低截面尺寸变化处附近的刚度

a）较差结构 b）改进结构

图5-24 避免多个应力集中源叠加

a）较差结构 b）改进结构

（五）提高接触强度原则

根据赫兹公式，提高高副接触强度有两条途径：

一是减小接触处的分布载荷，一是增大两接触零件在接触部位的综合曲率半径。

如图5-25所示，连杆机构的杆1与销2为线接触，如在销轴处增加零件3，则变线接触为面接触；c图为斜面——推杆机构，零件6把推杆4与斜面5的点接触改为面接触；e图增加了零件10，也将点接触变为了面接触；将零件10改为零件11，则可以在零件9和11之间产生液体动压润滑。

这样就减小接触处的分布载荷，降低了接触应力，提高了接触强度，而且还可以改善润滑，减少磨损。

a）

b）

c）

d）

e）

f）

g）

图5-25 用面接触代替点、线接触

如图5-26所示的结构中，从图a到图c的高副接触中综合曲率半径依次增大，这样接触应力依次减小，因此结构c有利于改善球面支承的接触强度和刚度。

a）

b）

c）

图5-26 增大接触处的综合曲率半径

（六）提高刚度原则

在进行结构设计时，在不增加零件质量的前提下，要尽量提高零件结构的刚度。

对于不同类型的零件，应根据其结构特点采用相应的措施。

但总的来说要注意以下几点：

1.        用受压、拉零件替代受弯曲零件；

2.        合理布置受弯曲零件支承（见图5-27）；

3.        合理设计受弯曲零件的截面形状；

4.        合理采用筋板，尽可能使筋板受压；

5.        采用预变形方法。

比如三角形桁架代替受弯曲的悬臂梁，刚度就要好得多。

如图5-28所示，选择不同类型的轴承对系统刚度也有明显的影响，且常与对弯曲强度的影响同时存在。

a）

b）

a）

b）

图5-27 铸造支承结构

a）较差结构 b）改进结构

图5-28 轴承类型的影响

（七）变形协调原则

一个零件和另一个零件相接触，当在接触处难以同步变形时，零件间的接触区域里应力会急剧上升，这是应力集中的另一种情况。

在接触处降低零件在力流方向上的刚度，尽量使两零件在接触区域里同步变形，降低应力集中的影响，此及为变形协调原则。

如图5-29所示，过盈配合联接结构在轮毂端部应力集中严重，可通过降低轴或轮毂相应部位的局部刚度使应力集中得到有效缓解。

a）

b）

c）

d）

图5-29 过盈配合的联接结构

如图5-30所示，受弯曲载荷作用的轴在滑动轴承端面常常出现边缘挤压，从而引起轴承的失效，其原因即为轴承不能随着轴的变形而变形。

因此滑动轴承轴承座的结构设计应该使轴承在轴受载荷作用时能和轴协调变形。

a）

b）

图5-30 轴承座的结构

a）较差结构 b）改进结构

变形不协调不仅会导致应力集中，降低机械结构的强度，而且还可能损害机械的功能，如图5-31a所示，是一起重机行走机构的驱动轴，由于结构及其它条件的制约，轴上齿轮不能安装在轴的中点位置上，这将导致两行走轮因轴变形引起的扭角也不等。

这种力矩传递的不同步使得起重机的行走总有自动转弯的趋势。

改进的方法是将齿轮两侧的轴的扭转刚度设计相等，如图5-31b所示。

a）

b）

图5-31 轴承座的结构

a）较差结构 b）改进结构

（八）等强度原则

一般，机械设计中的强度要求是通过零件中最大工作应力等于或小于材料许用应力来满足，这样材料并为得到充分利用。

最理想的设计是应力处处相等，同时达到材料的许用应力值。

工程中大量出现的变截面梁就是按照等强度原则来设计的。

比如，摇臂钻的横臂AB，汽车用的板簧和阶梯轴等（见图5-32）。

按照等强度原则设计时要注意两点：

其一应用等强度原则的前提是要方便制造；其二是要注意次要载荷的影响。

a）

b）

c）

图5-32 满足等强度原则的结构

a）摇臂钻的横臂 b）车用的板簧 c）阶梯轴

（九）其它

设计原则很多，下面介绍一些其它设计原则：

1.        空心截面原则

弯曲应力或扭转应力在横截面上都是越远离中心越大，而在中心处却很小，为了充分利用材料，应尽量将材料放在远离截面中心处，使其成为空心结构，从而提高零件的强度和刚度。

此即为空心截面原则。

2.        受扭截面封闭原则

受扭转作用的薄壁零件的截面应尽量制造成为封闭形状，因为封闭形状比开口形状抗剪切能力强，抗扭刚度大。

此即为受扭截面封闭原则。

3.        最佳着力点原则

着力点的位置要尽量通过中心点、结点等位置，避免产生附加弯矩，这样有助于提高零件的承载能力。

4.        受冲击载荷结构柔性原则

为了提高零件的抗冲击的能力，应减小系统的刚度，加大柔性，这将有助于改善系统的性能。

5.        避免长压杆失稳原则

6.        热变形自由原则

二、改善制造工艺性的结构设计原则

（一）焊接件结构设计原则

一般来说可以通过三条途径来保证或提高焊接质量：

材料、工艺、结构。

其中，结构设计上的缺陷能严重地影响焊接零件乃至整个机械设备的质量和功能。

1．   避免高应力区原则

焊缝及其影响区的动载强度一般比周围材料的强度要低，还存在内应力，因此应尽量将焊缝设置于应力水平较低的区域。

如图5-33a所示，当焊接两块板厚不同的零件时，因几何尺寸突变，所以在焊接区域里存在严重的应力集中。

此时在结构设计时要留有过渡结构，缓解几何尺寸的突变（见图5-33b）。

如图5-34a所示压力容器，当焊缝处在曲率突变位置时，尽管壁厚一致，但应力也很大，不可取，采用如图5-34b所示的结构效果就要好些。

类似情况还有如图5-35所示。

a）

b）

a）

b）

图5-33 不同板厚零件间的焊缝

a）较差结构 b）改进结构

图5-34 压力容器的焊缝

a）较差结构 b）改进结构

a）

b）

图5-35 避免高应力区的焊缝结构

a）较差结构 b）改进结构

2．   避免焊缝重叠原则

复杂结构的焊缝常出现多条焊缝交叉重叠的情况。

焊缝交汇处刚性大，结构翘曲严重，从而加大焊缝内应力，而且结构多次过热，材料性能下降，易出现裂纹，这些都会影响焊接结构的性能。

改进方法有三种：

加辅助结构（见图5-36a）、切除部分（见图5-36b）、焊缝错开（见图5-36c）

a）

b）

c）

图5-36 避免焊缝重叠的焊缝结构

a）加辅助结构 b）切除部分 c）焊缝错开

3．   焊缝根部优先受压原则

在焊接构件承受弯曲应力时，应将焊缝置于压应力一侧。

4．   避免尖角原则

尖角处焊接定位困难，尖角易被熔化，焊接质量不易保证。

如图5-37所示，改进后的结构效果要好得多。

a）

b）

图5-37 避免尖角的焊缝结构

a）较差结构 b）改进结构

5．   对称性原则

焊接件设计应具有对称性。

焊缝布置与焊接顺序也应对称，这样就可以利用各条焊缝冷却时的力和变形相互均衡，以得到焊接件整体的较小变形（见图5-38）。

a）

b）

图5-38 对称焊缝结构

a）较差结构 b）改进结构

6．   焊接量最少原则

理想的焊接结构是焊接量最少的结构，应尽量减少焊缝个数和焊接量（见图5-39）。

a）

b）

图5-39 焊接量少的焊缝结构

a）较差结构 b）改进结构

（二）铸件结构设计原则

铸件的结构设计对铸件的制造成本，铸件的质量有决定性的影响。

铸件的结构设计要充分地考虑铸造材料和工艺的特性。

1.        壁厚均匀原则

均匀的壁厚可以提高铸件的质量，减少铸件中断面厚度大的部分的尺寸，避免金属聚集一致产生缩孔或缩松，而且还可以节省材料（见图5-40）。

a）

b）

图5-40 壁厚均匀的铸件结构

a）较差结构 b）改进结构

2.        自由收缩原则

加肋结构是铸件中常见的结构。

在设置加强肋时应避免在冷却过程中因收缩不一致而产生的内应力和裂纹。

具体措施有：

蜂窝状加强肋（见图5-41a）、斜弯加强肋（图见图5-41b）、加强肋错位（见图5-41c）和加强肋切断（见图5-41d）。

如图5-41b所示，为避免铸件冷却时阻碍金属收缩，产生内应力而导致轮辐产生裂纹，将直辐条改成弧形，这样冷却时辐条就能够自由收缩，结构较合理。

a）

b）

c）

d）

图5-41 自由收缩的铸件结构

a）蜂窝状加强肋 b）斜弯加强肋 c）加强肋错位 d）加强肋切断

3.        良好的受力状态原则

铸件应优先承受压力，因为铸铁的抗压强度比抗拉强度高得多（见图5-42）。

铸件内部肋的安置应考虑几何原理。

如图5-43a所示加强肋按矩形分布，对铸件强度和刚度有一些的影响，因矩形是不稳定的形状。

若按三角形安置，形状稳定，造型较好，结构比较合理（见图5-43b）。

铸件在必要时应局部加强（见图5-44）。

铸件的箱壁应可靠地支持在地面上，以保持它的强度和刚度。

a）

b）

图5-42 受压优先铸件结构

a）受压加强肋 b）受压容器

a）

b）

a）

b）

图5-43 内置加强肋结构

a）较差结构 b）改进结构

图5-44 局部加强结构

a）较差结构 b）改进结构

4.        便于模具制造原则

复杂模具制造困难、成本高、难以保证质量。

一般要求结构形状简单（见图5-45a），避免隐蔽、分离部分（见图5-45b），圆角尺寸统一（见图5-45c），优先采用对称形状，尽量少用模芯，采用复合结构（见图5-45d）等。

a）

b）

c）

d）

图5-45 便于模具制造的结构

如图5-46所示，有些圆角对铸件质量影响不大，但增加造型造芯的困难，为此应将圆角取消。

如图5-47所示的面积较大的薄壁零件，不应设计成水平的平面结构。

水平平面浇铸时容易造成冷隔或形成气孔。

如改为有斜坡的平面，则有利于排出液态金属中的杂质和由于铁液漫流造成的冷隔等缺陷。

a）

a）

b）

b）

图5-46 圆角对造型造芯的影响

a）较差结构 b）改进结构

图5-47 面积较大的薄壁结构

a）较差结构 b）改进结构

5.        其它

有关铸件结构设计的其它要求举例说明如下：

起模方便（见图5-48a），流动畅通（见图5-48b），便于排气，清除表皮方便（见图5-48c），便于切削加工（见图5-48d）等。

a）

b）

c）

d）

图5-48 铸件结构

（三）切削件结构设计原则

减少加工成本，提高机加工质量是切削件结构设计的基本要求，切削件的结构设计要充分考虑机加工工艺的特性。

1.        便于退刀原则

方便退刀可以节省加工时间，从而达到降低加工成本的目的。

退刀槽和越程槽是两种最常见的退刀结构（见图5-49）。

a）

b）

c）

图5-49 便于退刀的结构

2.        减少加工量原则

减少加工量可以提高生产效率，还可以节省材料。

常用的方法有：

选择合适的毛坯、采用组合部件（见图5-50a）、平缓过渡（见图5-50b）和减少行程（见图5-50c）等。

a）

b）

c）

图5-50 减少加工量的结构

3.        可靠夹紧原则

机械零件在机加工时必须夹持在机床上，因此机械零件上必须有便于夹持的部位。

此外夹持零件必须有足够大的支持力，以保证在切削力的作用下，零件不会晃动，这样才能保证加工质量（见图5-51）。

a）

b）

图5-51 保证夹紧力的结构

4.        同一夹紧工序原则

在加工机械零件的不同表面时，应避免多次装夹。

希望能在一次固定中加工尽可能多的零件表面。

这样，不但可以节约加工时间，而且可以提高加工精度。

比如一根轴上的键槽应该布置在同一条直线上。

如图5-52所示为一轴承座，a图所示的结构两孔因中间隔有凸台，而不能一次加工出来。

在b图中则是去掉凸台，用挡环代替，则可保证两孔一次安装就可加工出来。

a）

b）

图5-52 轴承座结构

a）较差结构 b）改进结构

5.        避免斜面开孔原则

在斜面上钻孔不但位置不准，而且易损伤刀具，应尽量避免，可采用改变孔的位置或改变零件表面形状，使零件表面与孔中心线垂直来解决（见图5-53）。

a）

b）

c）

图5-53 避免斜面开孔的结构

6.        贯通孔优先原则

贯通孔通常比盲孔易加工，易提高加工质量。

如图5-54a所示的结构，加工时，刀具只能是悬臂式支承，此时刀具会产生较大的变形，从而使孔的加工精度下降。

在两孔间距较大时，甚至会出现废品。

b图所示的结构是刀臂两端支承成为可能。

a）

b）

图5-54 贯通孔结构

a）较差结构 b）改进结构

7.        其它

有关切削件结构设计的其它要求举例说明如下：

便于切削（见图5-55a）、孔周边条件相近（见图5-55b）等。

a）

b）

图5-55 便于切削的结构

a）较差结构 b）改进结构

（四）锻件结构设计原则

锻件是指靠挤压成型的零件。

锻造可以改善材料性能，材质分布更趋均匀，使得锻件有较好的抗动载荷的能力。

一般锻件结构设计要遵循以下原则。

1.        分界面合理原则

锻模的分界面的选定要便于在锻造过程中材料的流动