第13章 结构设计概论

第13章 结构设计概论 13.1 机械结构设计的原则和内容 13.2 结构设计的基本原理 13.3 提高强度和风度的结构设计 13.4 结构设计方法 13.5 结构的工艺设计华南理工大学

13.1 机械结构设计的原则和内容13.1.1机械结构设计的基本要求和基本原则结构设计是在产品计划阶段和方案设计阶段创造性 工作的基础上进一步创造的过程。在进行结构设计前，要详细了解设计对象(系统)的 功能、性能参数、使用条件、工艺条件、材料、各种标 准零部件、相近机器的通用件等。

结构设计必须满足以下的基本要求： (1)功能要求能实现机械系统的功能和性能参数(如生产率、压力、速度等) 要求；满足输入或输出的能量、物料、信号的具体要求。

(2)工况条件 能实现与环境的相容性和适应性；能适应能量、物料、信号的不 同要求；在规定的工作条件下，满足强度、刚度、可靠性要求。保 证操作人员安全和身心健康。 (3)工艺条件 根据生产批量、目前的工艺和设备水平，选用合适的结构。(4)其它 结构设计除了需满足强度、刚度、安全可靠性等要求外、还应满 足外型美观要求。在可能情况下 零、部件容易拆散回炉作为再生 产的原材料。

13.2 结构设计的基本原理结构设计中，设计者要从承载能力、寿命、强度、 刚度、稳定性、减少磨损和腐蚀等方面来提高产品性能， 获得最优方案。结构设计的基本原理有助于开发新的结构，能最合理 地满足要求。

但这些原理只在一定的前提下适用，并非到处可用， 设计者必须根据任务和实际情况，检查哪些结构原理是主 要的和应该应用的。

13.2.1 力和能量的传递原理结构设计时，应正确处理力和能量的传递问题，设 计时应尽量利用下列原理或原则：

(1)等强度原理 等强度可使结构有相等强度，从而达到充分利用材料， 提高经济效益。图13.1为等强度轴，虚线为等强度轴外 形，实线为实际外形。

图13.1 轴的等强度外形和实际外形

(2)力流合理 结构设计要完成能量、物料、信号的转换，力是能 量的基本形式。完成力的形成、传递、分解、合成、改 变和转换是结构设计的主要任务。力在构件中的传递轨 迹按力流路线传递，力流密集程度反映力的大小。

力流合理包括： 力流路线直接、最短 力流转向平缓 变形协调原理

力平衡原理

力流路线直接、最短 按照力流路线直接并且 最短的传递原理设计零 件，可以使零件尺寸缩 小，节省材料，变形小， 刚性好。图13.2 a 的力流路 线最短，结构尺寸最小， b 、c图的力流路线 比 a 长，故尺寸大。 在 力流路线近似的情

况下， b 图的对称结构又比非 对称结构的 c 图好。

0.2 a

(a) a 0.5 a

(b)

(c) 图13.2 力流路线对结构的影响

a

2a

力流转向平缓 当结构断面发生突然变化，将引起力流方向急剧改变， 使得力流密度增加，产生应力集中。结构设计应采取措 施，使力流方向变化平缓，减少应力集中。图11-3的轴 毂联接中，图a)的力流方向变化急剧，A处应力集中， 图b)的力流方向变化较平缓，应力集中小。TT

A

T

T

图13.3 轴毂连接

变形协调原理图13.4为两焊接板的变形及应力分布，a)图为两板受拉，相对变 b)图为一板受拉，另一板受压，相对变形大，应 形小，应力分布较均匀； 力分布不均匀； c)图把两板改为板厚呈线性变化的斜接 口，两板相对变形几乎等于零，应力分布非常均匀。

F 1 拉

τ平均

F 1

τ平均

F1

F1=F

τ平均 max

max拉

max压 2

F1F2

拉2 (b)

2F

(a)

F图13.4 两焊接板变形及应力分布

F2=F

(c)

力平衡原理

为了实现总功能，各机构或零件需要传递做功的力 和力矩，这种力称为有功力(矩)。但与此同时常常伴 随产生一些无功力，例如斜齿轮的轴向力、惯性力等， 这些无功力使轴和轴承等零件的负荷增大，降低机器的 传动效率。 因此结构设计时要采取措施，消除无功力的不良影 响。

13.2.2 任务分工原理

任务分工原理，是安排不同的零、部件分 工去完成功能任务。不同功能的任务分工 相同功能的任务分工

任务分工有两种情况

不同功能的任务分工 结构设计时可由不同的零件分别承担不同的功能，则 任务单一，便于达到“明确、简单”的目标。图13.5是 三种不同的密封和定位结构。

a)图轴承的密封和定位用同一 个结构1来完成，需用圆钢车成， 成本高；

1 (a) 1 2

b)图的密封和定位分别由 1挡 圈和2轴套承担，2可用管料车成， 节约材料，减少加工时间；

(b) 1 2c)图中密封件1为冲压件，用无 屑加工代替有屑加工，确保密封 要求，成本低。

(c)图13.5 不同的密封和定位结构

相同功能的任务分工

相同的功能可以由一个构件来承担，如减速箱中的齿 轮轴，既承受弯矩又承受扭矩，而对承受大功率的零件， 往往需要设计成大尺寸，此时可用几个零件来分担，从 而减少尺寸和空间。如V带的拉力层以多条线绳共同承 受拉力、推力滑动轴承使用多环式结构，都是相同功能 任务分工的典型例子。

13.2.3 自助原理自助原理是对系统元件的适当选择和合理安排， 使它们起着互相支持和自我加强的作用，从 …… 此处隐藏：622字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……