第六章机械结构设计

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1、第六章机械结构设计机械结构是机械功能的载体，机械结构设计的任务是在功能原理方案设计与总体设计的基础上，将原理设计方案结构化，确定机械装置的具体结构与参数。回忆一下《机械设计》课程中学习的轴的结构设计的步骤和内容轴的结构设计的一般步骤：选择材料初估轴端直径考虑轴上零件的布置、定位、固定、装拆、调整等要求，同时考虑减少轴的应力集中和保证轴的结构工艺性，从而确定轴的结构（轴的形状和尺寸）刚度、强度等验算如有问题再做修改机械结构设计需要确定结构的组成（形式与数量）及其装配关系，确定所有零件的材料、热处理方式、形状、尺寸及精度。还必须考虑加工工艺

2、、强度、刚度、寿命、可靠性及零件间的相互关系等。所确定的结构不但要保证功能实现的可能性，而且要保证功能实现的可靠性，使得机械装置在工作中具有足够的工作能力和工作性能。两种结构设计：产品结构方案设计零件结构设计（详细设计）功能原理设计决定了产品的先进性、新颖性，结构设计则决定了产品的质量和成本（70％~80％）。结构设计是机械设计过程中内容最具体、涉及问题最多，工作量最大的环节。第一节零件的功能、相关与结构要素零件是构成机械装置的基本单元，机械装置的功能通过零件之间相互作用而实现。一、零件的功能机械零件在机械结构中的基本功能是：承受载荷、

3、传递运动和动力，以保证机械装置实现正确的运动规律和运动轨迹。1．传递运动和动力摆杆3的作用是把运动和动力传给滑枕2，以便使刨刀1实现直线住复运动并切下金属。2．承受载荷机械装置在工作中受到多种力的作用，这些力都要由零件承受。这些力包括：机械装置工作所需的力零件所受的重力由于速度波动使零件受到的惯性力由于做旋转运动使零件受到的离心力直接接触的零件之间的摩擦力在介质中运动的零件受到介质的作用力（液压力、风阻力）对连接结构施加的预紧力(螺纹联接、过盈联接)由于温度变化而产生的附加载荷等如图6-2所示减速器结构中，齿轮传动所受到的力通过轴传递给

4、轴承，其中的径向力和切向力通过轴承传递给箱体，轴向力经轴承传递给端盖，再经端盖传递给箱体。承受载荷是使零件发生失效的重要原因。正确分析结构的受力是进行结构的工作能力设计的基础。3.成形在工艺过程中，通过工作头的形状、运动方式和作用场，完成对对象物的成形。如切削机床上的刀具，冲压机床上的模具，锻压机床的锻锤，耕地用的犁等，都是起成形作用的工作头。4.其它功能起容器作用的零件(如油箱)可以容纳物体(原料、燃料、废弃物等)起引导作用的结构可以引导其他零件的运动(如导轨、螺旋)可以引导流体或松散物体的流动可以引导场的分布，如使光波或声波发生反射

5、或折射，影响电场或磁场的分布，引导热量的流动等二、零件的相关在机械装置中，每一个零件都不是独立存在的，机械装置的功能是依靠零部件的形状、尺寸和相对位置关系实现的。在机械装置中，必须使零部件之间保持确定的关系，才能保证其功能的实现，才能使零件组成机器。这种零件之间的确定性的关系称为零件之间的相关。有些零件之间的相对位置关系是通过零件表面之间的直接接触实现的。如轴与装配在轴上的齿轮，通过轴径圆柱表面确定它们之间的径向相对位置关系，通过轴肩端面确定它们之间的轴向相对位置关系；相互啮合的一对齿轮通过齿面间的接触确定两轮之间的相对转角关系（传动角

6、）。这种通过零件表面直接接触实现的相关关系称为直接相关关系。有些零件之间的某些关系需要通过其他零件之间的一系列的直接相关关系的组合来实现。如轴与装配在轴上的齿轮之间的周向位置关系是通过各自与键的接触问接实现的，两轴之间的平行关系是通过轴与轴承之间、轴承与箱体之间的直接相关关系间接实现的。这类相关关系称为间接相关关系。三、零件的结构要素零件的形体通常由多个表面构成，这些构成零件形体的表面成为零件的结构要素。一个零件与其他零件形成直接相关关系的结构要素，或与工作介质相接触的结构要素称为工作要素(或工作表面)，其他结构要素称为连接要素(或连接

7、表面)。每一个零件都有工作表面。零件的工作表面决定着零件的工作能力和工作质量，所以零件工作表面的设计是零件设计的核心问题。每个零件的工作表面都不是孤立存在的，每个工件表面和与之相接触的表面相互配合，共同起作用，所以零件的工作表面都是成对进行设计，设计中共同考虑材料的选择搭配，表面的形状、尺寸，配合公差的分配，热处理方式的选择等。例如螺栓和螺母的螺纹工作表面共同设计，滑动轴承与轴的轴颈表面共同设计，主动齿轮和被动齿轮的齿廓表面共同设计。工作表面鉴于工作表面对零件工作能力影响的重要性，因而常用零件工作表面的设计计算方法有相应的标准(有些属于

8、国家标准)，这些标准所规定的算法严格、统一、规范。连接表面将各个工作表面连接成为完整形体，并保证零件的工作表面的形状、尺寸和位置在工作中不被破坏。连接表面的设计方法较为灵活，没有统一的过程和标准，也不要求有