机械结构设计概论

,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,机械结构设计准则,2011-11,1,内容,机械结构设计概论,1,提高强度、刚度和延长寿命的结构设计准则,2,提高精度的结构设计准则,3,符合人机工程学设计准则,4,避免或减小对人类损害的结构设计准则,5,改进零部件结构工艺性的结构设计,6,2,内容,机械结构设计概论,1,3,1.,结构设计的作用,机械结构设计是机械设计的重要组成部分，没有结构就没有机器。使用者关注的是产品的性能和功能，而设计和制造者则关心的是机器的机械结构，这套结构能满足使用者所要求的功能和性能。所以结构是把设计,制造,使用者联系起来的纽带，,是设计、制造、使用的具体对象，是使用性能的物质承担者,。,4,1.,结构设计的作用,机械结构设计应满足作为产品的多方面要求，基 本要求有,功能、可靠性、工艺性、经济性和外观造型,等方面的要求。此外，还,应改善零件的受力，提高强度、刚度、精度和寿命,。因此，机械结构设计是一项综合性 的技术工作。,5,1.,结构设计的作用,机械结构设计过程中应遵循一定的结构设计准则，否则：,零部件失效,机器达不到设计精度的要求,给装配和维修带来极大的不方便,。,6,2.,机械结构设计的任务和工作内容,采用各种方法，确定机械零部件所采用的原理、形状、构造、材料、尺寸公差等，并将设计结果表现为生产图样或生产机械所需的全部技术资料。这些工作主要在技术设计阶段。,调查决策,研究设计,技术设计,试制,生产销售,结构设计,7,3.,机械结构设计的基本条件和要求,机械系统的功能要求？,所设计的机械应具有的功能及各个部分应具有的功能、各部分的性能参数（压力、速度、运动范围等）,输入输出的能量、材料或信号的具体要求，如机床的精度、信号的信噪比等,对机械系统本身的要求，如重量、体积、寿命和可靠性等。,使用者和环境要求,环境影响：如使用环境有无砂石、腐蚀、温度、气候、辐射等特殊条件和要求。,物质条件：动力、燃料、原材料、润滑剂等各种设备正常使用中所必须的辅料的供应情况。,8,3.,机械结构设计的基本条件和要求,使用者的技术水平：操作者的技术水平和熟练程度、维修的情况及技术水平等。,使用者的经济条件：购置费、维护费、材料和各项开支及使用本系统的经济效果等。,安全条件：人身和健康安全要求，噪声和污染的允许界限,使用者的特殊条件：某些国家、地区对不同颜色、造型的特殊爱好或禁忌等。,工艺条件,加工技术和设备的水平。,标准化、系列化的情况。,对保养、维护、修理的要求和得到配件的条件。,9,3.机械结构设计的基本条件和要求,市场及其他情况,当前市场上有无类似产品？我们设计、生产该产品的优势？,有无相关专利？对我们的影响？,当前市场容量和市场预测，发展趋势。,国家对本产品的使用有什么限制和要求？,设计生产的进度要求。,10,4.,机械结构方案设计的技巧,由结构中的相互关系变换而制定结构方案,运动形式的变换,结合方式的变换,锁合的变换,物理原理的变换,利用形态变换的方法制定结构方案,形状变换,位置变换,数目变换,尺寸变换,结构方案设计,机械结构设计有两个重要步骤：一,.,结构方案设计,，为了实现某一原理方案采用尽可能多的各种结构方案；二,.,结构方案择优选用,。,11,4.,机械结构方案设计的技巧,要设计一台点钞机，为达到钞票分离的目的，可以采用下图所示的几种功能原理方案。显然，进行原理性构思时首先要考虑应用某种,物理效应,（如图中的摩擦 、离心力、气吹等），然后利用某种,作用原理,（如图中的摩擦轮、转动架、气嘴等），最后达到实现,功能目标,的结果。,西安交通大学 润滑理论及轴承实验室,12,4.,机械结构方案设计的技巧,一,.,利用形态变换的方法制定结构方案,形状变换,：改变零件的形状，尤其是工作表面的形状而得到不同的结构形式。如直齿改为斜齿，过盈配合改为花键连接等。,将摆动导杆机构中的直线导槽改为圆弧导槽，可获得较长时间的停歇,。,槽轮直径变为无穷大，槽数无穷多时，演变为槽条机构,滚珠变滚柱，减少变形量,行星齿轮大小的变化，导致滑块的不同运动特性,13,4.,机械结构方案设计的技巧,一,.,利用形态变换的方法制定结构方案,位置变换,：改变零件的相互位置关系，来使得零部件的受力、润滑等工况改善。,消除了推杆的轴向力,改善了润滑条件,14,4.,机械结构方案设计的技巧,一,.,利用形态变换的方法制定结构方案,数目变换,：变换零件的数目或相关集合形状的数量（如平键改为花键连接）。,尺寸变化,：改变零件或表面的尺寸，从而产生形态变换。,15,4.,机械结构方案设计的技巧,一,.,利用形态变换的方法制定结构方案,实例分析：,功能要求：,设计夹具，用于加紧安装于圆柱形外套,2,中的汽缸套,1,，以便加工内孔,16,4.,机械结构方案设计的技巧,一,.,利用形态变换的方法制定结构方案,实例分析（,2,）：精密控制工作台,功能要求：,精密驱动（,0.08um,）安装于丝杠螺母机构,5,，,6,上的工作平台。,17,4.,机械结构方案设计的技巧,二,.,由机械结构中的相互关系变换而制定结构方案,运动形式的变换,正反转,180,度工作台设计：用电机？机械结构？,18,4.,机械结构方案设计的技巧,二,.,由机械结构中的相互关系变换而制定结构方案,结合方式的变换,：对于静止件和运动件之间的相互关系称为结合方式。通常采用的是相互滑动和相互滚动（如滑动轴承和滚动轴承）。此外还可以采用空气垫、磁场或油膜隔开运动物体表面。,19,4.,机械结构方案设计的技巧,二,.,由机械结构中的相互关系变换而制定结构方案,锁合方式的变换,：两个互相连接的零件可以采用不同的原理把他们连接起来称为锁合。如力锁合（依靠摩擦力，如过盈配合、楔形键）、材料锁合（利用中间材料：如焊接）和形状锁合（利用形状进行连接：花键、销钉）是三种常用的锁合方式。,20,4.,机械结构方案设计的技巧,二,.,由机械结构中的相互关系变换而制定结构方案,物理原理的变换,：利用不同的物理原理实现某一机构功能。,比如对于传动，可依靠几何形状传动（齿轮、凸轮、斜面、链）；也可靠摩擦力传动；可利用介质传动（气动、液动）；依靠磁场；或者利用某些材料在电、热、力等物理参量作用下，尺寸的改变等原理进行传动。,超声电机,超声电机工作原理,镜头变焦,21,4.,机械结构方案设计的技巧,二,.,由机械结构中的相互关系变换而制定结构方案,物理原理的变换：利用不同的物理原理实现某一机构功能。,22,内容,提高强度、刚度和延长寿命的结构设计准则,2,23,2.1,机械结构合理受力的准则,受力,强度,刚度,耐磨性,立木支千斤,千斤不压稍,24,2.1,机械结构合理受力的准则,一,.,载荷均布准则,：外载荷由多个零件或支撑点支持时，应当使它们受力尽量均匀。,轴承受力不均匀,轴弯曲导致齿轮接触情况恶化,非对称布置，应当使齿轮对远离动力输入端，用扭转变形改善弯曲变形导致的齿轮沿宽度方向载荷分布不均匀,25,2.1,机械结构合理受力的准则,一,.,载荷均布准则,：外载荷由多个零件或支撑点支持时，应当使它们受力尽量均匀。,26,2.1,机械结构合理受力的准则,一,.,载荷均布准则,：外载荷由多个零件或支撑点支持时，应当使它们受力尽量均匀。,27,2.1,机械结构合理受力的准则,一,.,载荷均布准则,：外载荷由多个零件或支撑点支持时，应当使它们受力尽量均匀。,28,2.1,机械结构合理受力的准则,二,.,载荷分担准则：,即把作用在一个零件上的载荷，经采取结构措施，分给两个或更多个零件承担。,29,2.1,机械结构合理受力的准则,三,.,自平衡准则：,应使机械结构中的相互作用力相互平衡。,30,2.1,机械结构合理受力的准则,四,.,自加强准则：,在合理设计的前提下，机械装置的外载荷，可成为加强结构功能的因素。,31,2.1,机械结构合理受力的准则,五,.,力流路径最短准则：,传递力的时候，所涉及的零部件应尽可能少。,厚度,40mm,仍有变形,厚度,20mm,变形很小,32,2.2,提高静强度的结构设计准则,33,2.2,提高静强度的结构设计准则,一。,加大截面系数 或者,34,2.2,提高静强度的结构设计准则,一。,加大截面系数 或者,案例：,铸铁件的抗压强度是抗拉强度的数倍，因此设计中应充分考虑此特性。,35,2.2,提高静强度的结构设计准则,二。,采用空心轴提高刚度,W0 (W):,空心（实心）轴的截面系数,I0 (I):,空心（实心）轴的惯性矩,36,2.2,提高静强度的结构设计准则,三。,受转矩的截面必须封闭原则,37,2.2,提高静强度的结构设计准则,四。避免悬臂梁伸出端过长原则,38,2.2,提高静强度的结构设计准则,五。等强度设计准则,39,2.2,提高静强度的结构设计准则,六。弹性强化和塑性强化准则,40,2.2,提高静强度的结构设计准则,六。弹性强化和塑性强化准则,41,2.2,提高静强度的结构设计准则,六。弹性强化和塑性强化准则,利用塑性变形所产生的残余应力来抵消部分工作时的应力。,塑性强化的原理适用于塑性材料；载荷方向始终一致,42,2.3,提高疲劳强度的结构设计准则,机械零件失效的,80%,属于疲劳破坏。因此在机械结构设计中应充分重视提高疲劳强度的措施。,疲劳破坏是在材料有不一致性的情况下，零部件内分布不均匀的弹性和塑性变形多次快速反复交替作用的结果。最先的破坏发生在存在相对于作用载荷的方向不利的残余应力和局部消弱部分的微观体积内，进而逐渐扩展而发生零件整体破坏。,应力集中、螺纹连接中连接件与被连接件之间的相对刚度、零件表面粗糙度、形状及尺寸均影响零件的疲劳强度。,43,2.3,提高疲劳强度的结构设计准则,一。降低应力集中准则,断面变化急剧，则应力集中严重，反之，则应力集中轻微,44,2.3,提高疲劳强度的结构设计准则,一。降低应力集中准则,断面变化急剧，则应力集中严重，反之，则应力集中轻微,45,2.3,提高疲劳强度的结构设计准则,一。降低应力集中准则,46,2.3,提高疲劳强度的结构设计准则,一。降低应力集中准则,47,2.3,提高疲劳强度的结构设计准则,一。降低应力集中准则,48,2.3,提高疲劳强度的结构设计准则,二。连接件与被连接件刚度合理匹配准则,在具有预紧力的螺栓连接中，如果工作载荷是脉动的，则螺栓与被连接件所受的拉力和压力都是非对称循环变化的。,螺栓与被连接件相对刚度,和,连接的预紧力与工作载荷的比值,，,决定了螺栓和被连接件所受载荷的波动程度,。,在一定预紧力的前提下，适当选择螺栓与被连接件的刚度，可减少螺栓及被连接件受力的波动程度，从而提高螺栓连接的疲劳刚度（但同时还需要考虑连接的密合性）。,螺栓刚度系数,被连接件的刚度系数,49,2.3,提高疲劳强度的结构设计准则,二。连接件与被连接件刚度合理匹配准则,螺栓刚度改变方法：,减小,（或增大）螺栓的,直径,改变,螺栓的,长度,被连接件刚度改变方法：,加大或减少被连接件的截面积,采用弹性原件,50,2.3,提高疲劳强度的结构设计准则,三。改善表面状况准则,降低表面粗糙度准则,：,表面粗糙时，零件受力后会产生应力集中。若零件受力后最大应力发生在表面（弯曲），则表面容易成为疲劳裂纹的起始点。,强度越高，对应力集中越敏感。,51,2.3,提高疲劳强度的结构设计准则,三。改善表面状况准则,表面处理提高疲劳强度准则,：,采用滚压、喷丸、碳化、氮化等方法强化表面层，可在表面形成残余压应力，从而可以部分抵消工作时的拉应力，提高疲劳强度。,52,三。改善表面状况准则,2.3,提高疲劳强度的结构设计准则,53,2.3,提高疲劳强度的结构设计准则,四。案例分析,54,2.3,提高疲劳强度的结构设计准则,四。案例分析,55,2.4,提高接触强度的结构设计准则,一。增大综合曲率半径原则,56,2.4,提高接触强度的结构设计准则,二。以面接触代替线接触原则,57,2.5,提高抗冲击强度的结构设计准则,58,一。适当减小刚度原则,2.5,提高抗冲击强度的结构设计准则,59,二。在冲击部位设立减震器,2.5,提高抗冲击强度的结构设计准则,60,三。在冲击部位设立减震器,四。提高材料冲击韧度,2.5,提高抗冲击强度的结构设计准则,61,2.6,提高刚度的结构设计准则,62,一。用拉压代替弯曲原则,2.6,提高刚度的结构设计准则,63,二。合理布置支撑结构,2.6,提高刚度的结构设计准则,64,二。合理布置支撑结构,2.6,提高刚度的结构设计准则,昆明机床THM46100精密镗床采用3点支撑,65,2.6,提高刚度的结构设计准则,三。合理设计断面形状,四。用肋板或隔板增强强度准则,抗弯抗扭刚度均比较小,抗弯刚度好,抗扭刚度好,抗弯抗扭刚度均较好,66,2.6,提高刚度的结构设计准则,三。用预变形补偿有害变形原则,TK4200,双柱坐标镗床,67,2.7,提高耐磨性的结构设计准则,一。降低摩擦面压强原则,重型滑座机械卸荷装置,68,2.7,提高耐磨性的结构设计准则,二。避免局部剧烈磨损原则,鼓形齿轮,69,2.7,提高耐磨性的结构设计准则,三。自动补偿与调节装置,70,提高精度的结构设计准则,3,71,3.1,概述,1.,误差产生的原因,原理误差：由于设计中在原理上产生的误差。,手轮上用线性刻度表示角度,Theta,的值。,原始误差：由于加工、装配、调整产生的误差以及使用中的磨损、弹性变形等产生的误差。,72,3.2,阿贝（,Abbe,）原则,被测尺寸与读数尺共线原则,Abbe,原则：若使量仪给出正确的测量结果，必须将一起的读数线尺安放在被测尺寸的延长线上。,假定由于制造误差，工作台沿,圆弧,移动，导致工作台的移动,距离和,工件不同,如果以丝杆移动的长度来衡量,工件,长度，则产生误差：,73,3.2,阿贝（,Abbe,）原则,74,3.3,误差补偿准则,在误差可计算（大小、方向）条件下，可采用各种补偿方法减小误差。,（,1,）温度补偿,原理：用膨胀系数大的材料和膨胀系数小的材料的组,合，补偿膨胀系数为中间值的材料的温度变形或应力。,75,3.3,误差补偿准则,（,2,）加工误差补偿,依据丝杠螺母的制造误差制作校正尺曲线，使得在每一点上螺母的运动附加一个校正的转动，从而补偿螺距误差。,76,3.3,误差补偿准则,（,3,）磨损量互相补偿装置,图,a:,图,b:,77,3.4,传动机构误差传递准则,（,1,）减速机构末端传动比应,最大、精度应最高原则,增速机构第一级精度应最,高准则,78,3.5,误差均化原理,-,多点接触提高精度准则,误差均化原理,：在机构中如果有多个连接点同时对一种运动起限制作用，则运动件的运动误差决定于各连接点的综合影响，其运动精度通常比一个连接点起限制作用时为高。,79,3.5,误差均化原理,-,多点接触提高精度准则,误差均化原理,80,3.5,误差均化原理,-,多点接触提高精度准则,误差均化原理,81,3.6,误差合理配置准则,前轴承精度应比后轴承高,两个轴承的最大径向振摆方向应相同,82,3.7,消除空回原则,83,3.7,消除空回原则,84,3.7,消除空回原则,双导程蜗杆传动，可以通过轴向移动蜗杆来消除反向传动的间隙，双导程蜗杆其左右两齿面的模数不同，因此形成两齿面的螺旋升角不同，从而带来齿厚逐渐增厚(向安装电机的反方向增厚)，如果蜗轮付传动有间隙时，可修磨垫圈来调整。,85,3.7,消除空回原则,机床双驱消间隙：采用两个力矩电机，通过电气控制，使得齿圈在启动和换向的过程中始终受到偏置力矩的作用两个小齿轮分别贴紧齿圈的两个相反的啮合面，使其不能在齿轮间隙中来回摆动，从而达到消除间隙，提高系统精度的目的。,86,符合人机工程学设计准则,4,87,人机学研究的主要目的,设计机器时必须考虑人的心理和生理的各种因素；,使及其操作简便、省力、准确。,使操作者的工作环境安全、舒适、减轻疲劳；,有最高的工作效率,人机学研究的主要内容,考虑人体的尺寸、动作特点、感觉器官的要求、人体力学的要求、美学要求（形状、尺寸、颜色等）和习惯要求。,88,笔记本电脑桌,89,4.1,基于人体形态学的设计准则,A:,工作台；,B:,书写位置；,C:,调节与显示最佳区域；,D:,次要调节与显示区域；,E:,重要显示区域与不太重要的调节区域；,F:,次要显示的辅助区域,90,4.2,基于人体感觉器官要求的设计准则,91,4.2,基于人体感觉器官要求的设计准则,对比度要求：,92,4.2,基于人体感觉器官要求的设计准则,93,4.2,基于人体感觉器官要求的设计准则,适于观察准则：,94,4.2,基于人体感觉器官要求的设计准则,95,4.2,基于人体感觉器官要求的设计准则,96,4.2,基于人体感觉器官要求的设计准则,满足听觉要求的设计准则,发声强度足够,声音适当选择准则,发声方法适当选择准则,满足触觉要求的设计准则,零件表面形状设计应适合人的操作要求,与人接触的零件表面性质选择准则。（比如手轮手柄等，应该有适当的粗糙度和硬度；刹车踏板应该有足够的摩擦力。）,97,4.3,基于人体力学的设计准则,98,4.3,基于人体力学的设计准则,操作力不超过极限值准则,99,4.3,基于人体力学的设计准则,精细调节旋钮动作柔和准则,100,4.3,按美学要求的人机学设计标准,尺寸比例适当,101,4.3,按美学要求的人机学设计标准,102,4.3,按美学要求的人机学设计标准,103,避免或减小对人类损害的结构设计准则,5,104,5.1,机械结构设计的安全准则,105,5.2,减少机械噪声的设计准则,噪声的危害,减少噪声的措施,减少运动部件的冲击和碰撞（如无缝钢轨）,增加机械零件的厚度尺寸,提高运动部件的平衡精度,防止共振,改善机构的阻尼特性,106,5.3,绿色设计准则,绿色设计的一般准则,合理延长产品的寿命,避免采用有害材料,尽量减少机器重量,材料零件等尽量回收利用,减少排污,避免泄漏,钢制的：容易生锈，容易使土地板结；,充气的：容易被扎破,107,5.4,提高舒适性的结构设计准则,108,改进零部件结构工艺性的结构设计,6,109,6.1,概述,工艺性是指设计者在保证使用功能的前提下，力求使所设计的零部件在制造过程中能具有生产率高、材料消耗少、生产成本低等优点。,一般应考虑如下几个问题：,全面考虑结构工艺性问题,：,从零部件的毛坯开始，一步步考虑，如考虑热处理、机加、表面涂饰、装配调整、试车检验、运输安装、使用维修、报废回收等整个过程，逐步考虑其工艺性问题。,考虑生产、使用条件等确定工艺性要求,。,（比如单件生产中的大件采用焊接方式而中小批量生产则采用铸件更节约成本）,注意新技术与工艺性的关系,：,新技术、新材料的出现要求新的工艺方法。,110,6.2,铸件的工艺性,铸件材料与性能要求相适应,111,6.2,铸件的工艺性,铸造方法与零件的性能要求、形状、尺寸和生产批量相适应,112,6.2,铸件的工艺性,便于拔模准则,铸件的壁厚、圆角、肋、凸台等的尺寸尽量满足铸件的有关设计标准。,铸件表面的凹凸尽量少，零件尽量对成，避免使用曲面形状。,113,6.2,铸件的工艺性,浇注和冷却过程中能够保证铸件的质量准则,浇注时，使溶化的金属容易充满铸型,冷却时，尽量保证各部分冷却速度相同,114,6.2,铸件的工艺性,铸件便于搬运原则,115,6.3,机械加工件的结构工艺性,毛坯的选择和设计,按零件的形状和工作要求选择毛坯,尽量减少机械加工,按生产批量和生产周期选择毛坯,比如：模锻生产效率高但设备和模具成本高，适合大中型生产；自由锻精度差，加工余量大。,116,6.3,机械加工件的结构工艺性,零件便于在机床或夹具上安装准则,117,6.3,机械加工件的结构工艺性,提高机械加工效率准则,118,6.3,机械加工件的结构工艺性,便于测量准则,表面平行，两个凸台等高且平行，平面的宽度小于,mm,为了便于测量，设计工艺基准面,E,为便于测量凸台,A,的长度，需要适当增加它的高度。,119,6.4,机械零部件的装配工艺性,装配占产品制造劳动总量的,25%30%,，装配质量对产品质量有极大影响。,准则包括：,零部件存放方便准则；,保证运输安全准则（考虑吊装、变形等）,避免错装准则,定位明确,容易装配准则,采用调整装置提高装配精度,设置检验措施或结构以保证产品质量,准则（观察孔、油标等）,120,6.5,机械零件装配工艺性,当机械零件产生疲劳或磨损失效以及其他形式的损坏时，要便于修理或更换。修理常采用一下方式：,重新调整,修复被磨损表面,更换损坏的零部件,121,6.5,机械零件装配工艺性,Thanks,！,122,