001 提高强度和刚度等的结构设计原则

图5 简支梁受力分析 a)集中力 b)分布力
如图 7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。
图7 桶形齿与载荷分布
a)正常齿 b)桶形齿轮
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 8a）。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8b、c、d)。
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。
图3 推力和径向轴承组合结构
图4 卸荷带轮结构
（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5b简支梁的强度要好于图5a。
如图19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。
图18 支承结构 a)较差结构 b)改进结构
图19 轴承类型的影响 a)较差结构 b)改进结构
（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。
图22 行走机构驱动轴变形协调结构设计 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-23）。 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。
图23 满足等强度原则的结构
a)摇臂钻横臂 b)车用板簧 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。
图13 螺栓头—杆过渡区域应力分布
如图 14 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15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。
图14 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15 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16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。
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、热变形自由原则(如轴的固定方式) 。
图8 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。
图21 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22a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22b所示。
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。
图16 用面接触代替点、线接触
如图17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。
图17 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（图18）； 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。
（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2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。
图9 斜齿轮啮合的自平衡方法 a)较差结构 b)改进结构
如图9a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9b中，由于引入了自平衡 措施，则可消除轴向力对轴的影响。
（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 11 ）及零件的受力状态（见图 12 ）有关。 降低应力集中程度可以提高零件的疲劳 强度。
如图20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。ຫໍສະໝຸດ 图20 过盈配合的联结结构
如图21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。
图2 螺栓联结中的抗剪元件
如图3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4所示的带轮结构，传动带产生 的压轴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， 压轴力则直接由箱体承担了。
第三章补充内容 改善力学性能的结构设计原则
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。 这一节从改善力学性能等方面来介绍一些 机械结构设计的基本原则。
图11 局部形状与应力集中
图12 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13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 了四种过渡结构，其中以d图结构的效果最佳。