5 机械结构设计

5. 对于零件的易磨损表面增加一定的磨损裕量
开式齿轮的齿面磨损后，轮齿变薄，齿根弯曲强度降低，不 能满足强度要求。因而适当加大齿轮模数（加大10%15%），以保证齿轮有一定寿命；
47
机床导轨，未使用时如正好平直，使用时则由于磨损，精度 不断降低。如做成一定的上凸则可在较长时间内保持精度。
5.3.3 提高耐磨性的结构设计（6、7、8）

2. 对于要求精度较高的导轨，不宜用少量滚珠支持
由于导轨运动速度是滚动速度的二倍，工作台运动到 左右不同位置时，滚珠受力不同，工作台向不同方向 倾斜，产生误差。
宜增加滚珠数目或采用滚子轴承（滚柱刚度显著大于 滚珠而摩擦阻力也较大）
5.3.4 提高精度的结构设计（3）

3. 必须严格限制螺旋轴承的轴向窜动
5.3.3 提高耐磨性的结构设计（4）

4. 滑动轴承不能用接触式油封
毡圈密封、皮圈密封等接触式密封适用 于滚动轴承但不适用于滑动轴承。当轴 承间隙和磨损量较小时可以考虑采用间 隙式或径向曲路密封。这是因为滑动轴 承比滚动轴承间隙大，而且当滑动轴承 46 磨损后，轴中心位置有较大变化。
5.3.3 提高耐磨性的结构设计（5）

5. 任务分配原理：根据功能要求合理地选择
载体，即选择特定零件以承担特定功能。
28
5.2.5 常用的结构设计原理

5. 任务分配原理：
– 三种可能的分配方式：
»一载体承担多种功能：简化结构，降低成本。（轴承） »一载体承担一种功能：功能明确可靠。（向心+推力） »多载体承担一种功能：减轻零件负载，延长寿命。（螺栓、 V带）
轴承的热稳定性
5.3 机械结构设计常用方法

5.3.1 提高强度和刚度的结构设计


34
5.3.2 防腐蚀结构设计
5.3.3 提高耐磨性的结构设计 5.3.4 提高精度的结构设计
5.3.5 考虑人机学的结构设计
5.3.6 考虑发热等问题的结构设计
5.3.1 提高强度和刚度的结构设计（1）
则最后输出的传动系统总误差为：
52
i3
1 2 3 i2i3 i3
为最大值时传动系统总误差最小。
5.3.4 提高精度的结构设计（5）

5. 避免紧定螺钉影响滚动导轨的精度
要避免扭紧紧定螺钉时引起导轨变形，使导轨工作表面精度 降低。
53
把固定部分与导轨支承面部分做成柔性较好的联接，使紧定 螺钉产生的变形不影响导轨面的精度。
6
5.1.1 机械结构设计的任务
依据所确定的功能原理方案，在总
体设计的基础上设计出实体结构，
满足预定的功能要求，并以结构设 计图样表示出来。
7
5.1.2 机械结构设计的内容及步骤
总体设计
布置方式；总体尺寸；特性尺寸
部件设计
装配图；外形、特性、配合尺寸
零件设计
8
零件图；加工尺寸；公差精度
5.1.3 机械结构设计的一般原则
– 同一零件中，可在不同部位采用不同材料，分别承担 不同的功能；（蜗轮） – 同一零件采用同样材料时，可在不同部位进行不同的 热处理以承担不同的功能。（轴颈） – 相同功能任务分配应保证各功能载体均匀地分担任务。
5.2.5 常用的结构设计原理

6. 自补偿原理：通过选择系统元件及其在系统中
的配置来自行实现加强功能的相互支持作用，称 为自补偿。


1.避免相同材料配成滑动摩擦副 2.润滑剂供应充分，布满工作面
应选择适用的润滑剂和供应方式； 设计油沟等使润滑剂能散布到整个工作 表面； 特别应注意立式轴承和导轨的润滑设计， 因为在这种情况下，润滑剂容易流失。
图中所示的导轨油槽直通式只用于水平 导轨，曲折的油沟才适用于垂直导轨， 润滑油可以较好地散布在工作面上。
5.3.5 考虑人机学的结构设计（1、2）

1. 合理选定操作姿势
– 设计者必须正确地决定机器或仪器的操作位置和操作姿势， 作为设计的一项基本内容。
– 常见的操作姿势为立或坐。立式容易发力，活动范围较大，
但对要求精密观察、读数的工作和活动范围较小的手工操 作的装置则以选用坐式为好。

2. 设备的工作台高度与人体尺寸比例应采用合理数 值
18
5.2.4 零件的结构要素
在结构设计中，通常先确定工作部分，后确定联结部分。 工作部分：零件上与其它零件直接相关部位。 工作部分主要考虑工作面的形状、尺寸、精度、表面质量等， 联结部分：把各工作部分联结起来并使它们 而联结部分主要考虑强度、刚度等要求。
保持各自的位置，因此也常常起到支承作用。 有时，也把用以固定联结的工作部分称为安 装部分。有固定安装和活动安装之分。

2. 避免狭缝滞留液体，两壁间保留足够空间
40
5.3.2 防腐蚀结构设计（3）

3. 容器内液体要能够排除干净
41
5.3.2 防腐蚀结构设计（4）

4. 合理的螺钉联接结构
42
5.3.2 防腐蚀结构设计（5）

5. 对于接触腐蚀件，设计易损件并及时更换
43
5.3.3 提高耐磨性的结构设计（1、2）
19
固定安装
活动安装
5.2.5 常用的结构设计原理

1. 等强度原理


Байду номын сангаас22
2. 合理力流原理
3. 变形协调原理 4. 力平衡原理 5. 任务分配原理 6. 自补偿原理 7. 稳定性原理
5.2.5 常用的结构设计原理

1. 等强度原理：通过合理地选择材料和形状，
力求在规定的时间内及条件下零部件各处的材料 强度得以充分的应用。（例：阶梯轴）

完美的机械结构设计
满足功能
安全可靠
最少资源消耗
9
5.1.3 机械结构设计的一般原则

结构方案设计三原则
明确 简单 安全可靠
环境安全 使用条件明确 工作原理明确
10
拆装简单 加工简单
工作安全 功能可靠
功能明确
形状简单
构件可靠
5.2 机械结构分析及常用设计原理
5.2.1 结构件的功用 5.2.2 结构件的分类 5.2.3 零件的相关 5.2.4 零件的结构要素

2. 载荷合理分布
尽量减小作用在地基上的力。
地基一般由混凝土制成，承载能 力较低，尽可能不要把加力机构
的力作用在地基上。如图为一轴
承实验台，用油压千斤顶加载， 如把千斤顶放在地面上，则地基
受力很大。如果把油压千斤顶放
在一个用螺栓直接固定在实验台 底座上的角形支架上面，则地基 不承受油压千斤顶的推力。
螺旋轴承的轴向窜动直接影响螺旋的轴向窜动，从而使螺旋机构 产生运动误差。对螺旋轴承应有较高的要求。对于受力较小的螺 旋，可以用一个钢球支持在螺旋中心，轴向窜动极小。
5.3.4 提高精度的结构设计（4）

4.要求运动精度的减速传动链中，最后一级传 动比应该取最大值
设三级传动的传动比为 i1、i2、i3 ，运动误差为 1、2、3

1. 载荷分担
机床变速箱外输入轴 皮带轮的卸荷结构 为保证主轴1不受弯曲，提高 加工精度，将胶带的压力通过 轴承和轴承座5传给箱体4， 由箱体分担；而带轮3的转矩 则通过端盖2的花键传给轴1， 故轴1只承担转矩而不承担径 向力。
1-传动轴 2-端盖 3-带轮
4-箱体 5-轴承座
5.3.1 提高强度和刚度的结构设计（2）
3—承受重力、夹紧力、切削力
5—承受切削力
卧式车床简图 1-前床腿 2-进给箱 3-主轴箱 4-丝杠 5-刀架 6-尾座 7-床身 8-后床腿 1、8—承受重力
运动和动力的传递：4-3-2-1
运动和动力的传递： 5-4-3-2-1
5.2.2 结构件的分类

从设计、制造和管理的角度：通常将其分为盖盘、 轴套、支架、杆件、壳体、箱体和支承件等类别。

6. 对易磨损部分应予以保护
– 有些气体或液体中混有粉末、颗粒或块状的固体，对零件 表面有很强的研磨作用。零件表面与这些介质接触的部分 应具有较强的耐磨性，如采用耐磨材料或采用表面堆焊等 措施。也可以把某些易磨损部分做成易磨损件，经常更换。

7. 对易磨损件可以采用自动补偿磨损的结构
– 零件磨损后，尺寸发生变化，如不能及时改变其位置，则 不能实现原来的功能。

8. 采用防尘装置防止磨粒磨损
– 对于在多尘条件下工作的机械应注意防尘和密封，以免异 物进入摩擦面，产生磨粒磨损。如链条加防护罩，导轨为 防止切屑进入摩擦面产生严重磨损，也应加防护罩。
5.3.4 提高精度的结构设计（1）

1. 导轨的驱动力作用点，应使两条导轨 摩擦力产生的力矩互相平衡
49
5.3.4 提高精度的结构设计（2）
5.2.5 常用的结构设计原理
11
5.2.1 结构件的功用

承受载荷；正确分析结构件受力的类型、大小、方向
及其对结构件正常工作的影响，是进行结 构设计的重要依据和保证

传递运动和动力； 保持有关零部件之间的相对位置或运动 轨迹关系； 其它功用；（润滑、密封、美观等）

当一结构件具有两种或两种以上功用时，应分清主次，在 优先满足主要功用的前提下，尽量满足其它功用的要求。 12
使正常载荷下的辅助效应同初始效应相反并达到平 衡或部分平衡状态，以克服不利影响。
离心式调速器
1-竖轴 2-重锤 3-滑套 4-杠杆 5-阀门
5.2.5 常用的结构设计原理

7. 稳定性原理：当干扰出现，使系统状态发生
改变的同时，会产生一种与干扰作用相反的、使 系统恢复稳定的效应。
33
活塞导向的稳定性
5.3.3 提高耐磨性的结构设计（3）

3. 润滑油箱不能太小
采用循环润滑的设备，都有一 个储油箱，此箱应足够大以保 证润滑油有足够的冷却时间和 沉淀混入油内的杂质，否则润 滑油的工作温度将显著升高。 此外还应注意油箱的通风和散 热。对精度要求高的设备，油 箱不宜装在机架内，以免机架 受热不均匀产生扭曲变形，使 机器精度降低。
5 机械结构设计
1
机 械 设 计 的 基 本 程 序
2
机械系统的组成
3
设计方案
结构设计
强度设计
三边设计法
4
5 机械结构及造型设计
5.1 机械结构设计原则 5.2 机械结构分析及常用设计原理
5.3 机械结构设计常用方法
5.4 机械结构工艺性设计
复 习 思 考 题
5
5.1 机械结构设计原则
5.1.1 机械结构设计的任务 5.1.2 机械结构设计的内容与步骤 5.1.3 机械结构设计的一般原则
– 正常情况（额定载荷）下：加强功能、减载、平衡； – 紧急情况（超载）下：保护、救援；

常见的自补偿原理：
– 自增强 – 自平衡
– 自保护：超载时的自保护（带的打滑)
自增强： 辅助效应与初始效应的作用方向相同，使得 总效应加强。
偏心夹紧示意图
1-工件 2-偏心轮 3-支承轴 4-基座
自平 衡：
究零件之间的相互关系。
16
5.2.3 零件的相关

每个零件都与一个或几个零件有装配关系或相互 位置关系，可以称这种关系为相关，称有这种关 系的两个零件互为相关零件 。

直接相关：两零件有直接装配关系。 间接相关：没有直接装配关系的相关。包括两零 件在相互位置上有要求的位置相关和一零件的运 动轨迹与另一零件有关的运动相关。
23
增加约束变形附件的结构 1-主体构件 2-辅助构件
5.2.5 常用的结构设计原理

2. 合理力流原理：力在传递路线上形成力线，
汇成力流（不中断、沿最短线路通过）。
24
中心冲工作时的力流
不同形状的杆件
5.2.5 常用的结构设计原理

2. 合理力流原理：力在传递路线上形成力线，
汇成力流。（转折处应力求使力流平缓）

因为形状类似的同一类零件，如盖盘类或轴套类 中，不同零件之间在功用上、精度上会有很大差 别，其设计要求也自然不同。

从毛坯工艺角度可分为铸造件、焊接件、锻造件、 铆接或粘结件等，在结构上也应有所不同。
5.2.3 零件的相关

在机器或机械中，任何零件都不是孤立 存在的。因此，在结构设计中除了研究
零件本身的功用及其特征外，还必须研
25
轴毂连接的不同情况
5.2.5 常用的结构设计原理

3. 变形协调原理：相连接的两零件在外载荷作用下所产生的
变形的方向相同并且使其相对变形尽可能小。
不同搭 接形式
26
5.2.5 常用的结构设计原理

4. 力平衡原理：采取结构措施部分或全部平衡
掉无用的力。
润滑泵偏心驱动装置
27
5.2.5 常用的结构设计原理
5.3.1 提高强度和刚度的结构设计（3）

3. 避免悬臂结构或减小悬臂长度
（a）伸出轴过长，受力不好
37
5.3.1 提高强度和刚度的结构设计（5）

4. 减少应力集中的影响
减荷槽
38
减荷圆孔
5.3.2 防腐蚀结构设计（1）

1. 隔离不相同的金属，防止电化学腐蚀
39
5.3.2 防腐蚀结构设计（2）