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1、第十二章 机械结构设计的方法和准则,12-1 结构设计的工作步骤和要求,12-2 结构设计的基本原则和方法,12-3 结构设计的准则,结构设计的重要性：,1、方案设计的具体化，根据结构设计进行零部件的加工、装配，已满足产品的功能要求；,2、与材料选择、尺寸确定、加工和装配工艺等因素密切相关，结构设计的合理与否将直接影响产品的成本；,3、结构设计是进行科学计算的基础；,4、合理的结构设计是提高设计质量的重要手段。,结构设计实际上就是确定产品、零部件的形状、尺寸及相互配置关系，是原理方案的具体化。,结构设计是一个从抽象到具体、从粗略到精确的工作过程。,12-1 结构设计的工作步骤和要求,根据既定的
2、原理方案，确定总体空间布局、选择材料和加工方法，确定主要尺寸、检查空间相容性等，由主到次的逐步进行结构的细化，直至完成总体方案图。,结构设计和零部件的参数设计密切相关，参数设计的结果是结构设计的重要依据，而结构设计的变化有时会引起参数值的变化。,结构设计和参数设计需交叉进行、反复修改。,结构设计的一般步骤,（1）决定结构的要求，主要包括以下几个方面。,（a）与尺寸有关的要求，如传递功率、流量、联接尺寸、工作高度等；,（b）与结构布置有关的要求，如物料的流动方向、运动方向和位置、零部件的运动分配等；,（c）与确定材料有关的要求，如耐磨性、疲劳寿命、抗腐蚀能力等。,结构的空间边界条件主要包括轴间距
3、、轴的方向、零部件装入时的限制范围、最大外形尺寸等。,（2）主功能，指实现能量转换或物料转换时起关键作用的功能，而主功能载体就是实现主功能的构件。,（a）结构设计时，首先对主功能载体进行粗略构形，初步确定主功能载体及主要工作面的形状、尺寸；,（b）然后，按比例初步绘制结构设计草图，表示出主功能载体的基本形状、主要尺寸、运动的极限位置、空间限制、联接尺寸等；,（c）次要的结构此时可用简化的方式表达出来。,结构方案通常不是唯一的，此时应对主功能载体的结构草案进行分析判断，从功能要求出发，选取较优方案，以便做进一步的修改。,（3）辅助功能载体，指完成辅助功能的那些构件，如轴的支承、工件的夹紧装置、轴
4、外伸端处的密封、润滑装置等。 为了保证主功能载体能顺利工作，应确定哪些辅功能是必需的，并尽可能利用已有的结构形式。,（4）辅助功能载体初步设计好后，应对主功能载体进行精确的详细设计。 详细设计时，应遵循结构设计基本准则，并依据国家和行业标准、规范及较精确的计算结果，同时考虑辅功能的影响，逐步完成主功能载体的细节设计。 对辅功能载体也要进行详细的结构设计，补充标准件和外构件。,（5）进行技术经济综合评价，从多个结构设计草案中挑出满足功能要求、性能优良、结构简单、成本低的较优方案。,（6）对选出的结构方案进行完善并检查错误，消除综合评价时已发现的弱点，并可采纳已放弃方案中的可用结构，对关键问题通过
5、优化的方法来进一步完善。 检查结构方案在功能、空间相容性等方面是否存在缺陷或干扰因素，必要时对结构加以改进。 注意零件的结构工艺性。,（7）完成总体的结构设计方案图的绘制，清楚表达产品的结构形状、尺寸、位置关系、材料等，对重要的细节应进行充分的描述，以保证设计意图能得到正确的体现。,一、基本原则,1. 明确,明确、简单、安全是结构设计的基本原则。,12-2 结构设计的基本原则和方法,功能明确：首要问题是保证准确实现功能要求。,必须使各部分功能之间的联系清楚、明确，产品零部件之间应联接合理，每一功能都必须有明确的结构来实现。,作用原理明确：实现各功能的作用原理应该明确的，尽量减少静不定问题，使能
6、力流（力流）、物料流和信号流有明确的走向。,此外，还要考虑各种可能出现的物理效应（如热膨胀、受力变形）以及尺寸误差和形状误差等引起的不良影响，以免发生干涉、过载、急剧磨损等现象。,工况及载荷状况明确：进行参数计算和选择材料时，应确切掌握工况条件及载荷的状态，如大小、类型、作用时间等。,结构设计时，应保证作用结构的受力状态或应力状态是可明确描述的，能够用相应的方法进行理论计算。,结构设计应尽量避免出现不明确的应力状态（或受力状态）。,2. 简单,包含三方面的要求： 零件数目尽量少； 零部件间的联接关系简便； 零件形状尽可能简单。,零件少，制造成本低，工作精度、可靠性高。,联接关系简便，简化装配工
7、艺，便于维护。,为便于零件的加工，应优先采用简单的几何形状。,2. 安全,在结构设计时保证产品及其零部件在预期的工作期限内正常工作，不会对人和环境产生危害。,“安全”要求可以通过直接的、间接的、提示性的三种途径来实现。,1）直接安全技术,在结构设计时充分满足安全可靠的要求，通过所设计的系统或构件本身获得安全性。,（1）结构可靠性：通过结构形状来保证工作的可靠性。,（2）零件可靠性：设计中保证零件具有足够的强度、刚度和耐磨性及稳定性，在规定的时间内不发生失效。,（3）限效失效原理：在使用期限内，即使发生局部元件失效，但仍保持有限的功能，避免出现危险状态。,如弹性圆柱销联轴器。,（4）冗余配置原理
8、：是一种提高安全性、可靠性的有效手段。对于关键设备可采用备用系统，当与之串连的其他系统发生故障时，备用系统可全部或部分地承担其功能，从而提高系统的安全性。,2）间接安全技术,通过保护系统和保护装置来提高系统的安全性。,3）提示性安全技术,在危险发生前发出警告，并可通过显示装置说明危险部位和危险原因。,结构设计时应力求采用直接安全技术来满足安全的要求，不得已才采用间接安全技术，更不要滥用提示性安全技术。,二、结构设计方法,形态变换法：通过零件结构本身的形态，可派生出不同的结构方案。,可供变换的形态包括四个方面：形状、位置、数量和尺寸。,1）形状变换,零件由若干个表面组合而成，从功能观点看，承担功
9、能要求的表面称为功能面。改变零件功能面的形状可得到新的结构形式。,2）位置变换,通过改变零件或零件之间功能面的相对位置来发展结构方案。,2）位置变换,3）数量变换,通过改变零件数目或功能数目来改变结构。,4）尺寸变换,通过改变零件的尺寸或改变零部件之间的距离来变换结构的形态。,12-3 结构设计的准则,一、满足功能要求的设计准则,1. 任务合理分配,将任务进行合理的分配，即将一个功能分解成多个分功能，每一个分功能由一个功能载体承担。,2. 功能集中,为简化机械产品的结构，减少零件个数，降低加工成本，便于装配，以及缩小产品体积等，在某些情况下，可将多项功能集中于一个功能载体，即由一个零件或部件承
10、担多个功能。,注意：功能集中的程度以不过分增加零件的复杂程度为限。,通常采用整体结构，将功能不同，但运动情况一致、位置相近的零件组合在一起，结构上设计成一个整体。,二、考虑造型的设计准则,产品结构设计不仅要满足功能要求，而且还应考虑产品造型的美学价值，使之对人产生吸引力。,1. 尺寸比例协调,保持外形轮廓各部分尺寸之间匀称而协调的比例关系。,2. 形状统一,机械的外形通常由各种基本的几何形体组合而成。结构设计时，应使这些形状配合适当，尽量减少形状和位置的变形。,3. 色彩、图案的衬托,在机械表面涂漆，除具有防止锈蚀的功能外，还可增强视觉效果。,恰当的色彩可以使操作者眼睛的疲劳程度降低，并提高对
11、设备显示信息的辨识能力。,（1）色彩布置应与形状布置协调一致，突出功能面。,（2）尽量采用少的色调，否则会产生零乱的感觉。,（3）注意色彩的冷暖性。,红、黄为暖色，蓝、绿为冷色。,在噪声环境中，人眼对暖色的分辩能力下降，而对冷色的分辩能力上升。,三、考虑加工工艺性的设计准则,结构设计的主要目的：保证功能的实现，使产品达到要求的性能。,结构设计的结果对产品零部件的生产成本、工时及质量有着不可低估的影响。,在结构设计中采取必要的措施，力求使设计的零部件加工方便、材料损耗少、效率高、生产成本低，并能得到符合要求的质量保证。,零部件结构工艺性受到诸多因素的制约：,（1）生产批量的大小可能会影响胚件的生
12、成方法；,（2）生产设备的条件可能会限制工件的尺寸；,（3）生产技术的发展也会引起结构工艺性的相应变化。,1）铸件的结构工艺性,合理地确定铸件结构是改善铸造工艺、提高质量、降低成本的重要途径。,常用的锻造方法有自由锻和模锻两种。,对于自由锻，锻件形状应尽量简单、对称、平直，避免锥形和楔形表面，不应该有加强筋、工字形截面等复杂形状，凸台应布置在锻件的同一侧，并尽量使零件截面尺寸的变化少。,对于模锻零件，应正确选择分模面，分模面应是水平面。而且分模面的两侧锻件的形状应尽量对称，形状力求简单，避免突出部分；同时应规定拔模斜度，截面变化处尽量采用较大的过渡圆角。,2）锻件的结构工艺性,零件的机加工工艺
13、涉及到诸多方面，如结构、毛坯选择、精度及表面粗糙度选定、材料等。,3）机加工零件的结构工艺性,3）机加工零件的结构工艺性,3）机加工零件的结构工艺性,零部件结构对装配的质量、成本有着直接影响。,整机应能分解为若干可单独装配的单元，以实现平行且专业化的装配作业，缩短装配周期，并且便于逐级技术检验和维修。,保证零件的准确定位。,1）合理划分装配单元,四、考虑装配的设计准则,2）使零部件得到正确安装,避免双重配合。,防止错误装配。,保证零件有足够的装配空间。,3）使零部件便于装配和拆卸,留出安放装拆工具的位置。,避免过长的配合面。,轴系部件装配时，为了补偿装配尺寸链误差，常设置调整补偿环。,零件截面
14、尺寸的变化应与其内应力的变化相适应，使各截面的强度相等，以便充分利用材料，减轻重量。,零件在工作时，应具有足够的强度。,五、满足强度要求的设计准则,1）等强度结构,力流传递路线越短，承载区域就越小，变形也越小，并可能使零件所受应力最小。,使力流传递路线最短。,2）改善受力状况,使载荷分担。,使受力均匀。相对轴承非对称布置齿轮远离转矩输入端。,3）减小应力集中,应力集中是影响零件疲劳强度的重要因素。,4）使载荷平衡,采取措施使传递动力过程中的附加力或力矩在其内部平衡，不致增加其他零件的载荷。,机器工作后，由于零件间确定的排列方式而产生某种辅助作用，使得总的作用加强。,自助：通过合理的结构布置，使
15、零件之间相互支持，达到加强功能、自我保护的目的。,六、自助的设计准则,1）自加强准则,摩擦离合器和牙嵌式离合器同样具有自我保护性能。,自保护通常由附加的传力路线产生辅助作用，一般通过弹性变形来实现。,通过合理的结构设计，使零件在过载时能够实现自我保护，避免重大事故发生。,2）自保护准则,回用可分为零部件回用和材料回用两种。,要求设计时合理地划分功能单元，零部件间采用适当的联接方式，结合部位尽量安置在产品外部，使可用零部件能简单、快速的拆卸，并保证拆卸过程中不使零部件进一步损坏。,回收：将已报废的产品中的可用部分取回，重新加以利用。,七、有利于回用的设计准则,1）应使零部件拆卸简单,2）应便于可
16、用零部件的整修,保证由不同材料制成的零部件能通过简单的方法迅速解体，使不同性质的材料分离。, 可用部分应能够方便清洗，不致造成损坏。, 检验容易，以便能够判断重复应用的可能性。, 能够通过添加材料、压紧、测量和调整，使零部件修复。,3）应使材料容易分离,八、其他准则,1. 有利于标准化的设计准则,通过对零部件的尺寸、结构要素、材料性能、检验方法、设计方法、制图要求等指定出相应的标准，供设计、制造时遵照执行。,（1）在满足功能要求的前提下，尽可能采用标准件，以简化设计工作，并使产品的复杂程度降低。,标准化的意义： 以最先进的方法对零部件进行专业化批量生产，提高生产效率和产品质量，节约能源及材料，
17、降低成本； 采用标准化的零部件，可减轻设计工作量，缩短产品的设计、生产周期； 增强零部件的互换性，便于维护。,（2）非标准零件的结构尺寸应力求标准化。,2. 考虑热膨胀的设计准则,机器工作时，零部件的材料会因受热而膨胀。,（1）均匀表面腐蚀,在潮湿的环境下，金属表面与空气或介质中的氧气作用而产生腐蚀。,3. 考虑腐蚀的设计准则,机械设备中的腐蚀现象在多数情况下是不可避免的。,（2）狭缝腐蚀,狭缝中腐蚀产物中的水解作用使电解液的酸性浓缩引起的腐蚀。,（3）接触腐蚀,有电化学势差的两种金属相互接触，再加上介质的作用，形成局部电解而产生腐蚀。,对狭缝腐蚀，应使过渡表面光滑，焊接时不留根隙，加大缝隙，使空气容易流通。,为防止接触腐蚀，应选择合适的金属材料配对，使其电化学势差小，或在两金属相邻表面之间设置绝缘层进行隔离，以阻止电解液对接触表面的作用。,对于均匀表面腐蚀，结构设计时应避免出现潮气集中部位。,
