機械設計約束和結構設計

1、1.4 機械設計約束,機械設計的本質是在經(jīng)濟、社會和技術等方面的約束邊界限定的設計空間內，尋找滿足預定功能和性能要求的合格或最佳的機械產(chǎn)品設計方案。在設計空間外部，由產(chǎn)品功能、性能、技術經(jīng)濟指標、承載能力、制造工藝和技術要求等限制條件提出的設計要求和應用技術方法，構成了設計空間的約束面。,1.4.1 承載能力約束,機械零部件在載荷作用下，如果出現(xiàn) 本體失效（如齒輪輪齒斷裂、螺栓被拉斷、機床主軸產(chǎn)生過大的彈性變形等）;

2、表面失效（如齒輪輪齒表面疲勞或過度磨損、螺栓聯(lián)接松脫、帶傳動中帶與輪之間產(chǎn)生打滑等）; 正常工作條件破壞（如高速機械發(fā)生共振、液體潤滑狀態(tài)時的油膜發(fā)生破裂等） 就會喪失正常的工作能力。為了防止機械零部件在正常的工作條件下過早地產(chǎn)生失效，應該建立如下基本的承載能力約束。,1.強度約束 強度約束條件是指零部件在載荷作用下危險截面上的最大工作應力不超過許用應力。,⑴靜應力時的強度條件⑵在彎曲和扭轉復合的交變載

3、荷作用下的強度條件,,,2.接觸強度約束 相互接觸的構件表面，由于載荷作用而在接觸部位產(chǎn)生微小的彈性變形，形成面接觸。,,鋼的彈性系數(shù)和接觸強度簡化計算公式,,3.剛度約束 構件在載荷作用下產(chǎn)生的彈性變形（如撓度、轉角或扭角等）不超過許用值。,4.耐磨性約束,磨損是由于工作表面的相對運動使表面的物質不斷損失的現(xiàn)象，它是機械設備失效的重要原因。耐磨性是指零件抵抗磨損的能力。磨損的損傷機理和表現(xiàn)形式非常復雜，其中主要的影響因素包

4、括零件表面接觸應力或壓強的大小、相對滑動速度、摩擦副材料和表面的潤滑情況等。在機械設計中，對于通用機械零件的耐磨性約束計算通常采用條件性的計算方法，控制摩擦表面的壓強（或接觸應力）、相對速度等不超過許用值。,1.4.2 技術性能約束,1.振動穩(wěn)定性約束機械及其安裝基礎組成一個彈性系統(tǒng)，在一定的條件下，它會發(fā)生周期性彈性變形，在平衡位置作往復循環(huán)性機械振動，產(chǎn)生額外的動載荷和變應力。引起構件振動的周期性外力有：往復運動產(chǎn)生的慣性力

5、，擺動構件產(chǎn)生的慣性力矩，轉動構件的不平衡質量引起的離心力，周期性作用的外力等。振動穩(wěn)定性約束是限制機械系統(tǒng)或構件的相關振動參數(shù)（如固有頻率、振幅和噪音等），在規(guī)定的允許范圍以內。,2.熱特性約束機器在工作的時候會發(fā)熱，由此產(chǎn)生熱應力和熱應變，可能造成機器的工作性能下降和熱損壞。熱特性約束就是限制各種相關的熱參數(shù)（如熱應力、熱應變、溫升等），在規(guī)定允許范圍以內。例如，蝸桿傳動效率較低，滑動速度較大，容易因為發(fā)熱產(chǎn)生齒面膠合和磨損破

6、壞。為了避免膠合和減緩磨損，蝸桿傳動的材料必須具備減摩、耐磨和抗膠合的性能。為了防止膠合和減緩磨損，選用含有抗膠合添加劑的潤滑油。閉式傳動時以蝸輪齒面接觸強度計算為蝸桿傳動基本計算。另外還應進行熱平衡計算，防止?jié)櫥蜏厣^許用值。如果熱平衡不能滿足要求，則在箱體外側加設散熱片或采用強制冷卻裝置。,3.可靠性約束在常規(guī)的機械設計中，將載荷、材料性能和加工尺寸等視為一個確定量，構件只要滿足計算準則就是安全的，能夠在規(guī)定的工作條件下和規(guī)

7、定的使用期限內實現(xiàn)預定的功能。實際上，由于載荷、材料性能和加工尺寸都存在離散性，構件在規(guī)定的工作條件下，有可能達不到規(guī)定的使用期限而失效。可靠性是機械設計中一項重要的技術質量指標，是指產(chǎn)品、部件或零件在規(guī)定的使用條件下，在預期的壽命內，能完成預定功能的概率?？煽啃约s束是指產(chǎn)品、部件或零件應能滿足規(guī)定的可靠性要求。例如，滾動軸承的承載能力和工作壽命是在可靠度為90%時定義的。,1.4.3 標準化約束,標準化是指在進行機械產(chǎn)品設計的全

8、過程中，都要遵循現(xiàn)行的國家標準、部標準和企業(yè)標準，有利于提高生產(chǎn)技術水平和管理水平。1.概念標準化：包括名詞、術語、符號、計量單位等的使用符合規(guī)范。2.實物形態(tài)標準化：包括產(chǎn)品、零部件、原材料、設備及能源的結構形式、尺寸、性能等都要按照標準進行選用和設計。3.技術標準化：與生產(chǎn)技術有關的操作、測量、試驗、檢驗、成本核算和管理等方法，都應該按照規(guī)定實施。4.技術文件標準化：包括產(chǎn)品設計過程中形成的可行性研究報告、試驗報告、圖紙、設

9、計任務書、設計說明書和工藝規(guī)程等，都應該按照規(guī)定執(zhí)行。,1.4.4 產(chǎn)品成本約束,產(chǎn)品的經(jīng)濟性體現(xiàn)在產(chǎn)品設計、制造、使用、維護以至報廢的全生命周期中，它的核心就是產(chǎn)品成本。在機械設計中降低產(chǎn)品成本的主要途徑有：1.在產(chǎn)品功能方面：著重保證產(chǎn)品中用戶所需要的必要功能，去掉用戶不需要的功能和過剩的功能（如過大的安全系數(shù)、過分采用貴重的原材料、過高的制造精度和壽命指標、系統(tǒng)中各零部件的壽命不均衡、不必要的表面過分裝飾等），以降低產(chǎn)品成本

10、。2.在產(chǎn)品設計方面：采用先進的設計工具和現(xiàn)代設計法，盡量采用標準件、通用件和現(xiàn)有的構件，合理和對稱的結構設計，減少設計工作量，提高設計效率和質量，縮短產(chǎn)品設計周期，降低產(chǎn)品設計成本。3.在產(chǎn)品制造方面：采用合理的結構工藝性和制造精度，盡可能采用普通的設備和加工方法，盡量降低原材料費用（一般占產(chǎn)品成本50%以上）和加工費用。,1.4.5 可持續(xù)發(fā)展約束,可持續(xù)發(fā)展是指既滿足當代人的需要，又不對后代人滿足其需要的能力構成危害的發(fā)展，

11、它的核心問題是保護社會環(huán)境和合理利用資源。1.產(chǎn)品符合國家的科技政策和發(fā)展規(guī)劃目標，正確處理和企業(yè)效益和社會效益的關系。2.產(chǎn)品按照國家制定的環(huán)境保護法規(guī)，符合減少產(chǎn)品工作過程中產(chǎn)生的廢氣、廢液和廢渣等三廢和振動噪聲對環(huán)境的污染，重視廢物回收利用和綜合處理，積極采用環(huán)保的工作介質，采取減振、隔聲和吸聲的技術措施。3.產(chǎn)品符合人機系統(tǒng)（人—機器—環(huán)境）安全可靠的要求。4.產(chǎn)品有利于提高生產(chǎn)力、促進制造過程自動化。5.產(chǎn)品有利于合

12、理利用、開發(fā)和節(jié)約資源。,1.5 機械結構設計,機械結構設計的任務就是根據(jù)產(chǎn)品的功能原理方案，在總體設計的基礎上進行技術設計——首先通過對構件的工作能力設計，確定其基本參數(shù)和主要尺寸；以及通過對構件的結構設計，確定其具體的結構圖，以體現(xiàn)所要求的功能，即完成從“原理解”到“技術解”的轉化。合理的結構設計是改善和提高設計質量的重要手段。在機械結構設計中，需要選擇部件和零件的材料，確定其參數(shù)和形狀尺寸，考慮制造工藝和精度、強度、剛度和穩(wěn)定

13、性，以及零件之間的配合關系等許多因素。,1.5.1 零件的相關與結構要素,零件是機器的制造單元，從結構設計的意義上講，可以將零件稱為結構件。各種結構件的功能主要是承受載荷、傳遞運動和力、保證有關零部件之間的相對位置或運動軌跡。在機械系統(tǒng)中，各種零件通過鏈狀、樹狀或網(wǎng)狀的相互連接，構成完整的機械網(wǎng)絡。如果某個零件與一個或多個零件之間有裝配關系或相互位置關系，這種關系稱為相關。組成這種關系的零件互為相關零件。,進行結構設計時，對兩個零

14、件直接相關的部位，必須同時考慮合理地選擇材料與熱處理方式、形狀和尺寸、制造精度和表面質量等；而且必須滿足間接相關條件，如進行尺寸鏈和精度的計算等。,1.5.2 結構設計的基本要求,結構設計基本要求是明確、簡單和安全可靠1.明確:功能、作用原理和工作狀況明確。,圖1-15 軸轂聯(lián)接的定位結構,圖1-16 雙軸承支座結構圓柱滾子軸承只能承受徑向載荷推力軸承只能承受軸向載荷深溝球軸承可以同時承受徑向載荷和軸向載荷,2.簡單在結

15、構設計中，所包含的零件數(shù)目要少，零件的幾何形狀盡可能簡單（如平面、圓柱、圓錐等），容易計算、加工和檢驗，零部件之間的聯(lián)接關系和調整措施要盡可能簡單。這樣，便于構件制造與部件裝配，提高機械的工作精度和可靠性。,3.安全可靠在規(guī)定的載荷、使用條件和時間內，構件不產(chǎn)生失效、不對人和環(huán)境產(chǎn)生危害。安全技術有直接、間接和提示性等三種類型。⑴直接安全技術：在結構設計中充分滿足安全要求，通過構件的結構形狀和失效約束計算兩方面來保證構件工作的可靠性

16、、功能的可靠性、工作安全性和環(huán)境安全性。⑵間接安全技術：在結構設計中采用防護系統(tǒng)和保護裝置滿足安全要求的技術。⑶提示性安全技術：僅在危險發(fā)生之前發(fā)出警告，如警示燈、警鈴等，并且可以通過顯示裝置說明發(fā)生危險的部位和原因。,能力訓練案例1-6 : 圖1-17所示的軸轂聯(lián)接中，采用過盈配合和鍵聯(lián)接的雙重配置。試分析該結構設計的作用原理是否明確。,1.5.3 結構設計的構型變換,從功能的觀點，零件承擔功能要求的表面可稱為功能面。因此，零

17、件是由一些功能面通過邊棱鄰接而成。從結構的觀點，這些功能面是零件的構型元素。通過對這些構型元素的變換，可以派生出不同的結構方案。,1.尺寸變換通過改變構型元素的尺寸而改變其構型，如常用使構型元素的角度或距離相等的處理方法獲得對稱的構型（圖1-18）。,2.形狀變換通過改變功能面的結構形狀可以得到新的結構形式。例如，齒輪的漸開線齒面改成圓弧齒面，滾動軸承在中的滾動體球改成圓柱（圖1-19），可以提高承載能力。,3.位置變換通過改變零

18、件與零件之間功能面的相對位置可以得到新的結構形式。如圖1-20所示，圖（a）中擺桿1的平面與推桿2的球面接觸，傳遞載荷時推桿2會受到有害的橫向推力；圖（b）變換了兩個構件功能面的位置，改善了受力情況。,4.數(shù)量變換通過改變零件數(shù)目或功能面數(shù)目來變換結構。如圖1-21所示的軸上的矩形花鍵從四齒變換成八齒。,5.排列變換通過改變零件功能面的排列順序來變換結構。如圖1-22所示的構件在A、B、C三處功能面（圓柱孔）分別與其它構件構成轉動副

19、，變換它們的連接順序，可以獲得新的結構。類似的變換在結構設計中經(jīng)常使用。,1.5.4 結構設計準則,結構設計還必須考慮在功能、造型、工藝性、強度等方面的設計準則。1.功能分配準則在結構設計中必須根據(jù)所要求的功能合理地選擇載體，即將功能合理地分配給載體。⑴一個載體承擔多種功能，可以簡化機械產(chǎn)品結構，降低成本。,⑵一個載體承擔一種功能，可以做到功能明確和安全可靠，有利于針對每個功能進行結構優(yōu)化和準確計算（V形帶斷面結構分析）

20、⑶多個載體承擔一種功能，可減輕每個載體的負荷，延長使用壽命。例如，在V帶傳動中，如果單靠增大V帶的截面尺寸來傳遞的較大功率，會使膠帶的彎曲應力顯著增大，降低帶的使用壽命。應該采用多根V帶并行傳動，也有利于減少帶輪徑向尺寸。,2.造型設計準則,造型設計是用美學的形式和手段去發(fā)揮和體現(xiàn)產(chǎn)品的功能特點及其科學性、先進性。造型的基本要素包括功能基礎（如產(chǎn)品的功能范圍、工作精度、可靠性和宜人性等，體現(xiàn)了產(chǎn)品的實用性）、技術基礎（如材料、結構

21、和工藝等為產(chǎn)品功能服務的物質技術基礎）和藝術形象（產(chǎn)品具有造型美觀、形態(tài)優(yōu)美的藝術性）。機械產(chǎn)品的造型設計，屬于“工業(yè)設計”范疇，它應用工程技術和藝術手段設計、塑造產(chǎn)品的形象，并將其最后統(tǒng)一在產(chǎn)品的功能、結構、工藝、宜人性、視覺傳達、市場關系等而取得人—產(chǎn)品—環(huán)境和諧的一項創(chuàng)造性設計。在產(chǎn)品造型設計中，須著重考慮色彩和比例設計兩個原則問題。,⑴色調就是一眼看上去工業(yè)產(chǎn)品所具有的總體色彩感覺，是在總體色彩感覺中起支配和統(tǒng)一全局作用的色

22、彩設計要素，它可以表現(xiàn)出生動、活潑，也可以表現(xiàn)出精細、莊重，還可以表現(xiàn)為冷漠、沉悶或是親切、明快等等。色調的選擇應格外慎重，一般可根據(jù)產(chǎn)品的用途、功能、結構、時代性及使用者的好惡等，藝術地加以確定，確定的標準是色形一致，以色助形，形色生輝。色調的確定一般還要參考以下幾點：用暖色調有溫暖的效果，用冷色調會使人感到冷清；以高彩度的暖色為主調能使人感覺剌激興奮，以低彩度的冷色為主調可以讓人平靜思索；高明色調輕爽、明快，低明色調深沉、莊重。,

23、⑵正確的比例和尺度是完美造型的基礎和框架一般地講，只要在不違背產(chǎn)品功能和物質技術條件的前提下，比例就可呈多種變化組合形式，展現(xiàn)造型整體與局部或局部與局部之間，諸如大小粗細長短的量變關系。尺度比較固定，它是專指造型物尺寸與人體尺寸或是某種標準之間適應的程度和范圍。造型若只有良好的比例而無正確的固定的尺度去約束，則設計肯定會歸于失敗。所以，正確造型設計的次序應該首先確定尺度，然后根據(jù)尺度確定和調整造型物的比例。,3.工藝性設計準則,零

24、件的結構工藝性是指所設計的零件在滿足要求的前題下，制造的可行性和經(jīng)濟性。零部件結構工藝性合理的零部件結構與零件的材料、機械加工、裝配工藝性和技術要求有關。零部件工藝性受到生產(chǎn)批量、生產(chǎn)設備和技術、材料和毛坯等諸多因素的影響。良好的結構工藝性是指在現(xiàn)有工藝條件下既能方便制造，又有較低的制造成本。,⑴鑄件和鍛件的結構工藝性：零件毛坯的選擇有鑄造、鍛造、沖壓、焊接和型材等方式，主要從零件的功能要求、材料價格、制造費用和加工性能等方面考慮

25、。,自由鍛：鍛件的形狀應盡量簡單、對稱、平直，避免錐形或楔形表面，凸臺布置在鍛件同一側，沒有加強筋、工字形截面等復雜形狀，并且盡量減少零件截面尺寸的變化。模鍛：鍛件應該正確選擇分模面，形狀力求簡單，避免突出部分，應設置拔模斜度，截面變化處盡量采用較大的過渡圓角。,圖1-26 鍛件結構分析,⑵機械加工的結構工藝性：按照零件結構力求簡單、便于加工和裝卡、提高切削效率、減少加工過程中的材料消耗等原則來考慮：①合理確定零件的技術要求；②

26、遵循零件結構設計的標準化；③合理標注尺寸；④零件結構要便于加工。,⑶零件裝配的結構工藝性：按照合理劃分裝配單元、零部件裝拆方便和保證正確裝配等原則來考慮。如圖1-27示例。,4.強度和剛度設計準則,為了保證零部件在規(guī)定的使用期限內能夠正常地工作，必須有足夠的強度和剛度。結構設計中，以采用一些有效措施，改善和提高零部件的承載能力。⑴充分發(fā)揮材料的力學特性,圖1-28 充分發(fā)揮材料力學性能的構件結構,⑵合理分擔載荷,圖1-29 兩個

27、支座分擔載荷情況分析,⑶改善受力狀況,圖1-30 起重機卷筒結構分析,⑷合理力流結構：為了提高構件的剛度，應該盡可能按力流最短路線來設計零件形狀，減少承載區(qū)域，從而累積變形越小，提高整個構件的剛度，使材料得到充分利用。,圖1-31 力傳遞方案的比較,5.自補償準則,自補償準則是指通過合理的結構設計，使零件自行實現(xiàn)加強功能的作用，在正常額定載荷情況下可以減輕和平衡載荷，在超載的情況下可以自動保護。,能力訓練案例1-7 ：圖1-33所示的