機械結構設計(行業(yè)專業(yè))課件

第六章機械結構設計1藤蔓課堂第六章機械結構設計1藤蔓課堂第一節(jié)概述一、結構設計的任務和重要性經過原理方案構思僅能提出實施各分功能的原理方案圖。為了生產出滿足要求的產品，還必須進行結構設計。產品結構設計又稱技術設計，它的任務是將原理設計方案結構化，確定機器各零部件的材料、形狀、尺寸、加工和裝配。因此結構設計是涉及到材料、工藝、精度、設計計算方法、實驗和檢測技術、機械制圖等許多學科領域的一項復雜、綜合性的工作。2藤蔓課堂第一節(jié)概述一、結構設計的任務和重要性2藤蔓課堂

機械設計的最終成果都是以一定的結構形式所表現(xiàn)，并且按照設計的結構進行加工、裝配出產品，以滿足使用要求。因此結構設計的工作質量對滿足產品功能要求有十分重要的意義。在機械零件設計時，各種計算都要以確定的結構為基礎，機械設計公式都只適用于某種特定的機構或結構。如果不事先選定某種結構，機械零件的設計計算是無法進行的。

結構設計關系到整機性能、零部件的強度、剛度和使用壽命及加工工藝性、人機環(huán)境系統(tǒng)的協(xié)調性、運輸安全性等。綜上所述，結構設計是保證產品質量，提高可靠性，降低產品成本的重要工作。

3藤蔓課堂機械設計的最終成果都是以一定的結構形式所表現(xiàn)，并且按二、結構設計的內容和步驟

結構設計內容包括:設計零部件形狀、數(shù)量、相互空間位置、選擇材料、確定尺寸、進行各種計算、按比例繪制結構方案總圖。若有幾種方案時，需進行評價決策，最后選擇最優(yōu)方案。在進行計算時，采用優(yōu)化設計、計算機輔助設計、可靠性設計、有限元設計、反求工程等多種現(xiàn)代設計方法。在進行結構設計時，還要充分考慮現(xiàn)有的各種條件，如加工條件、現(xiàn)有材料、各種標準零部件、相近機器的通用件等。結構設計是從定性到定量、從抽象到具體、從粗略到詳細的設計過程。4藤蔓課堂二、結構設計的內容和步驟4藤蔓課堂

結構設計的步驟如圖。每個步驟的內容敘述如下:(1)明確對結構設計的要求主要明確對功率、扭矩、傳動比、生產率、連接尺寸、相互位置、耐腐蝕性、抗蠕變性、規(guī)定的工作材料、空間大小、安裝限制、制造及運輸、包裝等方面的要求。(2)主功能載體初步結構設計主功能載體是指承受主功能的元件(即零件或部件)，如減速箱中的齒輪和軸。在這一步驟中，主要是初步確定這些零部件的結構形狀、幾何尺寸和空間位置。（3）分功能載體的初步結構設計分功能包括支承、潤滑密封、冷卻、防松等。分功能載體如軸承、密封圈、箱體和端蓋等。主要憑經驗或粗略估算初步確定結構形狀。5藤蔓課堂結構設計的步驟如圖。每個步驟的內容敘述如下:5藤蔓課堂(4)檢查各功能載體結構的相互影響及配合性檢查各功能載體的結構形狀、幾何尺寸和空間位置是否相互干涉，盡量使各部分結構之間有合理的聯(lián)系。(5)詳細設計各功能載體結構這部分是結構設計的重點，主要確定各功能載體的幾何尺寸、相互位置等。設計人員要充分運用自己所掌握的知識、現(xiàn)代設計方法和手段，并考慮加工(6)技術和經濟評價設計中可能有多種方案，應進行技術和經濟評價，選出最優(yōu)方案。(7)對設計進一步修改完善對確定的最優(yōu)方案的設計進行修改、完善，主要是檢查和分析產品將要出現(xiàn)的故障和主要薄弱環(huán)節(jié)，并采取有效措施進一步修改設計。6藤蔓課堂(4)檢查各功能載體結構的相互影響及配合性6藤蔓課堂

因此結構設計主要包括三個方面:一是質的設計，定性分析構形(各零件形狀、數(shù)目、位置關系)；二是量的設計，定量計算尺寸，決定材料；三是按比例繪制結構圖。對于改進型設計，即改進現(xiàn)有產品，從分析現(xiàn)有產品的缺點或干擾因素出發(fā)，提出新的要求明細表。這時技術設計中有關初步結構設計和詳細結構設計的各個步驟，可視情況靈活處理。圖5-2為改進型設計時結構設計的步驟。結構設計主要目標是:保證功能、提高性能、降低成本。7藤蔓課堂因此結構設計主要包括三個方面:一是質的設計，定性分析4.4.1結構設計的任務、內容和步驟圖5—1結構設計步驟

設計任務對結構設計的要求主要功能載體初步結構設計各分功能載體初步結構設計檢查各功能載體結構的相互影響和協(xié)調性詳細設計主分功能載體結構對設計進一步修改、完善

技術和經濟評價結構決策結構圖紙是否8藤蔓課堂4.4.1結構設計的任務、內容和步驟圖5—1結構設計9藤蔓課堂9藤蔓課堂

機械結構是機械功能的載體，機械結構設計的任務是依據所確定的功能原理方案設計出實體結構。該結構能體現(xiàn)出所要求的功能，用結構設計圖樣表示。結構圖應表示出結構件的形狀、尺寸及所用的材料，同時還必須考慮加工工藝、強度、剛度、精度、壽命、可靠性及零件間的相互關系，有關造型設計及人機工程等問題也應在這一階段解決。10藤蔓課堂機械結構是機械功能的載體，機械結構設計的任務是依據所

結構設計包括機器的總體結構設計和零部件結構設計兩方面內容，它們之間既有聯(lián)系，又有區(qū)別，本章將著重討論零件結構設計的共性問題。如果說功能原理設計決定了產品的先進性、新穎性，那么結構設計則決定了產品的質量和成本的70％～80％，因此說結構設計是機械設計中涉及問題最多，工作量最大的一個環(huán)節(jié)。本章將重點討論結構設計的共性問題。11藤蔓課堂結構設計包括機器的總體結構設計和零部件結構設計兩方面第二節(jié)零件的功用及基本類型零件是構成機械設備的基本元素。一、零件的功用各種零件具有的功能主要有：承受載荷、傳遞運動和動力、保證或保持有關零件或部件之間的相對位置或運動軌跡關系等。1．承受載荷機械設備在工作中受到多種力的作用，這些力都要由零件承受。正確分析零件受力的類型、大小、方向及其對零件工作正常的影響，是進行結構設計的重要依據和保證。12藤蔓課堂第二節(jié)零件的功用及基本類型12藤蔓課堂

這些力包括機械裝置工作所需的力，零件所受的重力，由于速度波動使零件受到的慣性力，由于做旋轉運動使零件受到的離心力，直接接觸的零件之間的摩擦力，在介質中運動的零件受到介質的作用力(液壓力、風阻力)，對連接結構施加的預緊力(螺紋聯(lián)接、過盈聯(lián)接)，由于溫度變化而產生的附加載荷等。如圖6-2所示減速器結構中，齒輪傳動所受到的力通過軸傳遞給軸承，其中的徑向力和切向力通過軸承傳遞給箱體，軸向力經軸承傳遞給端蓋，再經端蓋傳遞給箱體。13藤蔓課堂這些力包括機械裝置工作所需的力，零件所受的重力，由于2．傳遞運動和動力機械裝置的執(zhí)行機構以確定的運動規(guī)律或運動軌跡實現(xiàn)給定的功能。原動機的運動特性通常與執(zhí)行機構的要求不匹配，需要傳動機構將原動機提供的運動和動力進行變換，包括對運動的軌跡、規(guī)律、頻率等特征的變換。擺桿3的作用是把運動和動力傳給滑枕2，以便使刨刀1實現(xiàn)直線住復運動并切下金屬。14藤蔓課堂2．傳遞運動和動力14藤蔓課堂軸4和擺桿3都具有傳遞運動的功能。由于摩擦力的存在，它們也承受一定的彎矩和扭矩。15藤蔓課堂軸4和擺桿3都具有傳遞運動的功能。由于摩擦力的存在，它們也承3.保持有關零部件之間的相對位置或運動軌跡關系仍以車床為例：車床主軸箱和床身之間應有嚴格的相對位置關系。即主軸中心線應與床身上的導軌平行，保證沿導軌移動的刀架上所裝刀具的尖端走出與主軸軸線平行的軌跡，以車削出準確的圓柱體。同時，還要求后座頂尖與主軸頂尖的連線與床身導軌平行。要求床身導軌本身要具有相應的直線度，受熱、受力變形小等。16藤蔓課堂3.保持有關零部件之間的相對位置或運動軌跡關系16藤蔓課

4、其它功用有些零件還具有其它一些功用，如箱體除了保證各傳動軸的相對位置及其中心距外．還起著包容和保護傳動件的作用，還可以盛裝潤滑油。有的結構件還兼有或主要用作防護或裝飾作用，要求具有一定的外形及色彩。17藤蔓課堂4、其它功用17藤蔓課堂二、零件的分類零件的形狀雖然千差萬別，但根據它們在機器（或部件）中的作用和形狀特征，通過比較、歸納，可大體將它們劃分為幾種類型：軸套類盤蓋類叉架類箱體類18藤蔓課堂二、零件的分類18藤蔓課堂

軸套類零件結構的主體部分大多是同軸回轉體，它們一般起支承轉動零件、傳遞動力的作用，因此，常帶有鍵槽、軸肩、螺蚊及退刀槽或砂輪越程槽等結構。1、軸套類零件19藤蔓課堂軸套類零件結構的主體部分大多是同軸回轉體，它們一般起20藤蔓課堂20藤蔓課堂

盤蓋類零件一般包括法蘭盤、端蓋、壓蓋和各種輪子等。它在機器中主要起軸向定位、防塵、密封及傳遞扭矩等作用。盤蓋類零件主體一般為不同直徑的回轉體或其他形狀的扁平板狀，其厚度相對于直徑小得多，常有凸臺、凹坑，均勻分布安裝孔、輪輻和鍵槽等結構。

2、盤蓋類零件21藤蔓課堂盤蓋類零件一般包括法蘭盤、端蓋、壓蓋和各種輪子等。A22藤蔓課堂A22藤蔓課堂23藤蔓課堂23藤蔓課堂

3、叉架類零件

叉架類零件包括各種拔叉、連桿、搖桿、支架、支座等。此類零件多數(shù)由鑄造或模鍛制成毛坯，經機械加工而成。結構大都比較復雜，一般分為支承部分、工作部分和連接安裝部分。其上常有凸臺、凹坑、銷孔、螺紋孔及傾斜結構。

24藤蔓課堂3、叉架類零件叉架類零件包括各種拔叉、連桿、搖桿25藤蔓課堂25藤蔓課堂

箱體類零件主要用來支承、包容和保護運動零件或其他零件，也起定位和密封作用。它的結構較復雜，內部有空腔、軸承孔、凸臺或凹坑、肋板及螺孔等結構，毛坯多為鑄件，經機械加工而成。4、箱體類零件26藤蔓課堂箱體類零件主要用來支承、包容和保護運動零件或其他零27藤蔓課堂27藤蔓課堂28藤蔓課堂28藤蔓課堂29藤蔓課堂29藤蔓課堂三、零件的相關在機械設備中，每一個零件都不是獨立存在的，機械設備的功能是依靠零部件的形狀、尺寸和相對位置關系實現(xiàn)的。在機械設備中，必須使零部件之間保持確定的關系，才能保證其功能的實現(xiàn)，組成機器，這種零件之間確定性的關系稱為零件之間的相關。

某個零件與另一個（零件）或幾個零件有裝配關系或相互位置關系，稱為相關。30藤蔓課堂三、零件的相關30藤蔓課堂零件的相關在機械系統(tǒng)中，各零件通常成鏈狀、樹狀或網狀相互聯(lián)接，構成完整的機械網絡。31藤蔓課堂零件的相關31藤蔓課堂說明：1）零件的相關分為直接相關和間接相關兩類：（1）直接相關：凡是兩零件有直接裝配關系的。（2）間接相關：沒有直接裝配關系的相關。間接相關又分為位置相關和運動相關兩類：位置相關是指兩零件在相互位置上有要求。運動相關是指一零件的運動軌跡與另一零件有關。要滿足運動相關條件，一般需要一個或幾個位置相關的中間件來達到，上例中的床身導軌就是這樣的中間件。32藤蔓課堂說明：32藤蔓課堂四、零件的結構要素零件的形體常通由多個表面構成，這些構成零件形體的表面稱為零件的結構要素。一個零件與其他零件形成直接相關關系的結構要素，或與工作介質相接觸的結構要素稱為工作要素(或工作表面)，其他結構要素稱為連接要素(或連接表面)。

每一個零件都有工作表面。零件的工作表面決定著零件的工作能力和工作質量，所以零件工作表面的設計是零件設計的核心問題。

33藤蔓課堂四、零件的結構要素33藤蔓課堂

每個零件的工作表面部不是孤立存在的，每個工作表面和與之相接觸的表面相互配合，共同起作用，所以零件的工作表面都是成對進行設計的，設計中共同考慮材料的選擇搭配，表面的形狀、尺寸，配合公差的分配，熱處理方式的選擇等。例如螺栓和螺母的螺紋工作表面共同設計，滑動軸承與軸的軸頸表面共同設計，主動齒輪和被動齒輪的齒廓表面共同設計。鑒于工作表面對零件工作能力影響的重要性，因而常用零件工作表面的設計計算方法有相應的標準(有些屬于國家標準)，這些標準所規(guī)定的算法嚴格、統(tǒng)一、規(guī)范。34藤蔓課堂每個零件的工作表面部不是孤立存在的，每個工作表面和與

連接表面將各個工作表面連接成為完整形體，并保證零件的工作表面的形狀、尺寸和位置在工作中不被破壞。連接表面的設計方法較為靈活，沒有統(tǒng)一的過程和標準，也不要求有統(tǒng)一的解答，因此零件的連接表面設計是設計人員最能發(fā)揮創(chuàng)造性思維的重要方面。

連接表面設計方法雖較靈活，但也應遵守以下的原則:1)不影響工作表面的功能。

2)不影響零件運動。

3)不影響操作。

35藤蔓課堂連接表面將各個工作表面連接成為完整形體，并保證零件36藤蔓課堂36藤蔓課堂

圖6-1所示車床中的床腿1是典型的支承件，也稱大件。它的底面是安裝部分，上表面是工作部分．作用是支承床身7，而床腿的工作部分恰與床身的安裝部分相聯(lián)結，因此也具有安裝部分的持點，只是受力比底面小些。床身兩端下表面為安裝部分，床頭上表面及導軌為工作部分，而床頭與主軸箱的聯(lián)結部分相當于安裝部分。

在結構設計中．通常先確定工作部分，后確定聯(lián)結部分。工作部分主要考慮工作面的形狀、尺寸、精度、表面質量等，而聯(lián)結部分主要考慮強度、剛度等要求。37藤蔓課堂圖6-1所示車床中的床腿1是典型的支承件，也稱大件。它的底第三節(jié)結構方案設計的基本原則和原理一、結構方案設計的基本原則確定和選擇結構方案時應遵循三項基本原則是：明確、簡單和安全可靠。1．明確所謂明確是指對產品設計中所應考慮的問題都應在結構方案中獲得明確的體現(xiàn)與分但。

38藤蔓課堂第三節(jié)結構方案設計的基本原則和原理38藤蔓課堂(1)功能明確所選擇結構要達到預期的功能，每個分功能有確定的結構來承擔，各部分結構之間有合理的聯(lián)系。要避免冗余結構，盡量減少靜不定結構。在圖5-3(a)中，傳遞轉矩是鍵還是圓錐面，零件的軸向定位是軸的臺階面還是圓錐面，兩者均不明確。這是一種功能不明確的結構。圖5-3(b)兩種功能都是由圓錐面承擔，是一種好結構39藤蔓課堂(1)功能明確所選擇結構要達到預期的功能，每個分功能有(2)工作原理明確所選結構的物理作用明確，從而可靠地實現(xiàn)能量流(力流)、物料流和信息流的轉換或傳導。

在功能原理設計中需要通過某種(或某些)物理過程實現(xiàn)給定的功能要求。實際使用的機械裝置在工作中必然同時進行著多種物理過程，例如由于受力引起零部件變形和磨損，由于受熱引起的零部件形狀、尺寸、位置變化等，還有電、磁、光、化學等過程，設計中應充分考慮這些自然過程的進行對機械裝置的工作過程以及對環(huán)境的影響；對可能影響主要功能實現(xiàn)的自然現(xiàn)象要采取必要的應對措施。

40藤蔓課堂(2)工作原理明確在功能原理設計中需要通過某種(

設計者原意是滾針軸承承擔徑向力，向心球軸承承受軸向力。實際上，兩個軸承都能承受徑向力，各自受力大小因兩種滾動體不同而不確定，故容易導致某個軸承過載而損壞。

滾針軸承承擔徑向力，推力球軸承承受軸向力，徑向力和軸向力承受者都很清楚，因此功能和作用原理都明確。41藤蔓課堂設計者原意是滾針軸承承擔徑向力，向心球軸承承受軸向力（3)使用工況及承載狀態(tài)明確在結構設計中，零件的材料選擇及工作能力分析均根據對結構的工作狀態(tài)分析進行。設計中應避免出現(xiàn)可能造成某些要素的工作狀態(tài)不明確的結構。42藤蔓課堂（3)使用工況及承載狀態(tài)明確42藤蔓課堂2．簡單

在結構設計中，在同樣可以完成功能要求的條件下，應優(yōu)先選用結構較簡單的方案。結構簡單體現(xiàn)為結構中包含的零部件數(shù)量較少，專用零部件數(shù)量較少，零部件的種類較少，采用標準件、通用件、操作簡單等；零件的形狀簡單，被加工面數(shù)量較少，所需加工工序較少，結構的裝配關系較簡單。結構簡單通常有利于加工和裝配，有利于縮短制造周期，有利于降低制造與運行成本；簡單的結構還有利于提高裝置的可靠性，有利于提高工作精度。43藤蔓課堂2．簡單43藤蔓課堂

圖6-5吊車軌道，除作導軌用外，還兼作水、空壓、油壓管道的作用，是多功能結構件。44藤蔓課堂圖6-5吊車軌道，除作導軌用外，44藤蔓課堂3．安全可靠1）機器安全包括4個方面：

零件安全主要指在規(guī)定的載荷和規(guī)定時間內，零件不發(fā)生斷裂、過度變形、過度磨損，不喪失穩(wěn)定性。

整機安全指整個技術系統(tǒng)保證在規(guī)定條件下實現(xiàn)總功能。

工作安全對操作人員的防護，保證人身安全和身心健康。

環(huán)境安全對技術系統(tǒng)的周圍環(huán)境和人不造成危害和污染，同時也要保證機器對環(huán)境的適應性，如挖掘機對沼澤地工作的適應。45藤蔓課堂3．安全可靠45藤蔓課堂2）安全技術法為了保證安全可靠性，而采取的技術措施：(1)直接安全技術法：是指在結構設計中充分滿足安全可靠要求，保證在使用中不出現(xiàn)危險，主要遵循下面3個原理。A、構件可靠性原理。組成技術系統(tǒng)的各零件之間的聯(lián)接在規(guī)定載荷和時間內完全處于安全狀態(tài)。這就必須做到:構件中受力、使用時間和使用環(huán)境是清楚的;選擇的計算理論和方法、材料是經過驗證且可靠的;試驗負荷要高于工作負荷;嚴格限定使用時間和范圍。46藤蔓課堂2）安全技術法46藤蔓課堂B、有限損壞原理。在使用時，當出現(xiàn)功能干擾或零件出現(xiàn)斷裂時，不會使主要部件或整機遭到破壞。這就要求失靈的零件易于查找和更換，或者能被另一零件所代替，如采用安全銷、安全閥和易損件等。對于可能松脫的零件加以限位，使其不致脫落造成機器事故。如圖5-9a表示螺釘松脫后會落入機器內，使機器不能工作，b圖表示螺釘松脫后，受到限位，不致掉入系統(tǒng)中。47藤蔓課堂B、有限損壞原理。在使用時，當出現(xiàn)功能干擾或零件出現(xiàn)斷裂時，

C、冗余配置原理當技術系統(tǒng)發(fā)生故障或失效對會造成人身安全或重大設備事故，為了提高可靠性，常采用重復的備用系統(tǒng)。如飛機發(fā)動機的雙驅動、三驅動和副油箱；壓力容器中兩個安全閥；為確保煤礦井下絕對安全，對排水的水泵系統(tǒng)采用兩套或三套配置(一套運轉，一套維修，一套備用)。48藤蔓課堂C、冗余配置原理當技術系統(tǒng)發(fā)生故障或失效對會造成人身安(2)間接安全技術

間接全技術使得當系統(tǒng)發(fā)生故障時通過防護系統(tǒng)和保護裝置來實現(xiàn)技術系統(tǒng)的安全可靠。并且系統(tǒng)的工作狀態(tài)較容易恢復。間接安全技術可以在傳動鏈中設置安全保護裝置，使得當系統(tǒng)發(fā)生過載時，安全保護裝置中的某些結構損壞，使傳動鏈中斷，保護傳動鏈中的其他零件(特別是重要零件)不受損壞。使得零件損壞造成的影響范圍盡量小。其類型是多種多樣的。如液壓回路中的安全閥、電路系統(tǒng)中的保險絲等，都是當設備出現(xiàn)危險或超負荷時，自行脫離危險狀態(tài)。49藤蔓課堂(2)間接安全技術49藤蔓課堂圖5—11具有故障顯示正常的精過濾器:液壓回路中，精過濾器芯2被堵時，差壓計1發(fā)出信號，而單向閥3打開，回路仍正常工作。50藤蔓課堂圖5—11具有故障顯示正常的精過濾器:液壓回路中，精過濾器芯(3)提示性安全技術法。既不能直接保證安全可靠，又沒有保護或防護措施，僅能在事故出現(xiàn)以前發(fā)出報警和信號，提醒人們注意，如指示燈，警鈴等。51藤蔓課堂(3)提示性安全技術法。既不能直接保證安全可靠，又沒有保護或3安全可靠安全可靠機器安全安全技術法零件安全整機安全工作安全環(huán)境安全直接安全技術法間接安全技術法提示性安全技術法52藤蔓課堂3安全可靠安機安零件安全整機安全工作安全環(huán)境安全直接安全技二、結構方案設計原理在結構設計中常應用下述各項原理：

1.等強度原理（包括零件和整機）對于同一個零件來說，各處應力相等，各處壽命相等，叫等強度。這樣可使結構有相等強度，從而達到充分利用材料，提高經濟效益。如圖5-12a)的結構強度不等，而且強度差，b)圖的結構強度不等，c)圖適用于鑄鐵的等強度結構，d)圖適用于鋼的等強度結構。53藤蔓課堂二、結構方案設計原理53藤蔓課堂等強度原理（相對的觀點）通過適當?shù)剡x擇材料和適當確定幾何形狀，力求構件各處強度得到充分利用。目的是減輕重量，降低成本?；蛘卟扇∠鄳胧p低高應力區(qū)應力，提高低應力區(qū)應力，使應力趨于均勻。如下圖(1)（彎矩圖）(2)等強度梁

54藤蔓課堂等強度原理（相對的觀點）通過適當?shù)剡x擇材料和適當確定幾何形狀圖6-9所示為增加約束變形附件以降低高應力區(qū)應力的兩個實例。圖中構件1為承受載荷的主體構件，當在結構中增加一個約束變形的輔助構件2時，就使構件1左半部的應力顯著減小，兩部分應力趨于均勻。55藤蔓課堂圖6-9所示為增加約束變形附件以降低高應力區(qū)應力的兩個實例。注意以下幾點：

1)如果在某些結構中追求等強會增大成本，則應放棄等強原理。例如在滾動軸承軸系結構設計中，同一軸系兩端的兩個軸承通常受力不同，如果要求其工作壽命或承載能力相同，就需要選用不同型號的軸承，這雖然可以降低軸承成本，但是會增大加工軸承孔的工藝成本，所以應放棄等強原理。

56藤蔓課堂注意以下幾點：56藤蔓課堂3)為保護重要零部件，設計中使某個零部件的承載能力較低，通過犧牲廉價易更換零件的方法保護重要零部件。4)有些結構參數(shù)有標準系列值，在按照等強原理進行設計后應按標準系列圓整參數(shù)。

2)不同結構要素的工作原理不同，承載能力的差別很大，使工作原理不同的結構要素的承載能力相同可能會使結構比例不協(xié)調。

例如自行車的車架和軸承、輪胎的承載能力相差較大，這種情況下通常采用多次更換易損零件的方法解決，將承載能力較低的結構零件設計成較易更換的結構。57藤蔓課堂3)為保護重要零部件，設計中使某個零部件的承載能力較低，通2.合理力流原理

所有機械設備、工程結構都與力、力矩和運動有關。把力的傳遞過程（路線）稱為力流。既然是“過程”，那么人的眼睛能否看到力流？在通常情況下，剛性的機械零件一個挨著一個，力從一個零件傳到另一個零件，人的眼睛是不能發(fā)現(xiàn)這種力的傳遞過程的。但是，如果把一個螺旋彈簧水平放置，用手通過彈簧推動一塊放在地面的磚，可立刻看到，彈簧被壓縮的過程是由近及遠(由手到磚)，直至磚被推動。這是借助彈簧形變過程形成的臂力流。58藤蔓課堂2.合理力流原理58藤蔓課堂

假想力流是由若干條線組成的線柬，這些線沿力的傳遞方向伸展開，稱這些假想線為力線。力在構件中的傳遞軌跡就像電場中的電力線、磁場中的磁力線、水流中的流線一樣，按照力流路線傳遞。用力線條數(shù)的多少表示力的大小，用力線的疏密變化表示應力的變化。用力流和力線這兩個概念就把力這種看不見摸不著的物理現(xiàn)象物化，其結果是使設計師在結構設計過程能同時考慮到“兩”種物化物，即零件和力，這比只考慮一種具體的物質結構的零件和一個抽象的力的概念，更容易做到細致地考慮問題。59藤蔓課堂假想力流是由若干條線組成的線柬，這些線沿力的傳遞方向

在力的傳遞過程中，力線條數(shù)不變，且連續(xù)不斷，可以封閉，但力線疏密因構件結構形狀而異，如圖5-15所示。換句話說，力可以無衰減地作用于很大范圍(在工程設計中，這個范圍并不大)，不同的結構會形成不同的傳遞方式以及造成不同的結果(應力不同)。60藤蔓課堂在力的傳遞過程中，力線條數(shù)不變，且連續(xù)不斷，可以封閉（1）力流路線直接、最短原則可以使零件尺寸縮小、節(jié)省材料，變形小，剛度好。圖15-14(a)所示的力流路線最短，結構尺寸最小;圖15-14(b)、圖15-14(C)所示的力流路線比圖15-14（a）的長，故尺寸大。在力流路線近似的情況下，圖5-16(b)的對稱結構又比圖5-16(c)的非對稱結構好。61藤蔓課堂（1）力流路線直接、最短原則61藤蔓課堂如果力流路線增長，承載區(qū)增大，零件體積重量和變形就增大，當然系統(tǒng)的彈性和柔性隨之增加。其關系如下圖所示。力流路線與變形的關系為力流路線短圖(b)典型的彈性支承大于圖(a)產生彎矩變形、剛性差撓性支承

62藤蔓課堂如果力流路線增長，承載區(qū)增大，零件體積重量和變形就增大，當然（2）力流轉向平緩原則：當結構斷面發(fā)生突然變化，引起力流方向的急劇改變，使得力流密度增加，產生應力集中。在結構設計時，應采取措施，使力流方向變化平緩，減小應力集中。圖5-16所示為軸轂聯(lián)接：圖a)力流方向變化急劇，A處應力集中;圖b)力流方向變化較平緩，應力集中小。63藤蔓課堂（2）力流轉向平緩原則：當結構斷面發(fā)生突然變化，引起力流方向

3．變形協(xié)調原理

在外載荷作用下，兩個相鄰零件的聯(lián)結處，由于各自受力不同，變形不同，在兩零件間產生相對變形，這種相對變形會引起力流密集形成應力集中。所謂變形協(xié)調，就是使聯(lián)結的相鄰零件在外載荷作用下的變形方向相同，并盡可能減小相對變形。如下圖為兩焊接板的變形及應力分布。64藤蔓課堂3．變形協(xié)調原理在外載荷作用下，兩個相鄰零件的聯(lián)結一板受拉，另一板受壓，相對變形大，變形不協(xié)調，應力分布不均勻。改進型設計，兩板改為板厚呈線性變化的斜接口，兩板相對變形幾乎等于零，應力分布非常均勻。兩板受拉，相對變形小，符合變形協(xié)調原理，應力分布均勻。兩焊接板的變形及應力分布65藤蔓課堂一板受拉，另一板受壓，相對變形大，變形不協(xié)調，應力分布不均勻4．力平衡原理為了實現(xiàn)總功能，各機構或零件需要傳遞做功的力和力矩，例如驅動力矩、圓周力等，這種力稱為有功力（矩）。然而，與此同時常常伴隨產生一些(無功力)無用的力,如離心慣性力、變速慣性力、斜齒輪的軸向力等，這些力不但增加了軸和軸承等零件的負荷，降低其精度和壽命，同時也降低了機器的傳動效率。因此，如何消除無功力的不良影響，是結構設計中一個重要問題。所謂力平衡就是指采取結構措施，部分或全部平衡掉無用的力，以減輕或消除其不良影響。這些結構措施主要有:采用平衡元件、采取對稱布置等。66藤蔓課堂4．力平衡原理66藤蔓課堂如圖6-30所示為通過人為增加一個偏心來平衡另一個偏心產生的離心力。圖5-20行星輪采用對稱布置，齒輪嚙合產生的徑向力被抵消。67藤蔓課堂如圖6-30所示為通過人為增加一個偏心來平衡另一個偏心產生的

5．任務分配原理

機械結構的功能依靠所有的零部件及其結構要素協(xié)調工作來實現(xiàn)。機械功能在零部件間的分配關系通常有三種可能：1）一載體承擔多種功能：功能集中于一載體，可簡化結構、降低成本；2）一載體承擔一種功能：功能與載體一一對應，便于做到“明確”、“可靠”，便于實現(xiàn)結構優(yōu)化及準確計算；3）多載體共同承擔一種功能：多載體承擔同一功能可以減輕零件負載，延長使用壽命。（對某些復雜功能）設計時應根據具體情況進行任務分配。例如．將只靠螺拴預緊產生的摩擦力來傳遞橫向載荷時，會使螺栓尺寸過大，可通過增加抗剪元件，如銷、套筒和端而鍵等，以分擔橫向載荷來解決這一問題。68藤蔓課堂5．任務分配原理68藤蔓課堂(1)相同功能的任務分配相同的功能可以由一個構件來承擔，如減速箱中的齒輪軸，既承受彎矩，又承受扭矩，而對承受大功率的零件，往往需要設計成大尺寸，此時可采取多個零件來分擔，從而減少零件承受的功能、縮小尺寸、減少占用空間。圖4-9組合彈簧，是幾個零件共同承擔一種功能的實例。圖4-9組合彈簧69藤蔓課堂(1)相同功能的任務分配圖4-9組合彈簧69藤蔓課堂如圖4-9卸荷皮帶輪皮帶輪的徑向力經滾動軸承，軸承座和螺釘傳給箱體。皮帶輪的扭矩經螺釘、內花鍵套傳給軸。軸只承受轉矩而不承受彎矩。因而尺寸減小，節(jié)約材料。圖4-9卸荷皮帶輪結構70藤蔓課堂如圖4-9卸荷皮帶輪圖4-9卸荷皮帶輪結構70藤蔓課堂(2)不同功能任務分配

在結構設計時，常用一個構件來完成多個分功能，其優(yōu)點是零件數(shù)量少、減輕重量、降低成本，但隨著零件承受功能增加，其承載能力和限制條件也增加，使得構件結構變得復雜，給制造或安裝帶來不便。若改用多個零件，由幾個結構件分別承擔不同的功能，則任務單一，便于達到“明確”、“簡單”的目標。71藤蔓課堂(2)不同功能任務分配71藤蔓課堂圖5—25是三種不同的密封和定位結構，a圖軸承的密封和定位用同一個結構1來完成，需用圓鋼車成，其制造費用高；b圖的密封和定位分別由2擋圈和3軸套承擔。3可用管料車成，節(jié)約材料．減少加工時間；c圖中密封件4為沖壓件，用無屑加工代替有屑加工，確保了密封，大大節(jié)約工時和材料。72藤蔓課堂圖5—25是三種不同的密封和72藤蔓課堂

蝸桿傳動設計中要求蝸輪齒廓表面材料具有較好的抗膠合性，同時要求輪轂材料具有較高的強度，傳遞動力的蝸輪通常采用裝配結構，輪緣采用青銅合金，輪轂采用鋼或鑄鐵。

73藤蔓課堂73藤蔓課堂6．自補償原理通過選擇系統(tǒng)元件及其在系統(tǒng)中的配置來自行實現(xiàn)加強功能的相互支持作用，稱為自補償。自補償在正常情況(額定載荷)下有加強功能、減載和平衡的含義，而在緊急情況(超載)下有自保護和救援的含義。常見的自補償原理應用形式有：自增強、自平衡和自保護：

1)自增強當輔助效應與初始效應的作用方向相同時，使得總效應加強，就是所謂自增強。74藤蔓課堂6．自補償原理74藤蔓課堂

在正常工作狀態(tài)下輔助效應與初始效應的作用方向相同，總效應為兩者之和。如圖6-12高壓容器檢查孔蓋的設計。圖(a)擰緊螺桿，使端蓋2緊貼在密封件3上，形成初始效應。工作時間，內部高壓P作用在端蓋2上，加強密封效果，產生輔助效應?？傂莾烧忒B加．使密封自增強。圖(b)是自損結構。效應相互抵消，密封效果不好。圖6-13高壓容器檢查孔蓋設計1－螺桿；2—蓋；3—密封75藤蔓課堂在正常工作狀態(tài)下輔助效應與初始效應的作用方向相同，總

工作時，工件1受到一個F2力，該力使工件與偏心輪之間產生一個使偏心輪順時針轉動的趨勢，該趨勢與Fl力的作用同向。故增大了夾緊力F的作用，且該作用隨著F2的增大而增大。圖6-14偏心夾緊示意圖1-工件2-偏心輪3-支承軸76藤蔓課堂工作時，工件1受到一個F2力，該力使工件與偏心輪之間

圖6—13自增強作用的密封裝置，壓力P使帶錐面圓盤1更緊密地壓在密封2上，這就是利用主參數(shù)壓力P產生了增強密封的輔助作用。圖6－13密封裝置1—圓盤；2—密封77藤蔓課堂圖6—13自增強作用的密封裝置，壓力P使帶錐面圓盤1更緊密2)自平衡自平衡通常是使正常載荷下的輔助效應同初始效應相反并達到平衡或部分平衡狀態(tài)，以克服不利影響。

在機械裝置工作過程中會出現(xiàn)多種物理過程，其中有些過程會對結構產生不利的影響，通過設計選擇結構形式，可以使一些不利因素相互抵消。機械裝置在傳遞工作載荷的同時需要承擔一些不做功的力，由于這些力的作用，使得機械裝置傳遞有用工作載荷的能力降低。在結構設計中，應盡力降低這些不做功的力的作用程度，縮小其作用范圍。78藤蔓課堂2)自平衡在機械裝置工作過程中會出現(xiàn)多種物

如圖5-34所示。當豎軸1的轉速升高而超過要求的轉速時，重錘2會自動抬起，帶動滑套3和杠桿系統(tǒng)4使閥門5轉動以減少蒸汽通過量。從而降低蒸汽機的轉速以恢復到正常值。若杠桿4聯(lián)結其它機構，通過不同原理可調節(jié)其它機械的轉速。79藤蔓課堂如圖5-34所示。當豎軸1的轉速升高而超過要求的轉速時，重

如圖6-7所示斜齒圓柱齒輪軸系結構，齒輪傳動產生的軸向力經齒輪傳遞給軸，再經多個軸上零件和滾動軸承傳遞到箱體，這些零件都要承受軸向力的作用；軸向力的作用會影響滾動軸承承受徑向載荷的能力。在如圖6-15所示的雙斜齒輪軸系結構中，由于兩個斜齒輪動產生的軸向力作用范圍減小，使?jié)L動軸承的工作壽命提高。

圖6－7單向齒輪軸系結構

80藤蔓課堂如圖6-7所示斜齒圓柱齒輪軸系結構，齒輪傳動產生的軸圖6—14

齒輪泵徑向力不平衡。P1與P1’為液壓力，P2與P2’為齒輪嚙合力，P和P’為主動齒輪軸承和被動齒輪軸承所承受的徑向力。P’和P加快了軸承的磨損。

徑向力得到平衡。在泵殼或側板上開有徑向力平衡槽，把高壓油引到低壓區(qū)，把低壓油引到高壓區(qū)，液壓力P1得到平衡，兩個齒輪的徑向力幾乎等于P2，延長了軸承的壽命。81藤蔓課堂圖6—14齒輪泵徑向力不平衡。P1與P1’為液壓力，P2與3)自保護超載時，特別是超載有可能反復出現(xiàn)時，采取自動防止破壞的措施同采取保護性破壞或采用持殊的防護裝置相比更為合理。有時，采取一定的結構措施就可實現(xiàn)自動保護。例如：摩擦離合器中的摩擦片，由于超載而打滑．使得離合器輸入和輸出端脫開，停止運動。高壓鍋當壓力超過時，易熔塞失效，內部壓力減小，保護高壓鍋不受損。82藤蔓課堂3)自保護超載時，特別是超載有可能反復出現(xiàn)時，采取自

各種摩擦傳動(如帶傳動、摩擦離合器、摩擦無級變速器等)均具有過載打滑的特性。如圖6-17所示摩擦離合器結構，當傳遞載荷達到最大載荷時，在內、外摩擦片之間發(fā)生打滑，使傳動鏈中斷，不但不會造成離合器零件的損壞，而且保護傳動鏈中的其他傳動零件不因過載而損壞；當過載情況消除后，傳動鏈自動恢復。83藤蔓課堂各種摩擦傳動(如帶傳動、摩擦離合器、摩擦無級變速器

7．穩(wěn)定性原理所謂系統(tǒng)的結構穩(wěn)定是指當出現(xiàn)干擾，使系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生改變的同時，會產生一種與干擾作用相反的、使系統(tǒng)恢復穩(wěn)定的效應。汽缸壓力和作用在活塞桿上的工作抗力對活塞的狀態(tài)的不同影響84藤蔓課堂7．穩(wěn)定性原理汽缸壓力和作用在活塞桿上的工作抗力對活塞的狀圖5-30是幾種加強結構穩(wěn)定性的措施：對于熱膨脹變形而產生的干擾，需要在結構設計中采取措施，使之消除。如圖6—26(a)結構，由于軸發(fā)熱伸長，使軸承內部的游隙縮小甚至卡死，造成工作不穩(wěn)定；圖(b)則不會。85藤蔓課堂圖5-30是幾種加強結構穩(wěn)定性的措施：對于熱膨脹變形而產生的

圖6-19所示為自行車前輪及轉向部分示意圖，前叉立管延長線與路面交點A位于車輪與路面交點的前面，當前輪因干擾因素偏離向正前方行駛的方向時，路面作用于車輪的向心力(B點)對前叉的力矩使車輪恢復正確方向。86藤蔓課堂圖6-19所示為自行車前輪及轉向部分示意圖，前叉立管延

圖6-20所示為汽車前輪轉向示意圖，當前輪由于干擾因素被轉向時，前輪繞主銷轉動，由于主銷相對于路面傾斜(主銷內傾)，發(fā)生轉向時車輪相對于車身的位置下降，車身相對于路面的位置被抬高，總勢能增大，車身有恢復較低勢能狀態(tài)的趨勢，這種作用使前輪恢復向前行駛的正確方向。87藤蔓課堂圖6-20所示為汽車前輪轉向示意圖，當前輪由于

圖6-21所示為用于柴油發(fā)動機的調速器示意圖，當發(fā)動機工作中由于干擾因素使發(fā)動機工作轉速升高時，飛球因離心力增大被甩開，推動推力盤及供油拉桿向右移動，使噴油泵柱塞轉動，供油量減小，發(fā)動機恢復正常轉速。88藤蔓課堂圖6-21所示為用于柴油發(fā)動機的調速器示意圖，當發(fā)動89藤蔓課堂89藤蔓課堂8、安全技術原理結構設計時必須考慮安全技術原理，以保證系統(tǒng)正常工作。在運用安全技術原理時，必須明確下面的定義和安全范圍。危險:存在可能危害人或物的狀態(tài)。極限危險:設備在確定的技術過程或狀態(tài)的最大且經認同的特有危險。安全:危險小于極限危險的一種事物狀態(tài)。保護:對危險的限制和防護。90藤蔓課堂8、安全技術原理90藤蔓課堂可靠性:技術系統(tǒng)在規(guī)定的界限和時間內，滿足使用目標所提出的條件性要求的能力。設計師在設計時應考慮并運用安全技術。德國標準DIN31000規(guī)定使用三級安全技術。即。

(1)直接安全技術。

(2)間接安全技術。

(3)指示安全技術。91藤蔓課堂可靠性:技術系統(tǒng)在規(guī)定的界限和時間內，滿足使用目標所提出的條安全的考慮，主要涉及下列4個方面;(1)企業(yè)安全:限制技術系統(tǒng)對企業(yè)的危害。(2)工作安全:限制工作中對人的危害，限制對使用技術系統(tǒng)及工作場所以外的人的危害。(3)環(huán)境安全:限制技術系統(tǒng)對環(huán)境的損害。(4)保護措施:如果不可能用直接安全技術將危險降到要求的程度，就必須采用防護系統(tǒng)或防護設備對存在的危害限制到要求的程度。設計師原則上應力求采用直接安全技術，即設計的解根本不存在危險，如果不能確保，則采用間接安全技術，即采用防護系統(tǒng)。指示性安全技術只是在危險之前能發(fā)出警報，以及通過指示鑒別危險的范圍。92藤蔓課堂安全的考慮，主要涉及下列4個方面;92藤蔓課堂9、降低噪聲原理機械振動引起噪聲，過大的噪聲影響人的身心健康。由于噪聲引起操作者疲勞，可能導致事故發(fā)生。噪聲是機器質量的重要評價指標之一。根據我國“工業(yè)企業(yè)衛(wèi)生標準”的規(guī)定，生產車間和作業(yè)場地噪聲不得超過85dB（90dB），機床噪聲應小于75～85dB，小型電機為50～80dB，汽油發(fā)動機為80dB，家用電器如電冰箱應控制噪聲小于45dB，而洗衣機噪聲則應小于65dB。1）機械噪聲分類機械噪聲是由固體振動產生的，在沖擊、摩擦、交變載荷和磁應力作用下，各零部件產生振動，發(fā)出噪聲。其表現(xiàn)為：運動噪聲、接觸噪聲、傳力噪聲。

93藤蔓課堂9、降低噪聲原理93藤蔓課堂運動噪聲各運動零部件作旋轉或往復運動時，因質量不平衡，產生慣性力，發(fā)生自振，引起噪聲，如聯(lián)軸器，因不平衡的慣性力及安裝偏心等產生噪聲。電機由于旋轉磁場變化產生電磁噪聲。接觸噪聲機器零件因滾動、滑動和敲擊而產生噪聲，如齒輪嚙合、滾動軸承、離合器、制動器等。傳力噪聲機器零件因力的傳遞不均勻產生振動發(fā)出噪聲。如鏈傳動、杠桿機構等。液壓系統(tǒng)中，因液體的流量、壓力脈動及液體中混人空氣而產生流體噪聲，如齒輪油泵因吸油、排油壓力變化及困油現(xiàn)象都產生噪聲。94藤蔓課堂運動噪聲各運動零部件作旋轉或往復運動時，因質量不平衡，產

2）降低噪聲的原則和措施工程系統(tǒng)噪聲產生的過程為：振源振動－共振一振動（聲波）的傳遞。降低噪聲可針對以上幾個方面采取相應的措施。

（l）降低噪聲減少機器中振源的振動，降低噪聲源是控制噪聲最有效的方法，如采用較平穩(wěn)的傳動機構，以帶傳動、蝸輪傳動代替齒輪傳動，斜齒輪代替直齒輪，齒形鏈代替套筒滾子鏈等。對于同樣的傳動機構如平型帶傳動從結構上加以改進，用無端帶或膠合接頭代金屬皮帶扣接頭，也可降低噪聲。火車軌道接縫之間因考慮熱膨脹量都留有間隙，火車行走時不可避免地會產生振動，現(xiàn)在采用長鋼軌的新技術，每1000m左右才有一個接頭，因而大大降低了振動和噪聲。提高運動部件的平衡精度，可減小旋轉件由于質量不均勻、重心偏離回轉中心而引起的不平衡噪聲。如家用電風扇的葉片經過專用的風扇葉動平衡機平衡后，可以將不平衡振動的振幅控制在1μm之內，使噪聲明顯下降。95藤蔓課堂2）降低噪聲的原則和措施95藤蔓課堂

（2）防止共振系統(tǒng)的工作振動頻率與其自振頻率一致而產生共振現(xiàn)象，會導致強烈振動并產生很大的噪聲?；剞D系統(tǒng)正常的工作轉速應在共振區(qū)之外。可以采用控制系統(tǒng)剛性的辦法使共振臨界轉速n*值，使n＜0.75n*，；高速回轉系統(tǒng)常用減小剛性降低共振臨界轉速n*的方法使n＞1.2n*。有些大而薄的零件或箱體沖擊振動時會產生很大的噪聲，往往通過增大壁厚或合理加筋增加其剛度的方法而降低噪聲。96藤蔓課堂（2）防止共振系統(tǒng)的工作振動頻率與其自振頻率一致而產生

（3）提高機構的阻尼特性阻尼減振的作用是衰減沿結構傳遞的振動能量，降低結構自由振動，減弱共振頻率附近的振動，以達到降低噪聲的目的，在工件表面上粘接或噴涂一層有高內阻尼的材料，如塑料、橡膠、軟木、瀝青等，能減振和降低噪聲。這種方法已廣泛用于車、船體的薄壁板上。涂層材料的重量約為板材重量的30%左右。圖4-30有限尼層的降噪聲結構圖4-30是把阻尼材料貼在懸梁和地鐵車輪輪緣上以減小噪聲的結構。97藤蔓課堂（3）提高機構的阻尼特性阻尼減振的作用是衰減沿結構傳遞

減振合金是一種新型減振材料，通過材料內部晶體或原子的相互作用，增加內損耗而減振降噪。如國產的錳-鋼-鋅減振合金由于熱彈性馬氏體相變孿晶或母相馬氏體相界的移動，導致能量損耗，其強度大于45號鋼，適用溫度170℃以下，內耗為普通鋼材的12～45倍。將減振合金制成零件或做成片、環(huán)、塞等形狀，粘貼在激烈振動或撞擊的機件表面，即可降低機械的輻射聲。根據試驗，錳-鋼-鋅減振合金試件與45號鋼對比，打擊噪聲低27dB，落地噪聲低于10dB。98藤蔓課堂減振合金是一種新型減振材料，通過材料內部晶體或原子的4）控制噪聲的傳播

①隔振利用隔振材料或采用隔振結構降低振動源的固體聲傳播。通過隔振可降低噪聲10～30dB。隔振材料是彈性材料如塑料、橡膠、軟木、塑料板、酚醛樹脂、玻璃纖維板等，受力后相對變形量越大，隔振效果越好。隔振器是具有橡膠體（主要用于高頻）、彈簧（螺旋彈簧或板彈簧，主要用于低頻）、空氣墊等隔振元件的隔振部件，根據不同要求形成系列產品供選用。。振動較大的機器，直接放在車間地面上，為減少振動對環(huán)境的影響常采用隔振溝結構。隔振溝處于機器與基礎之間，寬度>100mm，填人松散軟粘的物質，如石棉屑、粗砂等。99藤蔓課堂4）控制噪聲的傳播99藤蔓課堂

②吸聲利用吸聲材料（玻璃棉、礦渣棉、聚氨酯泡沫塑料、毛氈、微孔板等）及吸聲結構貼附墻壁或懸掛在空中吸聲。好的吸聲材料能吸收入射聲80%～90%，薄板狀吸聲結構在聲波撞擊板面時產生振動，吸收部分入射聲，并把聲能轉化為熱能。微穿孔板一個或兩個腔的復合吸聲結構利用聲波通過的空氣在小孔中來回摩擦消耗聲能，且用腔的大小來控制吸聲器的共振頻率，腔愈大，共振頻率愈低。空間吸聲體是一種高放吸聲結構，用穿孔板作成各種形狀，中間填充超細玻璃棉、礦渣棉、毛毯等吸聲材料。空間吸聲體分散懸掛在車間或建筑物的夭花板上，聲波由各個表面撞擊聲體，吸聲效果好，降噪值可達10.5～12.5dB。100藤蔓課堂②吸聲利用吸聲材料（玻璃棉、礦渣棉、聚氨酯泡沫塑料、毛

③隔聲利用隔聲罩、隔聲間、隔聲門、隔聲屏等結構，用聲反射的原理隔聲。簡單的隔聲屏能降低噪聲5～10dB。1mm鋼板作隔聲門時，隔聲量約為30dB；而好的隔聲間可降低噪聲20～45dB。

④消聲將消聲器、消聲箱放在電機、空氣動力設備及管道的進出口處，噪聲可下降10～40dB，響度下降50％～93％，主觀感覺有明顯效果。消聲器利用聲阻、聲反射、聲干涉或空氣柱共振等原理消耗聲能，降低噪聲。利用聲阻消聲的阻性消聲器，當聲波通過襯貼有多孔吸聲杖料的管道時，聲波將激發(fā)多孔材料中的無數(shù)小孔內的空氣分子的振動，其中一部分聲能將用于克服摩擦阻力和粘滯力而變?yōu)闊崮堋?01藤蔓課堂③隔聲利用隔聲罩、隔聲間、隔聲門、隔聲屏等結構，用聲反

圖4-31為干涉型消聲器，它將聲波分為兩路，使通過不同長度的途徑在會合處產生振幅相等、位移相反的兩種聲波互相干涉而降低噪聲。圖4-31干涉型消聲器102藤蔓課堂圖4-31為干涉型消聲器，它將聲波分為兩路，使通過不同長度

3）低噪聲產品及零部件設計目前，國外已從噪聲控制逐步發(fā)展為研制低噪聲產品。設計低噪聲產品時，必須分析產品中各部件的原理和結構對噪聲的影響，從根本上來取綜合措施以降低噪聲。

（l）低噪聲齒輪傳動根據日本加藤與西德尼曼（Niemann）教授提出的計算漸開線齒輪的噪聲公式為：式中LA——在距聲源lm處的聲壓A聲級量值，dB；β——齒輪螺旋角；

k——系數(shù)，升速k＝4，降速k=8；i——齒數(shù)比；

fv——速度系數(shù)，齒輪精度低、線速度高，則fv減小；ε——重合系數(shù)；

P——傳遞功率，馬力（1kw=1.36馬力）。103藤蔓課堂3）低噪聲產品及零部件設計式中LA——在距聲源lm處的

利用上式可分析各多數(shù)對齒輪噪聲的影響，并粗略估算齒輪噪聲大小。降低齒輪噪聲的主要途徑：

①提高齒輪加工精度實驗表明，齒輪加工精度提高一級，噪聲可降低7～8dB。減小齒輪的線速度。噪聲LA與線速度v的關系約為

LA＝av＋b，其中，a，b為常數(shù)。

②控制齒輪參數(shù)如加大斜齒輪的螺旋角β，減小模數(shù)，增加齒數(shù)或利用變位以增加重合系數(shù)。104藤蔓課堂利用上式可分析各多數(shù)對齒輪噪聲的影響，并粗略估算齒輪噪聲大

③改進齒輪結構圖4-32改進齒輪結構以降低噪聲輪齒修緣鉆孔增加輪廓幅厚度105藤蔓課堂③改進齒輪結構圖4-32改進齒輪結構以降低噪聲輪齒修緣

④采用阻尼材料涂層在齒輪端面用阻尼材料涂層，采用摩擦阻尼環(huán)如圖或用高阻尼材料制造輪體。（2）通風機的降噪設計高速異步電動機采用風機通風降溫，為降低通風機噪聲，分析其噪聲聲功率W與以下參數(shù)有關。式中W——通風機聲功率；

η——風機效率；

D——風機葉輪直徑；；

n——風機轉速；

Z——風路總風阻；

qη——體積流量。106藤蔓課堂④采用阻尼材料涂層在齒輪端面用阻尼材料涂層，采用摩擦阻10、提高精度原理

1）阿貝原則

2）補償原則

3）誤差縮放原則

4）誤差配置原則107藤蔓課堂10、提高精度原理107藤蔓課堂第三節(jié)結構設計中的強度與剛度問題

機械零部件的基本功能之一是承擔載荷。在載荷的作用下零部件可能會因損壞或發(fā)生較大變形而影響機械裝置主要功能的實現(xiàn)。具有足夠的強度和剛度是機械功能對零部件的基本要求。在通常情況下，增大零部件的尺寸和增大材料體積可以提高其強度和剛度。但是這種方法會同時增大裝置的體積，提高成本。本節(jié)討論以較小的零部件尺寸和材料體積獲得較高強度與剛度的設計方法。108藤蔓課堂第三節(jié)結構設計中的強度與剛度問題108藤蔓課堂一、通過結構設計降低應力減少變形1．采用合理的截面形狀由于加工工藝的原因，軸類零件多采用實心圓柱形截面。對于承受彎矩或轉矩的軸類零件，由于材料分布距離軸心線較近，對承擔載荷的貢獻較小。如果采用空心軸結構，使較多的材料遠離軸心線，使得軸上因彎矩引起的正應力和由于轉矩引起的切應力的分布更合理，同樣的載荷所引起的最大應力降低，承載能力提高?？招妮S的截面慣性矩和極慣性矩都比實心軸明顯增大，所以空心軸的剛度較大。109藤蔓課堂一、通過結構設計降低應力減少變形109藤蔓課堂直徑D和質量m的影響：110藤蔓課堂直徑D和質量m的影響：110藤蔓課堂

表6-1所示為四種不同的齒輪軸結構，其中齒輪結構相同，軸的跨距及支承情況相同，軸兩端均采用深溝球軸承支承，軸的直徑不同，表中列出軸的直徑(D)、質量(m)、軸的強度(W)、強度比(W/m)、剛度(I)、撓度(f)以及滾動軸承壽命（h）之間的關系。由表中數(shù)據可見，由于采用了空心軸結構，使得軸的強度和剛度顯著提高，其中4號方案與1號方案相比，軸的外徑增大到2.3倍，質量增加到2.2倍，而軸的強度和剛度分別增大到9倍和20倍。111藤蔓課堂111藤蔓課堂

表6-2列出了8種截面積相等而截面形狀不同的受彎矩梁的強度及剛度的比較值。由表中數(shù)值可見，在截面積相同的情況下，分布在遠離中性軸位置的材料越多，梁的強度和剛度都顯著提高。所以，在材料體積相同的條件下，通過合理地選擇截面形狀，可以獲得較大的承載能力。112藤蔓課堂表6-2列出了8種截面積相等而截面形狀不同的受彎矩梁1）在截面積相等的情況下，受彎梁的截面在受力方向上尺寸愈大愈好．如3號的剛度是l號的25倍；2）質量愈向彎曲中性面兩側分散(即質量向受力方向上的上、下兩面集中)愈好，如5號的強度和剛度比3號又有大幅度提高。113藤蔓課堂1）在截面積相等的情況下，受彎梁的截面在受力方向上尺寸愈大愈2.合理確定軸向尺寸改變截面形狀降低截面上各點的應力，可以提高零件本身抗破壞和抗變形的能力，但不能改變其所受彎矩的大小，通過合理地確定零件軸向尺寸．可以減少彎矩，從而更為有效地提高強度和剛度。這里所謂軸向尺寸，主要指梁或軸的支承跨距和懸伸長度。114藤蔓課堂2.合理確定軸向尺寸114藤蔓課堂3．改善軸系支撐結構軸系結構的形式是影響軸及軸上零件承載能力的重要因素。例如對于懸臂支撐的軸系結構，設法通過結構設計縮短懸臂長度，可以有效地降低軸和軸承的載荷。115藤蔓課堂3．改善軸系支撐結構115藤蔓課堂6-20所示：軸端受力為F，假設軸承和支座是剛體，則軸本身變形引起軸端位移為f1；若假設軸為剛體時，由于軸承和支座的彈性變形而引起的軸端位移為f2。而實際上，它們均為彈性體，會同時產生彈性變形，故軸端總位移應為上述兩種情況的疊加，即為：fE＝f1十f2。主軸組件的支承跨距對主軸本身剛度和對支承剛度有著很大的影響。L較大，則主軸變形較大；L較小，則軸承的變形對主軸前端的位移影響較大。最佳跨距L0

，可使主軸組件前端位移最小。主軸組件由于受結構限制以及保證主軸組件的重心落在兩支承點之間，實際的支承跨距大于最佳的支承跨距。116藤蔓課堂6-20所示：軸端受力為F，假設軸承和支座是剛體，則軸本身變

分析：由于成本或結構的限制，軸和軸承(包括支座)的剛度都不能無限提高。因此必須合理選擇，以求得最滿意的結果。分析發(fā)現(xiàn)，跨距L和懸伸長度l之比L／l變化時，f1和f2在fE中的比重會隨之變化，如圖6—2l所示。曲線1和2分別為主軸本身引起的軸端位移和軸承引起的軸端位移L／l變化的函數(shù)曲線，曲線3則為上述兩曲線合成的結果。fE最佳的問題！如實際跨距小于L0

，則綜合剛度將急劇降低；如大于L0

，則剛度緩慢降低。所以實際跨距如不能等于L0

，則寧大勿小。通常，L0

=(2～3)ι。117藤蔓課堂分析：如實際跨距小于L0，則綜合剛度將急劇降低；如大于L

圖6-27所示為錐齒輪軸系支承方式的兩種設計方案。圖6-27a中兩軸承采用正安裝(面對面)方式，而圖6-27b中兩軸承采用反安裝(背靠背)方式，由于支承位置相對于軸承的幾何中心更偏向于支點外側，使得實際懸臂長度變小，軸和軸承承載能力都得到提高。118藤蔓課堂圖6-27所示為錐齒輪軸系支承方式的兩種設計方案

圖6-28所示的小錐齒輪軸系結構在原懸臂端增加了輔助支承，既提高了軸系結構的強度，同時也提高了剛度。119藤蔓課堂圖6-28所示的小錐齒輪軸系結構在原懸臂端增加了

圖6-25所示為兩種吊車梁結構方案。圖6-25a所示結構立柱位于梁的兩端，當?shù)跹b重物位于梁的中部時，梁中部所受彎矩較大。圖6-25b所示方案將立柱向中間靠攏，使得在梁的總長度不變的情況下所受彎矩減小，提高了吊車的承載能力。120藤蔓課堂圖6-25所示為兩種吊車梁結構方案。圖6-25a所示4．充分發(fā)揮材料特性不同的材料具有不同的力學特性，結構設計中應根據所選用材料的特性，合理地確定適當?shù)慕Y構，最大限度地發(fā)揮材料的承載能力。例如鑄鐵材料的抗壓強度遠高于抗拉強度，所以選用鑄鐵材料制作抗彎結構時通常將截面設計為非對稱結構，使零件結構的最大壓應力大于最大拉應力。121藤蔓課堂4．充分發(fā)揮材料特性121藤蔓課堂4．合理利用材料特性材料的抗彎、抗拉和抗壓特性差別較大，結構設計時應充分利用這一特點，盡量揚長避短。例如：材料為鋼時．應盡量用拉、壓代替受彎；圖6—22所示為用三角珩架代替簡支梁；材料為鑄鐵時，則考慮用受壓代替受拉或受彎。圖6—23所示為結構和大小完全相同，僅安裝方法不同的兩個鑄鐵托架。顯然圖6—23b方案合理。122藤蔓課堂4．合理利用材料特性122藤蔓課堂

二、改善零件的受力狀況改善零件的受力狀況對提高零件的強度和剛度作用比較明顯，常用的方法有載荷分流、載荷均化和載荷抵消等。這些方法實際上是第六章第二節(jié)所述的合理力流、任務分配和自補償?shù)仍淼膽谩?.載荷分流載荷分流就是將一個較大的或復合的載荷分流到不同零件或同一零件的不同部位上，從而達到降低應力、減小變形的效果。特別適于強度和剛度較弱的零件。如：采用多根V帶、某些機床主軸采用并列的兩個或多個相同的軸承等。如CW6163型臥式車床采用了載荷分流的方法，即用一個徑向軸承和兩個推力軸承分別承受徑向力和兩個方向相反的軸向力。123藤蔓課堂二、改善零件的受力狀況123藤蔓課堂

圖6-22所示為機床主軸變速箱輸入軸與帶輪連接的兩種結構設計方案。圖6-22a所示將帶輪與輸入軸直接連接，將壓軸力和轉矩直接作用于軸，使軸同時受到彎曲應力和扭轉切應力的作用，交變的彎曲應力成為影響軸強度的主要因素，從而影響結構整體的承載能力。圖6-22b所示將壓軸力通過滾動軸承作用于套筒，套筒具有較大的抗彎截面系數(shù)，作用在套筒上的彎曲應力為靜應力，軸只承受由轉矩產生的扭轉切應力作用，結構整體的承載能力得到提高。124藤蔓課堂圖6-22所示為機床主軸變速箱輸入軸與帶輪連接的兩種結構設3．載荷均布(均化）機械結構中載荷的空間分布通常是不均勻的，結構設計必須使結構中載荷最大的位置、強度最弱的位置滿足強度條件，按強度最弱處的強度確定整個結構的承載能力。通過合理的結構設計，使載荷的空間分布更均勻，降低最危險處的載荷水平，可以有效地提高結構整體的承載能力。125藤蔓課堂3．載荷均布(均化）125藤蔓課堂

如圖6-23a所示的兩級圓柱齒輪減速器中的齒輪相對于軸承非對稱布置，由于軸的彎曲變形，使得輪齒上的載荷沿齒長方向分布不均。圖6-23b所示的結構中將受載荷較大的低速級齒輪相對于軸承對稱布置，可以消除由于軸彎曲變形造成輪齒上的載荷沿齒長方向分布不均的現(xiàn)象。

在圖6-23a所示的方案中，各軸不但會發(fā)生彎曲變形，而且會發(fā)生扭轉變形，特別是輸入級的小齒輪，受到軸的扭轉變形的影響，也會引起輪齒上的載荷沿齒長方向分布不均。如果將小齒輪放置在靠近輸入端的位置，由于軸的彎曲變形和扭轉變形引起的輪齒上載荷沿齒長方向分布不均的作用會互相疊加。如果將小齒輪放置在遠離輸入端的位置，兩種作用會互相(部分)抵消，有利于提高承載能力。126藤蔓課堂如圖6-23a所示的兩級圓柱齒輪減速器中的齒輪相

圖6-24所示為一組齒輪端部結構，通過降低輪齒端部的剛度緩解由于齒長方向誤差和及變形造成的輪上載荷沿齒長方向分布不均的現(xiàn)象。127藤蔓課堂圖6-24所示為一組齒輪端部結構，通過降低輪齒端部

漸開線齒輪若沿齒寬方向齒厚相同。則嚙合齒沿接觸線長度方向上的載荷會較多地集中在兩端，圖6—26a所示。若將輪齒截面修整成鼓形，使端部齒厚較中間部分小25～35um，則齒輪工作時靠齒面彈性變形而使載荷分布趨于均勻，如圖6—26b所示。128藤蔓課堂漸開線齒輪若沿齒寬方向齒厚相同。則嚙合齒沿接觸線長度方向上當螺栓受拉和螺母受壓時，由于螺栓和螺母在旋合段內所受軸向力的不同，導致旋合各圈螺紋牙載荷相差很大。圖6-27所示：第1圈牙受力可為第7圈的十幾倍，這對于重載荷或重要部位的螺母是很嚴重的問題。圖6-28所示為均化螺紋牙載荷的三種螺母結構形式。由圖可見，各結構都在不同程度上減小了牙上的最大載荷，使載荷趨于均勻。129藤蔓課堂當螺栓受拉和螺母受壓時，由于螺栓和螺母在旋合段內所受軸向力的3．載荷抵消載荷抵消是設法在結構上將無用的力或有用力的不利作用全部或局部抵消。圖6-29為機床主軸上傳動力F2的不同布置形式，圖中FI為切削力。a：部分抵消變形；b：部分抵消受力；c：均有抵消，但結構設計困難。利用偏心套抵消由于泵偏心引起的離心力：130藤蔓課堂3．載荷抵消載荷抵消是設法在結構上將無用的力或有用力三、預加載荷預加載荷是構件在制造或裝配時就被施加一定的載荷使其產生相應的塑性變形或彈性變形，從而減小工作應力或工作載荷引起的再變形。強化：以減小應力為目的（提高結構承載能力）的預加載荷方法稱為強化，強化分彈性強化和塑性強化兩類。預緊：以提高剛度、減小工作時再變形為目的的預加載荷方法稱為預緊。131藤蔓課堂三、預加載荷131藤蔓課堂彈件強化是使構件在受工作載荷之前預受一個與工作載荷相反的載荷，產生一個相應的預變形，以及一個與工作應力相反的預應力，工作時該預加載荷部分地抵消工作載荷，預變形部分抵消工作變形，從而降低了構件的最大應力。1．彈性強化只使材料發(fā)生彈性變形通過拉桿兩端的螺紋將其拉緊，使工字梁產生一個與工作時相反的預應力：即上半部受拉，下半部受壓。當梁工作時，工作載荷所產生的應力恰與預應力相反。132藤蔓課堂彈件強化是使構件在受工作載荷之前預受一個與工作載荷相反的載荷如：加厚壁筒內部承受壓力時．愈靠近內部應力愈高，可改為兩個較薄的厚壁筒通過盈配合套裝存一起，使內筒和外筒分別產生一定的預壓應力和預拉應力．減小工作時內筒的應力。實際上，也可看成是一種應力均化的措施。即此時通過外筒的應力增大而減小內筒的應力。133藤蔓課堂如：加厚壁筒內部承受壓力時．愈靠近內部應力愈高，可改為兩個較

可以通過多種不同方法施加預應力。圖6-32所示結構通過過盈配合的方法對厚壁筒施加預應力。承受高壓的厚壁筒未施加預應力時周向應力如圖6-32a所示。為了施加預應力，將厚壁筒改為雙層套裝結構，層間為過盈配合，使內、外層產生周向預應力，如圖6-32b所示。在預應力的基礎上施加工作載荷，工作載荷所產生的應力分布如圖6-32c所示。由于原最大應力位置(內表面)的預應力與工作應力方向相反，使得最大應力降低，如圖6-32d所示。134藤蔓課堂可以通過多種不同方法施加預應力。134藤蔓課堂

圖6-33a所示為如果梁完全工作在彈性范圍內的彎曲應力分布情況。圖6-33b所示為當預加載荷產生的最大應力超過材料的屈服極限時的應力分布情況。在梁發(fā)生塑性變形后卸載，殘余應力如圖6-33c所示。在殘余應力的基礎上施加工作載荷，如圖6-33d所示。由于在原最大應力位置的殘余應力與工作應力部分抵消，使實際的最大應力水平降低，如圖6-33e所示。2．塑性強化塑性強化是使構件在工作狀態(tài)下應力最大那部分材料預先經塑性變形而產生一個與工作應力方向相反的殘留應力，用以部分地抵消工件應力。135藤蔓課堂圖6-33a所示為如果梁完全工作在彈性范圍內的彎曲

以扭轉為主的軸也可用類似方法進行塑性強化，如圖6—33：圖6—33a為預加的與工作轉矩同向的轉矩T’去掉后軸的殘留應力分布情況。塑性強化的特點是預加載荷與工作載荷方向一致，而且在構件工作時預加載荷已經撤出，靠殘留應力而不是靠預加載荷本身來抵消工作應力。故要求材料必須具有足夠的塑性，構件的塑性變形量不得超過一定限度。136藤蔓課堂以扭轉為主的軸也可用類似方法進行塑性強化，如圖6—33：圖

3.預緊預緊是通過一個與工作載荷方向相同的預加載荷。使零件產生一定的與工作時同方向的彈性變形、以減少工作時的進一步變形，從而提高剛度的有效措施。如：滾動軸承在安裝時預加一個約等于徑向載荷20～30％的軸向力，彈性變形增加了接觸面積，各滾子受力也趨于均勻．從而提向了軸承的剛度。又如多數(shù)彈簧都預加了一個初載荷，使其產生一定的初始變形．以保證其具有足夠的剛度和工作彈力。螺栓在裝配時產生的拉力實際上也是預加載荷，工作時承受拉力的較長螺栓必須有足夠的預緊力才能保證被聯(lián)接件的聯(lián)接剛度。預緊的特點是預加載荷與工作載荷方向相同，工作時不撤出，因此，工作應力不是抵消而是疊加，其目的是提高剛度，而不是減少應力，故預應力應不超過一定限度。137藤蔓課堂3.預緊137藤蔓課堂上述三種預加載荷方法特點見表。方法預緊載荷與工作載荷關系工作時預加載荷是否撤出產生的效果應注意的問題彈性強化方向相反不撤出預加載荷使構件產生與工作變性相反的變形，工作時的變形與其部分抵消，從而減小工作應力產生預緊載荷的構件工作時應力增大，故應取強度較好的材料，且應限制其應力塑性強化方向相同撤出預加載荷撤出后，有殘留應力，抵消了部分工作應力，使最大工作應力減小要求材料有足夠塑性，塑性變形要有一定限度預緊方向相同不撤出預加載荷使構件產生與工作變性同向的初始變形，從而減小因工作載荷而產生的工作變形，提高構件剛度工作時兩載荷疊加，