第三章总体设计与结构方案设计.ppt

第三章 总体设计总体设计与结构方案设计l3-1 3-1 概概 论论l3-2 3-2 结构方案设计的基本原则结构方案设计的基本原则l3-3 3-3 结构方案设计基本原理及示例结构方案设计基本原理及示例l3-5 3-5 总体方案设计总体方案设计l3-4 3-4 结构设计的工作步骤结构设计的工作步骤3-1 3-1 概概 论论 一、一、结构设计的任务和重要性 任务 将原理方案结构化，确定完成功能要求所需的零部件的材料选择、结构形状、尺寸的确定以及加工方法、装配方式等。因此结构设计涉及材料、工艺、精度、设计计算方法、实验及检测技术、机械制图等各领域。重要性 1)机械产品最终以一定结构形式表现，并按设计结构加工、装配，结构设计的质量直接影响产品的功能要求。2)机械设计中的公式只适用于特定的结构或机构，如果不确定结构，设计计算无法进行。3)结构直接影响零件强、刚度及使用寿命。加工、工艺、人机关系、运输安全性。因此结构设计是保证产品质量、提高可靠性、降低成本的关键环节。二、设计的内容和步骤 内容 1)定性方面：结构方案设计；2)定量方面：结构材料、参数等的设计。总之，结构形状、数量、相互位置，材料选择，尺寸确定 基本步骤 分析设计任务对结构的总体要求初步确定主要功能载体的结构初步确定辅助功能载体的结构检查主、辅功能载体的协调性及其配合关系详细设计主、辅功能载体结构对设计进一步完善技术、经济评价决策。三、结构设计三个主要方面 定性分析构形定性 定量计算尺寸、确定材料定量 按比例绘制结构图造型 四、结构设计目标:功能明确，简单可靠、提高性能、降低成本 3-2 3-2 结构方案设计的基本原则结构方案设计的基本原则一、明确性原则 功能明确 工作原理明确 使用工况及应力状态明确 其它二、简单原则 零部件在满足功能要求的前提下，尽可能少。零部件形状尽可能简单，使设计、生产、制造装配和维护迅速方便。尽量采用标准件和常用件。操作简单、结构布置合理，便于安装。包装简单，运输方便。三、安全可靠原则 直接安全技术 (1)安全存在原理：保证技术系统的各零件及联接在规定载荷和时间内完全处于安全状态。(2)有限损坏原理：破坏应选择在易换零件或便宜零件，不应在主要部件或整机发生破坏。(3)冗余配置原理：为提高可靠性，所采用的重复备用系统，一般适且于对人身安全有重大影响的场合。安全技术：通过加装防护系统和保护装置来实现技术系统的安全可靠;指导性安全技术：危险发生之前进行预报和报警。3-3 3-3 结构方案设计基本原理及示例结构方案设计基本原理及示例一、一、合理负载原则 合理负载对减少应力，降低应力集中，减少变形，可有效提高结构的强度和刚度。载荷分担原则载荷分担原则 可减少零件承受功能，缩小尺寸，减少占地空间。卸荷带轮结构 组合弹簧 平衡原则平衡原则(自平衡原则自平衡原则)在工作状态下，辅助效应和初始效应相反并达以平衡状态，取得满意的总效应。为使无功力得到平衡，可采取如下措施：1)采取对称布置。如2K-H行星齿轮传动，适用于体积小功率大场合(见课本)。2)采用平衡元件，适用于传递中等大小的力。合理力流原则合理力流原则 缩短力流距离，减少力流密度变化，减缓力流方向变化，可提高强度和刚度，可使零件尺寸缩小，节省材料，变形小。1)设计结构时，一般尽量使力按最短路线传递。2)零件受载部位如切槽开孔时，应充分考虑应力集中，由力流密度变化引起的应力集中，有时最大比平均应力大2-5倍。3)力流转向平缓。轮轴联接的力流 变形协调原则变形协调原则 协调控制相联接元件在外载荷作用下产生同方向变形，使二者相对变形小，应力变化小，从而减少应力集中。等强度原则等强度原则 等强度结构受力合理，而且能最大限度发挥材料的作用。二、二、自助原则 通过本身结构或系统的配置关系，在工作过程中产生加强功能或避免失效的作用。自平衡自平衡 结构在工作载荷产生的辅助效应合成为有利的平衡状态以提高性能。如汽轮机叶片的安装，行星齿轮传动中多行星轮。自加强自加强 结构在工作载荷作用下辅助效应与初始效应相同，加强了系统的功能。自保护自保护 在超载或不安全情况下，功能元件产生保护效应，防止零部件失效。如摩擦离合器。三、提高设计精度的原则 阿贝原则阿贝原则1890，德国人阿贝(Abbe)指出一个原则：若使量仪给出正确的测量结果，必须将仪器的读数线尺安放在被测尺寸的延长线上。在设计量仪或精密机械时，该原则须考虑。补偿原则补偿原则 结构设计时要考虑到尽量让产生的误差互相抵消和补偿以减小总误差。两种结构凸轮杠杆下端接触面的磨损量u1的磨损量和杠杆上端与从动件的磨损量u2都相同，但由于凸轮位置的不同，它们对从动件移动误差的影响是不一样。对于(a)图 =u1+u2对于(b)图 =u2-u1 误差缩放原则误差缩放原则 在传动机构中，误差可以传递，也可以缩放，设计时应注意误差的主要环节。下图每级齿轮的传动比为i1、i2、i3，各级运动误差(角速度误差)分别为1、2和3，则整个传动系统误差为=1/i2i3+2/i3+3，可得如下结论：(1)降速时，i1，则影响系统精度的主要是末级精度，如果末级传动比很大，则前级运动精差可忽略不计；(2)升速时，i1，则影响系统精度的主要是前级精度，如果末级传动比很小，则末级运动精差可忽略不计；四、考虑热变形的原则 热膨胀方向及变形量热膨胀方向及变形量 例：轴承组件工作温度高时，由于受热膨胀会影响轴承的游隙与预紧力，影响轴系的回转精度和受力情况。注：注：在高温工作机构或高速重载的机构都可能需要考虑热变形。线膨胀计算公式：其中线膨胀系数(1/0C)，l 轴长度，温升。一般轴承组件装配时，都需预留一定间隙，如果工作间允许最小间隙为u2，则预装间隙为 由上式可知：如果l或过大，则采取反安装结构或一端支承、一端游动形式，也可采取散热措施。相对热变形和热应力的控制相对热变形和热应力的控制 如将两铝质零件用一钢质螺栓联接，由于热变形不一样，而相互挤压，产生挤压应力，为避免挤压应力，应在两铝质零件之间垫一层线膨胀系数比二者均小的垫块作为补偿。五、降低振动和噪声的原则噪声危害噪声危害：影响人体身心健康；易引起操作者疲劳；易使设备疲劳破坏。因此国家对噪声有强限制标准。环境和设备噪声限环境和设备噪声限生产车间和作业场85dB汽油发动机80dB机床7585dB电冰箱45dB小型电机5080dB洗衣机65dB 噪声产生过程为噪声产生过程为：振源振动共振振动(声波)的传递。控制噪声的方式控制噪声的方式 1)减少振源振动：如以皮带传动代替链传动，斜齿轮代替直齿 轮，齿形链代替滚子链。铁路上的无缝刚轨技术，提高运转平稳 度等。减少振源振动是控制噪声最有效方式。2)防止共振：避免共振转速与工作转速重合。一般n1.2n*，注意结构一般有多重共振频率。3)提高结构阻尼特性：阻尼可以衰减结构振动、遏制能量传播，降低结构自由振动，减振共振频率附近振动。如减振合金和减振橡胶，通过分子内部位错消耗能量。减振合金如锰-钢-锌合金，与45钢相比，打击噪声低27dB，落地噪声低10dB。4)控制噪声传播 (a)隔振:采用隔振材料降低振源传播，可降低10-30dB。如汽车发动机用减振橡胶固定在车架上；(b)吸声:利用吸声材料或吸声结构贴附墙壁或在空气中吸收。(c)隔声:用隔声门或声屏障结构(利用声反射原理)。(d)消声:利用声阻、声反射、声干涉或空气柱共振等原理消耗能量降噪。5)低噪声设计示例(低噪声齿轮)齿轮噪声公式齿轮噪声公式(日本加藤，德国尼曼)具体见下页其中LA在距声源1米处声压A声级(dB)，螺旋角，k系数，降速取8，升速取4,i传动比，fv速度系数，重合度，P传递功率。从上式分析，降低齿轮传动的噪声可采取的措施有：1)提高齿轮加工精度，精度高一级，噪声可降7-8dB；2)控制齿轮参数，如增大螺旋角，增大重合度(变位)；3)改进齿轮结构，如轮齿修缘或齿轮钻孔，如图示；4)采用阻尼材料涂层，在齿轮端面贴阻尼层，如图示。3-4 3-4 结构设计的工作步骤结构设计的工作步骤结构设计的工作步骤没有固定的模式，只能从工作内容上大体上划分。结构设计过程是一个从质到量、从抽象到具体、从粗略到详细的过程。一般可分三个阶段一、初步设计 (1)明确约束条件 (2)主功能载体初步设计二、详细设计(1)副功能载体的初步设计；(2)主功能载体的详细设计；(3)补充、完善结构草图；(4)结构草图的审核；(5)进行技术经济评价，选定结构草图方案；三、设计的完善和审核(1)优化设计；(2)干扰及差错分析；(3)进一步完善零件的结构工艺性；(4)进行经济分析，检查是否达到预期的目标成本；3-5 3-5 总体方案设计总体方案设计一、一、总体设计总的要求 技术性能技术性能：生产率、精度、强度和刚度、可靠性和使用帮命、操作安全方便、环境融合性好；经济性能经济性能：效率、使用经济性、成本、制造维修简便、外形尺寸和重理；美学性能美学性能：造型、色泽等。二、总体设计主要内容 总布置设计 人-机系统设计 机械-环境设计 造型设计 设计的管理