结构设计的方法和准则精选文档.ppt

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1、结构设计的方法和准则本讲稿第一页，共五十二页15.1 概述概述结构设计需考虑的因素结构设计需考虑的因素3工艺条件及强度、刚度及外形美观的要求工艺条件及强度、刚度及外形美观的要求1功能要求功能要求2工况条件工况条件本讲稿第二页，共五十二页15.2 结构设计的基本要求结构设计的基本要求15.2.1 明确明确1.功能明确功能明确 毂孔过小毂孔过小轴肩起不到轴肩起不到定位作用定位作用毂孔过大，起不到定心毂孔过大，起不到定心作用作用本讲稿第三页，共五十二页靠合理配合精靠合理配合精度径向定心度径向定心靠轴肩实现轴靠轴肩实现轴向定位向定位2.作用原理明确作用原理明确 很难准确计算出单个轴承承受很难准确计算出

2、单个轴承承受的径向力的径向力本讲稿第四页，共五十二页不承受径向不承受径向力力承受全部径向力承受全部径向力本讲稿第五页，共五十二页3.工况及负荷状况明确工况及负荷状况明确 如图所示的轴毂连接，采用如图所示的轴毂连接，采用过盈配合过盈配合及及键连接键连接双重配置，使得应双重配置，使得应力状态复杂，从而降低了使用的可靠性。因此，结构设计时应尽量避免力状态复杂，从而降低了使用的可靠性。因此，结构设计时应尽量避免出现这种不明确的应力状态出现这种不明确的应力状态(或受力状态或受力状态)。本讲稿第六页，共五十二页15.2.2 结构简单结构简单1.构件的零件数量少构件的零件数量少水水 管管空气管空气管液压管液

3、压管本讲稿第七页，共五十二页2.零件几何形状简单零件几何形状简单下图是限位装置下图是限位装置。b）结构比结构比a)结构更简单、合理。结构更简单、合理。本讲稿第八页，共五十二页3.采用标准零部件采用标准零部件 结构设计时，在满足功能的前提下，应该尽量采用现有的标准结构设计时，在满足功能的前提下，应该尽量采用现有的标准部件和零件。部件和零件。4.操作简单、结构布置合理、信号显示醒目操作简单、结构布置合理、信号显示醒目5.包装简单、运输方便包装简单、运输方便本讲稿第九页，共五十二页15.2.3 安全可靠安全可靠安安全全可可靠靠零件安全零件安全工作安全工作安全环境安全环境安全在设计中，常用以下三种方法

4、实现安全可靠：在设计中，常用以下三种方法实现安全可靠：1.直接安全技术直接安全技术 设计中保证机械装置有足够的工作能力和寿命，又能够避免误操作设计中保证机械装置有足够的工作能力和寿命，又能够避免误操作造成损失。造成损失。本讲稿第十页，共五十二页2.间接安全技术间接安全技术 当机械设备发生故障时，造成的损失较小，而且容易恢复。如剪切销安当机械设备发生故障时，造成的损失较小，而且容易恢复。如剪切销安全离合器。全离合器。3.提示性安全技术提示性安全技术 它在危险发生前发出警告，如警示灯、警铃等，并可通过显示装置说明它在危险发生前发出警告，如警示灯、警铃等，并可通过显示装置说明危险部位和危险原因。危险

5、部位和危险原因。15.3 结构设计的方法结构设计的方法15.3.1 类比法设计类比法设计 物理量相似主要包括物理量相似主要包括几何相似几何相似、动力学相似动力学相似和和运动学相似运动学相似三类。三类。凡是在几何相似条件下，求得的动力学相似的解，也能满足运动学的相似。凡是在几何相似条件下，求得的动力学相似的解，也能满足运动学的相似。本讲稿第十一页，共五十二页 类比法是机械设计中一种比较常用的方法，常用的类比法的形式有：类比法是机械设计中一种比较常用的方法，常用的类比法的形式有：1.直接类比法直接类比法2.间接类比法间接类比法3.仿生类比法仿生类比法15.3.2 模块化设计模块化设计 在机械产品中

6、，所谓模块就是一组具有同一功能和结合要素（指连接部位的在机械产品中，所谓模块就是一组具有同一功能和结合要素（指连接部位的形状、尺寸、连接件间的配合或啮合参数等），但性能和结构不同，却能互换的形状、尺寸、连接件间的配合或啮合参数等），但性能和结构不同，却能互换的单元。单元。本讲稿第十二页，共五十二页1.采用模块化设计有下列优点：采用模块化设计有下列优点：1)产品更新换代较快产品更新换代较快 2)可以缩短设计和制造周期可以缩短设计和制造周期3）可以降低成本可以降低成本4）维修方便维修方便5）产品性能稳定可靠产品性能稳定可靠模块化设计特别适用于生产批量较小的系列产品。模块化设计特别适用于生产批量较小

7、的系列产品。2.模块化设计的主要方式模块化设计的主要方式1）横系列模块化设计。横系列模块化设计。2）纵系列模块化设计。纵系列模块化设计。3）横系列和跨系列模块化设计。横系列和跨系列模块化设计。4）全系列模块化设计。全系列模块化设计。5）全系列和跨系列模块化设计。全系列和跨系列模块化设计。本讲稿第十三页，共五十二页15.3.3 构形变化设计构形变化设计1.变换零件工作表面形状变换零件工作表面形状我是锥形阀，我是锥形阀，比你酷多了！比你酷多了！我是球形我是球形阀，比你阀，比你帅多了！帅多了！别吵了，你俩功能一别吵了，你俩功能一样的样的!呵呵呵呵本讲稿第十四页，共五十二页2.变换零件作用面的相关位置

8、变换零件作用面的相关位置球面在推杆上，工作球面在推杆上，工作时推杆既受横向力又时推杆既受横向力又受轴向力受轴向力。球面在摆杆上，工作时推球面在摆杆上，工作时推杆只受轴向力。杆只受轴向力。本讲稿第十五页，共五十二页3.改变零件工作面的数目而发生形态变换改变零件工作面的数目而发生形态变换一个螺栓连接一个螺栓连接多多个个螺螺栓栓连连接接由于螺栓连接数目的不同，导致轮毂结构不同。由于螺栓连接数目的不同，导致轮毂结构不同。本讲稿第十六页，共五十二页4.改变零件表面排列顺序或功能表面位置的变换而产生不同构形改变零件表面排列顺序或功能表面位置的变换而产生不同构形外螺纹外螺纹内螺纹内螺纹本讲稿第十七页，共五十

9、二页15.4 结构设计的原则结构设计的原则15.4.1 提高强度、刚度的原则提高强度、刚度的原则1.改善零件的受力状况改善零件的受力状况 通过改进带轮的结构，减少轴悬通过改进带轮的结构，减少轴悬臂部分的长度，从而降低轴上弯矩。臂部分的长度，从而降低轴上弯矩。本讲稿第十八页，共五十二页 下图中轴所承受径向载荷及轴向载荷都很大，故需要下图中轴所承受径向载荷及轴向载荷都很大，故需要采用向心轴承和推力轴承分别承担径向力和轴向力。采用向心轴承和推力轴承分别承担径向力和轴向力。本讲稿第十九页，共五十二页2.提高零部件的承载能力提高零部件的承载能力1）降低应力集中程度降低应力集中程度在直径变化处用圆弧过渡可

10、以降低应力集中的最大应力在直径变化处用圆弧过渡可以降低应力集中的最大应力本讲稿第二十页，共五十二页s 增加板厚特别是增加孔边缘处的板厚可最大程度降低应力集中处增加板厚特别是增加孔边缘处的板厚可最大程度降低应力集中处的最大应力。的最大应力。本讲稿第二十一页，共五十二页2）改善表面状况改善表面状况 采用在零件表面滚压、喷丸、碳化、氮化、表面淬火等方法强化采用在零件表面滚压、喷丸、碳化、氮化、表面淬火等方法强化表面层，都可以提高疲劳强度。表面层，都可以提高疲劳强度。1）采用合理的结构采用合理的结构3.提高零部件的刚度提高零部件的刚度P点挠度仅为点挠度仅为同径悬臂梁挠同径悬臂梁挠度的度的1/9000P

11、点挠度和左点挠度和左图桁架图桁架P点挠度点挠度相等，但直径相等，但直径是后者的是后者的10倍倍本讲稿第二十二页，共五十二页2）用拉、压代替弯曲用拉、压代替弯曲腹板受弯曲腹板受弯曲应力应力腹板受拉、压腹板受拉、压应力应力 当构件受弯矩作用时，大部分的负荷由靠边界附近的材料承受，中当构件受弯矩作用时，大部分的负荷由靠边界附近的材料承受，中性面附近相当大部分的材料得不到充分利用。而构件受拉压时，应力基性面附近相当大部分的材料得不到充分利用。而构件受拉压时，应力基本上均匀分布，因此用拉压代替弯曲可获得较高的刚度。本上均匀分布，因此用拉压代替弯曲可获得较高的刚度。本讲稿第二十三页，共五十二页L3）合理布

12、置支承合理布置支承a)采用刚度大的轴承安装方式。采用刚度大的轴承安装方式。本讲稿第二十四页，共五十二页L本讲稿第二十五页，共五十二页常见的预紧方式常见的预紧方式:图（图（a）正装的圆锥滚子轴正装的圆锥滚子轴承通过夹紧外圈而预紧承通过夹紧外圈而预紧图（图（b）用弹簧预紧用弹簧预紧可得到稳定的预紧力可得到稳定的预紧力图（图（a）图（图（b）b)对轴承进行预紧对轴承进行预紧本讲稿第二十六页，共五十二页图（图（C）在一对轴承中间装入在一对轴承中间装入长度不等的套筒，预紧量由套长度不等的套筒，预紧量由套筒的长度差来控制筒的长度差来控制图（图（d）为角接触轴承反装，为角接触轴承反装，将轴承外圈磨窄，通过圆

13、螺将轴承外圈磨窄，通过圆螺母夹紧使轴承预紧母夹紧使轴承预紧图（图（C）图（图（d）本讲稿第二十七页，共五十二页 滚针轴承：滚针轴承：具有特别大的刚度，但由于滚针轴承容许转速不高，具有特别大的刚度，但由于滚针轴承容许转速不高，故其应用受到很大限制。故其应用受到很大限制。圆柱滚子轴承：圆柱滚子轴承：刚度也很大，但不能调整径向间隙。刚度也很大，但不能调整径向间隙。圆锥滚子轴承：圆锥滚子轴承：刚度大、受力大、安装调整方便，应用广泛。刚度大、受力大、安装调整方便，应用广泛。推力球轴承：推力球轴承：轴向刚度最大。轴向刚度最大。其它轴承：其它轴承：轴向刚度取决于轴承接触角的大小，接触角越大轴向轴向刚度取决于

14、轴承接触角的大小，接触角越大轴向 刚度越大。刚度越大。c）选择刚度大的轴承。选择刚度大的轴承。本讲稿第二十八页，共五十二页d）采用加强筋、板）采用加强筋、板PM受压应受压应力力受拉应受拉应力力MP受压受压应力应力受压应受压应力力 一般材料的抗压强度都明一般材料的抗压强度都明显高于抗拉强度，故后者加强显高于抗拉强度，故后者加强筋布置合理。筋布置合理。本讲稿第二十九页，共五十二页15.4.2 改善工艺性的原则改善工艺性的原则1.铸件的工艺性铸件的工艺性1）形状简单形状简单铸件表面的凹凸形状应尽量减少，以避免使用活块铸件表面的凹凸形状应尽量减少，以避免使用活块 本讲稿第三十页，共五十二页2）合理确定

15、铸件壁厚合理确定铸件壁厚减少铸件中断面厚度大的部分力求铸件壁厚均匀。减少铸件中断面厚度大的部分力求铸件壁厚均匀。用肋板代替厚壁，既可以保证壁原来的刚度，又使壁厚均匀，结构合用肋板代替厚壁，既可以保证壁原来的刚度，又使壁厚均匀，结构合理，减轻质量。理，减轻质量。加强筋加强筋壁太厚壁太厚本讲稿第三十一页，共五十二页 铸件内腔壁厚应较外壁厚减小铸件内腔壁厚应较外壁厚减小15%20%，不同壁厚连接处，应采用过渡，不同壁厚连接处，应采用过渡结构结构 （a a）较）较 好好 （b b）较）较 差差 本讲稿第三十二页，共五十二页对于对于薄壁铸件薄壁铸件，必须避免必须避免较大又较薄较大又较薄的水平面的水平面

16、水平平面浇铸时容水平平面浇铸时容易造成冷隔或形成易造成冷隔或形成气孔、渣眼或夹砂气孔、渣眼或夹砂 斜坡的平面，斜坡的平面，有利于排出液态金有利于排出液态金属中的杂质和由于铁液漫流造成的属中的杂质和由于铁液漫流造成的冷隔等缺陷。冷隔等缺陷。本讲稿第三十三页，共五十二页2.切削加工的工艺性切削加工的工艺性1）尽量减少加工面面积，注意将加工面与非加工面严格分开尽量减少加工面面积，注意将加工面与非加工面严格分开（a）不合理不合理 （b）合理合理本讲稿第三十四页，共五十二页2）应留出必要的退刀槽或砂轮越程槽应留出必要的退刀槽或砂轮越程槽（a）不合理不合理 （b）合理合理本讲稿第三十五页，共五十二页3）零

17、件切削时便于装夹零件切削时便于装夹（a）不合理不合理 （b）合理合理凸缘结构便于凸缘结构便于装卡工件装卡工件在工件上钻在工件上钻孔便于装卡孔便于装卡工件工件本讲稿第三十六页，共五十二页同一轴上两键槽不在同同一轴上两键槽不在同一母线上，增加了装卡一母线上，增加了装卡工件次数工件次数同一轴上两键槽位于同一母同一轴上两键槽位于同一母线上，加工键槽时只需装卡线上，加工键槽时只需装卡一次工件一次工件4）尽量减少加工时工件的装尽量减少加工时工件的装 夹次数，以提高效率夹次数，以提高效率 本讲稿第三十七页，共五十二页5）优先采用相同的锥度、圆角半径及孔径，减少刀具调整次数，提高优先采用相同的锥度、圆角半径及

18、孔径，减少刀具调整次数，提高加工精度。加工精度。不合理不合理合理合理本讲稿第三十八页，共五十二页6）斜孔采用凸台和出刀底面，以防止钻头引偏斜孔采用凸台和出刀底面，以防止钻头引偏 在弧面上加工孔较困难在弧面上加工孔较困难在平面上加工孔较易在平面上加工孔较易本讲稿第三十九页，共五十二页7）尽量使加工面位于同一高度，一次加工完成尽量使加工面位于同一高度，一次加工完成 两凸台高度不等，两两凸台高度不等，两被加工平面需分别加被加工平面需分别加工。工。两凸台高度相等，两两凸台高度相等，两被加工平面可同时加被加工平面可同时加工。工。本讲稿第四十页，共五十二页4.零件的装配工艺性零件的装配工艺性1）应避免装配

19、时加工，如攻丝、钻孔、研磨等。应避免装配时加工，如攻丝、钻孔、研磨等。2）保证零件能准确的定位。保证零件能准确的定位。两被连接件无径向定位，两被连接件无径向定位，很难保证两孔的同轴度。很难保证两孔的同轴度。两被连接件用圆柱面两被连接件用圆柱面实现径向定位，可保实现径向定位，可保证两孔的同轴度。证两孔的同轴度。本讲稿第四十一页，共五十二页3）避免双重定位表面。避免双重定位表面。定位面定位面1定位面定位面2；由于存在加工；由于存在加工误差，故误差，故A的位置无法的位置无法确定确定只有一个定位面，故只有一个定位面，故A的位置唯的位置唯一确定。一确定。本讲稿第四十二页，共五十二页4）防止错误装配。防止

20、错误装配。螺栓孔到销钉孔距离相等，容易导致支座装螺栓孔到销钉孔距离相等，容易导致支座装反，进而使轴中心线和孔的中心线偏离反，进而使轴中心线和孔的中心线偏离螺栓孔到销钉孔距离螺栓孔到销钉孔距离不等，支座不可能装不等，支座不可能装反。反。本讲稿第四十三页，共五十二页5）保证零件有足够的装配空间）保证零件有足够的装配空间安装螺栓的空间不够，安装螺栓的空间不够，无法拆装螺栓。无法拆装螺栓。空间太小，无法用扳空间太小，无法用扳手拆装螺母。手拆装螺母。本讲稿第四十四页，共五十二页配合面过长导致装配时配合面擦伤，破配合面过长导致装配时配合面擦伤，破坏配合性质，且毂孔上的键槽不易与轴坏配合性质，且毂孔上的键槽

21、不易与轴上的键对准。上的键对准。合理的配合面长度合理的配合面长度不仅可减少加工量，不仅可减少加工量，还使得装配方便，还使得装配方便，定位准确。定位准确。6）避免过长的配合面避免过长的配合面 本讲稿第四十五页，共五十二页拆卸工具的作用拆卸工具的作用面。面。7）便于拆卸便于拆卸 为便于拆卸零件，应给出安放拆卸工具为便于拆卸零件，应给出安放拆卸工具的位置。为此定位轴承的的轴肩不能高于轴的位置。为此定位轴承的的轴肩不能高于轴承内圈。承内圈。15.4.3提高经济性的原则提高经济性的原则1.减少材料成本减少材料成本2.降低生产准备成本降低生产准备成本本讲稿第四十六页，共五十二页3.降低加工成本降低加工成本

22、组合式链轮与齿轮结构，零件数量多、组合式链轮与齿轮结构，零件数量多、加工面多、需组装时间长，故加工成本加工面多、需组装时间长，故加工成本高。高。粉末冶金烧结的整体结粉末冶金烧结的整体结构，不但降低了成本，构，不但降低了成本，精度也可达精度也可达0.05mm。可降低加工成本的方法还有可降低加工成本的方法还有：用无：用无屑加工代替机加工以节约材料和工时；在单屑加工代替机加工以节约材料和工时；在单件或小批量生产条件下，以焊代铸；要避免件或小批量生产条件下，以焊代铸；要避免过高的配合精度要求。过高的配合精度要求。本讲稿第四十七页，共五十二页4.降低装配成本降低装配成本1）选用便于装卸的结构选用便于装卸

23、的结构 采用快动连接结构，此结构简单，通过一定弹性变形达到连接的目的，采用快动连接结构，此结构简单，通过一定弹性变形达到连接的目的，便于装拆便于装拆。用快动连接替代用快动连接替代螺栓连接。螺栓连接。本讲稿第四十八页，共五十二页2）便于自动装配便于自动装配便于自动运便于自动运输的结构输的结构 便于自动装便于自动装配的结构配的结构 本讲稿第四十九页，共五十二页3）采用集成结构采用集成结构 内燃机的进气阀凸轮与排气阀凸轮集成到一个共同的凸轮轴上，可减少内燃机的进气阀凸轮与排气阀凸轮集成到一个共同的凸轮轴上，可减少零件数目，降低生产成本。且功能和分体式凸轮机构一样。零件数目，降低生产成本。且功能和分体

24、式凸轮机构一样。本讲稿第五十页，共五十二页5.实现产品的重复利用实现产品的重复利用一般重复利用可以从以下几个方面考虑：一般重复利用可以从以下几个方面考虑：1）通过修理或更换配件重复使用。通过修理或更换配件重复使用。2）通过功能转换另作他用。通过功能转换另作他用。3）易于解体，便于材料分类。易于解体，便于材料分类。6.降低产品的运行成本降低产品的运行成本7.降低产品的维修成本降低产品的维修成本 从结构上注意产品由于某些零件失效而出现故障时能方便地得到从结构上注意产品由于某些零件失效而出现故障时能方便地得到修复，通常可考虑以下几个方面：修复，通常可考虑以下几个方面：1）结构上的可达性。结构上的可达

25、性。2）拆装的便利性。拆装的便利性。3）修理上的简易性。修理上的简易性。本讲稿第五十一页，共五十二页15.4.4 绿色设计的原则绿色设计的原则 从绿色设计的角度来看，好的产品结构设计应遵循以下产品结构从绿色设计的角度来看，好的产品结构设计应遵循以下产品结构设计准则。设计准则。1）注意产品的节能省料。注意产品的节能省料。2）尽量减少构成产品的零件数。尽量减少构成产品的零件数。3）产品的可拆卸性设计。产品的可拆卸性设计。4）尽量采用模块化设计。尽量采用模块化设计。5）将价值高的零部件布置在易于分离的部位。将价值高的零部件布置在易于分离的部位。6）将有毒或有害材料制成的零部件布置在易于分离的部位。将有毒或有害材料制成的零部件布置在易于分离的部位。7）尽量将无法回收的零部件集中布置。尽量将无法回收的零部件集中布置。8）尽量避免采用镶嵌结构。尽量避免采用镶嵌结构。本讲稿第五十二页，共五十二页