文档介绍：第三章
结构设计基本原则
机械工程师更好地适应现代机械设计的要素之一就是掌握丰富的工程知识。工程知识是连接基础理论与实践经验的桥梁,是现代工程师专业知识结构的本质特征。掌握一定的工程知识是正确进行机械结构设计的前提,有些结构错误对一个缺乏工程知识的设计者来说是不易事先觉察的。
这一节从改善力学性能、制造工艺性、制造精度及装配精度等方面来介绍一些机械结构设计的基本原则。
一、改善力学性能的结构设计原则
机械结构形式千差万别,但其功能的实现几乎都与力(力矩)的产生、转换传递有关。机械零件具有足够的承载能力是保障机械结构功能实现的先决条件。所以在机械结构设计中,根据力学理论对零件的强度、刚度和稳定性进行分析是必不可少的,并在此基础上,进行结构优化设计。
计算机辅助结构优化设计已被广泛应用于工程实际中。但它所依赖的力学模型与复杂的实际结构及工况有差距,力学模型的精度通常很难提高;对稍微复杂一些的实际结构仍然停留在零件尺寸的优化上,而基本结构一般还得预先选定;只能针对一个具体的实例得到一个特定的数值解,并不能给予方向性指导。因此计算机辅助结构优化设计不能代替工程知识的分析与总结,结合实例分析,掌握提高结构承载能力的结构设计原则,并为结构的创新设计提供可借鉴的思路。
(一)载荷分担原则
如果同一零件上同时承担了多种载荷的作用,则可考虑将这些载荷分别由不同的零件来承担。采取一定的结构形式,将载荷分给两个或多个零件来承担,从而减轻单个零件的载荷,这种方法称为载荷分担。这样有利于提高机械结构的承载能力。
如图2所示,靠摩擦传递横向载荷的普通螺栓联接常用销、套筒、键等抗剪元件来承担部分横向载荷,提高螺纹联接的可靠性。
图2 螺栓联结中的抗剪元件
如图3所示,在选择轴承类型时,在轴向载荷比径向载荷大得多或要求轴向变形较小的情况下,可选用推力轴承和径向接触轴承的组合结构来分别承受轴向载荷和径向载荷。
如图4所示的带轮结构,传动带产生的压轴力和传动带传递的转矩分别通过不同的路径传递。这样,轴只承受转矩,压轴力则直接由箱体承担了。
图3 推力和径向轴承组合结构图4 卸荷带轮结构
(二)均匀受载原则(载荷均布)
在确定工作载荷的大小的情况下,可以考虑通过在结构上均匀分布载荷的方法,来提高结构承载能力。尽量避免集中载荷,尽可能地将载荷分散在结构上,即为载荷均布。
如图5所示,经过简单的受力分析可知,受集中力的简支梁在C点的受力比受分布力的简支梁在C点的受力大了一倍,所以图5b简支梁的强度要好于图5a。
图5 简支梁受力分析
a)集中力 b)分布力