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機械設計包括兩種 :一是應用新技術 、新方法開發創造新機械 ;二是在原有機械的基礎上重新設計或進行局部改進 ,從而改變或提高原有機械的性能 。因此掌握豐富的工程知識是機械專業的教師應具備的素質之一 ;是連接基礎理論與實踐經驗的橋樑 ;是正確進行機械結構設計的前提 ;同時也是從事科研活動 、將力學 、材料 、工藝 、製圖等多學科知識綜合運用的過程 。
機械結構形式雖然千差萬別 ,但其功能的實現幾乎都與力 (力矩 ) 的產生 、轉換 、傳遞有關 。機械零件具有足夠的承載能力是保障機械結構實現預定功能的先決條件 。所以在機械結構設計中 ,根據力學理論對零件的強度 、剛度和穩定性進行分析是必不可少的 ,並在此基礎上 ,進行結構設計 。改善力學性能在機械結構設計中合理地運用力學知識 ,遵循以下幾個原則 :
一、載荷分擔原則
作用在零件上的外力 、彎矩 、扭矩等統稱為載荷 。這些載荷中不隨時間變化或隨時間變化緩慢的稱為靜載荷 。隨時間作週期性變化或非週期性變化的稱為變載荷 。它們在零件中引起拉 、壓 、彎 、剪、扭等各種應力 ,併產生相應的變形。如果同一零件上同時承擔了多種載荷的作用 ,則可考慮將這些載荷分別由不同的零件來承擔 。設計時採取一定的結構形式 ,將載荷分給兩個或多個零件來承擔 ,從而減輕單個零件的載荷 ,稱為載荷分擔原則 。這樣有利於提高機械結構的承載能力 。
1. 改變結構 ,減小軸的受力
如圖 1 - a所示 ,軸已經承受了彎矩的作用 ,如果齒輪再經過軸將轉矩傳遞給捲筒 ,則軸為轉軸 (工作時既承受彎矩又承受轉矩 ) ,受力較大 。如果將齒輪和捲筒改用螺栓直接聯接 ,則軸不受轉矩作用 ,軸為轉動心軸 (用來支承轉動零件 ,只承受彎矩而不傳遞轉矩 ) ,軸的受力情況得到改善 ,結構較合理 。如圖 1 - b 所示 。
2. 採用減載裝置 ,提高螺紋聯接的可靠性
如圖 2 所示 ,靠摩擦力傳遞橫向載荷的緊螺栓聯接 ,要求保持較大的預緊力 ,結果會使螺栓的結構尺寸增大 。此外 ,在振動 、衝擊或變載荷下 ,摩擦係數的變動 ,將使聯接的可靠性降低 ,有可能出現鬆脫 。為了避免上述缺點 ,常用銷、套筒 、鍵等減載元件來承擔部分橫向載荷 ,提高螺紋聯接的可靠性 。
二、載荷均布原則
在工作載荷大小確定的情況下 ,可以通過在結構上均勻分佈載荷的方法 ,來提高結構承載能力 。設計時儘量避免集中載荷 ,儘可能地將載荷分散在結構上 ,即為載荷均布原則 。
1. 將集中力改為均布力
如圖 3 所示 ,經過簡單的受力分析可知 ,受集中力的簡支梁在 C點所受彎矩如圖 a) 比受均布力的簡支梁在 C 點所受彎矩如圖 b) 大了一倍 ,所以圖 3 - b 簡支梁的強度要好於圖 3 - a。
2. 改善螺紋牙間的載荷分佈普通螺栓和螺母的剛度不同 、變形不一樣 。一般螺栓聯接受載後 ,各圈螺紋牙間的載荷分佈是不均勻的 (見圖 4- a) ,螺母支承面上第一圈所受的力為總載荷的 1/ 3 以上 。為改善螺紋牙間載荷分配不均勻的現象 ,可採用 :懸置螺母圖 4 - b) :使螺母與螺栓均受拉 ,減小兩者的剛度差 ,使其變形趨於協調 。內斜螺母圖 4 - c) :螺母內斜 10°- 15°可減小原受力大的螺紋牙的剛度 ,從而把力分流到原受力小的螺紋牙上 ,使其螺紋牙間的載荷分配趨於合理 。
環槽螺母圖 4 - d) :與懸置螺母類似 。
三、載荷平衡原則
在力的傳遞過程中 ,一些機械結構常常不可避免地出現不做功的附加力 ,例如 ,斜齒輪齧合的軸向力 ,產生摩擦力的正壓力 ,往復和旋轉運動的慣性力等 ,這些對結構功能毫無作用的附加力 ,加大了結構的負載 ,降低了機械結構的承載能力 。如果在設計時使其在同一零件內與其它同類載荷構成平衡力系 ,則其它零件不受這些載荷的影響 ,有利於提高結構的承載能力 ,這就是載荷平衡原則 。主要措施為 :引入平衡件和對稱安裝 。
在高速回轉機械中 ,必須靠結構的措施及動平衡的方法使旋轉慣性力降低到允許的大小 ,這就要求迴轉件的質量相對於迴轉中心儘量對稱分佈 。通過對迴轉件在動平衡機做動平衡實驗 ,測出並消除超出允許值的不平衡質量 。做往復運動的機械 ,如連桿機構 ,可在設計中採取結構措施和動平衡的方法 ,使其在運轉時產生儘可能小的慣性力 。
四、減小應力集中原則
對承受交變應力的結構 ,應力集中是影響承載能力的重要因素 ,結構設計應設法緩解應力集中程度 。在應力集中的部位 ,零件的疲勞強度將顯著降低 。最大應力比該截面上的平均應力可以大 2～5倍以上 。應力集中程度與零件的局部變化形式 (見圖 5)有關 ,零件截面突變的地方 (尖角處 )應力集中較嚴重 ,因此在結構設計時將突變的截面改為平緩過渡形式 (採用過渡圓角結構 ) ,可減緩應力集中的程度 ,從而提高零件的疲勞強度 。
另外 ,降低截面尺寸變化處附近的剛度 ,可以降低應力集中的影響程度 。如圖 6所示 。設計時還要注意避免多個應力集中源疊加 。如圖 7 所示的軸結構中臺階和鍵槽端部都會引起軸在彎矩作用下的應力集中 ,a 圖結構的應力集中狀況比 b圖結構的應力集中狀況要嚴重得多 。
五、提高剛度原則
在進行結構設計時 ,在不增加零件質量的前提下 ,要儘量提高零件結構的剛度 。對於不同類型的零件 ,應根據其結構特點採用相應的措施 。但總的來說要注意以下幾點 :
(1)用受壓 、拉零件替代受彎曲零件 ;
(2)合理佈置受彎曲零件支承 ;
(3)合理設計受彎曲零件的截面形狀 ;
(4)合理採用筋板 ,儘可能使筋板受壓 ;
(5)採用預變形方法 。
六、變形協調原則
一個零件和另一個零件相接觸 ,當在接觸處難以同步變形時 ,零件間在接觸區域裡應力會急劇上升 ,這是應力集中的另一種情況 。在接觸處降低零件在力流方向上的剛度 ,儘量使兩零件在接觸區域裡同步變形 ,降低應力集中的影響 ,這就是變形協調原則 。變形不協調不僅會導致應力集中 ,降低機械結構的強度 ,而且還可能損害機械的功能 。如圖 8 所示 ,過盈配合聯接結構在輪轂端部應力集中嚴重 ,可通過降低軸或輪轂相應部位的局部剛度使應力集中得到有效緩解 。
圖 8 過盈配合的聯接結構
七、等強度原則
一般機械設計中的強度要求是通過零件中最大工作應力等於或小於材料許用應力來滿足 ,為了充分利用材料 ,最理想的設計是應力處處相等 ,同時達到材料的許用應力值 ,即為等強度原則 。工程中大量出現的變截面梁就是按照等強度原則來設計的 。比如 ,搖臂鑽的橫臂 AB ,汽車用的板簧和階梯軸等 (見圖 9) 。
八、其他設計原則
1. 空心截面原則
彎曲應力或扭轉應力在橫截面上都是越遠離中心越大 ,而在中心處卻很小 ,為了充分利用材料 ,應儘量將材料放在遠離截面中心處 ,使其成為空心結構 ,從而提高零件的強度和剛度 ,此即為空心截面原則 。
2. 受扭截面封閉原則
受扭轉作用的薄壁零件的截面應儘量製造成為封閉形狀 ,因為封閉形狀比開口形狀抗剪切能力強 ,抗扭剛度大 ,此即為受扭截面封閉原則 。
3. 最佳著力點原則
著力點的位置要儘量通過中心點 、結點等位置 ,避免產生附加彎矩 ,這樣有助於提高零件的承載能力 。
4. 受衝擊載荷結構柔性原則
為了提高零件的抗衝擊的能力 ,應減小結構的剛度 ,加大柔性 ,這將有助於改善結構的性能 。
機械設計是一項複雜 、細緻和科學性很強的工作 。其結構設計雖然各不相同 ,但都與力學性能有關 ,改善力學性能 ,提高結構的承載能力是保證機械完成預定功能的關鍵
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