结构设计课题设计提高强度和刚度的结构设计

1、结构设计课题设计 题目：1）提高强度和刚度的结构设计 2）提高耐磨性的结构设计组员：李秀彦 1004040136张策升 1004040122王宇 1004040143目录一、 提高强度和刚度的结构设计 1、载荷分担 2、载荷均布 3、减少及其零件的应力集中 4、利用设置肋板的设施提高刚度二、 提高耐磨性的结构设计 1、改善润滑条件2、合理选择摩擦副的材料和处理3、使磨损均匀，避免局部磨损4、调节和补偿一、提高强度和刚度的机构设计机械结构设计包括两种 : 一是应用新技术 、 新方法开发创造新机械 ; 二是在原有机械的基础上重新设计或进行局部改进 , 从而改变或提高原有机械的性能 。 因此掌握丰富的工程知识是机械专业的教师应具备的素质之一 ; 是连接基础理论与实践经验的桥梁 ; 是正确进行机械结构设计的前提 ; 同时也是从事科研活动 、 将力学 、 材料 、 工艺 、 制图等多学科知识综合运用的过程 。机械结构形式虽然千差万别 , 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实现预定功能的先决条件 。所以在机械结构设计中

2、, 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 , 进行结构设计 。改善力学性能在机械结构设计中合理地运用力学知识 , 遵循以下几个原则 :一 、 载荷分担原则作用在零件上的外力 、 弯矩 、 扭矩等统称为载荷 。 这些载荷中不随时间变化或随时间变化缓慢的称为静载荷 。 随时间作周期性变化或非周期性变化的称为变载荷 。 它们在零件中引起拉 、 压 、 弯 、 剪 、 扭等各种应力 , 并产生相应的变形 。 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 。设计时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 , 称为载荷分担原则 。这样有利于提高机械结构的承载能力 。1 . 改变结构 , 减小轴的受力如图 1 - a 所示 , 轴已经承受了弯矩的作用 , 如果齿轮再经过轴将转矩传递给卷筒 , 则轴为转轴 ( 工作时既承受弯矩又承受转矩) , 受力较大 。 如果将齿轮和卷筒改用螺栓直接联接 , 则轴不受转矩作用 , 轴为转动心轴 ( 用来支承转动零件 , 只承受弯矩而不传递转矩

3、) , 轴的受力情况得到改善 , 结构较合理 。 如图 1 - b 所示 。2 . 采用减载装置 , 提高螺纹联接的可靠性如图 2 所示 , 靠摩擦力传递横向载荷的紧螺栓联接 , 要求保持较大的预紧力 , 结果会使螺栓的结构尺寸增大 。 此外 , 在振动 、 冲击或变载荷下 , 摩擦系数的变动 , 将使联接的可靠性降低 , 有可能出现松脱 。为了避免上述缺点 , 常用销 、 套筒 、 键等减载元件来承担部分横向载荷 , 提高螺纹联接的可靠性 。二 、 载荷均布原则在工作载荷大小确定的情况下 , 可以通过在结构上均匀分布载荷的方法 , 来提高结构承载能力 。 设计时尽量避免集中载荷 , 尽可能地将载荷分散在结构上 , 即为载荷均布原则 。1 . 将集中力改为均布力如图 3 所示 , 经过简单的受力分析可知 , 受集中力的简支梁在 C 点所受弯矩如图 a) 比受均布力的简支梁在 C 点所受弯矩如图 b) 大了一倍 , 所以图 3 - b 简支梁的强度要好于图 3 - a 。2 . 改善螺纹牙间的载荷分布普通螺栓和螺母的刚度不同 、 变形不一样 。 一般螺栓联接受载后 , 各圈螺纹牙间的载荷

4、分布是不均匀的 ( 见图 4- a) , 螺母支承面上第一圈所受的力为总载荷的 1/ 3 以上 。 为改善螺纹牙间载荷分配不均匀的现象 , 可采用 :悬置螺母图 4 - b) : 使螺母与螺栓均受拉 , 减小两者的刚度差 , 使其变形趋于协调 。内斜螺母图 4 - c) : 螺母内斜 10 - 15 可减小原受力大的螺纹牙的刚度 , 从而把力分流到原受力小的螺纹牙上 , 使其螺纹牙间的载荷分配趋于合理 。环槽螺母图 4 - d) : 与悬置螺母类似 。三 、 载荷平衡原则在力的传递过程中 , 一些机械结构常常不可避免地出现不做功的附加力 , 例如 , 斜齿轮啮合的轴向力 , 产生摩擦力的正压力 , 往复和旋转运动的惯性力等 , 这些对结构功能毫无作用的附加力 , 加大了结构的负载 , 降低了机械结构的承载能力 。 如果在设计时使其在同一零件内与其它同类载荷构成平衡力系 , 则其它零件不受这些载荷的影响 , 有利于提高结构的承载能力 , 这就是载荷平衡原则 。 主要措施为 : 引入平衡件和对称安装 。在高速回转机械中 , 必须靠结构的措施及动平衡的方法使旋转惯性力降低到允许的大小 , 这

5、就要求回转件的质量相对于回转中心尽量对称分布 。 通过对回转件在动平衡机做动平衡实验 , 测出并消除超出允许值的不平衡质量 。做往复运动的机械 , 如连杆机构 , 可在设计中采取结构措施和动平衡的方法 , 使其在运转时产生尽可能小的惯性力 。四 、 减小应力集中原则对承受交变应力的结构 , 应力集中是影响承载能力的重要因素 , 结构设计应设法缓解应力集中程度 。在应力集中的部位 , 零件的疲劳强度将显著降低 。 最大应力比该截面上的平均应力可以大 25 倍以上 。 应力集中程度与零件的局部变化形式 ( 见图 5) 有关 , 零件截面突变的地方 ( 尖角处) 应力集中较严重 , 因此在结构设计时将突变的截面改为平缓过渡形式 ( 采用过渡圆角结构) , 可减缓应力集中的程度 , 从而提高零件的疲劳强度 。另外 , 降低截面尺寸变化处附近的刚度 , 可以降低应力集中的影响程度 。 如图 6 所示 。 设计时还要注意避免多个应力集中源叠加 。 如图 7 所示的轴结构中台阶和键槽端部都会引起轴在弯矩作用下的应力集中 , a 图结构的应力集中状况比 b 图结构的应力集中状况要严重得多 。五 、 提

6、高刚度原则在进行结构设计时 , 在不增加零件质量的前提下 , 要尽量提高零件结构的刚度 。 对于不同类型的零件 , 应根据其结构特点采用相应的措施 。 但总的来说要注意以下几点 :( 1) 用受压 、 拉零件替代受弯曲零件 ;( 2) 合理布置受弯曲零件支承 ;( 3) 合理设计受弯曲零件的截面形状 ;( 4) 合理采用筋板 , 尽可能使筋板受压 ;( 5) 采用预变形方法 。六 、 变形协调原则一个零件和另一个零件相接触 , 当在接触处难以同步变形时 , 零件间在接触区域里应力会急剧上升 , 这是应力集中的另一种情况 。 在接触处降低零件在力流方向上的刚度 , 尽量使两零件在接触区域里同步变形 , 降低应力集中的影响 , 这就是变形协调原则 。变形不协调不仅会导致应力集中 , 降低机械结构的强度 , 而且还可能损害机械的功能 。如图 8 所示 , 过盈配合联接结构在轮毂端部应力集中严重 , 可通过降低轴或轮毂相应部位的局部刚度使应力集中得到有效缓解 。七 、 等强度原则一般机械设计中的强度要求是通过零件中最大工作应力等于或小于材料许用应力来满足 , 为了充分利用材料 ,最理想的设计是

7、应力处处相等 , 同时达到材料的许用应力值 , 即为等强度原则 。工程中大量出现的变截面梁就是按照等强度原则来设计的 。 比如 , 摇臂钻的横臂 AB , 汽车用的板簧和阶梯轴等 ( 见图 9) 。 八 、 其他设计原则1 . 空心截面原则弯曲应力或扭转应力在横截面上都是越远离中心越大 , 而在中心处却很小 , 为了充分利用材料 , 应尽量将材料放在远离截面中心处 , 使其成为空心结构 , 从而提高零件的强度和刚度 , 此即为空心截面原则 。2 . 受扭截面封闭原则受扭转作用的薄壁零件的截面应尽量制造成为封闭形状 , 因为封闭形状比开口形状抗剪切能力强 , 抗扭刚度大 ,此即为受扭截面封闭原则 。3 . 最佳着力点原则着力点的位置要尽量通过中心点 、 结点等位置 , 避免产生附加弯矩 , 这样有助于提高零件的承载能力 。4 . 受冲击载荷结构柔性原则为了提高零件的抗冲击的能力 , 应减小结构的刚度 , 加大柔性 , 这将有助于改善结构的性能 。下面着重提一下提高刚度设计准则提高刚度的结构设计准则一、刚度的作用结构(或系统)的刚度:在外载荷作用下结构(或系统)抵抗其自身变形的能力。在相同

8、的外载荷作用下,刚度愈大则变形愈小。 刚度也表明结构(或系统)的工作能力: 1)过大的变形会破坏结构或系统的正常工作,从而可能导致产生过大的应力;2)过大的变形也可能破坏载荷的均衡分布,使产生大大超过正常数值的局部应力;3)壳体的刚度不够大,影响安装在里面的零件的相互作用,增加运动副的摩擦与磨损。4)受动载荷作用的固定连接的刚度不够,会导致表面的摩擦腐蚀、硬化和焊连。 5)金属切削机床的床身及工作机构的刚度影响机床的加工精度。在运输机械、飞机、火箭等需要严格限制自身重量的机械装置中,刚度更具有重要意义。刚度的类型:1) 一个零件、一个结构本身的整体刚度;2)两相互接触表面间的接触刚度(如机床的滑台与床身导轨、滚动支承中的滚动体与其支承零件之间)3)动压或静压滑动轴承的油膜(或气膜)刚度这些都影响结构或系统的性能和工作能力。二、决定结构刚度的基本因素 结构刚度决定于下列因素: 1.材料的弹性模量 2.变形体断面的几何特征数 3.变形体的线性尺寸长度l 4.载荷及支承形式1.材料的弹性模量拉、压和弯曲条件下的弹性模量E扭转条件下的剪切弹性模量G弹性模量是材料的固有特性数,工业用金属中仅仅W

9、、Mo等有较高的弹性模量。 2.变形体断面的几何特征数拉、压时为断面积A 弯曲时是断面的惯性矩J扭转时是断面的极惯性矩Jp断面的尺寸和形状对刚度的影响最大。3.变形体的线性尺寸长度l4.载荷及支承形式 载荷:集中载荷或分布载荷 支承:铰支或插入端等。材料的选用主要取决于零件的工作条件。因此,提高刚度最常用的措施是合理地配置系统的几何参数。三、提高刚度的结构设计准则1)用构件受拉、压代替受弯曲准则2)合理布置受弯曲零件的支承,避免对刚度不利的受载形式准则3)合理设计受弯曲零件的断面形状,尽可能大的断面惯性矩准则4)正确采用肋板以加强刚度,尽可能使肋板受压准则5)用预变形(由预应力产生的)抵消工作时的受载变形准则1.用拉、压代替弯曲准则杆件受弯矩作用:在距中性面远的材料纤维中产生大的弯曲应力;在中性面处弯曲应力为零。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。杆件受拉伸则与此不同:若无应力集中的影响,应力基本上均匀分布。材料得到较好的利用。用拉、压代替弯曲可获得较高的刚度。 如图所示之简支架(受弯曲)可以用铰支的三角桁架或弓形梁(受压缩)代替。 图示之铸造支座受横向力,由结构a改为结构b,辐板则由受弯曲改变为受拉、压。2、合理布置支承准则

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