(27)--6.3 提高性能的结构创新设计.ppt

机械创新设计InnovativeDesignforMachinery结构创新设计3

二、提高性能的设计

结构设计的质量直接影响产品的性能，甚至影响产品功能的实现。本节分析为提高结构的强度、刚度、精度、工艺性等方面性能常采用的设计方法，通过这些分析可以对结构的创新设计提供可供借鉴的思路。

强度和刚度都与结构受力有关，在外载荷不变的情况下降低结构受力是提高强度和刚度的有效措施。（一）提高强度和刚度的设计

1．载荷分担结构设计中将载荷由多个结构分别承担，这样有利于降低危险结构处的应力，从而提高结构的承载能力，这种方法称为载荷分担。图29所示为一位于轴外伸端的带轮与轴的联接结构。

衬套图29图1

图30a所示为蜗杆轴系结构，轴承在承受径向载荷同时承受较大的轴向载荷。在图b结构中增加了专门承受双向轴向载荷的双向推力球轴承。图30

2．载荷平衡在同一零件内与其他同类载荷构成平衡力系，有利于提高结构的承载能力。图31a所示的行星齿轮结构中齿轮啮合使中心轮和系杆受力。图b所示结构中使行星轮产生的力在中心轮和系杆上合成为力偶，有利于相关结构的设计。图31

3．减小应力集中应力集中是影响承受交变应力的结构承载能力的重要因素，结构设计应设法缓解应力集中。在零件的截面形状发生变化处力流会发生变化（如图32所示），局部力流密度的增加引起应力集中。例如图33a所示过盈配合联接结构在轮毂端部应力集中严重，图b、c、d所示结构通过降低局部刚度使应力集中得到有效缓解。图34所示的轴结构中台阶和键槽端部都会引起应力集中，图a的结构将两个应力集中源设计到同一截面处，加剧了局部的应力集中，图b结构使键槽不加工到轴段根部，避免了应力集中源的集中。

图32

过盈结构图33

图34

4．减小接触应力高副接触零件的接触强度和接触刚度都与接触点的综合曲率半径有关，设法增大接触点的综合曲率半径是提高这类零件工作能力的重要措施。图35所示结构中图a两个凸球面接触传力，综合曲率半径较小，接触应力大；图b为凸球面与平面接触，图c为凸球面与凹球面接触，综合曲率半径依次增大，有利于改善球面支承的强度和刚度。

图35

通过结构设计可以减小由于制造、安装等原因产生的原始误差，减小由于温度、磨损、构件变形等原因产生的工作误差，减小执行机构对各项误差的敏感程度，从而提高产品的精度。（二）提高精度的设计

1．误差均化通过适当的结构设计可以在原始误差不变的情况下使执行机构的误差较小。图36所示为千分尺的测量误差与其螺距误差的对比图，图a为千分尺的累积测量误差，图b为千分尺螺杆的螺距累积误差。：

图36

2．误差合理配置前支点的误差对主轴前端的精度影响较大，所以在主轴结构设计中通常将前支点的轴承精度选择得比后支点高一个等级。前端图37

3．误差传递在机械传动系统中，各级传动件都会产生运动误差，传动件在传递必要的运动的同时将误差传递给下一级传动件。图38

4．误差补偿在机械结构工作过程中，温度变化、受力、磨损等因素常常是影响机械结构工作精度的原因。但是好的结构设计可以减少由于这些因素对工作精度造成的影响。在图39所示的两种凸轮机构设计中，凸轮和移动从动件与摇杆的接触点上都会发生磨损，图a的结构使得这两处磨损对从动件的运动误差的影响互相叠加，而图b的结构则使得这两处磨损对从动件的运动误差的影响互相抵消。图39

5．采用误差较小的近似机构优先采用近似性较好的近似机构可以减小原理误差。

设计的结果要通过制造、安装、运输等过程实现，好的结构设计应使这些过程方便、顺利地进行。（三）提高工艺性的设计

1．方便装卡结构设计要根据机械切削加工机床的设备特点，为装卡过程提供必要的夹持面。如果能够通过一次装卡对零件上的多个相关表面进行加工，这将有效地提高加工效率。

在图41所示的顶尖结构中，图a结构只有两个圆锥表面，用卡盘无法装卡；在图b的结构中为了实现工艺过程增加了一个圆柱形表面。图41