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第六章机械结构设计机械结构是机械功能的载体，机械结构设计的任务是在功能原理方案设计与总体设计的基础上，将原理设计方案结构化，确定机械装置的具体结构与参数。回忆一下《机械设计》课程中学习的轴的结构设计的步骤和内容轴的结构设计的一

般步骤：➢选择材料➢初估轴端直径➢考虑轴上零件的布置、定位、固定、装拆、调整等要求，同时考虑减少轴的应力集中和保证轴的结构工艺性，从而确定轴的结构（轴的形状和尺寸）➢刚度、强度等验算➢如有问题再做修改机械结

构设计需要确定结构的组成（形式与数量）及其装配关系，确定所有零件的材料、热处理方式、形状、尺寸及精度。还必须考虑加工工艺、强度、刚度、寿命、可靠性及零件间的相互关系等。所确定的结构不但要保证功能实现的可能性，而且要保证功能实现的可

靠性，使得机械装置在工作中具有足够的工作能力和工作性能。两种结构设计：➢产品结构方案设计➢零件结构设计（详细设计）功能原理设计决定了产品的先进性、新颖性，结构设计则决定了产品的质量和成本（70％~80％）。结构设计是机械设计过程中内容最具体、

涉及问题最多，工作量最大的环节。第一节零件的功能、相关与结构要素零件是构成机械装置的基本单元，机械装置的功能通过零件之间相互作用而实现。一、零件的功能机械零件在机械结构中的基本功能是：承受载荷、传递运动和动力，以保证机械

装置实现正确的运动规律和运动轨迹。1．传递运动和动力摆杆3的作用是把运动和动力传给滑枕2，以便使刨刀1实现直线住复运动并切下金属。2．承受载荷机械装置在工作中受到多种力的作用，这些力都要由零件承受。这些力包括：✓机械装置工作所需的力✓零件所受的重力✓由于速度波动使零件受到的惯性力✓由于做旋转运动

使零件受到的离心力✓直接接触的零件之间的摩擦力✓在介质中运动的零件受到介质的作用力（液压力、风阻力）✓对连接结构施加的预紧力(螺纹联接、过盈联接)✓由于温度变化而产生的附加载荷等如图6-2所示减速器结构中，

齿轮传动所受到的力通过轴传递给轴承，其中的径向力和切向力通过轴承传递给箱体，轴向力经轴承传递给端盖，再经端盖传递给箱体。承受载荷是使零件发生失效的重要原因。正确分析结构的受力是进行结构的工作能力设计的基础。3.成形在工艺过程中，通过工作头的形状、运动方式和作用场，完成对对象物的成形。如切削机

床上的刀具，冲压机床上的模具，锻压机床的锻锤，耕地用的犁等，都是起成形作用的工作头。4.其它功能➢起容器作用的零件(如油箱)可以容纳物体(原料、燃料、废弃物等)➢起引导作用的结构可以✓引导其他零件的运动(

如导轨、螺旋)✓可以引导流体或松散物体的流动✓可以引导场的分布，如使光波或声波发生反射或折射，影响电场或磁场的分布，引导热量的流动等二、零件的相关在机械装置中，每一个零件都不是独立存在的，机械装置的功能是依靠零部件的形状、尺寸和相对位置关系实现

的。在机械装置中，必须使零部件之间保持确定的关系，才能保证其功能的实现，才能使零件组成机器。这种零件之间的确定性的关系称为零件之间的相关。有些零件之间的相对位置关系是通过零件表面之间的直接接触实现的。如轴与装配在

轴上的齿轮，通过轴径圆柱表面确定它们之间的径向相对位置关系，通过轴肩端面确定它们之间的轴向相对位置关系；相互啮合的一对齿轮通过齿面间的接触确定两轮之间的相对转角关系（传动角）。这种通过零件表面直接接触实现的相关关系称为直接相关关系。有些零件之间的某些关系需要

通过其他零件之间的一系列的直接相关关系的组合来实现。如轴与装配在轴上的齿轮之间的周向位置关系是通过各自与键的接触问接实现的，两轴之间的平行关系是通过轴与轴承之间、轴承与箱体之间的直接相关关系间接实现的。这类相关关系称为间接相关关系。三、零件的结构要素零件的形

体通常由多个表面构成，这些构成零件形体的表面成为零件的结构要素。一个零件与其他零件形成直接相关关系的结构要素，或与工作介质相接触的结构要素称为工作要素(或工作表面)，其他结构要素称为连接要素(或连接表

面)。➢每一个零件都有工作表面。➢零件的工作表面决定着零件的工作能力和工作质量，所以零件工作表面的设计是零件设计的核心问题。➢每个零件的工作表面都不是孤立存在的，每个工件表面和与之相接触的表面相互配合，共同

起作用，所以零件的工作表面都是成对进行设计，设计中共同考虑材料的选择搭配，表面的形状、尺寸，配合公差的分配，热处理方式的选择等。例如螺栓和螺母的螺纹工作表面共同设计，滑动轴承与轴的轴颈表面共同设计，主动齿轮和被动齿轮的齿廓表面共同设计。工作表面鉴于工作表面对零件工作能力影响

的重要性，因而常用零件工作表面的设计计算方法有相应的标准(有些属于国家标准)，这些标准所规定的算法严格、统一、规范。连接表面将各个工作表面连接成为完整形体，并保证零件的工作表面的形状、尺寸和位置在工作中不被破坏。连接表面的

设计方法较为灵活，没有统一的过程和标准，也不要求有统一的过程和标准，因此零件的连接表面设计是设计人员最能发挥创造性思维的重要方面。连接表面设计方法虽较灵活，但也应遵守以下的原则：➢不影响工作表面的功能➢不影响零件运动➢

不影响操作➢在不违背以上原则的前提下，还应尽可能兼顾零件的强度、刚度、寿命、工艺性、经济性、美观等要素。连接表面在如图6-4所示的支架零件中，与轴颈表面接触的孔表面、与箱体接触的底面和与螺母端面接触的凸台上表而为工作表面，其余表面均为连接表面，在不违背连接表面设计原则的前提下，通过改变连接表面

的尺寸、位置及连接关系，可将零件结构分别设计成如图6-5所示的多种结构。第二节结构方案设计的基本原则与原理一、结构设计的基本原则确定和选择结构方案时应遵循三项基本原则：明确、简单和安全可靠。1．明确(1)功能明确要求对于设计任务规定实现的每一项功能都必须对应于某些具体的结构要素，同时

每一项结构要素要对应于某一项或多项）功能要求。这项原则保证所有的功能要求都能够实现，同时不存在多余的结构要素。传递转矩是键还是圆锥面，零件的轴向定位是轴的台阶面还是圆锥面，两者均不明确。这是一种功能不明确的结构。传递转矩、零件的轴向定位两种功能都是由圆锥面承担，是一种好结构。(2)工作原理明确在

功能原理设计中需要通过某种(或某些)物理过程实现给定的功能要求。实际使用的机械装置在工作中必然同时进行着多种物理过程，例如由于受力引起零部件变形和磨损，由于受热引起的零部件形状、尺寸、位置变化等，还有电、磁、光、化

学等过程，设计中应充分考虑这些自然过程的进行对机械装置的工作过程以及对环境的影响；对可能影响主要功能实现的自然现象要采取必要的应对措施。设计者原意是滚针轴承承担径向力，向心球轴承承受轴向力。实际上，两个轴承都

能承受径向力，各自受力大小因两种滚动体不同而不确定，故容易导致某个轴承过载而损坏。滚针轴承承担径向力，推力球轴承承受轴向力，径向力和轴向力承受者都很清楚，因此功能和作用原理都明确。（3)工作状态明确在结构设计中，零件的材料选择及工作能力分析均根据对结构的工作状态分析进行。设

计中应避免出现可能造成某些要素的工作状态不明确的结构。如图6—7所示的轴系结构中，轴系工作中会因发热使轴伸长，轴承端盖与滚动轴承外圈应不接触，否则端盖可能参与轴向力的传递，使工作状态不明确。2．简单➢在结构设计中，在同样可

以完成功能要求的条件下，应优先选用结构较简单的方案。➢结构简单体现为结构中包含的零部件数量较少，专用零部件数量较少，零部件的种类较少，零件的形状简单，被加工面数量较少，所需加工工序较少，结构的装配关系较简单。➢结构简单通常有利于加工和装配，有利于缩短制造周期，有利于降低制

造与运行成本；简单的结构还有利于提高装置的可靠性，有利于提高工作精度。3．安全可靠要求机械装置的工作安全可靠包括3个方面的内容：1)设计要求的功能要可靠地实现。2)在工作中，特别是在出现故障的情况下，保

证操作机器的人员的安全。3)在工作中，特别是在出现故障的情况下，保证机器设备本身及相关设备的安全。(1)直接安全技术通过设计，保证装置在工作中不出现危险，满足安全性要求的设计技术，称为直接安全技术，称为固有安全性。➢这种方法应保证机械装置具有足够的工作能力，不但保证静强度，而且应保证疲劳强度和寿

命，保证结构在发生磨损、因受力及受热而发生变形情况下不失效。当装置发生过载时应实现自我保护，使零部件不发生损坏，过载工况解除后系统可自行恢复正常工作状。➢直接安全技术还应避免由于错误操作而引起事故，当操作者发生错误操作时，控制装置能自动关闭设备或使设备无法起动。➢应用直接

安全技术保证机械设备的安全虽然可靠，但在很多情况下这是不经济的方法，在有些情况下由于技术条件限制，无法应用直接安全技术。(2)间接安全技术➢间接全技术使得当系统发生故障时所造成的损失较小，系统的工作状态较容易恢复。➢间接安全技术可以在传动链中设置安全保护装置，使得当系统发生过载时，安全保护装

置中的某些结构损坏，使传动链中断，保护传动链中的其他零件(特别是重要零件)不受损坏。使得零件损坏造成的影响范围尽量小。如图6-10所示的剪切销安全离合器就是对传动链起保护作用的安全装置。设计中使销的承载能力小于系统中其他零件的承载能力，发生过载时销被剪断，使传动链中断。通过更

换销可恢复传动链工作。间接安全技术也可以在装置中设置冗余工作系统，使得当某些零件因损坏不能完成预定功能时冗余工作系统投入工作，代替原系统功能。这种方法适用于对系统可靠性要求较高，系统功能不允许中断的情况。这种方法增加了系统的复杂性，同时也提高了成本。例：飞机发动机的双驱动、三驱动和副

油箱；压力容器中两个安全阀；为确保煤矿井下绝对安全，对排水的水泵系统采用两套或三套配置(一套运转，一套维修，一套备用)。(3)提示性安全技术法➢当由于技术或经济原因不适合采用前面两种技术的情况下，可以采用提示性安全技术。➢当故障发生时，

采用文字、图像、灯光、声音等措施提示使用者，或者使其排除故障，或使其避险。➢提示信息应准确、及时，并尽可能全面。二、结构设计的原理1.等强度原理等强原理要求设计者确定的结构参数应使结构的各部分具有相同或相似的承载能力。➢在机械结构设计中，提高结构的承载能力通常会增

加成本。而机械装置整体的承载能力取决于承载能力最低的结构要素。等强原理在承载能力相等的前提下使总成本最低。➢根据等强原理，当结构中某个结构要素的承载能力低于其他结构要素时，通过提高这个薄弱的结构要素的承载能力以提高整个结构的承载能力是最经济

的方法。注意以下几点：1)如果在某些结构中追求等强会增大成本，则应放弃等强原理。例如在滚动轴承轴系结构设计中，同一轴系两端的两个轴承通常受力不同，如果要求其工作寿命或承载能力相同，就需要选用不同型号的轴承，这虽然可以降低轴承成本，但是会增大加工轴承孔的工艺成本，所以应放弃等强原理。2

)不同结构要素的工作原理不同，承载能力的差别很大，使工作原理不同的结构要素的承载能力相同可能会使结构比例不协调。例如自行车的车架和轴承、轮胎的承载能力相差较大，这种情况下通常采用多次更换易损零件的方法解决，将承载能力较低的结构零件设计成较易更换的结构。3)为保护

重要零部件，设计中使某个零部件的承载能力较低，通过牺牲廉价易更换零件的方法保护重要零部件。4)有些结构参数有标准系列值，在按照等强原理进行设计后应按标准系列圆整参数。2．变形协调原理连接结构的功能要求被连接件之间要保持接触，如果被连接件在预

紧力及工作载荷作用下的变形方向不一致，变形规律不一致，会使被连接件之间发生相对位移。在连接表面上需要产生附加变形以补偿相对位移，使被连接件保持接触。附加位移使载荷在接触面间的分布不均匀。在连接结构设计中，应使被连接件的变形方向和变形规律相一致，使相对位

移量较小，以减小附加变形，使载荷在接触面间均匀分布。kr螺栓联接预紧后，外螺纹受拉伸长，螺距加大，内螺纹受压缩短，螺距减小。螺距的变化使螺纹牙产生附加弯曲变形，造成预紧力在螺纹牙之间分布不均匀。图6-11所示为当螺纹工作圈

数为10圈时的载荷分布情况。由于第一圈螺纹承担总载荷的三分之一，使总体承载能力降低。图6-12a所示为悬置螺母，使内外螺纹在工作中均受拉伸，变形方向相同；图6-12b所示为环槽螺母，使原受力最大的几圈螺纹的内外螺纹变形方向相同

。这些措施有利于改善载荷分布不均的工作情况，提高结构的总体承载能力。3．任务分配原理机械结构的功能依靠所有的零部件及其结构要素协调工作来实现。机械功能在零部件间的分配关系通常有以下3种可能：1)多个零件共同完成一个功

能。2)一个零件完成一个功能。3)一个零件完成多个功能。设计中要根据功能要求合理确定功能分配方法。一个零件完成多个功能有利于简化结构，降低成本。但是多种功能通常对零件提出不同的技术要求，有些要求很难在同一个零件上实现，这种情况下就需要对功能进行分解。一个零件完成一个功能的分配方法有利

于分析和优化设计。对于有些复杂的功能，要求由多个零件协作完成通常是必要的。轴承的密封和定位用同一个结构1来完成，需用圆钢车成，其制造费用高。不同的密封和定位结构密封和定位分别由1挡圈和2轴套承担，2可用管料车成，节约材料、减少加工时

间。V带传动要求传动带材料具有摩擦因数大、抗拉、耐磨、易弯、价廉的特点，使用单一材料很难同时满足这些要求，现在普遍采用的传动带是通过强力纤维、橡胶和帆布的组合构成的。采用同一种材料制造的零件，可以对零件的不同部位实施不同方式的热

处理，使其具有不同的力学性能。蜗杆传动设计中要求蜗轮齿廓表面材料具有较好的抗胶合性，同时要求轮毂材料具有较高的强度，传递动力的蜗轮通常采用装配结构，轮缘采用青铜合金，轮毂采用钢或铸铁。4．自助原理在结构设计中，通过正确地选择结构形式及零件之间的连接关系，可以使零件及其结构要素之间形成互相支持的

关系，称为自助。常见的自助原理的应用形式有：➢自增强➢自平衡➢自保护(1)自加强装置在初始状态下具备某种功能，在工作状态下这种功能会有改变，如果在工作状态下有用的功能得到强化则称为自加强。如图6-13所示压力容器，如采用图6-13a所示结构，工作压力有利于加强端口密封功能；如采用图6-

13b所示结构，工作压力对密封功能有损害作用。自增强作用的密封装置，压力P使带锥面圆盘1更紧密地压在密封2上，这就是利用主参数压力P产生了增强密封的辅助作用。2)自平衡在机械装置工作过程中会出现多种物理过程，其中有些过程会对结构产生不利的影响，通过设计选择结构形式，可以使一些不利因素相互

抵消。机械装置在传递工作载荷的同时需要承担一些不做功的力，由于这些力的作用，使得机械装置传递有用工作载荷的能力降低。在结构设计中，应尽力降低这些不做功的力的作用程度，缩小其作用范围。如图6-7所示斜齿圆

柱齿轮轴系结构，齿轮传动产生的轴向力经齿轮传递给轴，再经多个轴上零件和滚动轴承传递到箱体，这些零件都要承受轴向力的作用；轴向力的作用会影响滚动轴承承受径向载荷的能力。在如图6-15所示的双斜齿轮轴系结构中，由于两个斜齿轮动产生的

轴向力作用范围减小，使滚动轴承的工作寿命提高。图6-16所示为叶片泵中的叶片受力情况分析。在图6-16a所示结构中，介质作用力会对叶片根部产生较大的弯曲应力；在图6-16b所示结构中，将叶片向一侧倾斜，使得叶片在高速旋转中的离心力对叶片根部产生的弯矩与介质作用力产生弯矩方向相反，有抵消

作用。齿轮泵径向力不平衡。P1与P1’为液压力，P2与P2’为齿轮啮合力，P和P’为主动齿轮轴承和被动齿轮轴承所承受的径向力。P’和P加快了轴承的磨损。径向力得到平衡。在泵壳或侧板上开有径向力平衡槽，把高压油引到低压区，把低压油引

到高压区，液压力P1得到平衡，两个齿轮的径向力几乎等于P2，延长了轴承的寿命。3)自保护当结构出现过载或其他意外情况时可能造成零件损坏。有些结构要素具有防止过载或其他意外情况发生的作用，可以保护自身及

其他零件免受损坏。各种摩擦传动(如带传动、摩擦离合器、摩擦无级变速器等)均具有过载打滑的特性。如图6-17所示摩擦离合器结构，当传递载荷达到最大载荷时，在内、外摩擦片之间发生打滑，使传动链中断，不但不会造成离合器零件的损坏，而且保护传动链中的其他传动零件不因过载而损坏；当过

载情况消除后，传动链自动恢复。弹簧工作应力与变形量正比，变形量过大会使弹簧失效。如图6-18所示的压缩弹簧结构，当变形达到一定量时弹簧被压并，无法继续变形，对弹簧丝起到保护作用。5．稳定性原理机械装置工作过程中会

有一些干扰因素作用，通过合理的结构设计会使得当这些干扰因素出现时，系统自动产生一种与之作用相反的作用，使系统保持稳定状态。对于热膨胀变形而产生的干扰，需要在结构设计中采取措施，使之消除。图(a)，圆锥滚子轴承正装（面对面），由于轴发热伸长，使轴承内部的游隙缩小甚至卡死，造成工作不稳定

；图(b)，圆锥滚子轴承反装（背靠背），不会因轴承内部的游隙缩小甚至卡死而造成工作不稳定。图6-19所示为自行车前轮及转向部分示意图，前叉立管延长线与路面交点A位于车轮与路面交点的前面，当前轮因干扰因素偏离向正前方行驶的方向时，路面

作用于车轮的向心力(B点)对前叉的力矩使车轮恢复正确方向。图6-20所示为汽车前轮转向示意图，当前轮由于干扰因素被转向时，前轮绕主销转动，由于主销相对于路面倾斜(主销内倾)，发生转向时车轮相对于车身的位置下降，车身相对于路面的位置被抬高，总势能增大，车身有恢复较

低势能状态的趋势，这种作用使前轮恢复向前行驶的正确方向。图6-21所示为用于柴油发动机的调速器示意图，当发动机工作中由于干扰因素使发动机工作转速升高时，飞球因离心力增大被甩开，推动推力盘及供油拉杆向右移动，使喷油

泵柱塞转动，供油量减小，发动机恢复正常转速。第三节结构设计中的强度与刚度问题➢机械零部件的基本功能之一是承担载荷。在载荷的作用下零部件可能会因损坏或发生较大变形而影响机械装置主要功能的实现。具有足够的强度和刚度是机械功能对零部件的基本要求。➢在通常情况下，增大零部件的

尺寸和增大材料体积可以提高其强度和刚度。但是这种方法会同时增大装置的体积，提高成本。➢本节讨论以较小的零部件尺寸和材料体积获得较高强度与刚度的设计方法。一、提高静强度的设计方法1．采用合理的截面形状➢由于加工工艺的原因，轴类零件多采用实心圆柱形截

面。➢对于承受弯矩或转矩的轴类零件，由于材料分布距离轴心线较近，对承担载荷的贡献较小。➢如果采用空心轴结构，使较多的材料远离轴心线，使得轴上因弯矩引起的正应力和由于转矩引起的切应力的分布更合理，同样的载荷所引起的最大

应力降低，承载能力提高。➢空心轴的截面惯性矩和极惯性矩都比实心轴明显增大，所以空心轴的刚度较大。➢表6-1所示为四种不同的齿轮轴结构，其中齿轮结构相同，轴的跨距及支承情况相同，轴两端均采用深沟球轴承支承，轴的直径不同，表中列出轴的直径(D)、质量(m)、轴的强度(W)

、强度比(W/m)、刚度(I)、挠度(f)以及滚动轴承寿命（h）之间的关系。➢由表中数据可见，由于采用了空心轴结构，使得轴的强度和刚度显著提高，其中4号方案与1号方案相比，轴的外径增大到2.3倍，质量增加到2.2倍，而轴的强度和刚度分别增大到9倍和20倍。表6-

2列出了8种截面积相等而截面形状不同的受弯矩梁的强度及刚度的比较值。由表中数值可见，在截面积相同的情况下，分布在远离中性轴位置的材料越多，梁的强度和刚度都显著提高。所以，在材料体积相同的条件下，通过合理地选择截面形状，可以获得较大的承载能力。2．载荷分流对于承受较大载荷或复杂载荷的零件，可以

通过将部分载荷分流到其他零件或其他结构的方法降低关键零件的危险程度。➢图6-22所示为机床主轴变速箱输入轴与带轮连接的两种结构设计方案。➢图6-22a所示将带轮与输入轴直接连接，将压轴力和转矩直接作用

于轴，使轴同时受到弯曲应力和扭转切应力的作用，交变的弯曲应力成为影响轴强度的主要因素，从而影响结构整体的承载能力。➢图6-22b所示将压轴力通过滚动轴承作用于套筒，套筒具有较大的抗弯截面系数，作用在套筒上的弯

曲应力为静应力，轴只承受由转矩产生的扭转切应力作用，结构整体的承载能力得到提高。3．载荷均布机械结构中载荷的空间分布通常是不均匀的，结构设计必须使结构中载荷最大的位置、强度最弱的位置满足强度条件，按强度最弱处的强度确定整个结构的承载能力。通过合理

的结构设计，使载荷的空间分布更均匀，降低最危险处的载荷水平，可以有效地提高结构整体的承载能力。如图6-23a所示的两级圆柱齿轮减速器中的齿轮相对于轴承非对称布置，由于轴的弯曲变形，使得轮齿上的载荷沿齿长方向分布不均。图6-23b所示的结构

中将受载荷较大的低速级齿轮相对于轴承对称布置，可以消除由于轴弯曲变形造成轮齿上的载荷沿齿长方向分布不均的现象。在图6-23a所示的方案中，各轴不但会发生弯曲变形，而且会发生扭转变形，特别是输入级的小齿轮，受到轴的扭转变形的影响，也会引起轮齿上的载荷沿齿长方向分布不均。➢如果将小齿轮放置在靠近输入

端的位置，由于轴的弯曲变形和扭转变形引起的轮齿上载荷沿齿长方向分布不均的作用会互相叠加。➢如果将小齿轮放置在远离输入端的位置，两种作用会互主动相(部分)抵消，有利于提高承载能力。图6-24所示为一组齿轮端部结构，通过降低轮齿端部的刚度缓解由于齿长方向误差和及变形造成的轮上

载荷沿齿长方向分布不均的现象。图6-25所示为两种吊车梁结构方案。图6-25a所示结构立柱位于梁的两端，当吊装重物位于梁的中部时，梁中部所受弯矩较大。图6-25b所示方案将立柱向中间靠拢，使得在梁的总长度不变的情况下所受弯矩减小，提高了吊车的承载能力。4．改善轴系支撑结构轴系结构的形式是影响轴及

轴上零件承载能力的重要因素。例如对于悬臂支撑的轴系结构，设法通过结构设计缩短悬臂长度，可以有效地降低轴和轴承的载荷。图6-26所示为锥齿轮轴系结构的两种设计方案。图6-26a中的锥齿轮轮毂向支点内侧延伸，使得齿轮传动力作用点

位置远离支承点，使悬臂加长。图6-26b中的锥齿轮轮毂则向支点外侧延伸，使得齿轮传动力作用点位置靠近支承点，使悬臂缩短从而提高了承载能力。图6-27所示为锥齿轮轴系支承方式的两种设计方案。图6-27a中

两轴承采用正安装(面对面)方式，而图6-27b中两轴承采用反安装(背靠背)方式，由于支承位置相对于轴承的几何中心更偏向于支点外侧，使得实际悬臂长度变小，轴和轴承承载能力都得到提高。图6-28所示的小锥齿轮轴系结构在原悬臂端增加了辅助支承，既提高了轴系结构的强度，同时也提高了刚度。5

．充分发挥材料特性不同的材料具有不同的力学特性，结构设计中应根据所选用材料的特性，合理地确定适当的结构，最大限度地发挥材料的承载能力。例如铸铁材料的抗压强度远高于抗拉强度，所以选用铸铁材料制作抗弯结构时通常将截面设计为非对称结构，使零件结构的最大压应力

大于最大拉应力。如图6-29所示结构中，将肋板非对称设置，其中图6-29a所示肋板的最大拉应力大于最大压应力，而图6-29b所示肋板的最大拉应力小于最大压应力，与材料自身的力学特性相吻合，充分发挥材料特性，具有更高的承载能力。当材料为钢材时，应尽量使其承受拉、压

应力，这样会比承受弯曲应力的结构更有利。如图6-30所示的结构中，图6-30b用桁架结构代替了图6-30a的简支梁结构，在跨距L和载荷F不变的情况下，可以使结构参数d远小于D，节省了材料，降低了质量。6．合理强化如果在结构承受工作载荷之前对其施加与工作载荷相反

方向的载荷，使得结构由于预加载荷产生的应力与工作载荷产生的应力可以部分地互相抵消，使结构的最高应力水平降低，具有承受较大的工作载荷的能力。这种通过预加载荷的方式提高结构承载能力的方法称为结构强化。如果预加载荷只使材料

发生弹性变形，则称为弹性强化；如果预加载荷使材料发生塑性变形，则称为塑性强化。图6-31所示梁在承受弯曲载荷之前用高强度螺杆对其施加预应力，预应力的方向与工作应力方向相反，有利于提高梁的承载能力。可以通过多种不同方法施加预应力。✓

图6-32所示结构通过过盈配合的方法对厚壁筒施加预应力。✓承受高压的厚壁筒未施加预应力时周向应力如图6-32a所示。✓为了施加预应力，将厚壁筒改为双层套装结构，层间为过盈配合，使内、外层产生周向预应力，如图6-32b所示。✓在预应力的基础上施加工作载荷，

工作载荷所产生的应力分布如图6-32c所示。✓由于原最大应力位置(内表面)的预应力与工作应力方向相反，使得最大应力降低，如图6-32d所示。图6-33所示为对梁进行塑性强化对其所受应力的影响。✓图6-33a所示为如果梁

完全工作在弹性范围内的弯曲应力分布情况。✓图6-33b所示为当预加载荷产生的最大应力超过材料的屈服极限时的应力分布情况。✓在梁发生塑性变形后卸载，残余应力如图6-33c所示。✓在残余应力的基础上施加工作载荷，如图6-33d所示。✓由于

在原最大应力位置的残余应力与工作应力部分抵消，使实际的最大应力水平降低，如图6-33e所示。以上的设计方法在提高静强度的同时，对提高疲劳强度和刚度也是有益的。二、提高静刚度的设计方法刚度是机械结构性能的重要指标。机械结构依靠零

部件之间形状、尺寸、位置关系实现其功能。刚度是表示零部件受力后形状变化程度的指标，形状变化过大可能会威胁到预定功能的实现以及实现的质量。1．采用桁架结构由于桁架结构中的杆件只受拉、压，所以强度和刚度都较高。在机械结构中，合理采用桁架结构可以有效地提高结构

的强度和刚度。➢表6-3所示为桁架结构与悬臂粱的强度、刚度比较。➢在悬伸长度、杆件直径及载荷相同的条件下，悬臂梁的挠度是桁架结构的9000倍，最大应力是悬臂梁的550倍。➢与桁架结构最大应力相同的悬臂梁直

径为桁架杆件直径的8倍多。➢与桁架结构挠度相同的悬臂梁直径为桁架杆件直径的10倍。2．合理布置支承轴系结构支承参数(跨距、悬伸长度)对轴系的刚度有重要的影响。例如：跨距对主轴前端位移的影响存在极值点，合理选择跨距可以使主轴获得最佳刚度。3．合理布置隔板与肋板基础件的主体结构多为板式框架

结构。在主体结构中添加隔板是提高结构刚度的有效方法。布置隔板需要根据载荷的形式，合理地确定隔板的位置、数量和方向。当主体结构不同位置处的变形量不同时，应将隔板布置在变形量较大的位置。由于隔板自身为薄板结构，应使其受拉、压或

沿刚度较大的方向受弯曲，避免隔板受扭或沿刚度较小的方向受弯曲。图6-35所示框架结构中添加的隔板都沿抗弯截面系数较大的方向承受弯矩。图6-35a结构如果沿虚线方向布置隔板，则隔板的抗弯截面系数较小，对提高结构的刚度贡献较小。图6-35b所示结构如果沿虚线方向布置隔

板，则隔板受扭矩。图6-36所示为平置矩形截面及加肋矩形截面的形状及其几何参数。为平置截面添加肋板总能使刚度得到提高，但是截面的强度随着肋板相对高度的增大首先减低达到最小值后开始增大，只有在肋板相对高度大于某一数值后，才能使截面的强度和刚度同时得到

提高。所以在选择使用肋板加强结构的局部刚度时应使肋板具有必要的高度。三、提高疲劳强度的设计方法大量的零件承受交变载荷作用，疲劳失效是这些零件的主要失效方式，这些零件的设计要考虑交变应力作用的特点，提高抗疲劳强度。1．缓解

应力集中应力集中是影响承受变应力的零件承载能力的重要因素。在零件截面形状发生变化处的材料内部力流会发生变化。如图6-38所示，局部力流密度的增加造成应力集中。零件截面形状的变化越突然，应力集中就越严重，结构设计中应尽力避免应力较大处的零件形状急剧变化，以减小应力集中对强度的影响。零件受力变形

时，不同位置的变形阻力(刚度)不相同也会引起应力集中。通过降低应力集中处附近的局部刚度可以有效地降低应力集中。例如图6-39a所示过盈连接在轮毂端部应力集中严重，图6-39b、c、d所示结构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。2．避免应力集中源的聚集由于功能的需要，在零件结构中可能存在多种形状变化，这些变化都会引起零件中的应力集中；如果多种变化出现在同一位置或过于接近，将引起应力集中的加剧。如图6-40所

示的轴结构中，台阶和键槽端部都会引起轴的应力集中。图6-40a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6-40b结构使键槽长度略短于轴段长度，避免了应力集中源的聚集。3．降低应力幅对于承受变载荷作用的零件，应力幅对疲劳强度的影响远大于平

均应力的影响。例如承受轴向变载荷作用的普通螺栓组联接，预紧力影响螺栓的平均应力，工作载荷影响应力幅；通过改变螺栓与垫片的相对刚度，可以降低螺栓杆上的应力幅。四、提高接触强度与接触刚度的设计方法高副接触零件的接触点处表层会出现较大的接触应力和接触变

形，接触点的综合曲率半径和接触元素的数量是影响接触应力和接触变形的重要因素。1．增大综合曲率半径根据接触理论，接触应力与综合曲率半径成反比关系。例如在渐开线齿轮传动设计中，通过采用正变位，使工作齿廓远离基圆，使综合曲率半径增大，可以有效地提高齿轮传动的承载能力。

如图6-42所示的球面接触结构中，将其中一个接触表面改为平面或凹面(图6-42b或c)，对于提高接触强度和接触刚度都是有益的。2．增加接触元素数量接触元素数量的增加可以降低单个接触元素所承受的载荷。在齿轮传动设计中，设法增大重合度，增加同时参与承载的

轮齿数量，可以降低单个齿所承受的载荷。在图6-43所示行星轮系设计中，增加行星轮的数量，也可以降低单个轮齿的实际承载量。3．用低副低替高副在图6-44所示的结构中，用低副(面接触)零件代替高副(点、线接触)零件，可以有效地提高结构的强度和刚度。但是高副与低副对运动自由度的限制不

同，为保证在用低副代替高副的转变中保持自由度不变，需要在原有结构中增加其他零件。4．通过预紧提高接触刚度预紧是施加一个与工作载荷方向相同的预加载荷，使零件产生一定的与工作时同方向的弹性变形、以减少工作时的进一步变形，从而提高刚度。例如

多数弹簧都预加了一个初载荷，使其产生—·定的初始变形，以保证其具有足够的刚度和工作弹力。螺栓在装配时产生的拉力实际上也是预加载荷，工作时承受拉力的较长螺栓必须有足够的预紧力才能保证被联接件的联接刚度。预紧的特点是预加载荷与工作载荷方向相同，工作时不撤出，因此，工作

应力不是抵消而是叠加，其目的是提高刚度，而不是减少应力，故预应力应不超过一定限度。对滚动轴承轴系的预紧是指在轴系承受工作载荷之前对其施加预加载荷。滚动轴承在安装时预加一个约等于径向载荷20~30％的轴向力，弹性变形

增加了接触面积，各滚子受力也趋于均匀，从而提向了轴承的刚度。通过预紧提高刚度的同时增大了滚动轴承承受的载荷。这种方法只应用在以轴系刚度及精度为主要设计目标的情况下。由于预紧所引起的轴承受力对预紧量很敏感，预紧过程中对预紧量要

精确控制。第四节结构设计中的精度问题机械装置主要通过零部件的形状、尺寸、相对位置关系实现其预定功能。所以零部件的形状、尺寸及相对位置的准确程度，直接关系着机械装置所实现的预定功能的质量。传动零件精度的提高有利于提高所传递运动的规律的准确性和运动的平

稳性，不但有利于降低噪声，减轻振动，而且有利于提高传动系统的承载能力。零部件的形状及尺寸精度与加工过程密切相关。零部件的加工精度越高，对提高机械装置的工作质量越有利。但是加工精度的提高会使成本提高。正确的结构设计可以在同样的成本条

件下获得较高的系统精度。一、误差分类按引起误差的原因可将误差作如下分类：1．原始误差在零部件加工、安装、调整过程中产生的误差。2．原理误差由于采用近似的工作原理所产生的误差。3．工作误差在机械装置工作中由于零部件受力、受热、磨损

等原因造成零件的形状变化，这种由于工作中的形状变化所引起的误差称为工作误差。4．回程误差由于运动副之间存在间隙，当运动方向改变时由运动副间隙引起的误差。二、提高精度的设计方法1．有利于减少原始误差的结构设计措施（1）在相同的加工条件下，通常较小的公称尺寸

、较小的测量范围，更容易实现较高的精度。在结构设计中，对有精度要求的结构要素，应在保证结构功能的前提下尽量减小其公称尺寸，减小精度约束的范围。如图6-47所示的轴系结构中，与齿轮配合的轴颈和与右侧轴承内圈配合的轴颈有较高的尺寸精度和表面粗糙度要求，而与毡圈密封配合的轴段对尺寸精度要求较

低，所以如图6-47a所示将其沿长度方向分为不同直径的3个轴段。如果如图6-47b所示，将这3个轴段加以合并，则使轴段的长度方向尺寸增大，实现相同精度要求的难度也就加大，因此这种方案不宜采用。（2）如果某个作用尺寸由多个尺寸元素构成，则该尺寸的公差为组成它的各尺寸元素的公差之和，组

成元素越多，作用尺寸的精度越低，所以对要求精度较高的尺寸应减少其组成元素数量，尽量使其可以直接得到。如图6-48所示的结构中，标注“120”的尺寸为作用尺寸，如果按照图6-48b所示的方法标注，则该尺寸由3个基本尺寸组成，累积误差较大；如果按照图

6-48c所示的方法标注，则该尺寸可以直接得到，容易获得较高的精度。（3）有些作用尺寸对精度要求较高，但是由于结构的关系，不可避免地由较多的尺寸元素构成。在这种情况下，可以在组成该尺寸的各尺寸元素中设置一个可调整尺寸环节，以便在装配

工序中可根据实际需要，通过调整这个尺寸实现对作用尺寸的精度要求。如图所示的轴系结构中，滚动轴承的轴向间隙对精度要求较高，并且由较多的尺寸元素组成，通过提高所有这些尺寸元素的精度实现对轴向间隙的精度要求是不经济的

方法。图示结构中位于轴承端盖与箱体之间的垫片厚度具有可调整尺寸，由于调整垫片的存在，可以降低对构成轴承间隙的其他尺寸元素的精度要求。2．补偿系统误差（1）对于已知影响因素的系统误差，可以根据引起误差的原因，采取相应的措施加以补偿。螺纹加工机

床的加工精度与机床本身丝杠的螺纹精度有重要关系，为提高机床的加工精度，可以通过螺距校正装置纠正由于基准丝杠螺距误差引起的加工误差。首先通过测量得到基准丝杠的螺距误差随长度变化的规律(螺距误差曲线)，将误差曲线按需要的比例放大，得到校正曲线，

并做成凸轮(校正板)。在刀架移动过程中，校正板推动挺杆，挺杆将运动传递给螺母，使螺母作微小的转动；螺母的转动使得螺旋传动的从动件产生附加移动，补偿由于丝杠的螺距误差造成的运动误差。（2）零件接触表面的磨损使零件的形状和尺寸发生变化

。设计中如果使得多个相关零件的磨损对执行零件的作用互相抵消，则可以提高执行零件的动作精度。图6-50a所示的凸轮机构中，凸轮与摆杆之间的接触点及摆杆与执行零件之间的接触点的磨损量对执行零件的工作位置的影响互相叠

加，而图6-50b所示机构中这两点的磨损量对执行零件的工作位置的影响互相抵消，使执行零件的动作精度得到提高。（3）如果无法使磨损的影响互相抵消，可以在结构中设置调整环节，当磨损量累积到一定程度时，通过调整使系统恢复正确的工作状态

。图6-51所示为滚动轴承轴系的轴向间隙调整结构，当由于磨损使轴系的轴向间隙增大到一定程度时，通过调整端盖上的螺钉使轴承外圈向右移动，恢复正确的轴向间隙。3．误差均化在机构中如果有多个作用点对同一个构件的运动起限制作用，则构件的运动精度高于任何一个作用点单独作

用时的精度。图6—53所示的双蜗杆驱动机构由两个相同参数的蜗杆共同驱动同一个蜗轮，由于均化作用，蜗轮的运动误差小于任何一个蜗杆单独驱动的误差。4．利用误差传递规律由多级传动机构组成的传动系统在将输入运动传递到输出级的同时，也将各级传动机构所产生的误差向后续机构传递。图6-54所示为由

三级机械传动组成的减速专动系统，第一级输入角速度w1，输出角速度除包括对w1的变换以外，还包括本级传动所产生的误差。➢在输出角速度中，包含了各级传动所产生的误差的叠加，但是各级误差对输出误差的影响不相同。➢如果合理地分配各级的传动比

，合理选择各级传动件精度，可以较经济地实现合理的精度。➢通过分析误差的构成可以发现，如果为多级传动的最后一级选择较大的传动比，则使前面各级传动所产生的误差对最后的运动输出基本不起作用，只要为最后一级传动零件选择较高精度，即可提高

整个传动系统的传动精度。➢对降速系统而言，末级传动对精度影响最大，故精密传动最末级往往采用传动比很大的精密蜗轮副，以此控制系统运动的精度。5．合理配置精度机械系统的精度受系统内各环节精度的综合影响，但是不同环节

对工作精度的影响程度不相同，在结构设计中应为不同位置设置不同的精度，为敏感位置设置较高精度，这样做可以通过较经济的方法获得合理的工作精度。在机床主轴结构设计中，提高主轴前端的旋转精度是重要的设计目标。主轴前支点轴承和主轴后支点轴承的精度都会影响主轴前端的旋转精度，但

影响的程度不同。由图6-55可见，前支点误差所引起的主轴前端误差为:显然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，通常为前支点设置具有较高精度的轴承。6．选择较好的近似机构有些应用中为简化机构而采用近似机构，这会引入原理误差，在条件允许时应优先采用近似性较好的近似机构以减小原理误

差。7．采用有利于施工的结构（1）机械装置的原始精度是通过一系列的工艺过程实现的。如果设计中充分考虑工艺过程的善耍，采用有利于工艺过程实施的结构，就可以较容易地实现较高的精度。如图6-57所示零件要求两端轴径同轴，

在同一次装卡中完成对两个轴径的加工是保证同轴度的最简单的方法。但是图6-57a所示的结构不容易实现这一点，图6-57b所示在原结构的一端增加了一个工艺性轴段，通过这个轴段可以实现在同一次装卡中完成对两个轴径的加工，保证同轴度精度的实现。（2）一项精度

要求如果无法检验，或无法提供相应精度的检验方法，则无法保证精度要求的实现。在结构设计中要充分考虑检验工具和检验工艺的要求，使得所提出的每一项要求都可被检验。图6-59表示键槽深度参数中只有A1是可以直接

测量的参数。（3）加工后满足精度要求的零件在装配中由于装配力的作用，也可能发生变形，影响工作精度。图6-60a所示导轨结构，如果安装表面(下表面)不平，在装配中施加的装配力会造成寻轨工作表面(上表面)变形；如将结构改为图6

-60b所示，装配力对结构变形的影响较小，有利于提高导轨精度。8．阿贝原则1890年，阿贝(Abbe)提出关于量仪设计的原则：“欲使量仪给出正确的测量结果，必须将仪器的读数线尺安放在被测尺寸的延长线上。”阿贝原则是指导测量仪器及其他精密仪器设计重要的指导性原则。9.减小回程误差为保

证运动副正常工作，很多运动副(如齿轮、螺旋)，需要必要的间隙。但是由于间隙的存在使得被动零件的运动方向改变滞后于主动件，产生回程误差。回程误差是由于间隙引起的。而间隙是运动副正常工作的必要条件，而且，间隙会随着磨损而增大

。减小运动副的间隙可以减少回程误差。图6-63所示为可以消除齿侧间隙的齿轮机构。结构中将原有齿轮沿齿宽方向切分，两半齿轮可相对转动，两半齿轮通过弹簧连接，由于弹簧的作用，使得两半齿轮分别与相啮合的齿轮的不同齿侧相接触，弹簧的作用消除了啮合间隙，并可以及时补偿由于磨损造成的间隙变化。这种齿轮传动机构

由于实际作用齿宽减小，承载能力减小，故通常用于以传递运动为主要设计目标的传动装置中。第五节结构设计中的工艺问题设计完成的零件结构需要通过工艺过程实现，结构设计必须考虑工艺过程的可能性和方便度，降低工艺过程的难度和成本。一、毛坯加工的工艺性铸造毛坯适用于铸造形状复杂的结构，由于模具成本较高，

适用于较大批量生产。设计铸造毛坯的工艺原则。焊接结构设计除应注意正确选择焊缝形式以外，还应注意一些焊接工艺性问题。二、切削加工的工艺性三、装配工艺性1．紧配合面不宜过长紧配合工作面如果过长会增加装配难度。2．多个紧配合面不宜同时装

入3．减少装配差错（1）由于装配中有方向要求，增加了装配工作量和难度。➢图6-66a所示的滑动轴承右侧有一个与箱体连通的注油孔，如果装配中将滑动轴承的方向装错，会使滑动轴承和与之配合的轴得不到润滑。➢改为图

6-66b结构，则零件成为对称结构，虽然不会发生装配错误，但是总有一个孔实际不起作用。➢若改为图6-66c所示的结构，增加环状储油区，则使所有的油孔都能发挥作用。（2）不同的零件应有容易辨别的明显差别，否则装配中容易造成错误。如图6-67a所示两个零件外形相同，材料不同，装配中很难区别。

为了在装配中容易分辨，应采用图6-67b的设计，使相似的零件有明显的差异。4．复杂结构允许分块集中装配如果所有的结构必须在同一场地上装配，必然会延长装配时间。如果结构允许各部分分别装配后再进行部件组装，则会提高装配效率，有利于大批量生产的进行

。四、调整、维修、拆卸工艺性1．不同工作参数的调整应互相独立在同一结构中，可能存在多个参数需要通过调整确定其最终值。如果这些参数的调整过程互相嵌套，则会增加调整的难度和工作量。2．易损零件应便于拆卸结构中有些零件的寿命远低于设备的工作寿命。在工作中需要多次更换失效的零件，结构设计

应为这些零件的方便更换创造条件。如图6-68所示的弹性套柱销联轴器中的弹性套是易损零件，结构设计应保证在更换弹性套时不必同时拆卸和移动更多的零件，应为弹性套及相关零件的拆下和装入留有必要的空间。3．装配关系应互相独立机械设计中有很多参数需要依靠调整实现

，当进行维修时，要破坏某些经过调整的装配关系，维修后需要重新调整这些参数，这就增加了维修工作的难度和工作量。结构设计中应使这些结构各部分的装配关系互相独立，减少维修工作中必须对已有装配关系的破坏程度，使维修更容易。图6-69a所示轴承座结构的装配关系不独立，更换

轴承时不但需要破坏轴承盖与轴承座的装配关系，而且还要破坏轴承座与机体的装配关系。图6-69b所示的结构中，轴承座与机体的装配关系和轴承盖与轴承座的装配关系互相独立，更换轴承时不需要破坏轴承座与机体的装配关系，而轴承盖与轴承座之间有止口定位，装配后不需要调整，使维修中更换易损件更方便。4．

为需要拆卸的紧配合设置辅助拆卸结构对于需要反复拆、装的紧配合结构，应为拆卸工艺和拆卸工具设置必要的结构，预留必要的操作空间。图6-70表示了为拆卸滚动轴承的工具的操作，应在定位端面留有操作空间。图6-71表示圆锥面过盈连接的辅助拆卸

结构，可以在拆卸时通过油孔向内径环槽内加入高压油，有助于拆卸。第六节材料的选择一、材料选择应注意的主要问题对于从事机械设计与制造的工程技术人员，在材料工程方面的基本要求是能够掌握各种工程材料的特性，正确选择和使用材料，并能初步分析在机器及零件使用过程中出现的各种有关材料的问题。针对

具体的应用条件选择合适的机械零件材料时，需要考虑的主要问题有三：①所选材料的特性和在承载或温度或其他环境因素变化条件下的行为，能否满足零件在工作时所遇到的各种情况下的要求，包括使用寿命方面的要求，这是材料的工作能力

，常常表现为承载能力的问题；②所选材料是否容易加工，是否适合所设计零件可能的加工条件，这是材料的加工工艺性能问题；③用所选材料制成的零件，其材料费和由材料引出的加工费是否较低而在零件成本中占的百分数比较合理，这是材料的经济性问题。作业：1、确定总体参数是总体设计的重要内容。请

问产品的总体参数主要有哪些？2、结构设计应该遵循哪些基本原则？3、结构设计应该遵循自助原理。请对自助原理进行说明。4、简述误差传递规律，并举例说明结构设计中如何应用误差传递规律。5、“强化”（包括弹性强化和塑性强化）与“预紧”是结构设计中的有效措施。请对强化和预紧作出比较说明。