1、1.4 机械设计约束,机械设计的本质是在经济、社会和技术等方面的约束边界限定的设计空间内，寻找满足预定功能和性能要求的合格或最佳的机械产品设计方案。在设计空间外部，由产品功能、性能、技术经济指标、承载能力、制造工艺和技术要求等限制条件提出的设计要求和应用技术方法，构成了设计空间的约束面。,1.4.1 承载能力约束,机械零部件在载荷作用下，如果出现 本体失效（如齿轮轮齿断裂、螺栓被拉断、机床主轴产生过大的弹性变形等）; 表面失效（如齿轮轮齿表面疲劳或过度磨损、螺栓联接松脱、带传动中带与轮之间产生打滑等）; 正常工作条件破坏（如高速机械发生共振、液体润滑状态时的油膜发生破裂等） 就会丧失正常的工作
2、能力。为了防止机械零部件在正常的工作条件下过早地产生失效，应该建立如下基本的承载能力约束。,1.强度约束 强度约束条件是指零部件在载荷作用下危险截面上的最大工作应力不超过许用应力。,静应力时的强度条件在弯曲和扭转复合的交变载荷作用下的强度条件,2.接触强度约束 相互接触的构件表面，由于载荷作用而在接触部位产生微小的弹性变形，形成面接触。,钢的弹性系数和接触强度简化计算公式,3.刚度约束 构件在载荷作用下产生的弹性变形（如挠度、转角或扭角等）不超过许用值。,4.耐磨性约束,磨损是由于工作表面的相对运动使表面的物质不断损失的现象，它是机械设备失效的重要原因。耐磨性是指零件抵抗磨损的能力。磨损的损伤
3、机理和表现形式非常复杂，其中主要的影响因素包括零件表面接触应力或压强的大小、相对滑动速度、摩擦副材料和表面的润滑情况等。在机械设计中，对于通用机械零件的耐磨性约束计算通常采用条件性的计算方法，控制摩擦表面的压强（或接触应力）、相对速度等不超过许用值。,1.4.2 技术性能约束,1.振动稳定性约束机械及其安装基础组成一个弹性系统，在一定的条件下，它会发生周期性弹性变形，在平衡位置作往复循环性机械振动，产生额外的动载荷和变应力。引起构件振动的周期性外力有：往复运动产生的惯性力，摆动构件产生的惯性力矩，转动构件的不平衡质量引起的离心力，周期性作用的外力等。振动稳定性约束是限制机械系统或构件的相关振动
4、参数（如固有频率、振幅和噪音等），在规定的允许范围以内。,2.热特性约束机器在工作的时候会发热，由此产生热应力和热应变，可能造成机器的工作性能下降和热损坏。热特性约束就是限制各种相关的热参数（如热应力、热应变、温升等），在规定允许范围以内。例如，蜗杆传动效率较低，滑动速度较大，容易因为发热产生齿面胶合和磨损破坏。为了避免胶合和减缓磨损，蜗杆传动的材料必须具备减摩、耐磨和抗胶合的性能。为了防止胶合和减缓磨损，选用含有抗胶合添加剂的润滑油。闭式传动时以蜗轮齿面接触强度计算为蜗杆传动基本计算。另外还应进行热平衡计算，防止润滑油温升超过许用值。如果热平衡不能满足要求，则在箱体外侧加设散热片或采用强制冷
5、却装置。,3.可靠性约束在常规的机械设计中，将载荷、材料性能和加工尺寸等视为一个确定量，构件只要满足计算准则就是安全的，能够在规定的工作条件下和规定的使用期限内实现预定的功能。实际上，由于载荷、材料性能和加工尺寸都存在离散性，构件在规定的工作条件下，有可能达不到规定的使用期限而失效。可靠性是机械设计中一项重要的技术质量指标，是指产品、部件或零件在规定的使用条件下，在预期的寿命内，能完成预定功能的概率。可靠性约束是指产品、部件或零件应能满足规定的可靠性要求。例如，滚动轴承的承载能力和工作寿命是在可靠度为90%时定义的。,1.4.3 标准化约束,标准化是指在进行机械产品设计的全过程中，都要遵循现行
6、的国家标准、部标准和企业标准，有利于提高生产技术水平和管理水平。1.概念标准化：包括名词、术语、符号、计量单位等的使用符合规范。2.实物形态标准化：包括产品、零部件、原材料、设备及能源的结构形式、尺寸、性能等都要按照标准进行选用和设计。3.技术标准化：与生产技术有关的操作、测量、试验、检验、成本核算和管理等方法，都应该按照规定实施。4.技术文件标准化：包括产品设计过程中形成的可行性研究报告、试验报告、图纸、设计任务书、设计说明书和工艺规程等，都应该按照规定执行。,1.4.4 产品成本约束,产品的经济性体现在产品设计、制造、使用、维护以至报废的全生命周期中，它的核心就是产品成本。在机械设计中降低
7、产品成本的主要途径有：1.在产品功能方面：着重保证产品中用户所需要的必要功能，去掉用户不需要的功能和过剩的功能（如过大的安全系数、过分采用贵重的原材料、过高的制造精度和寿命指标、系统中各零部件的寿命不均衡、不必要的表面过分装饰等），以降低产品成本。2.在产品设计方面：采用先进的设计工具和现代设计法，尽量采用标准件、通用件和现有的构件，合理和对称的结构设计，减少设计工作量，提高设计效率和质量，缩短产品设计周期，降低产品设计成本。3.在产品制造方面：采用合理的结构工艺性和制造精度，尽可能采用普通的设备和加工方法，尽量降低原材料费用（一般占产品成本50%以上）和加工费用。,1.4.5 可持续发展约束
8、,可持续发展是指既满足当代人的需要，又不对后代人满足其需要的能力构成危害的发展，它的核心问题是保护社会环境和合理利用资源。1.产品符合国家的科技政策和发展规划目标，正确处理和企业效益和社会效益的关系。2.产品按照国家制定的环境保护法规，符合减少产品工作过程中产生的废气、废液和废渣等三废和振动噪声对环境的污染，重视废物回收利用和综合处理，积极采用环保的工作介质，采取减振、隔声和吸声的技术措施。3.产品符合人机系统（人机器环境）安全可靠的要求。4.产品有利于提高生产力、促进制造过程自动化。5.产品有利于合理利用、开发和节约资源。,1.5 机械结构设计,机械结构设计的任务就是根据产品的功能原理方案，
9、在总体设计的基础上进行技术设计首先通过对构件的工作能力设计，确定其基本参数和主要尺寸；以及通过对构件的结构设计，确定其具体的结构图，以体现所要求的功能，即完成从“原理解”到“技术解”的转化。合理的结构设计是改善和提高设计质量的重要手段。在机械结构设计中，需要选择部件和零件的材料，确定其参数和形状尺寸，考虑制造工艺和精度、强度、刚度和稳定性，以及零件之间的配合关系等许多因素。,1.5.1 零件的相关与结构要素,零件是机器的制造单元，从结构设计的意义上讲，可以将零件称为结构件。各种结构件的功能主要是承受载荷、传递运动和力、保证有关零部件之间的相对位置或运动轨迹。在机械系统中，各种零件通过链状、树状
10、或网状的相互连接，构成完整的机械网络。如果某个零件与一个或多个零件之间有装配关系或相互位置关系，这种关系称为相关。组成这种关系的零件互为相关零件。,进行结构设计时，对两个零件直接相关的部位，必须同时考虑合理地选择材料与热处理方式、形状和尺寸、制造精度和表面质量等；而且必须满足间接相关条件，如进行尺寸链和精度的计算等。,1.5.2 结构设计的基本要求,结构设计基本要求是明确、简单和安全可靠1.明确:功能、作用原理和工作状况明确。,图1-15 轴毂联接的定位结构,图1-16 双轴承支座结构圆柱滚子轴承只能承受径向载荷推力轴承只能承受轴向载荷深沟球轴承可以同时承受径向载荷和轴向载荷,2.简单在结构设
11、计中，所包含的零件数目要少，零件的几何形状尽可能简单（如平面、圆柱、圆锥等），容易计算、加工和检验，零部件之间的联接关系和调整措施要尽可能简单。这样，便于构件制造与部件装配，提高机械的工作精度和可靠性。,3.安全可靠在规定的载荷、使用条件和时间内，构件不产生失效、不对人和环境产生危害。安全技术有直接、间接和提示性等三种类型。直接安全技术：在结构设计中充分满足安全要求，通过构件的结构形状和失效约束计算两方面来保证构件工作的可靠性、功能的可靠性、工作安全性和环境安全性。间接安全技术：在结构设计中采用防护系统和保护装置满足安全要求的技术。提示性安全技术：仅在危险发生之前发出警告，如警示灯、警铃等，并
12、且可以通过显示装置说明发生危险的部位和原因。,能力训练案例1-6 : 图1-17所示的轴毂联接中，采用过盈配合和键联接的双重配置。试分析该结构设计的作用原理是否明确。,1.5.3 结构设计的构型变换,从功能的观点，零件承担功能要求的表面可称为功能面。因此，零件是由一些功能面通过边棱邻接而成。从结构的观点，这些功能面是零件的构型元素。通过对这些构型元素的变换，可以派生出不同的结构方案。,1.尺寸变换通过改变构型元素的尺寸而改变其构型，如常用使构型元素的角度或距离相等的处理方法获得对称的构型（图1-18）。,2.形状变换通过改变功能面的结构形状可以得到新的结构形式。例如，齿轮的渐开线齿面改成圆弧齿
13、面，滚动轴承在中的滚动体球改成圆柱（图1-19），可以提高承载能力。,3.位置变换通过改变零件与零件之间功能面的相对位置可以得到新的结构形式。如图1-20所示，图（a）中摆杆1的平面与推杆2的球面接触，传递载荷时推杆2会受到有害的横向推力；图（b）变换了两个构件功能面的位置，改善了受力情况。,4.数量变换通过改变零件数目或功能面数目来变换结构。如图1-21所示的轴上的矩形花键从四齿变换成八齿。,5.排列变换通过改变零件功能面的排列顺序来变换结构。如图1-22所示的构件在A、B、C三处功能面（圆柱孔）分别与其它构件构成转动副，变换它们的连接顺序，可以获得新的结构。类似的变换在结构设计中经常使用。
14、,1.5.4 结构设计准则,结构设计还必须考虑在功能、造型、工艺性、强度等方面的设计准则。1.功能分配准则在结构设计中必须根据所要求的功能合理地选择载体，即将功能合理地分配给载体。一个载体承担多种功能，可以简化机械产品结构，降低成本。,一个载体承担一种功能，可以做到功能明确和安全可靠，有利于针对每个功能进行结构优化和准确计算（V形带断面结构分析） 多个载体承担一种功能，可减轻每个载体的负荷，延长使用寿命。例如，在V带传动中，如果单靠增大V带的截面尺寸来传递的较大功率，会使胶带的弯曲应力显著增大，降低带的使用寿命。应该采用多根V带并行传动，也有利于减少带轮径向尺寸。,2.造型设计准则,造型设计是
15、用美学的形式和手段去发挥和体现产品的功能特点及其科学性、先进性。造型的基本要素包括功能基础（如产品的功能范围、工作精度、可靠性和宜人性等，体现了产品的实用性）、技术基础（如材料、结构和工艺等为产品功能服务的物质技术基础）和艺术形象（产品具有造型美观、形态优美的艺术性）。机械产品的造型设计，属于“工业设计”范畴，它应用工程技术和艺术手段设计、塑造产品的形象，并将其最后统一在产品的功能、结构、工艺、宜人性、视觉传达、市场关系等而取得人产品环境和谐的一项创造性设计。在产品造型设计中，须着重考虑色彩和比例设计两个原则问题。,色调就是一眼看上去工业产品所具有的总体色彩感觉，是在总体色彩感觉中起支配和统一
16、全局作用的色彩设计要素，它可以表现出生动、活泼，也可以表现出精细、庄重，还可以表现为冷漠、沉闷或是亲切、明快等等。色调的选择应格外慎重，一般可根据产品的用途、功能、结构、时代性及使用者的好恶等，艺术地加以确定，确定的标准是色形一致，以色助形，形色生辉。色调的确定一般还要参考以下几点：用暖色调有温暖的效果，用冷色调会使人感到冷清；以高彩度的暖色为主调能使人感觉剌激兴奋，以低彩度的冷色为主调可以让人平静思索；高明色调轻爽、明快，低明色调深沉、庄重。,正确的比例和尺度是完美造型的基础和框架一般地讲，只要在不违背产品功能和物质技术条件的前提下，比例就可呈多种变化组合形式，展现造型整体与局部或局部与局部
17、之间，诸如大小粗细长短的量变关系。尺度比较固定，它是专指造型物尺寸与人体尺寸或是某种标准之间适应的程度和范围。造型若只有良好的比例而无正确的固定的尺度去约束，则设计肯定会归于失败。所以，正确造型设计的次序应该首先确定尺度，然后根据尺度确定和调整造型物的比例。,3.工艺性设计准则,零件的结构工艺性是指所设计的零件在满足要求的前题下，制造的可行性和经济性。零部件结构工艺性合理的零部件结构与零件的材料、机械加工、装配工艺性和技术要求有关。零部件工艺性受到生产批量、生产设备和技术、材料和毛坯等诸多因素的影响。良好的结构工艺性是指在现有工艺条件下既能方便制造，又有较低的制造成本。,铸件和锻件的结构工艺性
18、：零件毛坯的选择有铸造、锻造、冲压、焊接和型材等方式，主要从零件的功能要求、材料价格、制造费用和加工性能等方面考虑。,自由锻：锻件的形状应尽量简单、对称、平直，避免锥形或楔形表面，凸台布置在锻件同一侧，没有加强筋、工字形截面等复杂形状，并且尽量减少零件截面尺寸的变化。模锻：锻件应该正确选择分模面，形状力求简单，避免突出部分，应设置拔模斜度，截面变化处尽量采用较大的过渡圆角。,图1-26 锻件结构分析,机械加工的结构工艺性：按照零件结构力求简单、便于加工和装卡、提高切削效率、减少加工过程中的材料消耗等原则来考虑：合理确定零件的技术要求；遵循零件结构设计的标准化；合理标注尺寸；零件结构要便于加工。
19、,零件装配的结构工艺性：按照合理划分装配单元、零部件装拆方便和保证正确装配等原则来考虑。如图1-27示例。,4.强度和刚度设计准则,为了保证零部件在规定的使用期限内能够正常地工作，必须有足够的强度和刚度。结构设计中，以采用一些有效措施，改善和提高零部件的承载能力。充分发挥材料的力学特性,图1-28 充分发挥材料力学性能的构件结构,合理分担载荷,图1-29 两个支座分担载荷情况分析,改善受力状况,图1-30 起重机卷筒结构分析,合理力流结构：为了提高构件的刚度，应该尽可能按力流最短路线来设计零件形状，减少承载区域，从而累积变形越小，提高整个构件的刚度，使材料得到充分利用。,图1-31 力传递方案的比较,5.自补偿准则,自补偿准则是指通过合理的结构设计，使零件自行实现加强功能的作用，在正常额定载荷情况下可以减轻和平衡载荷，在超载的情况下可以自动保护。,能力训练案例1-7 ：图1-33所示的是车床变速箱V带传动的从动带轮与变速箱传动轴的轴毂联接，试比较图示两种装配结构的强度合理性。,能力训练案例1-8：试分析如图1-34所示几种零件的加工结构工艺性。,思考和实训习题1-8 ：试从零部件的装夹、加工、装配和力流路线等方面比较和说明以下零部件的结构工艺性的优劣。,
