【文章內容簡介】 ? 陶瓷 結構的 模具成本 和 燒結工藝成本遠大于材料成本 ，所以陶瓷結構設計中為使結構簡單，通常 不考慮節(jié)省材料 的原則。 例 7— 1 棘輪機構的變異設計分析 待設計的棘輪機構如圖所示， 棘爪頭部的平面 與 棘輪齒形平面 互相接觸，是棘輪機構的 功能面 。通過變換功能面的形狀可得到 如圖 7－ 18所示的多種結構方案，其中方案 a和方案 c用于 單向傳動 ，方案 b的棘輪可用于 雙向傳動 ，方案 c功能面能承擔 較大的載荷 ，應用較普遍，但承載能力對制造誤差較敏感。 例 7— 1 棘輪機構的變異設計分析 ? 通過 變換 功能面的 數(shù)量 可得到如圖 7－ 19所示的多種結構方案，圖中方案 a通過 減小輪齒尺寸 使輪齒的 齒數(shù)增多 ，由于齒數(shù)增加使傳動的最小反應角度減小，傳動精度提高 ；方案 b不改變棘輪的形狀，而通過 增加棘爪數(shù)量 的方法起到在 不降低承載能力的前提下 提高傳動精度 的作用；方案 c和方案 d通過 兩個 棘爪 同時受力 的方法 提高 了 承載能力 。 ? 圖 7一 20所示為通過 變換功能面的 位置 得到的多種結構方案，圖中方案 a為 內棘輪 結構，通過將棘爪設置在棘輪內的方法 減小了結構尺寸 ；方案 b為 軸向棘輪 結構，這種結構只有在空間條件允許的條件下才能應用。 ? 圖 7一 21所示為通過 變換工作面的 尺寸 得到的多種結構方案。 例 7— 1 棘輪機構的變異設計分析 ? 將 以上 這些 要素 進行 交叉組合變換 可以得到 更多 的結構方案，這些方案各有其優(yōu)缺點，通過對這些方案各自 特點 的 分析 并 結合具體的應用條件 可以從中確定較好的結構方案。 例 7— 2 鉸鏈節(jié)叉 的 結構變異 ? 鉸鏈是一類常見的機械結構 。圖 7— 22所示為鉸鏈的一種裝配結構。下面以其中的鉸鏈節(jié)叉為例，分析當采用不同的毛坯形式時結構的變異設計。 ? 圖 7－ 23表示當采用 鑄造毛坯 時的不同結構方案。其中方案 a和方案 b的外形簡單容易造型 ，方案 c和方案 d的外形結構較 復雜 ，但較 省材料 ，而且各部 分壁厚較均勻 ，容易 保證鑄造質量 。 例 7— 2 鉸鏈節(jié)叉的結構變異 ? 圖 7— 24表示當采用 整體材料 以 切削 方法 成形 時的不同結構方案，這類結構用于 單件 或 小批量生產(chǎn) 的情況。其中 下排 的幾種結構雖然具有較 輕的重量 ，但并 不節(jié)省 材料，而且 增大切削加工 的工作量，只有在結構有特殊要求時才采用這種結構。 結構復雜 例 7— 2 鉸鏈節(jié)叉的結構變異 ? 圖 7－ 25表示使用 薄板沖壓 毛坯的不同結構方案，沖壓結構具有 重量輕 、節(jié)省材料 和 大批量生產(chǎn)成本低 的 優(yōu)點 ，特別適合于生產(chǎn) 批量較大 的場合。圖中方案 a、 b、和 d中都包含 較小的彎曲 半徑，容易引起裂紋和褶皺，在條件允許時 應盡量采用較大的彎曲半徑 ，如圖中方案 c的結構所示。 ? 圖 7一 26表示使用 板材經(jīng)焊接成形 的結構，這類結構適用于結構 尺寸較大 ，而且 批量較小 的情況。圖中方案 a的 焊口 只起 聯(lián)接 作用，基本不承擔載荷 ；其余幾種結構的焊口都要承擔工作載荷，因此對焊接質量要求較高；方案 c的 焊口較長 ，焊接成本高；方案 d中的 底板 在焊接中 容易 翹曲 ，影響焊接質量。 焊口 焊口 焊口 焊口 焊口 焊口 ? 圖 7－ 27表示使用 成型材料 并 經(jīng) 焊接成形 的結構，由于使用了 槽鋼、角鋼、帶鋼 等 型材 ，使焊接工作量比圖 7一 26中所示的結構更小。圖中方案 c的一處焊口承受較大的彎矩，影響其承載能力。 圖 7— 28表示 使用整體材料 與 板材 經(jīng)焊接成形 的結構 。 7． 2 提高性能的設計 機械產(chǎn)品的 性能 不但與 原理設計 有關， 結構設計的質量 也直接影響產(chǎn)品的性能，甚至影響產(chǎn)品功能的實現(xiàn)。下面分別分析為提高 結構的強度 、 剛度 、精度 、 工藝性 等方面性能常采用的設計方法和設計原則，通過這些分析可以對結構的創(chuàng)新設計提供可供借鑒的思路。 ? 7． 2． 1 提高 強度 和 剛度 的設計 強度和剛度是結構設計的基本問題，通過正確的結構設計可以 減小單位載荷 所引起的材料 應力 和變形量 ， 提高 結構的 承載能力 。 強度和剛度都與結構受力有關，在外載荷不變的情況下 降低結構受力 是提高強度和剛度的有效措施。 ? 1． 載荷分擔 載荷引起結構受力，如果多種載荷作用在同一結構上就可能引起局部應力過大。結構設計中應將 載荷 由 多個結構 分別承擔 ，這樣有利于 降低危險結構處 的 應力 ，從而提高結構的承載能力，這種方法稱為載荷分擔。 圖 729所示為一位于軸外伸端的帶輪與軸的聯(lián)接結構。方案 a結構在將帶輪的扭矩傳遞給軸的同時也將壓軸力傳給軸，它將在支點處引起很大的彎矩，并且彎矩所引起的應力為交變應力，彎矩和扭矩同時作用會在軸上引起較大應力。方案 b所示的結構中增加了一個支承套，帶輪通過端蓋將扭矩傳給軸，通過軸承將壓軸力傳給支承套，支承套的直徑較大，而且所承受的彎曲應力是靜應力，通過這種結構使彎矩和扭矩分別由不同零件承擔，提高了結構整體的承載能力。 襯套 圖 7－ 30 a所示為蝸桿軸系結構，蝸桿傳動產(chǎn)生的 軸向力較大，使得軸承在承受徑向載荷同時承受較大的軸向載荷，在圖 b結構中增加了專門承受雙向軸向載荷的 雙向推力球軸承 ，使得各軸承分別發(fā)揮各自承載能力的優(yōu)勢。 ? 2． 載荷平衡 在機械傳動中有些 做功的力 必須使其 沿傳動鏈傳遞 ，有些 不做功的力應盡可能使其 傳遞路線變短 ，如果使其在同一零件內與其他同類載荷構成 平衡力系 則其他零件不受這些載荷的影響，有利于提高結構的承載能力。 圖 731 a所示的行星齒輪結構中齒輪嚙合使 中心輪 和 系桿受力 。圖b所示結構中在對稱位置布置 三個行星輪 ，使行星輪產(chǎn)生的 力 在 中心輪和 系桿上合成為力偶 ，減小了有害力的傳播范圍，有利于相關結構的設計 。 ? 3．減小 應力集中 應力集中是影響承受交變應力的結構承載能力的重要因素，結構設計應設法緩解應力集中。在零件的截面形狀發(fā)生變化處力流會發(fā)生變化（如 圖 7－ 32所示），局部力流密度的增加引起應力集中。零件截面形狀的變化越突然，應力集中就越嚴重，結構設計中應盡力 避免 使結構受力較大處的零件形狀 突然變化 ，以減小應力集中對強度的影響。零件受力變形時不同位置的變形阻力（剛度）不相同也會引起應力集中，設計中通過降低應力集中處附近的局部剛度可以有效地降低應力集中。例如 圖 7－ 33a所示 過盈配合聯(lián)接 結構在輪轂端部應力集中嚴重，圖 b、 c、 d所示結構通過 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。 由于 結構定位 等功能的需要在絕大部分結構中不可避免地會出現(xiàn)結構尺寸及形狀的變化，這些變化都會引起應力集中，如果多種變化出現(xiàn)在同一結構截面處將引起嚴重的應力集中，所以結構設計中應盡力避免這種情況。 圖 7－ 34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，圖 a的結構將兩個應力集中源設計到同一截面處，加劇了局部的應力集中，圖 b結構使鍵槽不加工到軸段根部，避免了應力集中源的集中。 過盈結構 ? 4．減小接觸應力 高副接觸零件的接觸強度和接觸剛度都與接觸點的綜合曲率半徑有關，設法增大接觸點的綜合曲率半徑是提高這類零件工作能力的重要措施。 漸開線齒輪在齒面上不同位置處的曲率半徑不同，采用正變位可使齒面的工作位置向曲率半徑較大的方向移動，對提高齒輪的接觸強度和彎曲強度都非常有利。 圖 7－ 35所示結構中圖 a兩個凸球面接觸傳力，綜合曲率半徑較小，接觸應力大；圖 b為凸球面與平面接觸，圖 c為凸球面與凹球面接觸，綜合曲率半徑依次增大，有利于改善球面支承的強度和剛度。 ? 7． 2． 2 提高精度的設計 現(xiàn)代設計對精度提出越來越高的要求，通過結構設計可以減小由于制造、安裝等原因產(chǎn)生的原始誤差，減小由于溫度、磨損、構件變形等原因產(chǎn)生的工作誤差，減小執(zhí)行機構對各項誤差的敏感程度，從而提高產(chǎn)品的精度。 ? 1．誤差均化 制造和安裝過程中產(chǎn)生的誤差是不可避免的，通過適當?shù)慕Y構設計可以