六机械结构设计.pptVIP

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。 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