1、件6把推杆4与斜面5的点接触改为面接触； e图增加了零件10，也将点接触变为了面接触；将零件10改为零件11，则可以在零件9和11之间产生液体动压润滑。这样就减小接触处的分布载荷，降低了接触应力，提高了接触强度，而且还可以改善润滑，减少磨损。a)b)c)d)e)f)g)图5-25 用面接触代替点、线接触如图5-26所示的结构中，从图a到图c的高副接触中综合曲率半径依次增大，这样接触应力依次减小，因此结构c有利于改善球面支承的接触强度和刚度。a)b)c)图5-26 增大接触处的综合曲率半径（六）提高刚度原则在进行结构设计时，在不增加零件质量的前提下，要尽量提高零件结构的刚度。对于不同类型的零件，
2、应根据其结构特点采用相应的措施。但总的来说要注意以下几点：1. 用受压、拉零件替代受弯曲零件；2. 合理布置受弯曲零件支承（见图5-27）；3. 合理设计受弯曲零件的截面形状；4. 合理采用筋板，尽可能使筋板受压；5. 采用预变形方法。比如三角形桁架代替受弯曲的悬臂梁，刚度就要好得多。如图5-28所示，选择不同类型的轴承对系统刚度也有明显的影响，且常与对弯曲强度的影响同时存在。a)b)a)b)图5-27 铸造支承结构a)较差结构 b)改进结构图5-28 轴承类型的影响（七）变形协调原则一个零件和另一个零件相接触，当在接触处难以同步变形时，零件间的接触区域里应力会急剧上升，这是应力集中的另一种情
3、况。在接触处降低零件在力流方向上的刚度，尽量使两零件在接触区域里同步变形，降低应力集中的影响，此及为变形协调原则。如图5-29所示，过盈配合联接结构在轮毂端部应力集中严重，可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。a)b)c)d)图5-29 过盈配合的联接结构如图5-30所示，受弯曲载荷作用的轴在滑动轴承端面常常出现边缘挤压，从而引起轴承的失效，其原因即为轴承不能随着轴的变形而变形。因此滑动轴承轴承座的结构设计应该使轴承在轴受载荷作用时能和轴协调变形。a)b)图5-30 轴承座的结构a)较差结构 b)改进结构变形不协调不仅会导致应力集中，降低机械结构的强度，而且还可能损害机械
4、的功能，如图5-31a所示，是一起重机行走机构的驱动轴，由于结构及其它条件的制约，轴上齿轮不能安装在轴的中点位置上，这将导致两行走轮因轴变形引起的扭角也不等。这种力矩传递的不同步使得起重机的行走总有自动转弯的趋势。改进的方法是将齿轮两侧的轴的扭转刚度设计相等，如图5-31b所示。a)b)图5-31 轴承座的结构a)较差结构 b)改进结构（八）等强度原则一般，机械设计中的强度要求是通过零件中最大工作应力等于或小于材料许用应力来满足，这样材料并为得到充分利用。最理想的设计是应力处处相等，同时达到材料的许用应力值。工程中大量出现的变截面梁就是按照等强度原则来设计的。比如，摇臂钻的横臂AB，汽车用的板
5、簧和阶梯轴等（见图5-32）。按照等强度原则设计时要注意两点：其一应用等强度原则的前提是要方便制造；其二是要注意次要载荷的影响。a)b)c)图5-32 满足等强度原则的结构a) 摇臂钻的横臂 b) 车用的板簧 c) 阶梯轴（九）其它设计原则很多，下面介绍一些其它设计原则：1. 空心截面原则弯曲应力或扭转应力在横截面上都是越远离中心越大，而在中心处却很小，为了充分利用材料，应尽量将材料放在远离截面中心处，使其成为空心结构，从而提高零件的强度和刚度。此即为空心截面原则。2. 受扭截面封闭原则受扭转作用的薄壁零件的截面应尽量制造成为封闭形状，因为封闭形状比开口形状抗剪切能力强，抗扭刚度大。此即为受扭
6、截面封闭原则。3. 最佳着力点原则着力点的位置要尽量通过中心点、结点等位置，避免产生附加弯矩，这样有助于提高零件的承载能力。4. 受冲击载荷结构柔性原则为了提高零件的抗冲击的能力，应减小系统的刚度，加大柔性，这将有助于改善系统的性能。5. 避免长压杆失稳原则6. 热变形自由原则二、改善制造工艺性的结构设计原则（一）焊接件结构设计原则一般来说可以通过三条途径来保证或提高焊接质量：材料、工艺、结构。其中，结构设计上的缺陷能严重地影响焊接零件乃至整个机械设备的质量和功能。1 避免高应力区原则焊缝及其影响区的动载强度一般比周围材料的强度要低，还存在内应力，因此应尽量将焊缝设置于应力水平较低的区域。如图
7、5-33a所示，当焊接两块板厚不同的零件时，因几何尺寸突变，所以在焊接区域里存在严重的应力集中。此时在结构设计时要留有过渡结构，缓解几何尺寸的突变（见图5-33b）。如图5-34a所示压力容器，当焊缝处在曲率突变位置时，尽管壁厚一致，但应力也很大，不可取，采用如图5-34b所示的结构效果就要好些。类似情况还有如图5-35所示。 a)b) a)b)图5-33 不同板厚零件间的焊缝a)较差结构 b)改进结构 图5-34 压力容器的焊缝a)较差结构 b)改进结构a)b)图5-35 避免高应力区的焊缝结构a)较差结构 b)改进结构2 避免焊缝重叠原则复杂结构的焊缝常出现多条焊缝交叉重叠的情况。焊缝交汇
8、处刚性大，结构翘曲严重，从而加大焊缝内应力，而且结构多次过热，材料性能下降，易出现裂纹，这些都会影响焊接结构的性能。改进方法有三种：加辅助结构（见图5-36a）、切除部分（见图5-36b）、焊缝错开（见图5-36c）a)b)c)图5-36 避免焊缝重叠的焊缝结构a)加辅助结构 b)切除部分 c)焊缝错开3 焊缝根部优先受压原则在焊接构件承受弯曲应力时，应将焊缝置于压应力一侧。4 避免尖角原则尖角处焊接定位困难，尖角易被熔化，焊接质量不易保证。如图5-37所示，改进后的结构效果要好得多。a)b)图5-37 避免尖角的焊缝结构a)较差结构 b)改进结构5 对称性原则焊接件设计应具有对称性。焊缝布置
9、与焊接顺序也应对称，这样就可以利用各条焊缝冷却时的力和变形相互均衡，以得到焊接件整体的较小变形（见图5-38）。a)b)图5-38 对称焊缝结构a)较差结构 b)改进结构6 焊接量最少原则理想的焊接结构是焊接量最少的结构，应尽量减少焊缝个数和焊接量（见图5-39）。a)b)图5-39 焊接量少的焊缝结构a)较差结构 b)改进结构（二）铸件结构设计原则铸件的结构设计对铸件的制造成本，铸件的质量有决定性的影响。铸件的结构设计要充分地考虑铸造材料和工艺的特性。1. 壁厚均匀原则均匀的壁厚可以提高铸件的质量，减少铸件中断面厚度大的部分的尺寸，避免金属聚集一致产生缩孔或缩松，而且还可以节省材料（见图5-
10、40）。a)b)图5-40 壁厚均匀的铸件结构a)较差结构 b)改进结构2. 自由收缩原则加肋结构是铸件中常见的结构。在设置加强肋时应避免在冷却过程中因收缩不一致而产生的内应力和裂纹。具体措施有：蜂窝状加强肋（见图5-41a）、斜弯加强肋（图见图5-41b）、加强肋错位（见图5-41c）和加强肋切断（见图5-41d）。如图5-41b所示，为避免铸件冷却时阻碍金属收缩，产生内应力而导致轮辐产生裂纹，将直辐条改成弧形，这样冷却时辐条就能够自由收缩，结构较合理。 a)b)c)d)图5-41 自由收缩的铸件结构a)蜂窝状加强肋 b)斜弯加强肋 c)加强肋错位 d)加强肋切断3. 良好的受力状态原则铸件
11、应优先承受压力，因为铸铁的抗压强度比抗拉强度高得多（见图5-42）。铸件内部肋的安置应考虑几何原理。如图5-43a所示加强肋按矩形分布，对铸件强度和刚度有一些的影响，因矩形是不稳定的形状。若按三角形安置，形状稳定，造型较好，结构比较合理（见图5-43b）。铸件在必要时应局部加强（见图5-44）。铸件的箱壁应可靠地支持在地面上，以保持它的强度和刚度。a)b)图5-42 受压优先铸件结构a)受压加强肋 b)受压容器 a)b) a)b)图5-43 内置加强肋结构a)较差结构 b)改进结构 图5-44 局部加强结构a)较差结构 b)改进结构4. 便于模具制造原则复杂模具制造困难、成本高、难以保证质量。
12、一般要求结构形状简单（见图5-45a），避免隐蔽、分离部分（见图5-45b），圆角尺寸统一（见图5-45c），优先采用对称形状，尽量少用模芯，采用复合结构（见图5-45d）等。a)b)c)d)图5-45 便于模具制造的结构如图5-46所示，有些圆角对铸件质量影响不大，但增加造型造芯的困难，为此应将圆角取消。如图5-47所示的面积较大的薄壁零件，不应设计成水平的平面结构。水平平面浇铸时容易造成冷隔或形成气孔。如改为有斜坡的平面，则有利于排出液态金属中的杂质和由于铁液漫流造成的冷隔等缺陷。 a)a)b) b)图5-46 圆角对造型造芯的影响a)较差结构 b)改进结构 图5-47 面积较大的薄壁结构
13、a)较差结构 b)改进结构5. 其它有关铸件结构设计的其它要求举例说明如下：起模方便（见图5-48a），流动畅通（见图5-48b），便于排气，清除表皮方便（见图5-48c），便于切削加工（见图5-48d）等。 a) b) c) d)图5-48 铸件结构（三）切削件结构设计原则减少加工成本，提高机加工质量是切削件结构设计的基本要求，切削件的结构设计要充分考虑机加工工艺的特性。1. 便于退刀原则方便退刀可以节省加工时间，从而达到降低加工成本的目的。退刀槽和越程槽是两种最常见的退刀结构（见图5-49）。a)b)c)图5-49 便于退刀的结构2. 减少加工量原则减少加工量可以提高生产效率，还可以节省材
14、料。常用的方法有：选择合适的毛坯、采用组合部件（见图5-50a）、平缓过渡（见图5-50b）和减少行程（见图5-50c）等。 a) b) c)图5-50 减少加工量的结构3. 可靠夹紧原则机械零件在机加工时必须夹持在机床上，因此机械零件上必须有便于夹持的部位。此外夹持零件必须有足够大的支持力，以保证在切削力的作用下，零件不会晃动，这样才能保证加工质量（见图5-51）。 a) b)图5-51 保证夹紧力的结构4. 同一夹紧工序原则在加工机械零件的不同表面时，应避免多次装夹。希望能在一次固定中加工尽可能多的零件表面。这样，不但可以节约加工时间，而且可以提高加工精度。比如一根轴上的键槽应该布置在同一
15、条直线上。如图5-52所示为一轴承座，a图所示的结构两孔因中间隔有凸台，而不能一次加工出来。在b图中则是去掉凸台，用挡环代替，则可保证两孔一次安装就可加工出来。a)b)图5-52 轴承座结构a)较差结构 b)改进结构5. 避免斜面开孔原则在斜面上钻孔不但位置不准，而且易损伤刀具，应尽量避免，可采用改变孔的位置或改变零件表面形状，使零件表面与孔中心线垂直来解决（见图5-53）。a)b)c)图5-53 避免斜面开孔的结构6. 贯通孔优先原则贯通孔通常比盲孔易加工，易提高加工质量。如图5-54a所示的结构，加工时，刀具只能是悬臂式支承，此时刀具会产生较大的变形，从而使孔的加工精度下降。在两孔间距较大
16、时，甚至会出现废品。b图所示的结构是刀臂两端支承成为可能。a)b)图5-54 贯通孔结构a)较差结构 b)改进结构7. 其它有关切削件结构设计的其它要求举例说明如下：便于切削（见图5-55a）、孔周边条件相近（见图5-55b）等。a)b)图5-55 便于切削的结构a)较差结构 b)改进结构（四）锻件结构设计原则锻件是指靠挤压成型的零件。锻造可以改善材料性能，材质分布更趋均匀，使得锻件有较好的抗动载荷的能力。一般锻件结构设计要遵循以下原则。1. 分界面合理原则锻模的分界面的选定要便于在锻造过程中材料的流动，而且还要便于模具的制造。如图5-56所示，b图的结构比a图的结构有利于材料的流动。如图5-
17、57所示，a图所示的模膛结构加工较困难必须用铣和磨的方法才能加工出来，而b图的模膛结构只需用车削的方法就可加工出来。a)b)图5-56 便于材料流动的结构a)较差结构 b)改进结构a)b)图5-57 便于模具制造的结构a)较差结构 b)改进结构2. 避免尖锐棱角原则锻件尖锐棱角处变形量很大，需很大的挤压力，成型困难（见图5-58）。 a) b)图5-58 避免尖锐棱角的结构3. 方便锻造原则对称结构方便制造，非对称结构应尽量避免（见图5-59a）；锻件内外台阶大小应向一个方向变化，尽量避免多个台阶（见图5-59b）；尽量避免使用肋板（见图5-59c）。 a)b) c)图5-59 方便锻造的结构
18、4. 便于后继加工原则待加工表面应凸出于其它锻造表面（见图5-60a）；应留有夹紧支撑点，以便于切削加工（见图5-60b）。 a) b)图5-60 便于后继加工的结构（五）薄板件结构设计原则薄板指板厚相对其长宽小得多的钢板。充分考虑薄板的加工工艺的要求和特点，一般薄板件结构设计要遵循以下原则。1. 简单形状原则切割面几何形状简单，则切割下料方便，切割的线路短，切割量小。如图5-61所示，直线比曲线简单。a)b)图5-61 直线与曲线结构a)较差结构 b)改进结构2. 节省材料原则在薄板零件的结构设计中要尽量减少下脚料，这样可以减少制造成本。如图5-62所示，b图结构的效果就要好得多。a)b)图
19、5-62 节省材料的结构a)较差结构 b)改进结构3. 避免过窄结构原则如图5-63所示，两孔之间的距离太小，加工时可能会产生裂纹。细长的板条刚度低，在裁剪时易出现裂纹，此外过窄结构在加工过程中还将严重磨损刀具。a)b)图5-63 避免过窄的结构a)较差结构 b)改进结构4. 弯曲棱边垂直切割面原则薄板在切削加工后，进行弯曲成型加工，弯曲棱边应垂直与切割面或者交汇处设计一个圆角，否则交汇处易出现裂纹（见图5-64）。a)b)图5-64 弯曲棱边垂直切割面结构a)较差结构 b)改进结构5. 平缓弯曲原则陡峭的弯曲需特殊的工具，成本高。另外，曲率半径过小易产生裂纹，在内侧面上还会出现皱折（见图5-65）。a)b)图5-65 平缓弯曲结构a)较差结构 b)改进结构6. 槽边不弯曲原则弯曲区域受力状态复杂，强度低，槽孔应远离弯曲区域或横跨弯曲区域（见图5-66）。a)b)图5-66 槽边不弯曲结构a)较差结构 b)改进结构7. 复杂结构组合制造原则对于复杂的薄板零件可采用组合零件形式，即将薄板零件用焊接、螺栓联接等方式组合在一起（见图5-67）。a)b)图5-67 组合结构a)较差结构 b)改进结构8. 稳定性原则薄板结构横向弯曲刚度较差，一般用平面压槽或空间压槽来提高刚度（见图5-68）。a)b)图5-68 稳定性好的结构a)较差结构 b)
