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【正文】 加，即為：fE＝f1十f2。分析：由于成本或結構的限制，軸和軸承(包括支座)的剛度都不能無限提高。因此必須合理選擇，以求得最滿意的結果。分析發現，跨距L和懸伸長度l之比L／l變化時，f1和f2在fE中的比重會隨之變化，如圖6—2l所示。曲線1和2分別為主軸本身引起的軸端位移和軸承引起的軸端位移L／l變化的函數曲線，曲線3則為上述兩曲線合成的結果。fE最佳的問題！二、改善零件的受力狀況載荷分流就是將一個較大的或復合的載荷分流到不同零件或同一零件的不同部位上，從而達到降低應力、減小變形的效果。特別適于強度和剛度較弱的零件。如：采用多根v帶、某些機床主軸采用并列的兩個或多個相同的軸承等。如CW6163型臥式車床采用了載荷分流的方法，即用一個徑向軸承和兩個推力軸承分別承受徑向力和兩個方向相反的軸向力。帶輪卸荷結構（圖略）：該軸直徑較小且為懸伸軸，故剛度低。采用卸荷結構后，將膠帶的壓軸力通過軸承及軸承座5分流給箱體4，而帶輪3的轉矩則通過端蓋2的花鍵孔傳給軸1，故軸1只承受轉矩而不承受徑向力．減少了彎曲變形。2．載荷均化載荷均化是指將集中成分布不均的載荷變成近似均布的載荷以降低構件的最大應力。圖示的非對稱布置的減速器中，在力的作用下，由于軸的彎曲使齒輪傾斜，從而導致輪齒沿齒寬方向載荷分布不均，對于重型減速器或齒輪箱尤為突出。若采用b圖的對稱布置形式，則可基本上克服上述缺點。漸開線齒輪若沿齒寬方向齒厚相同。則嚙合齒沿接觸線長度方向上的數荷會較多地集中在兩端，圖6—26a所示。若將輪齒截面修整成鼓形，使端部齒厚較中間部分小25~35um，則齒輪工作時靠齒面彈性變形而使載荷分布趨于均勻，如圖6—26b所示。當螺栓受拉和螺母受壓時，由于螺栓和螺母在旋合段內所受軸向力的不同，導致旋合各圈螺紋牙載荷相差很大。圖627所示：第1圈牙受力可為第7圈的十幾倍，這對于重載荷或重要部位的螺母是很嚴重的問題。圖628所示為均化螺紋牙載荷的三種螺母結構形式。由圖可見，各結構都在不同程度上減小了牙上的最大載荷，使載荷趨于均勻。3．載荷抵消廣義地講，載荷抵消是設法在結構上將無用的力或有用的力的不利作用全部或局部抵消。圖629為機床主軸上傳動力F2的不同布置形式，圖中F1為切削力。三、預加載荷預加載荷是構件在制造或裝配時就被施加一定的載荷使其產生相應的塑性變形或彈性變形，從而減小工作應力或工作載荷引起的再變形。強化：以減小應力為目的的預加載荷方法稱為強化，強化分彈性強化和塑性強化兩類。預緊：以提高剛度、減小工作時再變形為目的的頂加載荷方法稱為預緊。1．彈性強化彈件強化是使構件在受工作載荷之前預受一個與工作載荷相反的載荷，產生一個相應的預變形，以及一個與工作應力相反的預應力，工作時該預加載荷部分地抵消工作載荷，預變形部分抵消工作變形，從而降低了構件的最大應力。2．塑性強化塑性強化是使構件在工作狀態下應力最大那部分材料預先經塑性變形而產生一個與工作應力符號相反的殘留應力，用以部分地抵消工件應力。仍以梁為例：給梁預加一個與工作載荷F同向的預加藏荷F’，F’去掉后梁內產生殘留應力，其分布如圖。塑性強化的特點是預加載荷與工作載荷方向一致，而且在構件工作時預加載荷已經撤出，靠殘留應力而不是靠預加載荷本身來抵消工作應力。故要求材料必須具有足夠的塑性，構件的塑性變形量不得超過一定限度。預緊是通過一個與工作載荷方向相同的預加載荷，使零件產生一定的與工作時同方向的彈性變形、以減少工作時的進一步變形，從而提高剛度的有效措施。如：滾動軸承在安裝時預加一個約等于徑向載荷20~30％的軸向力，彈性變形增加了接觸面積，各磙子受力也趨于均勻．從而提向了軸承的剛度。又如多數彈簧都預加了一個初載荷，使其產生—定的初始變形。以保證其具有足夠的剛度和工作彈力。螺栓在裝配時產生的拉力實際上也是預加載荷，工作時承受拉力的較長螺栓必須有足夠的預緊力才能保證被聯接件的聯接剛度。預緊的特點是預加載荷與工作載荷方向相同，工作時不撤出，因此，工作應力不是抵消而是疊加，其目的是提高剛度，而不是減少應力，故預應力應不超過一定限度。方法預緊載荷與工作載荷關系工作時預加載荷是否撤出產生的效果應注意的問題彈性強化方向相反不撤出預加載荷使構件產生與工作變性相反的變形，工作時的變形與其部分抵消，從而減小工作應力產生預緊載荷的構件工作時應力增大，故應取強度較好的材料，且應限制其應力塑性強化方向相同撤出預加載荷撤出后，有殘留應力，抵消了部分工作應力，使最大工作應力減小要求材料有足夠塑性，塑性變形要有一定限度預緊方向相同不撤出預加載荷使構件產生與工作變性同向的初始變形，從而減小因工作載荷而產生的工作變形，提高構件剛度工作時兩載荷疊加，應力增大，注意預緊載荷不應過大四、有關強度和剛度的其它問題提高疲勞強度和動剛度降低應力集中程度螺紋聯接中聯接件和被聯接件的剛度匹配降低零件表面的粗糙度改善零件的尺寸和形狀以及對零件表面進行處理等提高零件的動剛度可從提高其靜剛度、增加阻尼和調整固有頻率等方面著手，也可以采用各種類型的減震器。提高零件的接觸強度和接觸剛度當兩零件的表面為點、線接觸且有法向載荷作用時，雖然因彈性變形可形成小區域接觸，但因面積很小，應力仍很大。合理地確定零件接觸面的結構可以提高接觸強度。(1)增大球面支撐的綜合曲率半徑。R=R1R2/（R1177。R2）(2)以面接觸代替線接觸或點接觸圖6—35a所示為通過中間件A把線接觸改為面接觸的實例。圖6—35b所示則是增加中間件B將點接觸轉變為面接觸的實例。(3)采用變位齒輪傳動提高齒面接觸強度 為提高齒面接觸強度可采用變位齒輪。設計變位齒輪時應滿足兩個條件：兩相互嚙合齒輪變位系數之和最大，以獲得齒面的最大綜合曲率半徑，要保證足夠大的重合度，以使同時嚙合的齒數不致太少。第四節支承件的結構設計一、支承件的功用類型和基本要求1．支承件的功用支承件是機器上大型受力構件的總稱，它可以單獨或聯接起來構成機器的主體、基礎或框架等，對其它零件起聯接、支承或包容作用，以保證零件之間的相對位置或相對運動關系，并承受其它零件的重力及工作載荷。2．支承件的類型支承件形式可根據形狀分為三大類型，即梁型、板型和箱型。1）梁型支承件：特點是其某一方向尺寸比其它兩方向尺寸大很多，因此，在分析或計算時可將其簡化為梁，如車床床身、各類立柱、橫梁、伸臂和滑枕等均屬于此類。2）板型支承件：特點是其某一方向尺寸比其它兩方向尺寸小得多，可近似地簡化為板件，如銑床工作臺、鉗工劃線平臺及某些機器較薄的底座等。3）箱體支承件：三個方向的尺寸差不多，可看作箱體件。如減速器或變速箱箱體、銑床的升降臺及組合機床的中間底座等。3．對支承件的要求支承件通常應滿足剛度，抗振性、熱穩定件及內應力等方面要求。1)剛度：支承件的功用決定了剛度是其最主要的指標之一。支承件若受力變形過大，就無法保持相關零件之間的位置和運動的準確關系。2)抗振性：支承件的抗振性是指其抵抗受迫振動和自激振動的能力。若支承件發生振動，必然影響到其上安裝的零件特別是精密工作零部件如機床主軸、刀架和量具的測頭等的正常工作。另外，支承件通常制成中空形式，有的支承件如箱體的壁厚較簿，面積較大，易于產生薄壁振動。因此，抗振性也是支承件主要要求之一。3)熱穩定性：機器工作時會有很多熱量傳給支承件，主要有：A）動力源熱：如電動機、內燃機和電磁鐵等產生的熱量；B）摩擦熱：如傳動件、軸承、凸輪和離合器等摩擦產生的熱量；C）工藝熱：工藝過程本身如切削、鍛壓、焊接和注塑等產生的熱量；D）物料熱：某些被加工、處理的物熱，如熱鍛毛壞和液態塑料等的熱量；E）環境熱：由于工作在高溫地區或附近有高溫設備如加熱爐等帶給機器的熱量等等。影響：支承件的變形會破壞其上相關零件之間的相對位置或相對運動精度。提高熱穩定性，減少熱變形常用方法有：減少熱源、隔熱、散熱、冷卻等，還可通過合理的結構設計，如合理分配金屬量、用熱變形補償元件、其至用局部加熱等方法使其熱變形均勻。4)內應力：鑄造、焊接等過程中會有內應力產生，而內應力在經過一定時間它的重新分布或逐漸消失會使已加工或已工作的零件產生變形，甚至喪失精度。減少內應力的方法：A）支承件各部分金屬量應盡量分布均勻；B）當壁厚差別較大時，應在厚、薄壁之間逐漸過渡；C）盡量避免過大的金屬堆積，必要時可在局部作出空腔；D）在鑄鐵中加入鎳和鉻等合金元素不但能減小內應力，而且可提高構件運動表面的耐磨性。5)其它要求：設計中還應滿足支承件特定功能的要求，如電器、油箱等的位置和安裝方式；加工余料的排出，冷卻液回收；安裝、吊運的方法及加工工藝性，金屬消耗量等。本節著重討論支承件的剛度這一最突出的問題。二、保證支承件剛度的結構措施保證支承件剛度及抗振性的措施主要有：（1）合理確定截面形狀和尺寸，（2）合理布置隔板和加強肋，（3）合理開口和加蓋，提高局部剛度和接觸剛度，增強阻尼以提高抗振性等。合理確定截面的形狀和尺寸支承件的受力、變形情況很復雜，而對其影響較大者為彎曲、扭轉或者二者的組合。如前所述，截面積相同而形狀不同時，其截面慣性矩和極慣性矩差別很大，因此其抗彎和抗扭剛度差別也很大。表6—4所列8種截面，其面積均10000mm2，由表中列出的抗彎、抗扭慣性矩的相對值可以看出：1）空心；2）受力方向尺寸大；3）加大外輪廓；4）封閉截面。合理布置隔板和加強肋隔板和加強肋也稱肋板和肋條。合理布置隔板和加強肋通常比增加支承件的壁厚的綜合效果更好。1)隔板：隔板實際上是一種內壁，它可連接兩個或兩個以上的外壁。對梁形支承件來說，隔板有縱向、橫向和斜向之分。縱向隔板的抗彎效果好，而橫向隔板的抗扭作用大，斜向隔板則介于上述兩者之間。所以．應根據支承件的受力特點來選擇隔板類型和布置方式。縱向隔板布置在彎曲平面內才能有效地提高抗彎剛度，因為此時隔板的抗彎慣性矩最大。此外、增加橫向隔板還會減小壁的翹曲和截面畸變。隔板的作用是將作用于支承板的局部載荷傳遞給其它壁板,從而使整個支承件承受載荷,提高支承件的自身剛度。a.“T”形隔板連接，主要提高水平面抗彎剛度，對提高垂直面抗彎剛度和抗扭剛度不顯著，多用在剛度要求不高的床身上。b.“”形隔板，在垂直面和水平面上的抗彎剛度都比較高，鑄造性能好，在大中型車床上應用較多。c.“W”形隔板，能較大地提高水平面上的抗彎抗扭剛度，對中心距超過1500mm的長床身，效果最為顯著，但鑄造工藝性較差。，床身剛度最高，排屑容易，工藝性較差。2)加強肋：加強肋的作用主要在于提高外壁的局部剛度，以減小其局部變形和薄壁振動。 一般布置在壁的內側。3．合理開孔和加蓋支承件壁上開孔會降低剛度，但因結構和工藝要求常常需要開孔。，對剛度影響較小；，扭轉剛度降低很多。故孔寬或孔徑以不大于壁寬的1／4為宜。且應開在支承件壁的幾何中心附近或中心線附近。開孔對抗彎剛度影響較小，若加蓋且擰緊螺拴，抗彎剛度可接近未開蓋的水平，且嵌入蓋比覆蓋蓋效果更好。扭轉剛度在加蓋后可恢復到原來的35％一41％左右。4．提高局部剛度和接觸剛度所謂局部剛度是指支承件上與其它零件或地基相聯部分的剛度。當為凸緣聯接時，其局部剛度主要取決于凸緣剛度、螺栓剛度和接觸剛度；當為導軌聯接時，則主要反映在導軌與本體聯接處的剛度上。用螺栓聯接時，聯接部分可有不同形式，如圖6—38所示。其中圖a）的結構簡單，但局部剛度差．為提高局部剛度，可采用圖6—38b或圖6—38c的結構形式。圖639a所示為車床床身，其導軌與本體連接剛度較差，若在局部加肋，如圖s—39b所示，則可提高剛度。圖6—39c為龍門刨床床身，其V形導軌處的局部剛度低，若改為如圖6—39d所示的結構，即加一縱向肋板，則剛度得到提高。5．增加阻尼以提高抗振性增加阻尼可以提高抗振性。鑄鐵材料的阻尼比鋼的大。在鑄造的支承件中保留砂芯，在焊接件中填充砂子或混凝土，均可增加阻尼。圖6—40所示為某車床床身有無砂芯兩種情況下固有頻率和阻尼的比較。由圖可見，雖然二者的固有頻率相差不多，但由于砂芯的吸振作用使阻尼增大很多，從而提高了床身的抗振性。其不足之處是增加了床身的重量。采用混凝土、樹脂混凝土或人造花崗巖作支承件的材料（圖略）對機床熱源進行強制冷卻（圖略）第五節結構設計中的工藝問題一個機械結構設計的優劣，可從兩個方面考慮：（1）是對該結構要求實現的功能是否能充分地體現出來；（2）是能否經濟地加工安裝，即工藝性是否好。這種對所設計的結構能綜合地考慮和處理制造、裝配、使用、維修等方面的各種技術問題，稱為結構設計工藝性。一般零件的毛坯由以下方式獲得：型鋼切割或鑄造、焊接和鍛造等。批量小的零件可用鍛造、焊接(大件)方法獲得毛坯；批量大的可用鑄造或精鍛方法獲得零件的毛坯。一、機械加工的工藝性機械加工的工藝性可按表6—5所示的四個原則來考慮：（1）零件結構力求簡單的原則；（2）便于加工的原則；（3）便于裝卡的原則；（4）提高切削效率的原則。二、零件裝配的工藝性零件裝配的工藝性可以按表6—6所示原則來描述：（1）可以分為幾個單元的原則；（2）零部件裝拆方便的原則；（3）保證正確裝配的原則。三、鑄件及焊接件設計準則鑄件：用于形狀復雜的結構，要求在轉折處有圓弧或斜坡等形狀。焊接件：用于由簡單的幾何面(平面或圓柱面等)結合而成的構件，其結構具有薄板、長桿及大平板等特點。焊接件結構變形比鑄造件嚴重，因此重要的焊接部件，如變速箱箱體，需要經過回火消除內應力后再進行機械加工。不論鑄件或焊接件，都要經過時效處理消除內應力。一般機床床身是用鑄造件，但有時一些重型機械的機身、機匣架及框架等巨大的零件如果結構簡單，也可以用焊接件。(一)鑄造件的工藝性鑄造工藝對結構設計的要求（1）便于造型的原則；（2）考慮逐漸冷卻變形的原則；（3）適用于金屬流動充滿的原則。(二)焊