機(jī)械設(shè)計(jì)中力學(xué)研究的作用

摘 要：機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，包括組成機(jī)械產(chǎn)品的零件的形態(tài)、尺寸、結(jié)構(gòu)、材料選擇等基本設(shè)計(jì)要素和工作內(nèi)容。處理這些要素全要用到工程力學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)的知識，本文將對機(jī)械設(shè)計(jì)中力學(xué)研究的作用進(jìn)行簡要概括。

關(guān)鍵詞：工程力學(xué)；機(jī)械設(shè)計(jì)；額定壽命；許用應(yīng)力；強(qiáng)度；剛度；穩(wěn)定性

機(jī)械設(shè)計(jì)即根據(jù)使用要求對專用機(jī)械的工作原理、結(jié)構(gòu)、運(yùn)動方式、力和能量的傳遞方式、各個零件的材料和形狀尺寸、潤滑方法等進(jìn)行構(gòu)思、分析和計(jì)算并將其轉(zhuǎn)化為具體的描述以作為制造依據(jù)的工作過程。機(jī)械設(shè)計(jì)是機(jī)械工程的重要組成部分，是機(jī)械生產(chǎn)的第一步，是決定機(jī)械性能的最主要的因素。機(jī)械設(shè)計(jì)可分為3類：一新型設(shè)計(jì)即應(yīng)用成熟的科學(xué)技術(shù)或經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明是可行的新技術(shù)，設(shè)計(jì)過去沒有過的新型機(jī)械；二繼承設(shè)計(jì)即根據(jù)使用經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)發(fā)展對已有的機(jī)械進(jìn)行設(shè)計(jì)更新，以提高其性能、降低其制造成本或減少其運(yùn)用費(fèi)用；三變型設(shè)計(jì)即為適應(yīng)新的需要對已有的機(jī)械作部分的修改或增刪而發(fā)展出不同于標(biāo)準(zhǔn)型的變型產(chǎn)品。

以上三類設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)形式雖然千差萬別，但其功能的實(shí)現(xiàn)幾乎都與力（力矩）的產(chǎn)生、轉(zhuǎn)換、傳遞有關(guān)。機(jī)械零件具有足夠的承載能力是保障機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能的先決條件。所以在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，根據(jù)力學(xué)理論對零件的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性進(jìn)行分析是必不可少的，并在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，所以力學(xué)研究便成為了一項(xiàng)與機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)聯(lián)系極為廣泛的基礎(chǔ)性研究，它是機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)的重要理論基礎(chǔ)和支撐。在機(jī)械設(shè)計(jì)中力學(xué)研究的主要作用有以下幾個方面：

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化作用，使零件受力更為合理

作用在零件上的外力、彎矩、扭矩等統(tǒng)稱為載荷。這些載荷中不隨時間變化或隨時間變化緩慢的稱為靜載荷。隨時間作周期性變化或非周期性變化的稱為變載荷。它們在零件中引起拉、壓、彎、剪、扭等各種應(yīng)力，并產(chǎn)生相應(yīng)的變形。如果同一零件上同時承擔(dān)了多種載荷的作用，則可考慮將這些載荷分別由不同的零件來承擔(dān)。設(shè)計(jì)時采取一定的結(jié)構(gòu)形式，將載荷分給兩個或多個零件來承擔(dān)，從而減輕單個零件的載荷，稱為載荷分擔(dān)原則。這樣有利于提高機(jī)械結(jié)構(gòu)的承載能力。可列舉下面兩個例子：

⑴改變結(jié)構(gòu)，減小軸的受力。如圖1-a所示，軸已經(jīng)承受了彎矩的作用，如果齒輪再經(jīng)過軸將轉(zhuǎn)矩傳遞給卷筒，則軸為轉(zhuǎn)軸（工作時既承受彎矩又承受轉(zhuǎn)矩），受力較大。如果將齒輪和卷筒改用螺栓直接聯(lián)接，則軸不受轉(zhuǎn)矩作用，軸為轉(zhuǎn)動心軸（用來支承轉(zhuǎn)動零件，只承受彎矩而不傳遞轉(zhuǎn)矩），軸的受力情況得到改善，結(jié)構(gòu)較合理。如圖1-b所示。

⑵采用減載裝置，提高螺紋聯(lián)接的可靠性。如圖2所示，靠摩擦力傳遞橫向載荷的緊螺栓聯(lián)接，要求保持較大的預(yù)緊力，結(jié)果會使螺栓的結(jié)構(gòu)尺寸增大。此外，在振動、沖擊或變載荷下，摩擦系數(shù)的變動，將使聯(lián)接的可靠性降低，有可能出現(xiàn)松脫。為了避免上述缺點(diǎn)，常用銷、套筒、鍵等減載元件來承擔(dān)部分橫向載荷，提高螺紋聯(lián)接的可靠性。而這些結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)都離不開力學(xué)研究。

2 強(qiáng)度校核作用

在我們機(jī)械的行業(yè)中我們用到的材料有成千上萬種，而每一種材料的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性都不盡相同，換句話說，每種材料都有它固有的屬性，而我們在進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)的時候并非靠感覺來決斷，那樣便成了“瞎子摸象”，而是需要我們在完成了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì)算（也就是根據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)好的零件結(jié)構(gòu)來分析外負(fù)載作用在零件上的有效載荷，然后再根據(jù)該載荷計(jì)算出零件受載關(guān)鍵位置的應(yīng)力情況，最后用計(jì)算出的應(yīng)力與各種材料的許用應(yīng)力比較對比來確定選用哪一種材料；或者在零件關(guān)鍵位置應(yīng)力和材料確定的情況下來決定選用它的何種規(guī)格型號）。否則就會出現(xiàn)設(shè)計(jì)的零件不能滿足載荷的要求而出現(xiàn)失效情況，只有進(jìn)行了相應(yīng)的產(chǎn)品強(qiáng)度計(jì)算校核后，才能夠保證我們的產(chǎn)品設(shè)計(jì)是能夠滿足我們的使用要求的，我們的設(shè)計(jì)才是成功的。以下面的設(shè)計(jì)為例：電瓶車掛鉤用插銷聯(lián)接，如圖3所示。已知t=8mm，插銷材料的許用切應(yīng)力[τ]=30MPa，許用擠壓應(yīng)力[σbs]=100MPa，牽引力F=15kN。試選定插銷的直徑d。

插銷的受力情況如圖3b，可以求得

先按抗剪強(qiáng)度條件進(jìn)行設(shè)計(jì)

即

再用擠壓強(qiáng)度條件進(jìn)行校核

所以擠壓強(qiáng)度條件也是足夠的。查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊，最后采用d=20mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱銷釘。

3 可靠性作用

在機(jī)械設(shè)計(jì)中，我們完成了以上兩步的設(shè)計(jì)后，已經(jīng)可以確定我們的產(chǎn)品是合格的，但是它的可靠性是怎樣的，壽命如何。我們還需要進(jìn)一步的確認(rèn)，而這個過程也是通過力學(xué)研究來進(jìn)一步確定。在此我們以軸承為例，圖示的軸由一對7206AC角接觸球軸承支承。已知軸的轉(zhuǎn)速n=1000r/min，齒輪分度圓直徑d=80mm，圓周力Ft=2000N，徑向力Fr=800N，軸向力=500N，載荷平穩(wěn)。求：軸承1、2的壽命？（附錄數(shù)據(jù)：軸承派生軸向力=0.68Fr1，=0.68Fr2；額定動載荷C=17.1KN；界限系數(shù)e=0.68；若≤e，取X=1，Y=0；若>e，取X=0.41，Y=0.87）

解：⑴求兩軸承受到的徑向載荷

水平支反力如圖a）所示。

Fr1H=Ft/2=1000N，F(xiàn)r2H=Ft/2=1000N

垂直支反力如圖b）所示。

因Fr1V×100+Fae×80/2-Fr×50=0

則Fr1V=（800×50-500×40）/100=200N

因Fr2V×100-Fae×80/2-Fr×50=0

則Fr2V=（800×50+500×40）/100=600N

總支反力：

Fr1=（FrⅠH2+FrⅠV2）1/2=1019.8N

Fr2=（FrⅡH2+FrⅡV2）1/2=1166.2Na）

⑵求兩軸承受到的軸向載荷

軸有向右竄動趨勢，故軸承1被放松，軸承2被壓緊

⑶求軸承受到的當(dāng)量動載荷

⑷按軸承2計(jì)算軸承壽命

結(jié)論：由以上內(nèi)容可以看出，力學(xué)研究在機(jī)械設(shè)計(jì)中有著非常重要的作用，是機(jī)械設(shè)計(jì)的依據(jù)所在，是機(jī)械設(shè)計(jì)的理論支撐，掌握力學(xué)和設(shè)計(jì)的有關(guān)基礎(chǔ)知識，是現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)師所必須具備的素質(zhì)。

[參考文獻(xiàn)]

[1]邱家駿.工程力學(xué).2012-07.

[2]邵剛.機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ).2009-02.

[3]孫學(xué)娟.力學(xué)知識在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的運(yùn)用.2006-03.