静态力作用对机械零件的影响

（1）静态力对零件的作用情况 当机械处于静止状态或匀速运动状态时，说明作用于机械上的力处于平衡，即作用于机械上的所有载荷及机械本身的重力的合力为零（互相抵消）。此时，作用于机械零件上各点的力，大多数可用刚体力学（将机械零件视为受力不变形的刚体）的力平衡方程式及力矩平衡方程式求出，这类可用刚体静力学的力及力矩平衡方程式求出零件各点作用力的力学问题，称为静定力学问题，而用力及力矩平衡方程式不能求出所有点上作用力的力学问题，称为超静定力学问题。超静定力学就是不能将零件物体视为不变形的刚体，必须考虑受力构件的变形才能求解作用在零件各点的力，此时可采用有限元法求解此类力学问题，在CAD软件中已有此类计算软件供应用，只需输入相应的参数便可得出计算结果。

采用力和力矩平衡方程式，求解刚体零件上各点的作用力和力矩时，绘制力传递路径图和力矩图，可直观地掌握力的传递部位和由于力矩作用使零件产生的弯曲变形情况，这对零件的形状设计、尺寸确定、强度大小的判断至关重要。

从零件受力（载荷）作用的力传递路径图，可确定零件各部位受力的大小，从而在设计时相应改变各部位的截面尺寸。图2.3-1所示为压力机受力的力线路径图，示出当工件受到由上而下的动力挤压时，力作用线在底座、两侧立柱及上部横梁的走向。图2.3-1a所示是有底座的压力机的受力情况，其力的作用线在整机内部形成封闭力线，机械中各部件的力自相平衡。图2.3-1b所示为无底座压力机的受力情况，当工件受动力向下挤压时，在压力机底部与地基的接触面处，力线不是封闭的，不论动力挤压力多大，工件底座的地基处只受到压力机本身重量的作用，当动力向下的挤压力超过压力机的自重时，压力机即离开地面上抬。若压力机与地基用螺钉紧固，挤压工件的压力也不能超过地基螺钉的紧固力，而地基螺钉的紧固力是有限的，因而压力机的压力受到很大限制。由力线路径图可见，无底座压力机的设计方案不可行。

图2.3-1 压力机的力传递路径图

a）有底座，力传递路径封闭 b）无底座，力传递路径不封闭

作用于机械上的静态力矩，将使机械产生弯曲变形（拉伸及剪切力产生的机械变形很小）。如果用力矩图表示零件受力矩作用时的力矩分布，就可直观掌握零件受弯的变形状态，从而根据相应力矩的大小，改变零件抗弯方向的截面尺寸，在弯矩变化处的应力集中部位采取改善措施。如图2.3-2a所示的铣床轴，两端由滚动轴承支承，在左方靠近轴承处由齿轮传动，齿轮受到径向力作用传递到轴与齿轮结合面的中心。将两轴承简化为两简支点，轴为简支梁，其力矩图如图2.3-2b所示。右侧支点的支反力，则力p作用点处的支反力矩。可见力p作用点处的弯矩最大，说明该处的轴外径应加粗，考虑到齿轮的轴向定位，故齿轮右侧加一台阶。左侧轴承处的支反力，是右侧轴承处支反力的5倍，故左侧轴承的规格比右侧轴承大，使左、右两轴承的相对负荷比例接近相等，轴承的使用寿命相当。(www.xing528.com)

图2.3-2 铣床轴的合理结构

a）铣床轴的结构 b）铣床轴弯矩图

将图1.1-4所示的压入装置受力时的力传递路径图重新示出，如图2.3-3a所示。该装置各部分受到的力矩，如图2.3-3b所示。该装置受力矩作用后的实际变形，如图2.3-3c所示。按照“力和力矩大的部位加粗，力和力矩小的部位变细”的原则设计零件形状，压入装置便变成如图2.3-3d所示的形状结构。

（2）设备的重心及稳定性 设计机械设备时，一定要考虑设备整体的重心位置。基本要求是重心相对于地基的垂直线必须落在机械设备的基座范围内，并尽量靠近基座的中心位置，而且重心越低越好。重心越低，外力使重心产生摆动所需的外力矩越大，设备也就更不容易翻倒。同时，还要充分考虑机械部件移动时，重心可能产生的位置变化。例如，起重机的力臂伸出或悬挂重物时，设备的重心产生很大的移位，稍不注意即发生翻倒的大事故。其他设备也存在使用中活动部件移动引起的重心可能移位变化的问题，必须给予重视。