結(jié)構(gòu)方案的創(chuàng)新設(shè)計教材課件

1、第7章 結(jié)構(gòu)方案的創(chuàng)新設(shè)計 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的任務(wù)是在總體設(shè)計的基礎(chǔ)上，根據(jù)所確定的原理方案，決定滿足功能要求的機械結(jié)構(gòu)，需要決定的內(nèi)容包括結(jié)構(gòu)的類型和組成，結(jié)構(gòu)中所有零部件的形狀、尺寸、位置、數(shù)量、材料、熱處理方式和表面狀況，所確定的結(jié)構(gòu)除應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)原理方案所規(guī)定的動作要求外，還應(yīng)能滿足設(shè)計對結(jié)構(gòu)的強度、剛度、精度、穩(wěn)定性、工藝性、壽命、可靠性等方面的要求。結(jié)構(gòu)設(shè)計是機械設(shè)計中涉及問題最多、最具體、工作量最大的工作階段。 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要特征之一是設(shè)計問題的多解性，即滿足同一設(shè)計要求的機械結(jié)構(gòu)并不是唯一的，結(jié)構(gòu)設(shè)計中得到一個可行的結(jié)構(gòu)方案一般并不很難，然而，機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的任務(wù)是在眾多的可行結(jié)構(gòu)

2、方案中尋求較好的或最好的方案?，F(xiàn)有的數(shù)學(xué)分析方法能夠使我們從一個可行方案出發(fā)在一個單峰區(qū)間內(nèi)尋求到局部最優(yōu)解，但是，并不能使我們遍歷全部的可行區(qū)域，找出所有的局部最優(yōu)解，并從中找出全局最優(yōu)解，得到最好的設(shè)計方案。這就需要發(fā)揮創(chuàng)造性思維方法的作用。 結(jié)構(gòu)方案的創(chuàng)新設(shè)計71 結(jié)構(gòu)方案的變異設(shè)計 72 提高性能的設(shè)計73 結(jié)構(gòu)的宜人化設(shè)計 74 新型結(jié)構(gòu)設(shè)計 71 結(jié)構(gòu)方案的變異設(shè)計 創(chuàng)造性思維在機械結(jié)構(gòu)設(shè)計中的重要應(yīng)用之一就是結(jié)構(gòu)方案的變異設(shè)計方法。它能使設(shè)計者從一個已知的可行結(jié)構(gòu)方案出發(fā)，通過變換得到大量的可行方案。通過對這些方案中參數(shù)的優(yōu)化，可以使設(shè)計者得到多個局部最優(yōu)解，再通過對這些局部最優(yōu)

3、解的分析和比較，就可以得到較優(yōu)解或全局最優(yōu)解。變異設(shè)計的目的是尋求滿足設(shè)計要求的獨立的設(shè)計方案，以便對其進行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計，通過變異設(shè)計所得到的獨立的設(shè)計方案數(shù)量越多，覆蓋的范圍越廣泛，通過優(yōu)化得到全局最優(yōu)解的可能性就越大。 變異設(shè)計的基本方法是首先通過對結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的分析，得出一般結(jié)構(gòu)設(shè)計方案中所包含的技術(shù)要素的構(gòu)成，然后再分析每一個技術(shù)要素的取值范圍，通過對這些技術(shù)要素在各自的取值范圍內(nèi)的充分組合，就可以得到足夠多的獨立的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。 變異設(shè)計的目的是為設(shè)計提供大量的可供選擇的設(shè)計方案，使設(shè)計者可以在其中進行評價、比較和選擇，并進行參數(shù)優(yōu)化。 一般機械結(jié)構(gòu)的技術(shù)要素包括零件的幾何形狀，零件

4、之間的聯(lián)接和零件的材料及熱處理方式。以下分別分析這幾個技術(shù)要素的變異設(shè)計方法。711. 功能面的變異 機械結(jié)構(gòu)的功能主要是靠機械零部件的幾何形狀及各個零部件之間的相對位置關(guān)系實現(xiàn)的。 零件的幾何形狀由它的表面所構(gòu)成，一個零件通常有多個表面，在這些表面中與其他零部件相接觸的表面，與工作介質(zhì)或被加工物體相接觸的表面稱為功能表面。 零件的功能表面是決定機械功能的重要因素，功能表面的設(shè)計是零部件設(shè)計的核心問題。通過對功能表面的變異設(shè)計，可以得到為實現(xiàn)同一技術(shù)功能的多種結(jié)構(gòu)方案。 描述功能表面的主要幾何參數(shù)有表面的形狀、尺寸大小、表面數(shù)量、位置、順序等。通過對這幾個方面的變異，可以得到多組構(gòu)型方案。 例

5、如要實現(xiàn)用彈簧產(chǎn)生的壓緊力壓緊某零件，使其保持確定位置。設(shè)計時可以選擇的彈簧類型有拉簧、壓簧、扭簧、板簧，被壓緊的零件形狀可以有平面、圓柱面、球面、螺旋面，通過對這些因素的組合可以得到如表7l所示的多種方案。其中壓簧的壓縮距離不應(yīng)過大，否則容易引起彈簧的失穩(wěn)，如確需使用較大的壓縮距離則應(yīng)設(shè)置導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，拉簧因無失穩(wěn)問題，設(shè)計中受空間約束較少，既可單獨使用，也可與搖桿及繩索等配合使用；板簧通常剛度較大，可在較小的變形條件下產(chǎn)生較大的壓緊力。 螺釘用于聯(lián)接時需要通過螺釘頭部對其進行擰緊，而變換旋擰功能面的形狀、數(shù)量和位置（內(nèi)外）可以得到螺釘頭的多種設(shè)計方案。圖7l所示有12種方案，其中前三種頭部結(jié)構(gòu)

6、使用一般扳手?jǐn)Q緊，可獲得較大的預(yù)緊力，但不同的頭部形狀所需的最小工作空間（扳手空間）不同；滾花型和元寶型釘頭用于手工擰緊，不需專門工具，使用方便；第6、7、8種方案的扳手作用在螺釘頭的內(nèi)表面，可使螺紋聯(lián)接件表面整齊美觀；最后四種分別是用“十字”型螺絲刀和“一字”型螺絲刀擰緊的螺釘頭部形狀，所需的扳手空間小，但擰緊力矩也?。豢梢韵胂?，還有許多可以作為螺釘頭部形狀的設(shè)計方案，實際上所有的可加工表面都是可選方案，只是不同的頭部形狀需要用不同的專用工具擰緊，在設(shè)計新的螺釘頭部形狀方案時要同時考慮擰緊工具的形狀和操作方法。 機器上的按鍵外形通常為方形或圓形，這種形狀的按鍵在控制面板上占用較大的面積。為減

7、小電話手機的體積，有人做出如圖7-2所示的手機面板設(shè)計，面板上的每個按鍵的寬度為10mm，相鄰兩鍵的間距為2mm。如采用方形或圓形按鍵，則每行按鍵所占用的最小面板寬度為34mm，由于采用三角形按鍵，使最小寬度縮小為24mm，比原反案減小29%。 在包含中間齒輪的直齒圓柱齒輪傳動中，中間軸所受合力的大小與三個軸的相對位置有關(guān)。用中間軸所受合力的大小，用Fn表示齒輪嚙合處的法向力大小，用表示齒輪的壓力角，則中間軸所受合力關(guān)系曲線如圖7-3所示。通過合理地選擇中間齒輪的位置可以使中間軸及其軸承的受力減小，甚至使其受力為零。 在圖74a所示的結(jié)構(gòu)中，挺桿2與搖桿1通過一球面相接觸，球面在挺桿上。當(dāng)搖桿

8、的位置變化時，搖桿端面與挺桿球面接觸點的法線方向隨之變化，由于法線方向與挺桿的軸線方向不平行，挺桿與搖桿間作用力的壓力角不等于零，所以會產(chǎn)生橫向推力，這種橫向推力需要挺桿與導(dǎo)軌之間的反力與之平衡。當(dāng)挺桿的垂直位置較高時，這種反力產(chǎn)生的摩擦力的數(shù)值會超過球面接觸點的有效軸向推力，因而造成挺桿運動卡死。 如果將球面改 在搖桿上，如 圖7一4b所示， 則接觸面上的 法線方向始終 平行于挺桿軸 線方向，不產(chǎn) 生橫向推力。 在圖75a所示的V形導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)中，上方零件為凹形，下方零件為凸形，在重力作用下摩擦表面上的潤滑劑會自然流失，如果改變凸凹零件的位置，使上方零件為凸形，下方零件為凹形，如圖75b所示，則

9、可以有效地改善導(dǎo)軌的潤滑狀況。 圖76a所示為曲柄搖桿機構(gòu)，若使機構(gòu)中銷孔尺寸變化，圖a中的曲柄搖桿機構(gòu)演變?yōu)閳Db所示的偏心輪機構(gòu)。 普通電動機中轉(zhuǎn)子和定子的布置方式如圖77a所示，將沿圓周布置的轉(zhuǎn)子和定于改變?yōu)檠刂本€方向布置（圖b），則旋轉(zhuǎn)電機演變?yōu)橹本€電機，如使沿直線方向布置的轉(zhuǎn)子和定于再沿另一軸線（與旋轉(zhuǎn)電機軸線方向相垂直）旋轉(zhuǎn)，則直線電機演變?yōu)閳A筒形直線電機 (圖c) 712 聯(lián)接的變異 機器中的零部件通過各種各樣的聯(lián)接組成完整的機器。 機器由零件組成，一個不與其他零部件相接觸的零件具有6個自由度，機械設(shè)計中通過規(guī)定零件之間適當(dāng)?shù)穆?lián)接方式限制零件的某些自由度，保留機器的功能所必需的自由

10、度，使機器在工作中能夠?qū)崿F(xiàn)確定形式的運動關(guān)系。 聯(lián)接的作用是通過零件的工作表面與其他零件的相應(yīng)表面的接觸實現(xiàn)的，不同形式的聯(lián)接由于相接觸的工作表面形狀不同，表面間所施加的緊固力不同，從而對零件的自由度形成不同的約束。 以軸轂聯(lián)接為例。按照設(shè)計要求，軸與輪轂的聯(lián)接對相對運動自由度的限制可能有以下幾種情況： 1固定聯(lián)接，聯(lián)接后軸與輪轂完全固定，不具有相對運動自由度，通常的軸轂聯(lián)接多為這種情況，這種軸轂聯(lián)接需要限制6個相對運動自由度。 2滑動聯(lián)接，聯(lián)接后輪轂可在軸上滑動，其他相對運動自由度被限制。例如齒輪變速機構(gòu)中的滑移齒輪與軸的聯(lián)接就屬于這種聯(lián)接。這種軸轂聯(lián)接需要限制5個相對運動自由度。 3轉(zhuǎn)動聯(lián)

11、接，聯(lián)接后輪轂可在軸上繞軸線轉(zhuǎn)動，其他相對運動自由度被限制。例如齒輪箱中為解決潤滑問題設(shè)置的油輪與固定心軸的聯(lián)接就屬于這種情況。這種軸轂聯(lián)接也需要限制5個相對運動自由度。 4移動、轉(zhuǎn)動聯(lián)接，聯(lián)接后輪轂在軸上既可以移動，又可以繞軸線轉(zhuǎn)動，其他相對運動自由度被限制。這種聯(lián)接應(yīng)用較少，例如有些汽車變速箱中的倒檔齒輪與固定心軸的聯(lián)接屬于這種情況。這種軸轂聯(lián)接需要限制4個相對運動自由度。 第一種情況為固定式聯(lián)接，限制條件少，所有滿足可加工性和可裝配性條件的表面形狀都可以作為這種軸轂聯(lián)接的表面形狀，通過變換用以限制零件間相對運動自由度的方法和結(jié)構(gòu)要素可以得到多種軸轂聯(lián)接方式。按照聯(lián)接中形成鎖合力的條件可將

12、固定式軸轂聯(lián)接分為形鎖合聯(lián)接和力鎖合聯(lián)接。形鎖合聯(lián)接要求被聯(lián)接表面為非圓形，可以是如圖78所示的三角形、正方形、六邊形或其他特殊形狀表面，但是由于非圓截面加工困難，特別是非圓截面孔加工更困難，所以這些形狀的截面實際應(yīng)用較少。由于圓形截面加工較容易，所以非圓截面通常通過在圓形截面上銑平面、銑槽或鉆孔等方法產(chǎn)生，通過變換這些平面、槽或孔的尺寸、數(shù)量、在軸段的位置和方向就形成不同形式的軸轂聯(lián)接。 第二種情況由于輪轂要相對于軸移動，所以軸表面必須是除完整圓柱面以外的其他柱面，通過改變軸的截面形狀可以形成不同的聯(lián)接形式，常用的有滑鍵聯(lián)接。導(dǎo)鍵聯(lián)接、花鍵聯(lián)接和特形柱面聯(lián)接（如方形軸聯(lián)接）等。 第三種情況和

13、第四種情況的聯(lián)接中由于輪轂要相對于軸轉(zhuǎn)動，所以聯(lián)接中軸的截面形狀必須是圓形，第四種情況由于輪轂要相對于軸移動，所以聯(lián)接中軸的表面形狀必須是柱面（不能是錐面），第三種情況下考慮加工方便和避免產(chǎn)生附加軸向力通常也采用柱面，綜合這兩點分析，這兩種聯(lián)接中的軸表面形狀為圓柱面。 713 支承的變異 軸系的支承結(jié)構(gòu)是一類典型結(jié)構(gòu)，軸系的工作性能與它的支承設(shè)計的狀況和質(zhì)量密切相關(guān)。旋轉(zhuǎn)軸至少需要兩個相距一定距離的支點支承，支承的變異設(shè)計包括支點位置變異和支點軸承的種類及其組合的變異。 以錐齒輪傳動（兩軸夾角為900）為例分析支點位置變異問題（以下假設(shè)為滾動軸承軸系），錐齒輪傳動的兩軸各有兩個支點，每個支點相

14、對于傳動零件的位置可以在左側(cè)，也可以在右側(cè)，兩個支點的位置可能有3種組合方式，如圖710所示。 將兩軸的支點位置進行組合可以得到9種結(jié)構(gòu)方案，如圖711所示。 這9種方案中除最后一種方案在結(jié)構(gòu)安排上有困難以外，其余8種均被采用。 軸上的每個支點除承受徑向載荷以外還可能同時承受單向或雙向軸向載荷，每個支點承受軸向載荷的方式有4種可能，如圖712所示。 在單個支點的4種受力情況中每一種情況都可以通過多種不同類型的軸承或軸承組合實現(xiàn)，例如情況a為承受純徑向載荷的支點，可以選用圓柱滾子軸承、滾針軸承、深溝球軸承、調(diào)心球軸承或調(diào)心滾子軸承。對于情況b和c既可以選用向心推力軸承如圓錐滾子軸承或角接觸球軸承

15、，當(dāng)軸向力較小時也可以選用深溝球軸承、調(diào)心球軸承或調(diào)心滾子軸承等向心軸承，也可以采用向心軸承與承受軸向載荷的推力軸承（如推力球軸承、推力滾子軸承）的組合。對于情況d可以采用一對向心推力軸承面對面或背對背組合使用，可以使用專門型號的雙列向心推力軸承，當(dāng)軸向載荷較小時可以采用有一定軸向承載能力的向心軸承如深溝球軸承、調(diào)心球軸承或調(diào)心滾子軸承，也可以采用向心軸承與承受雙向軸向載荷的推力軸承的組合，當(dāng)轉(zhuǎn)速較高時也可以選用具有較高極限轉(zhuǎn)速的深溝球軸承取代雙向推力軸承使用。 圖7-11 錐齒輪傳動軸系支點位置變異 將軸系中兩個支點的這4種情況進行組合，可得到兩支點軸系承受軸向載荷情況的16種方案，如圖7一

16、13所示。 其中方案g、h、j、l、n、o、p為過定位方案，實際不被采用，其余的9種方案中方案b和方案e，方案i和方案c，方案d和方案m分別為對稱方案，余下的6種方案均在不同場合被采用。在這六種方案中方案df及k使軸系在兩個方向上實現(xiàn)完全定位，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)用最普遍，方案d稱為單支點雙向固定結(jié)構(gòu)，方案f和方案k稱為雙支點單向固定結(jié)構(gòu)；方案a使軸系在兩個方向上都不定位，稱為兩端游動軸系結(jié)構(gòu)，這種軸系結(jié)構(gòu)適用于軸系可以通過傳動件實現(xiàn)雙向軸向定位的場合（如人字齒輪或雙斜齒輪傳動）；方案b和c都使軸系單方向定位，這種軸系結(jié)構(gòu)應(yīng)用較少，只用在軸系只可能產(chǎn)生單方向軸向載荷的場合（如重力載荷，在這種應(yīng)用場合

17、中通常也要求軸系雙向定位）。714 材料的變異 機械設(shè)計中可以選擇的材料種類眾多，不同的材料具有不同的性能，不同的材料對應(yīng)不同的加工工藝，結(jié)構(gòu)設(shè)計中既要根據(jù)功能的要求合理地選擇適當(dāng)?shù)牟牧希忠鶕?jù)材料的種類確定適當(dāng)?shù)募庸すに?，并根?jù)加工工藝的要求確定適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)，只有通過適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計才能使所選擇的材料最充分地發(fā)揮優(yōu)勢。 設(shè)計者要做到正確地選擇結(jié)構(gòu)材料就必須充分地了解所選材料的力學(xué)性能、加工性能、使用成本等信息。 例如在彈性聯(lián)軸器的設(shè)計中需要選擇彈性元件的材料，由于所選彈性元件材料的不同，使得聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)變化很大，對聯(lián)軸器的工作性能也有很大的影響。可選作彈性元件的材料有金屬、橡膠、尼龍、膠木等。

18、金屬材料具有較高的強度和壽命，所以常用在要求承載能力大的場合；橡膠材料的彈性變形范圍大，變形曲線呈非線性，可用簡單的形狀實現(xiàn)大變形量、綜合可移性要求，但是橡膠材料的強度差，壽命短，常用在承載能力要求較小的場合。由于彈性元件的壽命短，使用中需多次更換，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)為更換彈性元件提供可能和方便，為更換彈性元件留有必要的操作空間，使更換彈性元件所必須拆卸、移動的零件盡量少。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)根據(jù)所選彈性元件材料的不同而采用不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計原則，圖714表示了使用不同彈性元件材料的常用彈性聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)。 結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)根據(jù)所選材料的特性及其所對應(yīng)的加工工藝而遵循不同的設(shè)計原則。 鋼材受拉和受壓時的力學(xué)特性基

19、本相同，因此鋼梁結(jié)構(gòu)多為對稱結(jié)構(gòu)。鑄鐵材料的抗壓強度遠大于抗拉強度，因此承受彎矩的鑄鐵結(jié)構(gòu)截面多為非對稱形狀，以使承載時最大壓應(yīng)力大于最大拉應(yīng)力，圖7一15所示為兩種鑄鐵支架結(jié)構(gòu)的比較。圖中方案b的最大壓應(yīng)力大于最大拉應(yīng)力，符合鑄鐵材料的強度特點，是較好的結(jié)構(gòu)方案。塑料結(jié)構(gòu)的強度較差，螺紋聯(lián)接件產(chǎn)生的裝配力很容易使塑料零件損壞，圖716所示為一種塑料零件裝配結(jié)構(gòu)，它充分利用塑料加工工藝的特點，在兩個被聯(lián)接件上分別做出形狀簡單的搭鉤和凹槽，裝配時利用塑料零件彈性變形量大的特點使搭鉤與凹槽互相咬合實現(xiàn)聯(lián)接，裝配過程簡單準(zhǔn)確，便于操作。 設(shè)計的結(jié)果要通過制造和裝配實現(xiàn)，結(jié)構(gòu)設(shè)計中如果能根據(jù)所選材料的

20、工藝特點合理地確定結(jié)構(gòu)形式則會為制造過程帶來方便。 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中通常通過加大截面尺寸的方法增大結(jié)構(gòu)的強度和剛度，但是鑄造結(jié)構(gòu)中如果壁厚過大則很難保證鑄造質(zhì)量，所以鑄造結(jié)構(gòu)通常通過加肋板和隔板的方法加強結(jié)構(gòu)的剛度和強度。塑料材料由于剛度差，鑄造后的冷卻不均勻造成的內(nèi)應(yīng)力極易引起結(jié)構(gòu)翹曲，所以塑料結(jié)構(gòu)的肋板應(yīng)與壁厚相近并均勻?qū)ΨQ。陶瓷結(jié)構(gòu)的模具成本和燒結(jié)工藝成本遠大于材料成本，所以陶瓷結(jié)構(gòu)設(shè)計中為使結(jié)構(gòu)簡單，通常不考慮節(jié)省材料的原則。 例71 棘輪機構(gòu)的變異設(shè)計分析 待設(shè)計的棘輪機構(gòu)如圖7一17所示，棘爪頭部的平面與棘輪齒形平面互相接觸，是棘輪機構(gòu)的功能面。通過變換功能面的形狀可得到如圖718所示

21、的多種結(jié)構(gòu)方案，其中方案a和方案c用于單向傳動，方案b的棘輪可用于雙向傳動，方案c功能面能承擔(dān)較大的載荷，應(yīng)用較普遍，但承載能力對制造誤差較敏感。通過變換功能面的數(shù)量可得到如圖719所示的多種結(jié)構(gòu)方案，圖中方案a通過減小輪齒尺寸使輪齒的齒數(shù)增多，由于齒數(shù)增加使傳動的最小反應(yīng)角度減小，傳動精度提高；方案b不改變棘輪的形狀，而通過增加棘爪數(shù)量的方法起到在不降低承載能力的前提下提高傳動精度的作用；方案c和方案d通過兩個棘爪同時受力的方法提高了承載能力。圖7一20所示為通過變換功能面的位置得到的多種結(jié)構(gòu)方案，圖中方案a為內(nèi)棘輪結(jié)構(gòu)，通過將棘爪設(shè)置在棘輪內(nèi)的方法減小了結(jié)構(gòu)尺寸；方案b為軸向棘輪結(jié)構(gòu)，這種

22、結(jié)構(gòu)只有在空間條件允許的條件下才能應(yīng)用。圖7一21所示為通過變換工作面的尺寸得到的多種結(jié)構(gòu)方案。將以上這些要素進行交叉組合變換可以得到更多的結(jié)構(gòu)方案，這些方案各有其優(yōu)缺點，通過對這些方案各自特點的分析并結(jié)合具體的應(yīng)用條件可以從中確定較好的結(jié)構(gòu)方案。例72 鉸鏈節(jié)叉的結(jié)構(gòu)變異 鉸鏈?zhǔn)且活惓Ｒ姷臋C械結(jié)構(gòu)。圖722所示為鉸鏈的一種裝配結(jié)構(gòu)。下面以其中的鉸鏈節(jié)叉為例，分析當(dāng)采用不同的毛坯形式時結(jié)構(gòu)的變異設(shè)計。 圖723表示當(dāng)采用鑄造毛坯時的不同結(jié)構(gòu)方案。其中方案a和方案b的外形簡單容易造型，方案c和方案d的外形結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，但較省材料，而且各部分壁厚較均勻，容易保證鑄造質(zhì)量。 圖724表示當(dāng)采用整體材料

23、以切削方法成形時的不同結(jié)構(gòu)方案，這類結(jié)構(gòu)用于單件或小批量生產(chǎn)的情況。其中下排的幾種結(jié)構(gòu)雖然具有較輕的重量，但并不節(jié)省材料，而且增大切削加工的工作量，只有在結(jié)構(gòu)有特殊要求時才采用這種結(jié)構(gòu)。 圖725表示使用薄板沖壓毛坯的不同結(jié)構(gòu)方案，沖壓結(jié)構(gòu)具有重量輕、節(jié)省材料和大批量生產(chǎn)成本低的優(yōu)點，特別適合于生產(chǎn)批量較大的場合。圖中方案a、b、和d中都包含較小的彎曲半徑，容易引起裂紋和褶皺，在條件允許時應(yīng)盡量采用較大的彎曲半徑，如圖中方案c的結(jié)構(gòu)所示。 圖7一26表示使用板材經(jīng)焊接成形的結(jié)構(gòu)，這類結(jié)構(gòu)適用于結(jié)構(gòu)尺寸較大，而且批量較小的情況。圖中方案a的焊口只起聯(lián)接作用，基本不承擔(dān)載荷；其余幾種結(jié)構(gòu)的焊口都要

24、承擔(dān)工作載荷，因此對焊接質(zhì)量要求較高；方案c的焊口較長，焊接成本高；方案d中的底板在焊接中容易翹曲，影響焊接質(zhì)量。 圖727表示使用成型材料并經(jīng)焊接成形的結(jié)構(gòu)，由于使用了槽鋼、角鋼。帶鋼等型材，使焊接工作量比圖7一26中所示的結(jié)構(gòu)更小。圖中方案c的一處焊口承受較大的彎矩，影響其承載能力。 72 提高性能的設(shè)計 機械產(chǎn)品的性能不但與原理設(shè)計有關(guān)，結(jié)構(gòu)設(shè)計的質(zhì)量也直接影響產(chǎn)品的性能，甚至影響產(chǎn)品功能的實現(xiàn)。下面分別分析為提高結(jié)構(gòu)的強度、剛度、精度、工藝性等方面性能常采用的設(shè)計方法和設(shè)計原則，通過這些分析可以對結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計提供可供借鑒的思路。721 提高強度和剛度的設(shè)計 強度和剛度是結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本

25、問題，通過正確的結(jié)構(gòu)設(shè)計可以減小單位載荷所引起的材料應(yīng)力和變形量，提高結(jié)構(gòu)的承載能力。 強度和剛度都與結(jié)構(gòu)受力有關(guān)，在外載荷不變的情況下降低結(jié)構(gòu)受力是提高強度和剛度的有效措施。1載荷分擔(dān) 載荷引起結(jié)構(gòu)受力，如果多種載荷作用在同一結(jié)構(gòu)上就可能引起局部應(yīng)力過大。結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)將載荷由多個結(jié)構(gòu)分別承擔(dān)，這樣有利于降低危險結(jié)構(gòu)處的應(yīng)力，從而提高結(jié)構(gòu)的承載能力，這種方法稱為載荷分擔(dān)。 圖7-29所示為一位于軸外伸端的帶輪與軸的聯(lián)接結(jié)構(gòu)。方案a結(jié)構(gòu)在將帶輪的扭矩傳遞給軸的同時也將壓軸力傳給軸，它將在支點處引起很大的彎矩，并且彎矩所引起的應(yīng)力為交變應(yīng)力，彎矩和扭矩同時作用會在軸上引起較大應(yīng)力。方案b所示的結(jié)構(gòu)

26、中增加了一個支承套，帶輪通過端蓋將扭矩傳給軸，通過軸承將壓軸力傳給支承套，支承套的直徑較大，而且所承受的彎曲應(yīng)力是靜應(yīng)力，通過這種結(jié)構(gòu)使彎矩和扭矩分別由不同零件承擔(dān)，提高了結(jié)構(gòu)整體的承載能力。 圖 730 a所示為蝸桿軸系結(jié)構(gòu)，蝸桿傳動產(chǎn)生的軸向力較大，使得軸承在承受徑向載荷同時承受較大的軸向載荷，在圖b結(jié)構(gòu)中增加了專門承受雙向軸向載荷的雙向推力球軸承，使得各軸承分別發(fā)揮各自承載能力的優(yōu)勢。 2載荷平衡 在機械傳動中有些做功的力必須使其沿傳動鏈傳遞，有些不做功的力應(yīng)盡可能使其傳遞路線變短，如果使其在同一零件內(nèi)與其他同類載荷構(gòu)成平衡力系則其他零件不受這些載荷的影響，有利于提高結(jié)構(gòu)的承載能力。 圖

27、7-31a所示的行星齒輪結(jié)構(gòu)中齒輪嚙合使中心輪和系桿受力。圖b所示結(jié)構(gòu)中在對稱位置布置三個行星輪，使行星輪產(chǎn)生的力在中心輪和系桿上合成為力偶，減小了有害力的傳播范圍，有利于相關(guān)結(jié)構(gòu)的設(shè)計。3減小應(yīng)力集中 應(yīng)力集中是影響承受交變應(yīng)力的結(jié)構(gòu)承載能力的重要因素，結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)設(shè)法緩解應(yīng)力集中。在零件的截面形狀發(fā)生變化處力流會發(fā)生變化（如圖732所示），局部力流密度的增加引起應(yīng)力集中。零件截面形狀的變化越突然，應(yīng)力集中就越嚴(yán)重，結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)盡力避免使結(jié)構(gòu)受力較大處的零件形狀突然變化，以減小應(yīng)力集中對強度的影響。零件受力變形時不同位置的變形阻力（剛度）不相同也會引起應(yīng)力集中，設(shè)計中通過降低應(yīng)力集中處附近的局

28、部剛度可以有效地降低應(yīng)力集中。例如圖733a所示過盈配合聯(lián)接結(jié)構(gòu)在輪轂端部應(yīng)力集中嚴(yán)重，圖b、c、d所示結(jié)構(gòu)通過降低軸或輪轂相應(yīng)部位的局部剛度使應(yīng)力集中得到有效緩解。 由于結(jié)構(gòu)定位等功能的需要在絕大部分結(jié)構(gòu)中不可避免地會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)尺寸及形狀的變化，這些變化都會引起應(yīng)力集中，如果多種變化出現(xiàn)在同一結(jié)構(gòu)截面處將引起嚴(yán)重的應(yīng)力集中，所以結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)盡力避免這種情況。 圖734所示的軸結(jié)構(gòu)中臺階和鍵槽端部都會引起軸在彎矩作用下的應(yīng)力集中，圖a的結(jié)構(gòu)將兩個應(yīng)力集中源設(shè)計到同一截面處，加劇了局部的應(yīng)力集中，圖b結(jié)構(gòu)使鍵槽不加工到軸段根部，避免了應(yīng)力集中源的集中。 4減小接觸應(yīng)力 高副接觸零件的接觸強度和接觸

29、剛度都與接觸點的綜合曲率半徑有關(guān)，設(shè)法增大接觸點的綜合曲率半徑是提高這類零件工作能力的重要措施。 漸開線齒輪在齒面上不同位置處的曲率半徑不同，采用正變位可使齒面的工作位置向曲率半徑較大的方向移動，對提高齒輪的接觸強度和彎曲強度都非常有利。 圖735所示結(jié)構(gòu)中圖a兩個凸球面接觸傳力，綜合曲率半徑較小，接觸應(yīng)力大；圖b為凸球面與平面接觸，圖c為凸球面與凹球面接觸，綜合曲率半徑依次增大，有利于改善球面支承的強度和剛度。 722 提高精度的設(shè)計 現(xiàn)代設(shè)計對精度提出越來越高的要求，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計可以減小由于制造、安裝等原因產(chǎn)生的原始誤差，減小由于溫度、磨損、構(gòu)件變形等原因產(chǎn)生的工作誤差，減小執(zhí)行機構(gòu)對各項

30、誤差的敏感程度，從而提高產(chǎn)品的精度。 1誤差均化 制造和安裝過程中產(chǎn)生的誤差是不可避免的，通過適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計可以在原始誤差不變的情況下使執(zhí)行機構(gòu)的誤差較小。試驗證明螺旋傳動的誤差可以小于螺桿本身的螺距誤差。圖736所示為千分尺的測量誤差與其螺距誤差的對比圖，圖a為千分尺的累積測量誤差，圖b為通過萬能工具顯微鏡測得的該千分尺螺桿的螺距累積誤差。這一試驗說明了關(guān)于機械精度的均化原理：在機構(gòu)中如果有多個聯(lián)接點同時對一種運動起限制作用，則運動件的運動誤差決定于各聯(lián)接點的綜合影響，其運動精度高于一個聯(lián)接點的限制作用。在一定條件下增加螺旋傳動中起作用的螺紋圈數(shù)，使多圈螺紋同時起作用，不但可以提高螺旋傳動的

31、承載能力和耐磨性，而且可以提高傳動精度。 2誤差合理配置 在機床主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計中，提高主軸前端（工作端）的旋轉(zhuǎn)精度是很重要的設(shè)計目標(biāo)，主軸前支點軸承和主軸后支點軸承的精度都會影響主軸前端的旋轉(zhuǎn)精度，但是影響的程度不相同。 經(jīng)過分析前支點的誤差對主軸前端的精度影響較大，所以在主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計中通常將前支點的軸承精度選擇得比后支點高一個等級。3誤差傳遞 在機械傳動系統(tǒng)中，各級傳動件都會產(chǎn)生運動誤差，傳動件在傳遞必要的運動的同時也不可避免地將誤差傳遞給下一級傳動件。 4誤差補償 在機械結(jié)構(gòu)工作過程中會由于溫度變化、受力、磨損等因素使零部件的形狀及相對位置關(guān)系發(fā)生變化，這些變化也常常是影響機械結(jié)構(gòu)工作精度的

32、原因。溫度變化、受力后的變形和磨損等過程都是不可避免的，但是好的結(jié)構(gòu)設(shè)計可以減少由于這些因素對工作精度造成的影響。在圖739所示的兩種凸輪機構(gòu)設(shè)計中，凸輪和移動從動件與搖桿的接觸點上都會不可避免地發(fā)生磨損，圖a的結(jié)構(gòu)使得這兩處磨損對從動件的運動誤差的影響 互相疊加，而圖b的結(jié)構(gòu) 則使得這兩處磨損對從動 件的運動誤差的影響互相 抵消，從而提高了機構(gòu)的 工作精度。 5采用誤差較小的近似機構(gòu) 有些應(yīng)用中為簡化機構(gòu)而采用某些近似機構(gòu)，這會引入原理誤差，在條件允許時優(yōu)先采用近似性較好的近似機構(gòu)可以減小原理誤差。723 提高工藝性的設(shè)計 設(shè)計的結(jié)果要通過制造、安裝、運輸?shù)冗^程實現(xiàn)，機械設(shè)備使用過程中還要多

33、次對其進行維修、調(diào)整等操作，正確的結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)使這些過程可以進行，好的結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)使這些過程方便、順利地進行。1方便裝卡 大量的零件要經(jīng)過機械切削加工工藝過程，多數(shù)機械切削加工過程首先要對零件進行裝卡。結(jié)構(gòu)設(shè)計要根據(jù)機械切削加工機床的設(shè)備特點，為裝卡過程提供必要的夾持面，夾持面的形狀和位置應(yīng)使零件在切削力的作用下具有足夠的剛度，零件上的被加工面應(yīng)能夠通過盡量少的裝卡次數(shù)得以完成。如果能夠通過一次裝卡對零件上的多個相關(guān)表面進行加工，這將有效地提高加工效率。 在圖741利所示的頂尖結(jié)構(gòu)中，圖a結(jié)構(gòu)只有兩個圓錐表面，用卡盤無法裝卡；在圖b的結(jié)構(gòu)中增加了一個圓柱形表面，這個表面在零件工作中不起作用，只是為

34、了實現(xiàn)工藝過程而設(shè)置的，這種表面稱為工藝表面。 在圖742所示的軸結(jié)構(gòu)中，圖a將軸上的兩個鍵槽沿周向成900布置，這兩個鍵槽必須兩次裝卡才能完成加工；圖b的結(jié)構(gòu)中將兩個鍵槽布置在同一周向位置，使得可以一次裝卡完成加工，方便了裝卡，提高了加工效率。 圖743所示為立式鉆床的床身結(jié)構(gòu)，床身左側(cè)為導(dǎo)軌，需要精加工，床身右側(cè)沒有工作表面，不需要切削加工。在圖a的結(jié)構(gòu)中沒有可供加工導(dǎo)軌工作表面使用的裝卡定位表向；在圖b的結(jié)構(gòu)中雖然設(shè)置了裝卡定位表面，但是由于表面過小，用它定位裝卡在加工中不能使零件獲得足夠的剛度；在圖c的結(jié)構(gòu)中增大了定位面的面積，并在上部增加了工藝臍，作為定位裝卡的輔助支撐，由于工藝臍在

35、鉆床工作中沒有任何作用，通常在加工完成后將其去除。 2方便加工 切削加工所要形成的幾何表面的數(shù)量。種類越多，加工所需的工作量就越大，結(jié)構(gòu)設(shè)計中盡量減少加工表面的數(shù)量和種類是一條重要的設(shè)計原則。 例如齒輪箱中同一軸系兩端的軸承受力通常不相等，但是如果將兩軸承選為不同型號，兩軸承孔成為兩個不同尺寸的幾何表面，加工工作量將加大。為此通常將軸系兩端軸承選為相同型號。如必須將其選為不同尺寸的軸承時可在尺寸較小的軸承外徑處加裝套杯。 圖744a所示的箱形結(jié)構(gòu)頂面有兩個不平行平面，要通過兩次裝卡才能完成加工；圖b將其改為兩個平行平面，可以一次裝卡完成加工；圖c將兩個平面改為平行而且等高，可以將兩個平面作為一

36、個幾何要素進行加工。 結(jié)構(gòu)設(shè)計中如果為加工過程創(chuàng)造條件，使得某些加工過程可以成組進行，將會明顯地提高加工工作效率。圖745所示的齒輪結(jié)構(gòu)中，圖a所示的齒輪結(jié)構(gòu)由于輪轂與輪緣不等寬，如果成組進行滾齒加工則由于零件剛度較差而影響加工質(zhì)量，如改為圖b的結(jié)構(gòu)，使輪轂與輪緣等寬，則為成組滾齒創(chuàng)造了條件，大大提高了滾齒工作效率。 3簡化裝配、調(diào)整和拆卸 加工好的零部件要經(jīng)過裝配才能成為完整的機器，裝配的質(zhì)量直接影響機器設(shè)備的運行質(zhì)量，設(shè)計中是否考慮裝配過程的需要也直接影響裝配工作的難度。 如圖746a 隨著裝配過程自動化程度的提高，越來越多的裝配工作應(yīng)用了裝配自動線或裝配機器人，這些自動化設(shè)備具有很高的工

37、作速度，但是對零件上的微小差別的分辨能力比人差很多，這就要求設(shè)計人員應(yīng)減少那些具有微小差別的零件種類，或增加容易識別的明顯標(biāo)志，或?qū)⑾嗨频牧慵诳赡艿那闆r下消除差別，合并為同一種零件。 例如圖747a所示的兩個圓柱銷的外形尺寸完全相同，只是材料及熱處理方式不同，這在裝配過程中無論是人或是自動化的機器都很難區(qū)別，裝錯的可能性極大。如果改為圖b的結(jié)構(gòu)，使兩個零件的外形尺寸有明顯的差別，使得錯誤的裝配不能實現(xiàn)，這就避免了發(fā)生裝配錯誤的可能性。 在機械設(shè)計中很多設(shè)計參數(shù)是依靠調(diào)整過程實現(xiàn)的，當(dāng)對機器進行維修時要破壞某些經(jīng)過調(diào)整的裝配關(guān)系，維修后需要重新調(diào)整這些參數(shù)，這就增加了維修工作的難度。結(jié)構(gòu)設(shè)計中

38、應(yīng)減少維修工作中對已有裝配關(guān)系的破壞，使維修更容易進行。 圖7-48a所示軸承座結(jié)構(gòu)的裝配關(guān)系不獨立，更換軸承時不但需要破壞軸承蓋與軸承座的裝配關(guān)系，而且需要破壞軸承座與機體的裝配關(guān)系。圖b的結(jié)構(gòu)中軸承座與機體的裝配關(guān)系和軸承蓋與軸承座的裝配關(guān)系互相獨立，更換軸承時不需要破壞軸承座與機體的裝配關(guān)系。 機械設(shè)備中的某些零部件由于材料或結(jié)構(gòu)的關(guān)系使用壽命較低，這些零部件在設(shè)備的使用周期內(nèi)需要多次更換，結(jié)構(gòu)設(shè)計中要考慮這些易損零件更換的可能性和方便程度。例如V帶傳動中帶的設(shè)計壽命較低，需要經(jīng)常更換。V帶是無端帶，如果將帶輪設(shè)置在兩固定支點間，則每次更換帶時都需要拆卸并移動支點，為此通常將帶輪設(shè)置在軸

39、的懸臂端。圖7一49所示的彈性套柱銷聯(lián)軸器的彈性元件由于使用橡膠材料所以壽命較低，聯(lián)軸器兩端通常聯(lián)接較大設(shè)備，更換彈性元件時很難移動這些設(shè)備，結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)為彈性元件的拆卸和裝配留有必要的空間。 73 結(jié)構(gòu)的宜人化設(shè)計 大多數(shù)機器設(shè)備要由人操作，在早期的機械設(shè)計中設(shè)計者認(rèn)為通過選拔和訓(xùn)練可以使人適應(yīng)任何復(fù)雜的機器設(shè)備。隨著設(shè)計和制造水平的提高，機器的復(fù)雜程度、工作速度及其對操作人員的知識和技能水平的要求越來越高，人已經(jīng)很難適應(yīng)這樣的機器，由于操作不當(dāng)造成的事故越來越多。據(jù)統(tǒng)計，在第二次世界大戰(zhàn)期間美國飛機所發(fā)生的飛行事故中有90是由于人為因素造成的。通過這些事實使人們認(rèn)識到不能要求操作者無限制地

40、適應(yīng)機器的要求，而應(yīng)使機器的操作方法適應(yīng)人的生理和心理特點，只有這樣才能使操作者在最佳的生理及心理狀態(tài)下工作，使人和機器所組成的人一機系統(tǒng)發(fā)揮最佳效能。 以下分別分析設(shè)計中考慮操作者的生理和心理特點應(yīng)遵循的基本原則，它不但是進行創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計的原則，同時也可為創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計提供啟示。對現(xiàn)有機械設(shè)備及工具的宜人化改進設(shè)計是創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計的一種有效方法。731 適合人的生理特點的結(jié)構(gòu)設(shè)計1減少疲勞的設(shè)計 人體在操作中靠肌肉的收縮對外做功，做功所需的能量物質(zhì)（糖和氧）要依靠血液輸送到肌肉。如果血液不能輸送足夠的氧，則糖會在無氧或缺氧的狀態(tài)下進行不完全分解，不但釋放出的能量少，而且會產(chǎn)生代謝中間產(chǎn)物乳酸。乳

41、酸不易排泄，乳酸在肌肉中的積累會引起肌肉疲勞、疼痛、反應(yīng)遲鈍。長期使某些肌肉處于這種工作狀態(tài)會對肌肉、肌健、關(guān)節(jié)及相鄰組織造成永久性損害，機械設(shè)計應(yīng)避免使操作者在這樣的狀態(tài)下工作。表72所示的幾種常用工具改進前的形狀因為使某些肌肉處于靜態(tài)施力狀態(tài)，不適宜長時間使用，改進后使操作者的手更趨于自然狀態(tài)，減少或消除了肌肉的靜態(tài)施力狀況，使得長時間使用不易疲勞。 2容易發(fā)力的設(shè)計 操作者在操作機器時需要用力，人在處于不同姿勢、向不同方向用力時發(fā)力能力差別很大。試驗表明人手臂發(fā)力能力的一般規(guī)律是右手發(fā)力大于左手，向下發(fā)力大于向上發(fā)力，向內(nèi)大于向外，拉力大于推力，沿手臂方向大于垂直手臂方向。 人以站立姿勢

42、操作時手臂所能施加的操縱力明顯大于坐姿，但是長時間站立容易疲勞，站立操作的動作精度比坐姿操作的精度低。 在設(shè)計需要人操作的機器時，首先要選擇操作者的操作姿勢，一般優(yōu)先選擇坐姿，特別是動作頻率高、精度高、動作幅度小的操作，或需要手腳并用的操作。當(dāng)需要施加較大的操縱力，或需要的操作動作范圍較大，或因操作空間狹小，無容膝空間時可以選擇立姿。操縱力的施加方向應(yīng)選擇人容易發(fā)力的方向。施力的方式應(yīng)避免使操作者長時間保持一種姿勢，當(dāng)操作者必須以不平衡姿勢進行操作時應(yīng)為操作者設(shè)置輔助支撐物。 732 適合人的心理特點的結(jié)構(gòu)設(shè)計 對復(fù)雜的機械設(shè)備，操作者要根據(jù)設(shè)備的運行狀況隨時對其進行調(diào)整，操作者對設(shè)備工作情況

43、的正確判斷是進行正確的調(diào)整操作的基本條件之一。 1減少觀察錯誤的設(shè)計 在由人和機器組成的系統(tǒng)中人起著對系統(tǒng)的工作狀況進行調(diào)節(jié)的“調(diào)節(jié)器”的作用，人的正確調(diào)節(jié)來源于人對機器工作情況的正確了解和判斷，所以在人一機系統(tǒng)設(shè)計中使操作者能夠及時、正確、全面地了解機器的工作狀況是非常重要的。 在顯示儀表的設(shè)計中應(yīng)使操作者觀察方便，觀察后容易正確地理解儀表顯示的內(nèi)容，這要通過正確地選擇儀表的顯示形式、儀表的刻度分布、儀表的擺放位置以及多個儀表的組合實現(xiàn)。 儀表的刻度排列方向應(yīng)符合操作者的認(rèn)讀習(xí)慣，圓形和半圓形應(yīng)以順時針方向為刻度值增大方向，水平直線式應(yīng)以從左到右的方向為刻度值增大方向，垂直直線式應(yīng)以從下到上的方向為刻度值增大方向。 儀表擺放位置的選擇應(yīng)以方便認(rèn)讀為標(biāo)準(zhǔn)。試驗證明當(dāng)視距為 80 cm時水平方向最佳認(rèn)讀區(qū)域在200范圍內(nèi)，超過240后正確認(rèn)讀時間顯著增大；垂直方向的最佳認(rèn)讀區(qū)域為水平方向與水平線以下150范圍內(nèi)。重要的儀表應(yīng)擺放在視區(qū)中心，相關(guān)的儀表應(yīng)分組集中擺放，有固定使用順序的儀表應(yīng)按使用順序擺放。 2減少操作錯誤的設(shè)計 人在了解機器工作狀況的前提下通過操作對機器的工作進行必要的調(diào)整，使其在更符合操作者意圖的狀態(tài)下工作。人通過控制器對機器進行調(diào)整，通過反饋信息了解調(diào)整的效果?？刂破鞯脑O(shè)計應(yīng)使操作者在較少視覺幫助或無視覺幫助下能夠迅速準(zhǔn)確地分辨出所需的控制器，在正確了解機器工作