機械的結構創(chuàng)新課件

第八章機械的結構創(chuàng)新

機械結構設計的任務是在總體設計的基礎上，根據(jù)所確定的原理方案，決定滿足功能要求的機械結構，需要決定的內容包括結構的類型和組成，結構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，所確定的結構除應能夠實現(xiàn)原理方案所規(guī)定的動作要求外，還應能滿足設計對結構的強度、剛度、精度、穩(wěn)定性、工藝性、壽命、可靠性等方面的要求。

結構設計是機械設計中涉及問題最多、最具體、工作量最大的工作階段。

差屋扯濱摸訟涅乎粱芍概荒耳揚奈袋吊燙錐窒坍含擒違佛篷如慣排卯看俊第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新機械結構設1機械結構設計的重要特征之一是設計問題的多解性，即滿足同一結構設計的任務是在眾多的可行結構方案中尋求好的或最好的方案?，F(xiàn)有的數(shù)學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，得到最好的設計方案。這就需要發(fā)揮創(chuàng)造性思維方法的作用。

得到一個可行的結構方案不難，最好的方案不易。魚沮閨猿集學窗嫌馮蛇展灸圣肇晤逞喂跪函釁月盤園坡區(qū)眾其槽近氈依廖第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新機械結構設計的重要特征之一是設計問題的多解性，即滿足2

§8.1結構變異創(chuàng)新設計方法創(chuàng)造性思維在機械結構設計中的重要應用之一就是結構方案的變異設計方法。它能使設計者從一個已知的可行結構方案出發(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，可以使設計者得到多個局部最優(yōu)解，再通過對這些局部最優(yōu)解的分析和比較，就可以得到較優(yōu)解或全局最優(yōu)解。變異設計的目的——尋求滿足設計要求的獨立的設計方案，以便對其進行參數(shù)優(yōu)化設計，通過變異設計所得到的獨立的設計方案數(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。怖撿猙海址拓條瞇米鉆椅證粉募篙咆馭樂雁吝束刪治運乃嘶節(jié)芍炕式例欣第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新§8.1結構變異創(chuàng)新設計方法怖撿猙海址3變異設計的基本方法——首先通過對結構設計方案的分析，得出一般結構設計方案中所包含的技術要素的構成，然后再分析每一個技術要素的取值范圍，通過對這些技術要素在各自的取值范圍內的充分組合，就可以得到足夠多的獨立的結構設計方案。一般機械結構的技術要素——包括零件的幾何形狀，零件之間的聯(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要素的變異設計方法。睡獸憫孰道而演層臺翔趾航溜分杯橫唇阮懈仲硝疊菱玩耕強乏救用皋泰廷第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新變異設計的基本方法——首先通過對結構設計方案的分析，4

一、工作表面的變異機械結構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系實現(xiàn)的。零件的幾何形狀由它的表面所構成，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，功能表面的設計通過對功能表面的變異設計，可以得到為實現(xiàn)同一技術功能的多種結構方案。澄杏胺猶床枝倒益此建砒忙粘帳苯逾憚渣映廳鉑浮塵慧奈乒瓦爐卒阮際另第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新一、工作表面的變異澄杏胺猶床枝倒益此建砒忙粘帳苯逾憚渣映廳5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。通過對這幾個方面參數(shù)的變異，可以得到多組構型方案。例如：要實現(xiàn)用彈簧產生的（彈）壓緊力壓緊某零件，使其保持確定位置。設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多種方案。己寓爵姻湍叭濤舟越趙污治淑脂酋售似填籃痕奢琶喪裂淆浴捏側既舉藻鹼第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新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6導向結構導向結構繩索搖桿搖桿膛涂襲篙本垣簇奄繼劫綜挫劍凝臟迢堅使棘洼魏撞助其氰凰夸薛圾足啥吐第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新導向導向繩索搖桿搖桿膛涂襲篙本垣簇奄繼劫綜挫劍凝臟迢堅使棘洼7其中壓簧的壓縮距離不應過大，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設置導向結構，拉簧因無失穩(wěn)問題，設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生較大的壓緊力。恰锨兆徊提唁述涯碼慨抗餒奄茁疊壩袍塞棟稀陋豌迎棵弛伙沿擲貌瓶撒插第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新其中壓簧的壓縮距離不應過大，否則容易引起彈簧的8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)量和位置可以得到螺釘頭的多種設計方案。圖所示有12種方案，其中前三種頭部結構使用一般扳手擰緊，可獲得較大的預緊力，但不同的頭部形狀所需的最小工作空間（扳手空間）不同。式乏儉訃芭嘶彭蹄崗謊癱所珊命峭勒炳弊摯駁俐閹葬朽埋待扔蔽榷坤糠艘第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新螺釘用于聯(lián)接時需要式乏儉訃芭嘶彭蹄崗謊癱所珊命峭勒炳9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，所需扳手空間小，但擰緊力矩也??；可以想像，還有許多可以作為螺釘頭部形狀的設計方案，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。撰褂萎昔僻淬椒丙螞膩救招終揍寓邪冀秒梁鑰創(chuàng)琳攬得桿瀑望墩鋒拼叮鐘第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新滾花型和元寶型釘頭用于手工擰緊，不需專門工具，使撰褂10手機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。為減小電話手機的體積，有人做出三角形按鍵的手機面板設計，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，由于采用這種方法，使最小寬度縮小為24mm，比原方案減小29%。國坤畏某硬券茁齒磊耐煉晾調茹題定劊繼元賽漳淘艦祈慎險南常魔語身貌第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新手機上的按鍵外形通常為方形或圓形，這種形狀的按鍵11在圖中所示的V形導軌結構中，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b所示，則可以有效地改善導軌的潤滑狀況。含油位置變換霸元槽嘆霸膿孽艾倦搽再歧匣竹擱漿友碾程停肺汽癥內查嗎毋蝗莊繭黍炊第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新在圖中所示的V形導軌結構中，上方零件為凹形，下方含油12二、軸轂連接結構的變異

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，機械設計中通過規(guī)定零件之間適當?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度，使機器在工作中能夠實現(xiàn)確定形式的運動關系。

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。溉貳看濱堡僑操詳狹仙枷頸躬續(xù)耳究靠我邢柜妥箱打灸疽翱策鑿并魏開酮第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新二、軸轂連接結構的變異溉貳看濱堡僑操詳狹仙枷頸躬續(xù)耳究靠我邢13

以軸轂聯(lián)接為例。按照設計要求，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。斯卞壓只殆雖剔猜蛻戚眨轟坤渺帖螺硯別衍奴棋腑殖捌智披農掇熬檢席飄第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新以軸轂聯(lián)接為例。按照設計要求，軸與輪轂的聯(lián)接對相對運142.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.轉動聯(lián)接，聯(lián)接后輪轂可在軸上繞軸線轉動，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，又可以繞軸線轉動，其他相對運動自由度被限制。這種聯(lián)接應用較少，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。氓印鵲莫運車鞋統(tǒng)報丫列寵排巖煎記定樹浸捂由勃謗洋片毋幾廳肢路傀媳第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新2.滑動聯(lián)接，聯(lián)接后輪轂可在軸上滑動，其他相對運15

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構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，可以是三角形、正方形、六邊形或其他特殊形狀表面。顛卞馬嬰極饋窿唾披詹眾帶踞執(zhí)龐覺嬸至蠅犁瑰坎雁批掘巳辟稈偏倦疫拈第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新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16

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—滑動聯(lián)接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。我菊逼倘瞥斬各尺耽堰樣靴侍詳污宰崗兩近拯逗蔭數(shù)卉搬娠佯枕司又灑束第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新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17第三種情況—轉動聯(lián)接和第四種情況—移動、轉動聯(lián)接的聯(lián)接中由于輪轂要相對于軸轉動，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。幻擺秒急瞅彌猖酷動圍爪湍僳嗓陳痙薩蘋縱抖就嘻僥歪猿浪敦侄熔振痘蟲第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新第三種情況—轉動聯(lián)接和第四種情況—移動、轉動聯(lián)接的聯(lián)18形鎖合力鎖合霉汁蓮訟紫絳緘苯淫歹主常拙拭渭暢竣漏磊喉嚙蘿鈾責芹壯繁獻拂訂晾豌第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新形鎖合力鎖合霉汁蓮訟紫絳緘苯淫歹主常拙拭渭暢竣漏磊喉嚙蘿鈾責19

材料的變異——在彈性聯(lián)軸器的設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)軸器的結構變化很大，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。套筒聯(lián)軸器——剛性——精度高三、聯(lián)軸器連接方式變異綸唇踐庸思駿率滌另維簡源輥孕擄頸剁泛節(jié)呸彎捏湘存羨受期控條睬蹦幸第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新材料的變異——在彈性聯(lián)軸器的設計中需要選擇彈性元件的20形狀變異斬憶候諷滑控劍料席田緬日舉粕努讓軋終遺閩禮舊軌灌輪潤墅背染巨奸函第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新形狀變異斬憶候諷滑控劍料席田緬日舉粕努讓軋終遺閩禮舊軌灌輪潤21

§8.2結構組合創(chuàng)新設計一、同類組合——雙人自行車——雙體船——多楔帶——大尺寸螺釘預緊二、異類組合——多頭螺絲刀——組合機床三、功能附加組合——自行車—貨架+車筐+車燈+后視鏡四、材料組合——V帶多種材料組合——鋼筋+水泥+沙子—建筑材料蘑柿豺汕薯壘坎皆覺鑄膩鐵驟趙邦絨淺緣吊琴盞葛頗猩組計謝贖間烤冤筐第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新§8.2結構組合創(chuàng)新設計一、同類組合蘑柿豺汕薯壘坎皆覺22一、彈性（柔性）結構無摩擦、無間隙，運動精度高

§8.3引入新的結構元素瘋膊含浪宦不鳥控昭瞥拇呀女鄖幕損衙孰價厄筐此姑核繭酒牟件澡尸浮閘第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新一、彈性（柔性）結構無摩擦、無間隙，運動精度高§8.323對于需要經常拆卸的零部件結構不但應使聯(lián)接可靠，還應使拆卸操作盡量方便。為使聯(lián)接具有一定的使用壽命，應使聯(lián)接結構在安裝和拆卸過程中的磨損盡量小。為保護人類賴以生存和發(fā)展的世界環(huán)境，近年來興起的綠色設計理念也要求人們使用的各種設施和裝備不但在使用期內能滿足人們對它的各種功能要求，而且在報廢后能方便地將其拆卸分解，以利于各種有用成分的回收再利用，減少對環(huán)境的破壞。近年來在設計中越來越多的被采用的快動聯(lián)接結構較好地滿足了這些要求。二、快速聯(lián)接結構實爐崗嚎姐朽撐嘲鈾沖曰捷策抑芝善冤息元廣磨岔枯右宋硅源撐禹叢外窘第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新對于需要經常拆卸的零部件結構不但應使聯(lián)接可靠，24快動聯(lián)接結構通過零件的彈性變形達到聯(lián)接的目的，結構簡單，便于操作。如圖所示為螺紋聯(lián)接結構（圖a）和經改進的快動聯(lián)接結構（圖b）對照圖。睬巍圈宏改蛤稈呵瘟游恤勉酌但走諸綏吸郁遮顧乓岸睹賠紋序冒咋按債涎第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新快動聯(lián)接結構通過零件的彈性變形達到聯(lián)接的目的，結構簡25

快動聯(lián)接結構要求聯(lián)接件具有較好的彈性，多采用塑料或薄鋼板材料，如采用其他材料應通過合理的結構設計減小聯(lián)接件的剛度，圖所示的即為一組這樣的結構。

瑯吠渭鵬籃郝晉涕哥平兆邦賀鱉憶栓勝篡扁雀遏籽犬懸痙妝俏秋柯覆衡扳第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新快動聯(lián)接結構要求聯(lián)接件具有較好的彈性，多采用塑料或薄26

三、組合結構組合結構是指通過合理的結構設計，將多個零件的功能組合到一個零件上，起到減少零件數(shù)量，便于裝配，降低成本的目的。為防止螺紋聯(lián)接的松脫，通常需要采取防松措施。彈簧墊圈是一種被廣泛應用的放松裝置，它需要在安裝螺釘或螺母的同時安裝彈簧墊圈，圖中所示的螺釘集成結構將螺釘、墊片和彈簧墊圈的功能集成在一個零件上，減少了零件數(shù)量，方便了裝配。潛司穴桃毒丹翹脯圍蘿拖謀良貫萌資踴稚灤島奶焙駒棍氮啦古磚市矣絢卞第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新三、組合結構組合結構是指通過合理的結構設計，將多個零27圖中所示為某包裝機中的一個支架構件。圖a所示為原設計，由11個零件組成。圖b為改進設計，將所有結構組合在一個零件上，零件精密鑄造后一次加工成形，大大地節(jié)省了加工工時，降低了成本。嫁犢年使猿垂路絮部拍絆瓜撿矽哨廖瀾這況爛憐海匯繕它靡眠絳肋拜頒染第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新圖中所示為某包裝機中的一個支架構件。圖a所示為原設計28按通常的結構設計方法，指甲刀應具有圖中所示的結構。通過將多個零件的功能集中到少量零件上的組合設計方法，指甲刀改為圖b所示結構。

污爺滑寞員振諾肛箍哼釣足鞘誨雨姐披恨彝噸驢瓤恬殖遼淚滿夫色起殃含第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新按通常的結構設計方法，指甲刀應具有圖中所示的結構。通29圖所示為三種自攻螺釘結構。它們或將螺紋與絲錐的結構集成在一起，或將螺紋與鉆頭的結構集成在一起，使螺紋聯(lián)接結構的加工和安裝更方便。遜階種頑豐胳賄板茅凰巨怪嚇扮越歪蠶夢拍劊訴拈文驅籌炬渺偽卒兇訖羊第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新圖所示為三種自攻螺釘結構。遜階種頑豐胳賄板茅凰巨怪嚇扮30一、宜人化設計——工具改進

§8.4引入新的設計理念盅完隊釜移吳鍛釁校失政飯途瞄七間衍蟹伸性珊營撥把掌嫌艱整轎癟鄙某第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新一、宜人化設計——工具改進§8.4引入新的設計理念盅完31大多數(shù)機器設備要由人操作，在早期的機械設計中設計者認為通過選拔和訓練可以使人適應任何復雜的機器設備。隨著設計和制造水平的提高，機器的復雜程度、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，人已經很難適應這樣的機器，由于操作不當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識到不能要求操作者無限制地適應機器的要求，而應使機器的操作方法適應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。以下分別分析設計中考慮操作者的生理和心理特點應遵循的基本原則，它不但是進行創(chuàng)新結構設計的原則，同時也可為創(chuàng)新結構設計提供啟示。對現(xiàn)有機械設備及工具的宜人化改進設計是創(chuàng)新結構設計的一種有效方法。菠友韶巍脯拎川羔稽馴雨捆舔轅晰么外雹沸衣砷疾礁曳宦僻鍬薊軟噓僳購第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新大多數(shù)機器設備要由人操作，在早期的機械設計中設計者認32適合人的生理特點的結構設計1．減少疲勞的設計

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（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，而且會產生代謝中間產物——乳酸。乳酸不易排泄，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、關節(jié)及相鄰組織造成永久性損害，機械設計應避免使操作者在這樣的狀態(tài)下工作。前表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。啥漲渤年次奴露退斑遺可擾跨棵泰盛鈕篇妓琺誼脂諧釁沉微婉映扔敖挾病第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新適合人的生理特點的結構設計啥漲渤年次奴露退斑遺可擾跨棵泰盛鈕332.容易發(fā)力的設計

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。醒僑售嫡瑪咆攣淺政幻殲亨堵藐留諱帖技惹燙傅披技銅豬快毅水滾壕盜醋第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新2.容易發(fā)力的設計醒僑售嫡瑪咆攣淺政幻殲亨堵藐留諱帖技惹燙34在設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選擇人容易發(fā)力的方向。施力的方式應避免使操作者長時間保持一種姿勢，當操作者必須以不平衡姿勢進行操作時應為操作者設置輔助支撐物。念有痘茄喉丟淳掘閃雄耐隱罕扁登簡雛孿藍軸格鈕譜謗婆遂判玻拄哈劊抉第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新在設計需要人操作的機器時，首先要選擇操作者的操作姿勢35適合人的心理特點的結構設計對復雜的機械設備，操作者要根據(jù)設備的運行狀況隨時對其進行調整，操作者對設備工作情況的正確判斷是進行正確的調整操作的基本條件之一。1.減少觀察錯誤的設計在由人和機器組成的系統(tǒng)中人起著對系統(tǒng)的工作狀況進行調節(jié)的“調節(jié)器”的作用，人的正確調節(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。募鞍蔭屢經哭偵玲東佃托截由叛包呂綿藕豈斥占僚慈潮掠勛污疊秩蝗進科第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新適合人的心理特點的結構設計募鞍蔭屢經哭偵玲東佃托截由叛包呂綿36

在顯示儀表的設計中應使操作者觀察方便，觀察后容易正確地理解儀表顯示的內容，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符合操作者的認讀習慣，圓形和半圓形應以順時針方向為刻度值增大方向，水平直線式應以從左到右的方向為刻度值增大方向，垂直直線式應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以方便認讀為標準。試驗證明當視距為80cm時水平方向最佳認讀區(qū)域在±200范圍內，超過±240后正確認讀時間顯著增大；垂直方向的最佳認讀區(qū)域為水平方向與水平線以下150范圍內。重要的儀表應擺放在視區(qū)中心，相關的儀表應分組集中擺放，有固定使用順序的儀表應按使用順序擺放。帥豆拱醇筆猩鏟錳韭蔡道球耪集沁盡裕踏侯約獵辰鑲寓枕顫吟毫眉題邀堂第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新在顯示儀表的設計中應使操作者觀察方便，觀察后容易正37稠扭顧敢陵弊漢柴刪擱橋諜蚊汽炊綠唁過扼銜扔農逾炒跪慘往廂嗽或臃來第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新稠扭顧敢陵弊漢柴刪擱橋諜蚊汽炊綠唁過扼銜扔農逾炒跪慘往廂嗽或38

2.減少操作錯誤的設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整，通過反饋信息了解調整的效果?？刂破鞯脑O計應使操作者在較少視覺幫助或無視覺幫助下能夠迅速準確地分辨出所需的控制器，在正確了解機器工作狀況的基礎上對機器做出適當?shù)恼{整。街陀暴綏沛頂謠揣渙頭恩亡趙慧趨悄蠢尉終董肪剝襄衍戀竊牟鼻楊竅夕囤第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新2.減少操作錯誤的設計街陀暴綏沛頂謠揣渙頭恩亡趙慧趨悄39首先應使操作者分辨出所需的控制器。通過控制器的大小來分辨不同的控制器也是一種常用的方法。為能準確地分辨出不同的控制器，應使不同的控制器之間的尺寸差別足夠明顯。試驗表明旋鈕直徑差為12．5mm，厚度差為10mm時，人能夠通過觸覺準確地分辨?？刂破鞯牟僮鲬幸欢ǖ淖枇?，操作阻力可以為操作過程提供反饋信息，提高操作過程的穩(wěn)定性和準確性，并可防止因無意碰撞引起的錯誤操作。店昭渾翠焚柴棗吹踢紡漸峪宦顱謅漿杜選暇巨打覺床錨堂犀娛華浴棍見窩第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新首先應使操作者分辨出所需的控制器。店昭渾翠焚柴棗吹踢40郭桃熒療家禾它歇頤臨擁鼓寸搓成蔣答時名綱張辛念勵番產暖桑炭廉稗儉第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新郭桃熒療家禾它歇頤臨擁鼓寸搓成蔣答時名綱張辛念勵番產暖桑炭廉41二、綠色設計1）材料選擇——低能耗、低成本、低污染，好回收2）延長使用壽命——恢復工作狀態(tài)3）可拆卸設計——拆卸工具空間4）回收設計——容易分離—骨架油封骨架位置5）包裝設計——包裝材料帆金架撒額氏吏一獎屈灸塞港爐膿腔廚鍍掄仍卯秀卯軟廬蓄怖捻吶赦短鯨第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新二、綠色設計帆金架撒額氏吏一獎屈灸塞港爐膿腔廚鍍掄仍卯秀卯軟42三、方便裝配的設計1.避免裝配錯誤例如圖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的結構，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。鼓勞屯噓皮玫酋婁稗伺宏圭懶螢憎浚武毛彤楚劍耿壹官宰搜錫興顛才卿肄第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新三、方便裝配的設計鼓勞屯噓皮玫酋婁稗伺宏圭懶螢憎浚武毛彤楚劍432.減少拆卸（維修）難度機械設備中的某些零部件由于材料或結構的關系使用壽命較低，這些零部件在設備的使用周期內需要多次更換，結構設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帶傳動中帶的設計壽命較低，需要經常更換。V帶是無端帶，如果將帶輪設置在兩固定支點間，則每次更換帶時都需要拆卸并移動支點，為此通常將帶輪設置在軸的懸臂端。

圖中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)接較大設備，更換彈性元件時很難移動這些設備，結構設計時應為彈性元件的拆卸和裝配留有必要的空間。

適榴纜津沏卜糯迎醇獨跪弘裕支斥累敦廄衙氛侯乍兆贈削杭埔離忿峙抗向第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新2.減少拆卸（維修）難度機械設備中的某些零部件44

簧鏟淹葷躥城圓銥矗話連曹噸貢離洱報舷凝塵梢幅壟隱羨幻字漣臼魏公驕第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新簧鏟淹葷躥城圓銥矗話連曹噸貢離洱報舷凝453.裝配關系獨立在機械設計中很多設計參數(shù)是依靠調整過程實現(xiàn)的，當對機器進行維修時要破壞某些經過調整的裝配關系，維修后需要重新調整這些參數(shù)，這就增加了維修工作的難度。結構設計中應減少維修工作中對已有裝配關系的破壞，使維修更容易進行。倆撅爛協(xié)拯碰宅礬潭筷攆笆邵撣疙慚夫妹勝巧攜立慘阜黑脾馱休廚馮圭袁第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新3.裝配關系獨立倆撅爛協(xié)拯碰宅礬潭筷攆笆邵撣疙慚夫妹勝巧攜46圖中所示軸承座結構的裝配關系不獨立，更換軸承時不但需要破壞軸承蓋與軸承座的裝配關系，而且需要破壞軸承座與機體的裝配關系。圖b的結構中軸承座與機體的裝配關系和軸承蓋與軸承座的裝配關系互相獨立，更換軸承時不需要破壞軸承座與機體的裝配關系。預臺身泥聲琢峻揩吏匈功憲柴誨鴦甫咕矗挾仁歹娟剖憨濃坷站羽酣伴抨佯第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新圖中所示軸承座結構的裝配關系不獨立，更換軸承時不但需474.方便裝卡大量的零件要經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。結構設計要根據(jù)機械切削加工機床的設備特點，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表面進行加工，這將有效地提高加工效率。枉鄲恿脊荒昧塔槽遣惰莉帶涼襄答涌慘鞭即復檄艙杏豆捌仿顴餾銑邵浦凳第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新4.方便裝卡枉鄲恿脊荒昧塔槽遣惰莉帶涼襄答涌慘鞭即復檄艙杏48在圖所示的頂尖結構中，圖a結構只有兩個圓錐表面，用卡盤無法裝卡；在圖b的結構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，只是為了實現(xiàn)工藝過程而設置的，這種表面稱為工藝表面。冒函漲寄貯墜兄歹囪體視獺嘲耀秦沙棕侈骸假躊寇朝卜蟲摩儀囂梁碴撇嚇第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新在圖所示的頂尖結構中，圖a結構只有兩個圓錐表面，用卡49圖所示的軸結構中，圖a將軸上的兩個鍵槽沿周向成90○布置，這兩個鍵槽必須兩次裝卡才能完成加工；圖b的結構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。誡徊錳瑟斧神訂猙弛別滄截旬庚找濱啊患殷蛙橙溢西下江所耳艱菱攪罐多第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新圖所示的軸結構中，圖a將軸上的兩個鍵槽沿周向成90○布505.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，結構設計中盡量減少加工表面的數(shù)量和種類是一條重要的設計原則。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。叉爺憲泊移娃套續(xù)抉伸雪庭擻馴牌克共耍槽沏餐寵高彬尤酌懊腰辦鹿蕭釋第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新5.方便加工叉爺憲泊移娃套續(xù)抉伸雪庭擻馴牌克共耍槽沏餐寵高51圖所示的箱形結構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個幾何要素進行加工。敖烙與義基兔包眩命棘俐餾俱案督圓洶亡合吱乒廠賞鄭質霧欽玻乙凡餡掐第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新圖所示的箱形結構頂面有兩個不平行平面，要通過兩次裝卡52結構設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。圖所示的齒輪結構中，圖a所示的齒輪結構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量，如改為圖b的結構，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。庇魄鍋巍暗飄閱貴犧諱農雀配插緘踐拴鮑栽希疏忻昨低瘓陵撿蠻站已鷹朔第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新結構設計中如果為加工過程創(chuàng)造條件，使得某些加工過程可53第八章機械的結構創(chuàng)新

機械結構設計的任務是在總體設計的基礎上，根據(jù)所確定的原理方案，決定滿足功能要求的機械結構，需要決定的內容包括結構的類型和組成，結構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，所確定的結構除應能夠實現(xiàn)原理方案所規(guī)定的動作要求外，還應能滿足設計對結構的強度、剛度、精度、穩(wěn)定性、工藝性、壽命、可靠性等方面的要求。

結構設計是機械設計中涉及問題最多、最具體、工作量最大的工作階段。

差屋扯濱摸訟涅乎粱芍概荒耳揚奈袋吊燙錐窒坍含擒違佛篷如慣排卯看俊第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新機械結構設54機械結構設計的重要特征之一是設計問題的多解性，即滿足同一結構設計的任務是在眾多的可行結構方案中尋求好的或最好的方案。現(xiàn)有的數(shù)學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，得到最好的設計方案。這就需要發(fā)揮創(chuàng)造性思維方法的作用。

得到一個可行的結構方案不難，最好的方案不易。魚沮閨猿集學窗嫌馮蛇展灸圣肇晤逞喂跪函釁月盤園坡區(qū)眾其槽近氈依廖第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新機械結構設計的重要特征之一是設計問題的多解性，即滿足55

§8.1結構變異創(chuàng)新設計方法創(chuàng)造性思維在機械結構設計中的重要應用之一就是結構方案的變異設計方法。它能使設計者從一個已知的可行結構方案出發(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，可以使設計者得到多個局部最優(yōu)解，再通過對這些局部最優(yōu)解的分析和比較，就可以得到較優(yōu)解或全局最優(yōu)解。變異設計的目的——尋求滿足設計要求的獨立的設計方案，以便對其進行參數(shù)優(yōu)化設計，通過變異設計所得到的獨立的設計方案數(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。怖撿猙海址拓條瞇米鉆椅證粉募篙咆馭樂雁吝束刪治運乃嘶節(jié)芍炕式例欣第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新§8.1結構變異創(chuàng)新設計方法怖撿猙海址56變異設計的基本方法——首先通過對結構設計方案的分析，得出一般結構設計方案中所包含的技術要素的構成，然后再分析每一個技術要素的取值范圍，通過對這些技術要素在各自的取值范圍內的充分組合，就可以得到足夠多的獨立的結構設計方案。一般機械結構的技術要素——包括零件的幾何形狀，零件之間的聯(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要素的變異設計方法。睡獸憫孰道而演層臺翔趾航溜分杯橫唇阮懈仲硝疊菱玩耕強乏救用皋泰廷第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新變異設計的基本方法——首先通過對結構設計方案的分析，57

一、工作表面的變異機械結構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系實現(xiàn)的。零件的幾何形狀由它的表面所構成，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，功能表面的設計通過對功能表面的變異設計，可以得到為實現(xiàn)同一技術功能的多種結構方案。澄杏胺猶床枝倒益此建砒忙粘帳苯逾憚渣映廳鉑浮塵慧奈乒瓦爐卒阮際另第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新一、工作表面的變異澄杏胺猶床枝倒益此建砒忙粘帳苯逾憚渣映廳58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。通過對這幾個方面參數(shù)的變異，可以得到多組構型方案。例如：要實現(xiàn)用彈簧產生的（彈）壓緊力壓緊某零件，使其保持確定位置。設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多種方案。己寓爵姻湍叭濤舟越趙污治淑脂酋售似填籃痕奢琶喪裂淆浴捏側既舉藻鹼第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新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59導向結構導向結構繩索搖桿搖桿膛涂襲篙本垣簇奄繼劫綜挫劍凝臟迢堅使棘洼魏撞助其氰凰夸薛圾足啥吐第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新導向導向繩索搖桿搖桿膛涂襲篙本垣簇奄繼劫綜挫劍凝臟迢堅使棘洼60其中壓簧的壓縮距離不應過大，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設置導向結構，拉簧因無失穩(wěn)問題，設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生較大的壓緊力。恰锨兆徊提唁述涯碼慨抗餒奄茁疊壩袍塞棟稀陋豌迎棵弛伙沿擲貌瓶撒插第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新其中壓簧的壓縮距離不應過大，否則容易引起彈簧的61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)量和位置可以得到螺釘頭的多種設計方案。圖所示有12種方案，其中前三種頭部結構使用一般扳手擰緊，可獲得較大的預緊力，但不同的頭部形狀所需的最小工作空間（扳手空間）不同。式乏儉訃芭嘶彭蹄崗謊癱所珊命峭勒炳弊摯駁俐閹葬朽埋待扔蔽榷坤糠艘第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新螺釘用于聯(lián)接時需要式乏儉訃芭嘶彭蹄崗謊癱所珊命峭勒炳62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，所需扳手空間小，但擰緊力矩也小；可以想像，還有許多可以作為螺釘頭部形狀的設計方案，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。撰褂萎昔僻淬椒丙螞膩救招終揍寓邪冀秒梁鑰創(chuàng)琳攬得桿瀑望墩鋒拼叮鐘第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新滾花型和元寶型釘頭用于手工擰緊，不需專門工具，使撰褂63手機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。為減小電話手機的體積，有人做出三角形按鍵的手機面板設計，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，由于采用這種方法，使最小寬度縮小為24mm，比原方案減小29%。國坤畏某硬券茁齒磊耐煉晾調茹題定劊繼元賽漳淘艦祈慎險南常魔語身貌第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新手機上的按鍵外形通常為方形或圓形，這種形狀的按鍵64在圖中所示的V形導軌結構中，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b所示，則可以有效地改善導軌的潤滑狀況。含油位置變換霸元槽嘆霸膿孽艾倦搽再歧匣竹擱漿友碾程停肺汽癥內查嗎毋蝗莊繭黍炊第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新在圖中所示的V形導軌結構中，上方零件為凹形，下方含油65二、軸轂連接結構的變異

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，機械設計中通過規(guī)定零件之間適當?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度，使機器在工作中能夠實現(xiàn)確定形式的運動關系。

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。溉貳看濱堡僑操詳狹仙枷頸躬續(xù)耳究靠我邢柜妥箱打灸疽翱策鑿并魏開酮第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新二、軸轂連接結構的變異溉貳看濱堡僑操詳狹仙枷頸躬續(xù)耳究靠我邢66

以軸轂聯(lián)接為例。按照設計要求，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。斯卞壓只殆雖剔猜蛻戚眨轟坤渺帖螺硯別衍奴棋腑殖捌智披農掇熬檢席飄第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新以軸轂聯(lián)接為例。按照設計要求，軸與輪轂的聯(lián)接對相對運672.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.轉動聯(lián)接，聯(lián)接后輪轂可在軸上繞軸線轉動，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，又可以繞軸線轉動，其他相對運動自由度被限制。這種聯(lián)接應用較少，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。氓印鵲莫運車鞋統(tǒng)報丫列寵排巖煎記定樹浸捂由勃謗洋片毋幾廳肢路傀媳第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新2.滑動聯(lián)接，聯(lián)接后輪轂可在軸上滑動，其他相對運68

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構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，可以是三角形、正方形、六邊形或其他特殊形狀表面。顛卞馬嬰極饋窿唾披詹眾帶踞執(zhí)龐覺嬸至蠅犁瑰坎雁批掘巳辟稈偏倦疫拈第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新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69

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—滑動聯(lián)接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。我菊逼倘瞥斬各尺耽堰樣靴侍詳污宰崗兩近拯逗蔭數(shù)卉搬娠佯枕司又灑束第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新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70第三種情況—轉動聯(lián)接和第四種情況—移動、轉動聯(lián)接的聯(lián)接中由于輪轂要相對于軸轉動，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?；脭[秒急瞅彌猖酷動圍爪湍僳嗓陳痙薩蘋縱抖就嘻僥歪猿浪敦侄熔振痘蟲第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新第三種情況—轉動聯(lián)接和第四種情況—移動、轉動聯(lián)接的聯(lián)71形鎖合力鎖合霉汁蓮訟紫絳緘苯淫歹主常拙拭渭暢竣漏磊喉嚙蘿鈾責芹壯繁獻拂訂晾豌第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新形鎖合力鎖合霉汁蓮訟紫絳緘苯淫歹主常拙拭渭暢竣漏磊喉嚙蘿鈾責72

材料的變異——在彈性聯(lián)軸器的設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)軸器的結構變化很大，對聯(lián)軸器的工作性能也有很大的影響?？蛇x作彈性元件的材料有金屬、橡膠、尼龍、膠木等。套筒聯(lián)軸器——剛性——精度高三、聯(lián)軸器連接方式變異綸唇踐庸思駿率滌另維簡源輥孕擄頸剁泛節(jié)呸彎捏湘存羨受期控條睬蹦幸第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新材料的變異——在彈性聯(lián)軸器的設計中需要選擇彈性元件的73形狀變異斬憶候諷滑控劍料席田緬日舉粕努讓軋終遺閩禮舊軌灌輪潤墅背染巨奸函第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新形狀變異斬憶候諷滑控劍料席田緬日舉粕努讓軋終遺閩禮舊軌灌輪潤74

§8.2結構組合創(chuàng)新設計一、同類組合——雙人自行車——雙體船——多楔帶——大尺寸螺釘預緊二、異類組合——多頭螺絲刀——組合機床三、功能附加組合——自行車—貨架+車筐+車燈+后視鏡四、材料組合——V帶多種材料組合——鋼筋+水泥+沙子—建筑材料蘑柿豺汕薯壘坎皆覺鑄膩鐵驟趙邦絨淺緣吊琴盞葛頗猩組計謝贖間烤冤筐第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新§8.2結構組合創(chuàng)新設計一、同類組合蘑柿豺汕薯壘坎皆覺75一、彈性（柔性）結構無摩擦、無間隙，運動精度高

§8.3引入新的結構元素瘋膊含浪宦不鳥控昭瞥拇呀女鄖幕損衙孰價厄筐此姑核繭酒牟件澡尸浮閘第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新一、彈性（柔性）結構無摩擦、無間隙，運動精度高§8.376對于需要經常拆卸的零部件結構不但應使聯(lián)接可靠，還應使拆卸操作盡量方便。為使聯(lián)接具有一定的使用壽命，應使聯(lián)接結構在安裝和拆卸過程中的磨損盡量小。為保護人類賴以生存和發(fā)展的世界環(huán)境，近年來興起的綠色設計理念也要求人們使用的各種設施和裝備不但在使用期內能滿足人們對它的各種功能要求，而且在報廢后能方便地將其拆卸分解，以利于各種有用成分的回收再利用，減少對環(huán)境的破壞。近年來在設計中越來越多的被采用的快動聯(lián)接結構較好地滿足了這些要求。二、快速聯(lián)接結構實爐崗嚎姐朽撐嘲鈾沖曰捷策抑芝善冤息元廣磨岔枯右宋硅源撐禹叢外窘第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新對于需要經常拆卸的零部件結構不但應使聯(lián)接可靠，77快動聯(lián)接結構通過零件的彈性變形達到聯(lián)接的目的，結構簡單，便于操作。如圖所示為螺紋聯(lián)接結構（圖a）和經改進的快動聯(lián)接結構（圖b）對照圖。睬巍圈宏改蛤稈呵瘟游恤勉酌但走諸綏吸郁遮顧乓岸睹賠紋序冒咋按債涎第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新快動聯(lián)接結構通過零件的彈性變形達到聯(lián)接的目的，結構簡78

快動聯(lián)接結構要求聯(lián)接件具有較好的彈性，多采用塑料或薄鋼板材料，如采用其他材料應通過合理的結構設計減小聯(lián)接件的剛度，圖所示的即為一組這樣的結構。

瑯吠渭鵬籃郝晉涕哥平兆邦賀鱉憶栓勝篡扁雀遏籽犬懸痙妝俏秋柯覆衡扳第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新快動聯(lián)接結構要求聯(lián)接件具有較好的彈性，多采用塑料或薄79

三、組合結構組合結構是指通過合理的結構設計，將多個零件的功能組合到一個零件上，起到減少零件數(shù)量，便于裝配，降低成本的目的。為防止螺紋聯(lián)接的松脫，通常需要采取防松措施。彈簧墊圈是一種被廣泛應用的放松裝置，它需要在安裝螺釘或螺母的同時安裝彈簧墊圈，圖中所示的螺釘集成結構將螺釘、墊片和彈簧墊圈的功能集成在一個零件上，減少了零件數(shù)量，方便了裝配。潛司穴桃毒丹翹脯圍蘿拖謀良貫萌資踴稚灤島奶焙駒棍氮啦古磚市矣絢卞第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新三、組合結構組合結構是指通過合理的結構設計，將多個零80圖中所示為某包裝機中的一個支架構件。圖a所示為原設計，由11個零件組成。圖b為改進設計，將所有結構組合在一個零件上，零件精密鑄造后一次加工成形，大大地節(jié)省了加工工時，降低了成本。嫁犢年使猿垂路絮部拍絆瓜撿矽哨廖瀾這況爛憐海匯繕它靡眠絳肋拜頒染第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新圖中所示為某包裝機中的一個支架構件。圖a所示為原設計81按通常的結構設計方法，指甲刀應具有圖中所示的結構。通過將多個零件的功能集中到少量零件上的組合設計方法，指甲刀改為圖b所示結構。

污爺滑寞員振諾肛箍哼釣足鞘誨雨姐披恨彝噸驢瓤恬殖遼淚滿夫色起殃含第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新按通常的結構設計方法，指甲刀應具有圖中所示的結構。通82圖所示為三種自攻螺釘結構。它們或將螺紋與絲錐的結構集成在一起，或將螺紋與鉆頭的結構集成在一起，使螺紋聯(lián)接結構的加工和安裝更方便。遜階種頑豐胳賄板茅凰巨怪嚇扮越歪蠶夢拍劊訴拈文驅籌炬渺偽卒兇訖羊第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新圖所示為三種自攻螺釘結構。遜階種頑豐胳賄板茅凰巨怪嚇扮83一、宜人化設計——工具改進

§8.4引入新的設計理念盅完隊釜移吳鍛釁校失政飯途瞄七間衍蟹伸性珊營撥把掌嫌艱整轎癟鄙某第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新一、宜人化設計——工具改進§8.4引入新的設計理念盅完84大多數(shù)機器設備要由人操作，在早期的機械設計中設計者認為通過選拔和訓練可以使人適應任何復雜的機器設備。隨著設計和制造水平的提高，機器的復雜程度、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，人已經很難適應這樣的機器，由于操作不當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識到不能要求操作者無限制地適應機器的要求，而應使機器的操作方法適應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。以下分別分析設計中考慮操作者的生理和心理特點應遵循的基本原則，它不但是進行創(chuàng)新結構設計的原則，同時也可為創(chuàng)新結構設計提供啟示。對現(xiàn)有機械設備及工具的宜人化改進設計是創(chuàng)新結構設計的一種有效方法。菠友韶巍脯拎川羔稽馴雨捆舔轅晰么外雹沸衣砷疾礁曳宦僻鍬薊軟噓僳購第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新大多數(shù)機器設備要由人操作，在早期的機械設計中設計者認85適合人的生理特點的結構設計1．減少疲勞的設計

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（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，而且會產生代謝中間產物——乳酸。乳酸不易排泄，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、關節(jié)及相鄰組織造成永久性損害，機械設計應避免使操作者在這樣的狀態(tài)下工作。前表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。啥漲渤年次奴露退斑遺可擾跨棵泰盛鈕篇妓琺誼脂諧釁沉微婉映扔敖挾病第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新適合人的生理特點的結構設計啥漲渤年次奴露退斑遺可擾跨棵泰盛鈕862.容易發(fā)力的設計

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。醒僑售嫡瑪咆攣淺政幻殲亨堵藐留諱帖技惹燙傅披技銅豬快毅水滾壕盜醋第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新2.容易發(fā)力的設計醒僑售嫡瑪咆攣淺政幻殲亨堵藐留諱帖技惹燙87在設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選擇人容易發(fā)力的方向。施力的方式應避免使操作者長時間保持一種姿勢，當操作者必須以不平衡姿勢進行操作時應為操作者設置輔助支撐物。念有痘茄喉丟淳掘閃雄耐隱罕扁登簡雛孿藍軸格鈕譜謗婆遂判玻拄哈劊抉第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新在設計需要人操作的機器時，首先要選擇操作者的操作姿勢88適合人的心理特點的結構設計對復雜的機械設備，操作者要根據(jù)設備的運行狀況隨時對其進行調整，操作者對設備工作情況的正確判斷是進行正確的調整操作的基本條件之一。1.減少觀察錯誤的設計在由人和機器組成的系統(tǒng)中人起著對系統(tǒng)的工作狀況進行調節(jié)的“調節(jié)器”的作用，人的正確調節(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。募鞍蔭屢經哭偵玲東佃托截由叛包呂綿藕豈斥占僚慈潮掠勛污疊秩蝗進科第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新適合人的心理特點的結構設計募鞍蔭屢經哭偵玲東佃托截由叛包呂綿89

在顯示儀表的設計中應使操作者觀察方便，觀察后容易正確地理解儀表顯示的內容，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符合操作者的認讀習慣，圓形和半圓形應以順時針方向為刻度值增大方向，水平直線式應以從左到右的方向為刻度值增大方向，垂直直線式應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以方便認讀為標準。試驗證明當視距為80cm時水平方向最佳認讀區(qū)域在±200范圍內，超過±240后正確認讀時間顯著增大；垂直方向的最佳認讀區(qū)域為水平方向與水平線以下150范圍內。重要的儀表應擺放在視區(qū)中心，相關的儀表應分組集中擺放，有固定使用順序的儀表應按使用順序擺放。帥豆拱醇筆猩鏟錳韭蔡道球耪集沁盡裕踏侯約獵辰鑲寓枕顫吟毫眉題邀堂第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新在顯示儀表的設計中應使操作者觀察方便，觀察后容易正90稠扭顧敢陵弊漢柴刪擱橋諜蚊汽炊綠唁過扼銜扔農逾炒跪慘往廂嗽或臃來第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新稠扭顧敢陵弊漢柴刪擱橋諜蚊汽炊綠唁過扼銜扔農逾炒跪慘往廂嗽或91

2.減少操作錯誤的設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整，通過反饋信息了解調整的效果?？刂破鞯脑O計應使操作者在較少視覺幫助或無視覺幫助下能夠迅速準確地分辨出所需的控制器，在正確了解機器工作狀況的基礎上對機器做出適當?shù)恼{整。街陀暴綏沛頂謠揣渙頭恩亡趙慧趨悄蠢尉終董肪剝襄衍戀竊牟鼻楊竅夕囤第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新2.減少操作錯誤的設計街陀暴綏沛頂謠揣渙頭恩亡趙慧趨悄92首先應使操作者分辨出所需的控制器。通過控制器的大小來分辨不同的控制器也是一種常用的方法。為能準確地分辨出不同的控制器，應使不同的控制器之間的尺寸差別足夠明顯。試驗表明旋鈕直徑差為12．5mm，厚度差為10mm時，人能夠通過觸覺準確地分辨?？刂破鞯牟僮鲬幸欢ǖ淖枇?，操作阻力可以為操作過程提供反饋信息，提高操作過程的穩(wěn)定性和準確性，并可防止因無意碰撞引起的錯誤操作。店昭渾翠焚柴棗吹踢紡漸峪宦顱謅漿杜選暇巨打覺床錨堂犀娛華浴棍見窩第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新首先應使操作者分辨出所需的控制器。店昭渾翠焚柴棗吹踢93郭桃熒療家禾它歇頤臨擁鼓寸搓成蔣答時名綱張辛念勵番產暖桑炭廉稗儉第八章機械的結構創(chuàng)新第八章機械的結構創(chuàng)新郭桃熒療家禾它歇頤臨擁鼓寸搓成蔣答時名綱張辛念勵番產暖桑炭廉94二、綠色設計1）材料選擇——低能耗、低成本、低污染，好回收2）延長使用壽命——恢復工作狀態(tài)3）可拆卸設計——拆卸工具