机械系统创新设计-6机械结构方案创新设计.ppt

第六章第六章 结构方案的创新设计结构方案的创新设计n本章主要讨论关于零部件的本章主要讨论关于零部件的结构形状、尺寸、结构形状、尺寸、位置、数量、材料、热处理、表面状况位置、数量、材料、热处理、表面状况等的变等的变异设计，其目的除实现方案功能原理所要求实异设计，其目的除实现方案功能原理所要求实现的工艺动作外，还应满足零部件的强度、刚现的工艺动作外，还应满足零部件的强度、刚度、精度、稳定性、工艺、可靠性、寿命等要度、精度、稳定性、工艺、可靠性、寿命等要求。结构设计是机械设计中涉及问题最多、最求。结构设计是机械设计中涉及问题最多、最具体、工作量最大的阶段。具体、工作量最大的阶段。6.1 零部件结构方案的创新设计零部件结构方案的创新设计6.2 提高零部件性能的创新设计提高零部件性能的创新设计6.3 机械结构的宜人化设计机械结构的宜人化设计6.4 新型零部件结构设计新型零部件结构设计6.1 零部件结构方案的创新设计零部件结构方案的创新设计 设计者从一个可行或已知结构方案出发，通过变换设计者从一个可行或已知结构方案出发，通过变换得到大量可行方案的过程。得到大量可行方案的过程。1 1 零件功能面的变异与创新零件功能面的变异与创新 零件与工作介质或与被加工物体相接触的表面称为零件与工作介质或与被加工物体相接触的表面称为功能面。通过对功能面的创新设计，可以得到为实现同功能面。通过对功能面的创新设计，可以得到为实现同一功能的多种结构方案。一功能的多种结构方案。描述功能表面的主要几何参数有表面的形状、尺寸描述功能表面的主要几何参数有表面的形状、尺寸大小、表面数量、位置、顺序等。对这几个方面进行变大小、表面数量、位置、顺序等。对这几个方面进行变异，可获得多个以及最佳结构方案结构方案。异，可获得多个以及最佳结构方案结构方案。螺钉功能面多种变形螺钉功能面多种变形摆杆与推杆球面位置的变换摆杆与推杆球面位置的变换V型导轨保留润滑剂的方式型导轨保留润滑剂的方式2.联接方案的变异与创新联接方案的变异与创新联接类型限制自由度情况应用形式固定联接限制了6个自由度形锁合加力锁合，见下页图滑动联接限制了5个自由度轴的形状为除完整圆柱面以外其它柱面转动联接限制了5个自由度轴的截面形状必须是圆形滑动加转动联接限制了4个自由度轴的形状必须是圆柱面固定的轴榖连接变异形式固定的轴榖连接变异形式 3.支承方案的变异与创新支承方案的变异与创新支承的变异与创新包括支承的变异与创新包括:n支点位置的变异；支点位置的变异；n支点轴承的种类及其组合的变异。支点轴承的种类及其组合的变异。4.材料对零部件结构变异与创新的影响材料对零部件结构变异与创新的影响结构设计中既要根据功能要求合理的选择适当的材料，又要根据材料的种类确定适当的加工工艺，并根据加工工艺要求确定适当的结构，只有通过适当的结构设计才能使所选择的材料最充分的发挥优势。v要充分了解材料的力学性能要充分了解材料的力学性能：例如弹性联轴器中的弹性元件，若采用橡胶材料，因其强度差寿命短，使用时需要经常更换，因此在结构设计时，应为更换弹性元件在结构上提供方便。例如，铸铁材料的抗压强度远大于抗拉强度，因此承受弯矩的铸铁结构截面多为非对称结构，以使承载时最大压应力大于最大拉应力。如下图所示。例如，塑料结构的强度较差，用螺纹联接塑料零件很容易损坏，若充分利用塑料零件弹性变形量大的特点，使搭钩与凹槽实现联接，装配过程简单、准确、操作方便。见下图。v要充分了解材料的加工性能要充分了解材料的加工性能n钢结构设计中常通过加大截面尺寸增大结构的强度与刚度，但铸造结构中如果壁厚过大则很难保证铸造质量，故铸造结构一般通过加肋板加强结构的强度与刚度。n塑料由于刚度差，铸造后的冷却不均匀，造成的内应力容易引起结构翘曲，故塑料结构的肋板应与壁厚相近并均匀对称。n陶瓷结构的模具成本和烧结工艺成本远大于材料成本，故陶瓷结构设计中为使结构简单，通常不考虑节省材料的问题。6.2 提高性能的创新设计提高性能的创新设计1.1.提高零部件强度与刚度的变异与创新提高零部件强度与刚度的变异与创新1）减小应力集中2 2）载荷分担）载荷分担 3 3）减小接触应力）减小接触应力4 4）减小摩擦磨损）减小摩擦磨损5）降噪结构）降噪结构2.2.提高工艺性的设计与创新提高工艺性的设计与创新1)1)方便装卡方便装卡2）方便加工）方便加工3）简化装配）简化装配6.3 6.3 结构的宜人化设计结构的宜人化设计1.1.适合人生理特点的结构设计适合人生理特点的结构设计1 1）减少疲劳的结构）减少疲劳的结构2）容易发力的结构）容易发力的结构n手臂发力手臂发力：右手大于左手；向下大于向上；向内大于向外；拉力大于推力；沿手臂方向大于垂直方向。n位姿的影响位姿的影响:立姿操作力大于坐姿,但立姿易疲劳,动作精度低.n脚的纵力：脚的纵力：脚的纵力远大于手臂的纵力，脚的纵力与脚的位置，姿势和施力方向有关；脚的施力方向一般是压力；脚不适合作频率高或精度高的动作。脚的纵力分布图见下页。2.适合人的心理特点的结构设计适合人的心理特点的结构设计1)减少观察错误的结构设计2)减少操作错误的结构设计3)外型美与谐和的结构设计1)减少观察错误的结构设计（这里主要指观察仪表）n在显示仪表的设计中,应使操作者观察方便,容易正确理解仪表显示内容,这要通过正确的选择仪表的形式,仪表的刻度分布,摆放位置以及多个仪表的组合实现。n在同一应用场合应选同一形式仪表,同样刻度排列方向,以减少操作者的认读障碍。n仪表摆放位置要以方便认读为准,视距为80cm的水平方向最佳认读取再20度范围内；垂直方向的最佳认读区为水平方向及其以下15度内。2)减少操作错误的结构设计（这里主要介绍操作控制器）n控制器的设计应使操作者在较少视觉帮助或无视觉情况下能准确的分辨出所需的控制器，并做出正确的控制与调整。n通过控制器的形状来分辨：由于触觉分辨能力差，所以形状不宜过分复杂。n通过控制器的大小来分辨：不同控制器之间尺寸差别要足够大，旋钮直径差为12.5mm；厚度差为10mm。n通过控制器所在位置分辨：沿垂直方向布置开关当间距大于130mm时摸错概率很低；水平方向布置间距应大于200mm。当控制器与显示器配合使用时，还要考虑它们之间的位置当控制器与显示器配合使用时，还要考虑它们之间的位置关系，即使操作者容易辨认。关系，即使操作者容易辨认。有人进行这样的试验，在灶台上放置有人进行这样的试验，在灶台上放置4 4副灶具，在控制面板副灶具，在控制面板上放置上放置4 4副控制开关，每种方案进行副控制开关，每种方案进行12001200次试验。当灶具与开关次试验。当灶具与开关以不同方式摆放时，使用者出现的操作错误次数统计如下：以不同方式摆放时，使用者出现的操作错误次数统计如下：（1 1）方案误操作次数为零；）方案误操作次数为零；（2 2）方案误操作次数为）方案误操作次数为7676次；次；（3 3）方案误操作次数为）方案误操作次数为116116次；次；（4 4）方案误操作次数为）方案误操作次数为129129次。次。实验还反映了操作时间与误操作次数具有同样的顺序关系。实验还反映了操作时间与误操作次数具有同样的顺序关系。3)外型美与谐和的结构设计n外形谐和主要指在外形的比例上，黄金分割比对矩形是一种比较谐和的比例关系。它是指周边比为1：1.618。n外形均衡主要指形体对称。n外形稳定主要体现在上小下大，上轻下重，重心较低。n色彩条件：产品配色要考虑与其功能相适应；应与环境相协调。6.4 6.4 新型结构设计新型结构设计1.1.弹性结构弹性结构2.快速联接结构3.3.多功能组合结构多功能组合结构将多个零件的功能集中在少数零件上将多个零件的功能集中在少数零件上