09机械创新设计第7章.ppt

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1、7 结构方案创新设计 结构既是机器内部诸构件之间的相互联系与秩序、相互作用的形式和方结构既是机器内部诸构件之间的相互联系与秩序、相互作用的形式和方式，也是指零件的几何形态与视觉效果；前者在机构方案创新设计中已经得式，也是指零件的几何形态与视觉效果；前者在机构方案创新设计中已经得到解决，这里主要研究零件的几何形态设计与相互联系。到解决，这里主要研究零件的几何形态设计与相互联系。结构设计是将机构方案设计中的杆具体化，同时，选择零件的材料、计结构设计是将机构方案设计中的杆具体化，同时，选择零件的材料、计算零部件的强度、确定公差与配合，以便为制造与装配提供完整的图纸与说算零部件的强度、确定公差与配合，

2、以便为制造与装配提供完整的图纸与说明信息。明信息。零部件几何形态的三维设计不仅要满足使用性能，而且要考虑加工、装零部件几何形态的三维设计不仅要满足使用性能，而且要考虑加工、装配与视觉效果；零部件几何形态的外观设计主要是创造一种良好的感官效果；配与视觉效果；零部件几何形态的外观设计主要是创造一种良好的感官效果；材料的选择主要考虑满足使用性能与价格因素；强度的计算以确保能承受住材料的选择主要考虑满足使用性能与价格因素；强度的计算以确保能承受住外负载的作用；公差与配合的选择在满足使用性能的前提下越经济越好。外负载的作用；公差与配合的选择在满足使用性能的前提下越经济越好。结构设计通常不是一次完成的，结

3、构设计在零部件几何形态的三维设计结构设计通常不是一次完成的，结构设计在零部件几何形态的三维设计方面具有很大的创新空间。方面具有很大的创新空间。2021/9/2317.1结构设计的基本要求结构设计的基本要求 结构设计的基本要求是满足功能要求、几何形态简单且安全可靠结构设计的基本要求是满足功能要求、几何形态简单且安全可靠。7.1.1 功能明确功能明确 功能明确是指所选择的结构要达到预期的功能，当功能比较多时，可以功能明确是指所选择的结构要达到预期的功能，当功能比较多时，可以将功能分解为若干个子功能，再确定各子功能与结构之间的联系。将功能分解为若干个子功能，再确定各子功能与结构之间的联系。在轴毂连接

4、中，图在轴毂连接中，图7-1(a)所示的设计就没有明确传递扭矩的是键还是圆锥所示的设计就没有明确传递扭矩的是键还是圆锥面、毂的轴向定位是轴的阶梯面还是圆锥面。图面、毂的轴向定位是轴的阶梯面还是圆锥面。图7-1(b)所示的设计就明确两所示的设计就明确两种功能都是由圆锥面来承担，是一种好的结构。种功能都是由圆锥面来承担，是一种好的结构。图7-1 锥面联接(a)(b)2021/9/232 在组合轴承设计中，图在组合轴承设计中，图7-2(a)所示的设计是滚针轴承承担径向力、球轴承所示的设计是滚针轴承承担径向力、球轴承承受轴向力，实际上，两个轴承都能承受径向力，各自受力大小因两种滚承受轴向力，实际上，两

5、个轴承都能承受径向力，各自受力大小因两种滚动体不同而不确定，故容易导致轴承过载而损坏。图动体不同而不确定，故容易导致轴承过载而损坏。图7-2(b)所示的设计就区所示的设计就区分了径向力和轴向力的承受者。分了径向力和轴向力的承受者。图7-2 轴承组合(a)(b)2021/9/2332021/9/2342021/9/2357.1.2结构简单结构简单 结构简单是指整机、部件与零件的结构在满足总功能的前提下，尽结构简单是指整机、部件与零件的结构在满足总功能的前提下，尽量力求结构形状简单、零部件数量少等，同时尽量采用标准零部件。量力求结构形状简单、零部件数量少等，同时尽量采用标准零部件。7.1.3安全可

6、靠安全可靠 安全可靠包括零件的安全、整机的安全、操作的安全与环境的安全。安全可靠包括零件的安全、整机的安全、操作的安全与环境的安全。零件的安全指在规定外载荷和规定时间内，零件不发生断裂、过渡变零件的安全指在规定外载荷和规定时间内，零件不发生断裂、过渡变形、过渡形、过渡 磨损，不丧失稳定性；磨损，不丧失稳定性；整机的安全指整个技术系统在规定的条件下保证实现总的功能；操作整机的安全指整个技术系统在规定的条件下保证实现总的功能；操作的安全指对操作人员不得产生人身损害；的安全指对操作人员不得产生人身损害；环境的安全指对技术系统的周围环境不造成危害和污染。环境的安全指对技术系统的周围环境不造成危害和污染

7、。2021/9/236 符合有限损坏原理符合有限损坏原理 当出现功能干扰或零件破坏时，不会使主要部件或整机遭到破坏。当出现功能干扰或零件破坏时，不会使主要部件或整机遭到破坏。2021/9/237 过载保护回路过载保护回路：正常工作时，电磁换向阀：正常工作时，电磁换向阀1通电，使换向阀通电，使换向阀2换向，气换向，气缸外伸。如果在活塞杆受压的方向发生过载，则顺序阀动作，换向阀缸外伸。如果在活塞杆受压的方向发生过载，则顺序阀动作，换向阀3切切换，换向阀换，换向阀2的控制气体排出，在弹簧力的作用下换至图示工位，使活塞的控制气体排出，在弹簧力的作用下换至图示工位，使活塞杆缩回。杆缩回。2021/9/2

8、38 冗余配置原理冗余配置原理 当当技技术术系系统统发发生生故故障障或或失失效效时时，会会造造成成人人身身安安全全或或重重大大设设备备事事故故，为为了了提高可靠性，常采用重复的备用系统。提高可靠性，常采用重复的备用系统。多点啮合柔性传动多点啮合柔性传动 多个小功率驱动器各自通过超越离合器，多个小功率驱动器各自通过超越离合器，共同驱动共同驱动一个重型机构，俗称一个重型机构，俗称“多马拉车多马拉车”。多点啮合柔性传动多点啮合柔性传动飞机襟翼操纵机构飞机襟翼操纵机构2021/9/239 双手操作回路是使用两个启动用的手动换向阀，只有同时按下两个阀时双手操作回路是使用两个启动用的手动换向阀，只有同时按

9、下两个阀时气缸才动作，起到安全保护作用。应用在冲床、锻压机床上，对操作人员气缸才动作，起到安全保护作用。应用在冲床、锻压机床上，对操作人员的手起保护作用。的手起保护作用。2021/9/23107.2 结构设计基本原理 结构设计的基本原理主要体现在任务分配原理、自补偿原理、力传递原理、结构设计的基本原理主要体现在任务分配原理、自补偿原理、力传递原理、变形协调原理、力平衡原理、等强度原理、稳定性原理与噪声降低原理诸方变形协调原理、力平衡原理、等强度原理、稳定性原理与噪声降低原理诸方面。遵守这些原理是实现良好的结构设计的基础。面。遵守这些原理是实现良好的结构设计的基础。7.2.1任务分配原理任务分配

10、原理1）任务分解）任务分解 将任务分解，由不同的结构实现整体功能。将任务分解，由不同的结构实现整体功能。2021/9/2311图7-3 带轮的安装结构(a)(b)图图7-3所示为两种带轮的安装结构，所示为两种带轮的安装结构，图图7-3(a)所示的结构是将弯矩和扭矩同时所示的结构是将弯矩和扭矩同时作用于转轴；作用于转轴；图图7-3(b)所示的结构将弯矩作用于机架、扭矩作用于转轴，显然，所示的结构将弯矩作用于机架、扭矩作用于转轴，显然，图图7-3(b)所所示的结构有利于减小轴的尺寸、提高轴的旋转精度。示的结构有利于减小轴的尺寸、提高轴的旋转精度。(a)(b)2021/9/23122021/9/23

11、132）任务合成）任务合成 将任务合成，由同一结构实现不同的功能。将任务合成，由同一结构实现不同的功能。图图7-4所示的齿式联轴器既实现了转速与转矩的传递，又解决了两端轴线的误所示的齿式联轴器既实现了转速与转矩的传递，又解决了两端轴线的误差补偿、适应了工作时外载荷引起的轴线变位。差补偿、适应了工作时外载荷引起的轴线变位。图7-4 齿式联轴器2021/9/23147.2.2自补偿原理自补偿原理 在机械设计中，实现自增强、自平衡是提高机械寿命的有效手段。在机械设计中，实现自增强、自平衡是提高机械寿命的有效手段。1）自增强）自增强 在正常工作状态下，负载效应与初始效应的作用方向相同，总效果变好。在正

12、常工作状态下，负载效应与初始效应的作用方向相同，总效果变好。图图7-5所示为自增强作用的密封装置，压力所示为自增强作用的密封装置，压力p使锥面圆盘使锥面圆盘1更紧密地压在密封更紧密地压在密封2上，这就是利用压力上，这就是利用压力p产生了增强密封的效果。产生了增强密封的效果。p12图7-5 圆盘的密封2021/9/23152021/9/2316高压容器检孔盖设计高压容器检孔盖设计1-螺杆；螺杆；2-盖；盖；3-密封密封2021/9/2317 温度变化、受力、磨损等因素是影响机械结构工作精度的原因。温度变化、受力、磨损等因素是影响机械结构工作精度的原因。好的结构设计可以减少这些影响。好的结构设计可

13、以减少这些影响。凸轮、移动从动件与摇杆的接触点上都有磨损。凸轮、移动从动件与摇杆的接触点上都有磨损。图图a使得这两处磨损对从动件的运动误差的影响互相叠加；使得这两处磨损对从动件的运动误差的影响互相叠加；而图而图b的结构则使得影响互相抵消，从而提高了机构的工作精度。的结构则使得影响互相抵消，从而提高了机构的工作精度。2021/9/2318（a）（b）图7-6 齿轮径向力平衡p1p2p12O1O2吸油压油p与为液压力，与与与2）自平衡）自平衡 在在正正常常工工作作状状态态下下，自自平平衡衡是是指指将将工工作作力力对对零零件件的的不不利利影影响响自自我我抵抵消消掉掉。图图7-6所所示示为为齿齿轮轮泵

14、泵的的径径向向力力平平衡衡问问题题，在在图图7-6(a)所所示示的的结结构构中中，与与为为液液压压力力，与与为为齿齿轮轮啮啮合合力力，与与为为主主动动齿齿轮轮轴轴承承和和被被动动齿齿轮轮轴轴承承所所承承受受的的径径向向力力，轴轴承承上上的的径径向向力力未未实实现现平平衡衡，与与加加快快了了轴轴承承的的磨磨损损；在在图图7-6(b)所所示示的的结结构构中中，在在泵泵壳壳或或侧侧板板上上开开有有径径向向力力平平衡衡槽槽，把把高高压压油油引引到到低低压压区区对对应应的的轴轴上上，把把低低压压油油引引到到高高压压区区对对应应的的轴轴上上，轴轴承承上上的的径径向向力力得得到到了了平平衡衡，延延长长了了轴

15、轴承承的寿命。的寿命。吸油压油2021/9/23192021/9/2320图7-7 力流路线对结构的影响0.2a(a)FF(b)0.5aaFFa2a(c)FF7.2.3力传递原理力传递原理机械中的构件与运机械中的构件与运动动副都承受副都承受并并传递传递力，力流路力，力流路线线最短、力流最短、力流转转向平向平缓缓是减小体是减小体积积提高寿命的有效提高寿命的有效方式。方式。1）力流路线最短力流路线最短图图7-7所示所示为实现为实现拉力拉力传递传递的的结结构构设计设计，在空，在空间许间许可的条件下，可的条件下，图图7-7(a)所示的所示的结结构构为为力流路力流路线线最短、最短、结结构尺寸最小。构尺寸

16、最小。图图7-7(b)、(c)所示所示的的结结构力流路构力流路线线都都长长，故尺寸，故尺寸较较大。大。2021/9/23212）力流转向平缓）力流转向平缓 当结构的断面尺寸发生突然当结构的断面尺寸发生突然变化时，易引起力流方向的急变化时，易引起力流方向的急剧改变，使得力流密度增加，剧改变，使得力流密度增加，产生应力集中。产生应力集中。在结构设计时，应使力流方在结构设计时，应使力流方向变化平缓，以减小应力集中。向变化平缓，以减小应力集中。图图7-8所示为轴毂连接，图所示为轴毂连接，图7-8(a)所示的力流方向变化急剧，所示的力流方向变化急剧，A处产生应力集中；处产生应力集中；图图7-8(b)所所

17、示的力流方向变化平缓，应力集示的力流方向变化平缓，应力集中较小。中较小。图7-8 轮与轴联接(b)TT(a)TAT2021/9/2322图7-9 两焊接板的变形及应力分布(a)(b)(c)FF平均maxFF平均max21压应力拉应力FF1F2F2=FF1=F21平均maxF7.2.4变形协调原理变形协调原理 在外在外载载荷作用下，两个相荷作用下，两个相邻邻零件的零件的联联接接处处，由于各自受力与，由于各自受力与变变形不同，两形不同，两零件零件间产间产生相生相对变对变形将引起力流密集形成形将引起力流密集形成应应力集中。力集中。所所谓变谓变形形协调协调，就是使，就是使相相邻邻零件在外零件在外载载荷

18、作用下的荷作用下的变变形方向相同，并尽可能减小相形方向相同，并尽可能减小相对变对变形。形。图图7-9(a)为两板受拉，相对变形较小，符合变形协调原理，应力分布较均为两板受拉，相对变形较小，符合变形协调原理，应力分布较均匀；图匀；图7-9(b)为一板受拉，另一板受压，相对变形较大，变形不协调，应力为一板受拉，另一板受压，相对变形较大，变形不协调，应力分布不均匀；图分布不均匀；图7-9(c)为改进设计，两板改为板厚呈线性变化的斜接口，两为改进设计，两板改为板厚呈线性变化的斜接口，两板相对变形几乎等于零，应力分布非常均匀。板相对变形几乎等于零，应力分布非常均匀。2021/9/23232021/9/2

19、324图7-10 强度(a)(b)(c)(d)FFFF 7.2.5等强度原理等强度原理 若一个零件的各若一个零件的各处应处应力相等称力相等称为为等等强强度。等度。等强强度充分利用了材料的力学性度充分利用了材料的力学性能，是一种好的能，是一种好的设计设计方案。方案。图图7-10(a)所示所示强强度不等，而且度不等，而且强强度差；度差；图图7-10(b)所示所示强强度不等，浪度不等，浪费费了材了材料；料；图图7-10(c)所示适于所示适于铸铁铸铁的等的等强强度度结结构，构，图图7-10(d)所示适用于所示适用于钢钢的等的等强强度度结结构。构。2021/9/23252021/9/23267.2.6稳

20、定性原理稳定性原理 结构的稳定性是指倾翻力被恢复力平衡，系统处于稳定状态。结构的稳定性是指倾翻力被恢复力平衡，系统处于稳定状态。在图在图7-11中，图中，图7-11(a)所示的活塞易偏斜，是不稳定的结构；所示的活塞易偏斜，是不稳定的结构；图图7-11(b)所示的气缸压力能使活塞有恢复到垂直位置的倾向，达到稳定工作所示的气缸压力能使活塞有恢复到垂直位置的倾向，达到稳定工作状态；状态；图图7-11(c)所示的气缸压力达到活塞的下端，活塞不易倾斜；所示的气缸压力达到活塞的下端，活塞不易倾斜；图图7-11(d)所示的活塞铰接点达到上端，活塞同样不易倾斜。所示的活塞铰接点达到上端，活塞同样不易倾斜。图7

21、-11 保持活塞稳定的结构(a)压力平衡环 (b)圆锥形活塞 (c)压力囊 (d)活塞重心上铰链连接活塞气缸活塞气缸活塞气缸活塞气缸2021/9/2327活塞不稳定和稳定结构活塞不稳定和稳定结构7.2.7 噪声降低原理噪声降低原理 噪声对人是有害的，根据噪声对人是有害的，根据JB377411984工程机械噪声限值工程机械噪声限值标准规定，标准规定，司机位置处的噪声不得大于司机位置处的噪声不得大于90dB。机械噪声是由固体振动产生的，因此，减少振动是降低噪声的有效手段。机械噪声是由固体振动产生的，因此，减少振动是降低噪声的有效手段。2021/9/2328 综合控制噪声的措施综合控制噪声的措施1-

22、吸声材料层吸声材料层 2-进气口消声器进气口消声器 3-柔性管柔性管 4-吸声屏障吸声屏障 5-控制室控制室 6-密封门密封门 7-隔振垫隔振垫 8-双层密封窑双层密封窑 9-具有噪声的设备置于地下具有噪声的设备置于地下 10-隔声联接隔声联接11-振动设备置于分离的基础上振动设备置于分离的基础上2021/9/23297.3 结构设计方法结构设计方法 结构设计应优先满足功能的需要，其次是形体简单、美观、易于制造、便于结构设计应优先满足功能的需要，其次是形体简单、美观、易于制造、便于装配、受力合理、成本不高等。结构设计的方法有类比方法与计算方法，类比方装配、受力合理、成本不高等。结构设计的方法有

23、类比方法与计算方法，类比方法只确定零件的几何形态与相对关系；计算方法确定零件的几何尺寸与配合关系。法只确定零件的几何形态与相对关系；计算方法确定零件的几何尺寸与配合关系。7.3.1类比设计方法类比设计方法 图图7-12所示为改变阀芯表面的形状而得到不同结构的阀门。图所示为改变阀芯表面的形状而得到不同结构的阀门。图7-12(a)所示为所示为锥形阀，图锥形阀，图7-12(b)所示为球形阀，功能基本相同，但因阀体的工作表面形状不同，所示为球形阀，功能基本相同，但因阀体的工作表面形状不同，流体进入阀腔内的流场不同，引起的温升与能量损失也不同，图流体进入阀腔内的流场不同，引起的温升与能量损失也不同，图7

24、-12(b)所示的结所示的结构性能优于图构性能优于图7-12(a)的。的。图7-12 不同阀芯的阀门(a)锥形阀 (b)球形阀2021/9/2330 图图7-13所示为改变螺纹作用面位置的圆盘锯联接。图所示为改变螺纹作用面位置的圆盘锯联接。图7-13(a)为螺纹在外部，为螺纹在外部，将内外螺纹面互换位置，得图将内外螺纹面互换位置，得图7-13(b)所示的螺纹联接。所示的螺纹联接。图图7-14所示为改变螺纹作用方式。图所示为改变螺纹作用方式。图7-14(a)所示为单个螺纹联接结构，图所示为单个螺纹联接结构，图7-14(b)所所示为多个螺纹联接结构，但功能基本相同。示为多个螺纹联接结构，但功能基本

25、相同。图7-13 螺纹作用面的位置变换(a)(b)图7-14 螺纹作用方式的变换(a)(b)2021/9/23312021/9/2332减小球面接触应力的结构设计 2021/9/23332021/9/23347.4 降低成本的结构设计降低成本的结构设计 机械产品在满足功能和可靠性要求的同时，还要求采用制造成本较低机械产品在满足功能和可靠性要求的同时，还要求采用制造成本较低的方法，只有这样，企业才能获得最大的利润。的方法，只有这样，企业才能获得最大的利润。7.4.1减少加工成本的结构设计减少加工成本的结构设计 采用整体结构或一个结构多重功能，使零件数量少，加工面少，以减采用整体结构或一个结构多重

26、功能，使零件数量少，加工面少，以减少加工时间与成本。图少加工时间与成本。图7-16所示为链轮齿轮结构，图所示为链轮齿轮结构，图7-16(a)所示链轮与齿轮所示链轮与齿轮的组合构造，零件数量多、加工面多、需要组装时间，故加工成本高；图的组合构造，零件数量多、加工面多、需要组装时间，故加工成本高；图7-16(b)所示为整体结构，制造成本明显降低。所示为整体结构，制造成本明显降低。图7-16 链轮齿轮结构(a)(b)2021/9/2335图7-17减少加工量得箱体结构(a)(b)0.80.80.80.8 图图7-17所示为箱体的结构，图所示为箱体的结构，图7-17(a)所示的结构加工面大、加工成本高

27、；所示的结构加工面大、加工成本高；图图7-17(b)所示的结构加工面小、加工成本较低。所示的结构加工面小、加工成本较低。2021/9/23362021/9/2337 提高机床主轴前端提高机床主轴前端(工作端工作端)的旋转精度是很重要的，的旋转精度是很重要的，两支点两支点轴承的精度对轴承的精度对工作端工作端影响的程度不相同。误差为分别为影响的程度不相同。误差为分别为：显然支点显然支点A的的误差对误差对工作端工作端的的精度影响较大，精度影响较大，支点支点A的轴承精的轴承精度选择得比支点度选择得比支点B的高一个等级。的高一个等级。根据对精度的影响来选择轴承精度2021/9/2338加工孔的布置202

28、1/9/2339避免特殊加工的结构2021/9/23407.4.2减少装配成本的减少装配成本的结结构构设计设计图图7-18所示所示为为三套凸三套凸轮轮机构的机构的协协同工作，同工作，图图7-18(a)为为分体式凸分体式凸轮轴轮轴，图图7-18(b)为为整体式凸整体式凸轮轴轮轴，显然，整体式凸轮轴比分体式凸轮轴的装配成本低。显然，整体式凸轮轴比分体式凸轮轴的装配成本低。图7-18 分体式凸轮轴与整体式凸轮轴(a)(b)2021/9/2341避免误装配的结构设计避免误装配的结构设计2021/9/2342降低装配难度的结构设计降低装配难度的结构设计2021/9/2343装配关系独立的结构设计装配关系独立的结构设计2021/9/23447.4.3采用快速装拆的结构设计采用快速装拆的结构设计 图图7-19所示为球面端盖的开启结构，图所示为球面端盖的开启结构，图7-19(a)所示采用螺栓联接结构，所示采用螺栓联接结构，装拆费时，端盖各处受力不均匀；图装拆费时，端盖各处受力不均匀；图7-19(b)所示采用快速装拆结构，装卸所示采用快速装拆结构，装卸迅速，受力均衡，密封可靠。迅速，受力均衡，密封可靠。图7-19快速装拆端盖1连接环；2横梁；3手柄镙杆213h2021/9/23452021/9/23462021/9/2347