结构创新设计ppt课件

1、4.1 概述4.2 构造变异创新设计方法4.3 构造组合创新设计方法4.4 引入新的构造要素4.5 引入新的逻辑方法4.6 引入新的设计理念第4章 构造创新设计 . 机械构造设计的义务是在总体设计的根底上，根据所确定的原理方案，决议满足功能要求的机械构造，需求决议的内容包括构造的类型和组成，构造中一切零部件的外形、尺寸、位置、数量、资料、热处置方式和外表情况，所确定的构造除应可以实现原理方案所规定的动作要求外，还应能满足设计对构造的强度、刚度、精度、稳定性、工艺性、寿命、可靠性等方面的要求。构造设计是机械设计中涉及问题最多、最详细、任务量最大的任务阶段。 机械构造设计的重要特征之一是设计问题的

2、多解性，即满足同一设计要求的机械构造并不是独一的，构造设计中得到一个可行的构造方案普通并不很难，然而，机械构造设计的义务是在众多的可行构造方案中寻求较好的或最好的方案。现有的数学分析方法可以使我们从一个可行方案出发在一个单峰区间内寻求到部分最优解，但是，并不能使我们遍历全部的可行区域，找出一切的部分最优解，并从中找出全局最优解，得到最好的设计方案。这就需求发扬发明性思想方法的作用。 得到一个可行的构造方案不难，最好的方案不易偏重点：机构部装 构造零部件详细设计、详细设计4.1 概述.4.2 构造变异创新设计方法发明性思想在机械构造设计中的重要运用之一就是构造方案的变异设计方法。它能使设计者从一

3、个知的可行构造方案出发，经过变换得到大量的可行方案。经过对这些方案中参数的优化，可以使设计者得到多个部分最优解，再经过对这些部分最优解的分析和比较，就可以得到较优解或全局最优解。变异设计的目的寻求满足设计要求的独立的设计方案，以便对其进展参数优化设计，经过变异设计所得到的独立的设计方案数量越多，覆盖的范围越广泛，经过优化得到全局最优解的能够性就越大。变异设计的根本方法首先经过对构造设计方案的分析，得出普通构造设计方案中所包含的技术要素的构成，然后再分析每一个技术要素的取值范围，经过对这些技术要素在各自的取值范围内的充分组合，就可以得到足够多的独立的构造设计方案。普通机械构造的技术要素包括零件的

4、几何外形，零件之间的联接和零件的资料及热处置方式。以下分别分析这几个技术要素的变异设计方法。. 4.2.1 任务外表的变异 机械构造的功能主要是靠机械零部件的几何外形及各个零部件之间的相对位置关系实现的。 零件的几何外形由它的外表所构成，一个零件通常有多个外表，在这些外表中与其他零部件相接触的外表，与任务介质或被加工物体相接触的外表称为功能外表。 零件的功能外表是决议机械功能的重要要素，功能外表的设计是零部件设计的中心问题。经过对功能外表的变异设计，可以得到为实现同一技术功能的多种构造方案。 描画功能外表的主要几何参数有外表的外形、尺寸大小、外表数量、位置、顺序等。经过对这几个方面参数的变异，

5、可以得到多组构型方案。任务面功能面.例如要实现用弹簧产生的弹压紧力压紧某零件，使其坚持确定位置。设计时可以选择的弹簧类型有拉簧、压簧、扭簧、板簧，被压紧的零件外形可以有平面、圆柱面、球面、螺旋面，经过对这些要素的组合可以得到如表所示的多种方案。其中压簧的紧缩间隔不应过大，否那么容易引起弹簧的失稳，如确需运用较大的紧缩间隔那么应设置导向构造，拉簧因无失稳问题，设计中受空间约束较少，既可单独运用，也可与摇杆及绳索等配合运用；板簧通常刚度较大，可在较小的变形条件下产生较大的压紧力。.导向构造导向构造绳索摇杆摇杆螺纹“面弹簧.螺钉用于联接时需求经过螺钉头部对其进展拧紧，而变换旋拧功能面的外形、数量和位

6、置内外可以得到螺钉头的多种设计方案。图所示有12种方案，其中前三种头部构造运用普通扳手拧紧，可获得较大的预紧力，但不同的头部外形所需的最小任务空间扳手空间不同；滚花型和元宝型钉头用于手工拧紧，不需专门工具，运用方便；第6、7、8种方案的扳手作用在螺钉头的内外表，可使螺纹联接件外表整齐美观；最后四种分别是用“十字型螺丝刀和“一字型螺丝刀拧紧的螺钉头部外形，所需的扳手空间小，但拧紧力矩也小；可以想像，还有许多可以作为螺钉头部外形的设计方案，实践上一切的可加工外表都是可选方案，只是不同的头部外形需求用不同的公用工具拧紧，在设计新的螺钉头部外形方案时要同时思索拧紧工具的外形和操作方法。 . 机器上的按

7、键外形通常为方形或圆形，这种外形的按键在控制面板上占用较大的面积。为减小手机的体积，有人做出如下图的手机面板设计，面板上的每个按键的宽度为10mm，相邻两键的间距为2mm。如采用方形或圆形按键，那么每行按键所占用的最小面板宽度为34mm，由于采用三角形按键，使最小宽度减少为24mm，比原方案减小29%。. 在所示的构造中，挺杆2与摇杆1经过一球面相接触，球面在挺杆上。当摇杆的位置变化时，摇杆端面与挺杆球面接触点的法线方向随之变化，由于法线方向与挺杆的轴线方向不平行，挺杆与摇杆间作用力的压力角不等于零，所以会产生横向推力，这种横向推力需求挺杆与导轨之间的反力与之平衡。当挺杆的垂直位置较高时，这种

8、反力产生的摩擦力的数值会超越球面接触点的有效轴向推力，因此呵斥挺杆运动卡死。 假设将球面改 在摇杆上，如图 所示， 那么接触面上的 法线方向一直 平行于挺杆轴 线方向，不产 生横向推力。. 在图中所示的V形导轨构造中，上方零件为凹形，下方零件为凸形，在重力作用下摩擦外表上的光滑剂会自然流失，假设改动凸凹零件的位置，使上方零件为凸形，下方零件为凹形，如图b所示，那么可以有效地改善导轨的光滑情况。含油位置变换. 棘轮机构的变异设计分析 待设计的棘轮机构如下图，棘爪头部的平面与棘轮齿形平面相互接触，是棘轮机构的任务外表。经过变换功能面的外形可得到如下图的多种构造方案，其中方案a和方案c用于单向传动，

9、方案b的棘轮可用于双向传动，方案c功能面能承当较大的载荷，运用较普遍，但承载才干对制造误差较敏感。.棘轮机构的变异设计分析经过变换功能面的数量可得到如下图的多种构造方案，图中方案a经过减小轮齿尺寸使轮齿的齿数增多，由于齿数添加使传动的最小反响角度减小，传动精度提高；方案b不改动棘轮的外形，而经过添加棘爪数量的方法起到在不降低承载才干的前提下提高传动精度的作用；方案c和方案d经过两个棘爪同时受力的方法提高了承载才干。.如下图为经过变换功能面的位置得到的多种构造方案，图中方案a为内棘轮构造，经过将棘爪设置在棘轮内的方法减小了构造尺寸；方案b为轴向棘轮构造，这种构造只需在空间条件允许的条件下才干运用

10、。如下图为经过变换任务面的尺寸得到的多种构造方案。 棘轮机构的变异设计分析将以上这些要素进展交叉组合变换可以得到更多的构造方案，这些方案各有其优缺陷，经过对这些方案各自特点的分析并结合详细的运用条件可以从中确定较好的构造方案。.4.2.2 轴毂衔接构造的变异 机器中的零部件经过各种各样的联接组成完好的机器。 机器由零件组成，一个不与其他零部件相接触的零件具有6个自在度，机械设计中经过规定零件之间适当的联接方式限制零件的某些自在度，保管机器的功能所必需的自在度，使机器在任务中可以实现确定方式的运动关系。 联接的作用是经过零件的任务外表与其他零件的相应外表的接触实现的，不同方式的联接由于相接触的任

11、务外表外形不同，外表间所施加的紧固力不同，从而对零件的自在度构成不同的约束。. 以轴毂联接为例。按照设计要求，轴与轮毂的联接对相对运动自在度的限制能够有以下几种情况： 1固定联接，联接后轴与轮毂完全固定，不具有相对运动自在度，通常的轴毂联接多为这种情况，这种轴毂联接需求限制6个相对运动自在度。 2滑动联接，联接后轮毂可在轴上滑动，其他相对运动自在度被限制。例如齿轮变速机构中的滑移齿轮与轴的联接就属于这种联接。这种轴毂联接需求限制5个相对运动自在度。 3转动联接，联接后轮毂可在轴上绕轴线转动，其他相对运动自在度被限制。例如齿轮箱中为处理光滑问题设置的油轮与固定心轴的联接就属于这种情况。这种轴毂联

12、接也需求限制5个相对运动自在度。 4挪动、转动联接，联接后轮毂在轴上既可以挪动，又可以绕轴线转动，其他相对运动自在度被限制。这种联接运用较少，例如有些汽车变速箱中的倒档齿轮与固定心轴的联接属于这种情况。这种轴毂联接需求限制4个相对运动自在度。. 第一种情况为固定式联接，限制条件少，一切满足可加工性和可装配性条件的外表外形都可以作为这种轴毂联接的外表外形，经过变换用以限制零件间相对运动自在度的方法和构造要素可以得到多种轴毂联接方式。按照联接中构成锁合力的条件可将固定式轴毂联接分为： 形锁合联接和力锁合联接。 形锁合联接要求被联接外表为非圆形，可以是如图78所示的三角形、正方形、六边形或其他特殊外

13、形外表，但是由于非圆截面加工困难，特别是非圆截面孔加工更困难，所以这些外形的截面实践运用较少。由于圆形截面加工较容易，所以非圆截面通常经过在圆形截面上铣平面、铣槽或钻孔等方法产生，经过变换这些平面、槽或孔的尺寸、数量、在轴段的位置和方向就构成不同方式的轴毂联接。 . 第二种情况滑动联接由于轮毂要相对于轴挪动，所以轴外表必需是除完好圆柱面以外的其他柱面，经过改动轴的截面外形可以构成不同的联接方式，常用的有滑键联接、导键联接、花键联接和特形柱面联接如方形轴联接等。 第三种情况转动联接和第四种情况挪动、转动联接的联接中由于轮毂要相对于轴转动，所以联接中轴的截面外形必需是圆形，第四种情况由于轮毂要相对

14、于轴挪动，所以联接中轴的外表外形必需是柱面不能是锥面，第三种情况下思索加工方便和防止产生附加轴向力通常也采用柱面，综合这两点分析，这两种联接中的轴外表外形为圆柱面。 .形锁合力锁合.4.2.3 联轴器衔接方式变异资料的变异在弹性联轴器的设计中需求选择弹性元件的资料，由于所选弹性元件资料的不同，使得联轴器的构造变化很大，对联轴器的任务性能也有很大的影响。可选作弹性元件的资料有金属、橡胶、尼龙、胶木等套筒联轴器刚性精度高.外形变异轴2轴1. 4.3 构造组合创新设计方法组合创新4.3.1 同类组合双人自行车双体船多楔带大尺寸螺钉预紧4.3.2 异类组合多头螺丝刀组合机床4.3.3 功能附加组合自行

15、车货架+车筐+车灯+后视镜4.3.4 资料组合V带多种资料组合钢筋+水泥+沙子建筑资料. 4.4 引入新的构造要素4.4.1 弹性柔性构造空气紧缩机配气机构无摩擦、无间隙，运动精度高.对于需求经常装配的零部件构造不但应使联接可靠，还应使装配操作尽量方便。为使联接具有一定的运用寿命，应使联接构造在安装和装配过程中的磨损尽量小。为维护人类赖以生存和开展的世界环境，近年来兴起的绿色设计理念也要求人们运用的各种设备和配备不但在运用期内能满足人们对它的各种功能要求，而且在报废后能方便地将其装配分解，以利于各种有用成分的回收再利用，减少对环境的破坏。近年来在设计中越来越多的被采用的快动联接构造较好地满足了

16、这些要求。 4.4.2 快速衔接构造. 快动联接构造经过零件的弹性变形到达联接的目的，构造简单，便于操作。如下图为螺纹联接构造图a和经改良的快动联接构造图b对照图。 . 快动联接构造要求联接件具有较好的弹性，多采用塑料或薄钢板资料，如采用其他资料应经过合理的构造设计减小联接件的刚度， 图所示的即为一组这样的构造。 .另一组可快速装配的联接构造定位槽防止两半螺母松开衬套变形抱住销钉销钉过盈装入快速插入最后拧紧1/4圈斜面压紧.组合构造是指经过合理的构造设计，将多个零件的功能组合到一个零件上，起到减少零件数量，便于装配，降低本钱的目的。 为防止螺纹联接的松脱，通常需求采取防松措施。弹簧垫圈是一种被

17、广泛运用的放松安装，它需求在安装螺钉或螺母的同时安装弹簧垫圈，图中所示的螺钉集成构造将螺钉、垫片和弹簧垫圈的功能集成在一个零件上，减少了零件数量，方便了装配。 4.4.3 组合构造四合一.图中所示为某包装机中的一个支架构件。图a所示为原设计，由11个零件组成。图b为改良设计，将一切构造组合在一个零件上，零件精细铸造后一次加工成形，大大地节省了加工工时，降低了本钱。.按通常的构造设计方法，指甲刀应具有图中所示的构造。经过将多个零件的功能集中到少量零件上的组合设计方法，指甲刀改为图b所示构造。 . 图所示为三种自攻螺钉构造 它们或将螺纹与丝锥的构造集成在一同，或将螺纹与钻头的构造集成在一同，使螺纹

18、联接构造的加工和安装更方便。.智能构造运用智能资料所制造的构造。感知资料对外界刺激具有感知功能传感器机警资料输入信息刺激，产活力械动作智能资料外界环境变化，产活力械动作4.4.4 智能构造.4.5.1 自加强高压容器灌口密封构造4.5 引入新的逻辑方法油高压区多级杠杆下来.4.5.2 自稳定 4.5 引入新的逻辑方法.4.5.3 自补偿 4.5 引入新的逻辑方法测头与量详细分别，采用不同膨胀系数资料，减少丈量误差.4.5.4 自平衡4.5 引入新的逻辑方法离心力抵消介质作用力产生的弯矩.4.5.5 自顺应4.5 引入新的逻辑方法.4.5.6载荷分担4.5 引入新的逻辑方法.4.5.7 阿贝原那

19、么 假设使量器给出正确丈量结果，必需将仪器的读数线尺安放在被测尺寸的延伸线上。 4.5 引入新的逻辑方法.4.5.8 合理配置精度 在机床主轴构造设计中， 提高主轴前端任务端的 旋转精度是很重要的设计目 标，主轴前支点轴承和主轴 后支点轴承的精度都会影响 主轴前端的旋转精度，但是 影响的程度不一样。 经过分析前支点的误差对主轴前端的精度影响较大，所以在主轴构造设计中通常将前支点的轴承精度选择得比后支点高一个等级。4.5 引入新的逻辑方法.4.5.9 利用误差传送规律 在机械传动系统中，各级传动件都会产生运动误差，传动件在传送必要的运动的同时也不可防止地将误差传送给下一级传动件。在最后一级选择较

20、大传动比，并选择较高的精度即可改善。 4.5 引入新的逻辑方法.4.5.10 误差均化制造和安装过程中产生的误差是不可防止的，经过适当的构造设计可以在原始误差不变的情况下使执行机构的误差较小。实验证明螺旋传动的误差可以小于螺杆本身的螺距误差。图中所示为千分尺的丈量误差与其螺距误差的对比图，图a为千分尺的累积丈量误差，图b为经过万能工具显微镜测得的该千分尺螺杆的螺距累积误差。这一实验阐明了关于机械精度的均化原理： 在机构中假设有多个联接点同时对一种运动起限制造用，那么运动件的运动误差决议于各联接点的综合影响，其运动精度高于一个联接点的限制造用。在一定条件下添加螺旋传动中起作用的螺纹圈数，使多圈螺

21、纹同时起作用，不但可以提高螺旋传动的承载才干和耐磨性，而且可以提高传动精度。 4.5 引入新的逻辑方法. 4.5.11 零件分割4.5 引入新的逻辑方法.4.6.1 宜人化设计工具改良4.6 引入新的设计理念. 大多数机器设备要由人操作，在早期的机械设计中设计者以为经过选拔和训练可以使人顺应任何复杂的机器设备。随着设计和制造程度的提高，机器的复杂程度、任务速度及其对操作人员的知识和技艺程度的要求越来越高，人曾经很难顺应这样的机器，由于操作不当呵斥的事故越来越多。据统计，在第二次世界大战期间美国飞机所发生的飞行事故中有90是由于人为要素呵斥的。经过这些现实使人们认识到不能要求操作者无限制地顺应机

22、器的要求，而应使机器的操作方法顺应人的生理和心思特点，只需这样才干使操作者在最正确的生理及心思形状下任务，使人和机器所组成的人一机系统发扬最正确效能。 以下分别分析设计中思索操作者的生理和心思特点应遵照的根本原那么，它不但是进展创新构造设计的原那么，同时也可为创新构造设计提供启示。对现有机械设备及工具的宜人化改良设计是创新构造设计的一种有效方法。.适宜人的生理特点的构造设计1减少疲劳的设计 人体在操作中靠肌肉的收缩对外做功，做功所需的能量物质糖和氧要依托血液保送到肌肉。假设血液不能保送足够的氧，那么糖会在无氧或缺氧的形状下进展不完全分解，不但释放出的能量少，而且会产生代谢中间产物乳酸。乳酸不易

23、排泄，乳酸在肌肉中的积累会引起肌肉疲劳、疼痛、反响愚钝。长期使某些肌肉处于这种任务形状会对肌肉、肌健、关节及相邻组织呵斥永久性损害，机械设计应防止使操作者在这样的形状下任务。前表所示的几种常用工具改良前的外形由于使某些肌肉处于静态施力形状，不适宜长时间运用，改良后使操作者的手更趋于自然形状，减少或消除了肌肉的静态施力情况，使得长时间运用不易疲劳。 .2容易发力的设计 操作者在操作机器时需求用力，人在处于不同姿态、向不同方向用力时发力才干差别很大。实验阐明人手臂发力才干的普通规律是右手发力大于左手，向下发力大于向上发力，向内大于向外，拉力大于推力，沿手臂方向大于垂直手臂方向。 人以站立姿态操作时

24、手臂所能施加的支配力明显大于坐姿，但是长时间站立容易疲劳，站立操作的动作精度比坐姿操作的精度低。 在设计需求人操作的机器时，首先要选择操作者的操作姿态，普通优先选择坐姿，特别是动作频率高、精度高、动作幅度小的操作，或需求手脚并用的操作。当需求施加较大的支配力，或需求的操作动作范围较大，或因操作空间狭小，无容膝空间时可以选择立姿。支配力的施加方向应选择人容易发力的方向。施力的方式应防止使操作者长时间坚持一种姿态，当操作者必需以不平衡姿态进展操作时应为操作者设置辅助支撑物。 .适宜人的心思特点的构造设计 对复杂的机械设备，操作者要根据设备的运转情况随时对其进展调整，操作者对设备任务情况的正确判别是

25、进展正确的调整操作的根本条件之一。 1减少察看错误的设计 在由人和机器组成的系统中人起着对系统的任务情况进展调理的“调理器的作用，人的正确调理来源于人对机器任务情况的正确了解和判别，所以在人一机系统设计中使操作者可以及时、正确、全面地了解机器的任务情况是非常重要的。 在显示仪表的设计中应使操作者察看方便，察看后容易正确地了解仪表显示的内容，这要经过正确地选择仪表的显示方式、仪表的刻度分布、仪表的摆放位置以及多个仪表的组合实现。 仪表的刻度陈列方向应符合操作者的认读习惯，圆形和半圆形应以顺时针方向为刻度值增大方向，程度直线式应以从左到右的方向为刻度值增大方向，垂直直线式应以从下到上的方向为刻度值

26、增大方向。 仪表摆放位置的选择应以方便认读为规范。实验证明当视距为 80 cm时程度方向最正确认读区域在200范围内，超越240后正确认读时间显著增大；垂直方向的最正确认读区域为程度方向与程度线以下150范围内。重要的仪表应摆放在视区中心，相关的仪表应分组集中摆放，有固定运用顺序的仪表应按运用顺序摆放。 . 2减少操作错误的设计 人在了解机器任务情况的前提下经过操作对机器的任务进展必要的调整，使其在更符合操作者意图的形状下任务。人经过控制器对机器进展调整，经过反响信息了解调整的效果。控制器的设计应使操作者在较少视觉协助或无视觉协助下可以迅速准确地分辨出所需的控制器，在正确了解机器任务情况的根底

27、上对机器做出适当的调整。 首先应使操作者分辨出所需的控制器。 经过控制器的大小来分辨不同的控制器也是一种常用的方法。为能准确地分辨出不同的控制器，应使不同的控制器之间的尺寸差别足够明显。实验阐明旋钮直径差为125 mm，厚度差为 10 mm时，人可以经过触觉准确地分辨。 控制器的操作应有一定的阻力，操作阻力可以为操作过程提供反响信息，提高操作过程的稳定性和准确性，并可防止因无意碰撞引起的错误操作。 为减少操作错误，控制器的设计还要思索与显示器的关系。 .4.6.2 绿色设计1资料选择低能耗、低本钱、低污染，好回收2延伸运用寿命恢复任务形状3可装配设计装配工具空间4回收设计容易分别骨架油封骨架位

28、置5包装设计包装资料4.6 引入新的设计理念.4.6.3 方便装配的设计1防止装配错误4.6 引入新的设计理念. 例如下图的两个圆柱销的外形尺寸完全一样，只是资料及热处置方式不同，这在装配过程中无论是人或是自动化的机器都很难区别，装错的能够性极大。假设改为图b的构造，使两个零件的外形尺寸有明显的差别，使得错误的装配不能实现，这就防止了发生装配错误的能够性。 .4.6.3 方便装配的设计2减少装配维修难度4.6 引入新的设计理念.4.6.3 方便装配的设计2减少装配维修难度4.6 引入新的设计理念 机械设备中的某些零部件由于资料或构造的关系运用寿命较低，这些零部件在设备的运用周期内需求多次改换，

29、构造设计中要思索这些易损零件改换的能够性和方便程度。例如V带传动中带的设计寿命较低，需求经常改换。V带是无故带，假设将带轮设置在两固定支点间，那么每次改换带时都需求装配并挪动支点，为此通常将带轮设置在轴的悬臂端 。 图中所示的弹性套柱 销联轴器的弹性元件由于运用 橡胶资料所以寿命较低，联轴 器两端通常联接较大设备，改换弹性元件时很难挪动这些设备，构造设计时应为弹性元件的装配和装配留有必要的空间。 .4.6.3 方便装配的设计3装配关系独立4.6 引入新的设计理念 在机械设计中很多设计参数是依托调整过程实现的，当对机器进展维修时要破坏某些经过调整的装配关系，维修后需求重新调整这些参数，这就添加了维修任务的难度。构造设计中应减少维修任务中对已有装配关系的破坏，使维修更容易进展。 图中所示轴承座构造的装配关系不独立，改换轴承时不但需求破坏轴承盖与轴承座的装配关系，而且需求破坏轴承座与机体的装配关系。图b的构造中轴承座与机体的装配关系和轴承盖与轴承座的装配关系相互独立，改换轴承时不需求破坏轴承座与机体的装配关系。.1方便装卡 大量的零件要经过机械切削加工工艺过程，多数机械