机械创新设计第章

17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。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。27.1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。7.1.1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)3

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)所示的设计就区分了径向力和轴向力的承受者。图7-2轴承组合(a)

(b)4567.1.2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。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。7

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。8

过载保护回路：正常工作时，电磁换向阀1通电，使换向阀2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3切换，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，使活塞杆缩回。9

冗余配置原理

当技术系统发生故障或失效时，会造成人身安全或重大设备事故，为了提高可靠性，常采用重复的备用系统。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，共同驱动一个重型机构，俗称“多马拉车”。多点啮合柔性传动飞机襟翼操纵机构10

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。117.2结构设计基基本原理结构设计的的基本原理理主要体现现在任务分分配原理、、自补偿原原理、力传传递原理、、变形协调调原理、力力平衡原理理、等强度度原理、稳稳定性原理理与噪声降降低原理诸诸方面。遵遵守这些原原理是实现现良好的结结构设计的的基础。7.2.1任务分配原原理1）任务务分解解将任务务分解解，由由不同同的结结构实实现整整体功功能。。12图7-3带轮的的安装装结构构(a)(b)图7-3所示为为两种种带轮轮的安安装结结构，，图7-3(a)所示的的结构构是将将弯矩矩和扭扭矩同同时作作用于于转轴轴；图7-3(b)所示的的结构构将弯弯矩作作用于于机架架、扭扭矩作作用于于转轴轴，显显然，，图7-3(b)所示的的结构构有利利于减减小轴轴的尺尺寸、、提高高轴的的旋转转精度度。(a)(b)13142）任务务合成成将任务务合成成，由由同一一结构构实现现不同同的功功能。。图7-4所示的的齿式式联轴轴器既既实现现了转转速与与转矩矩的传传递，，又解解决了了两端端轴线线的误误差补补偿、、适应应了工工作时时外载载荷引引起的的轴线线变位位。图7-4齿式联联轴器器157.2.2自补偿偿原理理在机械械设计计中，，实现现自增增强、、自平平衡是是提高高机械械寿命命的有有效手手段。。1）自增增强在正常常工作作状态态下，，负载载效应应与初初始效效应的的作用用方向向相同同，总总效果果变好好。图图7-5所示为为自增增强作作用的的密封封装置置，压压力p使锥面面圆盘盘1更紧密密地压压在密密封2上，这这就是是利用用压力力p产生了了增强强密封封的效效果。。p12图7-5圆盘的密封1617高压容容器检检孔盖盖设计计1-螺杆；；2-盖；3-密封18温度变变化、、受力力、磨磨损等等因素素是影影响机机械结结构工工作精精度的的原因因。好的结结构设设计可可以减减少这这些影影响。。凸轮、、移动动从动动件与与摇杆杆的接接触点点上都都有磨磨损。。图a使得这这两处处磨损损对从从动件件的运运动误误差的的影响响互相相叠加加；而图b的结构构则使使得影影响互互相抵抵消，，从而而提高高了机机构的的工作作精度度。19（a）（（b）图7-6齿轮径径向力力平衡衡αp1p2pω1ω2O1O2吸油压油p'与为液压压力，，与与与2）自平平衡在正常常工作作状态态下，，自平平衡是是指将将工作作力对对零件件的不不利影影响自自我抵抵消掉掉。图7-6所示为为齿轮轮泵的的径向向力平平衡问问题，，在图7-6(a)所示的的结构构中，，与为为液压压力，，与为为齿轮轮啮合合力，，与为为主动动齿轮轮轴承承和被被动齿齿轮轴轴承所所承受受的径径向力力，轴轴承上上的径径向力力未实实现平平衡，，与加加快了了轴承承的磨磨损；；在图7-6(b)所示的的结构构中，，在泵泵壳或或侧板板上开开有径径向力力平衡衡槽，，把高高压油油引到到低压压区对对应的的轴上上，把把低压压油引引到高高压区区对应应的轴轴上，，轴承承上的的径向向力得得到了了平衡衡，延延长了了轴承承的寿寿命。。吸油压油2021图7-7力流路路线对对结构构的影影响0.2a(a)FF(b)0.5aaFFa2a(c)FF7.2.3力传递递原理理机械中中的构构件与与运动动副都都承受受并传传递力力，力力流路路线最最短、、力流流转向向平缓缓是减减小体体积提提高寿寿命的的有效效方式式。1）力流路路线最最短图7-7所示为为实现现拉力力传递递的结结构设设计，，在空空间许许可的的条件件下，，图7-7(a)所示的的结构构为力力流路路线最最短、、结构构尺寸寸最小小。图7-7(b)、(c)所示的的结构构力流流路线线都长长，故故尺寸寸较大大。222）力流流转向向平缓缓当结构构的断断面尺尺寸发发生突突然变变化时时，易易引起起力流流方向向的急急剧改改变，，使得得力流流密度度增加加，产产生应应力集集中。。在结构构设计计时，，应使使力流流方向向变化化平缓缓，以以减小小应力力集中中。图7-8所示为为轴毂毂连接接，图图7-8(a)所示的的力流流方向向变化化急剧剧，A处产生生应力力集中中；图7-8(b)所示的的力流流方向向变化化平缓缓，应应力集集中较较小。。图7-8轮与轴轴联接接(b)TT(a)TAT23图7-9两焊接接板的的变形形及应应力分分布(a)(b)(c)FFτ平均τmaxFFτ平均τmax21压应力拉应力FF1F2F2=FF1=F21τ平均≈τmaxF7.2.4变形协协调原原理在外载载荷作作用下下，两两个相相邻零零件的的联接接处，，由于于各自自受力力与变变形不不同，，两零零件间间产生生相对对变形形将引引起力力流密密集形形成应应力集集中。。所所谓变变形协协调，，就是是使相相邻零零件在在外载载荷作作用下下的变变形方方向相相同，，并尽尽可能能减小小相对对变形形。图7-9(a)为两板板受拉拉，相相对变变形较较小，，符合合变形形协调调原理理，应应力分分布较较均匀匀；图图7-9(b)为一板板受拉拉，另另一板板受压压，相相对变变形较较大，，变形形不协协调，，应力力分布布不均均匀；；图7-9(c)为改进进设计计，两两板改改为板板厚呈呈线性性变化化的斜斜接口口，两两板相相对变变形几几乎等等于零零，应应力分分布非非常均均匀。。2425图7-10强度(a)(b)(c)(d)FFFF7.2.5等强度度原理理若一个个零件件的各各处应应力相相等称称为等等强度度。等等强度度充分分利用用了材材料的的力学学性能能，是是一种种好的的设计计方案案。图7-10(a)所示强强度不不等，，而且且强度度差；；图7-10(b)所示强强度不不等，，浪费费了材材料；；图7-10(c)所示适适于铸铸铁的的等强强度结结构，，图7-10(d)所示适适用于于钢的的等强强度结结构。。26277.2.6稳定性性原理理结构的的稳定定性是是指倾倾翻力力被恢恢复力力平衡衡，系系统处处于稳稳定状状态。。在图7-11中，图图7-11(a)所示示的的活活塞塞易易偏偏斜斜，，是是不不稳稳定定的的结结构构；；图7-11(b)所示示的的气气缸缸压压力力能能使使活活塞塞有有恢恢复复到到垂垂直直位位置置的的倾倾向向，，达达到到稳稳定定工工作作状状态态；；图7-11(c)所示示的的气气缸缸压压力力达达到到活活塞塞的的下下端端，，活活塞塞不不易易倾倾斜斜；；图7-11(d)所示示的的活活塞塞铰铰接接点点达达到到上上端端，，活活塞塞同同样样不不易易倾倾斜斜。。图7-11保持持活活塞塞稳稳定定的的结结构构(a)压力力平平衡衡环环(b)圆锥锥形形活活塞塞(c)压力力囊囊(d)活塞塞重重心心上上铰铰链链连连接接活塞气缸活塞气缸活塞气缸活塞气缸28活塞塞不不稳稳定定和和稳稳定定结结构构7.2.7噪声声降降低低原原理理噪声声对对人人是是有有害害的的，，根根据据JB3774··1——1984《《工程程机机械械噪噪声声限限值值》标准准规规定定，，司司机机位位置置处处的的噪噪声声不不得得大大于于90dB。机械械噪噪声声是是由由固固体体振振动动产产生生的的，，因因此此，，减减少少振振动动是是降降低低噪噪声声的的有有效效手手段段。。29综合合控控制制噪噪声声的的措措施施1-吸声声材材料料层层2-进气气口口消消声声器器3-柔性性管管4-吸声声屏屏障障5-控制制室室6-密封封门门7-隔振振垫垫8-双层层密密封封窑窑9-具有有噪噪声声的的设设备备置置于于地地下下10-隔声声联联接接11-振动动设设备备置置于于分分离离的的基基础础上上307.3结构构设设计计方方法法结构构设设计计应应优优先先满满足足功功能能的的需需要要，，其其次次是是形形体体简简单单、、美美观观、、易易于于制制造造、、便便于于装装配配、、受受力力合合理理、、成成本本不不高高等等。。结结构构设设计计的的方方法法有有类类比比方方法法与与计计算算方方法法，，类类比比方方法法只只确确定定零零件件的的几几何何形形态态与与相相对对关关系系；；计计算算方方法法确确定定零零件件的的几几何何尺尺寸寸与与配配合合关关系系。。7.3.1类比设设计方方法图7-12所示为为改变变阀芯芯表面面的形形状而而得到到不同同结构构的阀阀门。。图7-12(a)所示为为锥形形阀，，图7-12(b)所示为为球形形阀，，功能能基本本相同同，但但因阀阀体的的工作作表面面形状状不同同，流流体进进入阀阀腔内内的流流场不不同，，引起起的温温升与与能量量损失失也不不同，，图7-12(b)所示的的结构构性能能优于于图7-12(a)的。图7-12不同阀阀芯的的阀门门(a)锥形阀阀(b)球形阀阀31图7-13所示为为改变变螺纹纹作用用面位位置的的圆盘盘锯联联接。。图7-13(a)为螺纹纹在外外部，，将内内外螺螺纹面面互换换位置置，得得图7-13(b)所示的的螺纹纹联接接。图7-14所示为为改变变螺纹纹作用用方式式。图图7-14(a)所示为为单个个螺纹纹联接接结构构，图图7-14(b)所示为为多个个螺纹纹联接接结构构，但但功能能基本本相同同。图7-13螺纹作作用面面的位位置变变换(a)(b)图7-14螺纹作作用方方式的的变换换(a)(b)3233减小球球面接接触应应力的的结构构设计计34357.4降低成成本的的结构构设计计机械产产品在在满足足功能能和可可靠性性要求求的同同时，，还要要求采采用制制造成成本较较低的的方法法，只只有这这样，，企业业才能能获得得最大大的利利润。。7.4.1减少加加工成成本的的结构构设计计采用整整体结结构或或一个个结构构多重重功能能，使使零件件数量量少，，加工工面少少，以以减少少加工工时间间与成成本。。图7-16所示为为链轮轮齿轮轮结构构，图图7-16(a)所示链链轮与与齿轮轮的组组合构构造，，零件件数量量多、、加工工面多多、需需要组组装时时间，，故加加工成成本高高；图图7-16(b)所示为为整体体结构构，制制造成成本明明显降降低。。图7-16链轮齿齿轮结结构(a)(b)36图7-17减少加加工量量得箱箱体结结构(a)(b)0.80.80.80.8图7-17所示为为箱体体的结结构，，图7-17(a)所示的的结构构加工工面大大、加加工成成本高高；图图7-17(b)所示的的结构构加工工面小小、加加工成成本较较低。。3738提高机机床主主轴前前端(工作端端)的旋转转精度度是很很重要要的，，两支点点轴承承的精精度对对工作端端影响的