机械创新设计 课件 模块二 项目七 结构创新设计 课件

《机械创新设计》任务一机构结构设计的基本要求

项目七结构创新设计（一）结构设计的基本要求1.生产上适用

满足主要机械功能要求，在技术上的具体化。如工作原理的实现、工作的可靠性、工艺、材料和装配等方面。2.质量上可靠

兼顾各种要求和限制，提高产品的质量和性能价格比，它是现代工程设计的特征。具体为操作、美观、成本、安全、环保等众多其它要求和限制。在现代设计中，质量设计相当重要，往往决定产品的质量，是现代机械设计的关键所在。3.技术上先进

用结构设计变元等方法系统地构造优化设计空间，用创造性设计思维方法和其它科学方法进行优选和创新。（二）结构设计的原则1.改善力学性能的结构设计原则根据受力大小、方向及对机构的具体要求，合理选择构件材料。选择适当的横截面形状及尺寸。结构化的构件要满足强度、刚度等要求，符合安全性与可靠性指标。（1）载荷分担原则如果同一零件同时承担多种载荷的作用，则可考虑将这些载荷分别有不同的零件来承担，这样有利于提高机械结构的承载能力。如图2-7-2所示，可利用销、套筒、键来承受横向剪力。图2-7-2

螺栓联接中的抗剪元件（二）结构设计的原则（2）载荷均布原则在确定工作的载荷大小情况下，考虑通过在结构上均匀分布载荷，尽量避免集中，来提高承载能力。如图2-7-3所示，作用在简支梁上的均布载荷比集中载荷产生的最大弯矩小得多。图2-7-3

简支梁受力分析（二）结构设计的原则（3）载荷平衡原则在力的传递过程中，一些机械结构常常不可避免的出现不做功的附加力，例如斜齿轮啮合的轴向力，产生摩擦的正压力，往复和旋转运动的惯性力等，这些对结构功能毫无作用的附加力加大了结构的负载，降低了机械结构的承载能力，应使这些附加力在同一零件内与其他同类载荷构成平衡力系，使其他零件不受这些载荷的影响，有利于提高结构的承载能力，可通过引入平衡件或对称安装的方式实现（如图2-7-4所示），也可在设计中采取结构措施或动平衡的方法。

a)改进前

b)改进后

图2-7-4

斜齿轮啮合自平衡方法（二）结构设计的原则（4）减小应力集中原则应力集中是承受交变应力的结构承载能力的重要因素，结构设计应设法缓解应力集中。如图2-7-5所示，键槽与轴肩处都存在应力集中，二者应避免距离过近，以免造成应力叠加。a)较差结构b)改进结构图2-7-5避免多个应力集中源叠加（二）结构设计的原则（5）提高接触强度原则提高高副接触强度有两个途径：一是减小接触处的分布载荷，一是增大两接触零件在接触部位的综合曲率半径。（6）提高刚度原则在进行结构设计时，在不增加零件质量的前提下，要尽量提高零件结构的刚度。（7）变形协调原则一个零件和另一个零件相接触，当在接触处难以同步变形时，零件间的接触区域里应力会急剧上升，应尽量使两零件在接触区域里同步变形，降低应力集中的影响。（8）等强度原则一般机械设计中的强度要求是零件中最大工作应力应等于或小于材料许用应力，这样材料并未得到充分利用，最理想的设计是应力处处相等，同时达到材料的许用应力值。工程中大量出现的等截面梁就是按照等强度原则来设计的，比如摇臂钻的横臂，汽车用的板簧和阶梯轴等，如图2-7-6所示。a)摇臂钻

b)板簧

c)阶梯轴图2-7-6

等强度设计（二）结构设计的原则2.改善制造工艺性的结构设计原则工艺过程要合理。一般可选型材、铸件、锻件等进行机械加工，且有良好的结构工艺性。（1）切削件结构设计原则在进行切削件结构设计时，要注意工件要可靠夹紧，尽量减少加工余量，便于退刀，避免斜面开孔等问题。（2）铸件结构设计原则在进行铸件结构设计时，要注意铸件要壁厚均匀，能自由收缩，受力状态良好，同时要便于模具制造。（3）焊接件结构设计原则焊接时，要避免产生高应力区，避免焊缝重叠，焊缝根部优先受压，避免产生尖角，焊接结构尽量对称性，焊接量尽可能少。（4）锻件结构设计原则锻模分界面合理，避免尖锐棱角，方便锻造，便于后续加工。（5）薄壁件结构设计原则在进行薄壁件结构设计时，要注意薄壁件要形状简单，节省材料，避免过窄结构，强度和刚度稳定等。（6）其它有关改善制造工艺性的结构设计原则，还有铆焊件的结构设计，工程塑料零件的结构设计及机械零件修配的结构设计等，这里不在阐述，有兴趣可以查阅相关资料。（二）结构设计的原则3.提高精度的结构设计原则机械结构设计必须服从现代机器仪器的高精度原则，改善结构设计，可以减小由于加工、装配、调整产生的误差和使用中的磨损、弹性变形、热变形等产生的误差，即减小系统对各项误差的敏感程度，从而提高产品质量。提高精度的结构设计方法有：（1）误差合理配置；（2）误差校正与补偿；（3）采用误差较小的近似机构；（4）采用合理的公差要求。（二）结构设计的原则4.改善装配精度的结构设计原则要考虑到与其它构件的可联接性及联接特点。构件之间不能发生运动干涉现象。（1）方便转运原则自动化制造系统中，将零部件从库存运送到装配现场是装备过程中常见的工序，常采用的输送设备是输送带。对此工序的要求就是避免零部件套勾、连在一起，使机器人无法分离，避免结构的重心偏高，不便于自动输送。机构设计时，还应考虑留有抓举面，能抓紧工件，同时又不损伤工作面。（2）方便定位原则机械结构设计时，应能实现自动定位。（3）方便装配原则装配至少要求工具能方便的到达，装配位置且要有足够的操作空间（如图2-7-7所示），人工装配时，还要求视线可及。有多个装配面时，应尽量避免多个装配面同时装配。（4）便于拆卸原则符合装配要求的结构设计应便于拆卸。（二）结构设计的原则5.宜人化结构设计原则机械结构设计应从人机工程学角度出发，机械结构应便于操作者使用、操作、维护。（1）易于发力的结构，减轻操作者疲劳设计与操作有关的结构时应考虑操作者的受力状态，避免使肌肉处于静态肌肉施力状态。图2-7-8b）所示为锤子手柄的改进结构，长期使用不易疲劳。（二）结构设计的原则（2）减少误观察、误操作的结构机械产品上仪器仪表的造型和排列应符合显示器的功能特点和人的视觉特性，尽量减少误读，不同形式刻度盘误读率比较如表2-7-1所示；操作器的造型设计和排列也应有助于操作人员的分辨及使用，如图2-7-9所示，常见的手柄结构有利于操作者操作。（3）考虑环境影响的结构设计机械产品时必须考虑防噪及降噪、工作环境光线及温度调节等问题，使劳动者在一个比较舒适的环境中工作，提高劳动效率。6.其他机械结构设计原则除了上述机械结构设计原则外，还有一些其他要求，比如机械结构应能减轻腐蚀，应符合材料热胀冷缩性质等。《机械创新设计》任务二常用运动副的结构与创新设计

项目七结构创新设计（一）运动副的结构设计常见的运动副包括低副和高副，低副又分为移动副和转动副。运动副的结构对机械性能和使用寿命有很大影响，因此应合理设计运动副的结构。下面介绍几种常见运动副的结构设计。1.移动副的结构设计

移动副的设计比较复杂，可以用高副式的移动副，也可用低副式的移动副。图2-7-11a）为常见移动副简图，图2-7-11b）为双矩形移动副示意图，图2-7-11c）为双三角形移动副示意图，图2-7-11d）为矩形-三角形移动副示意图，图2-7-11e）为燕尾型移动副示意图，图2-7-11f）为燕尾形-三角形移动副示意图。c）d）e）f）图2-7-11常见移动副结构示意图a）

b)（一）运动副的结构设计2.转动副的结构设计

转动副是机械中常见的运动副，可使用滚动轴承或滑动轴承来实现构件相对转动，减小摩擦阻力，提高机械效率。图2-7-12a）为常见转动副简图，图2-7-12b）为滚动轴承转动副示意图，图2-7-12c）为滑动轴承转动副示意图。a）b）c）图2-7-12常见转动副结构示意图（一）运动副的结构设计3.高副的结构设计齿轮副、凸轮副是比较常见的高副，其中齿轮副设计主要是齿轮的设计，齿轮结构设计好了，齿轮副也就确定了；对凸轮副设计，需要根据具体情况，对凸轮机构的压力角、凸轮基圆半径、滚子半径等进行严格的设计。比如，对于滚子从动件盘形凸轮机构，如果设计内凹的凸轮，不管滚子半径多大，总能由理论轮廓得到实际轮廓（见图2-7-13a）；如果设计外凸的凸轮，当凸轮理论廓线曲率半径大于滚子半径，可以得到平滑的实际凸轮廓线（见图2-7-13b），当凸轮理论廓线曲率半径等于或小于滚子半径，可以得到实际凸轮廓线就会变尖或交叉（见图2-7-13c、d），这样的设计不可行。a）b）c）d）

a-实际廓线曲率半径

-理论廓线曲率半径

rr-滚子半径图2-7-13滚子半径的选择（二）运动副的演化与变异改变机构中运动副的形式，可演化成不同运动性能的机构。运动副的变换方式有很多种，常用的有运动副尺寸变换、运动副元素的接触性质变换和运动副元素的形状变换。1.运动副的尺寸变换主要是指转动副和移动副的尺寸增大。1)转动副的扩大——主要指组成转动副的销轴和销轴孔在直径尺寸上的增大，但各构件之间的相对运动关系并没有发生改变，随着转动副的扩大，构件形状也发生了变异，当转动副连续扩大后可展直为移动副，由此可演化出新机构。如图2-7-14所示，对于铰链四杆机构，通过扩大转动副D尺寸，并将构件3截割成滑块形状，该机构就演变成了曲柄滑块机构，然后再使构件3的尺寸变长，即DC变长，则圆弧槽的半径也随之增大，到DC趋近于无穷大时，圆弧槽演变为直槽，该机构变成偏心曲柄滑块机构。a）

b）

c）图2-7-14

转动副扩大实例（二）运动副的演化与变异2)移动副的扩大——主要是指组成移动副的滑块与导路尺寸的变大，增大后的滑块和导路到把机构中其它运动副包含其中，而不改变构件间的相对运动关系。图示2-7-15为冲压机构，移动副扩大，将转动副A、B及C均包括在其中。曲柄1通过连杆2带动冲头3作上下往复移动，实现冲压动作。将连杆头处设计成曲面形，使其与滑块内空间的m-n段圆弧形状相吻合，用于提高机构的刚度与稳定性。图2-7-15

移动副扩大实例（二）运动副的演化与变异2.运动副元素的接触性质变换低副元素的接触性质为面接触，是滑动摩擦。高副元素的接触性质是点或线接触，既有滚动摩擦，又有滑动摩擦。滑动摩擦会加剧运动副元素的磨损，降低了机械传动效率和传动精度，减少了运动副使用寿命。在设计运动副结构时可用滚动接触代替滑动接触。(1)移动副——把组成移动副元素之一的滑块结构形状改变成可转动的滚子形，这样使原始机构中导路与滑块的结构形式，演变为导路与滚子结构形式。(2)转动副——把组成转动副的销轴和销轴孔之间增设若干个滚动体，使滑动接触变成滚动接触。比如滚动轴承。(3)高副——在凸轮高副中，把从动件与凸轮接触处设计成可转动的滚子形；在槽轮高副中，把拨销设计成可转动的滚子形。这样接触性质由滑动摩擦变为滚动摩擦，可减小摩擦磨损。（二）运动副的演化与变异3.运动副元素的形状变换(1)平面低副转动副元素可通过形状变换形成移动副，变换过程参见图2-7-14。移动副进行形状变换时，可先将滑动接触转变为滚动接触后，然后再改变移动副元素的形状，比如改变导轨的形状等，从而实现特殊的运动规律。图2-7-16所示机构是一个较简单的克服死点机构。曲柄末端带有小滚子，滑块上导向槽做成曲线形的，当滑块作为主动件往复移动时，利用滚滑副的导向作用，使机构克服死点位置，完成曲柄的转动。(2)平面高副平面高副元素通过形状变换，可得到具有不同功能的平面高副，此外还可改善高副机构的各种性能，如受力状态、接触强度、运动及动力特性等。平面高副元素的各种形状可看作是由凸轮高副变异而来，而凸轮机构又可以看成是由楔块机构变异而来的，见图2-7-17所示。

图2-7-16无死点的曲柄滑块机构

图2-7-17楔块机构变异（二）运动副的演化与变异(3)螺旋副——由互相旋合的螺杆和螺母组成，相对运动为螺纹运动。螺纹剖面形状有矩形、梯形、锯齿形和三角形等，可用于传动、联结等。利用螺旋副旋转推进工作原理，通过变换螺杆或螺母形状，可以制成螺旋输送器，比如各种螺杆泵、挤出机等机械设备。具体的变换方法是，螺杆的剖面形状设计成一个有利于推进流体或粉状物料的叶片形状，将其放在密闭圆筒状容器内。螺杆旋转时，物料（物料相当于螺母）就会沿着螺杆的方向前进。图2-7-19所示就是一种螺旋推进器的示意图。图2-7-19螺旋推进器《机械创新设计》任务三构件的创新设计

项目七结构创新设计（一）常用构件的结构设计1.杆件类构件的结构设计杆件类构件是长时间连续动作机械的重要组件，常见的杆件有曲柄、摇杆、连杆等（见图2-7-21），其结构简单且易于制造，具体结构可根据杆件系统的要求确定。通常有杆件类构件组成的机械系统性能比较可靠，但其运动状态的分析比较麻烦。图2-7-21曲柄连杆机构（一）常用构件的结构设计2.齿轮类构件的结构设计齿轮用在相邻的轴间运动和动力的传递上，精度、强度高、互换性好，传动比准确，应用广泛。齿轮的种类很多，有圆柱齿轮、锥齿轮、齿条、蜗轮、蜗杆、摆线齿轮等多种形式，但其结构化设计的原理基本相同。以圆柱齿轮为例说明。当齿轮较小时，可将齿轮与轴做成一体式的齿轮轴（见图2-7-22a）；齿轮不大时，可做成盘状实心齿轮（见图2-7-22b）；当齿轮较大时，可以做成腹板式齿轮，为减轻重量，可在腹板处开孔（见图2-7-22c）；齿轮很大时，可以做成轮辐式齿轮（见图2-7-22d）。图2-7-22齿轮结构示意图（一）常用构件的结构设计3.凸轮类构件的结构设计凸轮是一个具有曲线轮廓或凹槽的构件，从动件与凸轮轮廓直接接触，来传递动力和实现各种复杂的运动规律，其结构简单、紧凑，广泛应用于各种自动机械、仪器和操纵控制装置。凸轮的类型主要有盘形凸轮、移动凸轮、圆柱凸轮及圆锥凸轮。凸轮类构件的结构设计与从动件的形状、锁合方式、加工方法及凸轮的尺寸有密切关系。如凸轮的基圆半径较小，采用弹簧锁合时，常做成凸轮轴形状（如图2-7-23a）；如凸轮的基圆半径较大，可做成盘状凸轮，通过键与转轴连接。如果采用形锁合，可做成具有端面沟槽状轮廓的结构形式（见图2-7-23b），或把从动件做成封闭状结构形式（见图2-7-23c）。图2-7-23形锁合凸轮的结构示意图（一）常用构件的结构设计4.块状类构件的结构设计块状类构件大都是做移动的构件，如滑块、摇块等，其结构、形状与运动副的结构有关。图2-7-24a）为双滑块机构，两个滑块的形状各不相同。图2-7-24b）为摇块机构，摇块3的结构如图所示。图2-7-24块状类构件结构（二）常用构件的演化与变异通过机构构件的演化与变异，可以改善机构的运动性能、受力状态，提高构件强度或刚度，构型出新机构，实现一些新功能。常用的演化变异方法有：构件运动性质演化变异、改变构件的结构形状与尺寸、增加辅助机构等。1.构件运动性质演化变异作往复运动的构件，可利用改变其运动性质，改变构件的形状以实现机构变异，从而演化出新的机构。如图2-7-25a）所示的曲柄滑块机构机构，用移动副代替转动副C，改变构件2和构件3的形状，就变成了图2-7-25b）所示的双滑块机构。再改变构件3的形状，双滑块机构就变成移动导杆机构了，如图2-7-25c）所示。

图2-7-25曲柄滑块机构变异为移动导杆机构（二）常用构件的演化与变异改变凸轮作定轴转动的运动性质，使凸轮相对于机架既转动又移动，则从动件实现凸轮的运动和自身相对于凸轮的运动这两项运动的合成，从而实现行程的增大。图2-7-26a）所示一种压力角没有增加，凸轮尺寸也没有加大，而推杆行程增大的凸轮机构。其具体工作原理是：在凸轮轴1上套着一个既可借助于导向键A轴向移动又可转动的端面凸轮，端面凸轮的上端与从动杆4上的滚轮接触，下端则与固定滚轮3接触。凸轮转动时，从动件的升程是两升程之和，一是凸轮2相对于固定滚子3的升程，另一项是从动件4相对于凸轮2的升程，从而可获得较大的升程。图2-7-26b）所示也是一种增程凸轮机构。转块1固定在轴A上，转块1装在凸轮4的导轨槽内，凸轮4两端凸出部分分别与移动滚子2与固定滚子3接触。当转块1顺时针转动时，凸轮4的突出轮廓与固定滚子3接触，并克服重力使凸轮4向上移动，推动移动滚子2移动，同时，移动滚子2又因与凸轮的突出轮廓接触而产生移动，两项移动量之和为从动件的最终行程。图2-7-26增程凸轮机构（二）常用构件的演化与变异2.构件的结构形状和尺寸变化改变构件的形状、尺寸等形态，可派生出不同的结构方案。例如把平带传动改成V带传动，把滚动轴承的球形滚动体变成圆柱滚动体等属于改变构件形状；增大齿轮模数、增加轴径等属于改变构件尺寸。改变构件的结构形状可以解决机构运动不确定和机构因结构原因无法正常运动问题。下面举例说明。(1)曲柄摇杆机构的变异曲柄摇杆机构运动到四个构件为一直线时，机构处于死点位置，造成机构运动不确定。可行的一个办法是改变构件的形状。