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机械创新设计机械工程与自动化学院机械设计系第七章结构方案的创新设计机械结构设计的任务是在总体设计的基础上，根据所确定的原理方案，决定满足功能要求的机械结构，需要决定的内容包括：7.0引言结构的类型和组成，结构中所有零部件的形状、尺寸、位置、数量、材料、热处理方式和表面状况，所确定的结构除应能够实现原理方案所规定的动作要求外，还应能满足设计对结构的强度、刚度、精度、稳定性、工艺性、寿命、可靠性等方面的要求。机械结构设计的重要特征之一是设计问题的多解性，即满足同一设计要求的机械结构并不是唯一的。7.0引言机械结构设计的任务是在众多的可行结构方案中寻求较好的或最好的方案。找出所有的局部最优解，并从中找出全局最优解，得到最好的设计方案。这就需要发挥创造性思维方法的作用。结构方案的变异设计方法使设计者从一个已知的可行结构方案出发，通过变换得到大量的可行方案。7.1结构方案的变异设计通过对这些方案中参数的优化，可以使设计者得到多个局部最优解，再通过对这些局部最优解的分析和比较，就可以得到较优解或全局最优解。变异设计的目的是寻求满足设计要求的独立的设计方案，以便对其进行参数优化设计变异设计的基本方法是首先通过对结构设计方案的分析，得出一般结构设计方案中所包含的技术要素的构成。7.1结构方案的变异设计然后再分析每一个技术要素的取值范围，通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结构设计方案。一般机械结构的技术要素包括零件的几何形状，零件之间的联接和零件的材料及热处理方式。以下分别分析这几个技术要素的变异设计方法。7.1结构方案的变异设计机械结构的功能主要是靠机械零部件的几何形状及各个零部件之间的相对位置关系实现的。7.1.1功能面的变异零件的几何形状由它的表面所构成，一个零件通常有多个表面，在这些表面中与其他零部件相接触的表面，与工作介质或被加工物体相接触的表面称为功能表面。零件的功能表面是决定机械功能的重要因素，功能表面的设计是零部件设计的核心问题。通过对功能表面的变异设计，可以得到为实现同一技术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、尺寸大小、表面数量、位置、顺序等。通过对这几个方面的变异，可以得到多组构型方案。7.1.1功能面的变异7.1.1功能面的变异7.1.1功能面的变异压簧的压缩距离不应过大，否则容易引起弹簧的失稳，如确需使用较大的压缩距离则应设置导向结构。拉簧无失稳问题，设计中受空间约束较少，既可单独使用，也可与摇杆及绳索等配合使用。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。7.1.1功能面的变异机器上的按键外形通常为方形或圆形，这种形状的按键在控制面板上占用较大的面积。7.1.1功能面的变异由于采用三角形按键，使最小宽度缩小为24mm，比原方案减小29％。在包含中间齿轮的直齿圆柱齿轮传动中，中间轴所受合力的大小与三个轴的相对位置有关。7.1.1功能面的变异挺杆2与摇杆1通过一球面相接触，球面在挺杆上。7.1.1功能面的变异将球面改在摇杆上，则接触面上的法线方向始终平行于挺杆轴线方向，不产生横向推力。上方零件为凹形，下方零件为凸形。7.1.1功能面的变异7.1.1功能面的变异曲柄摇杆机构偏心轮机构机构中销孔尺寸变化7.1.1功能面的变异普通电动机中转子和定子的布置直线方向布置直线方向布置的转子和定子再沿另一轴线旋转一个不与其他零部件相接触的零件具有6个自由度，机械设计中通过规定零件之间适当的联接方式限制零件的某些自由度，保留机器的功能所必需的自由度，使机器在工作中能够实现确定形式的运动关系。7.1.2联接的变异联接的作用是通过零件的工作表面与其他零件的相应表面的接触实现的，不同形式的联接由于相接触的工作表面形状不同，表面间所施加的紧固力不同，从而对零件的自由度形成不同的约束。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由度的限制可能有：7.1.2联接的变异1．固定联接，限制6个相对运动自由度。2．滑动联接，限制5个相对运动自由度。3．转动联接，限制5个相对运动自由度。4．移动、转动联接，限制5个相对运动自由度。7.1.2联接的变异3．转动联接，限制5个相对运动自由度。4．移动、转动联接，限制5个相对运动自由度。联接中轴的截面形状必须是圆形由于轮毂要相对于轴移动，所以联接中轴的表面形状必须是柱面(不能是锥面)考虑加工方便和避免产生附加轴向力通常也采用柱面两种联接中的轴表面形状为圆柱面7.1.2联接的变异1．固定联接，限制6个相对运动自由度。2．滑动联接，限制5个相对运动自由度。由于轮毂要相对于轴移动，所以轴表面必须是除完整圆柱面以外的其他柱面，如滑键联接、导键联接。固定式联接，限制条件少，所有满足可加工性和可装配性条件的表面形状都可以作为这种轴毅联接的表面形状。7.1.2联接的变异按照联接中形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表面为非圆形，可以是三角形、正方形、六边形或其他特殊形状表面。7.1.2联接的变异非圆截面加工困难，特别是非圆截面孔加工更困难，所以这些形状的截面实际应用较少。非圆截面通常通过在圆形截面上铣平面、铣槽或钻孔等方法产生，通过变换这些平面、槽或孔的尺寸、数量、在轴段的位置和方向就形成不同形式的轴毅联接。7.1.2联接的变异按照联接中形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。力锁合联接依靠被联接件表面间的压力所派生的摩擦力传递转矩和轴向力，表面间压力的产生可以依靠多种不同的结构措施。过盈配合是一种常用的结构措施，它以最简单的结构形状获得足够的压力，缺点是装配和拆卸都很不方便，并引起较大的应力集中。7.1.2联接的变异常用的形锁合联接有销联接、平键联接、半圆键联接、花键联接、成形联接和切向键联接。7.1.2联接的变异为构造装拆方便的力锁合联接结构必须使联接装配时表面间无过盈，装配后通过其他调整措施使表面间产生过盈，拆卸过程则相反。常用的力锁合联接有楔键联接、弹性环联接、圆柱面过盈联接、圆锥面过盈联接、顶丝联接、容差环联接、星盘联接、压套联接和液压涨套联接等7.1.2联接的变异常用的力锁合联接7.1.3支承的变异轴系的工作性能与它的支承设计的状况和质量密切相关。旋转轴至少需要两个相距一定距离的支点支承，支承的变异设计包括支点位置变异和支点轴承的种类及其组合的变异。7.1.3支承的变异以锥齿轮传动为例分析支点位置变异问题，锥齿轮传动的两轴各有两个支点，每个支点相对于传动零件的位置可以在左侧，也可以在右侧，两个支点的位置可能有3种组合方式:7.1.3支承的变异将两轴的支点位置进行组合得到9种结构方案:7.1.3支承的变异轴上的每个支点除承受径向载荷以外还可能同时承受单向或双向轴向载荷，每个支点承受轴向载荷的方式有4种可能:承受纯径向载荷的支点，可以选用圆柱滚子轴承、滚针轴承、深沟球轴承、调心球轴承或调心滚子轴承。可以选用向心推力轴承如圆锥滚子轴承或角接触球轴承，当轴向力较小时也可以选用深沟球轴承、调心球轴承或调心滚子轴承等向心轴承，也可以采用向心轴承与承受轴向载荷的推力轴承的组合。用一对向心推力轴承面对面或背对背组合使用，可以使用专门型号的双列向心推力轴承7.1.3支承的变异将轴系中两个支点的这4种情况进行组合，得到两支点轴系承受轴向载荷情况的16种方案dmbebeicicdm轴系在两个方向上实现完全定位，在结构设计中应用最普遍使轴系在两个方向上都不定位，称为两端游动轴系结构，这种轴系结构适用于轴系可以通过传动件实现双向轴向定位的场合只用在轴系只可能产生单方向轴向载荷的场合7.1.4材料的变异机械设计中可以选择的材料种类众多，不同的材料具有不同的性能，不同的材料对应不同的加工工艺。结构设计中既要根据功能的要求合理地选择适当的材料，又要根据材料的种类确定适当的加工工艺，并根据加工工艺的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地发挥优势。7.1.4材料的变异设计者要做到正确地选择结构材料就必须充分地了解所选材料的力学性能、加工性能、使用成本等信息。弹性联轴器的设计中需要选择弹性元件的材料，由于所选弹性元件材料的不同，使得联轴器的结构变化很大。可选作弹性元件的材料有金属、橡胶、尼龙、胶木等。7.1.4材料的变异由于弹性元件的寿命短，使用中需多次更换，在结构设计中应为更换弹性元件提供可能和方便，为更换弹性元件留有必要的操作空间，使更换弹性元件所必须拆卸、移动的零件尽量少。7.1.4材料的变异使用不同弹性元件材料的常用弹性联轴器的结构7.1.4材料的变异结构设计中应根据所选材料的特性及其所对应的加工工艺而遵循不同的设计原则。钢材受拉和受压时的力学特性基本相同，因此钢梁结构多为对称结构。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形状，以使承载时最大压应力大于最大拉应力压应力拉应力压应力拉应力7.1.4材料的变异塑料结构的强度较差，螺纹联接件产生的装配力很容易使塑料零件损坏。在两个被联接件上分别做出形状简单的搭钩和凹槽，装配时利用塑料零件弹性变形量大的特点使搭钩与凹槽互相咬合实现联接，装配过程简单准确，便于操作。7.1.4材料的变异设计的结果要通过制造和装配实现，结构设计中如果能根据所选材料的工艺特点合理地确定结构形式则会为制造过程带来方便。钢结构设计中通常通过加大截面尺寸的方法增大结构的强度和刚度。铸造结构中如果壁厚过大则很难保证铸造质量，所以铸造结构通常通过加肋板和隔板的方法加强结构的刚度和强度。7.1.4材料的变异塑料材料由于刚度差，铸造后的冷却不均匀造成的内应力极易引起结构翘曲，所以塑料结构的肋板应与壁厚相近并均匀对称。陶瓷结构的模具成本和烧结工艺成本远大于材料成本，所以陶瓷结构设计中为使结构简单，通常不考虑节省材料的原则。7.1.4材料的变异例7-1棘轮机构的变异设计分析棘爪头部的平面与棘轮齿形平面互相接触，是棘轮机构的功能面。7.1.4材料的变异例7-1棘轮机构的变异设计分析通过变换功能面的形状方案a和方案c用于单向传动方案b可用于双向传动功能面能承担较大的载荷，应用较普遍，但承载能力对制造误差较敏感。7.1.4材料的变异例7-1棘轮机构的变异设计分析通过变换功能面的数量通过减小轮齿尺寸使轮齿的齿数增多，由于齿数增加使传动的最小反应角度减小，传动精度提高c和d通过两个棘爪同时受力的方法提高了承载能力。方案b不改变棘轮的形状，而通过增加棘爪数量的方法起到在不降低承载能力的前提下提高传动精度的作用；7.1.4材料的变异例7-1棘轮机构的变异设计分析通过变换功能面的位置内棘轮结构，通过将棘爪设置在棘轮内的方法减小了结构尺寸轴向棘轮结构，这种结构只有在空间条件允许的条件下才能应用7.1.4材料的变异例7-2铰链节叉的变异铰链的一种装配结构铰链的一种装配结构7.1.4材料的变异例7-2铰链节叉的变异铰链的一种装配结构采用铸造毛坯时的不同结构方案a和b的外形简单容易造型，c和d的外形结构较复杂，但较省材料，而且各部分壁厚较均匀，容易保证铸造质量。7.1.4材料的变异例7-2铰链节叉的变异铰链的一种装配结构采用整体材料以切削方法成形时的不同结构方案用于单件或小批量生产的情况。下排的几种结构虽然具有较轻的重量，但并不节省材料，而且增大切削加工的工作量。7.1.4材料的变异例7-2铰链节叉的变异铰链的一种装配结构使用薄板冲压毛坯的不同结构方案冲压结构具有重量轻、节省材料和大批量生产成本低的优点，特别适合于生产批量较大的场合。包含较小的弯曲半径，容易引起裂纹和榴皱在条件允许时应尽量采用较大的弯曲半径7.1.4材料的变异例7-2铰链节叉的变异铰链的一种装配结构使用板材经焊接成形的结构适用于结构尺寸较大，而且批量较小的情况。a的焊口只起联接作用，基本不承担载荷；其余几种结构的焊口都要承担工作载荷，因此对焊接质量要求较高；方案c的焊口较长，焊接成本高；方案d中的底板在焊接中容易翘曲，影响焊接质量。7.1.4材料的变异例7-2铰链节叉的变异铰