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第7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。结构设计是机械设计中涉及问题最多、最具体、工作量最大的工作阶段。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，结构设计中得到一个可行的结构方案一般并不很难，然而，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。现有的数学分析方法能够使我们从一个可行方案出发在一个单峰区间内寻求到局部最优解，但是，并不能使我们遍历全部的可行区域，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。结构方案的创新设计7．1结构方案的变异设计7．2提高性能的设计7．3结构的宜人化设计7．4新型结构设计7．1结构方案的变异设计创造性思维在机械结构设计中的重要应用之一就是结构方案的变异设计方法。它能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。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，通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，通过优化得到全局最优解的可能性就越大。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，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。变异设计的目的是为设计提供大量的可供选择的设计方案，使设计者可以在其中进行评价、比较和选择，并进行参数优化。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。7．1．1.功能面的变异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。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。例如要实现用弹簧产生的压紧力压紧某零件，使其保持确定位置。设计时可以选择的弹簧类型有拉簧、压簧、扭簧、板簧，被压紧的零件形状可以有平面、圆柱面、球面、螺旋面，通过对这些因素的组合可以得到如表7—l所示的多种方案。其中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，拉簧因无失稳问题，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。螺钉用于联接时需要通过螺钉头部对其进行拧紧，而变换旋拧功能面的形状、数量和位置（内外）可以得到螺钉头的多种设计方案。图7－l所示有12种方案，其中前三种头部结构使用一般扳手拧紧，可获得较大的预紧力，但不同的头部形状所需的最小工作空间（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，使用方便；第6、7、8种方案的扳手作用在螺钉头的内表面，可使螺纹联接件表面整齐美观；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形状，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形状的设计方案，实际上所有的可加工表面都是可选方案，只是不同的头部形状需要用不同的专用工具拧紧，在设计新的螺钉头部形状方案时要同时考虑拧紧工具的形状和操作方法。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。为减小电话手机的体积，有人做出如图7-2所示的手机面板设计，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，则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，使最小宽度缩小为24mm，比原反案减小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。用中间轴所受合力的大小，用Fn表示齿轮啮合处的法向力大小，用α表示齿轮的压力角，则中间轴所受合力关系曲线如图7-3所示。通过合理地选择中间齿轮的位置可以使中间轴及其轴承的受力减小，甚至使其受力为零。在图7－4a所示的结构中，挺杆2与摇杆1通过一球面相接触，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，这种横向推力需要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，这种反力产生的摩擦力的数值会超过球面接触点的有效轴向推力，因而造成挺杆运动卡死。如果将球面改在摇杆上，如图7一4b所示，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。在图7—5a所示的V形导轨结构中，上方零件为凹形，下方零件为凸形，在重力作用下摩擦表面上的润滑剂会自然流失，如果改变凸凹零件的位置，使上方零件为凸形，下方零件为凹形，如图7－5b所示，则可以有效地改善导轨的润滑状况。图7－6a所示为曲柄摇杆机构，若使机构中销孔尺寸变化，图a中的曲柄摇杆机构演变为图b所示的偏心轮机构。普通电动机中转子和定子的布置方式如图7－7a所示，将沿圆周布置的转子和定于改变为沿直线方向布置（图b），则旋转电机演变为直线电机，如使沿直线方向布置的转子和定于再沿另一轴线（与旋转电机轴线方向相垂直）旋转，则直线电机演变为圆筒形直线电机(图c)7．1．2联接的变异机器中的零部件通过各种各样的联接组成完整的机器。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。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，不具有相对运动自由度，通常的轴毂联接多为这种情况，这种轴毂联接需要限制6个相对运动自由度。2．滑动联接，联接后轮毂可在轴上滑动，其他相对运动自由度被限制。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。这种轴毂联接需要限制5个相对运动自由度。3．转动联接，联接后轮毂可在轴上绕轴线转动，其他相对运动自由度被限制。例如齿轮箱中为解决润滑问题设置的油轮与固定心轴的联接就属于这种情况。这种轴毂联接也需要限制5个相对运动自由度。4．移动、转动联接，联接后轮毂在轴上既可以移动，又可以绕轴线转动，其他相对运动自由度被限制。这种联接应用较少，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。这种轴毂联接需要限制4个相对运动自由度。第一种情况为固定式联接，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毂联接的表面形状，通过变换用以限制零件间相对运动自由度的方法和结构要素可以得到多种轴毂联接方式。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，可以是如图7—8所示的三角形、正方形、六边形或其他特殊形状表面，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，所以这些形状的截面实际应用较少。由于圆形截面加工较容易，所以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毂联接。第二种情况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，通过改变轴的截面形状可以形成不同的联接形式，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。第三种情况和第四种情况的联接中由于轮毂要相对于轴转动，所以联接中轴的截面形状必须是圆形，第四种情况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），第三种情况下考虑加工方便和避免产生附加轴向力通常也采用柱面，综合这两点分析，这两种联接中的轴表面形状为圆柱面。7．1．3支承的变异轴系的支承结构是一类典型结构，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。以锥齿轮传动（两轴夹角为900）为例分析支点位置变异问题（以下假设为滚动轴承轴系），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，如图7—10所示。将两轴的支点位置进行组合可以得到9种结构方案，如图7－11所示。这9种方案中除最后一种方案在结构安排上有困难以外，其余8种均被采用。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，如图7－12所示。在单个支点的4种受力情况中每一种情况都可以通过多种不同类型的轴承或轴承组合实现，例如情况a为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。对于情况b和c既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（如推力球轴承、推力滚子轴承）的组合。对于情况d可以采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，当轴向载荷较小时可以采用有一定轴向承载能力的向心轴承如深沟球轴承、调心球轴承或调心滚子轴承，也可以采用向心轴承与承受双向轴向载荷的推力轴承的组合，当转速较高时也可以选用具有较高极限转速的深沟球轴承取代双向推力轴承使用。图7-11锥齿轮传动轴系支点位置变异将轴系中两个支点的这4种情况进行组合，可得到两支点轴系承受轴向载荷情况的16种方案，如图7一13所示。其中方案g、h、j、l、n、o、p为过定位方案，实际不被采用，其余的9种方案中方案b和方案e，方案i和方案c，方案d和方案m分别为对称方案，余下的6种方案均在不同场合被采用。在这六种方案中方案d．f及k使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，方案d称为单支点双向固定结构，方案f和方案k称为双支点单向固定结构；方案a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（如人字齿轮或双斜齿轮传动）；方案b和c都使轴系单方向定位，这种轴系结构应用较少，只用在轴系只可能产生单方向轴向载荷的场合（如重力载荷，在这种应用场合中通常也要求轴系双向定位）。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。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。例如在弹性联轴器的设计中需要选择