結構方案創(chuàng)新設計簡介

7結構方案創(chuàng)新設計

結構既是機器內部諸構件之間的相互聯系與秩序、相互作用的形式和方式，也是指零件的幾何形態(tài)與視覺效果；前者在機構方案創(chuàng)新設計中已經得到解決，這里主要研究零件的幾何形態(tài)設計與相互聯系。結構設計是將機構方案設計中的桿具體化，同時，選擇零件的材料、計算零部件的強度、確定公差與配合，以便為制造與裝配提供完整的圖紙與說明信息。零部件幾何形態(tài)的三維設計不僅要滿足使用性能，而且要考慮加工、裝配與視覺效果；零部件幾何形態(tài)的外觀設計主要是創(chuàng)造一種良好的感官效果；材料的選擇主要考慮滿足使用性能與價格因素；強度的計算以確保能承受住外負載的作用；公差與配合的選擇在滿足使用性能的前提下越經濟越好。結構設計通常不是一次完成的，結構設計在零部件幾何形態(tài)的三維設計方面具有很大的創(chuàng)新空間。17.1結構設計的根本要求結構設計的根本要求是滿足功能要求、幾何形態(tài)簡單且平安可靠。7.1.1功能明確功能明確是指所選擇的結構要到達預期的功能，當功能比較多時，可以將功能分解為假設干個子功能，再確定各子功能與結構之間的聯系。在軸轂連接中，圖7-1(a)所示的設計就沒有明確傳遞扭矩的是鍵還是圓錐面、轂的軸向定位是軸的階梯面還是圓錐面。圖7-1(b)所示的設計就明確兩種功能都是由圓錐面來承擔，是一種好的結構。圖7-1錐面聯接(a)

(b)2在組合軸承設計中，圖7-2(a)所示的設計是滾針軸承承擔徑向力、球軸承承受軸向力，實際上，兩個軸承都能承受徑向力，各自受力大小因兩種滾動體不同而不確定，故容易導致軸承過載而損壞。圖7-2(b)所示的設計就區(qū)分了徑向力和軸向力的承受者。圖7-2軸承組合(a)

(b)3457.1.2結構簡單結構簡單是指整機、部件與零件的結構在滿足總功能的前提下，盡量力求結構形狀簡單、零部件數量少等，同時盡量采用標準零部件。7.1.3平安可靠平安可靠包括零件的平安、整機的平安、操作的平安與環(huán)境的平安。零件的平安指在規(guī)定外載荷和規(guī)定時間內，零件不發(fā)生斷裂、過渡變形、過渡磨損，不喪失穩(wěn)定性；整機的平安指整個技術系統(tǒng)在規(guī)定的條件下保證實現總的功能；操作的平安指對操作人員不得產生人身損害；環(huán)境的平安指對技術系統(tǒng)的周圍環(huán)境不造成危害和污染。6

符合有限損壞原理當出現功能干擾或零件破壞時，不會使主要部件或整機遭到破壞。7過載保護回路：正常工作時，電磁換向閥1通電，使換向閥2換向，氣缸外伸。如果在活塞桿受壓的方向發(fā)生過載，那么順序閥動作，換向閥3切換，換向閥2的控制氣體排出，在彈簧力的作用下換至圖示工位，使活塞桿縮回。8冗余配置原理當技術系統(tǒng)發(fā)生故障或失效時，會造成人身平安或重大設備事故，為了提高可靠性，常采用重復的備用系統(tǒng)。多點嚙合柔性傳動多個小功率驅動器各自通過超越離合器，共同驅動一個重型機構，俗稱“多馬拉車〞。多點嚙合柔性傳動飛機襟翼操縱機構9雙手操作回路是使用兩個啟動用的手動換向閥，只有同時按下兩個閥時氣缸才動作，起到平安保護作用。應用在沖床、鍛壓機床上，對操作人員的手起保護作用。107.2結構設計根本原理結構設計的根本原理主要表達在任務分配原理、自補償原理、力傳遞原理、變形協(xié)調原理、力平衡原理、等強度原理、穩(wěn)定性原理與噪聲降低原理諸方面。遵守這些原理是實現良好的結構設計的根底。7.2.1任務分配原理1〕任務分解將任務分解，由不同的結構實現整體功能。11圖7-3帶輪的安裝結構(a)

(b)

圖7-3所示為兩種帶輪的安裝結構，圖7-3(a)所示的結構是將彎矩和扭矩同時作用于轉軸；圖7-3(b)所示的結構將彎矩作用于機架、扭矩作用于轉軸，顯然，圖7-3(b)所示的結構有利于減小軸的尺寸、提高軸的旋轉精度。(a)

(b)12132〕任務合成將任務合成，由同一結構實現不同的功能。圖7-4所示的齒式聯軸器既實現了轉速與轉矩的傳遞，又解決了兩端軸線的誤差補償、適應了工作時外載荷引起的軸線變位。圖7-4齒式聯軸器147.2.2自補償原理在機械設計中，實現自增強、自平衡是提高機械壽命的有效手段。1〕自增強在正常工作狀態(tài)下，負載效應與初始效應的作用方向相同，總效果變好。圖7-5所示為自增強作用的密封裝置，壓力p使錐面圓盤1更緊密地壓在密封2上，這就是利用壓力p產生了增強密封的效果。p12圖7-5圓盤的密封1516高壓容器檢孔蓋設計1-螺桿；2-蓋；3-密封17溫度變化、受力、磨損等因素是影響機械結構工作精度的原因。好的結構設計可以減少這些影響。凸輪、移動從動件與搖桿的接觸點上都有磨損。圖a使得這兩處磨損對從動件的運動誤差的影響互相疊加；而圖b的結構那么使得影響互相抵消，從而提高了機構的工作精度。18〔a〕〔b〕圖7-6齒輪徑向力平衡αp1p2pω1ω2O1O2吸油壓油p'與為液壓力，與與與2〕自平衡在正常工作狀態(tài)下，自平衡是指將工作力對零件的不利影響自我抵消掉。圖7-6所示為齒輪泵的徑向力平衡問題，在圖7-6(a)所示的結構中，與為液壓力，與為齒輪嚙合力，與為主動齒輪軸承和被動齒輪軸承所承受的徑向力，軸承上的徑向力未實現平衡，與加快了軸承的磨損；在圖7-6(b)所示的結構中，在泵殼或側板上開有徑向力平衡槽，把高壓油引到低壓區(qū)對應的軸上，把低壓油引到高壓區(qū)對應的軸上，軸承上的徑向力得到了平衡，延長了軸承的壽命。吸油壓油1920圖7-7力流路線對結構的影響0.2a(a)FF(b)0.5aaFFa2a(c)FF7.2.3力傳遞原理機械中的構件與運動副都承受并傳遞力，力流路線最短、力流轉向平緩是減小體積提高壽命的有效方式。1〕力流路線最短圖7-7所示為實現拉力傳遞的結構設計，在空間許可的條件下，圖7-7(a)所示的結構為力流路線最短、結構尺寸最小。圖7-7(b)、(c)所示的結構力流路線都長，故尺寸較大。212〕力流轉向平緩當結構的斷面尺寸發(fā)生突然變化時，易引起力流方向的急劇改變，使得力流密度增加，產生應力集中。在結構設計時，應使力流方向變化平緩，以減小應力集中。圖7-8所示為軸轂連接，圖7-8(a)所示的力流方向變化急劇，A處產生應力集中；圖7-8(b)所示的力流方向變化平緩，應力集中較小。圖7-8輪與軸聯接(b)TT(a)TAT22圖7-9兩焊接板的變形及應力分布(a)

(b)

(c)FFτ平均τmaxFFτ平均τmax21壓應力拉應力FF1F2F2=FF1=F21τ平均≈τmaxF7.2.4變形協(xié)調原理在外載荷作用下，兩個相鄰零件的聯接處，由于各自受力與變形不同，兩零件間產生相對變形將引起力流密集形成應力集中。所謂變形協(xié)調，就是使相鄰零件在外載荷作用下的變形方向相同，并盡可能減小相對變形。圖7-9(a)為兩板受拉，相對變形較小，符合變形協(xié)調原理，應力分布較均勻；圖7-9(b)為一板受拉，另一板受壓，相對變形較大，變形不協(xié)調，應力分布不均勻；圖7-9(c)為改進設計，兩板改為板厚呈線性變化的斜接口，兩板相對變形幾乎等于零，應力分布非常均勻。2324圖7-10強度(a)(b)(c)(d)FFFF7.2.5等強度原理假設一個零件的各處應力相等稱為等強度。等強度充分利用了材料的力學性能，是一種好的設計方案。圖7-10(a)所示強度不等，而且強度差；圖7-10(b)所示強度不等，浪費了材料；圖7-10(c)所示適于鑄鐵的等強度結構，圖7-10(d)所示適用于鋼的等強度結構。25267.2.6穩(wěn)定性原理結構的穩(wěn)定性是指傾翻力被恢復力平衡，系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。在圖7-11中，圖7-11(a)所示的活塞易偏斜，是不穩(wěn)定的結構；圖7-11(b)所示的氣缸壓力能使活塞有恢復到垂直位置的傾向，到達穩(wěn)定工作狀態(tài)；圖7-11(c)所示的氣缸壓力到達活塞的下端，活塞不易傾斜；圖7-11(d)所示的活塞鉸接點到達上端，活塞同樣不易傾斜。圖7-11保持活塞穩(wěn)定的結構(a)壓力平衡環(huán)(b)圓錐形活塞(c)壓力囊(d)活塞重心上鉸鏈連接活塞氣缸活塞氣缸活塞氣缸活塞氣缸27活塞不穩(wěn)定和穩(wěn)定結構7.2.7噪聲降低原理噪聲對人是有害的，根據JB3774·1—1984?工程機械噪聲限值?標準規(guī)定，司機位置處的噪聲不得大于90dB。機械噪聲是由固體振動產生的，因此，減少振動是降低噪聲的有效手段。28綜合控制噪聲的措施1-吸聲材料層2-進氣口消聲器3-柔性管4-吸聲屏障5-控制室6-密封門7-隔振墊8-雙層密封窯9-具有噪聲的設備置于地下10-隔聲聯接11-振動設備置于別離的根底上297.3結構設計方法結構設計應優(yōu)先滿足功能的需要，其次是形體簡單、美觀、易于制造、便于裝配、受力合理、本錢不高等。結構設計的方法有類比方法與計算方法，類比方法只確定零件的幾何形態(tài)與相對關系；計算方法確定零件的幾何尺寸與配合關系。7.3.1類比設計方法圖7-12所示為改變閥芯外表的形狀而得到不同結構的閥門。圖7-12(a)所示為錐形閥，圖7-12(b)所示為球形閥，功能根本相同，但因閥體的工作外表形狀不同，流體進入閥腔內的流場不同，引起的溫升與能量損失也不同，圖7-12(b)所示的結構性能優(yōu)于圖7-12(a)的。圖7-12不同閥芯的閥門(a)錐形閥

(b)球形閥30圖7-13所示為改變螺紋作用面位置的圓盤鋸聯接。圖7-13(a)為螺紋在外部，將內外螺紋面互換位置，得圖7-13(b)所示的螺紋聯接。圖7-14所示為改變螺紋作用方式。圖7-14(a)所示為單個螺紋聯接結構，圖7-14(b)所示為多個螺紋聯接結構，但功能根本相同。圖7-13螺紋作用面的位置變換(a)

(b)圖7-14螺紋作用方式的變換(a)

(b)

3132減小球面接觸應力的結構設計

33347.4降低本錢的結構設計機械產品在滿足功能和可靠性要求的同時，還要求采用制造本錢較低的方法，只有這樣，企業(yè)才能獲得最大的利潤。7.4.1減少加工本錢的結構設計采用整體結構或一個結構多重功能，使零件數量少，加工面少，以減少加工時間與本錢。圖7-16所示為鏈輪齒輪結構，圖7-16(a)所示鏈輪與齒輪的組合構造，零件數量多、加工面多、需要組裝時間，故加工本錢高；圖7-16(b)所示為整體結構，制造本錢明顯降低。圖7-16鏈輪齒輪結構(a)

(b)

35圖7-17減少加工量得箱體結構(a)

(b)0.80.80.80.8圖7-17所示為箱體的結構，圖7-17(a)所示的結構加工面大、加工本錢高；圖7-17(b)所示的結構加工面小、加工本錢較低。3637

提高機床主軸前端(工作端)的旋轉精度是很重要的，兩支點軸承的精度對工作端影響的程度不相同。誤差為分別為：

顯然支點A的誤差對工作端的精度影響較大，支點A的軸承精度選擇得比支點B的高一個等級。

根據對精度的影響來選擇軸承精度38加工孔的布置39防止特殊加工的結構407.4.2減少裝配本錢的結構設計圖7-18所示為三套凸輪機構的協(xié)同工作，圖7-18(a)為分體式凸輪軸，圖7-18(b)為整體式凸輪軸，顯然，整體式凸輪軸比分