《機械創新設計》任務一機構結構設計的基本要求

項目七結構創新設計（一）結構設計的基本要求1.生產上適用

滿足主要機械功能要求，在技術上的具體化。如工作原理的實現、工作的可靠性、工藝、材料和裝配等方面。2.質量上可靠

兼顧各種要求和限制，提高產品的質量和性能價格比，它是現代工程設計的特征。具體為操作、美觀、成本、安全、環保等眾多其它要求和限制。在現代設計中，質量設計相當重要，往往決定產品的質量，是現代機械設計的關鍵所在。3.技術上先進

用結構設計變元等方法系統地構造優化設計空間，用創造性設計思維方法和其它科學方法進行優選和創新。（二）結構設計的原則1.改善力學性能的結構設計原則根據受力大小、方向及對機構的具體要求，合理選擇構件材料。選擇適當的橫截面形狀及尺寸。結構化的構件要滿足強度、剛度等要求，符合安全性與可靠性指標。（1）載荷分擔原則如果同一零件同時承擔多種載荷的作用，則可考慮將這些載荷分別有不同的零件來承擔，這樣有利于提高機械結構的承載能力。如圖2-7-2所示，可利用銷、套筒、鍵來承受橫向剪力。圖2-7-2

螺栓聯接中的抗剪元件（二）結構設計的原則（2）載荷均布原則在確定工作的載荷大小情況下，考慮通過在結構上均勻分布載荷，盡量避免集中，來提高承載能力。如圖2-7-3所示，作用在簡支梁上的均布載荷比集中載荷產生的最大彎矩小得多。圖2-7-3

簡支梁受力分析（二）結構設計的原則（3）載荷平衡原則在力的傳遞過程中，一些機械結構常常不可避免的出現不做功的附加力，例如斜齒輪嚙合的軸向力，產生摩擦的正壓力，往復和旋轉運動的慣性力等，這些對結構功能毫無作用的附加力加大了結構的負載，降低了機械結構的承載能力，應使這些附加力在同一零件內與其他同類載荷構成平衡力系，使其他零件不受這些載荷的影響，有利于提高結構的承載能力，可通過引入平衡件或對稱安裝的方式實現（如圖2-7-4所示），也可在設計中采取結構措施或動平衡的方法。

a)改進前

b)改進后

圖2-7-4

斜齒輪嚙合自平衡方法（二）結構設計的原則（4）減小應力集中原則應力集中是承受交變應力的結構承載能力的重要因素，結構設計應設法緩解應力集中。如圖2-7-5所示，鍵槽與軸肩處都存在應力集中，二者應避免距離過近，以免造成應力疊加。a)較差結構b)改進結構圖2-7-5避免多個應力集中源疊加（二）結構設計的原則（5）提高接觸強度原則提高高副接觸強度有兩個途徑：一是減小接觸處的分布載荷，一是增大兩接觸零件在接觸部位的綜合曲率半徑。（6）提高剛度原則在進行結構設計時，在不增加零件質量的前提下，要盡量提高零件結構的剛度。（7）變形協調原則一個零件和另一個零件相接觸，當在接觸處難以同步變形時，零件間的接觸區域里應力會急劇上升，應盡量使兩零件在接觸區域里同步變形，降低應力集中的影響。（8）等強度原則一般機械設計中的強度要求是零件中最大工作應力應等于或小于材料許用應力，這樣材料并未得到充分利用，最理想的設計是應力處處相等，同時達到材料的許用應力值。工程中大量出現的等截面梁就是按照等強度原則來設計的，比如搖臂鉆的橫臂，汽車用的板簧和階梯軸等，如圖2-7-6所示。a)搖臂鉆

b)板簧

c)階梯軸圖2-7-6

等強度設計（二）結構設計的原則2.改善制造工藝性的結構設計原則工藝過程要合理。一般可選型材、鑄件、鍛件等進行機械加工，且有良好的結構工藝性。（1）切削件結構設計原則在進行切削件結構設計時，要注意工件要可靠夾緊，盡量減少加工余量，便于退刀，避免斜面開孔等問題。（2）鑄件結構設計原則在進行鑄件結構設計時，要注意鑄件要壁厚均勻，能自由收縮，受力狀態良好，同時要便于模具制造。（3）焊接件結構設計原則焊接時，要避免產生高應力區，避免焊縫重疊，焊縫根部優先受壓，避免產生尖角，焊接結構盡量對稱性，焊接量盡可能少。（4）鍛件結構設計原則鍛模分界面合理，避免尖銳棱角，方便鍛造，便于后續加工。（5）薄壁件結構設計原則在進行薄壁件結構設計時，要注意薄壁件要形狀簡單，節省材料，避免過窄結構，強度和剛度穩定等。（6）其它有關改善制造工藝性的結構設計原則，還有鉚焊件的結構設計，工程塑料零件的結構設計及機械零件修配的結構設計等，這里不在闡述，有興趣可以查閱相關資料。（二）結構設計的原則3.提高精度的結構設計原則機械結構設計必須服從現代機器儀器的高精度原則，改善結構設計，可以減小由于加工、裝配、調整產生的誤差和使用中的磨損、彈性變形、熱變形等產生的誤差，即減小系統對各項誤差的敏感程度，從而提高產品質量。提高精度的結構設計方法有：（1）誤差合理配置；（2）誤差校正與補償；（3）采用誤差較小的近似機構；（4）采用合理的公差要求。（二）結構設計的原則4.改善裝配精度的結構設計原則要考慮到與其它構件的可聯接性及聯接特點。構件之間不能發生運動干涉現象。（1）方便轉運原則自動化制造系統中，將零部件從庫存運送到裝配現場是裝備過程中常見的工序，常采用的輸送設備是輸送帶。對此工序的要求就是避免零部件套勾、連在一起，使機器人無法分離，避免結構的重心偏高，不便于自動輸送。機構設計時，還應考慮留有抓舉面，能抓緊工件，同時又不損傷工作面。（2）方便定位原則機械結構設計時，應能實現自動定位。（3）方便裝配原則裝配至少要求工具能方便的到達，裝配位置且要有足夠的操作空間（如圖2-7-7所示），人工裝配時，還要求視線可及。有多個裝配面時，應盡量避免多個裝配面同時裝配。（4）便于拆卸原則符合裝配要求的結構設計應便于拆卸。（二）結構設計的原則5.宜人化結構設計原則機械結構設計應從人機工程學角度出發，機械結構應便于操作者使用、操作、維護。（1）易于發力的結構，減輕操作者疲勞設計與操作有關的結構時應考慮操作者的受力狀態，避免使肌肉處于靜態肌肉施力狀態。圖2-7-8b）所示為錘子手柄的改進結構，長期使用不易疲勞。（二）結構設計的原則（2）減少誤觀察、誤操作的結構機械產品上儀器儀表的造型和排列應符合顯示器的功能特點和人的視覺特性，盡量減少誤讀，不同形式刻度盤誤讀率比較如表2-7-1所示；操作器的造型設計和排列也應有助于操作人員的分辨及使用，如圖2-7-9所示，常見的手柄結構有利于操作者操作。（3）考慮環境影響的結構設計機械產品時必須考慮防噪及降噪、工作環境光線及溫度調節等問題，使勞動者在一個比較舒適的環境中工作，提高勞動效率。6.其他機械結構設計原則除了上述機械結構設計原則外，還有一些其他要求，比如機械結構應能減輕腐蝕，應符合材料熱脹冷縮性質等。《機械創新設計》任務二常用運動副的結構與創新設計

項目七結構創新設計（一）運動副的結構設計常見的運動副包括低副和高副，低副又分為移動副和轉動副。運動副的結構對機械性能和使用壽命有很大影響，因此應合理設計運動副的結構。下面介紹幾種常見運動副的結構設計。1.移動副的結構設計

移動副的設計比較復雜，可以用高副式的移動副，也可用低副式的移動副。圖2-7-11a）為常見移動副簡圖，圖2-7-11b）為雙矩形移動副示意圖，圖2-7-11c）為雙三角形移動副示意圖，圖2-7-11d）為矩形-三角形移動副示意圖，圖2-7-11e）為燕尾型移動副示意圖，圖2-7-11f）為燕尾形-三角形移動副示意圖。c）d）e）f）圖2-7-11常見移動副結構示意圖a）

b)（一）運動副的結構設計2.轉動副的結構設計

轉動副是機械中常見的運動副，可使用滾動軸承或滑動軸承來實現構件相對轉動，減小摩擦阻力，提高機械效率。圖2-7-12a）為常見轉動副簡圖，圖2-7-12b）為滾動軸承轉動副示意圖，圖2-7-12c）為滑動軸承轉動副示意圖。a）b）c）圖2-7-12常見轉動副結構示意圖（一）運動副的結構設計3.高副的結構設計齒輪副、凸輪副是比較常見的高副，其中齒輪副設計主要是齒輪的設計，齒輪結構設計好了，齒輪副也就確定了；對凸輪副設計，需要根據具體情況，對凸輪機構的壓力角、凸輪基圓半徑、滾子半徑等進行嚴格的設計。比如，對于滾子從動件盤形凸輪機構，如果設計內凹的凸輪，不管滾子半徑多大，總能由理論輪廓得到實際輪廓（見圖2-7-13a）；如果設計外凸的凸輪，當凸輪理論廓線曲率半徑大于滾子半徑，可以得到平滑的實際凸輪廓線（見圖2-7-13b），當凸輪理論廓線曲率半徑等于或小于滾子半徑，可以得到實際凸輪廓線就會變尖或交叉（見圖2-7-13c、d），這樣的設計不可行。a）b）c）d）

a-實際廓線曲率半徑

-理論廓線曲率半徑

rr-滾子半徑圖2-7-13滾子半徑的選擇（二）運動副的演化與變異改變機構中運動副的形式，可演化成不同運動性能的機構。運動副的變換方式有很多種，常用的有運動副尺寸變換、運動副元素的接觸性質變換和運動副元素的形狀變換。1.運動副的尺寸變換主要是指轉動副和移動副的尺寸增大。1)轉動副的擴大——主要指組成轉動副的銷軸和銷軸孔在直徑尺寸上的增大，但各構件之間的相對運動關系并沒有發生改變，隨著轉動副的擴大，構件形狀也發生了變異，當轉動副連續擴大后可展直為移動副，由此可演化出新機構。如圖2-7-14所示，對于鉸鏈四桿機構，通過擴大轉動副D尺寸，并將構件3截割成滑塊形狀，該機構就演變成了曲柄滑塊機構，然后再使構件3的尺寸變長，即DC變長，則圓弧槽的半徑也隨之增大，到DC趨近于無窮大時，圓弧槽演變為直槽，該機構變成偏心曲柄滑塊機構。a）

b）

c）圖2-7-14

轉動副擴大實例（二）運動副的演化與變異2)移動副的擴大——主要是指組成移動副的滑塊與導路尺寸的變大，增大后的滑塊和導路到把機構中其它運動副包含其中，而不改變構件間的相對運動關系。圖示2-7-15為沖壓機構，移動副擴大，將轉動副A、B及C均包括在其中。曲柄1通過連桿2帶動沖頭3作上下往復移動，實現沖壓動作。將連桿頭處設計成曲面形，使其與滑塊內空間的m-n段圓弧形狀相吻合，用于提高機構的剛度與穩定性。圖2-7-15

移動副擴大實例（二）運動副的演化與變異2.運動副元素的接觸性質變換低副元素的接觸性質為面接觸，是滑動摩擦。高副元素的接觸性質是點或線接觸，既有滾動摩擦，又有滑動摩擦。滑動摩擦會加劇運動副元素的磨損，降低了機械傳動效率和傳動精度，減少了運動副使用壽命。在設計運動副結構時可用滾動接觸代替滑動接觸。(1)移動副——把組成移動副元素之一的滑塊結構形狀改變成可轉動的滾子形，這樣使原始機構中導路與滑塊的結構形式，演變為導路與滾子結構形式。(2)轉動副——把組成轉動副的銷軸和銷軸孔之間增設若干個滾動體，使滑動接觸變成滾動接觸。比如滾動軸承。(3)高副——在凸輪高副中，把從動件與凸輪接觸處設計成可轉動的滾子形；在槽輪高副中，把撥銷設計成可轉動的滾子形。這樣接觸性質由滑動摩擦變為滾動摩擦，可減小摩擦磨損。（二）運動副的演化與變異3.運動副元素的形狀變換(1)平面低副轉動副元素可通過形狀變換形成移動副，變換過程參見圖2-7-14。移動副進行形狀變換時，可先將滑動接觸轉變為滾動接觸后，然后再改變移動副元素的形狀，比如改變導軌的形狀等，從而實現特殊的運動規律。圖2-7-16所示機構是一個較簡單的克服死點機構。曲柄末端帶有小滾子，滑塊上導向槽做成曲線形的，當滑塊作為主動件往復移動時，利用滾滑副的導向作用，使機構克服死點位置，完成曲柄的轉動。(2)平面高副平面高副元素通過形狀變換，可得到具有不同功能的平面高副，此外還可改善高副機構的各種性能，如受力狀態、接觸強度、運動及動力特性等。平面高副元素的各種形狀可看作是由凸輪高副變異而來，而凸輪機構又可以看成是由楔塊機構變異而來的，見圖2-7-17所示。

圖2-7-16無死點的曲柄滑塊機構

圖2-7-17楔塊機構變異（二）運動副的演化與變異(3)螺旋副——由互相旋合的螺桿和螺母組成，相對運動為螺紋運動。螺紋剖面形狀有矩形、梯形、鋸齒形和三角形等，可用于傳動、聯結等。利用螺旋副旋轉推進工作原理，通過變換螺桿或螺母形狀，可以制成螺旋輸送器，比如各種螺桿泵、擠出機等機械設備。具體的變換方法是，螺桿的剖面形狀設計成一個有利于推進流體或粉狀物料的葉片形狀，將其放在密閉圓筒狀容器內。螺桿旋轉時，物料（物料相當于螺母）就會沿著螺桿的方向前進。圖2-7-19所示就是一種螺旋推進器的示意圖。圖2-7-19螺旋推進器《機械創新設計》任務三構件的創新設計

項目七結構創新設計（一）常用構件的結構設計1.桿件類構件的結構設計桿件類構件是長時間連續動作機械的重要組件，常見的桿件有曲柄、搖桿、連桿等（見圖2-7-21），其結構簡單且易于制造，具體結構可根據桿件系統的要求確定。通常有桿件類構件組成的機械系統性能比較可靠，但其運動狀態的分析比較麻煩。圖2-7-21曲柄連桿機構（一）常用構件的結構設計2.齒輪類構件的結構設計齒輪用在相鄰的軸間運動和動力的傳遞上，精度、強度高、互換性好，傳動比準確，應用廣泛。齒輪的種類很多，有圓柱齒輪、錐齒輪、齒條、蝸輪、蝸桿、擺線齒輪等多種形式，但其結構化設計的原理基本相同。以圓柱齒輪為例說明。當齒輪較小時，可將齒輪與軸做成一體式的齒輪軸（見圖2-7-22a）；齒輪不大時，可做成盤狀實心齒輪（見圖2-7-22b）；當齒輪較大時，可以做成腹板式齒輪，為減輕重量，可在腹板處開孔（見圖2-7-22c）；齒輪很大時，可以做成輪輻式齒輪（見圖2-7-22d）。圖2-7-22齒輪結構示意圖（一）常用構件的結構設計3.凸輪類構件的結構設計凸輪是一個具有曲線輪廓或凹槽的構件，從動件與凸輪輪廓直接接觸，來傳遞動力和實現各種復雜的運動規律，其結構簡單、緊湊，廣泛應用于各種自動機械、儀器和操縱控制裝置。凸輪的類型主要有盤形凸輪、移動凸輪、圓柱凸輪及圓錐凸輪。凸輪類構件的結構設計與從動件的形狀、鎖合方式、加工方法及凸輪的尺寸有密切關系。如凸輪的基圓半徑較小，采用彈簧鎖合時，常做成凸輪軸形狀（如圖2-7-23a）；如凸輪的基圓半徑較大，可做成盤狀凸輪，通過鍵與轉軸連接。如果采用形鎖合，可做成具有端面溝槽狀輪廓的結構形式（見圖2-7-23b），或把從動件做成封閉狀結構形式（見圖2-7-23c）。圖2-7-23形鎖合凸輪的結構示意圖（一）常用構件的結構設計4.塊狀類構件的結構設計塊狀類構件大都是做移動的構件，如滑塊、搖塊等，其結構、形狀與運動副的結構有關。圖2-7-24a）為雙滑塊機構，兩個滑塊的形狀各不相同。圖2-7-24b）為搖塊機構，搖塊3的結構如圖所示。圖2-7-24塊狀類構件結構（二）常用構件的演化與變異通過機構構件的演化與變異，可以改善機構的運動性能、受力狀態，提高構件強度或剛度，構型出新機構，實現一些新功能。常用的演化變異方法有：構件運動性質演化變異、改變構件的結構形狀與尺寸、增加輔助機構等。1.構件運動性質演化變異作往復運動的構件，可利用改變其運動性質，改變構件的形狀以實現機構變異，從而演化出新的機構。如圖2-7-25a）所示的曲柄滑塊機構機構，用移動副代替轉動副C，改變構件2和構件3的形狀，就變成了圖2-7-25b）所示的雙滑塊機構。再改變構件3的形狀，雙滑塊機構就變成移動導桿機構了，如圖2-7-25c）所示。

圖2-7-25曲柄滑塊機構變異為移動導桿機構（二）常用構件的演化與變異改變凸輪作定軸轉動的運動性質，使凸輪相對于機架既轉動又移動，則從動件實現凸輪的運動和自身相對于凸輪的運動這兩項運動的合成，從而實現行程的增大。圖2-7-26a）所示一種壓力角沒有增加，凸輪尺寸也沒有加大，而推桿行程增大的凸輪機構。其具體工作原理是：在凸輪軸1上套著一個既可借助于導向鍵A軸向移動又可轉動的端面凸輪，端面凸輪的上端與從動桿4上的滾輪接觸，下端則與固定滾輪3接觸。凸輪轉動時，從動件的升程是兩升程之和，一是凸輪2相對于固定滾子3的升程，另一項是從動件4相對于凸輪2的升程，從而可獲得較大的升程。圖2-7-26b）所示也是一種增程凸輪機構。轉塊1固定在軸A上，轉塊1裝在凸輪4的導軌槽內，凸輪4兩端凸出部分分別與移動滾子2與固定滾子3接觸。當轉塊1順時針轉動時，凸輪4的突出輪廓與固定滾子3接觸，并克服重力使凸輪4向上移動，推動移動滾子2移動，同時，移動滾子2又因與凸輪的突出輪廓接觸而產生移動，兩項移動量之和為從動件的最終行程。圖2-7-26增程凸輪機構（二）常用構件的演化與變異2.構件的結構形狀和尺寸變化改變構件的形狀、尺寸等形態，可派生出不同的結構方案。例如把平帶傳動改成V帶傳動，把滾動軸承的球形滾動體變成圓柱滾動體等屬于改變構件形狀；增大齒輪模數、增加軸徑等屬于改變構件尺寸。改變構件的結構形狀可以解決機構運動不確定和機構因結構原因無法正常運動問題。下面舉例說明。(1)曲柄搖桿機構的變異曲柄搖桿機構運動到四個構件為一直線時，機構處于死點位置，造成機構運動不確定。可行的一個辦法是改變構件的形狀。