09机械创新设计第7章

1结构既是机器内部诸构件之间的相互联系与秩序、相互作用的形式和方式，也是指零件的几何形态与视觉效果；前者在机构方案创新设计中已经得到解决，这里主要研究零件的几何形态设计与相互联系。结构设计是将机构方案设计中的杆具体化，同时，选择零件的材料、计算零部件的强度、确定公差与配合，以便为制造与装配提供完整的图纸与说明信息。零部件几何形态的三维设计不仅要满足使用性能，而且要考虑加工、装配与视觉效果；零部件几何形态的外观设计主要是创造一种良好的感官效果；材料的选择主要考虑满足使用性能与价格因素；强度的计算以确保能承受住外负载的作用；公差与配合的选择在满足使用性能的前提下越经济越好。结构设计通常不是一次完成的，结构设计在零部件几何形态的三维设计方面具有很大的创新空间。27.1结构设计的基本要求结构设计的基本要求是满足功能要求、几何形态简单且安全可靠。7.1.1功能明确功能明确是指所选择的结构要达到预期的功能，当功能比较多时，可以将功能分解为若干个子功能，再确定各子功能与结构之间的联系。在轴毂连接中，图7-1(a)所示的设计就没有明确传递扭矩的是键还是圆锥面、毂的轴向定位是轴的阶梯面还是圆锥面。图7-1(b)所示的设计就明确两种功能都是由圆锥面来承担，是一种好的结构。图7-1锥面联接(a)(b)3在组合轴承设计中，图7-2(a)所示的设计是滚针轴承承担径向力、球轴承承受轴向力，实际上，两个轴承都能承受径向力，各自受力大小因两种滚动体不同而不确定，故容易导致轴承过载而损坏。图7-2(b)所示的设计就区分了径向力和轴向力的承受者。图7-2轴承组合(a)(b)4567.1.2结构简单结构简单是指整机、部件与零件的结构在满足总功能的前提下，尽量力求结构形状简单、零部件数量少等，同时尽量采用标准零部件。7.1.3安全可靠安全可靠包括零件的安全、整机的安全、操作的安全与环境的安全。零件的安全指在规定外载荷和规定时间内，零件不发生断裂、过渡变形、过渡磨损，不丧失稳定性；整机的安全指整个技术系统在规定的条件下保证实现总的功能；操作的安全指对操作人员不得产生人身损害；环境的安全指对技术系统的周围环境不造成危害和污染。7符合有限损坏原理当出现功能干扰或零件破坏时，不会使主要部件或整机遭到破坏。8过载保护回路：正常工作时，电磁换向阀1通电，使换向阀2换向，气缸外伸。如果在活塞杆受压的方向发生过载，则顺序阀动作，换向阀3切换，换向阀2的控制气体排出，在弹簧力的作用下换至图示工位，使活塞杆缩回。9冗余配置原理当技术系统发生故障或失效时，会造成人身安全或重大设备事故，为了提高可靠性，常采用重复的备用系统。多点啮合柔性传动多个小功率驱动器各自通过超越离合器，共同驱动一个重型机构，俗称“多马拉车”。多点啮合柔性传动飞机襟翼操纵机构10双手操作回路是使用两个启动用的手动换向阀，只有同时按下两个阀时气缸才动作，起到安全保护作用。应用在冲床、锻压机床上，对操作人员的手起保护作用。11结构设计的基本原理主要体现在任务分配原理、自补偿原理、力传递原理、变形协调原理、力平衡原理、等强度原理、稳定性原理与噪声降低原理诸方面。遵守这些原理是实现良好的结构设计的基础。7.2.1任务分配原理1）任务分解将任务分解，由不同的结构实现整体功能。12图7-3带轮的安装结构(a)(b)图7-3所示为两种带轮的安装结构，图7-3(a)所示的结构是将弯矩和扭矩同时作用于转轴；图7-3(b)所示的结构将弯矩作用于机架、扭矩作用于转轴，显然，图7-3(b)所示的结构有利于减小轴的尺寸、提高轴的旋转精度。(a)(b)13142）任务合成将任务合成，由同一结构实现不同的功能。图7-4所示的齿式联轴器既实现了转速与转矩的传递，又解决了两端轴线的误差补偿、适应了工作时外载荷引起的轴线变位。图7-4齿式联轴器157.2.2自补偿原理在机械设计中，实现自增强、自平衡是提高机械寿命的有效手段。1）自增强在正常工作状态下，负载效应与初始效应的作用方向相同，总效果变好。图7-5所示为自增强作用的密封装置，压力p使锥面圆盘1更紧密地压在密封2上，这就是利用压力p产生了增强密封的效果。p12图7-5圆盘的密封1617高压容器检孔盖设计1-螺杆；2-盖；3-密封18温度变化、受力、磨损等因素是影响机械结构工作精度的原因。好的结构设计可以减少这些影响。凸轮、移动从动件与摇杆的接触点上都有磨损。图a使得这两处磨损对从动件的运动误差的影响互相叠加；而图b的结构则使得影响互相抵消，从而提高了机构的工作精度。19（a）（b）图7-6齿轮径向力平衡αp1p2pω1ω2O1O2吸油压油p'1p2p1p1p2p2pp'pp'p与为液压力，与与与2）自平衡在正常工作状态下，自平衡是指将工作力对零件的不利影响自我抵消掉。图7-6所示为齿轮泵的径向力平衡问题，在图7-6(a)所示的结构中，与为液压力，与为齿轮啮合力，与为主动齿轮轴承和被动齿轮轴承所承受的径向力，轴承上的径向力未实现平衡，与加快了轴承的磨损；在图7-6(b)所示的结构中，在泵壳或侧板上开有径向力平衡槽，把高压油引到低压区对应的轴上，把低压油引到高压区对应的轴上，轴承上的径向力得到了平衡，延长了轴承的寿命。吸油压油2021图7-7力流路线对结构的影响0.2a(a)FF(b)0.5aaFFa2a(c)FF7.2.3力传递原理机械中的构件与运动副都承受并传递力，力流路线最短、力流转向平缓是减小体积提高寿命的有效方式。1）力流路线最短图7-7所示为实现拉力传递的结构设计，在空间许可的条件下，图7-7(a)所示的结构为力流路线最短、结构尺寸最小。图7-7(b)、(c)所示的结构力流路线都长，故尺寸较大。222）力流转向平缓当结构的断面尺寸发生突然变化时，易引起力流方向的急剧改变，使得力流密度增加，产生应力集中。在结构设计时，应使力流方向变化平缓，以减小应力集中。图7-8所示为轴毂连接，图7-8(a)所示的力流方向变化急剧，A处产生应力集中；图7-8(b)所示的力流方向变化平缓，应力集中较小。图7-8轮与轴联接(b)TT(a)TAT23图7-9两焊接板的变形及应力分布(a)(b)(c)FFτ平均τmaxFFτ平均τmax21压应力拉应力FF1F2F2=FF1=F21τ平均≈τmaxF7.2.4变形协调原理在外载荷作用下，两个相邻零件的联接处，由于各自受力与变形不同，两零件间产生相对变形将引起力流密集形成应力集中。所谓变形协调，就是使相邻零件在外载荷作用下的变形方向相同，并尽可能减小相对变形。图7-9(a)为两板受拉，相对变形较小，符合变形协调原理，应力分布较均匀；图7-9(b)为一板受拉，另一板受压，相对变形较大，变形不协调，应力分布不均匀；图7-9(c)为改进设计，两板改为板厚呈线性变化的斜接口，两板相对变形几乎等于零，应力分布非常均匀。2425图7-10强度(a)(b)(c)(d)FFFF7.2.5等强度原理若一个零件的各处应力相等称为等强度。等强度充分利用了材料的力学性能，是一种好的设计方案。图7-10(a)所示强度不等，而且强度差；图7-10(b)所示强度不等，浪费了材料；图7-10(c)所示适于铸铁的等强度结构，图7-10(d)所示适用于钢的等强度结构。26277.2.6稳定性原理结构的稳定性是指倾翻力被恢复力平衡，系统处于稳定状态。在图7-11中，图7-11(a)所示的活塞易偏斜，是不稳定的结构；图7-11(b)所示的气缸压力能使活塞有恢复到垂直位置的倾向，达到稳定工作状态；图7-11(c)所示的气缸压力达到活塞的下端，活塞不易倾斜；图7-11(d)所示的活塞铰接点达到上端，活塞同样不易倾斜。图7-11保持活塞稳定的结构(a)压力平衡环(b)圆锥形活塞(c)压力囊(d)活塞重心上铰链连接活塞气缸活塞气缸活塞气缸活塞气缸28活塞不稳定和稳定结构7.2.7噪声降低原理噪声对人是有害的，根据JB3774·1—1984《工程机械噪声限值》标准规定，司机位置处的噪声不得大于90dB。机械噪声是由固体振动产生的，因此，减少振动是降低噪声的有效手段。29综合控制噪声的措施1-吸声材料层2-进气口消声器3-柔性管4-吸声屏障5-控制室6-密封门7-隔振垫8-双层密封窑9-具有噪声的设备置于地下10-隔声联接11-振动设备置于分离的基础上307.3结构设计方法结构设计应优先满足功能的需要，其次是形体简单、美观、易于制造、便于装配、受力合理、成本不高等。结构设计的方法有类比方法与计算方法，类比方法只确定零件的几何形态与相对关系；计算方法确定零件的几何尺寸与配合关系。7.3.1类比设计方法图7-12所示为改变阀芯表面的形状而得到不同结构的阀门。图7-12(a)所示为锥形阀，图7-12(b)所示为球形阀，功能基本相同，但因阀体的工作表面形状不同，流体进入阀腔内的流场不同，引起的温升与能量损失也不同，图7-12(b)所示的结构性能优于图7-12(a)的。图7-12不同阀芯的阀门(a)锥形阀(b)球形阀31图7-13所示为改变螺纹作用面位置的圆盘锯联接。图7-13(a)为螺纹在外部，将内外螺纹面互换位置，得图7-13(b)所示的螺纹联接。图7-14所示为改变螺纹作用方式。图7-14(a)所示为单个螺纹联接结构，图7-14(b)所示为多个螺纹联接结构，但功能基本相同。图7-13螺纹作用面的位置变换(a)(b)图7-14螺纹作用方式的变换(a)(b)3233减小球面接触应力的结构设计34357.4降低成本的结构设计机械产品在满足功能和可靠性要求的同时，还要求采用制造成本较低的方法，只有这样，企业才能获得最大的利润。7.4.1减少加工成本的结构设计采用整体结构或一个结构多重功能，使零件数量少，加工面少，以减少加工时间与成本。图7-16所示为链轮齿轮结构，图7-16(a)所示链轮与齿轮的组合构造，零件数量多、加工面多、需要组装时间，故加工成本高；图7-16(b)所示为整体结构，制造成本明显降低。图7-16链轮齿轮结构(a)(b)36图7-17减少加工量得箱体结构(a)(b)0.80.80.80.8图7-17所示为箱体的结构，图7-17(a)所示的结构加工面大、加工成本高；图7-17(b)所示的结构加工面小、加工成本较低。3738提高机床主轴前端(工作端)的旋转精度是很重要的，两支点轴承的精度对工作端影响的程度不相同。误差为分别为：LaLaLBA'显然支点A的误差对工作端的精度影响较大，支点A的轴承精度选择得比支点B的高一个等级。根据对精度的影响来选择轴承精度39加工孔的布置40避免特殊加工的结构417.4.2减少装配成本的结构设计图7-18所示为三套凸轮机构的协同工作，图7-18(a)为分体式凸轮轴，图7-18(b)为整体式凸轮轴，显然，整体式凸轮轴比分体式凸轮轴的装配成本低。图7-18分体式凸轮轴与整体式凸轮轴(a)(b)42避免误装配的结构设计43降低装配难度的结构设计44装配关系独立的结构设计457.4.3采用快速装拆的结构设计图7-19所示为球面端盖的开启结构，图7-19(a)所示采用螺栓联接结构，装拆费时，端盖各处受力不均匀；图7-19(b)所示采用快速装拆结构，装卸迅速，受力均衡，密封可靠。图7-19快速装拆端盖1—连接环；2—横梁；3—手柄镙杆213h4647