第八章机械的结构创新

第八章机械的结构创新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，即满足同一结构设计的任务是在众多的可行结构方案中寻求好的或最好的方案。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。得到一个可行的结构方案不难，最好的方案不易。§8.1结构变异创新设计方法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——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——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。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。一、工作表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。通过对这几个方面参数的变异，可以得到多组构型方案。例如：要实现用弹簧产生的（弹）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多种方案。导向结构导向结构绳索摇杆摇杆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、数量和位置可以得到螺钉头的多种设计方案。图所示有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。手机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，有人做出三角形按键的手机面板设计，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，由于采用这种方法，使最小宽度缩小为24mm，比原方案减小29%。在图中所示的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b所示，则可以有效地改善导轨的润滑状况。含油位置变换二、轴毂连接结构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—滑动联接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—转动联接和第四种情况—移动、转动联接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。形锁合力锁合材料的变异——在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，对联轴器的工作性能也有很大的影响。可选作弹性元件的材料有金属、橡胶、尼龙、胶木等。套筒联轴器——刚性——精度高三、联轴器连接方式变异形状变异§8.2结构组合创新设计一、同类组合——双人自行车——双体船——多楔带——大尺寸螺钉预紧二、异类组合——多头螺丝刀——组合机床三、功能附加组合——自行车—货架+车筐+车灯+后视镜四、材料组合——V带多种材料组合——钢筋+水泥+沙子—建筑材料一、弹性（柔性）结构无摩擦、无间隙，运动精度高§8.3引入新的结构元素对于需要经常拆卸的零部件结构不但应使联接可靠，还应使拆卸操作尽量方便。为使联接具有一定的使用寿命，应使联接结构在安装和拆卸过程中的磨损尽量小。为保护人类赖以生存和发展的世界环境，近年来兴起的绿色设计理念也要求人们使用的各种设施和装备不但在使用期内能满足人们对它的各种功能要求，而且在报废后能方便地将其拆卸分解，以利于各种有用成分的回收再利用，减少对环境的破坏。近年来在设计中越来越多的被采用的快动联接结构较好地满足了这些要求。二、快速联接结构快动联接结构通过零件的弹性变形达到联接的目的，结构简单，便于操作。如图所示为螺纹联接结构（图a）和经改进的快动联接结构（图b）对照图。快动联接结构要求联接件具有较好的弹性，多采用塑料或薄钢板材料，如采用其他材料应通过合理的结构设计减小联接件的刚度，图所示的即为一组这样的结构。三、组合结构组合结构是指通过合理的结构设计，将多个零件的功能组合到一个零件上，起到减少零件数量，便于装配，降低成本的目的。为防止螺纹联接的松脱，通常需要采取防松措施。弹簧垫圈是一种被广泛应用的放松装置，它需要在安装螺钉或螺母的同时安装弹簧垫圈，图中所示的螺钉集成结构将螺钉、垫片和弹簧垫圈的功能集成在一个零件上，减少了零件数量，方便了装配。图中所示为某包装机中的一个支架构件。图a所示为原设计，由11个零件组成。图b为改进设计，将所有结构组合在一个零件上，零件精密铸造后一次加工成形，大大地节省了加工工时，降低了成本。按通常的结构设计方法，指甲刀应具有图中所示的结构。通过将多个零件的功能集中到少量零件上的组合设计方法，指甲刀改为图b所示结构。图所示为三种自攻螺钉结构。它们或将螺纹与丝锥的结构集成在一起，或将螺纹与钻头的结构集成在一起，使螺纹联接结构的加工和安装更方便。一、宜人化设计——工具改进§8.4引入新的设计理念大多数机器设备要由人操作，在早期的机械设计中设计者认为通过选拔和训练可以使人适应任何复杂的机器设备。随着设计和制造水平的提高，机器的复杂程度、工作速度及其对操作人员的知识和技能水平的要求越来越高，人已经很难适应这样的机器，由于操作不当造成的事故越来越多。据统计，在第二次世界大战期间美国飞机所发生的飞行事故中有90％是由于人为因素造成的。通过这些事实使人们认识到不能要求操作者无限制地适应机器的要求，而应使机器的操作方法适应人的生理和心理特点，只有这样才能使操作者在最佳的生理及心理状态下工作，使人和机器所组成的人一机系统发挥最佳效能。以下分别分析设计中考虑操作者的生理和心理特点应遵循的基本原则，它不但是进行创新结构设计的原则，同时也可为创新结构设计提供启示。对现有机械设备及工具的宜人化改进设计是创新结构设计的一种有效方法。适合人的生理特点的结构设计1．减少疲劳的设计人体在操作中靠肌肉的收缩对外做功，做功所需的能量物质（糖和氧）要依靠血液输送到肌肉。如果血液不能输送足够的氧，则糖会在无氧或缺氧的状态下进行不完全分解，不但释放出的能量少，而且会产生代谢中间产物——乳酸。乳酸不易排泄，乳酸在肌肉中的积累会引起肌肉疲劳、疼痛、反应迟钝。长期使某些肌肉处于这种工作状态会对肌肉、肌健、关节及相邻组织造成永久性损害，机械设计应避免使操作者在这样的状态下工作。前表所示的几种常用工具改进前的形状因为使某些肌肉处于静态施力状态，不适宜长时间使用，改进后使操作者的手更趋于自然状态，减少或消除了肌肉的静态施力状况，使得长时间使用不易疲劳。2.容易发力的设计操作者在操作机器时需要用力，人在处于不同姿势、向不同方向用力时发力能力差别很大。试验表明人手臂发力能力的一般规律是右手发力大于左手，向下发力大于向上发力，向内大于向外，拉力大于推力，沿手臂方向大于垂直手臂方向。人以站立姿势操作时手臂所能施加的操纵力明显大于坐姿，但是长时间站立容易疲劳，站立操作的动作精度比坐姿操作的精度低。在设计需要人操作的机器时，首先要选择操作者的操作姿势，一般优先选择坐姿，特别是动作频率高、精度高、动作幅度小的操作，或需要手脚并用的操作。当需要施加较大的操