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1、第第7章 机械结构设计与创新章 机械结构设计与创新机械结构设计就是将原理方案进行 结构化机械结构设计就是将原理方案进行 结构化,包括确定结构中构件的材料、形状、尺寸、组成零件数量、加工方 法、装配方法等。包括确定结构中构件的材料、形状、尺寸、组成零件数量、加工方 法、装配方法等。BUCT 机械创新设计机械创新设计第七章 机械结构设计与创新第七章 机械结构设计与创新BUCT 机械创新设计机械创新设计第七章 机械结构设计与创新第七章 机械结构设计与创新关于零部件的结构元素结构元素的变异设计其目的除实现方案功能原理所要求实现的工艺 动 作外，还应满足零部件的强度、刚度、精度、稳 定性、工艺、可靠性、
2、寿命等要求。结构设计是机械设计中涉及问题最多、最具 体、工作量最大的阶段。它具有实践性，细节性，多样性特点BUCT 机械创新设计机械创新设计7.1 机械结构设计的基本要求 7.2 实现零件功能的结构设计与创新 7.3 结构元素的变异与演化 7.4 适应材料性能的结构设计与创新 7.5 方便制造与操作的结构设计与创新 7.6 用模块拼接与结构复用进行结构的创 新7.1 机械结构设计的基本要求 7.2 实现零件功能的结构设计与创新 7.3 结构元素的变异与演化 7.4 适应材料性能的结构设计与创新 7.5 方便制造与操作的结构设计与创新 7.6 用模块拼接与结构复用进行结构的创 新BUCT 机械创
3、新设计机械创新设计7.1 机械结构设计的基本要求7.1 机械结构设计的基本要求 7.1.1满足设计功能要求7.1.1满足设计功能要求 机械结构设计就是将原理设计方案具体 化，即构造一个能够满足功能要求的三维 实体的零部件及其装配关系。各种零件的 结构功能主要有承受载荷、传递运动和动 力，以及保证或保持有关零部件之间的相 对位置或运动轨迹关系等。BUCT 机械创新设计机械创新设计BUCT 机械创新设计机械创新设计7.1.2满足工作可靠性要求7.1.2满足工作可靠性要求 为了保证零件在规定的使用期限内可正 常地实现其功能，在结构设计中应使零部 件的结构受力合理，节省材料，降低危险 截面应力，减少变
4、形，采用可提高零件的 强度、刚度的结构形式，延长使用寿命，满足工作的可靠性要求。7.1.3结构工艺性要求7.1.3结构工艺性要求 1.应使零件形状简单合理，并与所采用的加工方 法相适应；应使零件形状简单合理，并与所采用的加工方 法相适应；2.适应已有的生产条件和批量大小；适应已有的生产条件和批量大小；3.合理选用毛坯类型；合理选用毛坯类型；4.便于切削加工和保证满足热处理的要求；便于切削加工和保证满足热处理的要求；5.满足标准零部件安装的尺寸要求；满足标准零部件安装的尺寸要求；6.便于装配和拆卸，易于维护和修理。便于装配和拆卸，易于维护和修理。BUCT 机械创新设计机械创新设计7.1.4人机学
5、要求 在结构设计中必须考虑使用和安全问 题，应优先采用具有直接(本身)安全作用 的结构方案。此外应使结构造型美观，操 作舒适，有利于环境保护。BUCT 机械创新设计机械创新设计7.2 实现零件功能的结构设计与创新实现零件功能的结构设计与创新7.2.1功能分解：功能分解：指根据零件的功能来构造其形状、位置、数量以指根据零件的功能来构造其形状、位置、数量以指根据零件的功能来构造其形状、位置、数量以 指根据零件的功能来构造其形状、位置、数量以 及连接方式等结构要素及连接方式等结构要素及连接方式等结构要素及连接方式等结构要素指每个零件的每个部位都承担着不同的功能，指每个零件的每个部位都承担着不同的功能
6、，指每个零件的每个部位都承担着不同的功能，指每个零件的每个部位都承担着不同的功能，具有不同的工作原理，若将其分解，细化则会具有不同的工作原理，若将其分解，细化则会具有不同的工作原理，若将其分解，细化则会 具有不同的工作原理，若将其分解，细化则会 更有利于发挥其功能，开发新功能更有利于发挥其功能，开发新功能更有利于发挥其功能，开发新功能更有利于发挥其功能，开发新功能BUCT 机械创新设计机械创新设计BUCT 机械创新设计机械创新设计以螺钉为例以螺钉为例螺钉头：板拧与支撑螺钉头：板拧与支撑螺钉头：板拧与支撑螺钉头：板拧与支撑螺钉体：定位与联结螺钉体：定位与联结螺钉体：定位与联结螺钉体：定位与联结螺
7、钉尾：导向与保护螺钉尾：导向与保护螺钉尾：导向与保护螺钉尾：导向与保护BUCT 机械创新设计机械创新设计钉子分解钉子分解平头沉头柱头双头尖尾鸭嘴尾柱尾BUCT 机械创新设计机械创新设计齿轮分解齿轮分解轮齿：传动功能轮齿：传动功能轮齿：传动功能轮齿：传动功能轮体：支撑功能轮体：支撑功能轮体：支撑功能轮体：支撑功能轮毂：联接功能轮毂：联接功能轮毂：联接功能轮毂：联接功能BUCT 机械创新设计机械创新设计7.2.2、功能组合、功能组合指一个零件可以实现多种功能指一个零件可以实现多种功能指一个零件可以实现多种功能指一个零件可以实现多种功能自攻自锁螺钉组合功能轴承带轮飞轮组合BUCT 机械创新设计机械创
8、新设计齿轮与卷筒的组合齿轮卷筒齿轮卷筒轴既承受弯矩又承 受转矩轴只承受弯矩BUCT 机械创新设计机械创新设计BUCT 机械创新设计机械创新设计（a）弹簧垫圈防松（b）收口螺母防松自行车专用扳手多功能菜刀图中，1-刀柄，2刀身，3刀刃，4 插片、插条、插粗细丝板，5铁盒罐头起 子，6玻璃瓶罐头起子，7瓶盖起子，8 刮鱼鳞刀，9砍斧测电笔带照明灯的改锥瑞士军刀双万向联轴器7.2.3、功能移植、功能移植指相似或相同的结构可用于不同的功能指相似或相同的结构可用于不同的功能指相似或相同的结构可用于不同的功能指相似或相同的结构可用于不同的功能各类弹性垫圈结构轴毂联接 的结构星盘联接BUCT 机械创新设计机
9、械创新设计容差环联接压套联接液压涨套联接BUCT 机械创新设计机械创新设计蜗杆卡子BUCT 机械创新设计机械创新设计7.3 结构元素的变异与演化7.3 结构元素的变异与演化7.3.1元素的变异元素的变异结构元素：结构元素：指形状、数量、位置、联接、尺寸等指形状、数量、位置、联接、尺寸等指形状、数量、位置、联接、尺寸等指形状、数量、位置、联接、尺寸等BUCT 机械创新设计机械创新设计BUCT 机械创新设计机械创新设计7.3.2 轴榖联接的结构元素变异与演化轴榖联接的结构元素变异与演化平键花键BUCT 机械创新设计机械创新设计花键滚珠花键成型轴毂BUCT 机械创新设计机械创新设计弹性环联接BUCT
10、 机械创新设计机械创新设计7.3.3.离合器的结构元素变异与演化离合器的结构元素变异与演化形状变异数量变异BUCT 机械创新设计机械创新设计7.3.4棘轮传动的结构元素变异棘轮传动的结构元素变异形状变异位置变异BUCT 机械创新设计机械创新设计7.3.5各种槽销结构元素的变异各种槽销结构元素的变异槽的位置变化各种槽销的应用BUCT 机械创新设计机械创新设计7.3.6 新型联轴器的结构特点新型联轴器的结构特点BUCT 机械创新设计机械创新设计联结方式的变化新型联轴器、新型联轴器、球铰柱塞式联轴器：球铰柱塞式联轴器：球铰柱塞式联轴器：球铰柱塞式联轴器：引入移动 副，增大轴向移动补偿量，提高 联接刚
11、度浮动盘环片联轴器浮动盘环片联轴器浮动盘环片联轴器浮动盘环片联轴器：利用弹性变形补偿两轴 的相对偏移浮动弹簧片浮动弹簧片浮动弹簧片浮动弹簧片BUCT 机械创新设计机械创新设计7.3.7 弹簧弹簧BUCT 机械创新设计机械创新设计BUCT 机械创新设计机械创新设计7.3.8 改善工作性能的结构变异改善工作性能的结构变异高速带与带轮结构摆杆与推杆球面位置的变换BUCT 机械创新设计机械创新设计调心滑动轴承BUCT 机械创新设计机械创新设计修正双曲线形飞轮是飞轮各处应力分布 合理，提高飞轮储藏 能量的能力带膝垫的新型座椅BUCT 机械创新设计机械创新设计轴承轴承BUCT 机械创新设计机械创新设计(a
12、)(b)图7.41 粘接结构BUCT 机械创新设计机械创新设计7.4 适应材料性能的结构设计与创新7.4 适应材料性能的结构设计与创新7.4.1、扬长避短、扬长避短铸铁基座陶瓷联接BUCT 机械创新设计机械创新设计金属螺纹塑料螺纹塑料联接的替代BUCT 机械创新设计机械创新设计BUCT 机械创新设计机械创新设计点焊链接7.4.2、性能互补、性能互补带弹性外圈的滚子轴承带弹性元件的铰链BUCT 机械创新设计机械创新设计减振链轮BUCT 机械创新设计机械创新设计安全性能：两米高处落下奖牌完好 安全性能：两米高处落下奖牌完好 在奥运会期间，运动员在获得奖牌后处于兴 奋状态，有可能将奖牌抛向空中。为了
13、提高奖牌 的抗冲击性能，提高强度，奖牌设计修改完善小 组对奖牌金属和玉结合的工艺技术以及安全性等 进行了多次技术测试。实验证明，将奖牌从两米 高空下落做自由落体运动，落地时奖牌完好无 损。BUCT 机械创新设计机械创新设计玉环金属玉环金属弹性胶体BUCT 机械创新设计机械创新设计金属弹性胶体玉BUCT 机械创新设计机械创新设计V带结构BUCT 机械创新设计机械创新设计7.4.3结构形状变异结构形状变异BUCT 机械创新设计机械创新设计7.5 方便制造与操作的结构设计与创新7.5 方便制造与操作的结构设计与创新7.5.17.5.1加工工艺的结构构形加工工艺的结构构形加工工艺的结构构形加工工艺的结
14、构构形BUCT 机械创新设计机械创新设计不同工艺时的结构形式BUCT 机械创新设计机械创新设计7.5.27.5.2装配输送的结构构型装配输送的结构构型装配输送的结构构型装配输送的结构构型BUCT 机械创新设计机械创新设计BUCT 机械创新设计机械创新设计方便输送方便输送方便输送方便输送BUCT 机械创新设计机械创新设计7.5.3简单结构简单结构BUCT 机械创新设计机械创新设计BUCT 机械创新设计机械创新设计BUCT 机械创新设计机械创新设计BUCT 机械创新设计机械创新设计7.5.4宜人结构宜人结构BUCT 机械创新设计机械创新设计BUCT 机械创新设计机械创新设计脚的力量分布BUCT 机
15、械创新设计机械创新设计旋钮结构尺寸建议旋钮结构尺寸建议BUCT 机械创新设计机械创新设计BUCT 机械创新设计机械创新设计当控制器与显示器配合使用时，还要考虑 它们之间的位置关系，即使操作者容易辨认。有人进行这样的试验，在灶台上放置当控制器与显示器配合使用时，还要考虑 它们之间的位置关系，即使操作者容易辨认。有人进行这样的试验，在灶台上放置4副灶 具，在控制面板上放置副灶 具，在控制面板上放置4副控制开关，当灶具与 开关以不同方式摆放时，使用者出现的操作错 误次数统计如下：每种方案进行副控制开关，当灶具与 开关以不同方式摆放时，使用者出现的操作错 误次数统计如下：每种方案进行1200次试验。次
16、试验。（1）方案误操作次数为零；（2）方案误操作次数为 76次；（3）方案误操作次数为116次；（4）方案误操 作次数为129次。（1）方案误操作次数为零；（2）方案误操作次数为 76次；（3）方案误操作次数为116次；（4）方案误操 作次数为129次。实验还反映了操作时间与误操作 次数具有同样的顺序关系。实验还反映了操作时间与误操作 次数具有同样的顺序关系。BUCT 机械创新设计机械创新设计BUCT 机械创新设计机械创新设计7.6 用模块拼接与结构复用进行结构的创新 在结构创新过程中，通常先有一个构思 雏形，然后再把这个构思用实物表现出 来。对于很多构件或构件组合，若加工成 实物，则费用较高，所以用模块拼接的方 法来构成实物，不失为一种简洁经济的结 构创新方法。BUCT 机械创新设计机械创新设计7.6.1.模块拼接BUCT 机械创新设计机械创新设计BUCT 机械创新设计机械创新设计BUCT 机械创新设计机械创新设计行走轮支承模块7.6.2.结构复用BUCT 机械创新设计机械创新设计组合式改锥改锥组合包