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1、 机械创新设计机械创新设计机械工程与自动化学院机械设计系机械工程与自动化学院机械设计系第七章第七章 结构方案的创新设计结构方案的创新设计机械结构设计的任务是在总体设计的基础上，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，需要决定的内容包括：7.0 7.0 引言引言结构的类型和组成，结构的类型和组成，结构中所有零部件的形状、尺寸、位置、数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，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所确定
2、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、可靠性等方面度、精度、稳定性、工艺性、寿命、可靠性等方面的要求。的要求。机械结构设计的重要特征之一是设计问题的机械结构设计的重要特征之一是设计问题的多解性，即满足同一设计要求的机械结构并不是唯多解性，即满足同一设计要求的机械结构并不是唯一的。一的。7.0 7.0 引言引言机械结构设计的任务是在众多的可行结构方机械结构设计的任务是在众多的可行结构方案中寻求较好的或最好的方案。案中寻求较好的或最好的方案。找出所有的局部最优解，并从中找出全局最找出所
3、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。思维方法的作用。结构方案的变异设计方法使设计者从一个已知结构方案的变异设计方法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的可行结构方案出发，通过变换得到大量的可行方案。案。7.1 7.1 结构方案的变异设计结构方案的变异设计 通过对这些方案中参数的优化，可以使设计者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。分析和比
4、较，就可以得到较优解或全局最优解。变异设计的目的是寻求满足设计要求的独立变异设计的目的是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的设计方案，以便对其进行参数优化设计变异设计的基本方法是首先通过对结构设计变异设计的基本方法是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。术要素的构成。7.1 7.1 结构方案的变异设计结构方案的变异设计然后再分析每一个技术要素的取值范围，通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，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
5、得到足够多的独立的结构设计方案。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。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。以下分别分析这几个技术要素的变异设计方法。7.1 7.1 结构方案的变异设计结构方案的变异设计 机械结构的功能主要是靠机械零部件的几何形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。状及各个零部件之间的相对位置关系实现的。7.1.1 7.1.1 功能面的变异功能面的变异零件的几何形状由它的
6、表面所构成，一个零零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接触的表面，与工作介质或被加工物体相接触的表面称为面称为功能表面功能表面。零件的功能表面是决定机械功能的重要因素，零件的功能表面是决定机械功能的重要因素，功能表面的设计是零部件设计的核心问题。通过对功能表面的设计是零部件设计的核心问题。通过对功能表面的变异设计，可以得到为实现同一技术功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。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、描述功
7、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。通过对这几尺寸大小、表面数量、位置、顺序等。通过对这几个方面的变异，可以得到多组构型方案。个方面的变异，可以得到多组构型方案。7.1.1 7.1.1 功能面的变异功能面的变异7.1.1 7.1.1 功能面的变异功能面的变异7.1.1 7.1.1 功能面的变异功能面的变异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。较大的压缩距离则应设置导向结构。拉簧无失稳问题，设计中受空间约束较少，既可单独使用，也可与拉簧无失稳问题，设计中受
8、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。摇杆及绳索等配合使用。板簧通常刚度较大，可在较板簧通常刚度较大，可在较小的变形条件下产生较大的小的变形条件下产生较大的压紧力。压紧力。7.1.1 7.1.1 功能面的变异功能面的变异 机器上的按键外形通常为方形机器上的按键外形通常为方形或圆形，这种形状的按键在控制或圆形，这种形状的按键在控制面板上占用较大的面积。面板上占用较大的面积。7.1.1 7.1.1 功能面的变异功能面的变异 由于采用三角形按键，使最由于采用三角形按键，使最小宽度缩小为小宽度缩小为24mm24mm，比原方案，比原方案减小减小2929。在包含中间齿轮的直齿圆柱齿轮传动
9、中，中间轴在包含中间齿轮的直齿圆柱齿轮传动中，中间轴所受合力的大小与三个轴的相对位置有关。所受合力的大小与三个轴的相对位置有关。7.1.1 7.1.1 功能面的变异功能面的变异 挺杆挺杆2 2与摇杆与摇杆1 1通过一球面相接通过一球面相接触，球面在挺杆上。触，球面在挺杆上。7.1.1 7.1.1 功能面的变异功能面的变异 将球面改在摇杆上，则接触面将球面改在摇杆上，则接触面上的法线方向始终平行于挺杆上的法线方向始终平行于挺杆轴线方向，不产生横向推力。轴线方向，不产生横向推力。上方零件为凹形，下方零件为上方零件为凹形，下方零件为凸形。凸形。7.1.1 7.1.1 功能面的变异功能面的变异7.1.
10、1 7.1.1 功能面的变异功能面的变异曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构偏心轮机构偏心轮机构机构中销孔尺寸变化机构中销孔尺寸变化7.1.1 7.1.1 功能面的变异功能面的变异普通电动机中转子和定子的布置普通电动机中转子和定子的布置直线方向布置直线方向布置直线方向布置的转子和定子再沿另一轴线旋转直线方向布置的转子和定子再沿另一轴线旋转 一个不与其他零部件相接触的零件具有一个不与其他零部件相接触的零件具有6 6个自个自由度，机械设计中通过规定零件之间适当的联由度，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
11、作中能够实现能所必需的自由度，使机器在工作中能够实现确定形式的运动关系。确定形式的运动关系。7.1.2 7.1.2 联接的变异联接的变异 联接的作用是通过零件的工作表面与其他零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加的紧固力不同，从而对零件的自由度形成不同的约束。同的约束。以轴毂联接为例。按照设计要求，轴与轮毂的以轴毂联接为例。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：联接对相对运
12、动自由度的限制可能有：7.1.2 7.1.2 联接的变异联接的变异 1 1固定联接，限制固定联接，限制6 6个相对运动自由度。个相对运动自由度。2 2滑动联接，限制滑动联接，限制5 5个相对运动自由度。个相对运动自由度。3 3转动联接，限制转动联接，限制5 5个相对运动自由度。个相对运动自由度。4 4移动、转动联接，限制移动、转动联接，限制5 5个相对运动自由度。个相对运动自由度。7.1.2 7.1.2 联接的变异联接的变异 3 3转动联接，限制转动联接，限制5 5个相对运动自由度。个相对运动自由度。4 4移动、转动联接，限制移动、转动联接，限制5 5个相对运动自由度。个相对运动自由度。联接中
13、轴的截面形状必须是圆形联接中轴的截面形状必须是圆形由于轮毂要相对于轴移动，所以联接中轴的表面形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状必须是柱面(不能是锥面不能是锥面)考虑加工方便和避免产生附加轴向力通常也采用柱面考虑加工方便和避免产生附加轴向力通常也采用柱面 两种联接中的轴表面形状为圆柱面两种联接中的轴表面形状为圆柱面7.1.2 7.1.2 联接的变异联接的变异 1 1固定联接，限制固定联接，限制6 6个相对运动自由度。个相对运动自由度。2 2滑动联接，限制滑动联接，限制5 5个相对运动自由度。个相对运动自由度。由于轮毂要相对于轴移动，所以轴表面必须由于轮毂要相对于轴移动，
14、所以轴表面必须是除完整圆柱面以外的其他柱面，如滑键联是除完整圆柱面以外的其他柱面，如滑键联接、导键联接。接、导键联接。固定式联接，限制条件少，所有满足可加工固定式联接，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性和可装配性条件的表面形状都可以作为这种轴毅联接的表面形状。种轴毅联接的表面形状。7.1.2 7.1.2 联接的变异联接的变异 按照联接中形成锁合力的条件可将固定式轴毂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。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、
15、六边形或其他特殊形状表面。三角形、正方形、六边形或其他特殊形状表面。7.1.2 7.1.2 联接的变异联接的变异 非圆截面加工困难，特别是非圆截面孔加工更非圆截面加工困难，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。困难，所以这些形状的截面实际应用较少。非圆截面通常通过在圆形截面上铣平面、铣槽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孔的尺寸、数量、在轴段的位置和方向就形成不同形式的轴毅联接。不同形式的轴毅联接。7.1.2 7.1.2 联接的变异联接的变异 按照
16、联接中形成锁合力的条件可将固定式轴毂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。联接分为形锁合联接和力锁合联接。力锁合联接依靠被联接件表面间的压力所派生力锁合联接依靠被联接件表面间的压力所派生的摩擦力传递转矩和轴向力，表面间压力的产的摩擦力传递转矩和轴向力，表面间压力的产生可以依靠多种不同的结构措施。生可以依靠多种不同的结构措施。过盈配合是一种常用的结构措施，它以最简单过盈配合是一种常用的结构措施，它以最简单的结构形状获得足够的压力，缺点是装配和拆的结构形状获得足够的压力，缺点是装配和拆卸都很不方便，并引起较大的应力集中。卸都很不方便，并引起较大的应力集中。7.1.
17、2 7.1.2 联接的变异联接的变异 常用的形锁合联接有销联接、平键联接、半圆常用的形锁合联接有销联接、平键联接、半圆键联接、花键联接、成形联接和切向键联接。键联接、花键联接、成形联接和切向键联接。7.1.2 7.1.2 联接的变异联接的变异 为构造装拆方便的力锁合联接结构必须使联接为构造装拆方便的力锁合联接结构必须使联接装配时表面间无过盈，装配后通过其他调整措装配时表面间无过盈，装配后通过其他调整措施使表面间产生过盈，拆卸过程则相反。施使表面间产生过盈，拆卸过程则相反。常用的力锁合联接有楔键联接、弹性环联接、常用的力锁合联接有楔键联接、弹性环联接、圆柱面过盈联接、圆锥面过盈联接、顶丝联接、圆
18、柱面过盈联接、圆锥面过盈联接、顶丝联接、容差环联接、星盘联接、压套联接和液压涨套容差环联接、星盘联接、压套联接和液压涨套联接等联接等7.1.2 7.1.2 联接的变异联接的变异 常用的力锁合联接常用的力锁合联接7.1.3 7.1.3 支承的变异支承的变异 轴系的工作性能与它的支承设计的状况和质轴系的工作性能与它的支承设计的状况和质量密切相关。量密切相关。旋转轴至少需要两个相距一定距离的支点支旋转轴至少需要两个相距一定距离的支点支承，支承的变异设计包括支点位置变异和支点承，支承的变异设计包括支点位置变异和支点轴承的种类及其组合的变异。轴承的种类及其组合的变异。7.1.3 7.1.3 支承的变异支
19、承的变异 以锥齿轮传动为例分析支点位置变异问题，以锥齿轮传动为例分析支点位置变异问题，锥齿轮传动的两轴各有两个支点，每个支点相锥齿轮传动的两轴各有两个支点，每个支点相对于传动零件的位置可以在左侧，也可以在右对于传动零件的位置可以在左侧，也可以在右侧，两个支点的位置可能有侧，两个支点的位置可能有3 3种组合方式种组合方式:7.1.3 7.1.3 支承的变异支承的变异将两轴的支点位置进行组合得到将两轴的支点位置进行组合得到9 9种结构方案种结构方案:7.1.3 7.1.3 支承的变异支承的变异 轴上的每个支点除承受径向载荷以外还可能轴上的每个支点除承受径向载荷以外还可能同时承受单向或双向轴向载荷，
20、每个支点承受同时承受单向或双向轴向载荷，每个支点承受轴向载荷的方式有轴向载荷的方式有4 4种可能种可能:承受纯径向载荷的支点，可承受纯径向载荷的支点，可以选用圆柱滚子轴承、滚针以选用圆柱滚子轴承、滚针轴承、深沟球轴承、调心球轴承、深沟球轴承、调心球轴承或调心滚子轴承。轴承或调心滚子轴承。可以选用向心推力轴承如圆锥滚子轴承或角接触球轴承，当轴向力较小可以选用向心推力轴承如圆锥滚子轴承或角接触球轴承，当轴向力较小时也可以选用深沟球轴承、调心球轴承或调心滚子轴承等向心轴承，也时也可以选用深沟球轴承、调心球轴承或调心滚子轴承等向心轴承，也可以采用向心轴承与承受轴向载荷的推力轴承的组合。可以采用向心轴承
21、与承受轴向载荷的推力轴承的组合。用一对向心推力轴承面对面或用一对向心推力轴承面对面或背对背组合使用，可以使用专背对背组合使用，可以使用专门型号的双列向心推力轴承门型号的双列向心推力轴承7.1.3 7.1.3 支承的变异支承的变异将轴系中两个支点的这将轴系中两个支点的这4 4种情况进行组合，得到两支点轴系承受种情况进行组合，得到两支点轴系承受轴向载荷情况的轴向载荷情况的1616种方案种方案d mb eb ei ci cd m轴系在两个方向上实现完全定轴系在两个方向上实现完全定位，在结构设计中应用最普遍位，在结构设计中应用最普遍使轴系在两个方向上都不定位，称为两端使轴系在两个方向上都不定位，称为两
22、端游动轴系结构，这种轴系结构适用于轴系游动轴系结构，这种轴系结构适用于轴系可以通过传动件实现双向轴向定位的场合可以通过传动件实现双向轴向定位的场合只用在轴系只可能产生只用在轴系只可能产生单方向轴向载荷的场合单方向轴向载荷的场合 7.1.4 7.1.4 材料的变异材料的变异 机械设计中可以选择的材料种类众多，不同机械设计中可以选择的材料种类众多，不同的材料具有不同的性能，不同的材料对应不同的材料具有不同的性能，不同的材料对应不同的加工工艺。的加工工艺。结构设计中既要根据功能的要求合理地选择结构设计中既要根据功能的要求合理地选择适当的材料，又要根据材料的种类确定适当的适当的材料，又要根据材料的种类
23、确定适当的加工工艺，并根据加工工艺的要求确定适当的加工工艺，并根据加工工艺的要求确定适当的结构，只有通过适当的结构设计才能使所选择结构，只有通过适当的结构设计才能使所选择的材料最充分地发挥优势。的材料最充分地发挥优势。7.1.4 7.1.4 材料的变异材料的变异 设计者要做到正确地选择结构材料就必须充设计者要做到正确地选择结构材料就必须充分地了解所选材料的力学性能、加工性能、使分地了解所选材料的力学性能、加工性能、使用成本等信息。用成本等信息。弹性联轴器的设计中需要选择弹性元件的材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，使得联轴料，由于所选弹性元件材料的不同，使得
24、联轴器的结构变化很大。器的结构变化很大。可选作弹性元件的材料有金属、橡胶、尼龙、可选作弹性元件的材料有金属、橡胶、尼龙、胶木等。胶木等。7.1.4 7.1.4 材料的变异材料的变异 由于弹性元件的寿命短，使用中需多次更换，由于弹性元件的寿命短，使用中需多次更换，在结构设计中应为更换弹性元件提供可能和方在结构设计中应为更换弹性元件提供可能和方便，为更换弹性元件留有必要的操作空间，使便，为更换弹性元件留有必要的操作空间，使更换弹性元件所必须拆卸、移动的零件尽量少。更换弹性元件所必须拆卸、移动的零件尽量少。7.1.4 7.1.4 材料的变异材料的变异使用不同弹性元件材料的常用弹性联轴器的结构使用不同
25、弹性元件材料的常用弹性联轴器的结构7.1.4 7.1.4 材料的变异材料的变异 结构设计中应根据所选材料的特性及其所对结构设计中应根据所选材料的特性及其所对应的加工工艺而遵循不同的设计原则。应的加工工艺而遵循不同的设计原则。钢材受拉和受压时的力学特性基本相同，因钢材受拉和受压时的力学特性基本相同，因此钢梁结构多为对称结构。此钢梁结构多为对称结构。铸铁材料的抗压强度远大于抗拉强度，因此铸铁材料的抗压强度远大于抗拉强度，因此承受弯矩的铸铁结构截面多为非对称形状，以承受弯矩的铸铁结构截面多为非对称形状，以使承载时最大压应力大于最大拉应力使承载时最大压应力大于最大拉应力7.1.4 7.1.4 材料的变
26、异材料的变异 塑料结构的强度较差，螺纹联接件产生的装塑料结构的强度较差，螺纹联接件产生的装配力很容易使塑料零件损坏。配力很容易使塑料零件损坏。在两个被联接件上分别做出形状简单的搭钩在两个被联接件上分别做出形状简单的搭钩和凹槽，装配时利用塑料零件弹性变形量大的和凹槽，装配时利用塑料零件弹性变形量大的特点使搭钩与凹槽互相咬合实现联接，装配过特点使搭钩与凹槽互相咬合实现联接，装配过程简单准确，便于操作。程简单准确，便于操作。7.1.4 7.1.4 材料的变异材料的变异 设计的结果要通过制造和装配实现，结构设设计的结果要通过制造和装配实现，结构设计中如果能根据所选材料的工艺特点合理地确计中如果能根据所
27、选材料的工艺特点合理地确定结构形式则会为制造过程带来方便。定结构形式则会为制造过程带来方便。钢结构设计中通常通过加大截面尺寸的方法钢结构设计中通常通过加大截面尺寸的方法增大结构的强度和刚度。增大结构的强度和刚度。铸造结构中如果壁厚过大则很难保证铸造质铸造结构中如果壁厚过大则很难保证铸造质量，所以铸造结构通常通过加肋板和隔板的方量，所以铸造结构通常通过加肋板和隔板的方法加强结构的刚度和强度。法加强结构的刚度和强度。7.1.4 7.1.4 材料的变异材料的变异 塑料材料由于刚度差，铸造后的冷却不均匀塑料材料由于刚度差，铸造后的冷却不均匀造成的内应力极易引起结构翘曲，所以塑料结造成的内应力极易引起结
28、构翘曲，所以塑料结构的肋板应与壁厚相近并均匀对称。构的肋板应与壁厚相近并均匀对称。陶瓷结构的模具成本和烧结工艺成本远大于陶瓷结构的模具成本和烧结工艺成本远大于材料成本，所以陶瓷结构设计中为使结构简单，材料成本，所以陶瓷结构设计中为使结构简单，通常不考虑节省材料的原则。通常不考虑节省材料的原则。7.1.4 7.1.4 材料的变异材料的变异例例7-1 7-1 棘轮机构的变异设计分析棘轮机构的变异设计分析 棘爪头部的平面与棘轮齿形平面互相接触，是棘爪头部的平面与棘轮齿形平面互相接触，是棘轮机构的功能面。棘轮机构的功能面。7.1.4 7.1.4 材料的变异材料的变异例例7-1 7-1 棘轮机构的变异设
29、计分析棘轮机构的变异设计分析 通过变换功能面的形状通过变换功能面的形状方案方案a a和方案和方案c c用于单向传动用于单向传动方案方案b b可用于双向传动可用于双向传动功能面能承担较大的载荷，应用较普功能面能承担较大的载荷，应用较普遍，但承载能力对制造误差较敏感。遍，但承载能力对制造误差较敏感。7.1.4 7.1.4 材料的变异材料的变异例例7-1 7-1 棘轮机构的变异设计分析棘轮机构的变异设计分析通过变换功能面的数量通过变换功能面的数量通过减小轮齿尺寸使通过减小轮齿尺寸使轮齿的齿数增多，由轮齿的齿数增多，由于齿数增加使传动的于齿数增加使传动的最小反应角度减小，最小反应角度减小，传动精度提高
30、传动精度提高c c和和d d通过两通过两个棘爪同时个棘爪同时受力的方法受力的方法提高了承载提高了承载能力。能力。方案方案b b不改变棘轮不改变棘轮的形状，而通过增的形状，而通过增加棘爪数量的方法加棘爪数量的方法起到在不降低承载起到在不降低承载能力的前提下提高能力的前提下提高传动精度的作用；传动精度的作用；7.1.4 7.1.4 材料的变异材料的变异例例7-1 7-1 棘轮机构的变异设计分析棘轮机构的变异设计分析通过变换功能面的位置通过变换功能面的位置内棘轮结构，通过将内棘轮结构，通过将棘爪设置在棘轮内的棘爪设置在棘轮内的方法减小了结构尺寸方法减小了结构尺寸轴向棘轮结构，这种结构只轴向棘轮结构，
31、这种结构只有在空间条件允许的条件下有在空间条件允许的条件下才能应用才能应用7.1.4 7.1.4 材料的变异材料的变异例例7-2 7-2 铰链节叉的变异铰链的一种装配结构铰链节叉的变异铰链的一种装配结构铰链的一种装配结构铰链的一种装配结构7.1.4 7.1.4 材料的变异材料的变异例例7-2 7-2 铰链节叉的变异铰链的一种装配结构铰链节叉的变异铰链的一种装配结构采用铸造毛坯时的不同结构方案采用铸造毛坯时的不同结构方案a a和和b b的外形简单容易造型，的外形简单容易造型，c c和和d d的外形结构较复的外形结构较复杂，但较省材料，而且各部分壁厚较均匀，容杂，但较省材料，而且各部分壁厚较均匀，
32、容易保证铸造质量。易保证铸造质量。7.1.4 7.1.4 材料的变异材料的变异例例7-2 7-2 铰链节叉的变异铰链的一种装配结构铰链节叉的变异铰链的一种装配结构采用整体材料以切削方法成形时的不同结构方案采用整体材料以切削方法成形时的不同结构方案用于单件或小批量生产的情况。用于单件或小批量生产的情况。下排的几种结构虽然具有较轻的重量，但并不节下排的几种结构虽然具有较轻的重量，但并不节省材料，而且增大切削加工的工作量。省材料，而且增大切削加工的工作量。7.1.4 7.1.4 材料的变异材料的变异例例7-2 7-2 铰链节叉的变异铰链的一种装配结构铰链节叉的变异铰链的一种装配结构使用薄板冲压毛坯的
33、不同结构方案使用薄板冲压毛坯的不同结构方案 冲压结构具有重量轻、节省材料和大批量生冲压结构具有重量轻、节省材料和大批量生产成本低的优点，特别适合于生产批量较大的产成本低的优点，特别适合于生产批量较大的场合。场合。包含较小的弯曲半径，容易引起裂纹和榴皱包含较小的弯曲半径，容易引起裂纹和榴皱在条件允许时应尽量采用较大的弯曲半径在条件允许时应尽量采用较大的弯曲半径7.1.4 7.1.4 材料的变异材料的变异例例7-2 7-2 铰链节叉的变异铰链的一种装配结构铰链节叉的变异铰链的一种装配结构使用板材经焊接成形的结构使用板材经焊接成形的结构 适用于结构尺寸较大，而且批量较小的情况。适用于结构尺寸较大，而
34、且批量较小的情况。a a的焊口只起联接作用，基本不承担载荷；其余几种结构的焊口的焊口只起联接作用，基本不承担载荷；其余几种结构的焊口都要承担工作载荷，因此对焊接质量要求较高；都要承担工作载荷，因此对焊接质量要求较高；方案方案c c的焊口较长，焊接成本高；方案的焊口较长，焊接成本高；方案d d中的底板在焊接中容易翘中的底板在焊接中容易翘曲，影响焊接质量。曲，影响焊接质量。7.1.4 7.1.4 材料的变异材料的变异例例7-2 7-2 铰链节叉的变异铰链的一种装配结构铰链节叉的变异铰链的一种装配结构使用成型材料并经焊接成形的结构使用成型材料并经焊接成形的结构由于使用了槽钢、角钢、带钢等型材，使焊接
35、由于使用了槽钢、角钢、带钢等型材，使焊接工作量更小工作量更小C C 的焊口承受较大的弯矩，影响其承载能力。的焊口承受较大的弯矩，影响其承载能力。7.1.4 7.1.4 材料的变异材料的变异例例7-2 7-2 铰链节叉的变异铰链的一种装配结构铰链节叉的变异铰链的一种装配结构使用整体材料与板材经焊接成形的结构使用整体材料与板材经焊接成形的结构 机械产品的性能不但与原理设计有关，结构设机械产品的性能不但与原理设计有关，结构设计的质量也直接影响产品的性能，甚至影响产品计的质量也直接影响产品的性能，甚至影响产品功能的实现。功能的实现。7.2 7.2 提高性能的设计提高性能的设计 下面分别分析为提高结构的
36、强度、刚度、精度、下面分别分析为提高结构的强度、刚度、精度、工艺性等方面性能常采用的设计方法和设计原则。工艺性等方面性能常采用的设计方法和设计原则。强度和刚度是结构设计的基本问题，通过正确强度和刚度是结构设计的基本问题，通过正确的结构设计可以的结构设计可以减小单位载荷所引起的材料应力减小单位载荷所引起的材料应力和变形量和变形量，提高结构的承载能力。，提高结构的承载能力。7.2.1 7.2.1 提高强度和刚度的设计提高强度和刚度的设计 强度和刚度都与结构受力有关，在外载荷不变的强度和刚度都与结构受力有关，在外载荷不变的情况下情况下降低结构受力降低结构受力是提高强度和刚度的有效措施。是提高强度和刚
37、度的有效措施。1 1载荷分担载荷分担7.2.1 7.2.1 提高强度和刚度的设计提高强度和刚度的设计 载荷引起结构受力，如果多种载荷作用在同一载荷引起结构受力，如果多种载荷作用在同一结构上就可能引起局部应力过大。结构设计中应将结构上就可能引起局部应力过大。结构设计中应将载荷由多个结构分别承担，这样有利于降低危险结载荷由多个结构分别承担，这样有利于降低危险结构处的应力，从而提高结构的承载能力，这种方法构处的应力，从而提高结构的承载能力，这种方法称为载荷分担。称为载荷分担。1 1载荷分担载荷分担7.2.1 7.2.1 提高强度和刚度的设计提高强度和刚度的设计弯矩和扭矩同时作用会弯矩和扭矩同时作用会
38、在轴上引起较大应力。在轴上引起较大应力。结构中增加了一个支承套，带结构中增加了一个支承套，带轮通过端盖将扭矩传给轴，通轮通过端盖将扭矩传给轴，通过轴承将压轴力传给支承套。过轴承将压轴力传给支承套。1 1载荷分担载荷分担7.2.1 7.2.1 提高强度和刚度的设计提高强度和刚度的设计 蜗杆轴系结构蜗杆轴系结构 蜗杆传动产生的轴向力较大，使得轴承在蜗杆传动产生的轴向力较大，使得轴承在承受径向载荷同时承受较大的轴向载荷。承受径向载荷同时承受较大的轴向载荷。1 1载荷分担载荷分担7.2.1 7.2.1 提高强度和刚度的设计提高强度和刚度的设计 增加了专门承受双向轴向载荷的双向推力球轴增加了专门承受双向
39、轴向载荷的双向推力球轴承，使得各轴承分别发挥各自承载能力的优势。承，使得各轴承分别发挥各自承载能力的优势。2 2载荷平衡载荷平衡7.2.1 7.2.1 提高强度和刚度的设计提高强度和刚度的设计在机械传动中有些做功的力必须使其沿传动在机械传动中有些做功的力必须使其沿传动链传递，有些不做功的力应尽可能使其传递路线变链传递，有些不做功的力应尽可能使其传递路线变短，如果使其在同一零件内与其他同类载荷构成平短，如果使其在同一零件内与其他同类载荷构成平衡力系则其他零件不受这些载荷的影响，利于提高衡力系则其他零件不受这些载荷的影响，利于提高结构的承载能力。结构的承载能力。2 2载荷平衡载荷平衡7.2.1 7
40、.2.1 提高强度和刚度的设计提高强度和刚度的设计行星齿轮结构中齿行星齿轮结构中齿轮啮合使中心轮和轮啮合使中心轮和系杆受力。系杆受力。在对称位置布置三个行星轮，在对称位置布置三个行星轮，使行星轮产生的力在中心轮使行星轮产生的力在中心轮和系杆上合成为力偶，减小和系杆上合成为力偶，减小了有害力的传播范围。了有害力的传播范围。3 3减小应力集中减小应力集中7.2.1 7.2.1 提高强度和刚度的设计提高强度和刚度的设计应力集中是影响承受交变应力的结构承载能应力集中是影响承受交变应力的结构承载能力的重要因素，结构设计应设法缓解应力集中。力的重要因素，结构设计应设法缓解应力集中。在零件的截面形状在零件的
41、截面形状发生变化处力流会发发生变化处力流会发生变化，局部力流密生变化，局部力流密度的增加引起应力集度的增加引起应力集中。中。3 3减小应力集中减小应力集中7.2.1 7.2.1 提高强度和刚度的设计提高强度和刚度的设计零件截面形状的变化越突然，应力集中就越零件截面形状的变化越突然，应力集中就越严重，结构设计中应尽力避免使结构受力较大处的严重，结构设计中应尽力避免使结构受力较大处的零件形状突然变化，以减小应力集中对强度的影响。零件形状突然变化，以减小应力集中对强度的影响。零件受力变形时不同位置的变形阻力零件受力变形时不同位置的变形阻力(刚度刚度)不不相同也会引起应力集中，设计中通过降低应力集中相
42、同也会引起应力集中，设计中通过降低应力集中处附近的局部刚度可以有效地降低应力集中。处附近的局部刚度可以有效地降低应力集中。3 3减小应力集中减小应力集中7.2.1 7.2.1 提高强度和刚度的设计提高强度和刚度的设计过盈配合联接结过盈配合联接结构在轮毅端部应构在轮毅端部应力集中严重力集中严重通过降低轴或轮毅相应通过降低轴或轮毅相应部位的局部刚度使应力部位的局部刚度使应力集中得到有效缓解集中得到有效缓解3 3减小应力集中减小应力集中7.2.1 7.2.1 提高强度和刚度的设计提高强度和刚度的设计由于结构定位等功能的需要在绝大部分结构由于结构定位等功能的需要在绝大部分结构中不可避免地会出现结构尺寸
43、及形状的变化，这些中不可避免地会出现结构尺寸及形状的变化，这些变化都会引起应力集中，如果多种变化出现在同一变化都会引起应力集中，如果多种变化出现在同一结构截面处将引起严重的应力集中，所以结构设计结构截面处将引起严重的应力集中，所以结构设计中应尽力避免这种情况。中应尽力避免这种情况。3 3减小应力集中减小应力集中7.2.1 7.2.1 提高强度和刚度的设计提高强度和刚度的设计轴结构中台阶和键槽端部都会引起轴在弯轴结构中台阶和键槽端部都会引起轴在弯矩作用下的应力集中。矩作用下的应力集中。键槽不加工到轴段根键槽不加工到轴段根部，避免了应力集中源部，避免了应力集中源的集中的集中 两个应力集中源设计两个
44、应力集中源设计到同一截面处，加剧了到同一截面处，加剧了局部的应力集中局部的应力集中4 4减小接触应力减小接触应力7.2.1 7.2.1 提高强度和刚度的设计提高强度和刚度的设计高副接触零件的接触强度和接触刚度都与接高副接触零件的接触强度和接触刚度都与接触点的综合曲率半径有关，设法增大接触点的综合触点的综合曲率半径有关，设法增大接触点的综合曲率半径是提高这类零件工作能力的重要措施。曲率半径是提高这类零件工作能力的重要措施。渐开线齿轮在齿面上不同位置处的曲率半径渐开线齿轮在齿面上不同位置处的曲率半径不同，采用正变位可使齿面的工作位置向曲率半径不同，采用正变位可使齿面的工作位置向曲率半径较大的方向移
45、动，对提高齿轮的接触强度和弯曲强较大的方向移动，对提高齿轮的接触强度和弯曲强度都非常有利。度都非常有利。4 4减小接触应力减小接触应力7.2.1 7.2.1 提高强度和刚度的设计提高强度和刚度的设计凸球面接触传力，凸球面接触传力，综合曲率半径较小，综合曲率半径较小，接触应力大；接触应力大；综合曲率半径依次增大，有利于改综合曲率半径依次增大，有利于改善球面支承的强度和刚度。善球面支承的强度和刚度。7.2.2 7.2.2 提高精度的设计提高精度的设计 通过结构设计可以减小由于制造、安装通过结构设计可以减小由于制造、安装等原因产生的原始误差，减小由于温度、等原因产生的原始误差，减小由于温度、磨损、构
46、件变形等原因产生的工作误差，磨损、构件变形等原因产生的工作误差，减小执行机构对各项误差的敏感程度，从减小执行机构对各项误差的敏感程度，从而提高产品的精度。而提高产品的精度。1 1误差均化误差均化7.2.2 7.2.2 提高精度的设计提高精度的设计 制造和安装过程中产生的误差是不可避免的，制造和安装过程中产生的误差是不可避免的，通过适当的结构设计可以在原始误差不变的情况下通过适当的结构设计可以在原始误差不变的情况下使执行机构的误差较小。使执行机构的误差较小。试验证明螺旋传动的误差可以小于螺杆本身的螺距误差。试验证明螺旋传动的误差可以小于螺杆本身的螺距误差。千分尺的千分尺的累累积测积测量量误误差差
47、 千分尺千分尺螺螺杆的螺距杆的螺距累积误差累积误差1 1误差均化误差均化7.2.2 7.2.2 提高精度的设计提高精度的设计 机械精度的均化原理：在机构中如果有多个联接机械精度的均化原理：在机构中如果有多个联接点同时对一种运动起限制作用，则运动件的运动误点同时对一种运动起限制作用，则运动件的运动误差决定于各联接点的综合影响，其运动精度高于一差决定于各联接点的综合影响，其运动精度高于一个联接点的限制作用。个联接点的限制作用。在一定条件下增加螺旋传动中起作用的螺纹圈在一定条件下增加螺旋传动中起作用的螺纹圈数，使多圈螺纹同时起作用，不但可以提高螺旋传数，使多圈螺纹同时起作用，不但可以提高螺旋传动的承
48、载能力和耐磨性，而且可以提高传动精度。动的承载能力和耐磨性，而且可以提高传动精度。2 2误差合理配置误差合理配置7.2.2 7.2.2 提高精度的设计提高精度的设计 在机床主轴结构设计中，提高主轴前端在机床主轴结构设计中，提高主轴前端(工作端工作端)的旋转精度是很重要的设计目标，主轴前支点轴承的旋转精度是很重要的设计目标，主轴前支点轴承和主轴后支点轴承的精度都会影响主轴前端的旋转和主轴后支点轴承的精度都会影响主轴前端的旋转精度，但是影响的程度不相同。精度，但是影响的程度不相同。3 3误差传递误差传递7.2.2 7.2.2 提高精度的设计提高精度的设计 在机械传动系统中，各级传动件都会产生运动误
49、在机械传动系统中，各级传动件都会产生运动误差，传动件在传递必要的运动的同时也不可避免地差，传动件在传递必要的运动的同时也不可避免地将误差传递给下一级传动件。将误差传递给下一级传动件。3 3误差传递误差传递7.2.2 7.2.2 提高精度的设计提高精度的设计 如果传动系统为减速传动如果传动系统为减速传动(i1)(i1)，则最后一级传动，则最后一级传动所产生的运动误差对总误差影响最大，所以在以传所产生的运动误差对总误差影响最大，所以在以传递运动为主要目的的减速传动系统设计中通常将最递运动为主要目的的减速传动系统设计中通常将最后一级传动件的精度设计得较高；后一级传动件的精度设计得较高；在加速传动系统
50、在加速传动系统(i1)(i1)中第一级传动所产生的传动中第一级传动所产生的传动误差对总误差影响最大，这样的传动系统中通常将误差对总误差影响最大，这样的传动系统中通常将第一级传动件的精度设计得较高。第一级传动件的精度设计得较高。4 4误差补偿误差补偿7.2.2 7.2.2 提高精度的设计提高精度的设计 在机械结构工作过程中会由于温度变化、受力、在机械结构工作过程中会由于温度变化、受力、磨损等因素使零部件的形状及相对位置关系发生变磨损等因素使零部件的形状及相对位置关系发生变化，这些变化也常常是影响机械结构工作精度的原化，这些变化也常常是影响机械结构工作精度的原因。好的结构设计可以减少由于这些因素对