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1、机械结构设计创新,结构设计:指零件的结构形状及零件间的联接关系的设计。是机械设计的主要组成部分,是涉及问题最多、最具体、工作量最大的工作阶段。据统计,在整个机械设计过程中,平均约80%的时间用于结构设计。 结构设计需要考虑的因素:材料的力学性能,零部件的功能,工作条件,加工工艺,装配,使用,成本,安全,环保等。 结构设计的特点是:实践性、细节性、多样性与创造性 工程知识是从事结构设计的前提,巧妙构型与组合是结构设计创造性设计的核心。,机械结构设计创新,零件的功能分析 结构的功能组合 功能移植 结构元素的变异与演化 材料特性利用 加工工艺结构构型 联接结构的简化 宜人结构,零件的功能分析,零件在
2、机械中各自承担一定的功能,结构设计时需要根据每种零件的功能构造它们的形状。 每个零件将把功能分解,零件的每个部分会起着不同的作用。 在进行零件创新设计时,要弄清楚零件的和功能本质,再根据具体情况进行结构设计。,螺钉的功能分析,头部:装拆作用,尾部:导向作用,杆身:受力作用,结构的功能组合,功能组合是指一个零件可以实现多种功能,这样可以使机械系统趋于简单化。 功能组合一般是在零件原有的基础上增加新的功能。,自钻自攻螺钉的尾部,齿轮变形补偿轴的变形,受力小处齿轮刚度大,受力大处齿轮刚度小,功能移植,指相同或相似的结构可以实现不同的功能。可以通过联想、类比、移植等创新技法获得新功能。 如通过齿轮的啮
3、合,可以产生齿式联轴器 螺栓的摩擦防松,可以移植产生出星盘联接、容差环联接、压套联接。 液压传动本来是用于动力传动,若将液压产生的动力用于变形就可以移植到联接功能上来。,功能移植实例,结构元素的变异与演化,结构元素主要是指结构的形状、数量、位置、联接等要素。经过变异的结构元素可适应不同的工作要求,或比原的结构具有更良好而完善的功能。 轴毂联接的主要结构是键联接,单健有方键、半圆键,主要靠键的侧面来工作。当传递的转矩较大时,可以采用双键联接。如果转矩再大,就要采作花键联接,按照工作要求的不同,花键又有矩形花键、三角形花键、梯形花键。 离合器根据不同的要求也有不同的形式。,材料特性利用,结构形状要
4、有利于材料性能的发挥。如铸铁的抗压强度比抗拉强度高,因此铸铁就要设计成承受抗压状态,以充分发挥其优势。 陶瓷材料承受局部集中载荷的能力差,在与金属件的连接中,应避免其弱点。 塑料是常用的加工材料之一,质量轻,成本低,能制成很复杂的形状,但强度、刚度低,易老化。,材料的性能互补,将刚性与柔性材料合理搭配,在刚性部件中对某些零件赋予柔性,使其能用接触时的变形不补偿工作表面几何形状的误差。 为提高材料的耐磨性,常采用铜合金,白合金等耐磨性好的材料,但它们的价格较贵,而且强度低。因此一般只把它们粘附有零件的表面。,形状适应不同的材料,选用不同的材料,往往会有不同的结构形状。如夹子,分别是木材、塑料与金
5、属时的形状。,加工工艺结构构型,对于机械加工的零件,在构型上要考虑到使装卡、加工与测量时间比较短,设备费用低等因素。 加工面的形状力求简单,尺寸尽量小,位置就方便装卡与刀具的退出,避免在斜面上钻孔,避免在内表面上进行复杂的加工等。 对于复杂的零件,加工工序增加,材料浪费、成本将增加。为改变这样的结构可采用组合来实现同瓢泼大雨的功能。,结构构型实例,安装方便,便于运输,联接结构的简化,只有精炼的,简单的才是设计的进步,也是设计者的愿望。 联接结构中,可以充分利用塑料零件的弹性变形,使搭钩与凹槽实现联接,装配过程简单、准确、操作方便。 金属缺点成的铰链结构复杂,对于常用的载荷很少的铰链结构,若用塑料制作就可以将结构大大简化。,宜人结构,宜人结构是指机械设备的结构形状应该适合人的生理和心理要求,使得操作安全,准确、省力、简便、减轻操作的疲劳,提高工作效率。 减少操作疲劳的结构应使操作者保持一种自然状态。 提高操作能力结构,应考虑人的手与脚的用力方法,使之容易操作。 减少操作错误的结构:操作零件的外形要简单,容易辨认;操作位置要合适,应力求使操作零件位于操作者的手或脚够得着的位置。 零件的外形除应与功能、材料、加工方便等因素有关外,还可考虑适应人的反映。,