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1、第六章第六章 结构方案设计结构方案设计现代设计方法学现代设计方法学1结构方案设计结构设计结构设计影响机械产品的性能影响机械产品的性能影响产品的成本影响产品的成本测量仪器的结构影响精度测量仪器的结构影响精度影响强度和刚度影响强度和刚度影响加工工艺性影响加工工艺性2结构方案设计结构件的功用结构件的功用一、一、承受载荷承受载荷3结构方案设计二、二、传递运动和动力传递运动和动力4结构方案设计三、三、保持有关零件之间的相对位置或保持有关零件之间的相对位置或 运动轨迹关系运动轨迹关系四、四、 其他功用其他功用5结构方案设计第一节第一节 结构设计任务、内容和步骤结构设计任务、内容和步骤一、结构设计任务和重要
2、性一、结构设计任务和重要性任务：功能原理设计方案的结构化任务：功能原理设计方案的结构化确定材料、形状、尺寸、加工和装配。确定材料、形状、尺寸、加工和装配。1. 功能设计功能设计技术的具体化技术的具体化2. 质量设计质量设计尽可能地提高质量和性价比尽可能地提高质量和性价比 3. 优化设计和创新设计优化设计和创新设计6结构方案设计重要性：重要性：1. 结构设计图是机械设计的成果形式结构设计图是机械设计的成果形式2. 是设计计算的基础是设计计算的基础3. 结构设计影响整机性能，零部件的强度、结构设计影响整机性能，零部件的强度、 刚度和使用寿命等刚度和使用寿命等7结构方案设计二、结构设计的内容和步骤二
3、、结构设计的内容和步骤考虑因素：加工条件，现考虑因素：加工条件，现有材料，各种标准件，通有材料，各种标准件，通用件用件步骤：步骤：内容：内容：确定零部件的形状、数量、相互之间的确定零部件的形状、数量、相互之间的位置；位置；选择材料；选择材料；确定尺寸；确定尺寸；计算；计算；按比例绘制结构图按比例绘制结构图8结构方案设计转矩，功率，传动比，生产率转矩，功率，传动比，生产率连接尺寸，相互位置，耐腐蚀性连接尺寸，相互位置，耐腐蚀性等等规定的工件材料，空间大小，安规定的工件材料，空间大小，安装尺寸装尺寸制造运输等制造运输等结构形状结构形状几何尺寸几何尺寸空间位置空间位置是否相互干涉是否相互干涉是否合理
4、是否合理目标：保证功能目标：保证功能 提高性能提高性能 降低成本降低成本总结：质的设计总结：质的设计定性的、形状、位置定性的、形状、位置 量的设计量的设计尺寸的大小尺寸的大小 按比例画图按比例画图9结构方案设计第二节第二节 结构设计基本要求结构设计基本要求一、功能和工作原理明确一、功能和工作原理明确2. 工作原理明确工作原理明确物理作用物理作用1. 功能明确功能明确避免冗余结构和静不定结构避免冗余结构和静不定结构10结构方案设计工作原理明确工作原理明确可游动可游动不可游动不可游动11结构方案设计图图6-4 受拉焊缝受拉焊缝不合理结构不合理结构合理结构合理结构人机显示系统，制造，人机显示系统，制
5、造，检测，运输，安装调检测，运输，安装调试，使用，保养等要试，使用，保养等要求明确求明确4. 其他其他3. 使用工况及承载状态明确使用工况及承载状态明确12结构方案设计二、结构简单二、结构简单1. 零部件数量少零部件数量少2. 几何形状简单几何形状简单3. 采用标准件采用标准件4. 操作简单操作简单5. 包装简单、运输方便包装简单、运输方便13结构方案设计14结构方案设计三、安全可靠三、安全可靠环境安全环境安全1. 包括内容包括内容零件安全零件安全零件不失效零件不失效整机安全整机安全功能功能工作安全工作安全15结构方案设计2. 安全技术安全技术 安全存在安全存在有限损坏有限损坏冗余配置冗余配置
6、直接安全技术：直接安全技术：16结构方案设计间接安全技术：间接安全技术：安全阀、离合器、安全阀、离合器、冗余配置、双驱动、冗余配置、双驱动、三驱动、副油箱、三驱动、副油箱、保险丝等保险丝等17结构方案设计 提示性安全技术：提示性安全技术： 既不能直接保证安全可靠，又没有保护或既不能直接保证安全可靠，又没有保护或防护措施，仅能在危险发生之前进行预报和报防护措施，仅能在危险发生之前进行预报和报警的，如指示灯、警报声等。警的，如指示灯、警报声等。 根据危害性大小、技术的难易程度和成本根据危害性大小、技术的难易程度和成本选择上述三种安全技术。选择上述三种安全技术。18结构方案设计第三节第三节 结构设计
7、基本原理结构设计基本原理一、任务分配原理一、任务分配原理相同功能由一个相同功能由一个 构件承担构件承担1. 相同功能的任务分配相同功能的任务分配相同功能由不同相同功能由不同 构件共同分担构件共同分担19结构方案设计20结构方案设计2. 不同功能任务分配不同功能任务分配不同功能由同一构件承担不同功能由同一构件承担不同功能由不同构件承担不同功能由不同构件承担21结构方案设计二、自补偿原理二、自补偿原理1. 自加强自加强22结构方案设计23结构方案设计24结构方案设计2. 自平衡自平衡25结构方案设计26结构方案设计3. 自保护自保护摩擦离合器摩擦离合器安全销安全销压力锅的保护阀压力锅的保护阀带传动
8、的打滑带传动的打滑27结构方案设计三、力传递原理三、力传递原理力线力线力流，力传递的路力流，力传递的路线，连续且数量不变，连续线，连续且数量不变，连续不断并可封闭。不断并可封闭。28结构方案设计1. 力流路线直接、最短力流路线直接、最短29结构方案设计30结构方案设计2. 力流转向平缓力流转向平缓31结构方案设计四、变形协调原理四、变形协调原理变形不协调，产生相对变形，引起力流密集变形不协调，产生相对变形，引起力流密集 应力集中现象应力集中现象32结构方案设计33结构方案设计34结构方案设计五、力平衡原理五、力平衡原理1. 采取对称结构采取对称结构35结构方案设计36结构方案设计2. 力平衡原
9、理力平衡原理 （平衡元件）（平衡元件）37结构方案设计六、等强度原理六、等强度原理38结构方案设计39结构方案设计40结构方案设计七、稳定性原理七、稳定性原理41结构方案设计稳定性活塞截面：稳定性活塞截面：42结构方案设计热稳定性：热稳定性：43结构方案设计热稳定性：热稳定性：44结构方案设计八、降低噪声原理八、降低噪声原理1. 噪声类型噪声类型接触噪声接触噪声传力噪声传力噪声运动噪声运动噪声45结构方案设计2. 降低噪声的原则和措施降低噪声的原则和措施降低噪声降低噪声无接头平带，长钢轨技术，无接头平带，长钢轨技术， 风扇的动平衡风扇的动平衡防止共振防止共振提高机构的阻尼特性提高机构的阻尼特性
10、46结构方案设计47结构方案设计3. 控制噪声的传播控制噪声的传播隔振隔振吸声吸声隔声隔声消声消声48结构方案设计4. 齿轮降低噪声的措施齿轮降低噪声的措施提高精度，降低速度提高精度，降低速度大螺旋角，小模数，大齿数大螺旋角，小模数，大齿数改进结构改进结构采用阻尼材料涂层采用阻尼材料涂层49结构方案设计九、提高精度原理九、提高精度原理提高精度的途径：重点设计法、附件校正提高精度的途径：重点设计法、附件校正原理误差原理误差通过设计消除或减小误差通过设计消除或减小误差原始误差原始误差加工加工 、装配、装配 、调整、调整 磨损磨损 弹性变形弹性变形 热变形热变形精度的影响：机器的性能影响精度的影响：
11、机器的性能影响 （精度，噪音，承载能力，寿命等）（精度，噪音，承载能力，寿命等） 量具、测具的性能指标量具、测具的性能指标50结构方案设计1. 阿贝原则阿贝原则 若使量仪给出正确的测量结若使量仪给出正确的测量结果，必须将仪器的读数线尺安放果，必须将仪器的读数线尺安放在被测尺寸的延长线上。在被测尺寸的延长线上。由相似三角形：由相似三角形：误差：误差：51结构方案设计52结构方案设计2. 补偿原则补偿原则（a）图：）图：（b）图：）图：53结构方案设计3. 误差缩放原则误差缩放原则影响误差影响误差主要环节主要环节54结构方案设计55结构方案设计4. 4. 误差配置原则误差配置原则56结构方案设计5
12、7结构方案设计第四节第四节 结构设计与成本结构设计与成本一、价值与价值设计一、价值与价值设计功能分析功能分析性能分析性能分析成本分析成本分析提高价值的三个方面：提高价值的三个方面：58结构方案设计59结构方案设计 生产成本：生产成本：设计成本设计成本生产准备成本生产准备成本材料成本材料成本加工成本和装配成本加工成本和装配成本使用成本：使用成本：运行成本运行成本维修保养成本维修保养成本总成本总成本 = 生产成本生产成本 + 使用成本使用成本二、产品的成本构成二、产品的成本构成60结构方案设计61结构方案设计62结构方案设计不同产品成本结构比例不同：不同产品成本结构比例不同：63结构方案设计（1）
13、机械产品的材料费）机械产品的材料费（2）机械产品中的重要零部件）机械产品中的重要零部件（3）机械产品的某些性能参数）机械产品的某些性能参数机械产品中影响成本的主要因素：机械产品中影响成本的主要因素：64结构方案设计三、通过设计环节降低成本三、通过设计环节降低成本方案、方案、尺寸、尺寸、零件数量、零件数量、材料选用、材料选用、决定加工方法决定加工方法65结构方案设计1. 方案对成本的影响方案对成本的影响66结构方案设计2. 构件尺寸对成本的影响构件尺寸对成本的影响67结构方案设计3. 零件数对产品成本的影响零件数对产品成本的影响68结构方案设计四、降低生产成本四、降低生产成本1. 降低设计成本降
14、低设计成本 （1）计算机辅助设计）计算机辅助设计 （2）系列设计）系列设计 （3）一图多用）一图多用69结构方案设计（1 1）在满足功能前提下，构型简单、零件数）在满足功能前提下，构型简单、零件数 量少、尺寸小、重量轻、体积小的结量少、尺寸小、重量轻、体积小的结 构，是节约材料的根本途径。构，是节约材料的根本途径。（2）采用廉价材料）采用廉价材料粉末冶金、工程塑料等粉末冶金、工程塑料等（3）采用节约材料的结构）采用节约材料的结构2. 减少材料成本的结构设计减少材料成本的结构设计70结构方案设计71结构方案设计72结构方案设计批量成本曲线批量成本曲线3. 降低生产准备成本降低生产准备成本措施：尽
15、量增大批量措施：尽量增大批量73结构方案设计（1）尽量使类似零件的尺寸相同，在同一产）尽量使类似零件的尺寸相同，在同一产 品或不同产品上采用同样的零件。品或不同产品上采用同样的零件。（2）建立相似零件的零件族，采用成组加工）建立相似零件的零件族，采用成组加工 工艺。工艺。（3）尽量采用标准件或批量生产的外购件。）尽量采用标准件或批量生产的外购件。（4）采用模块化组合结构，将零件模块化，）采用模块化组合结构，将零件模块化， 可大量生产并多次使用。可大量生产并多次使用。增加批量的措施增加批量的措施74结构方案设计（1）采用整体结构或一个结构多功能，使）采用整体结构或一个结构多功能，使 其零件数量少
16、，加工面少，缩短加工其零件数量少，加工面少，缩短加工 时间。时间。4. 降低加工成本降低加工成本75结构方案设计76结构方案设计（2）根据加工条件设计合理结构）根据加工条件设计合理结构77结构方案设计（3 3）无屑加工代替机加工）无屑加工代替机加工压铸、冲压铸、冲 压、注塑压、注塑 粉末冶金等粉末冶金等78结构方案设计（4）以焊代铸（单件、小批量）以焊代铸（单件、小批量）（5）采用合理的公差要求）采用合理的公差要求79结构方案设计公差公差-成本关系曲线成本关系曲线80结构方案设计5. 降低装配成本降低装配成本（1）选用便于装）选用便于装 卸的结构卸的结构81结构方案设计（2）便于自动装配）便于
17、自动装配82结构方案设计83结构方案设计（3）采用组合结构）采用组合结构84结构方案设计85结构方案设计86结构方案设计五、重复利用原则五、重复利用原则1. 通过修理或更换配件重复使用；通过修理或更换配件重复使用； （易损件标准化）（易损件标准化）2. 通过功能转换另作他用；通过功能转换另作他用； （钢筋，冲压件下脚料，铅银等的回收）（钢筋，冲压件下脚料，铅银等的回收）3. 易于解体，便于材料分类。易于解体，便于材料分类。87结构方案设计六、降低产品的运行成本六、降低产品的运行成本1. 减少输入能量的设计减少输入能量的设计能耗产品能耗产品2. 提高机械效率的设计提高机械效率的设计3. 回收剩余
18、能量的设计回收剩余能量的设计4. 降低润滑油损失的设计降低润滑油损失的设计88结构方案设计减小润滑油流失的设计减小润滑油流失的设计89结构方案设计1. 提高提高产品维修性的设计产品维修性的设计（1）结构上的可达性）结构上的可达性（2）拆装上的便利性）拆装上的便利性（3）修理上的简易性）修理上的简易性 简化结构简化结构 提高零件的可更换性提高零件的可更换性 设计成可调结构设计成可调结构七、降低产品的维修成本七、降低产品的维修成本90结构方案设计2. 提高产品维修性的维修周期设计提高产品维修性的维修周期设计（1）零件的寿命分类）零件的寿命分类（2）确定维修间隔周期）确定维修间隔周期（3）平衡零件寿
19、命）平衡零件寿命91结构方案设计3. 提高产品维修性的软件设计提高产品维修性的软件设计（1）编写使用说明书）编写使用说明书（2）编制维修技术指南和维修技术指标）编制维修技术指南和维修技术指标（3）确定维修备件的储备指标）确定维修备件的储备指标92结构方案设计第五节第五节 成本估算方法成本估算方法一、按重量估算法一、按重量估算法二、材料成本折算法二、材料成本折算法三、相似产品的成本估算三、相似产品的成本估算93结构方案设计一、通过结构设计降低应力，减少变形一、通过结构设计降低应力，减少变形1. 合理确定截面形状合理确定截面形状第六节第六节 强度与刚度问题（补）强度与刚度问题（补）94结构方案设计
20、2. 合理确定轴向尺寸合理确定轴向尺寸95结构方案设计3. 合理选择支承形式合理选择支承形式96结构方案设计4. 合理利用材料特性合理利用材料特性97结构方案设计98结构方案设计二、改善零件的受力状况二、改善零件的受力状况1. 载荷分流载荷分流99结构方案设计2. 2. 载荷均化载荷均化100结构方案设计载荷均化载荷均化101结构方案设计载荷均化载荷均化102结构方案设计载荷均化载荷均化103结构方案设计载荷抵消载荷抵消104结构方案设计载荷抵消载荷抵消105结构方案设计三、预加载荷三、预加载荷1. 弹性强化弹性强化106结构方案设计2. 塑性强化塑性强化107结构方案设计塑性强化塑性强化10
21、8结构方案设计1. 增大球面支承的综合曲率半径增大球面支承的综合曲率半径四、零件的接触强度和接触刚度四、零件的接触强度和接触刚度109结构方案设计2. 以面接触代替线接触或点接触以面接触代替线接触或点接触3. 采用变位齿轮传动提高齿面接触强度采用变位齿轮传动提高齿面接触强度110结构方案设计1.合理确定截面的形状和尺寸合理确定截面的形状和尺寸1）实心和空心的比较（空心好）实心和空心的比较（空心好）2）不同方向刚度不同（尺寸大的抗弯刚度大）不同方向刚度不同（尺寸大的抗弯刚度大）3）加大外廓尺寸，减小壁厚可提高抗弯和抗扭）加大外廓尺寸，减小壁厚可提高抗弯和抗扭 刚度刚度4）封闭截面比开口截面刚度）
22、封闭截面比开口截面刚度大五、支承件的刚度问题五、支承件的刚度问题111结构方案设计2. 合理布置隔板和加强筋合理布置隔板和加强筋112结构方案设计113结构方案设计3. 合理开孔和加盖合理开孔和加盖114结构方案设计4. 提高局部刚度和接触刚度提高局部刚度和接触刚度115结构方案设计5. 增加阻尼以提高抗振性增加阻尼以提高抗振性116结构方案设计第七节第七节 结构工艺性问题（补）结构工艺性问题（补）铸造工艺性铸造工艺性焊接工艺性焊接工艺性加工工艺性加工工艺性装配工艺性装配工艺性117结构方案设计1. 加工工艺性加工工艺性零件结构力求简单的原则零件结构力求简单的原则便于加工的原则便于加工的原则便
23、于装卡的原则便于装卡的原则提高切削效率的原则提高切削效率的原则118结构方案设计零件结构力求简单的原则零件结构力求简单的原则119结构方案设计便于加工的原则便于加工的原则120结构方案设计便于加工的原则便于加工的原则121结构方案设计便于加工的原则便于加工的原则122结构方案设计便于装卡的原则便于装卡的原则123结构方案设计提高切削效率的原则提高切削效率的原则124结构方案设计提高切削效率的原则提高切削效率的原则125结构方案设计2. 零件装配的工艺性零件装配的工艺性可以分为几个单元的原则可以分为几个单元的原则零部件装拆方便的原则零部件装拆方便的原则保证正确装配的原则保证正确装配的原则126结构方案设计可以分为几个单元的原则可以分为几个单元的原则127结构方案设计零部件装拆方便的原则零部件装拆方便的原则128结构方案设计保证正确装配的原则保证正确装配的原则129结构方案设计保证正确装配的原则保证正确装配的原则130结构方案设计131结构方案设计
