产品结构设计-概述.ppt

产品结构设计 西北工业大学工业设计系吴通 结构设计构型设计机构设计机械设计ConfigurationDesignStructuralDesignMechanicalDesignProductDesign 概述 1 绪论2 自然的结构3 人造物的结构4 静态结构5 动态结构6 结构创新设计 1 绪论 结构是产品设计中应该特别加以重视的环节 产品的结构决定了产品的功能 同时也丰富着产品的形态 结构设计是产品设计中技术设计阶段的一个重要环节 它是在总体设计的基础上 根据选定的原理方案 确定满足功能要求的零部件结构 尺寸 材料 加工工艺 热处理方式等 现代产品结构设计要满足产品的物质功能要求 精神功能要求 技术要求 工艺要求 经济要求 社会要求等 因此 产品结构的设计是涉及问题最多 最具体 工作量最大的阶段之一 产品结构具有层次性 有序性和稳定性的特点 层次性存在于任何产品之中 只是产品的复杂程度不同 层次也有多少 1 1 产品结构的特点 产品结构具有层次性 有序性和稳定性的特点 层次性存在于任何产品之中 只是产品的复杂程度不同 层次也有多少 有序性是指产品结构各个部分之间的组合和联系是按照一定的要求 有目的 有规律的建立起来的 稳定性保障产品的牢固性 安全性 可靠性和可操作性等诸方面的性能 1 1 产品结构的特点 实践性实践性是结构设计的源泉与归宿 一方面 有实际的问题需要解决 才有结构设计的必要和改进 另一方面 实践经验又帮助设计师优化设计 创新结构 1 2 产品结构设计的特点 销连接的结构优化冲压件的结构优化 细节性结构设计是一种细节设计 与原理方案相比 结构设计是通过细节设计来兼顾产品的各种设计约束 1 2 产品结构设计的特点 结构的合理性存在与细节之中 多样性改变零件本身的结构 形态 位置 数量 尺寸 材料 连接 运动方式等 可以得到尽可能大的结构设计方案解空间 这是结构优化和创新设计的重要前提 创新性市场竞争的必然结果 1 2 产品结构设计的特点 1 3 静态产品 动态产品 产品的基本结构要素可分为以下三种 外部结构 通过材料和形态来体现 静 动态不同 内部结构 往往和复杂的技术有关 1 4 产品的基本结构分类 产品的基本结构要素可分为以下三种 外部结构 通过材料和形态来体现 静 动态不同 内部结构 往往和复杂的技术有关系统结构 产品之间及产品与部件之间的关系 分体结构 系列结构 信息结构等 1 4 产品的基本结构分类 概述 1 绪论2 自然的结构3 人造物的结构4 静态结构5 动态结构6 结构创新设计 2 自然的结构 人类通过认识自然从而改造自然 概述 1 绪论2 自然的结构3 人造物的结构4 静态结构5 动态结构6 结构创新设计 3 人造物的结构 人造物是从远古时期人类的祖先智人打制第一块石器开始的 一直到现在的先进加工技术 其结构原理却无非以下三个因素 3 1功能因素3 2生理因素3 3文化因素 3 1功能因素 对功能因素最具权威的注释就是 功能决定形式 从这一点上来看 这是符合当时的社会生产力水平的 同时也是最朴素的造物观点 另一方面 满足一定功能的产品并不仅仅具有特定的单一形态 从这个意义上说 形式追随销售 并无不妥 这里面深层次的问题是对 功能 的理解 黄花梨 宝座 净重 1 6吨尺寸 主座长2 6米高1 8米用材 主座靠背2 3拼 其它全独板工艺 全手工雕刻耗时 三年级别 有可能是中国最大的黄花梨宝座售价 1800万元人民币 3 2生理因素 人们在创造器物的时候 主要是从自身的尺度出发来设计的 丹麦著名设计师汉宁森在战后设计了许多新型的PH灯具系列 具有极高的美学质量 但这种美的造型来自于照明的科学原理 而不是由于附加的装饰 因而使用效果非常好 特别是他设计的PH 5吊灯和PH洋蓟吊灯取得了很大成功 至今畅销不衰 PH 是丹麦设计师保罗 汉宁森 PoulHenningsen 1894 1967 名字的简称 汉宁森设计的 PH 灯具不仅是斯堪的纳维亚设计风格的典型代表 也体现了艺术设计的根本原则 科学技术与艺术的统一 这一设计早在1925年的巴黎国际博览会上 便作为与著名建筑师勒 柯布西耶的世纪性建筑 新精神馆 齐名的杰出设计而获得了金牌 并且至今仍是国际市场上的畅销产品 成为诠释丹麦设计 没有时间限制的风格 的最佳注脚 PH灯具的重要特征是 1 所有的光线必须经过一次反射才能达到工作面 以获得柔和均匀的照明效果 并避免清晰的阴影 2 无论从任何角度均不能看到光源 以免眩光刺激眼睛 3 对白炽灯光谱进行补偿 以获得适宜的光色 4 减弱灯罩边沿的亮度 并允许部分光线溢出 以防止灯具与黑暗背景形成过大反差 造成眼睛不适 PH灯具的优美造型正是这些特点的直接反映 汉宁森1925年设计的PH灯 3 2生理因素 风水 3 3文化因素 产品结构设计做为人类实践活动中的手段历来被以 文化 的方式传承下来 并成为了 文化 的组成部分被传承下去 概述 1 绪论2 自然的结构3 人造物的结构4 静态结构5 动态结构6 结构创新设计 4 静态结构 常见的静态结构有以下六种形式 4 1折叠结构4 2契合结构4 3连接结构4 4壳体结构4 5弹力结构4 6气囊结构 4 1折叠结构 自然的启示 生物通过改变自身形状的尺寸来满足生存发展的需要 变小为了隐身 保护和休息 变大为了示威 欺骗 争取资源 4 1 1折叠的类型 折 重叠式 一次性纸杯 碗 碟 椅子 脸盆套式 俄罗斯套娃 望远镜 收音机天线卷式 钢卷尺 钓鱼线 卷闸门 卷筒纸 布匹 木工墨斗 轴心式 折扇 雨伞 瑞士军刀 折叠自行车 折叠沙发等平行式 手风琴 纸灯 皮老虎 拉闸门 机场活动通道 叠 折叠 轴心式 以一个或多个轴心为折点的折叠结构 StellaMcCartney的木质手包 平行式 利用几何学上的平行原理进行折叠的结构 重叠式 同一种物品在上下或者前后可以相互容纳从而便于重叠放置 套式 通常是由一系列大小不同但形态相同的物品组合在一起 卷式 可以使物品重复的展开与收拢 4 1 2折叠结构的价值 有效利用空间便于携带一物多用 折叠餐桌 安全 折叠剪刀 折叠刀 降低储运成本便于分类管理 4 2契合结构 契合是指两个物件个体互相咬合的一种结构形式 4 2 1契合结构的类型 榫卯拉链拼图 契合 榫卯 中华民族智慧的结晶 契合结构的典型代表 拉链 美国人智慧的结晶 人类造物史上的重大发明 拼图 以七巧板为代表的益智玩具 4 2 2契合结构的价值 有效利用材料有利于组合与排列便于归类整理 4 3连接结构 连接结构的运用几乎存在于所有的产品结构之中 可拆连接 铆接焊接粘接 插接 皮带扣 纸盒 塑料盒盖等锁扣 手机盖 电池盖 塑料包装搭扣 包袋扣等螺旋 器皿盖 管道箍等 固定连接 连接 插接 在连接构件上的相应插装部位进行连接 锁扣 靠材料本身的弹性实现的连接 螺旋 螺旋结构操作简单 可靠性强 铆接 通过在构件上打孔再用铆钉铆合的连接方式 焊接 机械加工中常用的方式之一 焊接的缺点是 造型能力差 须借助辅助件造型 加工精度低 焊接产生内应力 容易变形 粘接 广泛运用的不可拆卸的连接方式 4 4壳体结构 壳体结构具有轻巧 坚固 并能节省材料的特点 4 4 2壳体结构的特性 壳体表面多为曲面 可以将载荷传递至支撑 壳体结构难以抵抗集中载荷 壳体形态饱满而富有力度 灵巧而富有动感 审美感较强 4 5弹力结构 弹力结构是利用材料的弹性来形成结构 4 5 2弹性结构的特性 必须在外力的作用下 弹力结构才能发生作用 弹力具有双向性 既有 拉 又有 压 细长的材料 收到两端的压力时 容易弯曲 收到两端的拉力时 能发挥很大的抵抗力 所以细长材料更能发挥 拉 的力学效应 4 6气囊结构 气囊结构指的是能承受周围空气压力 传递和释放外力 并使柔性的薄膜材料充气后成为一个匀质而有弹性的结构体 4 6 2气囊结构的特性 该结构必须具有抗压作用 且不漏气 结构体内部各个部位的气压必须保持均衡稳定 从而保证充气后褶皱少 饱满而挺拔 结构体内部空间要贯通 以最大限度发挥气囊整体的支撑作用 概述 1 绪论2 自然的结构3 人造物的结构4 静态结构5 动态结构6 结构创新设计 5 动态结构设计 主要研究内容 构件间可动联接 MovableConnector 的型式及其运动和传力特征 1 构件 Link 机械的运动单元 传递运动和力的载体 实例 内燃机中的缸体 活塞 连杆 曲轴等 5 1机构的组成 一个构件也可以由几个零件刚性联接组成 实例 连杆由连杆体 轴瓦 连杆盖 螺栓 垫圈 螺母 连杆衬套等相互刚性联接组成 零件 Part 是机械的制造单元 内燃机连杆 2 运动副 Kinematicpair 两个构件以一定几何形状和尺寸的表面相互接触所形成的可动联接 运动副元素 Pairelement 两个构件上相互接触的表面 约束 Constraint 运动副对构件间的相对运动自由度所施加的限制 特点 具有较多的自由度 易于构件的自动调整 保持静定特性 接触应力大 易变形 易磨损 承载能力低 制造比较困难 适用场合 结构简单 运动精度要求较高 受力较小 构件的不同接触形式点接触 Pointcontact 线接触 Linecontact 面接触 Areacontact 特点相当于多点接触 承载能力较高 应用广泛 运动副的自由度一般较低 其接触状况对尺寸 形状及相对位置误差十分敏感 实际接触及受力状况难以准确确定 需要较高的制造精度 保证运动副可靠工作的措施 提高表面硬度 正确选用材料 添加润滑剂 加入中间体 将滑动摩擦改为滚动摩擦 运动副的分类 按运动副的接触形式分类面与面接触的运动副 低副 Lowerpair 点 线接触的运动副 高副 Higherpair 按两构件相对运动的形式分类平面运动副 Planarkinematicpair 空间运动副 Spatialkinematicpair 按接触部分的几何形状分类圆柱副 球面副 螺旋副 球面 平面副 平面 平面副 球面 圆柱副 圆柱 平面副等等 运动副举例 球面 平面副Sphere planepair空间I级高副 圆柱 平面副Cylinder planepair空间II级高副 球面副Sphericalpair空间III级低副 球销副Sphere pinpair空间IV级低副 圆柱副Cylindricpair空间IV级低副 螺旋副Helicalpair空间V级低副 转动副Revolutepair平面V级低副 轴承Bearing 铰链Hingedjoint 移动副Prismaticpair Slidingpair平面V级低副 平面机构是应用最广泛的机构 点 线接触的平面运动副 平面高副 面接触的平面运动副 平面低副转动副移动副 滚动副凸轮副齿轮副 构件的类型原动件 Drivinglink 机构中按给定运动规律运动的构件 也称为输入构件 Inputlink 从动件 Drivenlink Follower 其余的可动构件 具有预期的运动规律 对外完成某种工艺动作的从动件也称为输出构件 Outputlink 或执行构件 Executivelink 机架 Fixedlink Frame 固定不动的构件 机构 机架 原动件 从动件系统 画构件时应撇开构件的实际外形 而只考虑运动副的性质 5 2常用机构及其设计 1 棘轮机构 2 槽轮机构 3 擒纵轮机构 4 凸轮式间隙运动机构 6 非圆齿轮机构 5 不完全齿机构 7 螺旋机构 8 万向铰链机构 一 棘轮机构的组成及其工作原理 组成 摆杆 棘爪 棘轮 止动爪 1 棘轮机构 工作原理 摆杆往复摆动 棘爪推动棘轮间歇转动 优点 结构简单 制造方便 运动可靠 转角可调 缺点 工作时有较大的冲击和噪音 运动精度较差 适用于速度较低和载荷不大的场合 作者 潘存云教授 棘轮 摆杆 棘爪 止动爪 棘轮类型 按轮齿分布 外缘 内缘 端面棘轮机构 二 棘轮机构的类型与应用 按轮齿分布 外缘 内缘 端面棘轮机构 二 棘轮机构的类型与应用 按工作方式 单动式 双动式棘轮机构 双动式棘轮机构 棘轮类型 按轮齿分布 外缘 内缘 端面棘轮机构 二 棘轮机构的类型与应用 按工作方式 单动式 双动式棘轮机构 单向 双向运动棘轮机构 按棘轮转向是否可调 棘轮双向运动1 棘轮双向运动2 棘轮类型 按轮齿分布 外缘 内缘 端面棘轮机构 二 棘轮机构的类型与应用 按工作方式 单动式 双动式棘轮机构 单向 双向运动棘轮机构 按棘轮转向是否可调 按转角是否可调 固定转角 可调转角 牛头刨床进给调整机构通过调整杆长来调摆角 通过调滑动罩来调角度 棘轮类型 棘轮类型 按轮齿分布 外缘 内缘 端面棘轮机构 二 棘轮机构的类型与应用 按工作方式 单动式 双动式棘轮机构 单向 双向运动棘轮机构 按棘轮转向是否可调 按转角是否可调 固定转角 可调转角 轮齿棘轮 摩擦棘轮 按工作原理分 摩擦棘轮 超越离合器 运动特点 轮齿式棘轮工作时噪音大且转角为步进可调 但运动准确 而摩擦棘轮正好相反 应用 在各类机床中实现进给 转位 或分度 实例 止动器 牛头刨床 冲床转位 超越离合器 单车飞轮 间歇转动 冲头 卸料工位 装料工位 冲压工位 2 槽轮机构 马尔它机构 一 槽轮机构的组成及其工作特点 作用 将连续回转变换为间歇转动 组成 带圆销的拨盘 带有径向槽的槽轮 拨盘和槽轮上都有锁止弧 槽轮上的凹圆弧 拨盘上的凸圆弧 起锁定作用 特点 结构简单 制造容易 工作可靠 机械效率高 能平稳地 间歇地进行转位 因槽轮运动过程中角速度有变化 不适合高速运动场合 工作过程 拨盘连续回转 当两锁止弧接触时 槽轮静止 反之槽轮运动 锁止弧 槽轮 拨盘 圆销 二 槽轮机构的类型与应用 球面槽轮机构 应用实例 电影放映机 自动摄影机 六角车床转塔 外啮合槽轮机构 内啮合槽轮机构 槽轮机构类型 外啮合槽轮机构 内啮合槽轮机构 球面槽轮机构 3 擒纵轮机构 一 擒纵轮机构的组成及其工作原理 组成 擒纵轮 擒纵叉 游丝摆轮 工作原理 擒纵轮受发条力矩的驱动 游丝摆轮系统往复摆动 带动擒纵叉往复摆动 卡住或释放擒纵轮 并使它间歇转动 二 擒纵轮轮机构的类型与应用 固有振动系统型擒纵轮轮机构 无固有振动系统型擒纵轮轮机构 计时精度高 用于钟表 结构简单 成本低 计时精度不高 用于自动记录仪 时间继电器 计数器 定时器 测速器 照相机快门和自拍器等 4 凸轮式间歇运动机构 1 工作原理及特点 圆柱凸轮连续回转 推动均布有柱销的从动圆盘间歇转动 特点 从动圆盘的运动规律取决于凸轮廓线的形状 优点 可通过选择适当的运动规律来减小动载荷 避免冲击 适应高速运转的要求 定位精确 且结构紧凑 缺点 凸轮加工较复杂 安装调整要求严格 2 类型及应用 类型 圆柱凸轮间歇运动机构 蜗杆凸轮间歇运动机构 圆柱凸轮间歇运动机构 蜗杆凸轮间歇运动机构 牙膏灌浆机 应用 适用于高速 高精度的分度转位机械制瓶机 纸烟 包装机 拉链嵌齿 高速冲床 多色印刷机等机械 封口 灌浆 5 不完全齿轮机构 1 工作原理及特点 工作原理 在主动齿轮只做出一个或几个齿 根据运动时间和停歇时间的要求在从动轮上做出与主动轮相啮合的轮齿 其余部分为锁止圆弧 当两轮齿进入啮合时 与齿轮传动一样 无齿部分由锁止弧定位使从动轮静止 优点 结构简单 制造容易 工作可靠 从动轮运动时间和静止时间的比例可在较大范围内变化 2 类型及应用 类型 外啮合不完全齿轮机构 内啮合不完全齿轮机构 缺点 从动轮在开始进入啮合与脱离啮合时有较大冲击 故一般只用于低速 轻载场合 外啮合不完全齿轮机构 内啮合不完全齿轮机构 应用 适用于一些具有特殊运动要求的专用机械中 如乒乓球拍周缘铣削加工机床 蜂窝煤饼压制机等 作者 潘存云教授 作者 潘存云教授 作者 潘存云教授 6 非圆齿轮机构 应用实例 滚筒式平板印刷机 压力机 机床转位机构 非线性函数电位机构 流量计 书心脊背加工联动机构等 非圆齿轮机构是一种用于变传动比传动的齿轮机构