《机械创新设计》课件-7第7章机械结构的创新设计

第七章机械结构的创新设计

结构设计是将机构和构件具体化为某个零件或某个部件的形状、尺寸、连接方式、顺序、数量等具体结构方案的过程，用以实现机械对它的工作要求。

结构设计不是简单重复的操作性工作，而是创造性工作。工程知识是从事结构设计工作的前提，巧妙构型与组合是结构创造性设计的核心。§7-1实现零件功能的结构设计与创新一、功能分解每个零件的每个部位各承担着不同的功能，具有不同的工作原理。若将零件功能分解、细化，则会有利于提高其工作性能，有利于开发新功能，也使零件整体功能更驱于完善。1.螺钉头

应与扳拧工具相结合进行结构设计与创新

扳拧功能

已有结构：1.一般扳手拧紧，可获得较大的预紧力，但不同头部所需的最小空间不同；2.手工拧紧，不需专门工具；3.扳手作用在螺钉内表面，螺纹连接件整齐美观；4.螺丝刀拧紧，所需空间小，但拧紧力矩也小。为提高装配效率，简化扳拧工具，还可设计成外六角与十字槽组合式的螺钉头。功能扩展：

支撑功能由与被联接件接触部分的螺钉头部端面实现的，此端面称为结合面。法兰面螺钉头结构：

不仅实现了支撑功能，还可以提高联接强度，防止松动。若扩大结合面功能，将结合面制成齿纹，则防松功能将会增加。2.螺钉体3.螺钉尾

联接功能

由螺牙部分实现，是螺钉的核心结构，其工作原理是靠摩擦力实现联接。连接螺纹采用的是三角形螺纹。

导向功能

为方便安装一般应具有倒角。为进一步扩大螺钉尾部功能，可设计成自钻自攻的尾部结构。

为获得更完善的零件功能，在结构设计与创新中可尝试进行功能分解，再通过联想、类比与移植等创新原理进行功能的扩展，或新功能的开发。二、功能组合

指一个零件可以实现多种功能，从而使整个机械系统更驱于简单化，简化制造过程，减少材料消耗，提高工作效率，是结构创新设计的一个重要途径。深沟球轴承（止动槽+防尘盖）带轮飞轮组合（带轮+飞轮）三、功能移植是指相同的或相似的结构可实现完全不同的功能。

液压常用于动力传递，如液压泵。若将液压产生的动力用于变形就可以移植到联接功能上，也就产生了液压涨套联接。

液压涨套联接管箍

齿轮啮合常用于传动，将啮合功能移植到连轴

器，产生齿式联轴器。

齿式联轴器滚子链联轴器齿式联轴器§7-2结构元素的变异与创新

主要指结构的形状、数量、位置、联接等要素。经变异后可适应不同的工作要求，或比原有结构具有更良好而完善的功能。键联接：单键双键花键无键联接（成形轴联接）一、轮毂联接结构元素的变异与创新棘轮机构二、棘轮传动的结构元素变异与创新功能面的形状变换工作面的数量变换工作面的位置变换三、轴系支撑结构方案的变异与创新1.传统螺钉旋具的现有技术

四、传统螺钉旋具的结构元素变异与创新2.螺钉旋具的新型结构

(1)组合刀头螺钉旋具(2)棘轮式螺钉旋具

(3)压转式螺钉旋具组合刀头螺钉旋具活扳手示意图五、传统扳手的结构元素变异与创新1.传统扳手的现有技术2.新型多功能扳手——铰链式扳钳

铰链式扳钳的结构图

1—扳杆2—钳钩3—销轴4—扇形钳体5—V形钳口

6、7—钳口边8—钳口角9—弧边10—圆孔2.新型多功能扳手——仿生扳手2.新型多功能扳手——光圈ApertureGATORGRIP万能扳手套筒2.新型多功能扳手——GATORGRIP万能扳手套筒

移动副的滑滚转换

1、2—构件3—滚柱1.移动副元素的中介体变换六、机构运动副元素中介体变换创新

滚动导轨的结构形式

a)三角形滚动导轨b)矩形滚动导轨c)十字交叉滚动导轨

转动副的滑滚转换

1、2—构件3—钢球4—保持架(图c中为附加滚动体)2.转动副元素的中介体变换

螺旋副的滑滚转换

1、2—构件3—钢球3.螺旋副的中介体滑滚转换§7-3提高性能的结构结构设计与创新

用塑料作联接件应避免尖锐的棱角。塑料螺纹的形状一般优先采用圆形或梯形，避免三角形。一、发挥材料性能的结构设计与创新选用不同的材料，往往同时伴随着零部件结构形状的变异。一、发挥材料性能的结构设计与创新陶瓷联接铸铁机座一、发挥材料性能的结构设计与创新

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来补偿工作表面几何形状的误差。这种轴承可以补偿安装变形、轴向位移、角度位移，减少振动与噪声，延长使用寿命。

带弹性外圈的滚动轴承

1—内圈2—外圈3—外套4—弹性座圈5—凸起二、实现性能互补的结构设计与创新减振链轮三、提高承载能力的结构设计与创新

在结构设计中,应将载荷由多个结构分别承担，这样有利于降低危险结构处的应力，从而提高结构的承载能力。改善球面支承强度和刚度的结构设计四、提高强度和刚度的结构设计与创新在结构形状设计时，还要考虑到工作条件与外界因素对零件功能效果的影响。例如，对于高速带传动，为增加带的挠曲性，在带的非工作面上一般均开有横向沟槽；带轮一般制成鼓形，运转时保持带位于带轮的中部，以防止脱落；为避免带与带轮之间生成气垫，影响传力的可靠性，在小带轮的边缘上开有环形槽。高速带与带轮的结构五、改善工作性能的结构设计与创新摆杆与推杆的球面位置变换

1—摆杆2—推杆调心滑动轴承滑动导轨上下位置变换§7-4便于制造和操作的结构设计与创新

在满足使用功能的前提下，设计者应力求使所设计产品的结构工艺简单、消耗少、成本低、使用方便、操作容易、寿命长。一、加工工艺的结构构型

对于机械加工的零件，在结构设计时要考虑到使装卡、加工与测量时间比较短，设备费用低等因素。这主要体现在加工面的形状力求简单，尺寸力求小，位置应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。一、加工工艺的结构构型键槽结构组合结构（燕尾槽滑轨）顶尖结构考虑节料冲压结构组合结构一、加工工艺的结构构型人工装配时，希望装配方便、省力、可靠。同时随着装配自动化程度的提高，装配自动生产线和装配机器人对结构形状的识别也提出了结构设计的要求。二、装配输送的结构构型便于方位识别的结构易拆装的V带轮二、装配输送的结构构型

简化装配将螺钉定位结构改变为卡扣定位结构二、装配输送的结构构型

易于输送零件在输送时，需要形状简单稳定、不易互相干扰或倾倒。三、简单结构只有精炼的，简单的才是设计的进步。软管卡子法兰联接联接结构的简化端盖结构的简化简单、容易拆装的吊钩结构弹性铰链结构三、弹性结构或者可以利用塑料的弹性，不采用螺纹联接，而采用简单的结构形状联接与定位。柔顺机构四、弹性结构手动夹钳柔性可回程扳手四、弹性结构柔性可回程扳手四、弹性结构连杆长度的调节五、可调结构设计手用铰刀

指机械设备的结构形状应该适合人的心理和生理的要求，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：

改进前，操作者使用时长期处于非自然状态，容易疲劳；改进后，结构形状柔和，操作者在使用时基本处于自然状态，长期使用不易疲劳。手工操作工具的结构改进§7-5机械结构的宜人化创新设计减少观察错误的设计在由人和机器组成的系统中人起着对系统的工作状况进行调节的“调节器”的作用，人的正确调节来源于人对机器工作情况的正确了解和判断，所以在人一机系统设计中使操作者能够及时、正确、全面地了解机器的工作状况是非常重要的。不同形式刻度盘的误读率比较开窗式圆形半圆形水平直线垂直直线刻度盘形式误读率0.5%10.9%16.6%27.5%35.5%减少操作错误的结构：

为减少操作错误，操作零件的外