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本帖最后由 twq19810302 于 2023-3-8 14:52 編輯
機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計指零件的結(jié)構(gòu)形狀及零件間的聯(lián)接關(guān)系的設(shè)計。是機(jī)械設(shè)計的主要組成部分，是涉及問題最多,、最具體、工作量最大的工作階段。在這些具體化的過程中需要考慮材料的力學(xué)性能、零部件的功能,、工作條件、加工工藝,、裝配,、使用、成本,、安全,、環(huán)保等各種因素的影響。結(jié)構(gòu)設(shè)計不是簡單重復(fù)的操作性工作,，而是創(chuàng)造性工作,；豐富知識是從事結(jié)構(gòu)設(shè)計工作的前提，巧妙構(gòu)形組合是結(jié)構(gòu)創(chuàng)造性設(shè)計的核心,。
結(jié)構(gòu)中所有零部件的形狀,、尺寸、位置,、數(shù)量,、材料、熱處理方式和表面狀況所確定的結(jié)構(gòu)除應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)原理方案所規(guī)定的動作要求外還應(yīng)能滿足設(shè)計對結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度,、剛度,、精度、穩(wěn)定性,、工藝性,、壽命、可靠性等方面的要求,。機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要特征之一是設(shè)計問題的多解性即滿足同一設(shè)計要求的機(jī)械結(jié)構(gòu)并不是唯一的,。機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計的任務(wù)是在眾多的可行結(jié)構(gòu)方案中尋求較好的或最好的方案。找出所有的局部最優(yōu)解并從中找出全局最優(yōu)解得到最好的設(shè)計方案,。這就需要發(fā)揮創(chuàng)造性思維方法的作用,。結(jié)構(gòu)方案的變異設(shè)計方法使設(shè)計者從一個已知的可行結(jié)構(gòu)方案出發(fā)通過變換得到大量的可行方案。通過對這些方案中參數(shù)的優(yōu)化可以使設(shè)計者得到多個局部最優(yōu)解再通過對這些局部最優(yōu)解的分析和比較就可以得到較優(yōu)解或全局最優(yōu)解,。
1結(jié)構(gòu)方案的變異設(shè)計
目的是尋求滿足設(shè)計要求的獨(dú)立的設(shè)計方案,，以便對其進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計。變異設(shè)計的基本方法是首先通過對結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的分析得出一般結(jié)構(gòu)設(shè)計方案中所包含的技術(shù)要素的構(gòu)成,。然后再分析每一個技術(shù)要素的取值范圍通過對這些技術(shù)要素在各自的取值范圍內(nèi)的充分組合就可以得到足夠多的獨(dú)立的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案,。一般機(jī)械結(jié)構(gòu)的技術(shù)要素包括零件的幾何形狀零件之間的聯(lián)接和零件的材料及熱處理方式。以下分別分析這幾個技術(shù)要素的變異設(shè)計方法,。
1.1
功能面的變異
機(jī)械結(jié)構(gòu)的功能主要是靠機(jī)械零部件的幾何形狀及各個零部件之間的相對位置關(guān)系實現(xiàn)的,。零件的幾何形狀由它的表面所構(gòu)成，一個零件通常有多個表面,。在這些表面中與其他零部件相接觸的表面,，與工作介質(zhì)或被加工物體相接觸的表面稱為功能表面。
零件的功能表面是決定機(jī)械功能的重要因素,，功能表面的設(shè)計是零部件設(shè)計的核心問題,。通過對功能表面的變異設(shè)計可以得到為實現(xiàn)同一技術(shù)功能的多種結(jié)構(gòu)方案。描述功能表面的主要幾何參數(shù)有表面的形狀,、尺寸大小,、表面數(shù)量、位置,、順序等,。通過對這幾個方面的變異可以得到多組構(gòu)型方案,。
下圖為螺釘頭工作表面變異設(shè)計：
1.2
聯(lián)接的變異
一個不與其他零部件相接觸的零件具有6個自由度,。機(jī)械設(shè)計中通過規(guī)定零件之間適當(dāng)?shù)穆?lián)接方式限制零件的某些自由度，保留機(jī)器的功能所必需的自由度,，使機(jī)器在工作中能夠?qū)崿F(xiàn)確定形式的運(yùn)動關(guān)系,。
聯(lián)接的作用是通過零件的工作表面與其他零件的相應(yīng)表面的接觸實現(xiàn)的。不同形式的聯(lián)接由于相接觸的工作表面形狀不同,、表面間所施加的緊固力不同從而對零件的自由度形成不同的約束,。
以軸轂聯(lián)接為例,，軸與輪轂的聯(lián)接對相對運(yùn)動自由度的限制可能有：
1）固定聯(lián)接：限制6個相對運(yùn)動自由度.
2）滑動聯(lián)接：限制5個相對運(yùn)動自由度。
3）轉(zhuǎn)動聯(lián)接：限制5個相對運(yùn)動自由度,。
4）移動,、轉(zhuǎn)動聯(lián)接：限制5個相對運(yùn)動自由度。
按照聯(lián)接中形成鎖合力的條件可將固定式軸轂聯(lián)接分為形鎖合聯(lián)接和力鎖合聯(lián)接,。
力鎖合聯(lián)接依靠被聯(lián)接件表面間的壓力所派生的摩擦力傳遞轉(zhuǎn)矩和軸向力,，表面間壓力的產(chǎn)生可以依靠多種不同的結(jié)構(gòu)措施。過盈配合是一種常用的結(jié)構(gòu)措施,，它以最簡單的結(jié)構(gòu)形狀獲得足夠的壓力,。缺點(diǎn)是裝配和拆卸都很不方便并引起較大的應(yīng)力集中。常用的形鎖合聯(lián)接有銷聯(lián)接,、平鍵聯(lián)接,、半圓鍵聯(lián)接、花鍵聯(lián)接,、成形聯(lián)接和切向鍵聯(lián)接,。為構(gòu)造裝拆方便的力鎖合聯(lián)接結(jié)構(gòu)必須使聯(lián)接裝配時表面間無過盈。裝配后通過其他調(diào)整措施使表面間產(chǎn)生過盈,，拆卸過程則相反,。常用的力鎖合聯(lián)接有楔鍵聯(lián)接、彈性環(huán)聯(lián)接,、圓柱面過盈聯(lián)接,、圓錐面過盈聯(lián)接、頂絲聯(lián)接,、容差環(huán)聯(lián)接,、星盤聯(lián)接、壓套聯(lián)接和液壓漲套聯(lián)接等常用的力鎖合聯(lián)接軸系的工作性能與它的支承設(shè)計的狀況和質(zhì)量密切相關(guān),。公眾號：solidworks非標(biāo)機(jī)械設(shè)計
下圖為常用的力鎖合連接：
1.3
材料的變異
機(jī)械設(shè)計中可以選擇的材料種類眾多,，不同的材料具有不同的性能，不同的材料對應(yīng)不同的加工工藝.結(jié)構(gòu)設(shè)計中既要根據(jù)功能的要求合理地選擇適當(dāng)?shù)牟牧�,，又要根�?jù)材料的種類確定適當(dāng)?shù)募庸すに�,，并根�?jù)加工工藝的要求確定適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)。只有通過適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計才能使所選擇的材料最充分地發(fā)揮優(yōu)勢,。要做到正確地選擇結(jié)構(gòu)材料就必須充分地了解所選材料的力學(xué)性能,、加工性能、使用成本等信息,。
例如彈性聯(lián)軸器的設(shè)計中需要選擇彈性元件的材料有金屬,、橡膠、尼龍,、膠木等,。由于所選彈性元件材料的不同,，使得聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)變化很大。由于彈性元件的壽命短,，使用中需多次更換.在結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)為更換彈性元件提供可能和方便,，為更換彈性元件留有必要的操作空間使更換彈性元件所必須拆卸,、移動的零件盡量少,。
結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)根據(jù)所選材料的特性及其所對應(yīng)的加工工藝而遵循不同的設(shè)計原則。
鋼材受拉和受壓時的力學(xué)特性基本相同,，因此鋼梁結(jié)構(gòu)多為對稱結(jié)構(gòu),。鑄鐵材料的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于抗拉強(qiáng)度，因此承受彎矩的鑄鐵結(jié)構(gòu)截面多為非對稱形狀,，以使承載時最大壓應(yīng)力大于最大拉應(yīng)力,。塑料結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度較差，螺紋聯(lián)接件產(chǎn)生的裝配力很容易使塑料零件損壞.在兩個被聯(lián)接件上分別做出形狀簡單的搭鉤和凹槽,裝配時利用塑料零件彈性變形量大的特點(diǎn)使搭鉤與凹槽互相咬合實現(xiàn)聯(lián)接,，裝配過程簡單準(zhǔn)確,、便于操作。設(shè)計的結(jié)果要通過制造和裝配實現(xiàn),，結(jié)構(gòu)設(shè)計中如果能根據(jù)所選材料的工藝特點(diǎn)合理地確定結(jié)構(gòu)形式則會為制造過程帶來方便,。
在結(jié)構(gòu)形狀設(shè)計時，還要考慮到工作條件與外界因素對零件功熊效果的影響,。例如對于高速帶傳動,，為增加帶的撓曲性，在帶的非工作面上一般均開有橫向溝槽,；帶輪一般制成鼓形,，運(yùn)轉(zhuǎn)時保持帶位于帶輪的中部,以防止脫落;為避免帶與帶輪之間生成氣墊，影響傳力的可靠性,在小帶輪的輪緣上開有環(huán)形槽,。
揚(yáng)長避短,、性能互補(bǔ)。
結(jié)構(gòu)形狀要有利于材料性能的發(fā)揮,。如鑄鐵的抗壓強(qiáng)度比抗拉強(qiáng)度高,，因此鑄鐵就要設(shè)計成承受抗壓狀態(tài)，以充分發(fā)揮其優(yōu)勢,。陶瓷材料承受局部集中載荷的能力差,在與金屬件的連接中,，應(yīng)避免其弱點(diǎn)。塑料是常用的加工材料之一,，質(zhì)量輕,，成本低，能制成很復(fù)雜的形狀,，但強(qiáng)度,、剛度低,，易老化。將剛性與柔性材料合理搭配,在剛性部件中對某些零件賦予柔性,，使其能用接觸時的變形來補(bǔ)償工作表面幾何形狀的誤差,。
2 提高性能的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計方法
機(jī)械產(chǎn)品的性能不但與原理設(shè)計有關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計的質(zhì)量也直接影響產(chǎn)品的性能，甚至影響產(chǎn)品功能的實現(xiàn),。下面分別分析為提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度,、剛度、精度,、工藝性等方面性能常采用的設(shè)計方法和設(shè)計原則.強(qiáng)度和剛度是結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本問題通過正確的結(jié)構(gòu)設(shè)計可以減小單位載荷所引起的材料應(yīng)力和變形量,提高結(jié)構(gòu)的承載能力,。
2.1
強(qiáng)度和剛度都與結(jié)構(gòu)受力有關(guān)
在外載荷不變的情況下降低結(jié)構(gòu)受力是提高強(qiáng)度和剛度的有效措施。
1）載荷分擔(dān)載荷引起結(jié)構(gòu)受力
如果多種載荷作用在同一結(jié)構(gòu)上就可能引起局部應(yīng)力過大,，結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)將載荷由多個結(jié)構(gòu)分別承擔(dān),。這樣有利于降低危險結(jié)構(gòu)處的應(yīng)力，從而提高結(jié)構(gòu)的承載能力這,，這種方法稱為載荷分擔(dān),。公眾號：solidworks非標(biāo)機(jī)械設(shè)計
載荷分擔(dān)彎矩和扭矩同時作用會在軸上引起較大應(yīng)力。結(jié)構(gòu)中增加了一個支承套帶輪通過端蓋將扭矩傳給軸,，通過軸承將壓軸力傳給支承套,。
2）載荷平衡：
在機(jī)械傳動中有些做功的力必須使其沿傳動鏈傳遞，有些不做功的力應(yīng)盡可能使其傳遞路線變短,。如果使其在同一零件內(nèi)與其他同類載荷構(gòu)成平衡力系則其他零件不受這些載荷的影響利于提高結(jié)構(gòu)的承載能力,。
3）減小應(yīng)力集中
應(yīng)力集中是影響承受交變應(yīng)力的結(jié)構(gòu)承載能力的重要因素。結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)設(shè)法緩解應(yīng)力集中,。在零件的截面形狀發(fā)生變化處力流會發(fā)生變化,，局部力流密度的增加引起應(yīng)力集中。減小應(yīng)力集中零件截面形狀的變化越突然應(yīng)力集中就越嚴(yán)重,結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)盡力避免使結(jié)構(gòu)受力較大處的零件形狀突然變化,，以減小應(yīng)力集中對強(qiáng)度的影響,。零件受力變形時不同位置的變形阻力（剛度)不相同也會引起應(yīng)力集中。設(shè)計中通過降低應(yīng)力集中處附近的局部剛度可以有效地降低應(yīng)力集中,。由于結(jié)構(gòu)定位等功能的需要在絕大部分結(jié)構(gòu)中不可避免地會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)尺寸及形狀的變化這些變化都會引起應(yīng)力集中,。如果多種變化出現(xiàn)在同一結(jié)構(gòu)截面處將引起嚴(yán)重的應(yīng)力集中，所以結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)盡力避免這種情況,。
2.2
提高機(jī)械精度設(shè)計
通過結(jié)構(gòu)設(shè)計可以減小由于制造,、安裝等原因產(chǎn)生的原始誤差；減小由于溫度磨損,、構(gòu)件變形等原因產(chǎn)生的工作誤差,；減小執(zhí)行機(jī)構(gòu)對各項誤差的敏感程度從而提高產(chǎn)品的精度。制造和安裝過程中產(chǎn)生的誤差是不可避免的,通過適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計可以在原始誤差不變的情況下使執(zhí)行機(jī)構(gòu)的誤差較小。試驗證明螺旋傳動的誤差可以小于螺桿本身的螺距誤差,。千分尺的累積測量誤差千分尺螺桿的螺距累積誤差.
1）誤差均化機(jī)械精度的均化原理
在機(jī)構(gòu)中如果有多個聯(lián)接點(diǎn)同時對一種運(yùn)動起限制作用則運(yùn)動件的運(yùn)動誤差決定于各聯(lián)接點(diǎn)的綜合影響?yīng)⑵溥\(yùn)動精度高于一個聯(lián)接點(diǎn)的限制作用,。在一定條件下增加螺旋傳動中起作用的螺紋圈數(shù)使多圈螺紋同時起作用。不但可以提高螺旋傳動的承載能力和耐磨性,，而且可以提高傳動精度.
2.3
提高工藝性
結(jié)構(gòu)設(shè)計要根據(jù)機(jī)械切削加工機(jī)床的設(shè)備特點(diǎn),，為裝卡過程提供必要的夾持面。夾持面的形狀和位置應(yīng)使零件在切削力的作用下具有足夠的剛度,。零件上的被加工面應(yīng)能夠通過盡量少的裝卡次數(shù)得以完成,。如果能夠通過一次裝卡對零件上的多個相關(guān)表面進(jìn)行加工，這將有效地提高加工效率,。
例如上圖只有兩個圓錐表面用,，卡盤無法裝卡.增加了兩個圓柱形表面,，這個表面在零件工作中不起作用,只是為了實現(xiàn)工藝過程而設(shè)的這種表面稱為工藝表面.
方便加工切削加工所要形成的幾何表面的數(shù)量,、種類越多加工所需的工作量就越大。結(jié)構(gòu)設(shè)計中盡量減加工表面的數(shù)量和種類是一條重要的設(shè)計原則,。
簡化裝配,、調(diào)整和拆卸加工好的零部件要經(jīng)過裝配才能成為完整的機(jī)器。裝配的質(zhì)量直接影響機(jī)器設(shè)備的運(yùn)行質(zhì)量,，設(shè)計中是否考慮裝配過程的需要也直接影響裝配工作的難度.
3 結(jié)構(gòu)的宜人化設(shè)計
宜人結(jié)構(gòu)是指機(jī)械設(shè)備的結(jié)構(gòu)形狀應(yīng)該適合人的生理和心理要求,，使得操作安全、準(zhǔn)確省力,、簡便,，減輕操作的疲勞,提高工作效率。
3.1
減少操作疲勞的結(jié)構(gòu)
結(jié)構(gòu)設(shè)計與構(gòu)型時應(yīng)該考慮操作者的施力情況,，避免操作者長期保持一種非 自然狀態(tài)下的姿勢,。如圖下所示各種手工操作工具改進(jìn)前后的結(jié)構(gòu)形狀。改進(jìn)前結(jié)構(gòu)形狀呆板,，操作者使用時長期處于非自然狀態(tài),容易疲勞,；改進(jìn)后結(jié)構(gòu)形狀柔和，操作者在使用時基本處于自然狀態(tài),，長期使用也不覺疲勞,。
3.2
提高操作能力的結(jié)構(gòu)
操作者在操作機(jī)械設(shè)備或裝置時需要用力，人處于不同姿勢,、不同方向,、不 同手段用力時發(fā)力能力差別很大。一般人的右手握力大于左手,。腳力的大小也與 姿勢有關(guān),，—般坐姿時腳的推力大，當(dāng)操作力超過50—150時宜選腳力控制。用手操作的手輪,、手柄或杠桿外形應(yīng)設(shè)計得使手握舒服,，不滑動，用腳操作最好采用坐姿,，座椅要有靠背,，腳踏板應(yīng)設(shè)在座椅前正中位置。
3.3
減少操作錯誤的結(jié)構(gòu)
為減少操作錯誤,，操作零件的外形要簡單,，容易辨認(rèn)。操作位置要合適,應(yīng)力求使操作零件位于操作者的手或腳夠得著的位置,。應(yīng)給操作者提供一個可減輕疲勞的座位,，指示儀表在操作者視野范圍之內(nèi)。
3.4
外形與色彩
零件的外形應(yīng)與零件的功能,、零件的材料,、載荷特點(diǎn)、加工方法相適應(yīng),，同時也要適應(yīng)人的反應(yīng),。除滿足使用功能、加工條件,、材料特性外,，還要考慮外形的和諧、均衡,、穩(wěn)定,。好的機(jī)器一定是漂亮的機(jī)器。
4 方便制造與操作的結(jié)構(gòu)設(shè)計與創(chuàng)新
在滿足使用功能的前提下,，設(shè)計者應(yīng)力求使所設(shè)計產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)工藝簡單,、消耗少、成本低,、使用方便,、操作容易、壽命長,。
4.1
加工工藝的結(jié)構(gòu)構(gòu)型
對于機(jī)械加工的零件,，在構(gòu)型上要考慮到使裝卡、加工與測量時間比較短,， 設(shè)備費(fèi)用低等因素,。主要體現(xiàn)在加工面的形狀力求簡單,尺寸力求小，位置應(yīng)方便裝卡與刀具的退出,，避免在斜面上鉆孔,，避免在內(nèi)表面上進(jìn)行復(fù)雜的加工等,。
對于復(fù)雜的零件,加工工序增加、材料浪費(fèi),、成本將增高,。為改變這樣的結(jié)構(gòu)可采用組合件來實現(xiàn)同樣的功能。加工難度較大.但若將小軸改變?yōu)橛媒M合方式裝配上去,，則既改善工藝性,，又不失去原有功能。
4.2
簡化結(jié)構(gòu)
只有精煉的,，簡單的才是設(shè)計的進(jìn)步,，也是設(shè)計者的愿望.
聯(lián)接結(jié)構(gòu)的簡化。例如塑料結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度較差,，用螺紋聯(lián)接塑料零件很容易損壞,并且加工制造,安裝裝配都比較麻煩,。若充分利用塑料零件彈性變形量大的特點(diǎn)，使搭鉤與凹槽實現(xiàn)聯(lián)接,裝配過程簡單,、準(zhǔn)確,、操作方便。
鉸鏈結(jié)構(gòu)的簡化,。由金屬制成的鉸鏈結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,，對于常用的載荷很小的鉸鏈聯(lián)接結(jié)構(gòu)用塑料制作就可以將結(jié)構(gòu)大大簡化。
5 總結(jié)
機(jī)械創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計在目前產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和建設(shè)當(dāng)中占據(jù)著十分重要的比例,，因此研究其具有不菲的價值，但是研究機(jī)械創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計并非一件簡單的事情,。對于設(shè)計者和研究者都提出了非常高的要求,，不僅在專業(yè)知識方面要熟練甚至精通，還要有敏捷的分析能力和發(fā)現(xiàn)問題解決問題的能力,，創(chuàng)新的思想和技術(shù)知識,。機(jī)構(gòu)構(gòu)型創(chuàng)新不是漫無目的的空想,而是基于現(xiàn)有的技術(shù)的改進(jìn)或者創(chuàng)新以滿足生產(chǎn)生活中的新要求。
我認(rèn)為,，要進(jìn)行機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計要有兩個必要條件：一是充分獲取適用的知識,；二是要使用符合創(chuàng)新設(shè)計思維并能激發(fā)創(chuàng)新思維的設(shè)計系統(tǒng)。設(shè)計過程充滿了矛盾,，所獲取的知識應(yīng)有助于矛盾的迅速解決,。另外，人類的創(chuàng)新設(shè)計思維模式是在長期的成功設(shè)計經(jīng)驗中總結(jié)形成的,。 從創(chuàng)新設(shè)計思維的研究出發(fā),，融合知識獲取方法，研究創(chuàng)新設(shè)計理論,，如TRIZ等理論方法,。
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