機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)7

1、第七章 機(jī)械的創(chuàng)新設(shè)計(jì)第七章 機(jī)械的創(chuàng)新設(shè)計(jì) 機(jī)械設(shè)計(jì)一般要經(jīng)過總體設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩個(gè)重要的工作階段?？傮w方案設(shè)計(jì)往往是發(fā)散收斂的過程，它從功能分析入手構(gòu)思探求多種方案，然后進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)，經(jīng)優(yōu)化篩選求得最佳原理方案。而結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是在總體設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，根據(jù)所確定的原理方案，設(shè)計(jì)滿足功能要求的機(jī)械結(jié)構(gòu)，確定最好的技術(shù)方案。第一節(jié) 總體方案設(shè)計(jì) 機(jī)械的總體方案設(shè)計(jì)是緊緊圍繞功能的分析、求解和組合實(shí)施的。 現(xiàn)代機(jī)械各類繁多，但從功能分析的角度看，仍主要?dú)w納為動(dòng)力、傳動(dòng)、執(zhí)行、測(cè)控四大系統(tǒng)組成。第一節(jié) 總體方案設(shè)計(jì) 動(dòng)力系統(tǒng)的功能是為機(jī)械提供能量，其功能載體為各種形式的原動(dòng)機(jī)；傳動(dòng)系統(tǒng)則實(shí)現(xiàn)動(dòng)力與執(zhí)行

2、系統(tǒng)間運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的傳遞功能，包括運(yùn)動(dòng)形式、方向、大小、性質(zhì)的變化，其功能載體可以是電力、液壓或機(jī)械裝置；執(zhí)行系統(tǒng)通過不同的執(zhí)行元件為實(shí)現(xiàn)工作目的而完成執(zhí)行功能；測(cè)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)傳感和控制功能，它將機(jī)器工作過程中的各種參數(shù)和善檢測(cè)出來，轉(zhuǎn)化成可測(cè)定和控制的物理量。傳達(dá)到信息處理裝置進(jìn)行處理，并及時(shí)發(fā)出對(duì)各種系統(tǒng)裝置的工作指令和控制信號(hào)。第一節(jié) 總體方案設(shè)計(jì) 一、總體方案設(shè)計(jì) 總體方案設(shè)計(jì)首先要根據(jù)產(chǎn)品的功能要求構(gòu)思工作原理，功能要求與產(chǎn)品的用途、性能等概念不完全相同，如電動(dòng)機(jī)的用途是作原動(dòng)機(jī)，可以是驅(qū)動(dòng)水泵或車床，但反映其特定工作能力的功能是能量轉(zhuǎn)化將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。第一節(jié) 總體方案設(shè)計(jì) 機(jī)電產(chǎn)品

3、系統(tǒng)的功能體現(xiàn)為能量、物料、信息的變化，并且與周圍環(huán)境有密切聯(lián)系，根據(jù)能量、物料、信息的變化，分析產(chǎn)品系統(tǒng)的總功能和分功能，分析系統(tǒng)中動(dòng)力源、傳動(dòng)系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)、檢測(cè)和控制系統(tǒng)的具體組成和特點(diǎn)。第一節(jié) 總體方案設(shè)計(jì) 例1：數(shù)控車床功能分析 數(shù)控車床的主功能是將加工過程信息化、自動(dòng)復(fù)現(xiàn)數(shù)控程序、通過切削（車削）使零件加工成形。其目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)快速生產(chǎn)、主要特征是柔性自動(dòng)化。它有能將數(shù)控程序轉(zhuǎn)化為工件和刀具運(yùn)動(dòng)控制命令的信息處理功能，要求能按運(yùn)動(dòng)控制命令運(yùn)動(dòng)的伺服系統(tǒng)，要有保證加工精度的結(jié)構(gòu)功能，數(shù)控車床還可能擁有自動(dòng)換刀、自動(dòng)裝夾工件、自動(dòng)排屑等輔助功能。數(shù)控車床的功能樹如圖7-1所示。第一節(jié) 總體

4、方案設(shè)計(jì) 例2：常見的帶式運(yùn)輸機(jī)，其主要 功能是傳送。從結(jié)構(gòu)上看，從結(jié)構(gòu)上看，它由電動(dòng)機(jī)、聯(lián)軸器、減速器、齒輪、軸、輸送帶、機(jī)架等構(gòu)件組成。電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力源，聯(lián)軸器、減速器等是傳動(dòng)裝置，輸送帶則是工件裝置，實(shí)現(xiàn)物料的傳送。機(jī)架對(duì)機(jī)器起支承作用，機(jī)器由人工控制。其功能結(jié)構(gòu)如圖7-2所示。第一節(jié) 總體方案設(shè)計(jì) 例3：挖掘機(jī)的功能結(jié)構(gòu)圖如圖7-3所示，其中分功能鏟入還可以進(jìn)一步分解為推壓功能元和鏟斗功能元。第一節(jié) 總體方案設(shè)計(jì) 第一節(jié) 總體方案設(shè)計(jì) 通過調(diào)查分析，可找出各功能元（子功能）的可能解，并可作出相應(yīng)的形態(tài)學(xué)矩陣。第一節(jié) 總體方案設(shè)計(jì) 第一節(jié) 總體方案設(shè)計(jì) 用形態(tài)學(xué)矩陣進(jìn)行方案綜合，可獲得多種

5、設(shè)計(jì)方案，表7-1所示挖掘機(jī)形態(tài)學(xué)矩陣可得的方案多達(dá)33214434=10368種，如將（A1+B1+C2+D2+E1+F1+G2+H2+I1）綜合在一起組成一種方案， 履帶式正鏟機(jī)械挖掘機(jī)，若將（A3+B1+C1+D2+E1+F2+G3+H1+I2）綜合在一起，又可組成另一種方案，為輪胎式正鏟液壓挖掘機(jī)。 對(duì)如此眾多的方案，必須剔除那些明顯不適用、不滿足設(shè)計(jì)要求，原理結(jié)構(gòu)不相容的方案，只保留少數(shù)較好的可行方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，并從中確定較優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。 例4：鐘表的功能分析如表7-2所示第一節(jié) 總體方案設(shè)計(jì) 對(duì)于鐘表以功能分析的不同解法，列出計(jì)時(shí)裝置的形態(tài)學(xué)矩陣，如表7-3，經(jīng)組合可得計(jì)時(shí)裝置的多種

6、新方案。第一節(jié) 總體方案設(shè)計(jì) 第一節(jié) 總體方案設(shè)計(jì) 新方案1：指針式石英電子表 電池（化學(xué)能電能）石英晶體振蕩器（電磁擺）輪系指針刻度旋鈕（即A3+B2+C1+D1+E1） 新方案2：液晶式石英電子鐘 電能石英晶體振蕩器（電磁擺）驅(qū)動(dòng)電路液晶數(shù)字顯示按鈕（即A2+B2+C2+D2+E2）第一節(jié) 總體方案設(shè)計(jì) 最近，根據(jù)顯示時(shí)間這個(gè)功能本質(zhì)設(shè)計(jì)出了新型計(jì)時(shí)裝置電波表，由國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室原子鐘（精度百萬(wàn)分之一秒）發(fā)出時(shí)間播放信號(hào)，經(jīng)無(wú)線電臺(tái)播出。電波表只需接受并顯示時(shí)間信號(hào)，它計(jì)時(shí)精度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。北京中華世紀(jì)壇就采用了電波表作為計(jì)時(shí)裝置。第一節(jié) 總體方案設(shè)計(jì) 二、編制設(shè)計(jì)目錄 用功能設(shè)計(jì)法進(jìn)行原理

7、方案設(shè)計(jì)后，結(jié)合設(shè)計(jì)的過程和需要，編寫內(nèi)容清晰、條理性強(qiáng)、提取方便，信息面廣 的設(shè)計(jì)目錄。第一節(jié) 總體方案設(shè)計(jì) 三、建立優(yōu)化設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)系統(tǒng) 工程設(shè)計(jì)問題往往是復(fù)雜和多解的。通過功能分析獲得盡可能多的方案，然后通過評(píng)價(jià)從中選擇最佳方案，在發(fā)散收斂的過程中創(chuàng)新，這是設(shè)計(jì) 的基本思路，也是產(chǎn)品優(yōu)化的過程。 在確定工作原理方案、選擇機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的過程中，都要對(duì)方案進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，其不足要加以改進(jìn)和完善。第一節(jié) 總體方案設(shè)計(jì) 對(duì)產(chǎn)品（或技術(shù)方案）的評(píng)價(jià)目標(biāo)一般包含3個(gè)方面的內(nèi)容：（1）技術(shù)評(píng)價(jià)目標(biāo)：工作性能、加工裝配工藝性、維護(hù)使用性、技術(shù)上的先進(jìn)性等；（2）經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)目標(biāo)：成本、利潤(rùn)、投資回報(bào)率等

8、；（3）社會(huì)評(píng)價(jià)目標(biāo):社會(huì)效益、市場(chǎng)效應(yīng)、環(huán)境保護(hù)、宜人性、節(jié)能、可待續(xù)發(fā)展等。第一節(jié) 總體方案設(shè)計(jì) 評(píng)價(jià)目標(biāo)確定后，應(yīng)制訂評(píng)價(jià)方法以便從多種方案中選取最佳方案。常用的評(píng)價(jià)方法有：評(píng)分法、加權(quán)系數(shù)法、模糊評(píng)價(jià)法等。 （1）評(píng)分法：用分值作為衡量方案優(yōu)劣的定量評(píng)價(jià)，評(píng)委對(duì)各方案每一評(píng)價(jià)目標(biāo)分項(xiàng)評(píng)分，再求各方案總分。（2）加工權(quán)系數(shù)法：首先根據(jù)各目標(biāo)的重要程度設(shè)置加權(quán)系數(shù)，評(píng)委對(duì)各方案一項(xiàng)評(píng)價(jià)目標(biāo)分項(xiàng)評(píng)分，再加權(quán)求各方案總分。（3）模糊評(píng)價(jià)法是用優(yōu)、良、中、差等不定量的“模糊概念”來評(píng)價(jià)。近年來通過模糊數(shù)學(xué)理論將模糊信息數(shù)值化以進(jìn)行量化評(píng)價(jià)的方法已廣泛用于工程方案設(shè)計(jì)。第一節(jié) 總體方案設(shè)計(jì) 四、總

9、體方案設(shè)計(jì)實(shí)例 下面通過兩個(gè)實(shí)例來進(jìn)一步說明機(jī)械總體方案的步驟與方法。例1：設(shè)計(jì)一帶式運(yùn)輸機(jī)的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)，要求運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊，維護(hù)方便，效率高。已知：傳遞功率P=4kW，輸入轉(zhuǎn)速n1=1000r/min，輸出轉(zhuǎn)速n1=85r/min。試擬定傳動(dòng)系統(tǒng)的方案。第一節(jié) 總體方案設(shè)計(jì) 解： （1）明確任務(wù)要求 帶式運(yùn)輸機(jī)的功能結(jié)構(gòu)、。一般情況下，驅(qū)動(dòng)（原動(dòng)機(jī)）為電動(dòng)機(jī)，執(zhí)行總分為運(yùn)輸帶，往往只要選定就可以了，因此本例主要介紹傳動(dòng)方案的設(shè)計(jì)。 總傳動(dòng)比i=n1/n2=1000/85=11.76 。根據(jù)傳動(dòng)比的大小，可采取兩級(jí)減速傳動(dòng)。 由于該傳動(dòng)系統(tǒng)較簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)時(shí)有些步驟可省略。 （2）功能分析

10、系統(tǒng)的總功能是傳遞運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)矩，每級(jí)傳動(dòng)可作為其功能，列出形態(tài)學(xué)矩陣，如表7-4所示。第一節(jié) 總體方案設(shè)計(jì) 第一節(jié) 總體方案設(shè)計(jì) （3）組合原理解 根據(jù)形態(tài)學(xué)矩陣可組合出N=65=30個(gè)系統(tǒng)方案原理解。若考慮傳動(dòng)件的布置形式和位置，則方案數(shù)會(huì)更多，為便于分析，應(yīng)根據(jù)各種傳動(dòng)件的特點(diǎn)、適用范圍及實(shí)際工作條件，先排除一些明顯不合理的原理解，然后從可行方案中初步挑選出較有價(jià)值的方案作為備選方案。初選有4種方案4種傳動(dòng)系統(tǒng)的方案簡(jiǎn)圖如圖7-4所示。第一節(jié) 總體方案設(shè)計(jì) 第一節(jié) 總體方案設(shè)計(jì) （4）方案的評(píng)價(jià)與決策 以結(jié)構(gòu)緊湊、效率高等7項(xiàng)要求作為評(píng)價(jià)目標(biāo)，采用5分制作技術(shù)評(píng)價(jià)（隱含經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)，如制造簡(jiǎn)單、

11、壽命長(zhǎng)等）。表7-5顯示了各方案的評(píng)分及評(píng)價(jià)結(jié)果。方案一、二、四的技術(shù)價(jià)值均超過0.7，技術(shù)性能較好，尤其是方案二價(jià)值最高，只需一臺(tái)兩級(jí)圓柱齒輪減速器。根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果，決定采用方案二。第一節(jié) 總體方案設(shè)計(jì) 第二節(jié) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是機(jī)械設(shè)計(jì)中的一個(gè)十分重要的階段，也是涉及問題最多、最具體、工作量最大的工作階段。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)際上就是確定產(chǎn)品、零部件的材料、形狀、尺寸及相互配置關(guān)系，它是原理方案設(shè)計(jì)的具體化，以滿足產(chǎn)品的功能要求。 第二節(jié) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一個(gè)從抽象到具體、從粗略到精確的過程，它根據(jù)既定的原理方案，確定部體空間布局、選擇材料和加工方法，通過計(jì)算確定尺寸，檢查空間相容性等。由主到次

12、逐步進(jìn)行結(jié)構(gòu)的細(xì)化；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也具有多解性特征，因此需反復(fù)、交叉進(jìn)行分析計(jì)算和修改，尋求最好的設(shè)計(jì)方案，最后完成總體方案結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖。第二節(jié) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本步驟 由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程相當(dāng)復(fù)雜，我們只能介紹原則性的設(shè)計(jì)步驟。 （1）明確決定結(jié)構(gòu)的要求及空間邊界條件。決定結(jié)構(gòu)的要求主要包括： 1）與尺寸有關(guān)的要求，如傳動(dòng)功率、流量、聯(lián)接尺寸、工作高度等； 2）與結(jié)構(gòu)布置有關(guān)的要求，如物料的流向、運(yùn)動(dòng)方位、零部件的運(yùn)動(dòng)分配等； 3）與確定材料有關(guān)的要求，如耐磨性、疲勞壽命、抗腐能力等?？臻g邊界條件主要包括裝配限制范圍、軸間距、軸的方位。最大外形尺寸等。第二節(jié) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（2）對(duì)主功能載體進(jìn)行粗略結(jié)

13、構(gòu)條件。主功能載體就是實(shí)現(xiàn)主功能的構(gòu)件，如減速器的軸和齒輪、機(jī)車的主軸、內(nèi)燃機(jī)的曲軸等。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)首先對(duì)主功能載體進(jìn)行粗略構(gòu)形，初步確定主要形狀、尺寸，如軸的最小直徑、齒輪直徑、容器壁厚等，并按比例初步確定主要形狀、尺寸，如軸的最小直徑、齒輪直徑，容器壁厚等，并按比例初步繪制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)草圖。 設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)方案可以是多個(gè)，要從功能要求出發(fā)，選出一種或幾種較優(yōu)的草案，以便進(jìn)一步修改。第二節(jié) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（3）對(duì)輔功能載體進(jìn)行初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 主要對(duì)軸的支承、工件的夾緊裝置、密封、潤(rùn)滑裝置等進(jìn)行設(shè)計(jì)，以保證主功能載體能順利工作。設(shè)計(jì)中應(yīng)盡可能利用標(biāo)準(zhǔn)件、通用件。（4）對(duì)主功能載體、輔功能載體進(jìn)行詳細(xì)結(jié)構(gòu)

14、設(shè)計(jì)、 詳細(xì)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)遵循結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本準(zhǔn)則，依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范及較精確的計(jì)算結(jié)果，完成細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)。第二節(jié) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（5）對(duì)設(shè)計(jì)時(shí)行經(jīng)濟(jì)綜合評(píng)價(jià)。 從多個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)草案中選擇滿足功能要求、性能優(yōu)良、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低的較優(yōu)方案。（6）結(jié)構(gòu)方案的完善、檢查錯(cuò)誤。 消除綜合評(píng)價(jià)時(shí)已發(fā)現(xiàn)的弱點(diǎn)，檢查在功能、空間相容性等方面是否存在缺陷或干擾因素（如運(yùn)動(dòng)干擾），應(yīng)注意零件的結(jié)構(gòu)工藝性，如軸的圓角、倒角、鑄件壁厚、拔模斜度、鑄造圓角等，必要時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)加以改進(jìn)，并可采納已放棄方案中的可用結(jié)構(gòu)，通過優(yōu)化的方法來進(jìn)一步完善。第二節(jié) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（7）完成總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案圖、 繪制全部街道圖紙，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最終結(jié)果是總體結(jié)構(gòu)設(shè)

15、計(jì)方案圖，它清楚地表達(dá)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)形狀、尺寸、位置關(guān)系、材料與熱處理、數(shù)量等各要素和細(xì)節(jié)，體現(xiàn)了設(shè)計(jì)的意圖。第二節(jié) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)二、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則 為使產(chǎn)品預(yù)期功能得以實(shí)現(xiàn)、產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性、安全性得到保證，提高設(shè)計(jì)的質(zhì)量，應(yīng)遵循“明確”“簡(jiǎn)單”“安全”的基本要求?！懊鞔_”主要包括功能明確、作用原理明確、工況條件及負(fù)荷狀況明確等；“簡(jiǎn)單”主要要求零件數(shù)目盡量少、零部件間的聯(lián)接關(guān)系簡(jiǎn)便、零件形狀盡可能簡(jiǎn)單等、 “安全”則要求保證產(chǎn)品及其零部件在預(yù)期的工作期限內(nèi)正常工作，不會(huì)對(duì)人和環(huán)境產(chǎn)生危害。第二節(jié) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為合理地進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，應(yīng)考慮如下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：1.滿足功能要求的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 產(chǎn)品設(shè)計(jì)的主要目的是實(shí)現(xiàn)

16、預(yù)定的功能要求，在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)，通常有必要將任務(wù)合理分配，即將一個(gè)功能分解成多個(gè)分功能，每一個(gè)分功能 由一個(gè)功能載體承擔(dān)。V帶的結(jié)構(gòu)是任務(wù)分配的一個(gè)例子。纖維繩用來承受拉力，橡膠層承受帶彎曲時(shí)的拉伸與壓縮，而傳動(dòng)所需要的摩擦力則通過包布層與帶輪輪槽的作用產(chǎn)生。第二節(jié) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第二節(jié) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 為了簡(jiǎn)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、減少零件個(gè)數(shù)、降低加工成本、便于裝配、縮小體積等，可將多項(xiàng)功能集中于一個(gè)功能載體，將功能不同，但運(yùn)動(dòng)情況一致位置相近的零件結(jié)合，結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)成一個(gè)整體，由一個(gè)零件或部件承擔(dān)多個(gè)功能。 V帶結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了功能集中，角接觸軸承也具有功能集中的特點(diǎn)，即能承受徑向載荷，又能同時(shí)承受軸向載荷。 圖7-9所

17、示為一包裝機(jī)械中的支架零件，原來由11個(gè)零件分別加工后組裝而成，加工量大，成本高，采用整體結(jié)構(gòu)后，通過整體鑄造一次完成，大大降低了成本。第二節(jié) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 圖7-10（b）所示的螺栓即有聯(lián)接功能又有防松功能，它是將圖7-10（a）所示的螺栓與防松墊圈組合在一起的整體結(jié)構(gòu)。第二節(jié) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第二節(jié) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.考慮加工工藝性和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)力求使設(shè)計(jì)的零部件加工方便，材料損耗少，效率高、生產(chǎn)成本低、符合質(zhì)量要求。 對(duì)鑄件應(yīng)盡量減少分型面的數(shù)目，避免不必要的凸起和凹陷，盡量少用不用型芯，力求幾何形狀簡(jiǎn)單，應(yīng)考慮拔模斜度，壁厚應(yīng)均勻避免縮孔等。第二節(jié) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 對(duì)切削加工零件，應(yīng)盡量減少加工面

18、積；設(shè)計(jì)必要的退刀槽或砂輪越程槽；要使零件在加工時(shí)便于裝夾；應(yīng)盡量減少加工的裝夾次數(shù)，以提高效率；優(yōu)先采用相同的錐度、圓角半徑及孔徑，減少刀具調(diào)整次數(shù)，提高加工精度等。第二節(jié) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.考慮裝配的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 加工好的零部件木經(jīng)過裝配才能成為完整的機(jī)器，裝配質(zhì)量對(duì)機(jī)器設(shè)備的運(yùn)行有直接的影響。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)合理考慮裝配單元，使零件得到正確安裝，圖7-11所示的兩法蘭盤用普通螺栓聯(lián)接，圖（a）所示的結(jié)構(gòu)無(wú)徑向定位基準(zhǔn)，裝配時(shí)不能保證兩孔的同軸度，圖（b）以相配的圓柱面為定位基準(zhǔn)，結(jié)構(gòu)合理。 對(duì)配合零件應(yīng)注意避免雙重配合，圖7-12（a）中零件A與零件B有兩個(gè)端面配合，由于制造誤差，不能保證零件A的

19、正確位置。應(yīng)采用圖7-12（b）的合理結(jié)構(gòu)。第二節(jié) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第二節(jié) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)明顯標(biāo)志零件的裝配位置，防止錯(cuò)誤裝配。圖7-13所示軸承座用兩個(gè)銷釘定位。圖（a）兩銷釘反向?qū)ΨQ布置，裝配時(shí)很可能誤將支座旋轉(zhuǎn)180安裝，使得軸與孔的中心線位置偏差增大。為避免裝配錯(cuò)誤，可將兩定位銷布置在同一側(cè)，或使兩定位銷到螺栓距離不等（圖（b）。第二節(jié) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 為使零件便于裝配和拆卸，應(yīng)保證零件有足夠的裝配空間。圖7-14（a）中裝配高度不夠，螺栓無(wú)法裝入，可改成圖7-14（b）所示結(jié)構(gòu)。對(duì)于螺栓聯(lián)接，應(yīng)設(shè)計(jì)足夠的扳手空間。第二節(jié) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 圖7-15（a）中空間狹小，扳手無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)，應(yīng)采用圖7-1

20、5（b）所示合理結(jié)構(gòu)。第二節(jié) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 對(duì)于配合零件，應(yīng)避免過長(zhǎng)的配合，圖7-16所示的齒輪與軸的配合應(yīng)采用圖（b）的結(jié)構(gòu)。第二節(jié) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第二節(jié) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 為了使零件易于裝配，孔及圓柱的端部應(yīng)有倒角。為便于拆卸零件，應(yīng)留出安放拆卸工具的位置，例如滾動(dòng)軸承的拆卸。為了使裝配過程簡(jiǎn)化，補(bǔ)償裝配尺寸鏈誤差，對(duì)軸系部件裝配時(shí)可設(shè)置調(diào)整補(bǔ)償環(huán)或調(diào)整墊片，它的厚度根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果確定。這樣，即降低了對(duì)裝配精度的要求，又可提高裝配質(zhì)量。倒角倒角退刀槽退刀槽 軸上磨削的軸段，應(yīng)有軸上磨削的軸段，應(yīng)有砂輪越程槽砂輪越程槽； 車制螺紋的軸段，應(yīng)有車制螺紋的軸段，應(yīng)有退刀槽退刀槽； 軸的形狀和尺寸應(yīng)力求簡(jiǎn)單，以便于加

21、工。軸的形狀和尺寸應(yīng)力求簡(jiǎn)單，以便于加工。圖圖16-8 軸的結(jié)構(gòu)軸的結(jié)構(gòu)(軸系拆裝動(dòng)畫軸系拆裝動(dòng)畫）第二節(jié) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4.滿足強(qiáng)度等方面要求的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 足夠的強(qiáng)度和剛度是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須滿足的要求。適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以減少載荷引起的應(yīng)力和變形量，提高結(jié)構(gòu)的承載能力。 考慮強(qiáng)度要求，應(yīng)考慮材料的性質(zhì)。鋼材受拉和受壓時(shí)力學(xué)性質(zhì)基本相同，因此鋼結(jié)構(gòu)多為對(duì)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(duì)稱形狀，以使承載時(shí)最大壓應(yīng)力大于拉應(yīng)力。 在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，為充分利用材料，減輕重量，可設(shè)計(jì)成等強(qiáng)度結(jié)構(gòu)，使零件截面尺寸的變化與其應(yīng)力的變化相適應(yīng)。第二節(jié) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖（a）所示結(jié)構(gòu)強(qiáng)度差

22、；圖（b）所示結(jié)構(gòu)雖然強(qiáng)度高，但不是等強(qiáng)度，浪費(fèi)材料，增加重量 ；圖（c）為等強(qiáng)度結(jié)構(gòu)，且符合鑄鐵材料的強(qiáng)度特點(diǎn)。 軸的結(jié)構(gòu)通常是階梯軸，應(yīng)力大的中間部分較粗，應(yīng)力小的兩頭較細(xì)，既便于軸的加工和軸零件的裝拆，又接近等強(qiáng)度結(jié)構(gòu)。第二節(jié) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第二節(jié) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要注意改善受力狀況，使受力均勻，載荷分給多個(gè)零件承擔(dān)，從而使單個(gè)零件 載荷減小，提高強(qiáng)度，例如 并聯(lián)組合彈簧、軸承組合等。要注意使力的傳遞路線變短，承載區(qū)域小。 例如懸臂布置的小錐齒輪軸，錐齒輪部分應(yīng)盡量靠近軸承以減小懸臂長(zhǎng)度，提高彎曲強(qiáng)度。第二節(jié) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第二節(jié) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)采取措施使零部件在傳遞動(dòng)力時(shí)產(chǎn)生的附加

23、力（力矩）內(nèi)部平衡，不致增加其他零件的載荷。例如：同一軸上兩個(gè)斜齒圓柱齒輪產(chǎn)生軸向力，可通過合理選擇輪齒旋向和螺旋角的大小使軸向力相互抵消，而不增加軸承的負(fù)載。第二節(jié) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)設(shè)法減小應(yīng)力集中。應(yīng)力集中是影響零件承受交變應(yīng)力時(shí)疲勞強(qiáng)度的重要因素。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量避免使結(jié)構(gòu)受力較大處的零件形狀發(fā)生突然變化，以避免或減小應(yīng)力集中對(duì)強(qiáng)度的影響。增大過渡圓角、采用卸載結(jié)構(gòu)等是減小應(yīng)力集中的有效方法。第二節(jié) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)5.考慮造型的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅要滿足功能要求，而且還應(yīng)考慮產(chǎn)品的造型，使其適合人的生理特點(diǎn)和心理特點(diǎn)，造型美觀、結(jié)構(gòu)宜人化的產(chǎn)品將會(huì)對(duì)人產(chǎn)生吸引力，使人心情愉快，

24、不易疲勞。 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意各部分尺寸比例協(xié)調(diào)、勻稱，形狀、色彩和諧統(tǒng)一，簡(jiǎn)潔明快，使操作者在工作時(shí)不易疲勞，并能及時(shí)、正確、全面地了解機(jī)器的工作狀況，進(jìn)行正確的操作。第二節(jié) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)6.其他設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，還應(yīng)考慮其他方面的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。 如采用標(biāo)準(zhǔn)件和標(biāo)準(zhǔn)尺寸系列，有利于標(biāo)準(zhǔn)化；考慮妨腐蝕措施的設(shè)計(jì)；可實(shí)現(xiàn)自我加強(qiáng)、自我保護(hù)、零件之間相互支持的設(shè)計(jì)；為節(jié)約材料和資源，使報(bào)廢產(chǎn)品能夠回收利用的設(shè)計(jì)等等。第二節(jié) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)三、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的變異 為了得到較好的設(shè)計(jì)結(jié)果，設(shè)計(jì)者要思路開闊，盡可能多地思考各種能實(shí)現(xiàn)功能的結(jié)構(gòu)方案，以便挑選出較優(yōu)方案。例如：螺釘用于聯(lián)接時(shí)需要通過螺釘頭部對(duì)其擰緊，根

25、據(jù)所需擰緊力的大小，變換功能面的 形狀、數(shù)量和位置（內(nèi)、外）可得到多種螺釘頭的設(shè)計(jì)方案。 當(dāng)所需擰緊力很小，不需專門工具時(shí)，可設(shè)計(jì)成滾花型和元寶手柄用手?jǐn)Q緊；第二節(jié) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 滾花螺釘 蝶形螺母（元寶螺母）第二節(jié) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 蓋形螺母第二節(jié) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第二節(jié) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所需擰緊力較小時(shí)，可用“十字”“一字”型起子槽型式，并可設(shè)計(jì)成平頭或沉頭方案，也可用內(nèi)六角、內(nèi)四角、內(nèi)三角形式，通過專用扳手作用于螺釘頭的內(nèi)表面擰緊；所需擰緊力較大時(shí)，往往要用扳手?jǐn)Q緊，可設(shè)計(jì)成外六角、外四角等螺釘頭型式。除此之外，顯然還有很多螺釘頭部形狀設(shè)計(jì)方案，當(dāng)然，在設(shè)計(jì)新的螺釘頭部 形狀方案時(shí)要同時(shí)考慮擰緊工具的形狀和操作方法

26、。 標(biāo)準(zhǔn)螺紋聯(lián)接件標(biāo)準(zhǔn)螺紋聯(lián)接件螺螺紋紋緊緊固固件件末端結(jié)末端結(jié)構(gòu)構(gòu)頭部結(jié)頭部結(jié)構(gòu)構(gòu)螺釘、緊定螺釘螺釘、緊定螺釘雙頭螺柱雙頭螺柱螺栓螺栓 通過改變零件或零件之間功能面的相對(duì)位置可產(chǎn)生新的方案。如圖7-18所示機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)，圖（a）中擺桿1的接觸面為平面，推桿2的接觸面為球面，相互作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生橫向推力，不利于推桿的運(yùn)動(dòng)，甚至造成推桿運(yùn)動(dòng)卡死。采用圖（b）的位置變換，受力狀況明顯改善。第二節(jié) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第三節(jié) 機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)案例 從下面介紹的機(jī)械設(shè)計(jì)案例，將它們的創(chuàng)新思想和設(shè)計(jì)過程進(jìn)行分析，從各個(gè)角度探討創(chuàng)新設(shè)計(jì)的規(guī)律和方法，啟發(fā)我們?nèi)ビ^察、思考、分析、培養(yǎng)我們的興趣從而參與創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)踐。第三節(jié) 機(jī)械創(chuàng)

27、新設(shè)計(jì)案例 案例：內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展 動(dòng)力機(jī)械是近代人類社會(huì)進(jìn)行生產(chǎn)活動(dòng)的基本裝備之一。 動(dòng)力機(jī)械按其工作方式分為內(nèi)燃機(jī)和外燃機(jī)兩大類。第三節(jié) 機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)案例 在技術(shù)發(fā)展史上，人們對(duì)內(nèi)燃機(jī)的研究比外燃機(jī)要更早，但由于理論和技術(shù)上的不成熟，使得外燃的蒸汽機(jī)在內(nèi)燃機(jī)出現(xiàn)前的一個(gè)多世紀(jì)內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用。第三節(jié) 機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)案例 自從18世紀(jì)瓦特完成了蒸汽機(jī)的發(fā)明以后，幾乎在一個(gè)世紀(jì)的時(shí)間里蒸汽機(jī)成為唯一的動(dòng)力機(jī)，但在廣泛應(yīng)用的同時(shí)也暴露了它一系列的缺點(diǎn)： 首先，熱效率很低。當(dāng)時(shí) ，一般情況下，只有5%8%，最高也不過13%。主要是它在工作過程中散失了大量的熱量。 其次，結(jié)構(gòu)笨重，價(jià)格昂貴，鍋爐和冷凝器等

28、體積龐大，運(yùn)行不靈活，很難達(dá)到體積不大、更便宜、適應(yīng)性更大、運(yùn)行更靈活的要求。 第三，操作不方便，運(yùn)行不夠安全。鍋爐要預(yù)熱兩個(gè)多小時(shí)，不能隨意啟動(dòng)和停止，由于鍋爐儲(chǔ)蓄的熱量很大，而容易發(fā)生爆炸。第三節(jié) 機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)案例 人們需要比蒸汽機(jī)更小、更便宜、適應(yīng)性更大。運(yùn)行更靈活的發(fā)動(dòng)機(jī)。 在1824年法國(guó)物理學(xué)家卡諾提出理想熱機(jī)的卡諾循環(huán)，并隨后建立的熱力學(xué)第一定律和第二定律，為完成內(nèi)燃機(jī)的發(fā)明提供了理論和技術(shù)基礎(chǔ)。 熱力學(xué)第一定律 也就是能量守恒定律。自從焦耳以無(wú)以辯駁的精確實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明機(jī)械能、電能、內(nèi)能之間的轉(zhuǎn)化滿足守恒關(guān)系之后，人們就認(rèn)為能量守恒定律是自然界的一個(gè)普遍的基本規(guī)律。 表達(dá)式為Q=

29、U+W。表述形式：熱量可以從一個(gè)物體傳遞到另一個(gè)物體，也可以與機(jī)械能或其他能量互相轉(zhuǎn)換，但是在轉(zhuǎn)換過程中，能量的總值保持不變。熱力學(xué)第二定律有幾種表述方式：克勞修斯表述熱量可以自發(fā)地從溫度高的物體傳遞到較冷的物體，但不可能自發(fā)地從溫度低的物體傳遞到溫度高的物體；開爾文-普朗克表述不可能從單一熱源吸取熱量，并將這熱量完全變?yōu)楣Γ划a(chǎn)生其他影響。關(guān)系熱力學(xué)第二定律的兩種表述（前2種）看上去似乎沒什么關(guān)系，然而實(shí)際上他們是等效的，即由其中一個(gè)，可以推導(dǎo)出另一個(gè)。意義熱力學(xué)第二定律的每一種表述，揭示了大量分子參與的宏觀過程的方向性，使人們認(rèn)識(shí)到自然界中進(jìn)行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性第三節(jié) 機(jī)

30、械創(chuàng)新設(shè)計(jì)案例 人們首先分析了蒸汽機(jī)的缺點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)燃料先把水燒成蒸汽，再把蒸汽引入汽缸做功，然后蒸汽再被冷凝器冷卻成水，這個(gè)過程引起了大量的熱損耗，里諾對(duì)蒸汽機(jī)的這個(gè)缺點(diǎn)，用反向思維方法，考慮能不能使燃料直接在汽缸內(nèi)部燃燒，這樣就可以免去蒸汽作中介工質(zhì)。熱能直接作功。第三節(jié) 機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)案例 1860年，里諾制成了第一臺(tái)實(shí)用的內(nèi)燃機(jī)二沖程煤氣機(jī)，它的外表就像一部臥式蒸汽機(jī)，也有活塞、連桿和飛輪，但運(yùn)轉(zhuǎn)方式截然不同，它是靠吸入煤氣和空氣的混合物以后，在汽缸內(nèi)點(diǎn)火燃燒發(fā)生膨脹而作功。 這種煤氣內(nèi)燃機(jī)去掉了龐大的鍋爐，結(jié)構(gòu)緊湊，雖然其燃料消耗很高，而熱效率僅4%（還不如蒸汽機(jī)），電點(diǎn)火也不可靠，成本也

31、很高，但畢竟它平穩(wěn)的運(yùn)轉(zhuǎn)了，很受中小企業(yè)歡迎。第三節(jié) 機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)案例 為了提高效率，法國(guó)工程師德羅沙進(jìn)一步分析里諾機(jī)的缺點(diǎn)，從反向思考，提出了新設(shè)想。 他認(rèn)為里諾機(jī)的燃料混合氣未經(jīng)壓縮就直接進(jìn)入汽缸，這樣每一次吸入的燃料氣體就很少，膨脹一次的熱損失相對(duì)來說秒很大。 能不能每次多吸入一些燃料氣體？ 德羅沙在對(duì)內(nèi)燃機(jī)的熱力過程進(jìn)行理論 分析 之后，于1862年提出了提高熱效率的關(guān)鍵措施： 即預(yù)先壓縮空氣和燃?xì)獾幕旌衔?，提出了等容燃燒的四沖程內(nèi)燃機(jī)工作原理。四沖程發(fā)動(dòng)機(jī) 四沖程內(nèi)燃機(jī)工作過程 (四沖程：兩轉(zhuǎn)，720CA) 吸氣沖程 進(jìn)氣門打開,排氣門關(guān)閉,活塞向下運(yùn)動(dòng),汽油和空氣混合物進(jìn)入汽缸.

32、壓縮沖程 進(jìn)氣門和排氣門都關(guān)閉,活塞向上運(yùn)動(dòng),燃料混合物被壓縮. 做工沖程 壓縮沖程結(jié)束時(shí),火花塞產(chǎn)生電火花,使燃料猛烈燃燒,產(chǎn)生高溫高壓的氣體.高溫高壓氣體推動(dòng)火花塞向下運(yùn)動(dòng),帶動(dòng)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng),對(duì)外做功. 排氣沖程 進(jìn)氣門關(guān)閉,排氣門打開,活塞向上運(yùn)動(dòng),把廢氣排出汽缸. 第一個(gè)行程：活塞從上止點(diǎn)到下止點(diǎn)，完成兩個(gè)動(dòng)作：火花塞點(diǎn)火，做功排氣；關(guān)閉進(jìn)氣，把空混合氣從活塞下部壓入曲軸箱，從活塞上部進(jìn)入汽缸。 第二個(gè)行程：活塞從下止點(diǎn)到上止點(diǎn)。完成兩個(gè)動(dòng)作：關(guān)閉所有進(jìn)排氣，壓縮混合氣。每?jī)蓚€(gè)沖程完成一次做功，所以叫二沖程。二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)第三節(jié) 機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)案例 1876年，德國(guó)工程師奧托研制成功了第一臺(tái)四

33、沖程往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)，每分鐘180轉(zhuǎn)，熱效率高達(dá)14%（相當(dāng)于蒸汽機(jī)的兩倍），它把三個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)思想：內(nèi)燃、壓縮燃?xì)?、四沖程溶火一體，具有效率高、體積小。重量輕、功率大等一系列優(yōu)點(diǎn)。 此后，奧托在一生中一直從事內(nèi)燃機(jī)的研究，四沖程循環(huán)被 稱為“奧托循環(huán)”，他也被認(rèn)為是內(nèi)燃機(jī)的發(fā)明人。第三節(jié) 機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)案例 在此之后，英國(guó)工程師克拉克制造了二沖程循環(huán)的內(nèi)燃機(jī)，在每?jī)蓚€(gè)沖程中就有一個(gè)動(dòng)力沖程，他發(fā)明了兩個(gè)汽缸的內(nèi)燃機(jī)，當(dāng)一個(gè)汽缸處于回復(fù)階段時(shí)，另一汽缸則爆燃作功，使輸出的動(dòng)力較均均。第三節(jié) 機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)案例 里諾和奧托內(nèi)燃機(jī)都是煤氣機(jī)，但煤氣的熱值低，需要龐大的煤氣發(fā)生爐和管道系統(tǒng)，煤氣機(jī)的轉(zhuǎn)速低，自重大，對(duì)于交通運(yùn)輸業(yè)所要求的高速。輕便的動(dòng)力機(jī)來說，煤氣機(jī)仍然是不相適應(yīng)的。 隨著石油工業(yè)的蓬勃發(fā)展，用石油產(chǎn)品取代煤氣作燃料已成為必然。第三節(jié) 機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)案例 德國(guó)工程師戴勒姆分析煤氣機(jī)的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)出了汽化器，解決了點(diǎn)火問題，于1883年制成了第一臺(tái)四沖程往復(fù)式汽油機(jī)。以往煤氣機(jī)的轉(zhuǎn)速不超過200轉(zhuǎn)/分，而戴勒姆汽油機(jī)的轉(zhuǎn)速一躍火8001000轉(zhuǎn)/分，其特點(diǎn)是功率大、重量輕、體積小、轉(zhuǎn)速快和效率高，特別適用于交通工具。 1 885年，戴勒姆與德國(guó)工程師本茨兩人分別以汽油機(jī)為動(dòng)力