結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)課件

4.1概述4.2結(jié)構(gòu)變異創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法4.3結(jié)構(gòu)組合創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法4.4引入新的結(jié)構(gòu)要素4.5引入新的邏輯方法4.6引入新的設(shè)計(jì)理念第4章結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

4.1概述第4章結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)1

機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的任務(wù)是在總體設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，根據(jù)所確定的原理方案，決定滿足功能要求的機(jī)械結(jié)構(gòu)，需要決定的內(nèi)容包括結(jié)構(gòu)的類型和組成，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(dòng)作要求外，還應(yīng)能滿足設(shè)計(jì)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。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是機(jī)械設(shè)計(jì)中涉及問題最多、最具體、工作量最大的工作階段。機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要特征之一是設(shè)計(jì)問題的多解性，即滿足同一設(shè)計(jì)要求的機(jī)械結(jié)構(gòu)并不是唯一的，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中得到一個(gè)可行的結(jié)構(gòu)方案一般并不很難，然而，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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。現(xiàn)有的數(shù)學(xué)分析方法能夠使我們從一個(gè)可行方案出發(fā)在一個(gè)單峰區(qū)間內(nèi)尋求到局部最優(yōu)解，但是，并不能使我們遍歷全部的可行區(qū)域，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(jì)方案。這就需要發(fā)揮創(chuàng)造性思維方法的作用。

得到一個(gè)可行的結(jié)構(gòu)方案不難，最好的方案不易側(cè)重點(diǎn)：機(jī)構(gòu)—部裝結(jié)構(gòu)—零部件詳細(xì)設(shè)計(jì)、具體設(shè)計(jì)4.1概述機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的任務(wù)是在總體設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，24.2結(jié)構(gòu)變異創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法創(chuàng)造性思維在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要應(yīng)用之一就是結(jié)構(gòu)方案的變異設(shè)計(jì)方法。它能使設(shè)計(jì)者從一個(gè)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(jì)者得到多個(gè)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。變異設(shè)計(jì)的目的——尋求滿足設(shè)計(jì)要求的獨(dú)立的設(shè)計(jì)方案，以便對其進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過變異設(shè)計(jì)所得到的獨(dú)立的設(shè)計(jì)方案數(shù)量越多，覆蓋的范圍越廣泛，通過優(yōu)化得到全局最優(yōu)解的可能性就越大。變異設(shè)計(jì)的基本方法——首先通過對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的分析，得出一般結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案中所包含的技術(shù)要素的構(gòu)成，然后再分析每一個(gè)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(jì)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(gè)技術(shù)要素的變異設(shè)計(jì)方法。4.2結(jié)構(gòu)變異創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法34.2.1工作表面的變異

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(gè)零部件之間的相對位置關(guān)系實(shí)現(xiàn)的。零件的幾何形狀由它的表面所構(gòu)成，一個(gè)零件通常有多個(gè)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(jì)是零部件設(shè)計(jì)的核心問題。通過對功能表面的變異設(shè)計(jì)，可以得到為實(shí)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(gè)方面參數(shù)的變異，可以得到多組構(gòu)型方案。工作面——功能面4.2.1工作表面的變異工作面——功能面4例如要實(shí)現(xiàn)用彈簧產(chǎn)生的（彈）壓緊力壓緊某零件，使其保持確定位置。設(shè)計(jì)時(shí)可以選擇的彈簧類型有拉簧、壓簧、扭簧、板簧，被壓緊的零件形狀可以有平面、圓柱面、球面、螺旋面，通過對這些因素的組合可以得到如表所示的多種方案。其中壓簧的壓縮距離不應(yīng)過大，否則容易引起彈簧的失穩(wěn)，如確需使用較大的壓縮距離則應(yīng)設(shè)置導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，拉簧因無失穩(wěn)問題，設(shè)計(jì)中受空間約束較少，既可單獨(dú)使用，也可與搖桿及繩索等配合使用；板簧通常剛度較大，可在較小的變形條件下產(chǎn)生較大的壓緊力。例如要實(shí)現(xiàn)用彈簧產(chǎn)生的（彈）壓緊力壓緊某零件，使其保持確定位5導(dǎo)向結(jié)構(gòu)導(dǎo)向結(jié)構(gòu)繩索搖桿搖桿螺紋“面”——彈簧導(dǎo)向?qū)蚶K索搖桿搖桿螺紋“面”——彈簧6螺釘用于聯(lián)接時(shí)需要通過螺釘頭部對其進(jìn)行擰緊，而變換旋擰功能面的形狀、數(shù)量和位置（內(nèi)外）可以得到螺釘頭的多種設(shè)計(jì)方案。圖所示有12種方案，其中前三種頭部結(jié)構(gòu)使用一般扳手?jǐn)Q緊，可獲得較大的預(yù)緊力，但不同的頭部形狀所需的最小工作空間（扳手空間）不同；滾花型和元寶型釘頭用于手工擰緊，不需專門工具，使用方便；第6、7、8種方案的扳手作用在螺釘頭的內(nèi)表面，可使螺紋聯(lián)接件表面整齊美觀；最后四種分別是用“十字”型螺絲刀和“一字”型螺絲刀擰緊的螺釘頭部形狀，所需的扳手空間小，但擰緊力矩也??；可以想像，還有許多可以作為螺釘頭部形狀的設(shè)計(jì)方案，實(shí)際上所有的可加工表面都是可選方案，只是不同的頭部形狀需要用不同的專用工具擰緊，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。

螺釘用于聯(lián)接時(shí)需要通過螺釘頭部對其進(jìn)行擰緊，而變換旋擰功能面7

機(jī)器上的按鍵外形通常為方形或圓形，這種形狀的按鍵在控制面板上占用較大的面積。為減小電話手機(jī)的體積，有人做出如圖所示的手機(jī)面板設(shè)計(jì)，面板上的每個(gè)按鍵的寬度為10mm，相鄰兩鍵的間距為2mm。如采用方形或圓形按鍵，則每行按鍵所占用的最小面板寬度為34mm，由于采用三角形按鍵，使最小寬度縮小為24mm，比原方案減小29%。機(jī)器上的按鍵外形通常為方形或圓形，這種形8在所示的結(jié)構(gòu)中，挺桿2與搖桿1通過一球面相接觸，球面在挺桿上。當(dāng)搖桿的位置變化時(shí)，搖桿端面與挺桿球面接觸點(diǎn)的法線方向隨之變化，由于法線方向與挺桿的軸線方向不平行，挺桿與搖桿間作用力的壓力角不等于零，所以會(huì)產(chǎn)生橫向推力，這種橫向推力需要挺桿與導(dǎo)軌之間的反力與之平衡。當(dāng)挺桿的垂直位置較高時(shí)，這種反力產(chǎn)生的摩擦力的數(shù)值會(huì)超過球面接觸點(diǎn)的有效軸向推力，因而造成挺桿運(yùn)動(dòng)卡死。如果將球面改在搖桿上，如圖所示，則接觸面上的法線方向始終平行于挺桿軸線方向，不產(chǎn)生橫向推力。在所示的結(jié)構(gòu)中，挺桿2與搖桿1通過一球9

在圖中所示的V形導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)中，上方零件為凹形，下方零件為凸形，在重力作用下摩擦表面上的潤滑劑會(huì)自然流失，如果改變凸凹零件的位置，使上方零件為凸形，下方零件為凹形，如圖b所示，則可以有效地改善導(dǎo)軌的潤滑狀況。含油位置變換在圖中所示的V形導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)中，上方零件為凹形，10棘輪機(jī)構(gòu)的變異設(shè)計(jì)分析

待設(shè)計(jì)的棘輪機(jī)構(gòu)如圖所示，棘爪頭部的平面與棘輪齒形平面互相接觸，是棘輪機(jī)構(gòu)的工作表面。通過變換功能面的形狀可得到如圖所示的多種結(jié)構(gòu)方案，其中方案a和方案c用于單向傳動(dòng)，方案b的棘輪可用于雙向傳動(dòng)，方案c功能面能承擔(dān)較大的載荷，應(yīng)用較普遍，但承載能力對制造誤差較敏感。棘輪機(jī)構(gòu)的變異設(shè)計(jì)分析11棘輪機(jī)構(gòu)的變異設(shè)計(jì)分析

通過變換功能面的數(shù)量可得到如圖所示的多種結(jié)構(gòu)方案，圖中方案a通過減小輪齒尺寸使輪齒的齒數(shù)增多，由于齒數(shù)增加使傳動(dòng)的最小反應(yīng)角度減小，傳動(dòng)精度提高；方案b不改變棘輪的形狀，而通過增加棘爪數(shù)量的方法起到在不降低承載能力的前提下提高傳動(dòng)精度的作用；方案c和方案d通過兩個(gè)棘爪同時(shí)受力的方法提高了承載能力。棘輪機(jī)構(gòu)的變異設(shè)計(jì)分析

通過變換功能面的數(shù)量可得到如圖所示的12如圖所示為通過變換功能面的位置得到的多種結(jié)構(gòu)方案，圖中方案a為內(nèi)棘輪結(jié)構(gòu)，通過將棘爪設(shè)置在棘輪內(nèi)的方法減小了結(jié)構(gòu)尺寸；方案b為軸向棘輪結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)只有在空間條件允許的條件下才能應(yīng)用。如圖所示為通過變換工作面的尺寸得到的多種結(jié)構(gòu)方案。

棘輪機(jī)構(gòu)的變異設(shè)計(jì)分析

將以上這些要素進(jìn)行交叉組合變換可以得到更多的結(jié)構(gòu)方案，這些方案各有其優(yōu)缺點(diǎn)，通過對這些方案各自特點(diǎn)的分析并結(jié)合具體的應(yīng)用條件可以從中確定較好的結(jié)構(gòu)方案。如圖所示為通過變換功能面的位置得到的多種結(jié)構(gòu)方案，圖中方案a134.2.2軸轂連接結(jié)構(gòu)的變異機(jī)器中的零部件通過各種各樣的聯(lián)接組成完整的機(jī)器。機(jī)器由零件組成，一個(gè)不與其他零部件相接觸的零件具有6個(gè)自由度，機(jī)械設(shè)計(jì)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(dòng)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(shí)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。4.2.2軸轂連接結(jié)構(gòu)的變異14

以軸轂聯(lián)接為例。按照設(shè)計(jì)要求，軸與輪轂的聯(lián)接對相對運(yùn)動(dòng)自由度的限制可能有以下幾種情況：1．固定聯(lián)接，聯(lián)接后軸與輪轂完全固定，不具有相對運(yùn)動(dòng)自由度，通常的軸轂聯(lián)接多為這種情況，這種軸轂聯(lián)接需要限制6個(gè)相對運(yùn)動(dòng)自由度。2．滑動(dòng)聯(lián)接，聯(lián)接后輪轂可在軸上滑動(dòng)，其他相對運(yùn)動(dòng)自由度被限制。例如齒輪變速機(jī)構(gòu)中的滑移齒輪與軸的聯(lián)接就屬于這種聯(lián)接。這種軸轂聯(lián)接需要限制5個(gè)相對運(yùn)動(dòng)自由度。3．轉(zhuǎn)動(dòng)聯(lián)接，聯(lián)接后輪轂可在軸上繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，其他相對運(yùn)動(dòng)自由度被限制。例如齒輪箱中為解決潤滑問題設(shè)置的油輪與固定心軸的聯(lián)接就屬于這種情況。這種軸轂聯(lián)接也需要限制5個(gè)相對運(yùn)動(dòng)自由度。4．移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)聯(lián)接，聯(lián)接后輪轂在軸上既可以移動(dòng)，又可以繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，其他相對運(yùn)動(dòng)自由度被限制。這種聯(lián)接應(yīng)用較少，例如有些汽車變速箱中的倒檔齒輪與固定心軸的聯(lián)接屬于這種情況。這種軸轂聯(lián)接需要限制4個(gè)相對運(yùn)動(dòng)自由度。以軸轂聯(lián)接為例。按照設(shè)計(jì)要求，軸與輪轂15

第一種情況為固定式聯(lián)接，限制條件少，所有滿足可加工性和可裝配性條件的表面形狀都可以作為這種軸轂聯(lián)接的表面形狀，通過變換用以限制零件間相對運(yùn)動(dòng)自由度的方法和結(jié)構(gòu)要素可以得到多種軸轂聯(lián)接方式。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。形鎖合聯(lián)接要求被聯(lián)接表面為非圓形，可以是如圖7—8所示的三角形、正方形、六邊形或其他特殊形狀表面，但是由于非圓截面加工困難，特別是非圓截面孔加工更困難，所以這些形狀的截面實(shí)際應(yīng)用較少。由于圓形截面加工較容易，所以非圓截面通常通過在圓形截面上銑平面、銑槽或鉆孔等方法產(chǎn)生，通過變換這些平面、槽或孔的尺寸、數(shù)量、在軸段的位置和方向就形成不同形式的軸轂聯(lián)接。

第一種情況為固定式聯(lián)接，限制條件少，所16第二種情況—滑動(dòng)聯(lián)接由于輪轂要相對于軸移動(dòng)，所以軸表面必須是除完整圓柱面以外的其他柱面，通過改變軸的截面形狀可以形成不同的聯(lián)接形式，常用的有滑鍵聯(lián)接、導(dǎo)鍵聯(lián)接、花鍵聯(lián)接和特形柱面聯(lián)接（如方形軸聯(lián)接）等。第三種情況—轉(zhuǎn)動(dòng)聯(lián)接和第四種情況—移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)聯(lián)接的聯(lián)接中由于輪轂要相對于軸轉(zhuǎn)動(dòng)，所以聯(lián)接中軸的截面形狀必須是圓形，第四種情況由于輪轂要相對于軸移動(dòng)，所以聯(lián)接中軸的表面形狀必須是柱面（不能是錐面），第三種情況下考慮加工方便和避免產(chǎn)生附加軸向力通常也采用柱面，綜合這兩點(diǎn)分析，這兩種聯(lián)接中的軸表面形狀為圓柱面。

第二種情況—滑動(dòng)聯(lián)接由于輪轂要相對于軸17形鎖合力鎖合形鎖合力鎖合184.2.3聯(lián)軸器連接方式變異材料的變異——在彈性聯(lián)軸器的設(shè)計(jì)中需要選擇彈性元件的材料，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，對聯(lián)軸器的工作性能也有很大的影響?？蛇x作彈性元件的材料有金屬、橡膠、尼龍、膠木等套筒聯(lián)軸器——?jiǎng)傂浴雀?.2.3聯(lián)軸器連接方式變異材料的變異——在彈性聯(lián)軸器的19形狀變異——軸2軸1形狀變異——軸2軸1204.3結(jié)構(gòu)組合創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法組合創(chuàng)新——4.3.1同類組合——雙人自行車——雙體船——多楔帶——大尺寸螺釘預(yù)緊4.3.2異類組合——多頭螺絲刀——組合機(jī)床4.3.3功能附加組合——自行車—貨架+車筐+車燈+后視鏡—4.3.4材料組合——V帶多種材料組合——鋼筋+水泥+沙子—建筑材料4.3結(jié)構(gòu)組合創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法組合創(chuàng)新——214.4引入新的結(jié)構(gòu)要素4.4.1彈性（柔性）結(jié)構(gòu)————空氣壓縮機(jī)配氣機(jī)構(gòu)——無摩擦、無間隙，運(yùn)動(dòng)精度高4.4引入新的結(jié)構(gòu)要素4.4.1彈性（柔性）結(jié)構(gòu)—22對于需要經(jīng)常拆卸的零部件結(jié)構(gòu)不但應(yīng)使聯(lián)接可靠，還應(yīng)使拆卸操作盡量方便。為使聯(lián)接具有一定的使用壽命，應(yīng)使聯(lián)接結(jié)構(gòu)在安裝和拆卸過程中的磨損盡量小。為保護(hù)人類賴以生存和發(fā)展的世界環(huán)境，近年來興起的綠色設(shè)計(jì)理念也要求人們使用的各種設(shè)施和裝備不但在使用期內(nèi)能滿足人們對它的各種功能要求，而且在報(bào)廢后能方便地將其拆卸分解，以利于各種有用成分的回收再利用，減少對環(huán)境的破壞。近年來在設(shè)計(jì)中越來越多的被采用的快動(dòng)聯(lián)接結(jié)構(gòu)較好地滿足了這些要求。4.4.2快速連接結(jié)構(gòu)——對于需要經(jīng)常拆卸的零部件結(jié)構(gòu)不但應(yīng)使聯(lián)接可靠，還應(yīng)使拆卸操作23快動(dòng)聯(lián)接結(jié)構(gòu)通過零件的彈性變形達(dá)到聯(lián)接的目的，結(jié)構(gòu)簡單，便于操作。如圖所示為螺紋聯(lián)接結(jié)構(gòu)（圖a）和經(jīng)改進(jìn)的快動(dòng)聯(lián)接結(jié)構(gòu)（圖b）對照圖。

快動(dòng)聯(lián)接結(jié)構(gòu)通過零件的彈性變形達(dá)到聯(lián)接的目的，24

快動(dòng)聯(lián)接結(jié)構(gòu)要求聯(lián)接件具有較好的彈性，多采用塑料或薄鋼板材料，如采用其他材料應(yīng)通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)減小聯(lián)接件的剛度，圖所示的即為一組這樣的結(jié)構(gòu)。

快動(dòng)聯(lián)接結(jié)構(gòu)要求聯(lián)接件具有較好的彈性，多采用塑料或薄25另一組可快速裝配的聯(lián)接結(jié)構(gòu)定位槽防止兩半螺母松開襯套變形抱住銷釘銷釘過盈裝入快速插入—最后擰緊—1/4圈斜面壓緊另一組可快速裝配的聯(lián)接結(jié)構(gòu)定位槽襯套變形銷釘過盈裝入快速插入26組合結(jié)構(gòu)是指通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將多個(gè)零件的功能組合到一個(gè)零件上，起到減少零件數(shù)量，便于裝配，降低成本的目的。為防止螺紋聯(lián)接的松脫，通常需要采取防松措施。彈簧墊圈是一種被廣泛應(yīng)用的放松裝置，它需要在安裝螺釘或螺母的同時(shí)安裝彈簧墊圈，圖中所示的螺釘集成結(jié)構(gòu)將螺釘、墊片和彈簧墊圈的功能集成在一個(gè)零件上，減少了零件數(shù)量，方便了裝配。

4.4.3組合結(jié)構(gòu)——四合一組合結(jié)構(gòu)是指通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將多個(gè)零件的功能組合到一個(gè)零27圖中所示為某包裝機(jī)中的一個(gè)支架構(gòu)件。圖a所示為原設(shè)計(jì)，由11個(gè)零件組成。圖b為改進(jìn)設(shè)計(jì)，將所有結(jié)構(gòu)組合在一個(gè)零件上，零件精密鑄造后一次加工成形，大大地節(jié)省了加工工時(shí)，降低了成本。圖中所示為某包裝機(jī)中的一個(gè)支架構(gòu)件。圖a所示為原設(shè)計(jì)，由1128按通常的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，指甲刀應(yīng)具有圖中所示的結(jié)構(gòu)。通過將多個(gè)零件的功能集中到少量零件上的組合設(shè)計(jì)方法，指甲刀改為圖b所示結(jié)構(gòu)。

按通常的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，指甲刀應(yīng)具有圖中所示的結(jié)構(gòu)。通過將多個(gè)29圖所示為三種自攻螺釘結(jié)構(gòu)它們或?qū)⒙菁y與絲錐的結(jié)構(gòu)集成在一起，或?qū)⒙菁y與鉆頭的結(jié)構(gòu)集成在一起，使螺紋聯(lián)接結(jié)構(gòu)的加工和安裝更方便。圖所示為三種自攻螺釘結(jié)構(gòu)30智能結(jié)構(gòu)——應(yīng)用智能材料所制造的結(jié)構(gòu)。感知材料——對外界刺激具有感知功能——傳感器機(jī)敏材料——輸入信息刺激，產(chǎn)生機(jī)械動(dòng)作智能材料——外界環(huán)境變化，產(chǎn)生機(jī)械動(dòng)作4.4.4智能結(jié)構(gòu)——智能結(jié)構(gòu)——應(yīng)用智能材料所制造的結(jié)構(gòu)。4.4.4智能結(jié)構(gòu)314.5.1自加強(qiáng)————高壓容器灌口密封結(jié)構(gòu)4.5引入新的邏輯方法油高壓區(qū)多級(jí)杠桿下來4.5.1自加強(qiáng)——4.5引入新的邏輯方法油多級(jí)杠桿下324.5.2自穩(wěn)定——4.5引入新的邏輯方法4.5.2自穩(wěn)定——4.5引入新的邏輯方法334.5.3自補(bǔ)償——4.5引入新的邏輯方法測頭與量具體分離，采用不同膨脹系數(shù)材料，減少測量誤差4.5.3自補(bǔ)償——4.5引入新的邏輯方法測頭與量具344.5.4自平衡——4.5引入新的邏輯方法離心力抵消介質(zhì)作用力產(chǎn)生的彎矩4.5.4自平衡——4.5引入新的邏輯方法離心力抵消介354.5.5自適應(yīng)——4.5引入新的邏輯方法4.5.5自適應(yīng)——4.5引入新的邏輯方法364.5.6載荷分擔(dān)4.5引入新的邏輯方法4.5.6載荷分擔(dān)4.5引入新的邏輯方法374.5.7阿貝原則

——若使量器給出正確測量結(jié)果，必須將儀器的讀數(shù)線尺安放在被測尺寸的延長線上。4.5引入新的邏輯方法4.5.7阿貝原則4.5引入新的邏輯方法384.5.8合理配置精度——在機(jī)床主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，提高主軸前端（工作端）的旋轉(zhuǎn)精度是很重要的設(shè)計(jì)目標(biāo)，主軸前支點(diǎn)軸承和主軸后支點(diǎn)軸承的精度都會(huì)影響主軸前端的旋轉(zhuǎn)精度，但是影響的程度不相同。經(jīng)過分析前支點(diǎn)的誤差對主軸前端的精度影響較大，所以在主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中通常將前支點(diǎn)的軸承精度選擇得比后支點(diǎn)高一個(gè)等級(jí)。4.5引入新的邏輯方法4.5.8合理配置精度——在機(jī)床主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，4.5394.5.9利用誤差傳遞規(guī)律——

在機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中，各級(jí)傳動(dòng)件都會(huì)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)誤差，傳動(dòng)件在傳遞必要的運(yùn)動(dòng)的同時(shí)也不可避免地將誤差傳遞給下一級(jí)傳動(dòng)件。在最后一級(jí)選擇較大傳動(dòng)比，并選擇較高的精度即可改善。

4.5引入新的邏輯方法4.5.9利用誤差傳遞規(guī)律——在機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中，各級(jí)傳404.5.10誤差均化——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(jì)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(yàn)證明螺旋傳動(dòng)的誤差可以小于螺桿本身的螺距誤差。圖中所示為千分尺的測量誤差與其螺距誤差的對比圖，圖a為千分尺的累積測量誤差，圖b為通過萬能工具顯微鏡測得的該千分尺螺桿的螺距累積誤差。這一試驗(yàn)說明了關(guān)于機(jī)械精度的均化原理：在機(jī)構(gòu)中如果有多個(gè)聯(lián)接點(diǎn)同時(shí)對一種運(yùn)動(dòng)起限制作用，則運(yùn)動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)誤差決定于各聯(lián)接點(diǎn)的綜合影響，其運(yùn)動(dòng)精度高于一個(gè)聯(lián)接點(diǎn)的限制作用。在一定條件下增加螺旋傳動(dòng)中起作用的螺紋圈數(shù)，使多圈螺紋同時(shí)起作用，不但可以提高螺旋傳動(dòng)的承載能力和耐磨性，而且可以提高傳動(dòng)精度。

4.5引入新的邏輯方法4.5.10誤差均化——4.5引入新的邏輯方法414.5.11零件分割——4.5引入新的邏輯方法4.5.11零件分割——4.5引入新的邏輯方法424.6.1宜人化設(shè)計(jì)——工具改進(jìn)4.6引入新的設(shè)計(jì)理念4.6.1宜人化設(shè)計(jì)——工具改進(jìn)4.6引入新的設(shè)計(jì)理念43

大多數(shù)機(jī)器設(shè)備要由人操作，在早期的機(jī)械設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)者認(rèn)為通過選拔和訓(xùn)練可以使人適應(yīng)任何復(fù)雜的機(jī)器設(shè)備。隨著設(shè)計(jì)和制造水平的提高，機(jī)器的復(fù)雜程度、工作速度及其對操作人員的知識(shí)和技能水平的要求越來越高，人已經(jīng)很難適應(yīng)這樣的機(jī)器，由于操作不當(dāng)造成的事故越來越多。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在第二次世界大戰(zhàn)期間美國飛機(jī)所發(fā)生的飛行事故中有90％是由于人為因素造成的。通過這些事實(shí)使人們認(rèn)識(shí)到不能要求操作者無限制地適應(yīng)機(jī)器的要求，而應(yīng)使機(jī)器的操作方法適應(yīng)人的生理和心理特點(diǎn)，只有這樣才能使操作者在最佳的生理及心理狀態(tài)下工作，使人和機(jī)器所組成的人一機(jī)系統(tǒng)發(fā)揮最佳效能。以下分別分析設(shè)計(jì)中考慮操作者的生理和心理特點(diǎn)應(yīng)遵循的基本原則，它不但是進(jìn)行創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則，同時(shí)也可為創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供啟示。對現(xiàn)有機(jī)械設(shè)備及工具的宜人化改進(jìn)設(shè)計(jì)是創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一種有效方法。大多數(shù)機(jī)器設(shè)備要由人操作，在早期的機(jī)械44適合人的生理特點(diǎn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1．減少疲勞的設(shè)計(jì)

人體在操作中靠肌肉的收縮對外做功，做功所需的能量物質(zhì)（糖和氧）要依靠血液輸送到肌肉。如果血液不能輸送足夠的氧，則糖會(huì)在無氧或缺氧的狀態(tài)下進(jìn)行不完全分解，不但釋放出的能量少，而且會(huì)產(chǎn)生代謝中間產(chǎn)物——乳酸。乳酸不易排泄，乳酸在肌肉中的積累會(huì)引起肌肉疲勞、疼痛、反應(yīng)遲鈍。長期使某些肌肉處于這種工作狀態(tài)會(huì)對肌肉、肌健、關(guān)節(jié)及相鄰組織造成永久性損害，機(jī)械設(shè)計(jì)應(yīng)避免使操作者在這樣的狀態(tài)下工作。前表所示的幾種常用工具改進(jìn)前的形狀因?yàn)槭鼓承┘∪馓幱陟o態(tài)施力狀態(tài)，不適宜長時(shí)間使用，改進(jìn)后使操作者的手更趨于自然狀態(tài)，減少或消除了肌肉的靜態(tài)施力狀況，使得長時(shí)間使用不易疲勞。

適合人的生理特點(diǎn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)452．容易發(fā)力的設(shè)計(jì)

操作者在操作機(jī)器時(shí)需要用力，人在處于不同姿勢、向不同方向用力時(shí)發(fā)力能力差別很大。試驗(yàn)表明人手臂發(fā)力能力的一般規(guī)律是右手發(fā)力大于左手，向下發(fā)力大于向上發(fā)力，向內(nèi)大于向外，拉力大于推力，沿手臂方向大于垂直手臂方向。人以站立姿勢操作時(shí)手臂所能施加的操縱力明顯大于坐姿，但是長時(shí)間站立容易疲勞，站立操作的動(dòng)作精度比坐姿操作的精度低。在設(shè)計(jì)需要人操作的機(jī)器時(shí)，首先要選擇操作者的操作姿勢，一般優(yōu)先選擇坐姿，特別是動(dòng)作頻率高、精度高、動(dòng)作幅度小的操作，或需要手腳并用的操作。當(dāng)需要施加較大的操縱力，或需要的操作動(dòng)作范圍較大，或因操作空間狹小，無容膝空間時(shí)可以選擇立姿。操縱力的施加方向應(yīng)選擇人容易發(fā)力的方向。施力的方式應(yīng)避免使操作者長時(shí)間保持一種姿勢，當(dāng)操作者必須以不平衡姿勢進(jìn)行操作時(shí)應(yīng)為操作者設(shè)置輔助支撐物。

2．容易發(fā)力的設(shè)計(jì)46適合人的心理特點(diǎn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對復(fù)雜的機(jī)械設(shè)備，操作者要根據(jù)設(shè)備的運(yùn)行狀況隨時(shí)對其進(jìn)行調(diào)整，操作者對設(shè)備工作情況的正確判斷是進(jìn)行正確的調(diào)整操作的基本條件之一。1．減少觀察錯(cuò)誤的設(shè)計(jì)在由人和機(jī)器組成的系統(tǒng)中人起著對系統(tǒng)的工作狀況進(jìn)行調(diào)節(jié)的“調(diào)節(jié)器”的作用，人的正確調(diào)節(jié)來源于人對機(jī)器工作情況的正確了解和判斷，所以在人一機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使操作者能夠及時(shí)、正確、全面地了解機(jī)器的工作狀況是非常重要的。在顯示儀表的設(shè)計(jì)中應(yīng)使操作者觀察方便，觀察后容易正確地理解儀表顯示的內(nèi)容，這要通過正確地選擇儀表的顯示形式、儀表的刻度分布、儀表的擺放位置以及多個(gè)儀表的組合實(shí)現(xiàn)。儀表的刻度排列方向應(yīng)符合操作者的認(rèn)讀習(xí)慣，圓形和半圓形應(yīng)以順時(shí)針方向?yàn)榭潭戎翟龃蠓较?，水平直線式應(yīng)以從左到右的方向?yàn)榭潭戎翟龃蠓较?，垂直直線式應(yīng)以從下到上的方向?yàn)榭潭戎翟龃蠓较?。儀表擺放位置的選擇應(yīng)以方便認(rèn)讀為標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)證明當(dāng)視距為80cm時(shí)水平方向最佳認(rèn)讀區(qū)域在±200范圍內(nèi)，超過±240后正確認(rèn)讀時(shí)間顯著增大；垂直方向的最佳認(rèn)讀區(qū)域?yàn)樗椒较蚺c水平線以下150范圍內(nèi)。重要的儀表應(yīng)擺放在視區(qū)中心，相關(guān)的儀表應(yīng)分組集中擺放，有固定使用順序的儀表應(yīng)按使用順序擺放。

適合人的心理特點(diǎn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)47結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)48結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)49

2．減少操作錯(cuò)誤的設(shè)計(jì)人在了解機(jī)器工作狀況的前提下通過操作對機(jī)器的工作進(jìn)行必要的調(diào)整，使其在更符合操作者意圖的狀態(tài)下工作。人通過控制器對機(jī)器進(jìn)行調(diào)整，通過反饋信息了解調(diào)整的效果?？刂破鞯脑O(shè)計(jì)應(yīng)使操作者在較少視覺幫助或無視覺幫助下能夠迅速準(zhǔn)確地分辨出所需的控制器，在正確了解機(jī)器工作狀況的基礎(chǔ)上對機(jī)器做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。首先應(yīng)使操作者分辨出所需的控制器。通過控制器的大小來分辨不同的控制器也是一種常用的方法。為能準(zhǔn)確地分辨出不同的控制器，應(yīng)使不同的控制器之間的尺寸差別足夠明顯。試驗(yàn)表明旋鈕直徑差為12．5mm，厚度差為10mm時(shí)，人能夠通過觸覺準(zhǔn)確地分辨?？刂破鞯牟僮鲬?yīng)有一定的阻力，操作阻力可以為操作過程提供反饋信息，提高操作過程的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，并可防止因無意碰撞引起的錯(cuò)誤操作。為減少操作錯(cuò)誤，控制器的設(shè)計(jì)還要考慮與顯示器的關(guān)系。

2．減少操作錯(cuò)誤的設(shè)計(jì)50結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)514.6.2綠色設(shè)計(jì)1）材料選擇——低能耗、低成本、低污染，好回收2）延長使用壽命——恢復(fù)工作狀態(tài)3）可拆卸設(shè)計(jì)——拆卸工具空間4）回收設(shè)計(jì)——容易分離—骨架油封骨架位置5）包裝設(shè)計(jì)——包裝材料——4.6引入新的設(shè)計(jì)理念4.6.2綠色設(shè)計(jì)4.6引入新的設(shè)計(jì)理念524.6.3方便裝配的設(shè)計(jì)——1）避免裝配錯(cuò)誤——4.6引入新的設(shè)計(jì)理念4.6.3方便裝配的設(shè)計(jì)——4.6引入新的設(shè)計(jì)理念53例如圖所示的兩個(gè)圓柱銷的外形尺寸完全相同，只是材料及熱處理方式不同，這在裝配過程中無論是人或是自動(dòng)化的機(jī)器都很難區(qū)別，裝錯(cuò)的可能性極大。如果改為圖b的結(jié)構(gòu)，使兩個(gè)零件的外形尺寸有明顯的差別，使得錯(cuò)誤的裝配不能實(shí)現(xiàn)，這就避免了發(fā)生裝配錯(cuò)誤的可能性。

例如圖所示的兩個(gè)圓柱銷的外形尺寸完全相同，只是材544.6.3方便裝配的設(shè)計(jì)——2）減少拆卸（維修）難度4.6引入新的設(shè)計(jì)理念4.6.3方便裝配的設(shè)計(jì)——4.6引入新的設(shè)計(jì)理念554.6.3方便裝配的設(shè)計(jì)——2）減少拆卸（維修）難度4.6引入新的設(shè)計(jì)理念

機(jī)械設(shè)備中的某些零部件由于材料或結(jié)構(gòu)的關(guān)系使用壽命較低，這些零部件在設(shè)備的使用周期內(nèi)需要多次更換，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要考慮這些易損零件更換的可能性和方便程度。例如V帶傳動(dòng)中帶的設(shè)計(jì)壽命較低，需要經(jīng)常更換。V帶是無端帶，如果將帶輪設(shè)置在兩固定支點(diǎn)間，則每次更換帶時(shí)都需要拆卸并移動(dòng)支點(diǎn)，為此通常將帶輪設(shè)置在軸的懸臂端。

圖中所示的彈性套柱銷聯(lián)軸器的彈性元件由于使用橡膠材料所以壽命較低，聯(lián)軸器兩端通常聯(lián)接較大設(shè)備，更換彈性元件時(shí)很難移動(dòng)這些設(shè)備，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)為彈性元件的拆卸和裝配留有必要的空間。

4.6.3方便裝配的設(shè)計(jì)——4.6引入新的設(shè)計(jì)理念564.6.3方便裝配的設(shè)計(jì)——3）裝配關(guān)系獨(dú)立4.6引入新的設(shè)計(jì)理念在機(jī)械設(shè)計(jì)中很多設(shè)計(jì)參數(shù)是依靠調(diào)整過程實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)對機(jī)器進(jìn)行維修時(shí)要破壞某些經(jīng)過調(diào)整的裝配關(guān)系，維修后需要重新調(diào)整這些參數(shù)，這就增加了維修工作的難度。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)減少維修工作中對已有裝配關(guān)系的破壞，使維修更容易進(jìn)行。圖中所示軸承座結(jié)構(gòu)的裝配關(guān)系不獨(dú)立，更換軸承時(shí)不但需要破壞軸承蓋與軸承座的裝配關(guān)系，而且需要破壞軸承座與機(jī)體的裝配關(guān)系。圖b的結(jié)構(gòu)中軸承座與機(jī)體的裝配關(guān)系和軸承蓋與軸承座的裝配關(guān)系互相獨(dú)立，更換軸承時(shí)不需要破壞軸承座與機(jī)體的裝配關(guān)系。4.6.3方便裝配的設(shè)計(jì)——4.6引入新的設(shè)計(jì)理念57（1）方便裝卡大量的零件要經(jīng)過機(jī)械切削加工工藝過程，多數(shù)機(jī)械切削加工過程首先要對零件進(jìn)行裝卡。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(gè)相關(guān)表面進(jìn)行加工，這將有效地提高加工效率。（1）方便裝卡58

在圖利所示的頂尖結(jié)構(gòu)中，圖a結(jié)構(gòu)只有兩個(gè)圓錐表面，用卡盤無法裝卡；在圖b的結(jié)構(gòu)中增加了一個(gè)圓柱形表面，這個(gè)表面在零件工作中不起作用，只是為了實(shí)現(xiàn)工藝過程而設(shè)置的，這種表面稱為工藝表面。

在圖利所示的頂尖結(jié)構(gòu)中，圖a結(jié)構(gòu)只有兩59圖所示的軸結(jié)構(gòu)中，圖a將軸上的兩個(gè)鍵槽沿周向成900布置，這兩個(gè)鍵槽必須兩次裝卡才能完成加工；圖b的結(jié)構(gòu)中將兩個(gè)鍵槽布置在同一周向位置，使得可以一次裝卡完成加工，方便了裝卡，提高了加工效率。圖所示的軸結(jié)構(gòu)中，圖a將軸上的兩個(gè)鍵槽沿周向成60圖所示為立式鉆床的床身結(jié)構(gòu)，床身左側(cè)為導(dǎo)軌，需要精加工，床身右側(cè)沒有工作表面，不需要切削加工。在圖a的結(jié)構(gòu)中沒有可供加工導(dǎo)軌工作表面使用的裝卡定位表向；在圖b的結(jié)構(gòu)中雖然設(shè)置了裝卡定位表面，但是由于表面過小，用它定位裝卡在加工中不能使零件獲得足夠的剛度；在圖c的結(jié)構(gòu)中增大了定位面的面積，并在上部增加了工藝臍，作為定位裝卡的輔助支撐，由于工藝臍在鉆床工作中沒有任何作用，通常在加工完成后將其去除。

圖所示為立式鉆床的床身結(jié)構(gòu)，床身左側(cè)為61（2）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(jì)中盡量減少加工表面的數(shù)量和種類是一條重要的設(shè)計(jì)原則。例如齒輪箱中同一軸系兩端的軸承受力通常不相等，但是如果將兩軸承選為不同型號(hào)，兩軸承孔成為兩個(gè)不同尺寸的幾何表面，加工工作量將加大。為此通常將軸系兩端軸承選為相同型號(hào)。如必須將其選為不同尺寸的軸承時(shí)可在尺寸較小的軸承外徑處加裝套杯。

（2）方便加工62（2）方便加工圖所示的箱形結(jié)構(gòu)頂面有兩個(gè)不平行平面，要通過兩次裝卡才能完成加工；圖b將其改為兩個(gè)平行平面，可以一次裝卡完成加工；圖c將兩個(gè)平面改為平行而且等高，可以將兩個(gè)平面作為一個(gè)幾何要素進(jìn)行加工。

（2）方便加工63

（2）方便加工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中如果為加工過程創(chuàng)造條件，使得某些加工過程可以成組進(jìn)行，將會(huì)明顯地提高加工工作效率。圖所示的齒輪結(jié)構(gòu)中，圖a所示的齒輪結(jié)構(gòu)由于輪轂與輪緣不等寬，如果成組進(jìn)行滾齒加工則由于零件剛度較差而影響加工質(zhì)量，如改為圖b的結(jié)構(gòu)，使輪轂與輪緣等寬，則為成組滾齒創(chuàng)造了條件，大大提高了滾齒工作效率。

（2）方便加工644.1概述4.2結(jié)構(gòu)變異創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法4.3結(jié)構(gòu)組合創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法4.4引入新的結(jié)構(gòu)要素4.5引入新的邏輯方法4.6引入新的設(shè)計(jì)理念第4章結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

4.1概述第4章結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)65

機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的任務(wù)是在總體設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，根據(jù)所確定的原理方案，決定滿足功能要求的機(jī)械結(jié)構(gòu)，需要決定的內(nèi)容包括結(jié)構(gòu)的類型和組成，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(dòng)作要求外，還應(yīng)能滿足設(shè)計(jì)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。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是機(jī)械設(shè)計(jì)中涉及問題最多、最具體、工作量最大的工作階段。機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要特征之一是設(shè)計(jì)問題的多解性，即滿足同一設(shè)計(jì)要求的機(jī)械結(jié)構(gòu)并不是唯一的，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中得到一個(gè)可行的結(jié)構(gòu)方案一般并不很難，然而，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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?，F(xiàn)有的數(shù)學(xué)分析方法能夠使我們從一個(gè)可行方案出發(fā)在一個(gè)單峰區(qū)間內(nèi)尋求到局部最優(yōu)解，但是，并不能使我們遍歷全部的可行區(qū)域，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(jì)方案。這就需要發(fā)揮創(chuàng)造性思維方法的作用。

得到一個(gè)可行的結(jié)構(gòu)方案不難，最好的方案不易側(cè)重點(diǎn)：機(jī)構(gòu)—部裝結(jié)構(gòu)—零部件詳細(xì)設(shè)計(jì)、具體設(shè)計(jì)4.1概述機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的任務(wù)是在總體設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，664.2結(jié)構(gòu)變異創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法創(chuàng)造性思維在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要應(yīng)用之一就是結(jié)構(gòu)方案的變異設(shè)計(jì)方法。它能使設(shè)計(jì)者從一個(gè)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(jì)者得到多個(gè)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。變異設(shè)計(jì)的目的——尋求滿足設(shè)計(jì)要求的獨(dú)立的設(shè)計(jì)方案，以便對其進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過變異設(shè)計(jì)所得到的獨(dú)立的設(shè)計(jì)方案數(shù)量越多，覆蓋的范圍越廣泛，通過優(yōu)化得到全局最優(yōu)解的可能性就越大。變異設(shè)計(jì)的基本方法——首先通過對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的分析，得出一般結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案中所包含的技術(shù)要素的構(gòu)成，然后再分析每一個(gè)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(jì)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(gè)技術(shù)要素的變異設(shè)計(jì)方法。4.2結(jié)構(gòu)變異創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法674.2.1工作表面的變異

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(gè)零部件之間的相對位置關(guān)系實(shí)現(xiàn)的。零件的幾何形狀由它的表面所構(gòu)成，一個(gè)零件通常有多個(gè)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(jì)是零部件設(shè)計(jì)的核心問題。通過對功能表面的變異設(shè)計(jì)，可以得到為實(shí)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(gè)方面參數(shù)的變異，可以得到多組構(gòu)型方案。工作面——功能面4.2.1工作表面的變異工作面——功能面68例如要實(shí)現(xiàn)用彈簧產(chǎn)生的（彈）壓緊力壓緊某零件，使其保持確定位置。設(shè)計(jì)時(shí)可以選擇的彈簧類型有拉簧、壓簧、扭簧、板簧，被壓緊的零件形狀可以有平面、圓柱面、球面、螺旋面，通過對這些因素的組合可以得到如表所示的多種方案。其中壓簧的壓縮距離不應(yīng)過大，否則容易引起彈簧的失穩(wěn)，如確需使用較大的壓縮距離則應(yīng)設(shè)置導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，拉簧因無失穩(wěn)問題，設(shè)計(jì)中受空間約束較少，既可單獨(dú)使用，也可與搖桿及繩索等配合使用；板簧通常剛度較大，可在較小的變形條件下產(chǎn)生較大的壓緊力。例如要實(shí)現(xiàn)用彈簧產(chǎn)生的（彈）壓緊力壓緊某零件，使其保持確定位69導(dǎo)向結(jié)構(gòu)導(dǎo)向結(jié)構(gòu)繩索搖桿搖桿螺紋“面”——彈簧導(dǎo)向?qū)蚶K索搖桿搖桿螺紋“面”——彈簧70螺釘用于聯(lián)接時(shí)需要通過螺釘頭部對其進(jìn)行擰緊，而變換旋擰功能面的形狀、數(shù)量和位置（內(nèi)外）可以得到螺釘頭的多種設(shè)計(jì)方案。圖所示有12種方案，其中前三種頭部結(jié)構(gòu)使用一般扳手?jǐn)Q緊，可獲得較大的預(yù)緊力，但不同的頭部形狀所需的最小工作空間（扳手空間）不同；滾花型和元寶型釘頭用于手工擰緊，不需專門工具，使用方便；第6、7、8種方案的扳手作用在螺釘頭的內(nèi)表面，可使螺紋聯(lián)接件表面整齊美觀；最后四種分別是用“十字”型螺絲刀和“一字”型螺絲刀擰緊的螺釘頭部形狀，所需的扳手空間小，但擰緊力矩也??；可以想像，還有許多可以作為螺釘頭部形狀的設(shè)計(jì)方案，實(shí)際上所有的可加工表面都是可選方案，只是不同的頭部形狀需要用不同的專用工具擰緊，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。

螺釘用于聯(lián)接時(shí)需要通過螺釘頭部對其進(jìn)行擰緊，而變換旋擰功能面71

機(jī)器上的按鍵外形通常為方形或圓形，這種形狀的按鍵在控制面板上占用較大的面積。為減小電話手機(jī)的體積，有人做出如圖所示的手機(jī)面板設(shè)計(jì)，面板上的每個(gè)按鍵的寬度為10mm，相鄰兩鍵的間距為2mm。如采用方形或圓形按鍵，則每行按鍵所占用的最小面板寬度為34mm，由于采用三角形按鍵，使最小寬度縮小為24mm，比原方案減小29%。機(jī)器上的按鍵外形通常為方形或圓形，這種形72在所示的結(jié)構(gòu)中，挺桿2與搖桿1通過一球面相接觸，球面在挺桿上。當(dāng)搖桿的位置變化時(shí)，搖桿端面與挺桿球面接觸點(diǎn)的法線方向隨之變化，由于法線方向與挺桿的軸線方向不平行，挺桿與搖桿間作用力的壓力角不等于零，所以會(huì)產(chǎn)生橫向推力，這種橫向推力需要挺桿與導(dǎo)軌之間的反力與之平衡。當(dāng)挺桿的垂直位置較高時(shí)，這種反力產(chǎn)生的摩擦力的數(shù)值會(huì)超過球面接觸點(diǎn)的有效軸向推力，因而造成挺桿運(yùn)動(dòng)卡死。如果將球面改在搖桿上，如圖所示，則接觸面上的法線方向始終平行于挺桿軸線方向，不產(chǎn)生橫向推力。在所示的結(jié)構(gòu)中，挺桿2與搖桿1通過一球73

在圖中所示的V形導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)中，上方零件為凹形，下方零件為凸形，在重力作用下摩擦表面上的潤滑劑會(huì)自然流失，如果改變凸凹零件的位置，使上方零件為凸形，下方零件為凹形，如圖b所示，則可以有效地改善導(dǎo)軌的潤滑狀況。含油位置變換在圖中所示的V形導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)中，上方零件為凹形，74棘輪機(jī)構(gòu)的變異設(shè)計(jì)分析

待設(shè)計(jì)的棘輪機(jī)構(gòu)如圖所示，棘爪頭部的平面與棘輪齒形平面互相接觸，是棘輪機(jī)構(gòu)的工作表面。通過變換功能面的形狀可得到如圖所示的多種結(jié)構(gòu)方案，其中方案a和方案c用于單向傳動(dòng)，方案b的棘輪可用于雙向傳動(dòng)，方案c功能面能承擔(dān)較大的載荷，應(yīng)用較普遍，但承載能力對制造誤差較敏感。棘輪機(jī)構(gòu)的變異設(shè)計(jì)分析75棘輪機(jī)構(gòu)的變異設(shè)計(jì)分析

通過變換功能面的數(shù)量可得到如圖所示的多種結(jié)構(gòu)方案，圖中方案a通過減小輪齒尺寸使輪齒的齒數(shù)增多，由于齒數(shù)增加使傳動(dòng)的最小反應(yīng)角度減小，傳動(dòng)精度提高；方案b不改變棘輪的形狀，而通過增加棘爪數(shù)量的方法起到在不降低承載能力的前提下提高傳動(dòng)精度的作用；方案c和方案d通過兩個(gè)棘爪同時(shí)受力的方法提高了承載能力。棘輪機(jī)構(gòu)的變異設(shè)計(jì)分析

通過變換功能面的數(shù)量可得到如圖所示的76如圖所示為通過變換功能面的位置得到的多種結(jié)構(gòu)方案，圖中方案a為內(nèi)棘輪結(jié)構(gòu)，通過將棘爪設(shè)置在棘輪內(nèi)的方法減小了結(jié)構(gòu)尺寸；方案b為軸向棘輪結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)只有在空間條件允許的條件下才能應(yīng)用。如圖所示為通過變換工作面的尺寸得到的多種結(jié)構(gòu)方案。

棘輪機(jī)構(gòu)的變異設(shè)計(jì)分析

將以上這些要素進(jìn)行交叉組合變換可以得到更多的結(jié)構(gòu)方案，這些方案各有其優(yōu)缺點(diǎn)，通過對這些方案各自特點(diǎn)的分析并結(jié)合具體的應(yīng)用條件可以從中確定較好的結(jié)構(gòu)方案。如圖所示為通過變換功能面的位置得到的多種結(jié)構(gòu)方案，圖中方案a774.2.2軸轂連接結(jié)構(gòu)的變異機(jī)器中的零部件通過各種各樣的聯(lián)接組成完整的機(jī)器。機(jī)器由零件組成，一個(gè)不與其他零部件相接觸的零件具有6個(gè)自由度，機(jī)械設(shè)計(jì)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(dòng)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(shí)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。4.2.2軸轂連接結(jié)構(gòu)的變異78

以軸轂聯(lián)接為例。按照設(shè)計(jì)要求，軸與輪轂的聯(lián)接對相對運(yùn)動(dòng)自由度的限制可能有以下幾種情況：1．固定聯(lián)接，聯(lián)接后軸與輪轂完全固定，不具有相對運(yùn)動(dòng)自由度，通常的軸轂聯(lián)接多為這種情況，這種軸轂聯(lián)接需要限制6個(gè)相對運(yùn)動(dòng)自由度。2．滑動(dòng)聯(lián)接，聯(lián)接后輪轂可在軸上滑動(dòng)，其他相對運(yùn)動(dòng)自由度被限制。例如齒輪變速機(jī)構(gòu)中的滑移齒輪與軸的聯(lián)接就屬于這種聯(lián)接。這種軸轂聯(lián)接需要限制5個(gè)相對運(yùn)動(dòng)自由度。3．轉(zhuǎn)動(dòng)聯(lián)接，聯(lián)接后輪轂可在軸上繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，其他相對運(yùn)動(dòng)自由度被限制。例如齒輪箱中為解決潤滑問題設(shè)置的油輪與固定心軸的聯(lián)接就屬于這種情況。這種軸轂聯(lián)接也需要限制5個(gè)相對運(yùn)動(dòng)自由度。4．移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)聯(lián)接，聯(lián)接后輪轂在軸上既可以移動(dòng)，又可以繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，其他相對運(yùn)動(dòng)自由度被限制。這種聯(lián)接應(yīng)用較少，例如有些汽車變速箱中的倒檔齒輪與固定心軸的聯(lián)接屬于這種情況。這種軸轂聯(lián)接需要限制4個(gè)相對運(yùn)動(dòng)自由度。以軸轂聯(lián)接為例。按照設(shè)計(jì)要求，軸與輪轂79

第一種情況為固定式聯(lián)接，限制條件少，所有滿足可加工性和可裝配性條件的表面形狀都可以作為這種軸轂聯(lián)接的表面形狀，通過變換用以限制零件間相對運(yùn)動(dòng)自由度的方法和結(jié)構(gòu)要素可以得到多種軸轂聯(lián)接方式。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。形鎖合聯(lián)接要求被聯(lián)接表面為非圓形，可以是如圖7—8所示的三角形、正方形、六邊形或其他特殊形狀表面，但是由于非圓截面加工困難，特別是非圓截面孔加工更困難，所以這些形狀的截面實(shí)際應(yīng)用較少。由于圓形截面加工較容易，所以非圓截面通常通過在圓形截面上銑平面、銑槽或鉆孔等方法產(chǎn)生，通過變換這些平面、槽或孔的尺寸、數(shù)量、在軸段的位置和方向就形成不同形式的軸轂聯(lián)接。

第一種情況為固定式聯(lián)接，限制條件少，所80第二種情況—滑動(dòng)聯(lián)接由于輪轂要相對于軸移動(dòng)，所以軸表面必須是除完整圓柱面以外的其他柱面，通過改變軸的截面形狀可以形成不同的聯(lián)接形式，常用的有滑鍵聯(lián)接、導(dǎo)鍵聯(lián)接、花鍵聯(lián)接和特形柱面聯(lián)接（如方形軸聯(lián)接）等。第三種情況—轉(zhuǎn)動(dòng)聯(lián)接和第四種情況—移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)聯(lián)接的聯(lián)接中由于輪轂要相對于軸轉(zhuǎn)動(dòng)，所以聯(lián)接中軸的截面形狀必須是圓形，第四種情況由于輪轂要相對于軸移動(dòng)，所以聯(lián)接中軸的表面形狀必須是柱面（不能是錐面），第三種情況下考慮加工方便和避免產(chǎn)生附加軸向力通常也采用柱面，綜合這兩點(diǎn)分析，這兩種聯(lián)接中的軸表面形狀為圓柱面。

第二種情況—滑動(dòng)聯(lián)接由于輪轂要相對于軸81形鎖合力鎖合形鎖合力鎖合824.2.3聯(lián)軸器連接方式變異材料的變異——在彈性聯(lián)軸器的設(shè)計(jì)中需要選擇彈性元件的材料，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，對聯(lián)軸器的工作性能也有很大的影響?？蛇x作彈性元件的材料有金屬、橡膠、尼龍、膠木等套筒聯(lián)軸器——?jiǎng)傂浴雀?.2.3聯(lián)軸器連接方式變異材料的變異——在彈性聯(lián)軸器的83形狀變異——軸2軸1形狀變異——軸2軸1844.3結(jié)構(gòu)組合創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法組合創(chuàng)新——4.3.1同類組合——雙人自行車——雙體船——多楔帶——大尺寸螺釘預(yù)緊4.3.2異類組合——多頭螺絲刀——組合機(jī)床4.3.3功能附加組合——自行車—貨架+車筐+車燈+后視鏡—4.3.4材料組合——V帶多種材料組合——鋼筋+水泥+沙子—建筑材料4.3結(jié)構(gòu)組合創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法組合創(chuàng)新——854.4引入新的結(jié)構(gòu)要素4.4.1彈性（柔性）結(jié)構(gòu)————空氣壓縮機(jī)配氣機(jī)構(gòu)——無摩擦、無間隙，運(yùn)動(dòng)精度高4.4引入新的結(jié)構(gòu)要素4.4.1彈性（柔性）結(jié)構(gòu)—86對于需要經(jīng)常拆卸的零部件結(jié)構(gòu)不但應(yīng)使聯(lián)接可靠，還應(yīng)使拆卸操作盡量方便。為使聯(lián)接具有一定的使用壽命，應(yīng)使聯(lián)接結(jié)構(gòu)在安裝和拆卸過程中的磨損盡量小。為保護(hù)人類賴以生存和發(fā)展的世界環(huán)境，近年來興起的綠色設(shè)計(jì)理念也要求人們使用的各種設(shè)施和裝備不但在使用期內(nèi)能滿足人們對它的各種功能要求，而且在報(bào)廢后能方便地將其拆卸分解，以利于各種有用成分的回收再利用，減少對環(huán)境的破壞。近年來在設(shè)計(jì)中越來越多的被采用的快動(dòng)聯(lián)接結(jié)構(gòu)較好地滿足了這些要求。4.4.2快速連接結(jié)構(gòu)——對于需要經(jīng)常拆卸的零部件結(jié)構(gòu)不但應(yīng)使聯(lián)接可靠，還應(yīng)使拆卸操作87快動(dòng)聯(lián)接結(jié)構(gòu)通過零件的彈性變形達(dá)到聯(lián)接的目的，結(jié)構(gòu)簡單，便于操作。如圖所示為螺紋聯(lián)接結(jié)構(gòu)（圖a）和經(jīng)改進(jìn)的快動(dòng)聯(lián)接結(jié)構(gòu)（圖b）對照圖。

快動(dòng)聯(lián)接結(jié)構(gòu)通過零件的彈性變形達(dá)到聯(lián)接的目的，88

快動(dòng)聯(lián)接結(jié)構(gòu)要求聯(lián)接件具有較好的彈性，多采用塑料或薄鋼板材料，如采用其他材料應(yīng)通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)減小聯(lián)接件的剛度，圖所示的即為一組這樣的結(jié)構(gòu)。

快動(dòng)聯(lián)接結(jié)構(gòu)要求聯(lián)接件具有較好的彈性，多采用塑料或薄89另一組可快速裝配的聯(lián)接結(jié)構(gòu)定位槽防止兩半螺母松開襯套變形抱住銷釘銷釘過盈裝入快速插入—最后擰緊—1/4圈斜面壓緊另一組可快速裝配的聯(lián)接結(jié)構(gòu)定位槽襯套變形銷釘過盈裝入快速插入90組合結(jié)構(gòu)是指通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將多個(gè)零件的功能組合到一個(gè)零件上，起到減少零件數(shù)量，便于裝配，降低成本的目的。為防止螺紋聯(lián)接的松脫，通常需要采取防松措施。彈簧墊圈是一種被廣泛應(yīng)用的放松裝置，它需要在安裝螺釘或螺母的同時(shí)安裝彈簧墊圈，圖中所示的螺釘集成結(jié)構(gòu)將螺釘、墊片和彈簧墊圈的功能集成在一個(gè)零件上，減少了零件數(shù)量，方便了裝配。

4.4.3組合結(jié)構(gòu)——四合一組合結(jié)構(gòu)是指通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將多個(gè)零件的功能組合到一個(gè)零91圖中所示為某包裝機(jī)中的一個(gè)支架構(gòu)件。圖a所示為原設(shè)計(jì)，由11個(gè)零件組成。圖b為改進(jìn)設(shè)計(jì)，將所有結(jié)構(gòu)組合在一個(gè)零件上，零件精密鑄造后一次加工成形，大大地節(jié)省了加工工時(shí)，降低了成本。圖中所示為某包裝機(jī)中的一個(gè)支架構(gòu)件。圖a所示為原設(shè)計(jì)，由1192按通常的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，指甲刀應(yīng)具有圖中所示的結(jié)構(gòu)。通過將多個(gè)零件的功能集中到少量零件上的組合設(shè)計(jì)方法，指甲刀改為圖b所示結(jié)構(gòu)。

按通常的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，指甲刀應(yīng)具有圖中所示的結(jié)構(gòu)。通過將多個(gè)93圖所示為三種自攻螺釘結(jié)構(gòu)它們或?qū)⒙菁y與絲錐的結(jié)構(gòu)集成在一起，或?qū)⒙菁y與鉆頭的結(jié)構(gòu)集成在一起，使螺紋聯(lián)接結(jié)構(gòu)的加工和安裝更方便。圖所示為三種自攻螺釘結(jié)構(gòu)94智能結(jié)構(gòu)——應(yīng)用智能材料所制造的結(jié)構(gòu)。感知材料——對外界刺激具有感知功能——傳感器機(jī)敏材料——輸入信息刺激，產(chǎn)生機(jī)械動(dòng)作智能材料——外界環(huán)境變化，產(chǎn)生機(jī)械動(dòng)作4.4.4智能結(jié)構(gòu)——智能結(jié)構(gòu)——應(yīng)用智能材料所制造的結(jié)構(gòu)。4.4.4智能結(jié)構(gòu)954.5.1自加強(qiáng)————高壓容器灌口密封結(jié)構(gòu)4.5引入新的邏輯方法油高壓區(qū)多級(jí)杠桿下來4.5.1自加強(qiáng)——4.5引入新的邏輯方法油多級(jí)杠桿下964.5.2自穩(wěn)定——4.5引入新的邏輯方法4.5.2自穩(wěn)定——4.5引入新的邏輯方法974.5.3自補(bǔ)償——4.5引入新的邏輯方法測頭與量具體分離，采用不同膨脹系數(shù)材料，減少測量誤差4.5.3自補(bǔ)償——4.5引入新的邏輯方法測頭與量具984.5.4自平衡——4.5引入新的邏輯方法離心力抵消介質(zhì)作用力產(chǎn)生的彎矩4.5.4自平衡——4.5引入新的邏輯方法離心力抵消介994.5.5自適應(yīng)——4.5引入新的邏輯方法4.5.5自適應(yīng)——4.5引入新的邏輯方法1004.5.6載荷分擔(dān)4.5引入新的邏輯方法4.5.6載荷分擔(dān)4.5引入新的邏輯方法1014.5.7阿貝原則

——若使量器給出正確測量結(jié)果，必須將儀器的讀數(shù)線尺安放在被測尺寸的延長線上。4.5引入新的邏輯方法4.5.7阿貝原則4.5引入新的邏輯方法1024.5.8合理配置精度——在機(jī)床主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，提高主軸前端（工作端）的旋轉(zhuǎn)精度是很重要的設(shè)計(jì)目標(biāo)，主軸前支點(diǎn)軸承和主軸后支點(diǎn)軸承的精度都會(huì)影響主軸前端的旋轉(zhuǎn)精度，但是影響的程度不相同。經(jīng)過分析前支點(diǎn)的誤差對主軸前端的精度影響較大，所以在主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中通常將前支點(diǎn)的軸承精度選擇得比后支點(diǎn)高一個(gè)等級(jí)。4.5引入新的邏輯方法4.5.8合理配置精度——在機(jī)床主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，4.51034.5.9利用誤差傳遞規(guī)律——

在機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中，各級(jí)傳動(dòng)件都會(huì)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)誤差，傳動(dòng)件在傳遞必要的運(yùn)動(dòng)的同時(shí)也不可避免地將誤差傳遞給下一級(jí)傳動(dòng)件。在最后一級(jí)選擇較大傳動(dòng)比，并選擇較高的精度即可改善。

4.5引入新的邏輯方法4.5.9利用誤差傳遞規(guī)律——在機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中，各級(jí)傳1044.5.10誤差均化——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(jì)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(yàn)證明螺旋傳動(dòng)的誤差可以小于螺桿本身的螺距誤差。圖中所示為千分尺的測量誤差與其螺距誤差的對比圖，圖a為千分尺的累積測量誤差，圖b為通過萬能工具顯微鏡測得的該千分尺螺桿的螺距累積誤差。這一試驗(yàn)說明了關(guān)于機(jī)械精度的均化原理：在機(jī)構(gòu)中如果有多個(gè)聯(lián)接點(diǎn)同時(shí)對一種運(yùn)動(dòng)起限制作用，則運(yùn)動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)誤差決定于各聯(lián)接點(diǎn)的綜合影響，其運(yùn)動(dòng)精度高于一個(gè)聯(lián)接點(diǎn)的限制作用。在一定條件下增加螺旋傳動(dòng)中起作用的螺紋圈數(shù)，使多圈螺紋同時(shí)起作用，不但可以提高螺旋傳動(dòng)的承載能力和耐磨性，而且可以提高傳動(dòng)精度。

4.5引入新的邏輯方法4.5.10誤差均化——4.5引入新的邏輯方法1054.5.11零件分割——4.5引入新的邏輯方法4.5.11零件分割——4.5引入新的邏輯方法1064.6.1宜人化設(shè)計(jì)——工具改進(jìn)4.6引入新的設(shè)計(jì)理念4.6.1宜人化設(shè)計(jì)——工具改進(jìn)4.6引入新的設(shè)計(jì)理念107

大多數(shù)機(jī)器設(shè)備要由人操作，在早期的機(jī)械設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)者認(rèn)為通過選拔和訓(xùn)練可以使人適應(yīng)任何復(fù)雜的機(jī)器設(shè)備。隨著設(shè)計(jì)和制造水平的提高，機(jī)器的復(fù)雜程度、工作速度及其對操作人員的知識(shí)和技能水平的要求越來越高，人已經(jīng)很難適應(yīng)這樣的機(jī)器，由于操作不當(dāng)造成的事故越來越多。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在第二次世界大戰(zhàn)期間美國飛機(jī)所發(fā)生的飛行事故中有90％是由于人為因素造成的。通過這些事實(shí)使人們認(rèn)識(shí)到不能要求操作者無限制地適應(yīng)機(jī)器的要求，而應(yīng)使機(jī)器的操作方法適應(yīng)人的生理和心理特點(diǎn)，只有這樣才能使操作者在最佳的生理及心理狀態(tài)下工作，使人和機(jī)器所組成的人一機(jī)系統(tǒng)發(fā)揮最佳效能。以下分別分析設(shè)計(jì)中考慮操作者的生理和心理特點(diǎn)應(yīng)遵循的基本原則，它不但是進(jìn)行創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則，同時(shí)也可為創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供啟示。對現(xiàn)有機(jī)械設(shè)備及工具的宜人化改進(jìn)設(shè)計(jì)是創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一種有效方法。大多數(shù)機(jī)器設(shè)備要由人操作，在早期的機(jī)械108適合人的生理特點(diǎn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1．減少疲勞的設(shè)計(jì)

人體在操作中靠肌肉的收縮對外做功，做功所需的能量物質(zhì)（糖和氧）要依靠血液輸送到肌肉。如果血液不能輸送足夠的氧，則糖會(huì)在無氧或缺氧的狀態(tài)下進(jìn)行不完全分解，不但釋放出的能量少，而且會(huì)產(chǎn)生代謝中間產(chǎn)物——乳酸。乳酸不易排泄，乳酸在肌肉中的積累會(huì)引起肌肉疲勞、疼痛、反應(yīng)遲鈍。長期使某些肌肉處于這種工作狀態(tài)會(huì)對肌肉、肌健、關(guān)節(jié)及相鄰組織造成永久性損害，機(jī)械設(shè)計(jì)應(yīng)避免使操作者在這樣的狀態(tài)下工作。前表所示的幾種常用工具改進(jìn)前的形狀因?yàn)槭鼓承┘∪馓幱陟o態(tài)施力狀態(tài)，不適宜長時(shí)間使用，改進(jìn)后使操作者的手更趨于自然狀態(tài)，減少或消除了肌肉的靜態(tài)施力狀況，使得長時(shí)間使用不易疲勞。

適合人的生理特點(diǎn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1092．容易發(fā)力的設(shè)計(jì)

操作者在操作機(jī)器時(shí)需要用力，人在處于不同姿勢、向不同方向用力時(shí)發(fā)力能力差別很大。試驗(yàn)表明人手臂發(fā)力能力的一般規(guī)律是右手發(fā)力大于左手，向下發(fā)力大于向上發(fā)力，向內(nèi)大于向外，拉力大于推力，沿手臂方向大于垂直手臂方向。人以站立姿勢操作時(shí)手臂所能施加的操縱力明顯大于坐姿，但是長時(shí)間站立容易疲勞，站立操作的動(dòng)作精度比坐姿操作的精度低。在設(shè)計(jì)需要人操作的機(jī)器時(shí)，首先要選擇操作者的操作姿勢，一般優(yōu)先選擇坐姿，特別是動(dòng)作頻率高、精度高、動(dòng)作幅度小的操作，或需要手腳并用的操作。當(dāng)需要施加較大的操縱力，或需要的操作動(dòng)作范圍較大，或因操作空間狹小，無容膝空間時(shí)可以選擇立姿。操縱力的施加方向應(yīng)選擇人容易發(fā)力的方向。施力的方式應(yīng)避免使操作者長時(shí)間保持一種姿勢，當(dāng)操作者必須以不平衡姿勢進(jìn)行操作時(shí)應(yīng)為操作者設(shè)置輔助支撐物。

2．容易發(fā)力的設(shè)計(jì)110適合人的心理特點(diǎn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對復(fù)雜的機(jī)械設(shè)備，操作者要根據(jù)設(shè)備的運(yùn)行狀況隨時(shí)對其進(jìn)行調(diào)整，操作者對設(shè)備工作情況的正確判斷是進(jìn)行正確的調(diào)整操作的基本條件之一。1．減少觀察錯(cuò)誤的設(shè)計(jì)在由人和機(jī)器組成的系統(tǒng)中人起著對系統(tǒng)的工作狀況進(jìn)行調(diào)節(jié)的“調(diào)節(jié)器”的作用，人的正確調(diào)節(jié)來源于人對機(jī)器工作情況的正確了解和判斷，所以在人一機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使操作者能夠及時(shí)、正確、全面地了解機(jī)器的工作狀況是非常重要的。在顯示儀表的設(shè)計(jì)中應(yīng)使操作者觀察方便，觀察后容易正確地理解儀表顯示的內(nèi)容，這要通過正確地選擇儀表的顯示形式、儀表的刻度分布、儀表的擺放位置以及多個(gè)儀表的組合實(shí)現(xiàn)。儀表的刻度排列方向應(yīng)符合操作者的認(rèn)讀習(xí)慣，圓形和半圓形應(yīng)以順時(shí)針方向?yàn)榭潭戎翟龃蠓较?，水平直線式應(yīng)以從左到右的方向?yàn)榭潭戎翟龃蠓较颍怪敝本€式應(yīng)以從下到上的方向?yàn)榭潭戎翟龃蠓较?。儀表擺放位置的選擇應(yīng)以方便認(rèn)讀為標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)證明當(dāng)視距為80cm時(shí)水平方向最佳認(rèn)讀區(qū)域在±200范圍內(nèi)，超過±240后正確認(rèn)讀時(shí)間顯著增大；垂直方向的最佳認(rèn)讀區(qū)域?yàn)樗椒较蚺c水平線以下150范圍內(nèi)。重要的儀表應(yīng)擺放在視區(qū)中心，相關(guān)的儀表應(yīng)分組集中擺放，有固定使用順序的儀表應(yīng)按使用順序擺放。

適合人的心理特點(diǎn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)111結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)112結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)113

2．減少操作錯(cuò)誤的設(shè)計(jì)人在了解機(jī)器工作狀況的前提下通過操作對機(jī)器的工作進(jìn)行必要的調(diào)整，使其在更符合操作者意圖的狀態(tài)下工作。人通過控制器對機(jī)器進(jìn)行調(diào)整，通過反饋信息了解調(diào)整的效果?？刂破鞯脑O(shè)計(jì)應(yīng)使操作者在較少視覺幫助或無視覺幫助下能夠迅速準(zhǔn)確地分辨出所需的控制器，在正確了解機(jī)器工作狀況的基礎(chǔ)上對機(jī)器做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。首先應(yīng)使操作者分辨出所需的控制器。通過控制器的大小來分辨不同的控制器也是一種常用的方法。為能準(zhǔn)確地分辨出不同的控制器，應(yīng)使不同