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7結(jié)構(gòu)方案創(chuàng)新設(shè)計

結(jié)構(gòu)既是機(jī)器內(nèi)部諸構(gòu)件之間的相互聯(lián)系與秩序、相互作用的形式和方式,也是指零件的幾何形態(tài)與視覺效果;前者在機(jī)構(gòu)方案創(chuàng)新設(shè)計中已經(jīng)得到解決,這里主要研究零件的幾何形態(tài)設(shè)計與相互聯(lián)系。結(jié)構(gòu)設(shè)計是將機(jī)構(gòu)方案設(shè)計中的桿具體化,同時,選擇零件的材料、計算零部件的強(qiáng)度、確定公差與配合,以便為制造與裝配提供完整的圖紙與說明信息。零部件幾何形態(tài)的三維設(shè)計不僅要滿足使用性能,而且要考慮加工、裝配與視覺效果;零部件幾何形態(tài)的外觀設(shè)計主要是創(chuàng)造一種良好的感官效果;材料的選擇主要考慮滿足使用性能與價格因素;強(qiáng)度的計算以確保能承受住外負(fù)載的作用;公差與配合的選擇在滿足使用性能的前提下越經(jīng)濟(jì)越好。結(jié)構(gòu)設(shè)計通常不是一次完成的,結(jié)構(gòu)設(shè)計在零部件幾何形態(tài)的三維設(shè)計方面具有很大的創(chuàng)新空間。17.1結(jié)構(gòu)設(shè)計的根本要求結(jié)構(gòu)設(shè)計的根本要求是滿足功能要求、幾何形態(tài)簡單且平安可靠。7.1.1功能明確功能明確是指所選擇的結(jié)構(gòu)要到達(dá)預(yù)期的功能,當(dāng)功能比較多時,可以將功能分解為假設(shè)干個子功能,再確定各子功能與結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)系。在軸轂連接中,圖7-1(a)所示的設(shè)計就沒有明確傳遞扭矩的是鍵還是圓錐面、轂的軸向定位是軸的階梯面還是圓錐面。圖7-1(b)所示的設(shè)計就明確兩種功能都是由圓錐面來承擔(dān),是一種好的結(jié)構(gòu)。圖7-1錐面聯(lián)接(a)

(b)2在組合軸承設(shè)計中,圖7-2(a)所示的設(shè)計是滾針軸承承擔(dān)徑向力、球軸承承受軸向力,實際上,兩個軸承都能承受徑向力,各自受力大小因兩種滾動體不同而不確定,故容易導(dǎo)致軸承過載而損壞。圖7-2(b)所示的設(shè)計就區(qū)分了徑向力和軸向力的承受者。圖7-2軸承組合(a)

(b)3457.1.2結(jié)構(gòu)簡單結(jié)構(gòu)簡單是指整機(jī)、部件與零件的結(jié)構(gòu)在滿足總功能的前提下,盡量力求結(jié)構(gòu)形狀簡單、零部件數(shù)量少等,同時盡量采用標(biāo)準(zhǔn)零部件。7.1.3平安可靠平安可靠包括零件的平安、整機(jī)的平安、操作的平安與環(huán)境的平安。零件的平安指在規(guī)定外載荷和規(guī)定時間內(nèi),零件不發(fā)生斷裂、過渡變形、過渡磨損,不喪失穩(wěn)定性;整機(jī)的平安指整個技術(shù)系統(tǒng)在規(guī)定的條件下保證實現(xiàn)總的功能;操作的平安指對操作人員不得產(chǎn)生人身損害;環(huán)境的平安指對技術(shù)系統(tǒng)的周圍環(huán)境不造成危害和污染。6

符合有限損壞原理當(dāng)出現(xiàn)功能干擾或零件破壞時,不會使主要部件或整機(jī)遭到破壞。7過載保護(hù)回路:正常工作時,電磁換向閥1通電,使換向閥2換向,氣缸外伸。如果在活塞桿受壓的方向發(fā)生過載,那么順序閥動作,換向閥3切換,換向閥2的控制氣體排出,在彈簧力的作用下?lián)Q至圖示工位,使活塞桿縮回。8冗余配置原理當(dāng)技術(shù)系統(tǒng)發(fā)生故障或失效時,會造成人身平安或重大設(shè)備事故,為了提高可靠性,常采用重復(fù)的備用系統(tǒng)。多點嚙合柔性傳動多個小功率驅(qū)動器各自通過超越離合器,共同驅(qū)動一個重型機(jī)構(gòu),俗稱“多馬拉車〞。多點嚙合柔性傳動飛機(jī)襟翼操縱機(jī)構(gòu)9雙手操作回路是使用兩個啟動用的手動換向閥,只有同時按下兩個閥時氣缸才動作,起到平安保護(hù)作用。應(yīng)用在沖床、鍛壓機(jī)床上,對操作人員的手起保護(hù)作用。107.2結(jié)構(gòu)設(shè)計根本原理結(jié)構(gòu)設(shè)計的根本原理主要表達(dá)在任務(wù)分配原理、自補(bǔ)償原理、力傳遞原理、變形協(xié)調(diào)原理、力平衡原理、等強(qiáng)度原理、穩(wěn)定性原理與噪聲降低原理諸方面。遵守這些原理是實現(xiàn)良好的結(jié)構(gòu)設(shè)計的根底。7.2.1任務(wù)分配原理1〕任務(wù)分解將任務(wù)分解,由不同的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)整體功能。11圖7-3帶輪的安裝結(jié)構(gòu)(a)

(b)

圖7-3所示為兩種帶輪的安裝結(jié)構(gòu),圖7-3(a)所示的結(jié)構(gòu)是將彎矩和扭矩同時作用于轉(zhuǎn)軸;圖7-3(b)所示的結(jié)構(gòu)將彎矩作用于機(jī)架、扭矩作用于轉(zhuǎn)軸,顯然,圖7-3(b)所示的結(jié)構(gòu)有利于減小軸的尺寸、提高軸的旋轉(zhuǎn)精度。(a)

(b)12132〕任務(wù)合成將任務(wù)合成,由同一結(jié)構(gòu)實現(xiàn)不同的功能。圖7-4所示的齒式聯(lián)軸器既實現(xiàn)了轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的傳遞,又解決了兩端軸線的誤差補(bǔ)償、適應(yīng)了工作時外載荷引起的軸線變位。圖7-4齒式聯(lián)軸器147.2.2自補(bǔ)償原理在機(jī)械設(shè)計中,實現(xiàn)自增強(qiáng)、自平衡是提高機(jī)械壽命的有效手段。1〕自增強(qiáng)在正常工作狀態(tài)下,負(fù)載效應(yīng)與初始效應(yīng)的作用方向相同,總效果變好。圖7-5所示為自增強(qiáng)作用的密封裝置,壓力p使錐面圓盤1更緊密地壓在密封2上,這就是利用壓力p產(chǎn)生了增強(qiáng)密封的效果。p12圖7-5圓盤的密封1516高壓容器檢孔蓋設(shè)計1-螺桿;2-蓋;3-密封17溫度變化、受力、磨損等因素是影響機(jī)械結(jié)構(gòu)工作精度的原因。好的結(jié)構(gòu)設(shè)計可以減少這些影響。凸輪、移動從動件與搖桿的接觸點上都有磨損。圖a使得這兩處磨損對從動件的運動誤差的影響互相疊加;而圖b的結(jié)構(gòu)那么使得影響互相抵消,從而提高了機(jī)構(gòu)的工作精度。18〔a〕〔b〕圖7-6齒輪徑向力平衡αp1p2pω1ω2O1O2吸油壓油p'與為液壓力,與與與2〕自平衡在正常工作狀態(tài)下,自平衡是指將工作力對零件的不利影響自我抵消掉。圖7-6所示為齒輪泵的徑向力平衡問題,在圖7-6(a)所示的結(jié)構(gòu)中,與為液壓力,與為齒輪嚙合力,與為主動齒輪軸承和被動齒輪軸承所承受的徑向力,軸承上的徑向力未實現(xiàn)平衡,與加快了軸承的磨損;在圖7-6(b)所示的結(jié)構(gòu)中,在泵殼或側(cè)板上開有徑向力平衡槽,把高壓油引到低壓區(qū)對應(yīng)的軸上,把低壓油引到高壓區(qū)對應(yīng)的軸上,軸承上的徑向力得到了平衡,延長了軸承的壽命。吸油壓油1920圖7-7力流路線對結(jié)構(gòu)的影響0.2a(a)FF(b)0.5aaFFa2a(c)FF7.2.3力傳遞原理機(jī)械中的構(gòu)件與運動副都承受并傳遞力,力流路線最短、力流轉(zhuǎn)向平緩是減小體積提高壽命的有效方式。1〕力流路線最短圖7-7所示為實現(xiàn)拉力傳遞的結(jié)構(gòu)設(shè)計,在空間許可的條件下,圖7-7(a)所示的結(jié)構(gòu)為力流路線最短、結(jié)構(gòu)尺寸最小。圖7-7(b)、(c)所示的結(jié)構(gòu)力流路線都長,故尺寸較大。212〕力流轉(zhuǎn)向平緩當(dāng)結(jié)構(gòu)的斷面尺寸發(fā)生突然變化時,易引起力流方向的急劇改變,使得力流密度增加,產(chǎn)生應(yīng)力集中。在結(jié)構(gòu)設(shè)計時,應(yīng)使力流方向變化平緩,以減小應(yīng)力集中。圖7-8所示為軸轂連接,圖7-8(a)所示的力流方向變化急劇,A處產(chǎn)生應(yīng)力集中;圖7-8(b)所示的力流方向變化平緩,應(yīng)力集中較小。圖7-8輪與軸聯(lián)接(b)TT(a)TAT22圖7-9兩焊接板的變形及應(yīng)力分布(a)

(b)

(c)FFτ平均τmaxFFτ平均τmax21壓應(yīng)力拉應(yīng)力FF1F2F2=FF1=F21τ平均≈τmaxF7.2.4變形協(xié)調(diào)原理在外載荷作用下,兩個相鄰零件的聯(lián)接處,由于各自受力與變形不同,兩零件間產(chǎn)生相對變形將引起力流密集形成應(yīng)力集中。所謂變形協(xié)調(diào),就是使相鄰零件在外載荷作用下的變形方向相同,并盡可能減小相對變形。圖7-9(a)為兩板受拉,相對變形較小,符合變形協(xié)調(diào)原理,應(yīng)力分布較均勻;圖7-9(b)為一板受拉,另一板受壓,相對變形較大,變形不協(xié)調(diào),應(yīng)力分布不均勻;圖7-9(c)為改進(jìn)設(shè)計,兩板改為板厚呈線性變化的斜接口,兩板相對變形幾乎等于零,應(yīng)力分布非常均勻。2324圖7-10強(qiáng)度(a)(b)(c)(d)FFFF7.2.5等強(qiáng)度原理假設(shè)一個零件的各處應(yīng)力相等稱為等強(qiáng)度。等強(qiáng)度充分利用了材料的力學(xué)性能,是一種好的設(shè)計方案。圖7-10(a)所示強(qiáng)度不等,而且強(qiáng)度差;圖7-10(b)所示強(qiáng)度不等,浪費了材料;圖7-10(c)所示適于鑄鐵的等強(qiáng)度結(jié)構(gòu),圖7-10(d)所示適用于鋼的等強(qiáng)度結(jié)構(gòu)。25267.2.6穩(wěn)定性原理結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是指傾翻力被恢復(fù)力平衡,系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。在圖7-11中,圖7-11(a)所示的活塞易偏斜,是不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu);圖7-11(b)所示的氣缸壓力能使活塞有恢復(fù)到垂直位置的傾向,到達(dá)穩(wěn)定工作狀態(tài);圖7-11(c)所示的氣缸壓力到達(dá)活塞的下端,活塞不易傾斜;圖7-11(d)所示的活塞鉸接點到達(dá)上端,活塞同樣不易傾斜。圖7-11保持活塞穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)(a)壓力平衡環(huán)(b)圓錐形活塞(c)壓力囊(d)活塞重心上鉸鏈連接活塞氣缸活塞氣缸活塞氣缸活塞氣缸27活塞不穩(wěn)定和穩(wěn)定結(jié)構(gòu)7.2.7噪聲降低原理噪聲對人是有害的,根據(jù)JB3774·1—1984?工程機(jī)械噪聲限值?標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,司機(jī)位置處的噪聲不得大于90dB。機(jī)械噪聲是由固體振動產(chǎn)生的,因此,減少振動是降低噪聲的有效手段。28綜合控制噪聲的措施1-吸聲材料層2-進(jìn)氣口消聲器3-柔性管4-吸聲屏障5-控制室6-密封門7-隔振墊8-雙層密封窯9-具有噪聲的設(shè)備置于地下10-隔聲聯(lián)接11-振動設(shè)備置于別離的根底上297.3結(jié)構(gòu)設(shè)計方法結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)優(yōu)先滿足功能的需要,其次是形體簡單、美觀、易于制造、便于裝配、受力合理、本錢不高等。結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法有類比方法與計算方法,類比方法只確定零件的幾何形態(tài)與相對關(guān)系;計算方法確定零件的幾何尺寸與配合關(guān)系。7.3.1類比設(shè)計方法圖7-12所示為改變閥芯外表的形狀而得到不同結(jié)構(gòu)的閥門。圖7-12(a)所示為錐形閥,圖7-12(b)所示為球形閥,功能根本相同,但因閥體的工作外表形狀不同,流體進(jìn)入閥腔內(nèi)的流場不同,引起的溫升與能量損失也不同,圖7-12(b)所示的結(jié)構(gòu)性能優(yōu)于圖7-12(a)的。圖7-12不同閥芯的閥門(a)錐形閥

(b)球形閥30圖7-13所示為改變螺紋作用面位置的圓盤鋸聯(lián)接。圖7-13(a)為螺紋在外部,將內(nèi)外螺紋面互換位置,得圖7-13(b)所示的螺紋聯(lián)接。圖7-14所示為改變螺紋作用方式。圖7-14(a)所示為單個螺紋聯(lián)接結(jié)構(gòu),圖7-14(b)所示為多個螺紋聯(lián)接結(jié)構(gòu),但功能根本相同。圖7-13螺紋作用面的位置變換(a)

(b)圖7-14螺紋作用方式的變換(a)

(b)

3132減小球面接觸應(yīng)力的結(jié)構(gòu)設(shè)計

33347.4降低本錢的結(jié)構(gòu)設(shè)計機(jī)械產(chǎn)品在滿足功能和可靠性要求的同時,還要求采用制造本錢較低的方法,只有這樣,企業(yè)才能獲得最大的利潤。7.4.1減少加工本錢的結(jié)構(gòu)設(shè)計采用整體結(jié)構(gòu)或一個結(jié)構(gòu)多重功能,使零件數(shù)量少,加工面少,以減少加工時間與本錢。圖7-16所示為鏈輪齒輪結(jié)構(gòu),圖7-16(a)所示鏈輪與齒輪的組合構(gòu)造,零件數(shù)量多、加工面多、需要組裝時間,故加工本錢高;圖7-16(b)所示為整體結(jié)構(gòu),制造本錢明顯降低。圖7-16鏈輪齒輪結(jié)構(gòu)(a)

(b)

35圖7-17減少加工量得箱體結(jié)構(gòu)(a)

(b)0.80.80.80.8圖7-17所示為箱體的結(jié)構(gòu),圖7-17(a)所示的結(jié)構(gòu)加工面大、加工本錢高;圖7-17(b)所示的結(jié)構(gòu)加工面小、加工本錢較低。3637

提高機(jī)床主軸前端(工作端)的旋轉(zhuǎn)精度是很重要的,兩支點軸承的精度對工作端影響的程度不相同。誤差為分別為:

顯然支點A的誤差對工作端的精度影響較大,支點A的軸承精度選擇得比支點B的高一個等級。

根據(jù)對精度的影響來選擇軸承精度38加工孔的布置39防止特殊加工的結(jié)構(gòu)407.4.2減少裝配本錢的結(jié)構(gòu)設(shè)計圖7-18所示為三套凸輪機(jī)構(gòu)的協(xié)同工作,圖7-18(a)為分體式凸輪軸,圖7-18(b)為整體式凸輪軸,顯然,整體式凸輪軸比分

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