材料加工新技術(shù)與新工藝結(jié)構(gòu)方案的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院機(jī)械設(shè)計(jì)系第七章結(jié)構(gòu)方案的創(chuàng)新設(shè)計(jì) 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的任務(wù)是在總體設(shè)計(jì)的根底上，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：7.0引言 結(jié)構(gòu)的類(lèi)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、熱處理方式和外表狀況， 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(duì)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(jì)的重要特征之一是設(shè)計(jì)問(wèn)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。7.0引言 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。 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。結(jié)構(gòu)方案的變異設(shè)計(jì)方法使設(shè)計(jì)者從一個(gè)的可行結(jié)構(gòu)方案出發(fā)，通過(guò)變換得到大量的可行方案。7.1結(jié)構(gòu)方案的變異設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)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(guò)對(duì)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)的目的是尋求滿足設(shè)計(jì)要求的獨(dú)立的設(shè)計(jì)方案，以便對(duì)其進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì) 變異設(shè)計(jì)的根本方法是首先通過(guò)對(duì)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。7.1結(jié)構(gòu)方案的變異設(shè)計(jì) 然后再分析每一個(gè)技術(shù)要素的取值范圍，通過(guò)對(duì)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。7.1結(jié)構(gòu)方案的變異設(shè)計(jì)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(duì)位置關(guān)系實(shí)現(xiàn)的。7.1.1功能面的變異 零件的幾何形狀由它的外表所構(gòu)成，一個(gè)零件通常有多個(gè)外表，在這些外表中與其他零部件相接觸的外表，與工作介質(zhì)或被加工物體相接觸的外表稱(chēng)為功能外表。 零件的功能外表是決定機(jī)械功能的重要因素，功能外表的設(shè)計(jì)是零部件設(shè)計(jì)的核心問(wèn)題。通過(guò)對(duì)功能外表的變異設(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。描述功能外表的主要幾何參數(shù)有外表的形狀、尺寸大小、外表數(shù)量、位置、順序等。通過(guò)對(duì)這幾個(gè)方面的變異，可以得到多組構(gòu)型方案。7.1.1功能面的變異7.1.1功能面的變異7.1.1功能面的變異壓簧的壓縮距離不應(yīng)過(guò)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)。拉簧無(wú)失穩(wěn)問(wèn)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。7.1.1功能面的變異機(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。7.1.1功能面的變異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％。在包含中間齒輪的直齒圓柱齒輪傳動(dòng)中，中間軸所受合力的大小與三個(gè)軸的相對(duì)位置有關(guān)。7.1.1功能面的變異挺桿2與搖桿1通過(guò)一球面相接觸，球面在挺桿上。7.1.1功能面的變異將球面改在搖桿上，那么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。上方零件為凹形，下方零件為凸形。7.1.1功能面的變異7.1.1功能面的變異曲柄搖桿機(jī)構(gòu)偏心輪機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)中銷(xiāo)孔尺寸變化7.1.1功能面的變異普通電動(dòng)機(jī)中轉(zhuǎn)子和定子的布置直線方向布置直線方向布置的轉(zhuǎn)子和定子再沿另一軸線旋轉(zhuǎn)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(guò)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，保存機(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。7.1.2聯(lián)接的變異聯(lián)接的作用是通過(guò)零件的工作外表與其他零件的相應(yīng)外表的接觸實(shí)現(xiàn)的，不同形式的聯(lián)接由于相接觸的工作外表形狀不同，外表間所施加的緊固力不同，從而對(duì)零件的自由度形成不同的約束。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(duì)相對(duì)運(yùn)動(dòng)自由度的限制可能有：7.1.2聯(lián)接的變異1．固定聯(lián)接，限制6個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)自由度。2．滑動(dòng)聯(lián)接，限制5個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)自由度。3．轉(zhuǎn)動(dòng)聯(lián)接，限制5個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)自由度。4．移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)聯(lián)接，限制5個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)自由度。7.1.2聯(lián)接的變異3．轉(zhuǎn)動(dòng)聯(lián)接，限制5個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)自由度。4．移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)聯(lián)接，限制5個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)自由度。聯(lián)接中軸的截面形狀必須是圓形由于輪轂要相對(duì)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)考慮加工方便和避免產(chǎn)生附加軸向力通常也采用柱面兩種聯(lián)接中的軸外表形狀為圓柱面7.1.2聯(lián)接的變異1．固定聯(lián)接，限制6個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)自由度。2．滑動(dòng)聯(lián)接，限制5個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)自由度。由于輪轂要相對(duì)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，如滑鍵聯(lián)接、導(dǎo)鍵聯(lián)接。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毅聯(lián)接的表面形狀。7.1.2聯(lián)接的變異按照聯(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)接外表為非圓形，可以是三角形、正方形、六邊形或其他特殊形狀外表。7.1.2聯(lián)接的變異

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。非圓截面通常通過(guò)在圓形截面上銑平面、銑槽或鉆孔等方法產(chǎn)生，通過(guò)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毅聯(lián)接。7.1.2聯(lián)接的變異按照聯(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)接件外表間的壓力所派生的摩擦力傳遞轉(zhuǎn)矩和軸向力，外表間壓力的產(chǎn)生可以依靠多種不同的結(jié)構(gòu)措施。

過(guò)盈配合是一種常用的結(jié)構(gòu)措施，它以最簡(jiǎn)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。7.1.2聯(lián)接的變異

常用的形鎖合聯(lián)接有銷(xiāo)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。7.1.2聯(lián)接的變異為構(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(shí)外表間無(wú)過(guò)盈，裝配后通過(guò)其他調(diào)整措施使外表間產(chǎn)生過(guò)盈，拆卸過(guò)程那么相反。

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(guò)盈聯(lián)接、圓錐面過(guò)盈聯(lián)接、頂絲聯(lián)接、容差環(huán)聯(lián)接、星盤(pán)聯(lián)接、壓套聯(lián)接和液壓漲套聯(lián)接等7.1.2聯(lián)接的變異

常用的力鎖合聯(lián)接7.1.3支承的變異軸系的工作性能與它的支承設(shè)計(jì)的狀況和質(zhì)量密切相關(guān)。旋轉(zhuǎn)軸至少需要兩個(gè)相距一定距離的支點(diǎn)支承，支承的變異設(shè)計(jì)包括支點(diǎn)位置變異和支點(diǎn)軸承的種類(lèi)及其組合的變異。7.1.3支承的變異以錐齒輪傳動(dòng)為例分析支點(diǎn)位置變異問(wèn)題，錐齒輪傳動(dòng)的兩軸各有兩個(gè)支點(diǎn)，每個(gè)支點(diǎn)相對(duì)于傳動(dòng)零件的位置可以在左側(cè)，也可以在右側(cè)，兩個(gè)支點(diǎn)的位置可能有3種組合方式:7.1.3支承的變異將兩軸的支點(diǎn)位置進(jìn)行組合得到9種結(jié)構(gòu)方案:7.1.3支承的變異

軸上的每個(gè)支點(diǎn)除承受徑向載荷以外還可能同時(shí)承受單向或雙向軸向載荷，每個(gè)支點(diǎn)承受軸向載荷的方式有4種可能:承受純徑向載荷的支點(diǎn)，可以選用圓柱滾子軸承、滾針軸承、深溝球軸承、調(diào)心球軸承或調(diào)心滾子軸承?？梢赃x用向心推力軸承如圓錐滾子軸承或角接觸球軸承，當(dāng)軸向力較小時(shí)也可以選用深溝球軸承、調(diào)心球軸承或調(diào)心滾子軸承等向心軸承，也可以采用向心軸承與承受軸向載荷的推力軸承的組合。用一對(duì)向心推力軸承面對(duì)面或背對(duì)背組合使用，可以使用專(zhuān)門(mén)型號(hào)的雙列向心推力軸承7.1.3支承的變異將軸系中兩個(gè)支點(diǎn)的這4種情況進(jìn)行組合，得到兩支點(diǎn)軸系承受軸向載荷情況的16種方案dmbebeicicdm軸系在兩個(gè)方向上實(shí)現(xiàn)完全定位，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用最普遍使軸系在兩個(gè)方向上都不定位，稱(chēng)為兩端游動(dòng)軸系結(jié)構(gòu)，這種軸系結(jié)構(gòu)適用于軸系可以通過(guò)傳動(dòng)件實(shí)現(xiàn)雙向軸向定位的場(chǎng)合只用在軸系只可能產(chǎn)生單方向軸向載荷的場(chǎng)合7.1.4材料的變異

機(jī)械設(shè)計(jì)中可以選擇的材料種類(lèi)眾多，不同的材料具有不同的性能，不同的材料對(duì)應(yīng)不同的加工工藝。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(lèi)確定適當(dāng)?shù)募庸すに嚕⒏鶕?jù)加工工藝的要求確定適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)，只有通過(guò)適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)才能使所選擇的材料最充分地發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。7.1.4材料的變異設(shè)計(jì)者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、使用本錢(qián)等信息。

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。

可選作彈性元件的材料有金屬、橡膠、尼龍、膠木等。7.1.4材料的變異由于彈性元件的壽命短，使用中需屢次更換，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(dòng)的零件盡量少。7.1.4材料的變異使用不同彈性元件材料的常用彈性聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)7.1.4材料的變異結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)所選材料的特性及其所對(duì)應(yīng)的加工工藝而遵循不同的設(shè)計(jì)原那么。鋼材受拉和受壓時(shí)的力學(xué)特性根本相同，因此鋼梁結(jié)構(gòu)多為對(duì)稱(chēng)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(chēng)形狀，以使承載時(shí)最大壓應(yīng)力大于最大拉應(yīng)力7.1.4材料的變異

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(gè)被聯(lián)接件上分別做出形狀簡(jiǎn)單的搭鉤和凹槽，裝配時(shí)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(shí)現(xiàn)聯(lián)接，裝配過(guò)程簡(jiǎn)單準(zhǔn)確，便于操作。7.1.4材料的變異設(shè)計(jì)的結(jié)果要通過(guò)制造和裝配實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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)形式那么會(huì)為制造過(guò)程帶來(lái)方便。

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中通常通過(guò)加大截面尺寸的方法增大結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度。鑄造結(jié)構(gòu)中如果壁厚過(guò)大那么很難保證鑄造質(zhì)量，所以鑄造結(jié)構(gòu)通常通過(guò)加肋板和隔板的方法加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度。7.1.4材料的變異

塑料材料由于剛度差，鑄造后的冷卻不均勻造成的內(nèi)應(yīng)力極易引起結(jié)構(gòu)翹曲，所以塑料結(jié)構(gòu)的肋板應(yīng)與壁厚相近并均勻?qū)ΨQ(chēng)。陶瓷結(jié)構(gòu)的模具本錢(qián)和燒結(jié)工藝本錢(qián)遠(yuǎn)大于材料本錢(qián)，所以陶瓷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中為使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通常不考慮節(jié)省材料的原那么。7.1.4材料的變異例7-1棘輪機(jī)構(gòu)的變異設(shè)計(jì)分析

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)的功能面。7.1.4材料的變異例7-1棘輪機(jī)構(gòu)的變異設(shè)計(jì)分析

通過(guò)變換功能面的形狀方案a和方案c用于單向傳動(dòng)方案b可用于雙向傳動(dòng)功能面能承擔(dān)較大的載荷，應(yīng)用較普遍，但承載能力對(duì)制造誤差較敏感。7.1.4材料的變異例7-1棘輪機(jī)構(gòu)的變異設(shè)計(jì)分析通過(guò)變換功能面的數(shù)量通過(guò)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c和d通過(guò)兩個(gè)棘爪同時(shí)受力的方法提高了承載能力。方案b不改變棘輪的形狀，而通過(guò)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；7.1.4材料的變異例7-1棘輪機(jī)構(gòu)的變異設(shè)計(jì)分析通過(guò)變換功能面的位置內(nèi)棘輪結(jié)構(gòu)，通過(guò)將棘爪設(shè)置在棘輪內(nèi)的方法減小了結(jié)構(gòu)尺寸軸向棘輪結(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7.1.4材料的變異例7-2鉸鏈節(jié)叉的變異鉸鏈的一種裝配結(jié)構(gòu)鉸鏈的一種裝配結(jié)構(gòu)7.1.4材料的變異例7-2鉸鏈節(jié)叉的變異鉸鏈的一種裝配結(jié)構(gòu)采用鑄造毛坯時(shí)的不同結(jié)構(gòu)方案a和b的外形簡(jiǎn)單容易造型，c和d的外形結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，但較省材料，而且各局部壁厚較均勻，容易保證鑄造質(zhì)量。7.1.4材料的變異例7-2鉸鏈節(jié)叉的變異鉸鏈的一種裝配結(jié)構(gòu)采用整體材料以切削方法成形時(shí)的不同結(jié)構(gòu)方案用于單件或小批量生產(chǎn)的情況。下排的幾種結(jié)構(gòu)雖然具有較輕的重量，但并不節(jié)省材料，而且增大切削加工的工作量。7.1.4材料的變異例7-2鉸鏈節(jié)叉的變異鉸鏈的一種裝配結(jié)構(gòu)使用薄板沖壓毛坯的不同結(jié)構(gòu)方案沖壓結(jié)構(gòu)具有重量輕、節(jié)省材料和大批量生產(chǎn)本錢(qián)低的優(yōu)點(diǎn)，特別適合于生產(chǎn)批量較大的場(chǎng)合。包含較小的彎曲半徑，容易引起裂紋和榴皺在條件允許時(shí)應(yīng)盡量采用較大的彎曲半徑7.1.4材料的變異例7-2鉸鏈節(jié)叉的變異鉸鏈的一種裝配結(jié)構(gòu)使用板材經(jīng)焊接成形的結(jié)構(gòu)適用于結(jié)構(gòu)尺寸較大，而且批量較小的情況。a的焊口只起聯(lián)接作用，根本不承擔(dān)載荷；其余幾種結(jié)構(gòu)的焊口都要承擔(dān)工作載荷，因此對(duì)焊接質(zhì)量要求較高；方案c的焊口較長(zhǎng)，焊接本錢(qián)高；方案d中的底板在焊接中容易翹曲，影響焊接質(zhì)量。7.1.4材料的變異例7-2鉸鏈節(jié)叉的變異鉸鏈的一種裝配結(jié)構(gòu)使用成型材料并經(jīng)焊接成形的結(jié)構(gòu)由于使用了槽鋼、角鋼、帶鋼等型材，使焊接工作量更小C的焊口承受較大的彎矩，影響其承載能力。7.1.4材料的變異例7-2鉸鏈節(jié)叉的變異鉸鏈的一種裝配結(jié)構(gòu)使用整體材料與板材經(jīng)焊接成形的結(jié)構(gòu)機(jī)械產(chǎn)品的性能不但與原理設(shè)計(jì)有關(guān)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)。7.2提高性能的設(shè)計(jì)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(jì)方法和設(shè)計(jì)原那么。強(qiáng)度和剛度是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的根本問(wèn)題，通過(guò)正確的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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。7.2.1提高強(qiáng)度和剛度的設(shè)計(jì)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)7.2.1提高強(qiáng)度和剛度的設(shè)計(jì)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(guò)大。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)將載荷由多個(gè)結(jié)構(gòu)分別承擔(dān)，這樣有利于降低危險(xiǎn)結(jié)構(gòu)處的應(yīng)力，從而提高結(jié)構(gòu)的承載能力，這種方法稱(chēng)為載荷分擔(dān)。1．載荷分擔(dān)7.2.1提高強(qiáng)度和剛度的設(shè)計(jì)彎矩和扭矩同時(shí)作用會(huì)在軸上引起較大應(yīng)力。結(jié)構(gòu)中增加了一個(gè)支承套，帶輪通過(guò)端蓋將扭矩傳給軸，通過(guò)軸承將壓軸力傳給支承套。1．載荷分擔(dān)7.2.1提高強(qiáng)度和剛度的設(shè)計(jì)蝸桿軸系結(jié)構(gòu)蝸桿傳動(dòng)產(chǎn)生的軸向力較大，使得軸承在承受徑向載荷同時(shí)承受較大的軸向載荷。1．載荷分擔(dān)7.2.1提高強(qiáng)度和剛度的設(shè)計(jì)增加了專(zhuān)門(mén)承受雙向軸向載荷的雙向推力球軸承，使得各軸承分別發(fā)揮各自承載能力的優(yōu)勢(shì)。

2．載荷平衡7.2.1提高強(qiáng)度和剛度的設(shè)計(jì) 在機(jī)械傳動(dòng)中有些做功的力必須使其沿傳動(dòng)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(lèi)載荷構(gòu)成平衡力系那么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。

2．載荷平衡7.2.1提高強(qiáng)度和剛度的設(shè)計(jì)行星齒輪結(jié)構(gòu)中齒輪嚙合使中心輪和系桿受力。在對(duì)稱(chēng)位置布置三個(gè)行星輪，使行星輪產(chǎn)生的力在中心輪和系桿上合成為力偶，減小了有害力的傳播范圍。

3．減小應(yīng)力集中7.2.1提高強(qiáng)度和剛度的設(shè)計(jì) 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(jì)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(huì)發(fā)生變化，局部力流密度的增加引起應(yīng)力集中。

3．減小應(yīng)力集中7.2.1提高強(qiáng)度和剛度的設(shè)計(jì) 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(jì)中應(yīng)盡力防止使結(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(duì)強(qiáng)度的影響。 零件受力變形時(shí)不同位置的變形阻力(剛度)不相同也會(huì)引起應(yīng)力集中，設(shè)計(jì)中通過(guò)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。

3．減小應(yīng)力集中7.2.1提高強(qiáng)度和剛度的設(shè)計(jì)過(guò)盈配合聯(lián)接結(jié)構(gòu)在輪毅端部應(yīng)力集中嚴(yán)重通過(guò)降低軸或輪毅相應(yīng)部位的局部剛度使應(yīng)力集中得到有效緩解

3．減小應(yīng)力集中7.2.1提高強(qiáng)度和剛度的設(shè)計(jì) 由于結(jié)構(gòu)定位等功能的需要在絕大局部結(jié)構(gòu)中不可防止地會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)尺寸及形狀的變化，這些變化都會(huì)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(jì)中應(yīng)盡力防止這種情況。

3．減小應(yīng)力集中7.2.1提高強(qiáng)度和剛度的設(shè)計(jì) 軸結(jié)構(gòu)中臺(tái)階和鍵槽端部都會(huì)引起軸在彎矩作用下的應(yīng)力集中。鍵槽不加工到軸段根部，防止了應(yīng)力集中源的集中兩個(gè)應(yīng)力集中源設(shè)計(jì)到同一截面處，加劇了局部的應(yīng)力集中

4．減小接觸應(yīng)力7.2.1提高強(qiáng)度和剛度的設(shè)計(jì) 高副接觸零件的接觸強(qiáng)度和接觸剛度都與接觸點(diǎn)的綜合曲率半徑有關(guān)，設(shè)法增大接觸點(diǎn)的綜合曲率半徑是提高這類(lèi)零件工作能力的重要措施。 漸開(kāi)線齒輪在齒面上不同位置處的曲率半徑不同，采用正變位可使齒面的工作位置向曲率半徑較大的方向移動(dòng)，對(duì)提高齒輪的接觸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度都非常有利。

4．減小接觸應(yīng)力7.2.1提高強(qiáng)度和剛度的設(shè)計(jì)凸球面接觸傳力，綜合曲率半徑較小，接觸應(yīng)力大；綜合曲率半徑依次增大，有利于改善球面支承的強(qiáng)度和剛度。7.2.2提高精度的設(shè)計(jì)通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(duì)各項(xiàng)誤差的敏感程度，從而提高產(chǎn)品的精度。

1．誤差均化7.2.2提高精度的設(shè)計(jì)制造和安裝過(guò)程中產(chǎn)生的誤差是不可防止的，通過(guò)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。千分尺的累積測(cè)量誤差

千分尺螺桿的螺距累積誤差

1．誤差均化7.2.2提高精度的設(shè)計(jì)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(duì)一種運(yùn)動(dòng)起限制作用，那么運(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。

2．誤差合理配置7.2.2提高精度的設(shè)計(jì)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。

3．誤差傳遞7.2.2提高精度的設(shè)計(jì)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)也不可防止地將誤差傳遞給下一級(jí)傳動(dòng)件。

3．誤差傳遞7.2.2提高精度的設(shè)計(jì)如果傳動(dòng)系統(tǒng)為減速傳動(dòng)(i>1)，那么最后一級(jí)傳動(dòng)所產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)誤差對(duì)總誤差影響最大，所以在以傳遞運(yùn)動(dòng)為主要目的的減速傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中通常將最后一級(jí)傳動(dòng)件的精度設(shè)計(jì)得較高；在加速傳動(dòng)系統(tǒng)(i<1)中第一級(jí)傳動(dòng)所產(chǎn)生的傳動(dòng)誤差對(duì)總誤差影響最大，這樣的傳動(dòng)系統(tǒng)中通常將第一級(jí)傳動(dòng)件的精度設(shè)計(jì)得較高。

4．誤差補(bǔ)償7.2.2提高精度的設(shè)計(jì)在機(jī)械結(jié)構(gòu)工作過(guò)程中會(huì)由于溫度變化、受力、磨損等因素使零部件的形狀及相對(duì)位置關(guān)系發(fā)生變化，這些變化也常常是影響機(jī)械結(jié)構(gòu)工作精度的原因。好的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以減少由于這些因素對(duì)工作精度造成的影響。

5．采用誤差較小的近似機(jī)構(gòu)7.2.2提高精度的設(shè)計(jì)有些應(yīng)用中為簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)而采用某些近似機(jī)構(gòu)，這會(huì)引入原理誤差，在條件允許時(shí)優(yōu)先采用近似性較好的近似機(jī)構(gòu)可以減小原理誤差。

正切機(jī)構(gòu)正弦機(jī)構(gòu)兩種凸輪近似機(jī)構(gòu)都可以得到手輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與擺桿擺動(dòng)角之間的近似線性關(guān)系。

1．方便裝卡7.2.3提高工藝性的設(shè)計(jì)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(guò)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(guò)盡量少的裝卡次數(shù)得以完成。如果能夠通過(guò)一次裝卡對(duì)零件上的多個(gè)相關(guān)外表進(jìn)行加工，這將有效地提高加工效率。

1．方便裝卡7.2.3提高工藝性的設(shè)計(jì)只有兩個(gè)圓錐外表，用卡盤(pán)無(wú)法裝卡；增加了兩個(gè)圓柱形外表，這個(gè)外表在零件工作中不起作用，只是為了實(shí)現(xiàn)工藝過(guò)程而設(shè)置的，這種外表稱(chēng)為工藝外表

1．方便裝卡7.2.3提高工藝性的設(shè)計(jì)軸上的兩個(gè)鍵槽沿周向成90度布置，這兩個(gè)鍵槽必須兩次裝卡才能完成加工將兩個(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。

1．方便裝卡7.2.3提高工藝性的設(shè)計(jì)沒(méi)有可供加工導(dǎo)軌工作外表使用的裝卡定位外表；雖設(shè)置裝卡定位外表，由于外表過(guò)小，用它定位裝卡在加工中不能使零件獲得足夠的剛度；增大了定位面的面積，并在上部增加了工藝臍；

2．方便加工7.2.3提高工藝性的設(shè)計(jì)切削加工所要形成的幾何外表的數(shù)量、種類(lèi)越多，加工所需的工作量就越大，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中盡量減少加工外表的數(shù)量和種類(lèi)是一條重要的設(shè)計(jì)原那么。

2．方便加工7.2.3提高工藝性的設(shè)計(jì)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)不同尺寸的幾何外表，加工工作量將加大。

2．方便加工7.2.3提高工藝性的設(shè)計(jì)箱形結(jié)構(gòu)頂面加工

2．方便加工7.2.3提高工藝性的設(shè)計(jì)輪毅與輪緣不等寬

3．簡(jiǎn)化裝配、調(diào)整和拆卸7.2.3提高工藝性的設(shè)計(jì)加工好的零部件要經(jīng)過(guò)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(jì)中是否考慮裝配過(guò)程的需要也直接影響裝配工作的難度。

3．簡(jiǎn)化裝配、調(diào)整和拆卸7.2.3提高工藝性的設(shè)計(jì)滑動(dòng)軸承右側(cè)有一個(gè)與箱體連通的注油孔，如果裝配中將滑動(dòng)軸承的方向裝錯(cuò)將會(huì)使滑動(dòng)軸承和與之配合的軸得不到潤(rùn)滑。

3．簡(jiǎn)化裝配、調(diào)整和拆卸7.2.3提高工藝性的設(shè)計(jì)隨著裝配過(guò)程自動(dòng)化程度的提高，越來(lái)越多的裝配工作應(yīng)用了裝配自動(dòng)線或裝配機(jī)器人，這些自動(dòng)化設(shè)備具有很高的工作速度，但是對(duì)零件上的微小差異的分辨能力比人差很多，這就要求設(shè)計(jì)人員應(yīng)減少那些具有微小差異的零件種類(lèi)，或增加容易識(shí)別的明顯標(biāo)志，或?qū)⑾嗨频牧慵诳赡艿那闆r下消除差異，合并為同一種零件。

3．簡(jiǎn)化裝配、調(diào)整和拆卸7.2.3提高工藝性的設(shè)計(jì)兩個(gè)圓柱銷(xiāo)的外形尺寸完全相同，只是材料及熱處理方式不同。

3．簡(jiǎn)化裝配、調(diào)整和拆卸7.2.3提高工藝性的設(shè)計(jì)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(guò)程實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)對(duì)機(jī)器進(jìn)行維修時(shí)要破壞某些經(jīng)過(guò)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(duì)已有裝配關(guān)系的破壞，使維修更容易進(jìn)行。

3．簡(jiǎn)化裝配、調(diào)整和拆卸7.2.3提高工藝性的設(shè)計(jì)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

3．簡(jiǎn)化裝配、調(diào)整和拆卸7.2.3提高工藝性的設(shè)計(jì)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)需要屢次更換，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。

3．簡(jiǎn)化裝配、調(diào)整和拆卸7.2.3提高工藝性的設(shè)計(jì)

彈性套柱銷(xiāo)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。通過(guò)大量事實(shí)使人們認(rèn)識(shí)到不能要求操作者無(wú)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正確的生理及心理狀態(tài)下工作，使人和機(jī)器所組成的人—機(jī)系統(tǒng)發(fā)揮最正確效能。7.3結(jié)構(gòu)的宜人化設(shè)計(jì)人在對(duì)機(jī)械的操作中通過(guò)肌肉發(fā)力對(duì)機(jī)械做功，通過(guò)正確的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使操作者在操作中不容易疲勞，是使其連續(xù)正確操作的重要前提條件。7.3.1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)當(dāng)操作人員長(zhǎng)時(shí)間保持某一種姿勢(shì)時(shí)，身體的某些肌肉長(zhǎng)期處于收縮狀態(tài)，肌肉壓迫血管使血液流通受阻，血液不能為肌肉輸送足夠的氧，肌肉的這種工作狀態(tài)稱(chēng)為靜態(tài)肌肉施力狀態(tài)。設(shè)計(jì)與操作有關(guān)的結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)考慮操作者的肌肉受力狀態(tài)，盡力防止使肌肉處于靜態(tài)肌肉施力狀態(tài)。7.3.1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)7.3.1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)試驗(yàn)證明人在靜態(tài)施力狀態(tài)下能夠持續(xù)工作的時(shí)間與施力大小有關(guān)。當(dāng)以最大能力施力時(shí)肌肉的供血幾乎中斷，施力只能持續(xù)幾秒鐘。隨著施力的減小能夠持續(xù)工作的時(shí)間加長(zhǎng)。7.3.1適合人的生理特點(diǎn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2．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(shì)、向不同方向用力時(shí)發(fā)力能力差異很大。試驗(yàn)說(shuō)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(shì)操作時(shí)手臂所能施加的操縱力明顯大于坐姿，但是長(zhǎng)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。7.3.1適合人的生理特點(diǎn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2．容易發(fā)力的設(shè)計(jì)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(shì)，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(wú)容膝空間時(shí)可以選擇立姿。7.3.1適合人的生理特點(diǎn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2．容易發(fā)力的設(shè)計(jì)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)防止使操作者長(zhǎng)時(shí)間保持一種姿勢(shì)，當(dāng)操作者必須以不平衡姿勢(shì)進(jìn)行操作時(shí)應(yīng)為操作者設(shè)置輔助支撐物。7.3.2適合人的心理特點(diǎn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(duì)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(lái)源于人對(duì)機(jī)器工作情況的正確了解和判斷，所以在人—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。操作者了解機(jī)器的工作情況主要通過(guò)機(jī)器上設(shè)置的各種顯示裝置(顯示器)，其中使用最多的是作用于人的視覺(jué)的視覺(jué)顯示器，其中又以顯示儀表應(yīng)用最為廣泛。7.3.2適合人的心理特點(diǎn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1．減少觀察錯(cuò)誤的設(shè)計(jì)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(guò)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)7.3.2適合人的心理特點(diǎn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1．減少觀察錯(cuò)誤的設(shè)計(jì)選擇顯示器形式主要應(yīng)依據(jù)顯示器的功能特點(diǎn)和人的視覺(jué)特性，試驗(yàn)說(shuō)明人在認(rèn)讀不同形式的顯示器時(shí)正確認(rèn)讀的概率差異較大。7.3.2適合人的心理特點(diǎn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1．減少觀察錯(cuò)誤的設(shè)計(jì)通常在同一應(yīng)用場(chǎng)合應(yīng)選用同一形式的儀表，同樣的刻度排列方向，以減少操作者的認(rèn)讀障礙。7.3.2適合人的心理特點(diǎn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1．減