第七章 结构方案的创新设计

• 销联结，平键联结，半圆键，花键，切向 键，成形连接，楔键，顶丝，过盈等。
支撑的变异
• 支撑的变异设计包括支点位置变异和支点 轴承的种类及其组合的变异。 • 两支撑 • 两轴承支撑的组合 • 支点承受轴向载荷的方式。
材料的变异
• 不同的材料具有不同的性能，不同的材料 对应不同的加工工艺，结构设计既要根据 功能的要求合理地选择适当的材料，又要 根据材料的种类，确定适当的加工工艺， 并根据加工工艺的要求确定适当的结构。
• 仪表摆放在方便认读的位置为标准，水平 80CM视距为最佳认读区域，正负20度范围。 大于正负24度认读时间增加，垂直方向为 水平方向及水平线下15度范围ຫໍສະໝຸດ Baidu。 • 重要仪表应摆放在视区中心，相关的仪表 应分组集中摆放，有固定使用顺序的仪表 应按使用顺序摆放。
• 减少操作错误的设计 • 在有多个控制器时，应使操作者准确迅速 地分辨出不同的控制器，这就需要在控制 器形状、尺寸、位置、颜色等方面加以区 分。
适合人的心理特点的结构设计
• 1、减少观察错误的设计 • 人的作用主要是对机械系统的工作状态进 行调节，正确的调节来源于正确地观察和 了解判断，应能及时正确全面地了解机器 的运转状态。 • 状态的观察主要是通过显示仪表等视觉显 示器实现的。
• 因此显示仪表的设计中应使操作者方便观 察，观察后容易正确地理解仪表显示的内 容（这样应正确地选择仪表的显示形态， 仪表的刻度分布，仪表的摆放位置以及多 个仪表的组合实现。应符合操作者的认读 习惯，顺时针，从左到右，从下向上增加。
• 基本方法：首先通过对结构设计方案的分 析，得到一般结构设计方案中包含的技术 要素的构成。 • 然后，再分析每一个技术要素的取值范围， 通过对这些技术要素在各自的取值范围内 的充分组合，就可以得到足够多得独立的 设计方案。
• 目的：为设计提供大量的可供选择的设计 方案，使设计者可以在其中进行评价，比 较和选择，并进行参数优化。 • 一般机械结构的技术要素：几何形状，零 件之间的联结和零件的材料及热处理方式。
7.3 结构的宜人性设计
• 国外统计数据显示，58％－70％的生产事 故都是由于没有充分考虑人的因素造成的。 • 因此设计时应充分考虑人的生理心理因素 来开发产品
适合人的生理特点的结构设计
• 人体的几何因素。 • 身高、体形、肢体尺寸及比例等，因性别 和人种不同，1994年俄国一名宇航员超过 美国标准只好换人，使计划受阻。
• 设计者要充分地了解所选材料的力学性能， 加工性能，使用成本等信息。 • 塑料强度刚度低易老化，作连接件的避免 尖角，优先使用圆形或梯形螺纹。 • 链条冲击加橡胶垫
7.2 提高性能的设计
• 性能参数：强度，刚度，精度，工艺性 • 一、提高强度刚度的设计 • 正确的设计可以减小单位载荷所引起的材 料应力与变形量，提高结构的承载能力。 • 在外载荷不变的其情况下，降低机构受力 是提高强度和刚度的有效措施。
• 跪姿：消耗能量大，尽量不采用，但有时 装配低部位零件，擦洗设备，擦洗地板， 取物等必须用 • 卧姿：在军事行动，修理汽车等场合采用。
• 设计操作机器原则：首先选择操作姿态 （优先选择坐姿）操纵力的施加方向应选 择易于发力的方向，施力方式应避免长时 间保持一种姿态，当操作者必须以不平衡 姿态操作时，应为操作者设置辅助支撑物。
功能面的变异
• 机械结构的功能面主要是靠机械零部件的 几何形状及各个零部件之间的相对位置关 系实现的。 • 表面构成形状，一个零件有多个表面，与 其他零部件相接触的表面，与工作介质或 被加工物体相接触的表面为功能面。 • 功能面决定机械功能，是零部件设计的核 心问题。
• 零件几何形状的变异设计主要是功能面的 变异。 • 主要参数有表面的形状，尺寸的大小，表 面数量，位置，顺序等。 • 钉子有平头，钉杆环纹，钉尖锐利，钉头 抛光柱型，可以凹陷入木材，美观，钉杆 倒刺环纹联结可靠。钉杆螺纹型，钉尖鸭 嘴型。
• 减小接触应力 • 高副接触强度和刚度都与接触点的综合曲 率半径有关，设法增加接触点的综合曲率 半径是提高工作能力的重要措施。
提高精度的设计
• 误差均化 • 在机构中如果有多个联结点同时对一种运 动起限制作用，则运动件的运动误差决定 于各联结点的综合影响，其运动精度高于 一个联结点的限制作用，如螺纹。
• 机械结构设计的重要特征之一是设计问题 的多解性。 • 机械结构设计的任务是在众多的可行结构 方案中寻求较好的或最好的方案。
7.1 结构方案的变异设计
• 就是从一个已知的可行结构方案出发，通过变换 得到大量的可行方案，通过对这些方案参数的优 化，得到多个局部最优解，再进行比较分析，得 到较优解或全局最优解。 • 目的要求满足设计要求的独立的设计方案，以便 对其进行参数优化设计，通过变异设计所得到的 独立的设计方案数量越多，覆盖的范围越广泛， 通过优化得到全局最优解的可能性就越大。
人的主要作业姿态选择参考
• 坐姿：持续时间长的工作，应尽可能坐着 工作 • 精确细致的工作 • 需要手足并用的作业
• 立姿：经常改变体位的超作。 • 控制器分布面广，手足需作较大幅度的活 动 • 没有容膝空间的设备旁 • 需要较大力气的作业，站着容易使劲 • 当作业显得单调时，立姿可以适当走动。
• 2、方便加工 • 切削加工所要求形成的几何表面的数量， 种类越多，加工所需要的工作量就越大， 结构设计中，尽量减少加工表面的数量和 种类是一条重要的设计原则。 • 设计中如果为加工过程创造条件，使得某 些加工过程可以成组进行，将会明显地提 高加工工作效率。
• 3、简化装配、调整和拆卸 • 装配易于保证精度，易于识别安装，装配 的独立性 • 易损件应便于更换并预留更换空间。
第七章 结构方案的创新设 计
范兴铎 工程学院
• 机械结构设计的任务是在总体设计的基础 上，根据所确定的原理方案，决定满足功 能要求的机械结构，需要决定的内容包括 结构的类型和组成，结构中所有零部件的 形状尺寸，位置，数量，材料，热处理方 式和表面状况，所确定的结构除应能够实 现原理方案所规定的动作要求外，还应能 满足设计对结构的强度，刚度，精度，稳 定性，工艺性，寿命，可靠性等方面的要 求。
• 劳动强度 • 短期爆发力与长期负荷能力的差异是很大 的劳动强度反映人在 一个完整的劳动过程 中平均体力或脑力消耗，通常用心率搏出 量，需氧量等指标来衡量。 • 搏出量为每次搏动从左心室射入主动脉的 血量。
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正常人心率60－100次/分安静状态 100－125中等强度 125－150强劳动 175以上极强劳动 根据以上生理特点设计我们的结构。
• 设计工作台高度 • 人在静态施力状态下能够持续工作的时间 与施力大小有关。最大能力施力时，供血 几乎中断，只能持续几秒钟，当施力等于 最大施力的15％时，施力时间可持续很长 而不疲劳。 • 等于最大施力的15％时的施力纹静态施力 极限。
• 容易发力的设计 • 手臂发力规律：右手》左手，向下发力》 向上，向内发力》向外，拉力》推力，沿 手臂方向》垂直手臂方向。
联结的变异
• 零件通过联结组成机器 • 通过联结限制零件的某些自由度，保留机 器的功能所必须的自由度，使机器在工作 中能够实现确定形式的运动关系。 • 联结的作用是通过零件的工作表面与其他 零件的相应表面的接触实现的，不同的接 触表面采用不同的联结，所施加的紧固力 不同，从而对零件的自由度形成不同的约 束。
• 人的持久性 • 人长久工作，特别是以固定的姿势作固定 的动作时，肢体感观和大脑都会产生生理 和心理性疲劳，出现如：体力下降，睡意 上升，注意失控，思维迟钝，工作意识衰 退等现象，要经过一段时间休息才能恢复， （设计自动化就是为了解决这个问题）。
• 人的环境承受力 • 适应环境的能力有限，对温度、光亮、声 响、振动、冲击、有害气体承受能力差， 应设计考虑保护，高温生产线隔热控制舱， 点焊光设置遮挡，太空服等。
• 1、减少疲劳的设计 • 静态肌肉施力状态，操作人员长时间保持 某一种姿态时，身体的某些肌肉长期处于 收缩状态，压缩血管使血流受阻，不能为 肌肉提供足够的氧，肌肉的这种工作状态 为静态施力。 • 能量消耗，以卧姿为能量基准，则坐姿能 耗增加3％－5％站8％－10％弯腰50％－ 60％跪30％－40％
• 三、组合结构 • 是指通过合理的结构设计，将多个零件的 功能组合到一个零件上，起到减少零件数 量，便于装配，降低成本的目的。
• 关于给网球充气。网球与足球篮球不一样，足球蓝球有打 气孔，可以用打气针头充气。网球没有打气孔，漏气后球 就软了、瘪了。如何给瘪了的网球充气呢？专业人士首先 分析了网球为什么会漏气？气从哪里漏到哪里？我们知道， 网球内部气体压强高，外部大气压强低，气体就会从压强 高的地方往压强低的地方扩散，也就是从网球内部往外部 漏气，最后网球内外压强—致了，就没有足够的弹性了。 怎么让球内压强增加呢？运用逆向思维，专业人士考虑让 气体从球外往球内扩散。怎么做呢？那就是把软了的网球 放进一个钢筒中，往钢筒内打气，使钢筒内气体的压强远 远大于网球内部的压强，这时高压钢筒内的气体就会往网 球内“漏气”，经过一定的时间，网球便会硬起来了。
• 有两个人一起出差，其中一个人逛街时看到大街上有一老 妇在卖一只黑色的铁猫。这只铁猫的眼睛很漂亮，经仔细 观察，他发现铁猫眼睛是宝石做成的。于是他不动声色对 老妇说：“能不能只卖一双眼珠。”老妇起初不同意，但 他愿意花整只铁猫的价格。老妇便把猫眼珠取出来卖给了 他。 他回到旅馆，欣喜若狂地对同伴们说，我捡了一个大便宜。 用了很少钱买了两颗宝石。同伴问了前因后果，问他那个 卖铁猫的老妇还在不在？他说那个老妇正等着有人买她的 那只少了眼珠的铁猫。 同伴便取了钱寻找那个老妇去了，一会儿，他把铁猫抱了 回来。他分析这只铁猫肯定价值不菲。于是用锤子往铁猫 身上敲，铁屑掉落后发现铁猫的内质竟然是用黄金铸成的。
• 误差合理配置 • 机床主轴结构设计中，主轴前端（工作端） 的旋转精度是重要的设计目标，前支点影 响主轴大，故前支点精度选择比后高一级。
• 误差的传递 • 误差的累积，但影响程度不一样，减速传 动，最后一级影响大，增速传动，第一级 影响大，故影响后的一级精度应设计的高 一些。
• 误差补偿 • 温度变化，受力，磨损等因素使零件的形 状及相对位置关系发生变化，是不可避免 的，但好的设计可以减少这些因素的影响， 进行补偿。
新型结构设计
• 一、弹性结构 • 零部件联结多用运动副连接，运动形式越 复杂，需要的运动副越多，机器越复杂。 • 而弹性结构设计方法不用运动副构成零部 件的连接，而是通过弹性变形构成连接， 由于省去了运动副，结构更简单，体积更 小，制造安装维护都方便。
• 二、快动联结结构 • 对于经常拆卸的零部件，不但要求联结可 靠，还应拆卸操作方便，并且具有一定的 寿命，尽量减少拆卸中的磨损。
• 形状：圆尖方 • 大小：旋钮直径差为12。5毫米，厚度为10 毫米，能够准确分辨。紧急关机按钮一般 大而且红色，拍下就可。 • 位置：垂直间距》130毫米，水平》200毫 米不易出错。 • 控制器的操作应有一定的阻力，有阻力才 有反馈信息，可以提高操作过程的稳定性 和准确性。
• 应考虑控制器与显示器的位置关系，应容 易识别。 • 控制器与相应的显示器尽量靠近，并放置 在显示器下方，或右方，控制器的运动方 向与相应的显示器指针运动方向的关系符 合人的习惯模式，顺时针旋钮仪表数字增 大。
• 采用误差较小的近似机构 • 采用近似机构时，会引入误差，应采用近 似性较好的近似机构来减少原理误差。
提高工艺性的设计
• 制造，安装，运输，维修，调整等易于进 行。 • 1、方便装卡 • 加工时预留装夹面，少的装卡次数就可以 完成加工。 • 零件上工作时不起作用，只是为了实现工 艺过程而设置的表面为，工艺表面。
载荷分担
载荷平衡
• 减小应力集中 • 应力集中是影响承受交变应力的结构承载 能力的重要因素，应设法缓解应力集中。 • 零件截面形状的变化越突然，应力集中就 越严重。结构设计中应尽力避免使结构受 力较大的零件形状突然变化。
• 由于结构定位等功能的需要，在绝大部分 结构中不可避免的会出现结构尺寸及形状 的变化，这些变化都会引起应力集中，应 避免多种应力源集中。