09机械创新设计第7章.pptx

(a)
图7-1 锥面联接

(b)
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在组合轴承设计中，图7-2(a)所示的设计是滚针轴承承担径向力、球轴承 承受轴向力，实际上，两个轴承都能承受径向力，各自受力大小因两种滚 动体不同而不确定，故容易导致轴承过载而损坏。图7-2(b)所示的设计就区 分了径向力和轴向力的承受者。
(a)
(b)
图7-2 轴承组合
零部件几何形态的三维设计不仅要满足使用性能，而且要考虑加工、装 配与视觉效果；零部件几何形态的外观设计主要是创造一种良好的感官效果； 材料的选择主要考虑满足使用性能与价格因素；强度的计算以确保能承受住 外负载的作用；公差与配合的选择在满足使用性能的前提下越经济越好。
结构设计通常不是一次完成的，结构设计在零部件几何形态的三维设 计方面具有很大的创新空间。
当技术系统发生故障或失效时，会造成人身安全或重大设备事故，为了 提高可靠性，常采用重复的备用系统。
多点啮合柔性传动 多个小功率驱动器各自通过超越离合器， 共同驱动 一个重型机构，俗称“多马拉车”。
多点啮合柔性传动
飞机襟翼操纵机构
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双手操作回路是使用两个启动用的手动换向阀，只有同时按下两个阀时 气缸才动作，起到安全保护作用。应用在冲床、锻压机床上，对操作人员 的手起保护作用。
图7-4 齿式联轴器
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7.2.2自补偿原理
在机械设计中，实现自增强、自平衡是提高机械寿命的有效手段。
1）自增强
在正常工作状态下，负载效应与初始效应的作用方向相同，总效果变好。 图7-5所示为自增强作用的密封装置，压力p使锥面圆盘1更紧密地压在密封2 上，这就是利用压力p产生了增强密封的效果。
2 1
F
F
0.2a
(a)
F
0.5a
a
F
(b)
2a
a
F
F (c)
图7-7 力流路线对结构的影响
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2）力流转向平缓
当结构的断面尺寸发生突然 变化时，易引起力流方向的急 剧改变，使得力流密度增加， 产生应力集中。
在结构设计时，应使力流方 向变化平缓，以减小应力集中。
压油
ω2 O2
α
p2
O1 p1
p ω1
p'
吸油
压油
（a）
图7-6 齿轮径向力平衡
（b）
吸油
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7.2.3力传递原理
机械中的构件与运动副都承受 并传递力，力流路线最短、力流 转向平缓是减小体积提高寿命的 有效方式。
1）力流路线最短
图7-7所示为实现拉力传递的结 构设计，在空间许可的条件下， 图7-7(a)所示的结构为力流路线最 短、结构尺寸最小。图7-7(b)、(c) 所示的结构力流路线都长，故尺 寸较大。
结构既是机器内部诸构件之间的相互联系与秩序、相互作用的形式和 方式，也是指零件的几何形态与视觉效果；前者在机构方案创新设计中已经 得到解决，这里主要研究零件的几何形态设计与相互联系。
结构设计是将机构方案设计中的杆具体化，同时，选择零件的材料、 计算零部件的强度、确定公差与配合，以便为制造与装配提供完整的图纸与 说明信息。
图7-3(b)所示的结构将弯矩作用于机架、扭矩作用于转轴，显然，图7-3(b)所 示的结构有利于减小轴的尺寸、提高轴的旋转精度。
(a)
(b)
(a)
(b)
图7-3 带轮的安装结构
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2）任务合成
将任务合成，由同一结构实现不同的功能。 图7-4所示的齿式联轴器既实现了转速与转矩的传递，又解决了两端轴线的 误差补偿、适应了工作时外载荷引起的轴线变位。
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7.1结构设计的基本要求
结构设计的基本要求是满足功能要求、几何形态简单且安全可靠。
7.1.1 功能明确
功能明确是指所选择的结构要达到预期的功能，当功能比较多时，可以 将功能分解为若干个子功能，再确定各子功能与结构之间的联系。
在轴毂连接中，图7-1(a)所示的设计就没有明确传递扭矩的是键还是圆锥 面、毂的轴向定位是轴的阶梯面还是圆锥面。图7-1(b)所示的设计就明确两 种功能都是由圆锥面来承担，是一种好的结构。
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结构设计的基本原理主要体现在任务分配原理、自补偿原理、力传递原理、 变形协调原理、力平衡原理、等强度原理、稳定性原理与噪声降低原理诸方 面。遵守这些原理是实现良好的结构设计的基础。
7.2.1任务分配原理 1）任务分解
将任务分解，由不同的结构实现整体功能。
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图7-3所示为两种带轮的安装结构，图7-3(a)所示的结构是将弯矩和扭矩同时 作用于转轴；
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符合有限损坏原理
当出现功能干扰或零件破坏时，不会使主要部件或整机遭到破坏。
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过载保护回路 ：正常工作时，电磁换向阀1通电，使换向阀2换向，气 缸外伸。如果在活塞杆受压的方向发生过载，则顺序阀动作，换向阀3切 换，换向阀2的控制气体排出，在弹簧力的作用下换至图示工位，使活塞 杆缩回。
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冗余配置原理
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7.1.2结构简单
结构简单是指整机、部件与零件的结构在满足总功能的前提下，尽 量力求结构形状简单、零部件数量少等，同时尽量采用标准零部件。
7.1.3安全可靠
安全可靠包括零件的安全、整机的安全、操作的安全与环境的安全。 零件的安全指在规定外载荷和规定时间内，零件不发生断裂、过渡 变形、过渡 磨损，不丧失稳定性； 整机的安全指整个技术系统在规定的条件下保证实现总的功能；操 作的安全指对操作人员不得产生人身损害； 环境的安全指对技术系统的周围环境不造成危害和污染。
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2）自平衡
在正常工作状态下，自平衡是指将工作力对零件的不利影响自我抵消掉。 图7-6所示为齿轮泵的径向力平衡问题，在图7-6(a)所示的结构中，与为液压 力，与为齿轮啮合力，与为主动齿轮轴承和被动齿轮轴承所承受的径向力， 轴承上的径向力未实现平衡，与加快了轴承的磨损；在图7-6(b)所示的结构 中，在泵壳或侧板上开有径向力平衡槽，把高压油引到低压区对应的轴上， 把低压油引到高压区对应的轴上，轴承上的径向力得到了平衡，延长了轴承 的寿命。
p
图7-5 圆盘的密封
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高压容器检孔盖设计
1-螺杆；2-盖；3-密封
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温度变化、受力、磨损等因素是影响机械结构工作精度的原因。 好的结构设计可以减少这些影响。 凸轮、移动从动件与摇杆的接触点上都有磨损。 图a使得这两处磨损对从动件的运动误差的影响互相叠加； 而图b的结构则使得影响互相抵消，从而提高了机构的工作精度。