结构创新设计资料

原方案减小29%。
在所示的结构中，挺杆2与摇杆1通过一球面相接触，球面在挺杆上。当摇杆的 位置变化时，摇杆端面与挺杆球面接触点的法线方向随之变化，由于法线方向与 挺杆的轴线方向不平行，挺杆与摇杆间作用力的压力角不等于零，所以会产生横 向推力，这种横向推力需要挺杆与导轨之间的反力与之平衡。当挺杆的垂直位置 较高时，这种反力产生的摩擦力的数值会超过球面接触点的有效轴向推力，因而 造成挺杆运动卡死。 如果将球面改
第4章 结构创新设计
4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 概述 结构变异创新设计方法 结构组合创新设计方法 引入新的结构要素 引入新的逻辑方法 引入新的设计理念
4.1 概述
侧重点：机构—部装 结构—零部件
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。结构设计是机械设计中涉及问题最多、最 具体、工作量最大的工作阶段。 详细设计、具体设计
法。
机器上的按键外形通常为方形或圆形，这种 形状的按键在控制面板上占用较大的面积。为减 小电话手机的体积，有人做出如图所示的手机面 板设计，面板上的每个按键的宽度为10mm，相邻 两键的间距为2mm。如采用方形或圆形按键，则 每行按键所占用的最小面板宽度为34mm，由于采 用三角形按键，使最小宽度缩小为24mm，比

变异设计的目的——寻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。

变异设计的基本方法——首先通过对结构设计方案的分析，得出一般结构设计方 案中所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，就可以得到足够多的独立的结构 设计方案。 一般机械结构的技术要素——包括零件的几何形状，零件之间的联接和零 件的材料及热处理方式。以下分别分析这几个技术要素的变异设计方法。
在摇杆上，如图
所示， 则接触面上的 法线方向始终 平行于挺杆轴 线方向，不产 生横向推力。
在图中所示的V形导轨结构中，上方零件为凹形，下方零件为凸形，
在重力作用下摩擦表面上的润滑剂会自然流失，如果改变凸凹零件的位 置，使上方零件为凸形，下方零件为凹形，如图b所示，则可以有效地改 善导轨的润滑状况。
大的预紧 力 ， 但不同的头 部形状所 需的 最小工作空 间（扳手空间）不同；

滚花型和元宝型钉头用于手工拧紧，不需专门工具，使用方便；第 6 、 7 、 8 种方
案的扳手作用在螺钉头的内表面，可使螺纹联接件表面整齐美观；最后四种分别 是用“十字”型螺丝刀和“一字”型螺丝刀拧紧的螺钉头部形状，所需的扳手空 间小，但拧紧力矩也小；可以想像，还有许多可以作为螺钉头பைடு நூலகம்形状的设计方案， 实际上所有的可加工表面都是可选方案，只是不同的头部形状需要用不同的专用 工具拧紧，在设计新的螺钉头部形状方案时要同时考虑拧紧工具的形状和操作方
得到一个可行的结构方案不难，最好的方案不易
4.2

结构变异创新设计方法
创造性思维在机械结构设计中的重要应用之一就是结构方案的变异设计方法。它 能使设计者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。 通过对这些方案中参数的优化，可以使设计者得到多个局部最优解，再通过对这 些局部最优解的分析和比较，就可以得到较优解或全局最优解。

4.2.1 工作表面的变异
的相对位置关系实现的。
工作面——功能面
机械结构的功能主要是靠机械零部件的几何形状及各个零部件之间 零件的几何形状由它的表面所构成，一个零件通常有多个表面，在这 些表面中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 的表面称为功能表面。
零件的功能表面是决定机械功能的重要因素，功能表面的设计是零部 件设计的核心问题。通过对功能表面的变异设计，可以得到为实现同一 技术功能的多种结构方案。 描述功能表面的主要几何参数有表面的形状、尺寸大小、表面数量、 位置、顺序等。通过对这几个方面参数的变异，可以得到多组构型方案。
位置变 换
含油
棘轮机构的变异设计分析
待设计的棘轮机构如图所示，棘爪头部的平面与棘轮齿形平面互相
接触，是棘轮机构的工作表面。通过变换功能面的形状可得到如图

稳问题，设计中受空间约束较少，既可单独使用，也可与摇
杆及绳索等配合使用；板簧通常刚度较大，可在较小的变形 条件下产生较大的压紧力。
摇杆
绳索
导向 结构
摇杆
导向 结构
螺纹 “面”—— 弹簧

螺钉用于 联接 时需要通过 螺钉 头部 对其 进行 拧 紧 ， 而变换旋拧功能面的形状、 数量和位 置 （ 内 外 ） 可 以 得到 螺钉 头 的 多种设计方 案 。图所示 有 12 种 方 案 ， 其中前三 种头 部结构使用 一般 扳手 拧紧 ， 可 获 得 较
机械结构设计的重要特征之一是设计问题的多解性，即满足同一设计要求的机 械结构并不是唯一的，结构设计中得到一个可行的结构方案一般并不很难，然而，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。现有的数学 分析方法能够使我们从一个可行方案出发在一个单峰区间内寻求到局部最优解，但是， 并不能使我们遍历全部的可行区域，找出所有的局部最优解，并从中找出全局最优解， 得到最好的设计方案。这就需要发挥创造性思维方法的作用。

例如要实现用弹簧产生的（弹）压紧力压紧某零件，使其保 持确定位置。设计时可以选择的弹簧类型有拉簧、压簧、扭 簧、板簧，被压紧的零件形状可以有平面、圆柱面、球面、 螺旋面，通过对这些因素的组合可以得到如表所示的多种方 案。 其中压簧的压缩距离不应过大，否则容易引起弹簧的失稳， 如确需使用较大的压缩距离则应设置导向结构，拉簧因无失