第八章 机械的结构创新

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，
表面必须是除完整圆柱面以外的其他柱面，通过改变轴的截 面形状可以形成不同的联接形式，常用的有滑键联接、导键 联接、花键联接和特形柱面联接（如方形轴联接）等。
第三种情况—转动联接和第四种情况—移动、转动联接的 联接中由于轮毂要相对于轴转动，所以联接中轴的截面形状
必须是圆形，第四种情况由于轮毂要相对于轴移动，所以联
1. 固定联接，联接后轴与轮毂完全固定，不具有相对运动
自由度，通常的轴毂联接多为这种情况，这种轴毂联接需要 限制6个相对运动自由度。
2. 滑动联接，联接后轮毂可在轴上滑动，其他相对运动自 由度被限制。例如齿轮变速机构中的滑移齿轮与轴的联接就 属于这种联接。这种轴毂联接需要限制5个相对运动自由度。 3. 转动联接，联接后轮毂可在轴上绕轴线转动，其他相对 运动自由度被限制。例如齿轮箱中为解决润滑问题设置的油 轮与固定心轴的联接就属于这种情况。这种轴毂联接也需要 限制5个相对运动自由度。 4. 移动、转动联接，联接后轮毂在轴上既可以移动，又可 以绕轴线转动，其他相对运动自由度被限制。这种联接应用 较少，例如有些汽车变速箱中的倒档齿轮与固定心轴的联接 属于这种情况。这种轴毂联接需要限制4个相对运动自由度。
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。
位置变 换
含油
二、轴毂连接结构的变异
机器中的零部件通过各种各样的联接组成完整的机器。 机器由零件组成，一个不与其他零部件相接触的零件具有 6个自由度，机械设计中通过规定零件之间适当的联接方式 限制零件的某些自由度，保留机器的功能所必需的自由度，
接中轴的表面形状必须是柱面（不能是锥面），第三种情况 下考虑加工方便和避免产生附加轴向力通常也采用柱面，综 合这两点分析，这两种联接中的轴表面形状为圆柱面。
形锁合
力锁合
三、联轴器连接方式变异 套筒联轴器——刚性——精度高 材料的变异——在弹性联 轴器的设计中需要选择弹性 元件的材料，由于所选弹性 元件材料的不同，使得联轴 器的结构变化很大，对联轴 器的工作性能也有很大的影 响。可选作弹性元件的材料 有金属、橡胶、尼龙、胶木 等。
第一种情况为固定式联接，限制条件少，所有满足可加工 性和可装配性条件的表面形状都可以作为这种轴毂联接的表 面形状，通过变换用以限制零件间相对运动自由度的方法和 结构要素可以得到多种轴毂联接方式。按照联接中形成锁合 力的条件可将固定式轴毂联接分为： 形锁合联接和力锁合联接。 形锁合联接要求被联接表面为非圆形，可以是三角形、正 方形、六边形或其他特殊形状表面。
但是由于非圆截面加工困难，特别是非圆截面孔加工更困
难，所以这些形状的截面实际应用较少。由于圆形截面加工 较容易，所以非圆截面通常通过在圆形截面上铣平面、铣槽 或钻孔等方法产生，通过变换这些平面、槽或孔的尺寸、数 量、在轴段的位置和方向就形成不同形式的轴毂联接。
பைடு நூலகம்
第二种情况—滑动联接由于轮毂要相对于轴移动，所以轴
样的结构。
三、组合结构
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。 为防止螺纹联接的松脱，通常需要采取防松措施。弹簧 垫圈是一种被广泛应用的放松装置，它需要在安装螺钉或 螺母的同时安装弹簧垫圈，图中所示的螺钉集成结构将螺 钉、垫片和弹簧垫圈的功能集成在一个零件上，减少了零 件数量，方便了装配。
机械结构设计的重要特征之一是设计问题的多 解性，即满足同一结构设计的任务是在众多的可 行结构方案中寻求好的或最好的方案。 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。
2. 容易发力的设计
操作者在操作机器时需要用力，人在处于不同姿势、向不
手机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，有人做出三角形按键的 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，由于采用这种方法，使 最小宽度缩小为24mm，比原方案 减小29%。
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
面、球面、螺旋面，通过对这些因素的组合可以得到多种
方案。
摇杆
绳索
摇杆 导向 结构
导向 结构
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。
图所示为三种自攻螺钉结构。 它们或将螺纹与丝锥的结构集成在一起，或将螺纹与钻头 的结构集成在一起，使螺纹联接结构的加工和安装更方便。
§8.4 引入新的设计理念
一、宜人化设计——工具改进
大多数机器设备要由人操作，在早期的机械设计中设计者认为通过选 拔和训练可以使人适应任何复杂的机器设备。随着设计和制造水平的提 高，机器的复杂程度、工作速度及其对操作人员的知识和技能水平的要 求越来越高，人已经很难适应这样的机器，由于操作不当造成的事故越 来越多。据统计，在第二次世界大战期间美国飞机所发生的飞行事故中 有90％是由于人为因素造成的。通过这些事实使人们认识到不能要求操 作者无限制地适应机器的要求，而应使机器的操作方法适应人的生理和 心理特点，只有这样才能使操作者在最佳的生理及心理状态下工作，使 人和机器所组成的人一机系统发挥最佳效能。 以下分别分析设计中考虑操作者的生理和心理特点应遵循的基本原则， 它不但是进行创新结构设计的原则，同时也可为创新结构设计提供启示。 对现有机械设备及工具的宜人化改进设计是创新结构设计的一种有效方 法。
形状变异
§8.2 结构组合创新设计
一、同类组合 ——双人自行车 ——双体船 ——多楔带 ——大尺寸螺钉预紧 二、异类组合 ——多头螺丝刀 ——组合机床 三、功能附加组合 ——自行车—货架+车 筐+车灯+后视镜 四、材料组合 ——V带多种材料组合 ——钢筋+水泥+沙子— 建筑材料
§8.3 引入新的结构元素
适合人的生理特点的结构设计
1．减少疲劳的设计
人体在操作中靠肌肉的收缩对外做功，做功所需的能量 物质（糖和氧）要依靠血液输送到肌肉。如果血液不能输 送足够的氧，则糖会在无氧或缺氧的状态下进行不完全分 解，不但释放出的能量少，而且会产生代谢中间产物—— 乳酸。乳酸不易排泄，乳酸在肌肉中的积累会引起肌肉疲 劳、疼痛、反应迟钝。长期使某些肌肉处于这种工作状态 会对肌肉、肌健、关节及相邻组织造成永久性损害，机械 设计应避免使操作者在这样的状态下工作。前表所示的几 种常用工具改进前的形状因为使某些肌肉处于静态施力状 态，不适宜长时间使用，改进后使操作者的手更趋于自然 状态，减少或消除了肌肉的静态施力状况，使得长时间使 用不易疲劳。
第八章 机械的结构创新
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。
一、弹性（柔性）结构
无摩擦、无间隙， 运动精度高
二、快速联接结构
对于需要经常拆卸的零部件结构不但应使联接可靠， 还应使拆卸操作尽量方便。为使联接具有一定的使用寿命 ，应使联接结构在安装和拆卸过程中的磨损尽量小。为保
护人类赖以生存和发展的世界环境，近年来兴起的绿色设
计理念也要求人们使用的各种设施和装备不但在使用期内 能满足人们对它的各种功能要求，而且在报废后能方便地 将其拆卸分解，以利于各种有用成分的回收再利用，减少 对环境的破坏。近年来在设计中越来越多的被采用的快动
个技术要素的变异设计方法。
一、工作表面的变异
机械结构的功能主要是靠机械零部件的几何形状及各 个零部件之间的相对位置关系实现的。 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
使机器在工作中能够实现确定形式的运动关系。
联接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，不同形式的联接由于相接触的工作表面形状 不同，表面间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。
以轴毂联接为例。按照设计要求，轴与轮毂的联接对相对 运动自由度的限制可能有以下几种情况：
的设计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。
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
联接结构较好地满足了这些要求。
快动联接结构通过零件的弹性变形达到联接的目的，结构
简单，便于操作。如图所示为螺纹联接结构（图a）和经改 进的快动联接结构（图b）对照图。
快动联接结构要求联 接件具有较好的弹性， 多采用塑料或薄钢板材 料，如采用其他材料应
通过合理的结构设计减
小联接件的刚度， 图所示的即为一组这
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 扳手空间小，但拧紧力矩也小；可以想像，还有许多可以作 为螺钉头部形状的设计方案，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 状和操作方法。
得到一个可行的结构方案不难，最好的方案不易。
§8.1 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。 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。
图中所示为某包装机中的一个支架构件。图a所示为原设计， 由11个零件组成。图b为改进设计，将所有结构组合在一个零 件上，零件精密铸造后一次加工成形，大大地节省了加工工 时，降低了成本。
按通常的结构设计方法，指甲刀应具有图中所示的结构。
通过将多个零件的功能集中到少量零件上的组合设计方法， 指甲刀改为图b所示结构。