機械創(chuàng)新設(shè)計7分析解析

1、第七章 機械的創(chuàng)新設(shè)計第七章 機械的創(chuàng)新設(shè)計 機械設(shè)計一般要經(jīng)過總體設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計兩個重要的工作階段?？傮w方案設(shè)計往往是發(fā)散收斂的過程，它從功能分析入手構(gòu)思探求多種方案，然后進行技術(shù)經(jīng)濟評價，經(jīng)優(yōu)化篩選求得最佳原理方案。而結(jié)構(gòu)設(shè)計是在總體設(shè)計的基礎(chǔ)上，根據(jù)所確定的原理方案，設(shè)計滿足功能要求的機械結(jié)構(gòu)，確定最好的技術(shù)方案。第一節(jié) 總體方案設(shè)計 機械的總體方案設(shè)計是緊緊圍繞功能的分析、求解和組合實施的。 現(xiàn)代機械各類繁多，但從功能分析的角度看，仍主要歸納為動力、傳動、執(zhí)行、測控四大系統(tǒng)組成。第一節(jié) 總體方案設(shè)計 動力系統(tǒng)的功能是為機械提供能量，其功能載體為各種形式的原動機；傳動系統(tǒng)則實現(xiàn)動力與執(zhí)行

2、系統(tǒng)間運動和動力的傳遞功能，包括運動形式、方向、大小、性質(zhì)的變化，其功能載體可以是電力、液壓或機械裝置；執(zhí)行系統(tǒng)通過不同的執(zhí)行元件為實現(xiàn)工作目的而完成執(zhí)行功能；測控系統(tǒng)實現(xiàn)傳感和控制功能，它將機器工作過程中的各種參數(shù)和善檢測出來，轉(zhuǎn)化成可測定和控制的物理量。傳達到信息處理裝置進行處理，并及時發(fā)出對各種系統(tǒng)裝置的工作指令和控制信號。第一節(jié) 總體方案設(shè)計 一、總體方案設(shè)計 總體方案設(shè)計首先要根據(jù)產(chǎn)品的功能要求構(gòu)思工作原理，功能要求與產(chǎn)品的用途、性能等概念不完全相同，如電動機的用途是作原動機，可以是驅(qū)動水泵或車床，但反映其特定工作能力的功能是能量轉(zhuǎn)化將電能轉(zhuǎn)化為機械能。第一節(jié) 總體方案設(shè)計 機電產(chǎn)品

3、系統(tǒng)的功能體現(xiàn)為能量、物料、信息的變化，并且與周圍環(huán)境有密切聯(lián)系，根據(jù)能量、物料、信息的變化，分析產(chǎn)品系統(tǒng)的總功能和分功能，分析系統(tǒng)中動力源、傳動系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)、檢測和控制系統(tǒng)的具體組成和特點。第一節(jié) 總體方案設(shè)計 例1：數(shù)控車床功能分析 數(shù)控車床的主功能是將加工過程信息化、自動復現(xiàn)數(shù)控程序、通過切削（車削）使零件加工成形。其目標是實現(xiàn)快速生產(chǎn)、主要特征是柔性自動化。它有能將數(shù)控程序轉(zhuǎn)化為工件和刀具運動控制命令的信息處理功能，要求能按運動控制命令運動的伺服系統(tǒng)，要有保證加工精度的結(jié)構(gòu)功能，數(shù)控車床還可能擁有自動換刀、自動裝夾工件、自動排屑等輔助功能。數(shù)控車床的功能樹如圖7-1所示。第一節(jié) 總體

4、方案設(shè)計 例2：常見的帶式運輸機，其主要 功能是傳送。從結(jié)構(gòu)上看，從結(jié)構(gòu)上看，它由電動機、聯(lián)軸器、減速器、齒輪、軸、輸送帶、機架等構(gòu)件組成。電動機為動力源，聯(lián)軸器、減速器等是傳動裝置，輸送帶則是工件裝置，實現(xiàn)物料的傳送。機架對機器起支承作用，機器由人工控制。其功能結(jié)構(gòu)如圖7-2所示。第一節(jié) 總體方案設(shè)計 例3：挖掘機的功能結(jié)構(gòu)圖如圖7-3所示，其中分功能鏟入還可以進一步分解為推壓功能元和鏟斗功能元。第一節(jié) 總體方案設(shè)計 第一節(jié) 總體方案設(shè)計 通過調(diào)查分析，可找出各功能元（子功能）的可能解，并可作出相應的形態(tài)學矩陣。第一節(jié) 總體方案設(shè)計 第一節(jié) 總體方案設(shè)計 用形態(tài)學矩陣進行方案綜合，可獲得多種

5、設(shè)計方案，表7-1所示挖掘機形態(tài)學矩陣可得的方案多達33214434=10368種，如將（A1+B1+C2+D2+E1+F1+G2+H2+I1）綜合在一起組成一種方案， 履帶式正鏟機械挖掘機，若將（A3+B1+C1+D2+E1+F2+G3+H1+I2）綜合在一起，又可組成另一種方案，為輪胎式正鏟液壓挖掘機。 對如此眾多的方案，必須剔除那些明顯不適用、不滿足設(shè)計要求，原理結(jié)構(gòu)不相容的方案，只保留少數(shù)較好的可行方案進行評價，并從中確定較優(yōu)的設(shè)計方案。 例4：鐘表的功能分析如表7-2所示第一節(jié) 總體方案設(shè)計 對于鐘表以功能分析的不同解法，列出計時裝置的形態(tài)學矩陣，如表7-3，經(jīng)組合可得計時裝置的多種

6、新方案。第一節(jié) 總體方案設(shè)計 第一節(jié) 總體方案設(shè)計 新方案1：指針式石英電子表 電池（化學能電能）石英晶體振蕩器（電磁擺）輪系指針刻度旋鈕（即A3+B2+C1+D1+E1） 新方案2：液晶式石英電子鐘 電能石英晶體振蕩器（電磁擺）驅(qū)動電路液晶數(shù)字顯示按鈕（即A2+B2+C2+D2+E2）第一節(jié) 總體方案設(shè)計 最近，根據(jù)顯示時間這個功能本質(zhì)設(shè)計出了新型計時裝置電波表，由國家標準實驗室原子鐘（精度百萬分之一秒）發(fā)出時間播放信號，經(jīng)無線電臺播出。電波表只需接受并顯示時間信號，它計時精度高，結(jié)構(gòu)簡單。北京中華世紀壇就采用了電波表作為計時裝置。第一節(jié) 總體方案設(shè)計 二、編制設(shè)計目錄 用功能設(shè)計法進行原理

7、方案設(shè)計后，結(jié)合設(shè)計的過程和需要，編寫內(nèi)容清晰、條理性強、提取方便，信息面廣 的設(shè)計目錄。第一節(jié) 總體方案設(shè)計 三、建立優(yōu)化設(shè)計評價系統(tǒng) 工程設(shè)計問題往往是復雜和多解的。通過功能分析獲得盡可能多的方案，然后通過評價從中選擇最佳方案，在發(fā)散收斂的過程中創(chuàng)新，這是設(shè)計 的基本思路，也是產(chǎn)品優(yōu)化的過程。 在確定工作原理方案、選擇機構(gòu)、傳動、設(shè)計結(jié)構(gòu)的過程中，都要對方案進行分析和評價，其不足要加以改進和完善。第一節(jié) 總體方案設(shè)計 對產(chǎn)品（或技術(shù)方案）的評價目標一般包含3個方面的內(nèi)容：（1）技術(shù)評價目標：工作性能、加工裝配工藝性、維護使用性、技術(shù)上的先進性等；（2）經(jīng)濟評價目標：成本、利潤、投資回報率等

8、；（3）社會評價目標:社會效益、市場效應、環(huán)境保護、宜人性、節(jié)能、可待續(xù)發(fā)展等。第一節(jié) 總體方案設(shè)計 評價目標確定后，應制訂評價方法以便從多種方案中選取最佳方案。常用的評價方法有：評分法、加權(quán)系數(shù)法、模糊評價法等。 （1）評分法：用分值作為衡量方案優(yōu)劣的定量評價，評委對各方案每一評價目標分項評分，再求各方案總分。（2）加工權(quán)系數(shù)法：首先根據(jù)各目標的重要程度設(shè)置加權(quán)系數(shù)，評委對各方案一項評價目標分項評分，再加權(quán)求各方案總分。（3）模糊評價法是用優(yōu)、良、中、差等不定量的“模糊概念”來評價。近年來通過模糊數(shù)學理論將模糊信息數(shù)值化以進行量化評價的方法已廣泛用于工程方案設(shè)計。第一節(jié) 總體方案設(shè)計 四、總

9、體方案設(shè)計實例 下面通過兩個實例來進一步說明機械總體方案的步驟與方法。例1：設(shè)計一帶式運輸機的機械傳動系統(tǒng)，要求運動平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊，維護方便，效率高。已知：傳遞功率P=4kW，輸入轉(zhuǎn)速n1=1000r/min，輸出轉(zhuǎn)速n1=85r/min。試擬定傳動系統(tǒng)的方案。第一節(jié) 總體方案設(shè)計 解： （1）明確任務(wù)要求 帶式運輸機的功能結(jié)構(gòu)、。一般情況下，驅(qū)動（原動機）為電動機，執(zhí)行總分為運輸帶，往往只要選定就可以了，因此本例主要介紹傳動方案的設(shè)計。 總傳動比i=n1/n2=1000/85=11.76 。根據(jù)傳動比的大小，可采取兩級減速傳動。 由于該傳動系統(tǒng)較簡單，設(shè)計時有些步驟可省略。 （2）功能分析

10、系統(tǒng)的總功能是傳遞運動和轉(zhuǎn)矩，每級傳動可作為其功能，列出形態(tài)學矩陣，如表7-4所示。第一節(jié) 總體方案設(shè)計 第一節(jié) 總體方案設(shè)計 （3）組合原理解 根據(jù)形態(tài)學矩陣可組合出N=65=30個系統(tǒng)方案原理解。若考慮傳動件的布置形式和位置，則方案數(shù)會更多，為便于分析，應根據(jù)各種傳動件的特點、適用范圍及實際工作條件，先排除一些明顯不合理的原理解，然后從可行方案中初步挑選出較有價值的方案作為備選方案。初選有4種方案4種傳動系統(tǒng)的方案簡圖如圖7-4所示。第一節(jié) 總體方案設(shè)計 第一節(jié) 總體方案設(shè)計 （4）方案的評價與決策 以結(jié)構(gòu)緊湊、效率高等7項要求作為評價目標，采用5分制作技術(shù)評價（隱含經(jīng)濟觀點，如制造簡單、

11、壽命長等）。表7-5顯示了各方案的評分及評價結(jié)果。方案一、二、四的技術(shù)價值均超過0.7，技術(shù)性能較好，尤其是方案二價值最高，只需一臺兩級圓柱齒輪減速器。根據(jù)評價結(jié)果，決定采用方案二。第一節(jié) 總體方案設(shè)計 第二節(jié) 結(jié)構(gòu)設(shè)計 結(jié)構(gòu)設(shè)計是機械設(shè)計中的一個十分重要的階段，也是涉及問題最多、最具體、工作量最大的工作階段。結(jié)構(gòu)設(shè)計實際上就是確定產(chǎn)品、零部件的材料、形狀、尺寸及相互配置關(guān)系，它是原理方案設(shè)計的具體化，以滿足產(chǎn)品的功能要求。 第二節(jié) 結(jié)構(gòu)設(shè)計 結(jié)構(gòu)設(shè)計是一個從抽象到具體、從粗略到精確的過程，它根據(jù)既定的原理方案，確定部體空間布局、選擇材料和加工方法，通過計算確定尺寸，檢查空間相容性等。由主到次

12、逐步進行結(jié)構(gòu)的細化；結(jié)構(gòu)設(shè)計也具有多解性特征，因此需反復、交叉進行分析計算和修改，尋求最好的設(shè)計方案，最后完成總體方案結(jié)構(gòu)設(shè)計圖。第二節(jié) 結(jié)構(gòu)設(shè)計一、結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本步驟 由于結(jié)構(gòu)設(shè)計過程相當復雜，我們只能介紹原則性的設(shè)計步驟。 （1）明確決定結(jié)構(gòu)的要求及空間邊界條件。決定結(jié)構(gòu)的要求主要包括： 1）與尺寸有關(guān)的要求，如傳動功率、流量、聯(lián)接尺寸、工作高度等； 2）與結(jié)構(gòu)布置有關(guān)的要求，如物料的流向、運動方位、零部件的運動分配等； 3）與確定材料有關(guān)的要求，如耐磨性、疲勞壽命、抗腐能力等?？臻g邊界條件主要包括裝配限制范圍、軸間距、軸的方位。最大外形尺寸等。第二節(jié) 結(jié)構(gòu)設(shè)計（2）對主功能載體進行粗略結(jié)

13、構(gòu)條件。主功能載體就是實現(xiàn)主功能的構(gòu)件，如減速器的軸和齒輪、機車的主軸、內(nèi)燃機的曲軸等。在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應首先對主功能載體進行粗略構(gòu)形，初步確定主要形狀、尺寸，如軸的最小直徑、齒輪直徑、容器壁厚等，并按比例初步確定主要形狀、尺寸，如軸的最小直徑、齒輪直徑，容器壁厚等，并按比例初步繪制結(jié)構(gòu)設(shè)計草圖。 設(shè)計的結(jié)構(gòu)方案可以是多個，要從功能要求出發(fā)，選出一種或幾種較優(yōu)的草案，以便進一步修改。第二節(jié) 結(jié)構(gòu)設(shè)計（3）對輔功能載體進行初步結(jié)構(gòu)設(shè)計。 主要對軸的支承、工件的夾緊裝置、密封、潤滑裝置等進行設(shè)計，以保證主功能載體能順利工作。設(shè)計中應盡可能利用標準件、通用件。（4）對主功能載體、輔功能載體進行詳細結(jié)構(gòu)

14、設(shè)計、 詳細設(shè)計時，應遵循結(jié)構(gòu)設(shè)計基本準則，依據(jù)國家標準、規(guī)范及較精確的計算結(jié)果，完成細節(jié)設(shè)計。第二節(jié) 結(jié)構(gòu)設(shè)計（5）對設(shè)計時行經(jīng)濟綜合評價。 從多個結(jié)構(gòu)設(shè)計草案中選擇滿足功能要求、性能優(yōu)良、結(jié)構(gòu)簡單、成本低的較優(yōu)方案。（6）結(jié)構(gòu)方案的完善、檢查錯誤。 消除綜合評價時已發(fā)現(xiàn)的弱點，檢查在功能、空間相容性等方面是否存在缺陷或干擾因素（如運動干擾），應注意零件的結(jié)構(gòu)工藝性，如軸的圓角、倒角、鑄件壁厚、拔模斜度、鑄造圓角等，必要時對結(jié)構(gòu)加以改進，并可采納已放棄方案中的可用結(jié)構(gòu)，通過優(yōu)化的方法來進一步完善。第二節(jié) 結(jié)構(gòu)設(shè)計（7）完成總體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案圖、 繪制全部街道圖紙，結(jié)構(gòu)設(shè)計的最終結(jié)果是總體結(jié)構(gòu)設(shè)

15、計方案圖，它清楚地表達產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)形狀、尺寸、位置關(guān)系、材料與熱處理、數(shù)量等各要素和細節(jié)，體現(xiàn)了設(shè)計的意圖。第二節(jié) 結(jié)構(gòu)設(shè)計二、結(jié)構(gòu)設(shè)計的準則 為使產(chǎn)品預期功能得以實現(xiàn)、產(chǎn)品的經(jīng)濟性、安全性得到保證，提高設(shè)計的質(zhì)量，應遵循“明確”“簡單”“安全”的基本要求?！懊鞔_”主要包括功能明確、作用原理明確、工況條件及負荷狀況明確等；“簡單”主要要求零件數(shù)目盡量少、零部件間的聯(lián)接關(guān)系簡便、零件形狀盡可能簡單等、 “安全”則要求保證產(chǎn)品及其零部件在預期的工作期限內(nèi)正常工作，不會對人和環(huán)境產(chǎn)生危害。第二節(jié) 結(jié)構(gòu)設(shè)計為合理地進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，應考慮如下結(jié)構(gòu)設(shè)計準則：1.滿足功能要求的設(shè)計準則 產(chǎn)品設(shè)計的主要目的是實現(xiàn)

16、預定的功能要求，在設(shè)計產(chǎn)品時，通常有必要將任務(wù)合理分配，即將一個功能分解成多個分功能，每一個分功能 由一個功能載體承擔。V帶的結(jié)構(gòu)是任務(wù)分配的一個例子。纖維繩用來承受拉力，橡膠層承受帶彎曲時的拉伸與壓縮，而傳動所需要的摩擦力則通過包布層與帶輪輪槽的作用產(chǎn)生。第二節(jié) 結(jié)構(gòu)設(shè)計第二節(jié) 結(jié)構(gòu)設(shè)計 為了簡化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、減少零件個數(shù)、降低加工成本、便于裝配、縮小體積等，可將多項功能集中于一個功能載體，將功能不同，但運動情況一致位置相近的零件結(jié)合，結(jié)構(gòu)上設(shè)計成一個整體，由一個零件或部件承擔多個功能。 V帶結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了功能集中，角接觸軸承也具有功能集中的特點，即能承受徑向載荷，又能同時承受軸向載荷。 圖7-9所

17、示為一包裝機械中的支架零件，原來由11個零件分別加工后組裝而成，加工量大，成本高，采用整體結(jié)構(gòu)后，通過整體鑄造一次完成，大大降低了成本。第二節(jié) 結(jié)構(gòu)設(shè)計 圖7-10（b）所示的螺栓即有聯(lián)接功能又有防松功能，它是將圖7-10（a）所示的螺栓與防松墊圈組合在一起的整體結(jié)構(gòu)。第二節(jié) 結(jié)構(gòu)設(shè)計第二節(jié) 結(jié)構(gòu)設(shè)計2.考慮加工工藝性和設(shè)計準則 結(jié)構(gòu)設(shè)計中，應力求使設(shè)計的零部件加工方便，材料損耗少，效率高、生產(chǎn)成本低、符合質(zhì)量要求。 對鑄件應盡量減少分型面的數(shù)目，避免不必要的凸起和凹陷，盡量少用不用型芯，力求幾何形狀簡單，應考慮拔模斜度，壁厚應均勻避免縮孔等。第二節(jié) 結(jié)構(gòu)設(shè)計 對切削加工零件，應盡量減少加工面

18、積；設(shè)計必要的退刀槽或砂輪越程槽；要使零件在加工時便于裝夾；應盡量減少加工的裝夾次數(shù)，以提高效率；優(yōu)先采用相同的錐度、圓角半徑及孔徑，減少刀具調(diào)整次數(shù)，提高加工精度等。第二節(jié) 結(jié)構(gòu)設(shè)計3.考慮裝配的設(shè)計準則 加工好的零部件木經(jīng)過裝配才能成為完整的機器，裝配質(zhì)量對機器設(shè)備的運行有直接的影響。在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應合理考慮裝配單元，使零件得到正確安裝，圖7-11所示的兩法蘭盤用普通螺栓聯(lián)接，圖（a）所示的結(jié)構(gòu)無徑向定位基準，裝配時不能保證兩孔的同軸度，圖（b）以相配的圓柱面為定位基準，結(jié)構(gòu)合理。 對配合零件應注意避免雙重配合，圖7-12（a）中零件A與零件B有兩個端面配合，由于制造誤差，不能保證零件A的

19、正確位置。應采用圖7-12（b）的合理結(jié)構(gòu)。第二節(jié) 結(jié)構(gòu)設(shè)計第二節(jié) 結(jié)構(gòu)設(shè)計 結(jié)構(gòu)設(shè)計中，應明顯標志零件的裝配位置，防止錯誤裝配。圖7-13所示軸承座用兩個銷釘定位。圖（a）兩銷釘反向?qū)ΨQ布置，裝配時很可能誤將支座旋轉(zhuǎn)180安裝，使得軸與孔的中心線位置偏差增大。為避免裝配錯誤，可將兩定位銷布置在同一側(cè)，或使兩定位銷到螺栓距離不等（圖（b）。第二節(jié) 結(jié)構(gòu)設(shè)計 為使零件便于裝配和拆卸，應保證零件有足夠的裝配空間。圖7-14（a）中裝配高度不夠，螺栓無法裝入，可改成圖7-14（b）所示結(jié)構(gòu)。對于螺栓聯(lián)接，應設(shè)計足夠的扳手空間。第二節(jié) 結(jié)構(gòu)設(shè)計 圖7-15（a）中空間狹小，扳手無法轉(zhuǎn)動，應采用圖7-1

20、5（b）所示合理結(jié)構(gòu)。第二節(jié) 結(jié)構(gòu)設(shè)計 對于配合零件，應避免過長的配合，圖7-16所示的齒輪與軸的配合應采用圖（b）的結(jié)構(gòu)。第二節(jié) 結(jié)構(gòu)設(shè)計第二節(jié) 結(jié)構(gòu)設(shè)計 為了使零件易于裝配，孔及圓柱的端部應有倒角。為便于拆卸零件，應留出安放拆卸工具的位置，例如滾動軸承的拆卸。為了使裝配過程簡化，補償裝配尺寸鏈誤差，對軸系部件裝配時可設(shè)置調(diào)整補償環(huán)或調(diào)整墊片，它的厚度根據(jù)實測結(jié)果確定。這樣，即降低了對裝配精度的要求，又可提高裝配質(zhì)量。倒角倒角退刀槽退刀槽 軸上磨削的軸段，應有軸上磨削的軸段，應有砂輪越程槽砂輪越程槽； 車制螺紋的軸段，應有車制螺紋的軸段，應有退刀槽退刀槽； 軸的形狀和尺寸應力求簡單，以便于加

21、工。軸的形狀和尺寸應力求簡單，以便于加工。圖圖16-8 軸的結(jié)構(gòu)軸的結(jié)構(gòu)(軸系拆裝動畫軸系拆裝動畫）第二節(jié) 結(jié)構(gòu)設(shè)計4.滿足強度等方面要求的設(shè)計準則 足夠的強度和剛度是結(jié)構(gòu)設(shè)計必須滿足的要求。適當?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計可以減少載荷引起的應力和變形量，提高結(jié)構(gòu)的承載能力。 考慮強度要求，應考慮材料的性質(zhì)。鋼材受拉和受壓時力學性質(zhì)基本相同，因此鋼結(jié)構(gòu)多為對稱結(jié)構(gòu)；鑄鐵材料的抗壓強度遠大于抗拉強度，因此承受彎矩的鑄鐵結(jié)構(gòu)截面多為非對稱形狀，以使承載時最大壓應力大于拉應力。 在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，為充分利用材料，減輕重量，可設(shè)計成等強度結(jié)構(gòu)，使零件截面尺寸的變化與其應力的變化相適應。第二節(jié) 結(jié)構(gòu)設(shè)計圖（a）所示結(jié)構(gòu)強度差

22、；圖（b）所示結(jié)構(gòu)雖然強度高，但不是等強度，浪費材料，增加重量 ；圖（c）為等強度結(jié)構(gòu)，且符合鑄鐵材料的強度特點。 軸的結(jié)構(gòu)通常是階梯軸，應力大的中間部分較粗，應力小的兩頭較細，既便于軸的加工和軸零件的裝拆，又接近等強度結(jié)構(gòu)。第二節(jié) 結(jié)構(gòu)設(shè)計第二節(jié) 結(jié)構(gòu)設(shè)計 結(jié)構(gòu)設(shè)計時，要注意改善受力狀況，使受力均勻，載荷分給多個零件承擔，從而使單個零件 載荷減小，提高強度，例如 并聯(lián)組合彈簧、軸承組合等。要注意使力的傳遞路線變短，承載區(qū)域小。 例如懸臂布置的小錐齒輪軸，錐齒輪部分應盡量靠近軸承以減小懸臂長度，提高彎曲強度。第二節(jié) 結(jié)構(gòu)設(shè)計第二節(jié) 結(jié)構(gòu)設(shè)計 結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應采取措施使零部件在傳遞動力時產(chǎn)生的附加

23、力（力矩）內(nèi)部平衡，不致增加其他零件的載荷。例如：同一軸上兩個斜齒圓柱齒輪產(chǎn)生軸向力，可通過合理選擇輪齒旋向和螺旋角的大小使軸向力相互抵消，而不增加軸承的負載。第二節(jié) 結(jié)構(gòu)設(shè)計 結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應設(shè)法減小應力集中。應力集中是影響零件承受交變應力時疲勞強度的重要因素。結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應盡量避免使結(jié)構(gòu)受力較大處的零件形狀發(fā)生突然變化，以避免或減小應力集中對強度的影響。增大過渡圓角、采用卸載結(jié)構(gòu)等是減小應力集中的有效方法。第二節(jié) 結(jié)構(gòu)設(shè)計5.考慮造型的設(shè)計準則 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計不僅要滿足功能要求，而且還應考慮產(chǎn)品的造型，使其適合人的生理特點和心理特點，造型美觀、結(jié)構(gòu)宜人化的產(chǎn)品將會對人產(chǎn)生吸引力，使人心情愉快，

24、不易疲勞。 結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應注意各部分尺寸比例協(xié)調(diào)、勻稱，形狀、色彩和諧統(tǒng)一，簡潔明快，使操作者在工作時不易疲勞，并能及時、正確、全面地了解機器的工作狀況，進行正確的操作。第二節(jié) 結(jié)構(gòu)設(shè)計6.其他設(shè)計準則 在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，還應考慮其他方面的設(shè)計準則。 如采用標準件和標準尺寸系列，有利于標準化；考慮妨腐蝕措施的設(shè)計；可實現(xiàn)自我加強、自我保護、零件之間相互支持的設(shè)計；為節(jié)約材料和資源，使報廢產(chǎn)品能夠回收利用的設(shè)計等等。第二節(jié) 結(jié)構(gòu)設(shè)計三、結(jié)構(gòu)設(shè)計的變異 為了得到較好的設(shè)計結(jié)果，設(shè)計者要思路開闊，盡可能多地思考各種能實現(xiàn)功能的結(jié)構(gòu)方案，以便挑選出較優(yōu)方案。例如：螺釘用于聯(lián)接時需要通過螺釘頭部對其擰緊，根

25、據(jù)所需擰緊力的大小，變換功能面的 形狀、數(shù)量和位置（內(nèi)、外）可得到多種螺釘頭的設(shè)計方案。 當所需擰緊力很小，不需專門工具時，可設(shè)計成滾花型和元寶手柄用手擰緊；第二節(jié) 結(jié)構(gòu)設(shè)計 滾花螺釘 蝶形螺母（元寶螺母）第二節(jié) 結(jié)構(gòu)設(shè)計 蓋形螺母第二節(jié) 結(jié)構(gòu)設(shè)計第二節(jié) 結(jié)構(gòu)設(shè)計所需擰緊力較小時，可用“十字”“一字”型起子槽型式，并可設(shè)計成平頭或沉頭方案，也可用內(nèi)六角、內(nèi)四角、內(nèi)三角形式，通過專用扳手作用于螺釘頭的內(nèi)表面擰緊；所需擰緊力較大時，往往要用扳手擰緊，可設(shè)計成外六角、外四角等螺釘頭型式。除此之外，顯然還有很多螺釘頭部形狀設(shè)計方案，當然，在設(shè)計新的螺釘頭部 形狀方案時要同時考慮擰緊工具的形狀和操作方法

26、。 標準螺紋聯(lián)接件標準螺紋聯(lián)接件螺螺紋紋緊緊固固件件末端結(jié)末端結(jié)構(gòu)構(gòu)頭部結(jié)頭部結(jié)構(gòu)構(gòu)螺釘、緊定螺釘螺釘、緊定螺釘雙頭螺柱雙頭螺柱螺栓螺栓 通過改變零件或零件之間功能面的相對位置可產(chǎn)生新的方案。如圖7-18所示機構(gòu)機構(gòu)，圖（a）中擺桿1的接觸面為平面，推桿2的接觸面為球面，相互作用時，會產(chǎn)生橫向推力，不利于推桿的運動，甚至造成推桿運動卡死。采用圖（b）的位置變換，受力狀況明顯改善。第二節(jié) 結(jié)構(gòu)設(shè)計第三節(jié) 機械創(chuàng)新設(shè)計案例 從下面介紹的機械設(shè)計案例，將它們的創(chuàng)新思想和設(shè)計過程進行分析，從各個角度探討創(chuàng)新設(shè)計的規(guī)律和方法，啟發(fā)我們?nèi)ビ^察、思考、分析、培養(yǎng)我們的興趣從而參與創(chuàng)新設(shè)計實踐。第三節(jié) 機械創(chuàng)

27、新設(shè)計案例 案例：內(nèi)燃機的發(fā)展 動力機械是近代人類社會進行生產(chǎn)活動的基本裝備之一。 動力機械按其工作方式分為內(nèi)燃機和外燃機兩大類。第三節(jié) 機械創(chuàng)新設(shè)計案例 在技術(shù)發(fā)展史上，人們對內(nèi)燃機的研究比外燃機要更早，但由于理論和技術(shù)上的不成熟，使得外燃的蒸汽機在內(nèi)燃機出現(xiàn)前的一個多世紀內(nèi)得到廣泛的應用。第三節(jié) 機械創(chuàng)新設(shè)計案例 自從18世紀瓦特完成了蒸汽機的發(fā)明以后，幾乎在一個世紀的時間里蒸汽機成為唯一的動力機，但在廣泛應用的同時也暴露了它一系列的缺點： 首先，熱效率很低。當時 ，一般情況下，只有5%8%，最高也不過13%。主要是它在工作過程中散失了大量的熱量。 其次，結(jié)構(gòu)笨重，價格昂貴，鍋爐和冷凝器等

28、體積龐大，運行不靈活，很難達到體積不大、更便宜、適應性更大、運行更靈活的要求。 第三，操作不方便，運行不夠安全。鍋爐要預熱兩個多小時，不能隨意啟動和停止，由于鍋爐儲蓄的熱量很大，而容易發(fā)生爆炸。第三節(jié) 機械創(chuàng)新設(shè)計案例 人們需要比蒸汽機更小、更便宜、適應性更大。運行更靈活的發(fā)動機。 在1824年法國物理學家卡諾提出理想熱機的卡諾循環(huán)，并隨后建立的熱力學第一定律和第二定律，為完成內(nèi)燃機的發(fā)明提供了理論和技術(shù)基礎(chǔ)。 熱力學第一定律 也就是能量守恒定律。自從焦耳以無以辯駁的精確實驗結(jié)果證明機械能、電能、內(nèi)能之間的轉(zhuǎn)化滿足守恒關(guān)系之后，人們就認為能量守恒定律是自然界的一個普遍的基本規(guī)律。 表達式為Q=

29、U+W。表述形式：熱量可以從一個物體傳遞到另一個物體，也可以與機械能或其他能量互相轉(zhuǎn)換，但是在轉(zhuǎn)換過程中，能量的總值保持不變。熱力學第二定律有幾種表述方式：克勞修斯表述熱量可以自發(fā)地從溫度高的物體傳遞到較冷的物體，但不可能自發(fā)地從溫度低的物體傳遞到溫度高的物體；開爾文-普朗克表述不可能從單一熱源吸取熱量，并將這熱量完全變?yōu)楣?，而不產(chǎn)生其他影響。關(guān)系熱力學第二定律的兩種表述（前2種）看上去似乎沒什么關(guān)系，然而實際上他們是等效的，即由其中一個，可以推導出另一個。意義熱力學第二定律的每一種表述，揭示了大量分子參與的宏觀過程的方向性，使人們認識到自然界中進行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性第三節(jié) 機

30、械創(chuàng)新設(shè)計案例 人們首先分析了蒸汽機的缺點，發(fā)現(xiàn)燃料先把水燒成蒸汽，再把蒸汽引入汽缸做功，然后蒸汽再被冷凝器冷卻成水，這個過程引起了大量的熱損耗，里諾對蒸汽機的這個缺點，用反向思維方法，考慮能不能使燃料直接在汽缸內(nèi)部燃燒，這樣就可以免去蒸汽作中介工質(zhì)。熱能直接作功。第三節(jié) 機械創(chuàng)新設(shè)計案例 1860年，里諾制成了第一臺實用的內(nèi)燃機二沖程煤氣機，它的外表就像一部臥式蒸汽機，也有活塞、連桿和飛輪，但運轉(zhuǎn)方式截然不同，它是靠吸入煤氣和空氣的混合物以后，在汽缸內(nèi)點火燃燒發(fā)生膨脹而作功。 這種煤氣內(nèi)燃機去掉了龐大的鍋爐，結(jié)構(gòu)緊湊，雖然其燃料消耗很高，而熱效率僅4%（還不如蒸汽機），電點火也不可靠，成本也

31、很高，但畢竟它平穩(wěn)的運轉(zhuǎn)了，很受中小企業(yè)歡迎。第三節(jié) 機械創(chuàng)新設(shè)計案例 為了提高效率，法國工程師德羅沙進一步分析里諾機的缺點，從反向思考，提出了新設(shè)想。 他認為里諾機的燃料混合氣未經(jīng)壓縮就直接進入汽缸，這樣每一次吸入的燃料氣體就很少，膨脹一次的熱損失相對來說秒很大。 能不能每次多吸入一些燃料氣體？ 德羅沙在對內(nèi)燃機的熱力過程進行理論 分析 之后，于1862年提出了提高熱效率的關(guān)鍵措施： 即預先壓縮空氣和燃氣的混合物，提出了等容燃燒的四沖程內(nèi)燃機工作原理。四沖程發(fā)動機 四沖程內(nèi)燃機工作過程 (四沖程：兩轉(zhuǎn)，720CA) 吸氣沖程 進氣門打開,排氣門關(guān)閉,活塞向下運動,汽油和空氣混合物進入汽缸.

32、壓縮沖程 進氣門和排氣門都關(guān)閉,活塞向上運動,燃料混合物被壓縮. 做工沖程 壓縮沖程結(jié)束時,火花塞產(chǎn)生電火花,使燃料猛烈燃燒,產(chǎn)生高溫高壓的氣體.高溫高壓氣體推動火花塞向下運動,帶動曲軸轉(zhuǎn)動,對外做功. 排氣沖程 進氣門關(guān)閉,排氣門打開,活塞向上運動,把廢氣排出汽缸. 第一個行程：活塞從上止點到下止點，完成兩個動作：火花塞點火，做功排氣；關(guān)閉進氣，把空混合氣從活塞下部壓入曲軸箱，從活塞上部進入汽缸。 第二個行程：活塞從下止點到上止點。完成兩個動作：關(guān)閉所有進排氣，壓縮混合氣。每兩個沖程完成一次做功，所以叫二沖程。二沖程發(fā)動機第三節(jié) 機械創(chuàng)新設(shè)計案例 1876年，德國工程師奧托研制成功了第一臺四

33、沖程往復活塞式內(nèi)燃機，每分鐘180轉(zhuǎn)，熱效率高達14%（相當于蒸汽機的兩倍），它把三個關(guān)鍵的技術(shù)思想：內(nèi)燃、壓縮燃氣、四沖程溶火一體，具有效率高、體積小。重量輕、功率大等一系列優(yōu)點。 此后，奧托在一生中一直從事內(nèi)燃機的研究，四沖程循環(huán)被 稱為“奧托循環(huán)”，他也被認為是內(nèi)燃機的發(fā)明人。第三節(jié) 機械創(chuàng)新設(shè)計案例 在此之后，英國工程師克拉克制造了二沖程循環(huán)的內(nèi)燃機，在每兩個沖程中就有一個動力沖程，他發(fā)明了兩個汽缸的內(nèi)燃機，當一個汽缸處于回復階段時，另一汽缸則爆燃作功，使輸出的動力較均均。第三節(jié) 機械創(chuàng)新設(shè)計案例 里諾和奧托內(nèi)燃機都是煤氣機，但煤氣的熱值低，需要龐大的煤氣發(fā)生爐和管道系統(tǒng)，煤氣機的轉(zhuǎn)速低，自重大，對于交通運輸業(yè)所要求的高速。輕便的動力機來說，煤氣機仍然是不相適應的。 隨著石油工業(yè)的蓬勃發(fā)展，用石油產(chǎn)品取代煤氣作燃料已成為必然。第三節(jié) 機械創(chuàng)新設(shè)計案例 德國工程師戴勒姆分析煤氣機的缺點，設(shè)計出了汽化器，解決了點火問題，于1883年制成了第一臺四沖程往復式汽油機。以往煤氣機的轉(zhuǎn)速不超過200轉(zhuǎn)/分，而戴勒姆汽油機的轉(zhuǎn)速一躍火8001000轉(zhuǎn)/分，其特點是功率大、重量輕、體積小、轉(zhuǎn)速快和效率高，特別適用于交通工具。 1 885年，戴勒姆與德國工程師本茨兩人分別以汽油機為動力