第7章 结构方案的创新设计 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。 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。 结构方案的创新设计v71 结构方案的变异设计结构方案的变异设计 v72 提高性能的设计提高性能的设计v73 结构的宜人化设计结构的宜人化设计 v74 新型结构设计新型结构设计 v 71 结构方案的变异设计结构方案的变异设计 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。变异设计的目的是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是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。 变异设计的目的是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。711. 功能面的变异功能面的变异 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。通过对这几个方面的变异，可以得到多组构型方案。 例如要实现用弹簧产生的压紧力压紧某零件，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7l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。 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7l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，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。 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7-2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，比原反案减小29%。 在包含中间齿轮的直齿圆柱齿轮传动中，中间轴所受合力的大小与三个轴的相对位置有关。用中间轴所受合力的大小，用Fn表示齿轮啮合处的法向力大小，用表示齿轮的压力角，则中间轴所受合力关系曲线如图7-3所示。通过合理地选择中间齿轮的位置可以使中间轴及其轴承的受力减小，甚至使其受力为零。 在图74a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 在摇杆上，如 图7一4b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75a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75b所示，则可以有效地改善导轨的润滑状况。 图76a所示为曲柄摇杆机构，若使机构中销孔尺寸变化，图a中的曲柄摇杆机构演变为图b所示的偏心轮机构。 普通电动机中转子和定子的布置方式如图77a所示，将沿圆周布置的转子和定于改变为沿直线方向布置（图b），则旋转电机演变为直线电机，如使沿直线方向布置的转子和定于再沿另一轴线（与旋转电机轴线方向相垂直）旋转，则直线电机演变为圆筒形直线电机 (图c) 712 联接的变异联接的变异 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，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： 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。 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，可以是如图78所示的三角形、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。 第二种情况由于轮毂要相对于轴移动，所以轴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。 第三种情况和第四种情况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。 713 支承的变异支承的变异 轴系的支承结构是一类典型结构，轴系的工作性能与它的支承设计的状况和质量密切相关。旋转轴至少需要两个相距一定距离的支点支承，支承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。 以锥齿轮传动（两轴夹角为900）为例分析支点位置变异问题（以下假设为滚动轴承轴系），锥齿轮传动的两轴各有两个支点，每个支点相对于传动零件的位置可以在左侧，也可以在右侧，两个支点的位置可能有3种组合方式，如图710所示。 将两轴的支点位置进行组合可以得到9种结构方案，如图711所示。 这9种方案中除最后一种方案在结构安排上有困难以外，其余8种均被采用。 轴上的每个支点除承受径向载荷以外还可能同时承受单向或双向轴向载荷，每个支点承受轴向载荷的方式有4种可能，如图712所示。 在单个支点的4种受力情况中每一种情况都可以通过多种不同类型的轴承或轴承组合实现，例如情况a为承受纯径向载荷的支点，可以选用圆柱滚子轴承、滚针轴承、深沟球轴承、调心球轴承或调心滚子轴承。对于情况b和c既可以选用向心推力轴承如圆锥滚子轴承或角接触球轴承，当轴向力较小时也可以选用深沟球轴承、调心球轴承或调心滚子轴承等向心轴承，也可以采用向心轴承与承受轴向载荷的推力轴承（如推力球轴承、推力滚子轴承）的组合。对于情况d可以采用一对向心推力轴承面对面或背对背组合使用，可以使用专门型号的双列向心推力轴承，当轴向载荷较小时可以采用有一定轴向承载能力的向心轴承如深沟球轴承、调心球轴承或调心滚子轴承，也可以采用向心轴承与承受双向轴向载荷的推力轴承的组合，当转速较高时也可以选用具有较高极限转速的深沟球轴承取代双向推力轴承使用。 图7-11 锥齿轮传动轴系支点位置变异 将轴系中两个支点的这4种情况进行组合，可得到两支点轴系承受轴向载荷情况的16种方案，如图7一13所示。 其中方案g、h、j、l、n、o、p为过定位方案，实际不被采用，其余的9种方案中方案b和方案e，方案i和方案c，方案d和方案m分别为对称方案，余下的6种方案均在不同场合被采用。在这六种方案中方案df及k使轴系在两个方向上实现完全定位，在结构设计中应用最普遍，方案d称为单支点双向固定结构，方案f和方案k称为双支点单向固定结构；方案a使轴系在两个方向上都不定位，称为两端游动轴系结构，这种轴系结构适用于轴系可以通过传动件实现双向轴向定位的场合（如人字齿轮或双斜齿轮传动）；方案b和c都使轴系单方向定位，这种轴系结构应用较少，只用在轴系只可能产生单方向轴向载荷的场合（如重力载荷，在这种应用场合中通常也要求轴系双向定位）。714 材料的变异材料的变异 机械设计中可以选择的材料种类众多，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，结构设计中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，只有通过适当的结构设计才能使所选择的材料最充分地发挥优势。 设计者要做到正确地选择结构材料就必须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。 例如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。金属材料具有较高的强度和寿命，所以常用在要求承载能力大的场合；橡胶材料的弹性变形范围大，变形曲线呈非线性，可用简单的形状实现大变形量、综合可移性要求，但是橡胶材料的强度差，寿命短，常用在承载能力要求较小的场合。由于弹性元件的寿命短，使用中需多次更换，在结构设计中应为更换弹性元件提供可能和方便，为更换弹性元件留有必要的操作空间，使更换弹性元件所必须拆卸、移动的零件尽量少。在结构设计中应根据所选弹性元件材料的不同而采用不同的结构设计原则，图714表示了使用不同弹性元件材料的常用弹性联轴器的结构。 结构设计中应根据所选材料的特性及其所对应的加工工艺而遵循不同的设计原则。 钢材受拉和受压时的力学特性基本相同，因此钢梁结构多为对称结构。铸铁材料的抗压强度远大于抗拉强度，因此承受弯矩的铸铁结构截面多为非对称形状，以使承载时最大压应力大于最大拉应力，图7一15所示为两种铸铁支架结构的比较。图中方案b的最大压应力大于最大拉应力，符合铸铁材料的强度特点，是较好的结构方案。塑料结构的强度较差，螺纹联接件产生的装配力很容易使塑料零件损坏，图716所示为一种塑料零件装配结构，它充分利用塑料加工工艺的特点，在两个被联接件上分别做出形状简单的搭钩和凹槽，装配时利用塑料零件弹性变形量大的特点使搭钩与凹槽互相咬合实现联接，装配过程简单准确，便于操作。 设计的结果要通过制造和装配实现，结构设计中如果能根据所选材料的工艺特点合理地确定结构形式则会为制造过程带来方便。 钢结构设计中通常通过加大截面尺寸的方法增大结构的强度和刚度，但是铸造结构中如果壁厚过大则很难保证铸造质量，所以铸造结构通常通过加肋板和隔板的方法加强结构的刚度和强度。塑料材料由于刚度差，铸造后的冷却不均匀造成的内应力极易引起结构翘曲，所以塑料结构的肋板应与壁厚相近并均匀对称。陶瓷结构的模具成本和烧结工艺成本远大于材料成本，所以陶瓷结构设计中为使结构简单，通常不考虑节省材料的原则。 例71 棘轮机构的变异设计分析 待设计的棘轮机构如图7一17所示，棘爪头部的平面与棘轮齿形平面互相接触，是棘轮机构的功能面。通过变换功能面的形状可得到如图718所示的多种结构方案，其中方案a和方案c用于单向传动，方案b的棘轮可用于双向传动，方案c功能面能承担较大的载荷，应用较普遍，但承载能力对制造误差较敏感。通过变换功能面的数量可得到如图719所示的多种结构方案，图中方案a通过减小轮齿尺寸使轮齿的齿数增多，由于齿数增加使传动的最小反应角度减小，传动精度提高；方案b不改变棘轮的形状，而通过增加棘爪数量的方法起到在不降低承载能力的前提下提高传动精度的作用；方案c和方案d通过两个棘爪同时受力的方法提高了承载能力。图7一20所示为通过变换功能面的位置得到的多种结构方案，图中方案a为内棘轮结构，通过将棘爪设置在棘轮内的方法减小了结构尺寸；方案b为轴向棘轮结构，这种结构只有在空间条件允许的条件下才能应用。图7一21所示为通过变换工作面的尺寸得到的多种结构方案。将以上这些要素进行交叉组合变换可以得到更多的结构方案，这些方案各有其优缺点，通过对这些方案各自特点的分析并结合具体的应用条件可以从中确定较好的结构方案。例72 铰链节叉的结构变异 铰链是一类常见的机械结构。图722所示为铰链的一种装配结构。下面以其中的铰链节叉为例，分析当采用不同的毛坯形式时结构的变异设计。 图723表示当采用铸造毛坯时的不同结构方案。其中方案a和方案b的外形简单容易造型，方案c和方案d的外形结构较复杂，但较省材料，而且各部分壁厚较均匀，容易保证铸造质量。 图724表示当采用整体材料以切削方法成形时的不同结构方案，这类结构用于单件或小批量生产的情况。其中下排的几种结构虽然具有较轻的重量，但并不节省材料，而且增大切削加工的工作量，只有在结构有特殊要求时才采用这种结构。 图725表示使用薄板冲压毛坯的不同结构方案，冲压结构具有重量轻、节省材料和大批量生产成本低的优点，特别适合于生产批量较大的场合。图中方案a、b、和d中都包含较小的弯曲半径，容易引起裂纹和褶皱，在条件允许时应尽量采用较大的弯曲半径，如图中方案c的结构所示。 图7一26表示使用板材经焊接成形的结构，这类结构适用于结构尺寸较大，而且批量较小的情况。图中方案a的焊口只起联接作用，基本不承担载荷；其余几种结构的焊口都要承担工作载荷，因此对焊接质量要求较高；方案c的焊口较长，焊接成本高；方案d中的底板在焊接中容易翘曲，影响焊接质量。 图727表示使用成型材料并经焊接成形的结构，由于使用了槽钢、角钢。带钢等型材，使焊接工作量比图7一26中所示的结构更小。图中方案c的一处焊口承受较大的弯矩，影响其承载能力。 72 提高性能的设计提高性能的设计 机械产品的性能不但与原理设计有关，结构设计的质量也直接影响产品的性能，甚至影响产品功能的实现。下面分别分析为提高结构的强度、刚度、精度、工艺性等方面性能常采用的设计方法和设计原则，通过这些分析可以对结构的创新设计提供可供借鉴的思路。721 提高强度和刚度的设计提高强度和刚度的设计 强度和刚度是结构设计的基本问题，通过正确的结构设计可以减小单位载荷所引起的材料应力和变形量，提高结构的承载能力。 强度和刚度都与结构受力有关，在外载荷不变的情况下降低结构受力是提高强度和刚度的有效措施。1载荷分担 载荷引起结构受力，如果多种载荷作用在同一结构上就可能引起局部应力过大。结构设计中应将载荷由多个结构分别承担，这样有利于降低危险结构处的应力，从而提高结构的承载能力，这种方法称为载荷分担。 图7-29所示为一位于轴外伸端的带轮与轴的联接结构。方案a结构在将带轮的扭矩传递给轴的同时也将压轴力传给轴，它将在支点处引起很大的弯矩，并且弯矩所引起的应力为交变应力，弯矩和扭矩同时作用会在轴上引起较大应力。方案b所示的结构中增加了一个支承套，带轮通过端盖将扭矩传给轴，通过轴承将压轴力传给支承套，支承套的直径较大，而且所承受的弯曲应力是静应力，通过这种结构使弯矩和扭矩分别由不同零件承担，提高了结构整体的承载能力。 图 730 a所示为蜗杆轴系结构，蜗杆传动产生的轴向力较大，使得轴承在承受径向载荷同时承受较大的轴向载荷，在图b结构中增加了专门承受双向轴向载荷的双向推力球轴承，使得各轴承分别发挥各自承载能力的优势。 2载荷平衡 在机械传动中有些做功的力必须使其沿传动链传递，有些不做功的力应尽可能使其传递路线变短，如果使其在同一零件内与其他同类载荷构成平衡力系则其他零件不受这些载荷的影响，有利于提高结构的承载能力。 图7-31a所示的行星齿轮结构中齿轮啮合使中心轮和系杆受力。图b所示结构中在对称位置布置三个行星轮，使行星轮产生的力在中心轮和系杆上合成为力偶，减小了有害力的传播范围，有利于相关结构的设计。3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，结构设计应设法缓解应力集中。在零件的截面形状发生变化处力流会发生变化（如图732所示），局部力流密度的增加引起应力集中。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处的零件形状突然变化，以减小应力集中对强度的影响。零件受力变形时不同位置的变形阻力（刚度）不相同也会引起应力集中，设计中通过降低应力集中处附近的局部刚度可以有效地降低应力集中。例如图733a所示过盈配合联接结构在轮毂端部应力集中严重，图b、c、d所示结构通过降低轴或轮毂相应部位的局部刚度使应力集中得到有效缓解。 由于结构定位等功能的需要在绝大部分结构中不可避免地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，如果多种变化出现在同一结构截面处将引起严重的应力集中，所以结构设计中应尽力避免这种情况。 图734所示的轴结构中台阶和键槽端部都会引起轴在弯矩作用下的应力集中，图a的结构将两个应力集中源设计到同一截面处，加剧了局部的应力集中，图b结构使键槽不加工到轴段根部，避免了应力集中源的集中。 4减小接触应力 高副接触零件的接触强度和接触刚度都与接触点的综合曲率半径有关，设法增大接触点的综合曲率半径是提高这类零件工作能力的重要措施。 渐开线齿轮在齿面上不同位置处的曲率半径不同，采用正变位可使齿面的工作位置向曲率半径较大的方向移动，对提高齿轮的接触强度和弯曲强度都非常有利。 图735所示结构中图a两个凸球面接触传力，综合曲率半径较小，接触应力大；图b为凸球面与平面接触，图c为凸球面与凹球面接触，综合曲率半径依次增大，有利于改善球面支承的强度和刚度。 722 提高精度的设计提高精度的设计 现代设计对精度提出越来越高的要求，通过结构设计可以减小由于制造、安装等原因产生的原始误差，减小由于温度、磨损、构件变形等原因产生的工作误差，减小执行机构对各项误差的敏感程度，从而提高产品的精度。 1误差均化 制造和安装过程中产生的误差是不可避免的，通过适当的结构设计可以在原始误差不变的情况下使执行机构的误差较小。试验证明螺旋传动的误差可以小于螺杆本身的螺距误差。图736所示为千分尺的测量误差与其螺距误差的对比图，图a为千分尺的累积测量误差，图b为通过万能工具显微镜测得的该千分尺螺杆的螺距累积误差。这一试验说明了关于机械精度的均化原理：在机构中如果有多个联接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接点的综合影响，其运动精度高于一个联接点的限制作用。在一定条件下增加螺旋传动中起作用的螺纹圈数，使多圈螺纹同时起作用，不但可以提高螺旋传动的承载能力和耐磨性，而且可以提高传动精度。 2误差合理配置 在机床主轴结构设计中，提高主轴前端（工作端）的旋转精度是很重要的设计目标，主轴前支点轴承和主轴后支点轴承的精度都会影响主轴前端的旋转精度，但是影响的程度不相同。 经过分析前支点的误差对主轴前端的精度影响较大，所以在主轴结构设计中通常将前支点的轴承精度选择得比后支点高一个等级。3误差传递 在机械传动系统中，各级传动件都会产生运动误差，传动件在传递必要的运动的同时也不可避免地将误差传递给下一级传动件。 4误差补偿 在机械结构工作过程中会由于温度变化、受力、磨损等因素使零部件的形状及相对位置关系发生变化，这些变化也常常是影响机械结构工作精度的原因。温度变化、受力后的变形和磨损等过程都是不可避免的，但是好的结构设计可以减少由于这些因素对工作精度造成的影响。在图739所示的两种凸轮机构设计中，凸轮和移动从动件与摇杆的接触点上都会不可避免地发生磨损，图a的结构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 则使得这两处磨损对从动 件的运动误差的影响互相 抵消，从而提高了机构的 工作精度。 5采用误差较小的近似机构 有些应用中为简化机构而采用某些近似机构，这会引入原理误差，在条件允许时优先采用近似性较好的近似机构可以减小原理误差。723 提高工艺性的设计提高工艺性的设计 设计的结果要通过制造、安装、运输等过程实现，机械设备使用过程中还要多次对其进行维修、调整等操作，正确的结构设计应使这些过程可以进行，好的结构设计应使这些过程方便、顺利地进行。1方便装卡 大量的零件要经过机械切削加工工艺过程，多数机械切削加工过程首先要对零件进行装卡。结构设计要根据机械切削加工机床的设备特点，为装卡过程提供必要的夹持面，夹持面的形状和位置应使零件在切削力的作用下具有足够的刚度，零件上的被加工面应能够通过尽量少的装卡次数得以完成。如果能够通过一次装卡对零件上的多个相关表面进行加工，这将有效地提高加工效率。 在图741利所示的顶尖结构中，图a结构只有两个圆锥表面，用卡盘无法装卡；在图b的结构中增加了一个圆柱形表面，这个表面在零件工作中不起作用，只是为了实现工艺过程而设置的，这种表面称为工艺表面。 在图742所示的轴结构中，图a将轴上的两个键槽沿周向成900布置，这两个键槽必须两次装卡才能完成加工；图b的结构中将两个键槽布置在同一周向位置，使得可以一次装卡完成加工，方便了装卡，提高了加工效率。 图743所示为立式钻床的床身结构，床身左侧为导轨，需要精加工，床身右侧没有工作表面，不需要切削加工。在图a的结构中没有可供加工导轨工作表面使用的装卡定位表向；在图b的结构中虽然设置了装卡定位表面，但是由于表面过小，用它定位装卡在加工中不能使零件获得足够的刚度；在图c的结构中增大了定位面的面积，并在上部增加了工艺脐，作为定位装卡的辅助支撑，由于工艺脐在钻床工作中没有任何作用，通常在加工完成后将其去除。 2方便加工 切削加工所要形成的几何表面的数量。种类越多，加工所需的工作量就越大，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。 例如齿轮箱中同一轴系两端的轴承受力通常不相等，但是如果将两轴承选为不同型号，两轴承孔成为两个不同尺寸的几何表面，加工工作量将加大。为此通常将轴系两端轴承选为相同型号。如必须将其选为不同尺寸的轴承时可在尺寸较小的轴承外径处加装套杯。 图744a所示的箱形结构顶面有两个不平行平面，要通过两次装卡才能完成加工；图b将其改为两个平行平面，可以一次装卡完成加工；图c将两个平面改为平行而且等高，可以将两个平面作为一个几何要素进行加工。 结构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。图745所示的齿轮结构中，图a所示的齿轮结构由于轮毂与轮缘不等宽，如果成组进行滚齿加工则由于零件刚度较差而影响加工质量，如改为图b的结构，使轮毂与轮缘等宽，则为成组滚齿创造了条件，大大提高了滚齿工作效率。 3简化装配、调整和拆卸 加工好的零部件要经过装配才能成为完整的机器，装配的质量直接影响机器设备的运行质量，设计中是否考虑装配过程的需要也直接影响装配工作的难度。 如图746a 随着装配过程自动化程度的提高，越来越多的装配工作应用了装配自动线或装配机器人，这些自动化设备具有很高的工作速度，但是对零件上的微小差别的分辨能力比人差很多，这就要求设计人员应减少那些具有微小差别的零件种类，或增加容易识别的明显标志，或将相似的零件在可能的情况下消除差别，合并为同一种零件。 例如图747a所示的两个圆柱销的外形尺寸完全相同，只是材料及热处理方式不同，这在装配过程中无论是人或是自动化的机器都很难区别，装错的可能性极大。如果改为图b的结构，使两个零件的外形尺寸有明显的差别，使得错误的装配不能实现，这就避免了发生装配错误的可能性。 在机械设计中很多设计参数是依靠调整过程实现的，当对机器进行维修时要破坏某些经过调整的装配关系，维修后需要重新调整这些参数，这就增加了维修工作的难度。结构设计中应减少维修工作中对已有装配关系的破坏，使维修更容易进行。 图7-48a所示轴承座结构的装配关系不独立，更换轴承时不但需要破坏轴承盖与轴承座的装配关系，而且需要破坏轴承座与机体的装配关系。图b的结构中轴承座与机体的装配关系和轴承盖与轴承座的装配关系互相独立，更换轴承时不需要破坏轴承座与机体的装配关系。 机械设备中的某些零部件由于材料或结构的关系使用寿命较低，这些零部件在设备的使用周期内需要多次更换，结构设计中要考虑这些易损零件更换的可能性和方便程度。例如V带传动中带的设计寿命较低，需要经常更换。V带是无端带，如果将带轮设置在两固定支点间，则每次更换带时都需要拆卸并移动支点，为此通常将带轮设置在轴的悬臂端。图7一49所示的弹性套柱销联轴器的弹性元件由于使用橡胶材料所以寿命较低，联轴器两端通常联接较大设备，更换弹性元件时很难移动这些设备，结构设计时应为弹性元件的拆卸和装配留有必要的空间。 73 结构的宜人化设计 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。v731 适合人的生理特点的结构设计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。表72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。 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、向不同方向用力时发力能力差别很大。试验表明人手臂发力能力的一般规律是右手发力大于左手，向下发力大于向上发力，向内大于向外，拉力大于推力，沿手臂方向大于垂直手臂方向。 人以站立姿势操作时手臂所能施加的操纵力明显大于坐姿，但是长时间站立容易疲劳，站立操作的动作精度比坐姿操作的精度低。 在设计需要人操作的机器时，首先要选择操作者的操作姿势，一般优先选择坐姿，特别是动作频率高、精度高、动作幅度小的操作，或需要手脚并用的操作。当需要施加较大的操纵力，或需要的操作动作范围较大，或因操作空间狭小，无容膝空间时可以选择立姿。操纵力的施加方向应选择人容易发力的方向。施力的方式应避免使操作者长时间保持一种姿势，当操作者必须以不平衡姿势进行操作时应为操作者设置辅助支撑物。 732 适合人的心理特点的结构设计适合人的心理特点的结构设计 对复杂的机械设备，操作者要根据设备的运行状况随时对其进行调整，操作者对设备工作情况的正确判断是进行正确的调整操作的基本条件之一。 1减少观察错误的设计 在由人和机器组成的系统中人起着对系统的工作状况进行调节的“调节器”的作用，人的正确调节来源于人对机器工作情况的正确了解和判断，所以在人一机系统设计中使操作者能够及时、正确、全面地了解机器的工作状况是非常重要的。 在显示仪表的设计中应使操作者观察方便，观察后容易正确地理解仪表显示的内容，这要通过正确地选择仪表的显示形式、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。 仪表的刻度排列方向应符合操作者的认读习惯，圆形和半圆形应以顺时针方向为刻度值增大方向，水平直线式应以从左到右的方向为刻度值增大方向，垂直直线式应以从下到上的方向为刻度值增大方向。 仪表摆放位置的选择应以方便认读为标准。试验证明当视距为 80 cm时水平方向最佳认读区域在200范围内，超过240后正确认读时间显著增大；垂直方向的最佳认读区域为水平方向与水平线以下150范围内。重要的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。 2减少操作错误的设计 人在了解机器工作状况的前提下通过操作对机器的工作进行必要的调整，使其在更符合操作者意图的状态下工作。人通过控制器对机器进行调整，通过反馈信息了解调整的效果。控制器的设计应使操作者在较少视觉帮助或无视觉帮助下能够迅速准确地分辨出所需的控制器，在正确了解机器工作状况的基础上对机器做出适当的调整。 首先应使操作者分辨出所需的控制器。 通过控制器的大小来分辨不同的控制器也是一种常用的方法。为能准确地分辨出不同的控制器，应使不同的控制器之间的尺寸差别足够明显。试验表明旋钮直径差为125 mm，厚度差为 10 mm时，人能够通过触觉准确地分辨。 控制器的操作应有一定的阻力，操作阻力可以为操作过程提供反馈信息，提高操作过程的稳定性和准确性，并可防止因无意碰撞引起的错误操作。 为减少操作错误，控制器的设计还要考虑与显示器的关系。 74 新型结构设计 741 弹性结构弹性结构 组成机器的各部分之间具有确定的相对运动，机械设计中通常用运动副的联接构成两个零部件之间的相对运动。机器的运动形式越复杂，所需的运动副的形式和数量就越多，机器的结构也就越复杂，这就限制了机械结构在某些场合的应用。现在出现了一种新的结构设计方法弹性结构设计方法。它不是用运动副构成零部件之间的相对运动而是通过某个零件的弹性变形构成两个零部件或一个零部件的不同部分之间的相对运动。由于省去了运动副，使得机械结构更简单，体积缩小，使机器的制造、安装、调整及维护都带来方便，这种设计方法正在为越来越多的设计所采用。 某机器人研究所在设计用于生物工程技术的显微镜调整机构设计时需要机构能够精确实现接近生物细胞尺寸的调整量，如果使用通常的设计方法只有采用流体静压导轨结构才能实现，这将需要配置一套包括泵、阀。管路及其他附件的复杂系统。他们在设计中采用了弹性进给机构，通过一个梁在载荷作用下的变形实现精确进给，不但结构非常简单，而且工作性能非常稳定。 742 快动联接结构快动联接结构 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。图760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761所示的即为一组这样的结构。 图762所示为另一组可快速装配的联接结构。 743 组合结构组合结构 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763b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。 图764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765a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。 图766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。