材料加工新技術(shù)與新工藝結(jié)構(gòu)方案的創(chuàng)新設(shè)計(jì)(已修改)
2025-01-16 05:23 本頁面
【正文】 機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院機(jī)械設(shè)計(jì)系 第七章 結(jié)構(gòu)方案的創(chuàng)新設(shè)計(jì) 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的任務(wù)是在總體設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，根據(jù)所確定的原理方案，決定滿足功能要求的機(jī)械結(jié)構(gòu)，需要決定的內(nèi)容包括： 引言 結(jié)構(gòu)的類型和組成， 結(jié)構(gòu)中所有零部件的形狀、尺寸、位臵、數(shù)量、材料、熱處理方式和表面狀況， 所確定的結(jié)構(gòu)除應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)原理方案所規(guī)定的動(dòng)作要求外，還應(yīng)能滿足設(shè)計(jì)對(duì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、精度、穩(wěn)定性、工藝性、壽命、可靠性等方面的要求。 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要特征之一是設(shè)計(jì)問題的多解性，即滿足同一設(shè)計(jì)要求的機(jī)械結(jié)構(gòu)并不是唯一的。 引言 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的任務(wù)是在眾多的可行結(jié)構(gòu)方案中尋求較好的或最好的方案。 找出所有的局部最優(yōu)解，并從中找出全局最優(yōu)解，得到最好的設(shè)計(jì)方案。這就需要發(fā)揮創(chuàng)造性思維方法的作用。 結(jié)構(gòu)方案的變異設(shè)計(jì)方法使設(shè)計(jì)者從一個(gè)已知的可行結(jié)構(gòu)方案出發(fā)，通過變換得到大量的可行方案。 結(jié)構(gòu)方案的變異設(shè)計(jì) 通過對(duì)這些方案中參數(shù)的優(yōu)化，可以使設(shè)計(jì)者得到多個(gè)局部最優(yōu)解，再通過對(duì)這些局部最優(yōu)解的分析和比較，就可以得到較優(yōu)解或全局最優(yōu)解。 變異設(shè)計(jì)的目的是尋求滿足設(shè)計(jì)要求的獨(dú)立的設(shè)計(jì)方案，以便對(duì)其進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì) 變異設(shè)計(jì)的基本方法是首先通過對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的分析，得出一般結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案中所包含的技術(shù)要素的構(gòu)成。 結(jié)構(gòu)方案的變異設(shè)計(jì) 然后再分析每一個(gè)技術(shù)要素的取值范圍，通過對(duì)這些技術(shù)要素在各自的取值范圍內(nèi)的充分組合，就可以得到足夠多的獨(dú)立的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。 一般機(jī)械結(jié)構(gòu)的技術(shù)要素包括零件的幾何形狀，零件之間的聯(lián)接和零件的材料及熱處理方式。以下分別分析這幾個(gè)技術(shù)要素的變異設(shè)計(jì)方法。 結(jié)構(gòu)方案的變異設(shè)計(jì) 機(jī)械結(jié)構(gòu)的功能主要是靠機(jī)械零部件的幾何形狀及各個(gè)零部件之間的相對(duì)位臵關(guān)系實(shí)現(xiàn)的。 功能面的變異 零件的幾何形狀由它的表面所構(gòu)成，一個(gè)零件通常有多個(gè)表面，在這些表面中與其他零部件相接觸的表面，與工作介質(zhì)或被加工物體相接觸的表面稱為 功能表面 。 零件的功能表面是決定機(jī)械功能的重要因素，功能表面的設(shè)計(jì)是零部件設(shè)計(jì)的核心問題。通過對(duì)功能表面的變異設(shè)計(jì)，可以得到為實(shí)現(xiàn)同一技術(shù)功能的多種結(jié)構(gòu)方案。 描述功能表面的主要幾何參數(shù)有表面的形狀、尺寸大小、表面數(shù)量、位臵、順序等。通過對(duì)這幾個(gè)方面的變異，可以得到多組構(gòu)型方案。 功能面的變異 功能面的變異 功能面的變異 壓簧的壓縮距離不應(yīng)過大，否則容易引起彈簧的失穩(wěn)，如確需使用較大的壓縮距離則應(yīng)設(shè)置導(dǎo)向結(jié)構(gòu)。 拉簧無失穩(wěn)問題，設(shè)計(jì)中受空間約束較少，既可單獨(dú)使用，也可與搖桿及繩索等配合使用。 板簧通常剛度較大，可在較小的變形條件下產(chǎn)生較大的壓緊力。 功能面的變異 機(jī)器上的按鍵外形通常為方形或圓形，這種形狀的按鍵在控制面板上占用較大的面積。 功能面的變異 由于采用三角形按鍵，使最小寬度縮小為 24mm，比原方案減小 29％。 在包含中間齒輪的直齒圓柱齒輪傳動(dòng)中，中間軸所受合力的大小與三個(gè)軸的相對(duì)位臵有關(guān)。 功能面的變異 挺桿 2與搖桿 1通過一球面相接觸，球面在挺桿上。 功能面的變異 將球面改在搖桿上，則接觸面上的法線方向始終平行于挺桿軸線方向，不產(chǎn)生橫向推力。 上方零件為凹形，下方零件為凸形。 功能面的變異 功能面的變異 曲柄搖桿機(jī)構(gòu) 偏心輪機(jī)構(gòu) 機(jī)構(gòu)中銷孔尺寸變化 功能面的變異 普通電動(dòng)機(jī)中轉(zhuǎn)子和定子的布置 直線方向布置 直線方向布置的轉(zhuǎn)子和定子再沿另一軸線旋轉(zhuǎn) 一個(gè)不與其他零部件相接觸的零件具有 6個(gè)自由度，機(jī)械設(shè)計(jì)中通過規(guī)定零件之間適當(dāng)?shù)穆?lián)接方式限制零件的某些自由度，保留機(jī)器的功能所必需的自由度，使機(jī)器在工作中能夠?qū)崿F(xiàn)確定形式的運(yùn)動(dòng)關(guān)系。 聯(lián)接的變異 聯(lián)接的作用是通過零件的工作表面與其他零件的相應(yīng)表面的接觸實(shí)現(xiàn)的，不同形式的聯(lián)接由于相接觸的工作表面形狀不同，表面間所施加的緊固力不同，從而對(duì)零件的自由度形成不同的約束。 以軸轂聯(lián)接為例。按照設(shè)計(jì)要求，軸與輪轂的聯(lián)接對(duì)相對(duì)運(yùn)動(dòng)自由度的限制可能有： 聯(lián)接的變異 1．固定聯(lián)接，限制 6個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)自由度。 2．滑動(dòng)聯(lián)接，限制 5個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)自由度。 3．轉(zhuǎn)動(dòng)聯(lián)接，限制 5個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)自由度。 4．移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)聯(lián)接，限制 5個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)自由度。 聯(lián)接的變異 3．轉(zhuǎn)動(dòng)聯(lián)接，限制 5個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)自由度。 4．移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)聯(lián)接，限制 5個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)自由度。 聯(lián)接中軸的截面形狀必須是圓形 由于輪轂要相對(duì)于軸移動(dòng)，所以聯(lián)接中軸的表面形狀必須是柱面 (不能是錐面 ) 考慮加工方便和避免產(chǎn)生附加軸向力通常也采用柱面 兩種聯(lián)接中的軸表面形狀為圓柱面 聯(lián)接的變異 1．固定聯(lián)接，限制 6個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)自由度。 2．滑動(dòng)聯(lián)接，限制 5個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)自由度。 由于輪轂要相對(duì)于軸移動(dòng)，所以軸表面必須是除完整圓柱面以外的其他柱面，如滑鍵聯(lián)接、導(dǎo)鍵聯(lián)接。 固定式聯(lián)接，限制條件少，所有滿足可加工性和可裝配性條件的表面形狀都可以作為這種軸毅聯(lián)接的表面形狀。 聯(lián)接的變異 按照聯(lián)接中形成鎖合力的條件可將固定式軸轂聯(lián)接分為形鎖合聯(lián)接和力鎖合聯(lián)接。 形鎖合聯(lián)接要求被聯(lián)接表面為非圓形，可以是三角形、正方形、六邊形或其他特殊形狀表面。 聯(lián)接的變異 非圓截面加工困難，特別是非圓截面孔加工更困難，所以這些形狀的截面實(shí)際應(yīng)用較少。 非圓截面通常通過在圓形截面上銑平面、銑槽或鉆孔等方法產(chǎn)生，通過變換這些平面、槽或孔的尺寸、數(shù)量、在軸段的位臵和方向就形成不同形式的軸毅聯(lián)接。 聯(lián)接的變異 按照聯(lián)接中形成鎖合力的條件可將固定式軸轂聯(lián)接分為形鎖合聯(lián)接和力鎖合聯(lián)接。 力鎖合聯(lián)接依靠被聯(lián)接件表面間的壓力所派生的摩擦力傳遞轉(zhuǎn)矩和軸向力，表面間壓力的產(chǎn)生可以依靠多種不同的結(jié)構(gòu)措施。 過盈配合是一種常用的結(jié)構(gòu)措施，它以最簡單的結(jié)構(gòu)形狀獲得足夠的壓力，缺點(diǎn)是裝配和拆卸都很不方便，并引起較大的應(yīng)力集中。 聯(lián)接的變異 常用的形鎖合聯(lián)接有銷聯(lián)接、平鍵聯(lián)接、半圓鍵聯(lián)接、花鍵聯(lián)接、成形聯(lián)接和切向鍵聯(lián)接。 聯(lián)
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