材料加工新技術與新工藝結構方案的創(chuàng)新設計(已修改)
2025-01-16 05:23 本頁面
【正文】 機械創(chuàng)新設計 機械工程與自動化學院機械設計系 第七章 結構方案的創(chuàng)新設計 機械結構設計的任務是在總體設計的基礎上，根據(jù)所確定的原理方案，決定滿足功能要求的機械結構，需要決定的內容包括： 引言 結構的類型和組成， 結構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， 所確定的結構除應能夠實現(xiàn)原理方案所規(guī)定的動作要求外，還應能滿足設計對結構的強度、剛度、精度、穩(wěn)定性、工藝性、壽命、可靠性等方面的要求。 機械結構設計的重要特征之一是設計問題的多解性，即滿足同一設計要求的機械結構并不是唯一的。 引言 機械結構設計的任務是在眾多的可行結構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，得到最好的設計方案。這就需要發(fā)揮創(chuàng)造性思維方法的作用。 結構方案的變異設計方法使設計者從一個已知的可行結構方案出發(fā)，通過變換得到大量的可行方案。 結構方案的變異設計 通過對這些方案中參數(shù)的優(yōu)化，可以使設計者得到多個局部最優(yōu)解，再通過對這些局部最優(yōu)解的分析和比較，就可以得到較優(yōu)解或全局最優(yōu)解。 變異設計的目的是尋求滿足設計要求的獨立的設計方案，以便對其進行參數(shù)優(yōu)化設計 變異設計的基本方法是首先通過對結構設計方案的分析，得出一般結構設計方案中所包含的技術要素的構成。 結構方案的變異設計 然后再分析每一個技術要素的取值范圍，通過對這些技術要素在各自的取值范圍內的充分組合，就可以得到足夠多的獨立的結構設計方案。 一般機械結構的技術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技術要素的變異設計方法。 結構方案的變異設計 機械結構的功能主要是靠機械零部件的幾何形狀及各個零部件之間的相對位臵關系實現(xiàn)的。 功能面的變異 零件的幾何形狀由它的表面所構成，一個零件通常有多個表面，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械功能的重要因素，功能表面的設計是零部件設計的核心問題。通過對功能表面的變異設計，可以得到為實現(xiàn)同一技術功能的多種結構方案。 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。通過對這幾個方面的變異，可以得到多組構型方案。 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設置導向結構。 拉簧無失穩(wěn)問題，設計中受空間約束較少，既可單獨使用，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中，中間軸所受合力的大小與三個軸的相對位臵有關。 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 曲柄搖桿機構 偏心輪機構 機構中銷孔尺寸變化 功能面的變異 普通電動機中轉子和定子的布置 直線方向布置 直線方向布置的轉子和定子再沿另一軸線旋轉 一個不與其他零部件相接觸的零件具有 6個自由度，機械設計中通過規(guī)定零件之間適當?shù)穆?lián)接方式限制零件的某些自由度，保留機器的功能所必需的自由度，使機器在工作中能夠實現(xiàn)確定形式的運動關系。 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表面的接觸實現(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，從而對零件的自由度形成不同的約束。 以軸轂聯(lián)接為例。按照設計要求，軸與輪轂的聯(lián)接對相對運動自由度的限制可能有： 聯(lián)接的變異 1．固定聯(lián)接，限制 6個相對運動自由度。 2．滑動聯(lián)接，限制 5個相對運動自由度。 3．轉動聯(lián)接，限制 5個相對運動自由度。 4．移動、轉動聯(lián)接，限制 5個相對運動自由度。 聯(lián)接的變異 3．轉動聯(lián)接，限制 5個相對運動自由度。 4．移動、轉動聯(lián)接，限制 5個相對運動自由度。 聯(lián)接中軸的截面形狀必須是圓形 由于輪轂要相對于軸移動，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個相對運動自由度。 2．滑動聯(lián)接，限制 5個相對運動自由度。 由于輪轂要相對于軸移動，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際應用較少。 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矩和軸向力，表面間壓力的產(chǎn)生可以依靠多種不同的結構措施。 過盈配合是一種常用的結構措施，它以最簡單的結構形狀獲得足夠的壓力，缺點是裝配和拆卸都很不方便，并引起較大的應力集中。 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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