浅谈机械结构方案的创新设计全解
- 格式:doc
- 大小:317.50 KB
- 文档页数:9
机械结构设计的创新与优化分析摘要:机械设计是机械工程的重要组成部分,是机械生产的第一步,也是决定机械性能的主要因素。
机械设计就是要在限定的材料、加工能力、理论知识和计算手段等条件下,设计出高质量的机械,其中创新设计、优化设计是关键。
关键词:机械结构设计;创新设计;创意思维机械结构设计的质量好坏直接关系机械产品的使用质量,好的结构设计通常具有独创性、实用性、人性化等特点,因此在机械结构设计中需要着重考虑创新与优化,在落实基本的概念结构设计后,对概念结构进行进一步的创新和优化,以实现更理想的结构设计方案。
变元法是一种比较理想的创新与优化设计方法,在机械结构设计实践中,通过对数量、工艺、材料、位置等进行变元设计,在继承某些优秀结构设计思维的基础上进行创新和优化,是目前比较可行的机械结构设计创新与优化方法。
1机械结构设计创新的实际意义当代科学技术的发展和用户需求的提高对机械结构设计理论提出了更高的要求。
在产业结构现代化的背景下,基于用户需求的各种机械产品已成为制造商最重要的研究课题之一。
机械设计创新也应该基于用户的具体需求,而不是主观的假设。
实现这一目标的基本方法是优化各种模块和组件。
2以变元法为基础的机械结构创新2.1机械结构设计中的材料变元选择的机械结构并不重要。
在某种程度上,结构创新与选定的材料直接相关。
例如,在设计用于电动机设计的液体陀螺仪时,如果设计的电气设备使用铝材料制成,而它们以合金的形式使用,可以根据不同的膨胀而变化,可能导致系统故障[2]。
同样,开发者需要科学地使用各种组件的材料来增强机构的稳定性。
2.2机械结构设计中的数量变元通常,机械结构本身具有系统性和完整性,并且在不同地方使用的组件是不同的。
在特定的项目工作中,开发人员需要严格计算各种组件的参数,详细比较和计算机械结构。
如果发现它们不兼容,则必须立即调整设计程序。
如果在机械结构中可以找到冗余部件,则可以通过更换或取消机械结构来简化机械结构。
3.1机械产品功能结构设计与创新机械结构设计是将机构和构件具体化为某个零件或某个部件的形状、尺寸、连接方式、顺序、数量等具体结构方案的过程,用以实现机械对它的工作要求。
结构设计不是简单重复的操作性工作,而是创造性工作。
工程知识是从事结构设计工作的前提,巧妙构型与组合是结构创造性设计的核心。
每个零件的每个部位各承担着不同的功能,具有不同的工作原理。
若将零件功能分解、细化,则会有利于提高其工作性能,有利于开发新功能,也使零件整体功能更驱于完善。
3.1.1实现零件功能的结构设计与创新在结构设计过程中,设计者首先应掌握各种零件实现功能的工作原理,提高零件工作性能的方法与措施,还要具备善于联想、类比、组合、分解及移植等创新技法,这样才能在结构设计时根据零件的功能构造它们的形状,确定它们的位置、数量、联接方式等结构要素,更好地实现零件应具备的功能要求。
(一)功能分解每个零件的不同部位承担着不同的功能,具有不同的工作原理。
若将零件功能分解、细化,则会有利于提高其工作能力,有利于开发新功能,从而使零件整体功能更趋于完善。
例如螺钉是一种最常用的联接零件,其主要功能是联接。
联接可靠、防止松动、抵抗破坏能力是设计的主要目标。
若将各部分功能进行分解,则更容易实现整体功能目标。
螺钉功能可分解为螺钉头、螺钉体、螺钉尾三个部分。
螺钉头又可分为扳拧功能与支承功能;而螺钉体可分为定位功能与联接功能;螺钉尾则为导向与保护功能。
螺钉头的扳拧功能应与扳拧工具、操作环境相结合进行结构创新设计。
根据所需拧紧力矩的大小,变换功能面的形状、数量和位置,可得到螺钉头的多种设计方案。
图3-1所示为12种螺钉头扳拧结构。
其中,前三种(图3-1a、b、c)头部结构使用一般活动扳手拧紧,即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不同;第四种(图3-1d)滚花形螺钉头和第五种(图3-1e)蝶形螺钉头主要用于手工拧紧,不需要专门工具,使用方便,但预紧力较小;第六、七、八种方案(图3-1f、g、h)的扳手作用在螺钉头的内表面,可使螺纹联接表面整齐美观,但需专用扳手;最后四种(图3-1i、j、k、1)分别是用十字和一字槽螺钉旋具拧紧的螺钉头部形状,所需工作空间小,但拧紧力矩也小。
机械结构设计中的创新设计
随着科技的发展和社会经济的不断发展,机械结构的设计也在不断的更新和升级。
特
别是在近年来,随着计算机技术的迅猛发展,机械结构的创新和设计变得更加容易和快捷,设计师可以更加专注于创新的思考,从而为用户提供更加稳定、节能、安全、耐用的机械
产品。
机械结构的创新设计主要是指设计师针对用户需求和使用环境,进行创新性的设计,
从而提升机械产品的功能和效率。
以下是一些机械结构的创新设计范例:
1. 自适应结构设计
自适应结构设计可以使机械产品在不同的工况下保持稳定的性能和效率。
例如,一些
自适应的制动器可以根据车速和路况自动调整制动力度,从而使驾驶过程更加安全和稳定。
另外,自适应结构还可以应用于振动控制和自动调节等领域。
2. 新材料应用
新材料的应用可以大大提高机械产品的强度、韧性、耐久性和抗腐蚀性能,从而延长
机械产品的使用寿命。
例如,现代航空发动机中,采用的高温合金材料可以适应高温高压
的工作环境,保证发动机的高效稳定运行。
3. 智能化控制系统
智能化控制系统可以使机械产品更加智能和高效。
例如,在工厂生产线上,可以采用
智能化控制系统对生产过程进行自动控制和监控,从而大大提高生产效率和质量。
另外,
在一些自动化设备中也可以采用智能化控制系统进行自动化控制和处理。
4. 模块化设计
模块化设计可以使机械产品更加易于维护和升级。
例如,某些机械设备采用了模块化
设计,可以方便地更换或升级关键部件,提升产品的可靠性和性能。
此外,模块化设计还
可以使机械产品更加灵活,方便用户根据需要进行组合和拆卸。
机械工程中的机械创新与创造性设计导言机械工程是一门关乎机械结构和运动的学科,其中机械创新和创造性设计是推动行业发展的关键要素。
本文将从机械工程的角度探讨机械创新的重要性,以及如何进行创造性设计,以提升机械工程的效能和创新能力。
一、机械创新的重要性机械工程中的创新对于推动整个行业的发展至关重要。
首先,机械创新能够带来产品的升级和改进。
通过不断地创新和改进,机械产品可以在性能、效率、安全性等方面得到提升,满足人们对于机械产品的不断变化的需求。
其次,机械创新能够推动工艺的改进和优化。
随着科技的不断进步,机械加工技术也在不断地发展。
通过创新设计和改进工艺,可以缩短生产周期,提高生产效率,减少能源和资源的浪费,从而降低成本,提高产品的竞争力。
最后,机械创新对于行业的可持续发展也具有重要意义。
在资源日益匮乏的情况下,机械创新能够推动能源的节约和环境的保护。
例如,通过改进汽车发动机的设计,提高燃烧效率,减少尾气排放,从而达到减少能源消耗和减少环境污染的目的。
二、创造性设计的重要性创造性设计是机械创新的核心要素。
它不仅仅是为了解决现有问题,更是为了寻找新的机遇和突破。
创造性设计需要设计师具备创新的思维和想象力,从而打破常规,开创新的领域。
首先,创造性设计可以提高产品的功能性和性能。
通过创新的设计,可以引入新的材料、新的结构和新的工艺,从而提高产品的功能性和可靠性。
例如,在汽车工程中,通过创新的设计,可以实现更轻量化的车身结构,提高行驶的安全性和燃油效率。
其次,创造性设计可以改善用户体验。
通过注重细节和人性化的设计,可以提高产品的易用性和舒适性,从而提升用户的满意度。
例如,在家电产品的设计中,注重用户的操作习惯和需求,可以让用户更加轻松和方便地使用产品。
最后,创造性设计可以推动社会的进步和发展。
通过创新的设计和解决方案,可以应对社会面临的各种挑战,例如能源短缺、环境污染等。
同时,创造性设计也能够推动科技的发展和创新,为社会带来更多的机遇和可能性。
机械设计创新及特点分析随着现代机械工业的快速发展,机械设计的要求也日益增加。
与传统机械相比,现代机械的设计创新更加注重功能和效率的提升,而且更加注重时尚感和环保性能。
机械设计的创新主要表现在以下方面:第一、多元化的设计思路。
传统机械设计主要依赖于工程师个人的经验和常规的机械设计方法,而现代机械设计则强调创新和多元化的设计思路。
设计师可以采用异质结构和各种材料相结合,以实现机械设计的多样化和独特性。
第二、高效率的整体布局。
现代机械设计减小了机械体积,同时提高了功率、效率和冷却效果。
机械设计师采用高效率的布局和结构,以实现更小的能耗和更高的工作效率。
在此基础上,现代机械设计也更注重易维护性和根据实际需求进行升级和改造的能力。
第三、强大的自适应能力。
现代机械设计不仅针对特定的工作环境进行设计,还可以根据不同的工作需求进行自适应和优化。
根据不同的环境和条件,机械设计师可以采用某些特定的材料和结构,以保证机械系统的可靠性和稳定性。
关于现代机械设计的特点分析,其主要表现在以下四个方面:1. 多功能综合利用了机械电气软件等多种设计技术,提高了机械系统的整体性能。
2. 精密高效凭借现代计算机辅助设计软件,减少了设计周期和提高机械系统的实际工作效率。
3. 高可靠性现代机械设计采用合理的材料和结构,以保证机械系统的可靠性和稳定性。
4. 绿色环保对机械设计的制造和使用过程进行全面管理和控制,以降低环境污染和能源浪费。
综上所述,机械设计创新及特点分析是现代机械设计发展的必要趋势。
机械设计师需要紧跟时代的步伐,不断更新自己的设计思路,并采用先进的设计技术和方法,以实现真正意义上的创新和发展。
同时,机械系统的可靠性和稳定性也是现代机械设计的重点和突出特点。
只有这样,才能创造出更加优异的机械设计方案。
机械设计创新方案目前,随着科技的发展和人们对生活品质的要求提升,机械设计领域也面临着不断的挑战和机遇。
为了满足市场需求和提升产品竞争力,机械设计师需要不断创新,提出更加先进和高效的设计方案。
本文将探讨几个机械设计的创新方案,旨在为机械设计师提供一些启发和思路。
一、材料创新材料是机械设计的基础,不同的材料具有不同的性能和特点。
对于传统材料,机械设计师可以尝试寻找替代品或改进材料的配方,以提升产品的质量和性能。
同时,新材料的研发也是一个创新的方向,如碳纤维复合材料、金属陶瓷材料等,这些材料具有优良的力学性能和耐腐蚀性,可以应用在航空航天、汽车制造等领域。
二、智能化设计随着人工智能和物联网技术的快速发展,智能化设计成为了机械设计师的一个重要方向。
通过引入传感器、控制系统和数据分析,在机械设备中实现智能化监控和控制,可以提高产品的自动化程度和智能化水平。
例如,在机械设备中加入温度传感器和湿度传感器,通过实时监测环境参数,可以及时调节设备的工作状态,提高能源利用率和生产效率。
三、模拟仿真技术模拟仿真技术是机械设计的重要工具,可以在设计阶段通过计算机模拟来评估设计方案的可行性和性能。
机械设计师可以利用现代仿真软件对各种因素进行模拟,如结构强度、运动学特性和流体力学等。
通过模拟仿真,可以在减少实际试验成本和时间的同时,对设计方案进行优化和改进,提高产品的设计质量和性能。
四、绿色设计环保和可持续发展已成为全球关注的热点问题,作为机械设计师也应该积极响应并采取行动。
绿色设计是一个重要的创新方向,旨在降低产品对环境的影响,并提高能源利用效率。
机械设计师可以考虑采用更加节能和环保的设计方案,如减少能量消耗、降低材料浪费、优化工艺流程等,以减少对环境的负面影响。
五、人性化设计传统的机械设计往往以功能和性能为主,忽视了人机交互的因素。
而人性化设计则注重提升产品的易用性和舒适度,使用户在使用产品时感到更加便捷和舒适。
例如,在家用电器中加入智能控制面板和人机交互界面,提供更加友好和直观的用户操作体验;在座椅设计中考虑人体工程学原理,提供更好的支撑和舒适性。
机械创新设计方案1. 引言随着技术的不断发展,机械创新设计方案变得越来越重要。
机械创新设计方案旨在通过引入新的技术和理念,改进现有的机械设计,提高机械设备的性能和效率。
本文将介绍一个机械创新设计方案,以解决目前机械领域面临的挑战。
2. 问题陈述当前的机械设备在一些方面存在一些问题,包括效率低下、能耗高、自动化程度不高等。
因此,我们需要一个创新的机械设计方案来解决这些问题。
3. 设计目标基于上述问题陈述,我们的机械创新设计方案的目标如下:•提高机械设备的效率,减少能耗;•提高机械设备的自动化程度,降低人工干预的需求;•提高机械设备的可靠性和安全性。
4. 设计方案为了实现上述设计目标,我们提出以下创新设计方案:4.1. 使用先进的传感器和控制系统我们将引入先进的传感器和控制系统,以实现机械设备的自动化控制。
通过使用先进的传感器,我们可以实时监测机械设备的运行状态,并根据所获取的数据采取相应的控制措施。
这将大大减少人工干预的需求,并提高机械设备的效率和安全性。
4.2. 优化机械结构和材料选择我们将对机械结构进行优化设计,以提高机械设备的效率。
通过采用轻量化材料和创新的结构设计,可以减少机械设备的自身重量,从而降低能耗。
此外,优化的机械结构还可以提高机械设备的可靠性,并减少故障率。
4.3. 引入智能控制算法我们将引入智能控制算法,以进一步提高机械设备的自动化程度和效率。
通过使用智能控制算法,机械设备可以根据不同的工况和需求,自动调整工作参数,从而实现最佳性能。
智能控制算法还可以提供故障检测和诊断功能,提前预警故障并采取措施修复,减少停机时间和维修成本。
4.4. 网络连接与远程监控我们将在机械设备中增加网络连接功能,以便实现远程监控和管理。
通过远程监控,我们可以随时了解机械设备的运行状况,并及时采取措施,以防止潜在故障的发生。
此外,远程管理还可以提供数据分析和性能优化的支持,进一步提高机械设备的效率和可靠性。
机械设计中的创新技术随着科技的不断进步,机械设计行业也在不断创新与发展。
新兴的创新技术为机械设计师提供了更多的可能性和挑战。
本文将介绍一些在机械设计中应用的创新技术,包括三维打印、虚拟现实、人工智能和仿生学。
一、三维打印技术三维打印技术是近年来机械设计领域中的一大突破。
通过该技术,设计师可以将计算机模型转化为实体零件。
相比传统的机械加工方式,三维打印技术可以大大减少制造成本和时间。
同时,该技术还能够实现复杂结构的快速制作,为机械设计师提供了更多的设计自由度。
二、虚拟现实技术虚拟现实技术在机械设计中也发挥着重要的作用。
通过虚拟现实技术,设计师可以在计算机上创建一个模拟的物理环境,从而实现对机械装置的虚拟组装和测试。
这样的设计方式不仅可以减少实际试验的时间和成本,还能够提前发现潜在问题,并进行相应的改进。
虚拟现实技术帮助设计师更好地理解和评估设计方案,从而优化产品设计。
三、人工智能技术人工智能技术在机械设计中的应用也越来越广泛。
通过机器学习和深度学习算法,设计师可以让计算机学会分析和处理复杂的机械设计问题。
人工智能技术可以帮助设计师提高设计效率,优化产品性能,并进行智能化的故障诊断和预防。
此外,人工智能技术还可以通过对大量设计数据的分析,为设计师提供有价值的指导和建议。
四、仿生学技术仿生学技术是一种将生物学原理和方法应用于机械设计中的技术。
通过对生物体的结构和功能进行研究,设计师可以从中获取灵感,创造出更加优化和高效的机械结构。
例如,通过模仿昆虫的翅膀结构设计飞机机翼,可以提高飞机的气动性能。
仿生学技术的应用可以帮助设计师实现更加创新和可持续的产品设计。
综上所述,机械设计中的创新技术为设计师提供了更多的机会和挑战。
三维打印技术、虚拟现实技术、人工智能技术和仿生学技术都在机械设计中发挥着重要的作用。
随着科技的不断进步,相信未来会有更多令人惊喜的创新技术涌现,为机械设计行业带来更多的机遇与发展。
机械设计创新方案摘要:本文介绍了一种机械设计中的创新方案,旨在提高机械设备的性能和效率。
通过改进机械结构和引入新的材料和技术,该方案能够满足现代工业对机械设备高效、环保的需求。
1. 引言机械设计作为工业生产中的重要一环,对产品的性能和效率起着至关重要的作用。
随着科技的发展和工业生产的不断进步,人们对机械设备的要求也越来越高。
因此,寻找新的机械设计方案,提高机械设备的性能和效率,成为当前工程领域的一个重要课题。
2. 机械结构的改进机械结构是机械设备性能的基础,其合理的设计和改进对于提高机械设备的功能和性能至关重要。
在机械设计中,我们可以通过以下几种方式来改进机械结构:2.1 优化布局:合理的机械结构布局能够减小机械设备的体积、降低重心、提高装配效率等。
通过使用计算机辅助设计软件,我们可以对机械结构进行全面的分析和优化。
2.2 引入新的材料:使用高强度、低密度的新材料,如复合材料和高性能金属,可以提高机械设备的强度和刚性,降低重量,减小能耗。
2.3 改进运动连接:改进机械设备的运动连接方式,如采用齿轮传动、链传动等,可以提高传动效率和运动精度。
3. 新材料和技术的应用随着科技的发展,新材料和新技术的应用在机械设计中也变得越来越重要。
下面介绍几种常见的新材料和技术在机械设计中的应用:3.1 纳米材料:纳米材料具有独特的物理、化学和力学性质,可以应用于机械设备的部件中,提高机械设备的强度、硬度和耐磨性。
3.2 3D 打印技术:3D 打印技术可以实现对复杂结构的快速制造,为机械设计师提供更大的自由度和创造空间。
3.3 智能控制技术:通过引入智能控制技术,机械设备可以实现自动化、智能化的操作,提高工作效率和生产质量。
4. 案例分析以某某公司的一台高精度数控机床为例,我们可以通过以上提到的机械设计创新方案来改进该机床的性能和效率。
4.1 优化布局:通过优化机床的结构布局,减小整体体积,提高机床的稳定性和刚度。
论析机械结构设计中的创新设计宋成为摘要: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,确定并绘出具体的结构图,以体现所要求的功能;是将抽象的工作原理具体化为某类构件或零部件,具体内容为在确定结构件的材料、形状、尺寸、公差、热处理方式和表面状况的同时,还需考虑其加工工艺、强度、刚度、精度以及与其它零件相互之间关系等问题。
基于此,本文就从机械结构设计中的创新设计展开分析。
关键词:机械结构设计;创新设计;分析1、当前机械结构设计的概述1.1机械结构设计机械结构设计是保证机械产品质量的根基。
机械结构设计的内容主要包括机械产品材料的选择、机械产品的外形设计、机械产品的尺寸型号设计、机械零件的连接方式设计以及机械功能的设计等。
随着社会和科技的飞速发展,机械结构设计的创新也迫在眉睫。
创新是一个民族走向繁荣昌盛的必要条件,也是促进机械制造行业发展不可或缺的重要因素。
机械结构创新应建立在科学理论和实践之上,利用科学技术对现有的机械结构设计进行合理优化,完善机械产品的各部分零件、结构,其中变元法创新设计的应用最为广泛。
1.2机械结构设计的关键因素1.2.1保障机械产品的最优质量。
质量是机械产品的重要价值体现,只有过硬的质量才可保证机械产品的长远发展。
因此,设计者在进行机械结构设计时,首先要考虑机械产品的结构是否合理、硬度是否达标、精确度是否合格等;其次要在实现最大化经济效益的前提下,合理设计机械产品的造型、环保节能性能、操作简便性等,以便保障产品质量的优质性。
1.2.2保障机械产品的创新和优化。
机械结构设计的创新和优化可通过产品的独特性能、外型的新颖性、操作的便捷度等方面表现,其创新性决定了产品的畅销度和竞争力,是机械结构设计的核心内容。
2、机械结构设计的基本要求2.1功能设计机械产品需要满足主要机械功能需求,进而满足人们的应用需求。
在功能方面不仅需要展示出创新性,设计产品还要符合相关的机械工作原理,满足机械产品稳定性、工艺力学、材料力学以及装配性能等相关因素的要求。
探究机械结构设计中的创新设计摘要:工业对于国民经济起到重要的支撑作用。
机械设备作为推动工业企业发展的关键,只有不断地实现机械结构创新,才能够使企业更为适应目前的市场竞争。
本论文针对机械结构设计中的创新设计进行探究。
关键词:机械结构;创新设计;结构方案企业要发展,就要不断地更新技术,基于创新设计而展开,加大机械结构设计力度,以适应竞争日益积累的市场竞争,才能够推动工业企业快速发展。
在进行机械结构设计时,在总体设计确定下来之后,就要按照原理方案将设计结构图确定下来,然后对于机械机构的构建进行研究,包括构件的材料、构件的形状、构件的表面状况、尺寸以及允许公差范围都要有所确定,以作为后续加工工艺的基础,包括构件的刚度、强度以及精度,要根据所确定的构件标准确定规格。
从实际应用的角度出发对机械机构进行设计,采用变元法实现机械结构创新,可以达到机械设计优化的目的。
一、机械结构设计创新的必要性(一)机械机构设计创新更满足系统要求科学技术推动机械装置的现代化发展,使得机械结构设计要求日渐提高,不仅要具有实际应用性,而且还要体现出创新理念。
对于机械结构设计要实现创新,就需要设计人员满足实际需要、满足设计要求、并要考虑到机械设备的未来使用价值。
那么,在进行机械结构设计时,要按照现代机械设计理念的引导,优化机械构件的组件以符合系统要求。
(二)机械机构设计创新更为强调系统构建实践机械结构设计创新是要求设计观念更符合实践需求,着手于机械系统的构建,掌握结构的内在规律,以对机械结构设计相关的基础知识、设计方法以及创新途径进行分析。
机械结构设计要实现创新,就要促进系统构建实践,结合基础理论,使机械结构设计成为一项重要工作内容。
二、机械设计创新方法——变元法在机械结构设计的众多方法中,变元法属于是内涵丰富且具有创造性的方法。
采用变元法进行机械结构创新设计要对于变元内容确定好,然后根据结构设计方案调整变元内容,以达到优化设计的目的。
机械结构设计中的创新设计应用研究 摘要:现如今,随着我国现代化机械制造以及机械设计等技术的进展愈来愈完善,人们的日常工作生活无法离开各式各样的机械产品,机械制造技术以及机械设计技术的进展也得到了社会各界的高度重视,因此,设计人员需要进行机械结构创新的思考。本文从机械创新设计概述出发,进行了机械结构创新的研究与讨论,以求推动机械行业的良好发展。
关键词:机械结构;创新设计 引言 在新时代发展背景下,人们对产品质量的要求越来越高,对产品个性化的需求也逐渐增长,这就要求产品设计人员在设计产品或者生产产品时,不仅要注意产品的性能或者结构特点,还要注意控制产品的研发以及生产周期,不能为了丰富产品的功能,而延缓产品上市的周期,错过产品升级和企业扩展的风口。设计人员在进行机械结构设计时需要时刻创新,确保机械结构除了高精准的特色之外,还有足够的创新性,进而才能在机械设备市场中站稳脚跟。
1我国现代化机械设计制造工艺的现状 我国工业生产逐渐趋于现代化,机械制造业也在不断地进行发展和创新,而在机械制造业中应用的技术也越来越成熟。机械制造业的发展对于我国国民经济的快速发展有着积极的促进作用,现在已经成为我国经济发展的支柱型产业。但是在应用机械设计制造工艺的过程中出现许多的问题,比如技术人员对于精密加工技术的重视程度不高;没有采用合适的制造工艺应用到机械设备及相关部件的生产当中;焊接技术不成熟等,这些问题都阻碍了我国工业生产现代化的脚步,为了解决此类问题,我国机械研发部门以及相关技术人员需要花费更多的时间和精力来提高目前的精密加工技术,及时地解决在这些设计过程中出现的问题。
2机械结构创新设计概述与重要性 机械结构决定了机械性能的质量,机械结构的创新可以在原理、形状与性能等方面进行研究,在进行机械结构创新时不能对机械的实用性产生影响。传统的机械的使用模式已经十分固定,而创新设计则可以将这种固定打破,进行结构转型的大胆尝试。在进行机械结构创新设计时,设计人员应当在传统设计的技术上进行经验的总结,然后再进行创新型的改变,保证创新后的机械机构还是可以正常使用的。因此,需要设计人员进行创新意识的提高,摒弃传统设计理念,使用新工艺、新材料、新技术等方式进行机械结构的创新,从而进行机械制造领域生命力的提高,完善机械设备的稳定性与安全性。
浅谈机械结构方案的创新设计 于超 (西京学院机械工程学院,机制1207) [摘要] 机械结构设计指零件的结构形状及零件间的联接关系的设计。是机械设计的主要组成部分,是涉及问题最多、最具体、工作量最大的工作阶段。在这些具体化的过程中需要考虑材料的力学性能、零部件的功能、工作条件、加工工艺、装配、使用、成本、安全、环保等各种因素的影响。结构设计不是简单重复的操作性工作,而是创造性工作。丰富知识是从事结构设计工作的前提,巧妙构形组合是结构创造性设计的核心。 [关键词] 机械;机构;构型;创新;设计 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。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。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。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。结构方案的变异设计方法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。 1.结构方案的变异设计
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。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。 1.1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。 下图为螺钉头工作表面变异设计 1.2联接的变异 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。轴与轮毂的联接对相对运动自由度的限制可能有 1固定联接限制6个相对运动自由度。 2滑动联接限制5个相对运动自由度。 3转动联接限制5个相对运动自由度。 4移动、转动联接限制5个相对运动自由度。 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。 力锁合联接依靠被联接件表面间的压力所派生的摩擦力传递转矩和轴向力,表面间压力的产生可以依靠多种不同的结构措施。过盈配合是一种常用的结构措施,它以最简单的结构形状获得足够的压力。缺点是装配和拆卸都很不方便并引起较大的应力集中。常用的形锁合联接有销联接、平键联接、半圆键联接、花键联接、成形联接和切向键联接。为构造装拆方便的力锁合联接结构必须使联接装配时表面间无过盈。装配后通过其他调整措施使表面间产生过盈,拆 卸过程则相反。常用的力锁合联接有楔键联接、弹性环联接、圆柱面过盈联接、圆锥面过盈联接、顶丝联接、容差环联接、星盘联接、压套联接和液压涨套联接等常用的力锁合联接轴系的工作性能与它的支承设计的状况和质量密切相关。 下图为常用的力锁合连接
1.3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。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。 例如弹性联轴器的设计中需要选择弹性元件的材料有金属、橡胶、尼龙、胶木等。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。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。 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。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。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。 在结构形状设计时,还要考虑到工作条件与外界因素对零件功熊效果的影响。例如对于高速带传动,为增加带的挠曲性,在带的非工作面上一般均开有横向沟槽;带轮一般制成鼓形,运转时保持带位于带轮的中部,以防止脱落;为避免带与带轮之间生成气垫,影响传力的可靠性,在小带轮的轮缘上开有环形槽。 扬长避短、性能互补 结构形状要有利于材料性能的发挥。如铸铁的抗压强度比抗拉强度高,因此铸铁就要设计成承受抗压状态,以充分发挥其优势。陶瓷材料承受局部集中载荷的能力差,在与金属件的连接中,应避免其弱点。塑料是常用的加工材料之一,质量轻,成本低,能制成很复杂的形状,但强度、刚度低,易老化。将刚性与柔性材料合理搭配,在刚性部件中对某些零件赋予柔性,使其能用接触时的变形来补偿工作表面几何形状的误差。 2.提高性能的结构创新设计方法
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。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。
2.1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。 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。
载荷分担弯矩和扭矩同时作用会在轴上引起较大应力。 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。 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利于提高结构的承载能力。 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,局部力流密度的增加引起应力集中。减小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。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。 2.2提高机械精度设计 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。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。千分尺的累积测量误差千分尺螺杆的螺距累积误差。 误差均化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。 2.3提高工艺性 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。
例如上图只有两个圆锥表面用,卡盘无法装卡。增加了两个圆柱形表面,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的这种表面称为工艺表面。 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。结构设计中尽量减加工表面的数量和种类是一条重要的设计原则。 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。 3. 结构的宜人化设计
宜人结构是指机械设备的结构形状应该适合人的生理和心理要求,使得操作安全、准确省力、简便,减轻操作的疲劳,提高工作效率。