机械结构与创新设计
探究机械结构设计中的创新设计
探究机械结构设计中的创新设计
机械结构设计是机械工程中的重要环节，它涉及到机械产品功能的实现和性能的优化。
随着科技的不断进步和市场的需求不断变化，创新设计成为了机械结构设计中不可忽视的
一部分。
本文将探究机械结构设计中的创新设计。
机械结构设计的创新可以从不同的角度考虑，包括材料选择、结构形式、动力传递和
驱动方式等。
创新设计在材料选择上可以突破传统的材料界限，采用高性能材料或新型材料，如纳米材料、复合材料等。
这些材料具有优异的力学性能、耐磨性和耐腐蚀性能，能
够提高机械产品的使用寿命和可靠性。
在结构形式上的创新设计可以改变传统机械产品的外形和结构布局，从而提升产品的
性能和功能。
采用仿生学原理设计机械结构，可以使机械产品更加符合人体工程学要求，
提高用户的使用体验；又如，采用紧凑型、模块化设计，可以降低产品的体积和重量，增
加产品的灵活性和便携性。
在动力传递上的创新设计可以改变传统机械产品的传动方式，提高机械系统的效率和
可靠性。
采用电动传动代替机械传动，可以减少传动件的数量和传动损失，提高机械产品
的效率；又如，采用气动传动代替液压传动，可以降低产品的成本和维护难度，提高产品
的可靠性。
机械结构设计中的创新设计对于提高机械产品的性能和竞争力具有重要意义。
创新设
计不仅可以改变传统机械产品的外观和结构，还可以改进机械系统的动力传递和驱动方式，从而实现更高的性能和更广泛的应用。
在机械结构设计中积极探究创新设计，对于进一步
推动机械工程领域的发展具有重要意义。
【课程思政优秀案例】《机械创新设计》课程
一、课程简介《机械创新设计》课程是面向机械类本科专业大三学生开设的一门专业选修课，课程总共32学时。
课程构架包括理论讲授和项目实践两个部分。
课程的主要任务是学习创新设计的理论基础、创造性思维方法和创造原理，掌握创新设计方法，并能应用于机械创新设计的实践活动。
课程引用了丰富的创新案例，举一反三，达到融会贯通的效果；并将思政元素融合在创新思维空间、创新案例剖析以及创新设计实践中，引导与培养学生的专业精神、职业素养与爱国主义，融传授知识、培养能力、价值塑造为一体。
二、案例名称机械结构创新设计-标准件的结构创新（一）学情分析（1）学生已完成创新思维、创新原理与技法、方案创新和机构创新设计内容的学习。
（2）课后的项目设计作业中，学生以小组为单位，进行了方案设计和机构设计，部分学生小组已经完成了第一版项目设计作品的制作，但结构设计部分的创新性不够。
（3）学生通过先修课程，理解与掌握了机械结构设计的概念、工程图要求、材料性能、加工工艺等基础知识，但综合考虑这些因素的机械结构创新设计教学与实践尚待开展。
（二）知识目标掌握功能分析法、功能组合法、功能移植法这三种功能分析法的特点、要素及分析设计过程。
（三）能力目标通过团队合作，完成课程项目的结构创新设计工作。
（四）课程思政目标体验“螺丝钉精神”，激发利用专业知识与技能服务国家、服务社会的热情；通过“永不松动螺母”的研发案例，体会与培养工匠精神。
（五）重点难点重点：功能分解法、功能组合法、功能移植法的设计要素分析。
难点：将几种功能分析法综合应用到课程项目作品的创新设计中，选择最优的结构创新设计方案。
（六）课程思政元素（1）核心关键技术的深刻内涵、工匠精神、增强专业自信心。
（2）不墨守成规、不遵循守旧，具有强烈的创新与改革意识。
（七）融入方式（1）课程知识的导入与功能分解法首先让学生思考有哪些螺丝钉的类型，通过各类螺丝钉的应用举例（图1），使学生体会标准件等结构件也要不断创新的意义；讲授利用功能分解法开展结构创新设计的具体技法；讨论不同螺纹紧固件的应用场合与作用，分析小小螺丝钉对工程和设备运行可靠性的重要性，并引出我国在标准件研发中还存在很多“卡脖子”技术有待突破，标准件还需要大力开展结构创新设计。
探究机械结构设计中的创新设计
探究机械结构设计中的创新设计在机械行业中，创新设计是一种必不可少的方法，这有助于创造新颖、高效的机械结构，提高产品的竞争力和价值。
在实际设计中，需要探究机械结构设计中的创新设计，以便更好地应对不断变化的市场需求。
机械结构设计的创新应该从以下几个方面来考虑：1. 材料选择材料的选择是影响机械结构设计的关键因素之一。
随着新材料的不断发展，如碳纤维、钛合金等，这些材料不仅具有更好的性能，而且重量轻，可以减轻机械结构的重量。
此外，还需要考虑材料的强度和耐久性，以确保机械结构的安全和可靠性。
2. 结构设计机械结构设计的结构设计也非常重要，可以通过改变结构形式来实现创新设计。
例如，为了提高机械结构的刚度和稳定性，可以采用复合结构的设计方法。
此外，还可以将多种不同材料结合使用，以满足不同工作环境和应用场景的要求。
3. 几何形状机械结构设计的几何形状也可以是创新设计的重要方面。
例如，在设计机器人的机械手臂时，可以采用灵活的“骨骼结构”的设计，以提高机器人的灵活性和可操作性。
此外，还可以进行复杂的结构形式设计，例如使用“生物学”中的结构设计原理，以实现更好的性能和效率。
4. 制造技术制造技术也是机械结构设计中的一项重要考虑因素。
新的制造技术可以大大提高机械结构的制造精度和效率。
例如，在3D打印技术的支持下，可以制造出非常复杂的结构，这些结构不仅可以提高性能和效率，而且还能减少制造成本和制造时间。
综上所述，机械结构设计的创新设计可以从材料选择、结构设计、几何形状和制造技术等方面入手，以满足市场需求，增加产品的附加值和竞争力。
创新设计需要设计团队具有创新的思维和敏锐的洞察力，同时需要具备各种先进的工具和技术。
只要这些都能得到完善执行，机械结构设计的创新将会更加迅速和有成效。
创新创业教育 3.1：机械产品功能结构设计与创新
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
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。
探究机械结构设计中的创新设计
探究机械结构设计中的创新设计机械结构设计是指利用机械原理和运动学方法，设计出能够完成特定功能的机械系统的过程。
而创新设计则是在传统的机械结构设计的基础上，运用新的思路和技术，提出独特的设计方案，以达到更高效、更可靠的效果。
在机械结构设计中，创新设计的核心思想是通过提高设计方案的科学性、先进性和实用性，满足现代社会对高性能机械系统的需求。
创新设计应具备以下特点：创新设计应能够提高机械系统的执行性能。
通过运用先进的材料、执行元件和控制技术等手段，提高机械系统的运动速度、精度和稳定性，使其能够更好地适应复杂的工况要求。
在航空航天领域，创新设计可以通过减小系统的重量和体积，并提高系统的可靠性和适应性，满足对高性能和高精度的要求。
创新设计应能够降低机械系统的成本和能耗。
通过改进结构设计和优化工艺流程，提高机械系统的制造效率，降低生产成本。
通过提高能源利用率和降低能源消耗，减少对环境的影响，提高机械系统的可持续发展能力。
创新设计应能够提高机械系统的安全性和可靠性。
通过运用新的安全措施和先进的故障检测技术，提高机械系统的抗干扰能力和自动检测能力，减少故障发生的概率和影响范围。
如在汽车工业，创新设计可以通过引入智能控制系统和主动安全装置，提高车辆的安全性能，减少交通事故的发生。
创新设计应能够提高机械系统的智能化和自动化水平。
通过引入传感器、计算机视觉、人工智能等先进技术，实现机械系统的智能感知、智能决策和智能执行，提高系统的自动化水平和智能化程度。
在制造业中，创新设计可以通过引入工业机器人和自动化生产线，提高生产效率和产品质量，降低人力资源成本。
机械结构设计中的创新设计是一项追求技术突破和改革的工作。
通过运用新的思路和技术，创造出更加先进、高效、可靠的机械系统，满足现代社会对高性能机械的需求。
只有不断探索和实践创新设计，才能推动机械结构设计的发展，为社会的进步和发展做出贡献。
机械结构设计中的创新设计
机械结构设计中的创新设计随着科技的不断进步，机械结构设计领域也在不断涌现出新的创新设计。
机械结构设计是工程领域中非常重要的一部分，它关系到产品的性能、稳定性、安全性等方面，因此在不断追求创新设计的也必须注重产品的可靠性和稳定性。
本文将结合实际案例，探讨机械结构设计中的创新设计。
1. 利用新材料传统的机械结构设计中常用的材料包括钢铁、铝合金等，但随着新材料的不断涌现，例如碳纤维复合材料、钛合金等，设计师们可以根据不同的产品需求选择更轻、更坚固、更耐腐蚀的材料，从而实现更好的性能和更高的可靠性。
在航空航天领域，碳纤维复合材料的应用大大减轻了飞机的重量，提高了燃油效率，同时也增加了飞机的结构强度，改善了安全性能。
2. 使用先进的制造工艺随着3D打印、激光切割、数控加工等制造技术的发展，设计师们可以更加灵活地进行结构设计。
通过这些先进的制造工艺，可以实现更为复杂的结构形态，从而提高产品的性能和稳定性。
利用3D打印技术可以打印出具有复杂内部结构的零部件，从而提高其强度和稳定性。
3. 充分利用智能化技术智能化技术在机械结构设计中也发挥着越来越重要的作用。
传感器技术的应用可以实现对机械结构的实时监测，从而提前发现潜在问题，提高产品的可靠性和稳定性。
人工智能技术的应用也使得机械结构设计更加智能化和自适应，根据不同的工作条件实时调整结构形态，从而实现更好的性能和稳定性。
4. 结构优化设计通过有限元分析和计算机仿真技术，可以对机械结构进行全面的优化设计，从而实现更好的性能和稳定性。
通过优化设计可以使结构更加轻量化、更加坚固、更加稳定，提高了产品的使用寿命和可靠性。
通过有限元分析可以针对零部件的应力分布进行分析，从而针对性地进行结构设计，提高其抗疲劳性能。
5. 整体设计思维在机械结构设计中，不仅要注重单一零部件的设计，还需要注重整体设计思维。
通过整体设计思维，可以实现各个零部件之间的协同作用，从而提高产品的性能和稳定性。
机械创新设计(较完整版)
机械创新设计(较完整版)第一讲1、机械创新设计与现代设计、常规设计有什么差异和关联？创新设计方法:充分发挥设计者的创造力,利用人类现有相关科学技术知识,实现创新构思,获得新颖性、创造性、实用性成果.特点：强调发挥创造性，提出新方案，提供新颖。
独特的设计方法，获得具有创新性、新颖性、实用性的成果。
现代设计:以计算机为工具，运用各类工程应用软件及现代设计理念进行的机械设计。
常规设计：常规设计是以应用公式、图标为先导，已成熟的技术为基础，借助设计经验等常规方法进行设计关联：机械常规设计始终是最基本的机械设计方法，在强调现代设计、创新设计时不可忽视其重要性。
创新设计的基础——常规、现代设计方法的综合、灵活运用。
现代设计方法仅仅借助了先进、高效的计算机应用手段，提高了设计过程的效率，但没有脱离常规设计的思维。
2.现代创新人才应具备那些基本素质？(1) 具备必须的基础知识和专业知识(2) 不断进取与追求的精神(3) 合理的创新思维方式（突破传统定式）(4) 善于捕捉瞬间的灵感（创新的必备条件）(5) 掌握一定的创新技法3.学习机械创新设计的内容有那些？1.机构的创新设计2.机构应用创新设计3.机构组合设计产生新机构系统4.机械结构的创新设计5.利用反求原理进行创新设计6.利用仿生原理进行创新设计第二讲1简述创造性思维四大特性(方法的开放性；过程的自觉性；解决问题的顿悟性；结果的独特性)。
影响创造性思维形成与发展的主要因素包括哪些？(1)天赋能力：与生俱来的所有神经元(2)生活实践：后天实践活动具有的重大意义(3)科学地学习与训练科学、简单易行的专业学习与训练2．了解和阐述创造性思维、创造活动、创造能力三者的关系。
3.理解综合、分离创造原理的特性和基本实施途径。
概念：有目的的将复杂对象分解，提取核心技术，并利用于其他新事物。
特征：1）与综合创造原理对立，但不矛盾；2）冲破事物原有形态的限制，在分离中产生新的技术价值；3）实质上综合法与分离法两者无明显界限，实践中常常相互贯穿，共同促成新事物。
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第一节 机械结构设计的概念与基本要求 第二节 转动副的结构与创新设计 第三节 移动副的结构与创新设计 第四节 构件的结构与创新设计 第五节 机架的结构与创新设计 第六节 机械零件结构的集成化与创新设计
第一节 机械结构设计的概念与基本要求
一、机械结构设计 机械创新过程： 功能
油沟
油孔 油室
垂直于轴线在中 位线处开油沟有 不合理的地方
油孔 油沟
壁厚 油孔 油沟
定位唇
油沟形状 油沟
油孔、油槽开设原则： 1、油槽的轴向长度应比轴瓦长度短（80%），不能 沿轴向完全开通，以免润滑油流失
轴向油沟
油孔、油槽开设原则： 2、液体润滑轴承，油孔和油槽应开在非承载区，以免 破坏承载区润滑油膜的连续性，降低轴承的承载能力
特点：系统复杂、工作可靠 应用：低速、频繁启动，载荷或转速变化大场合
四、滚动轴承作为转动副
滚动轴承内圈连接一个构件，外圈连接一个 构件；设计要点是滚动轴承的类型选择、零 件的周向定位与轴向定位、零件与轴承内外 圈的配合问题。
径向接触 向心角接
轴承
触轴承
第三节 移动副的结构与创新设计
一、对移动副结构的基本要求
油沟布置不当降低油膜承载能力
（三） 液体静压润滑轴承
液体动压润滑轴承： 轴径与轴瓦相对运动，形成动压油 膜，使轴径与轴瓦由油膜分开
特点：结构简单、要求制造精度高 应用：高速、高旋转精度，高载荷或转速变化小的场合
（三） 液体静压润滑轴承
液体静压润滑轴承： 外界高压油输入轴承间隙， 轴径与轴瓦由油膜分开
双燕V形矩尾与形燕组与尾合矩形：形组特组合点合：与：导矩向形精与导度平轨高面承；组受但合大加相部 同分工。压和导力测向，量面燕都间尾比的形较距导复离轨杂较作大侧，导导向向面精度稍 差
圆导轨
双圆形组合：结构简单，圆 柱面既是导向面又是支撑面。 对两导轨的平行度要求严。 刚度较差，磨损后不易补偿
三、滚动导轨的特点及常见结构形式
1 2
4
2 5
1
3
二、轴承用于转动副
为了减少摩擦和磨损，将相对转动的圆柱 表面用轴承代替。
滑动轴承
滚动轴承
二、轴承用于转动副
新型轴承：
磁气轴体承轴是承利(g用as磁b力ea使ri轴ng承)：稳 用定气悬体浮作起润来滑且剂轴的心滑位动置轴可承以。 最由常控用制的系气统体控润制滑的剂一为种空新气型， 在轴气承体压缩机、膨胀机和循 环器中，常以工作介质作为
1、导轨截面基本形式
优缺应点点用：：：大结几结优缺优缺顶构何构点点点点角紧形尺：：导：：运（凑状寸加导轨结磨动1、较较1工轨磨构损灵0如对能调复小°、间损简后活果称垂承整杂及~检隙后单不性1导V直载间，导2验不形能，能较0轨于截能隙配向°简能导自制自差受导面力方合精）单调轨动造动力轨角和便精度：，整补、补在面度刚度与承精，使偿检偿两。一度低运载度尤力，验间个般较；动面高其（故和隙斜9大摩灵积是两导0修面°；擦活加磨个向理上力性大损斜精容的大要，后面度易分；求压不的较；量不强能合高相高减调力。差的小整）很场和的大合补作，偿用应方采向用尽不可 小应顶用角：（广60泛°）：提高导向性
（一）滑动轴承的基本结构形式 2、剖分式滑动轴承
特点：装拆方便，调整轴瓦与轴颈间隙方便 缺点结构复杂，制造费用较高 应用：应用广泛
R(球)
（一）滑动轴承的基本结构形式 3、调心式滑动轴承
轴承盖 轴瓦
轴承座 B
特点：轴瓦相对轴可一定范围内摆动， 避免安装误差或轴弯曲变形引起的偏磨和发热 缺点：球面加工不易 应用：轴承长径比较大的场合
导向精度高 刚度大 耐磨性高及结构工艺性好等
二、滑动导轨的特点及常见结构形式
优点：结构简单，接触刚度大 缺点：摩擦阻力大，磨损快，低速时易产生爬行现象
导轨由凹凸两种形式相互配合组成。 当凸形导轨为下导轨时，不易积存切屑和赃物， 但也不易保存润滑油，故易作低速导轨 例：车床的床身导轨
反之： 当凹形导轨为下导轨时，可作高速导轨 例：磨床的床身导轨
机构
结构
概念：机械结构设计就是将原理方案设计结构化， 即把机构系统转化为机械实体系统的过程。
1 2
4
5
2
1
3
如用转动副连接的两构件，最简单的结构设计如图
二、机构设计的基本要求
1、功能要求 2、使用要求 3、结构工艺性要求 4、人机学要求
传递运动和动力
保证零部件间相对位置
保受证力运合动理轨迹 提高强度应、使刚零度件形状简单合理 节省材料适应生产条件和规模 延长使用合寿理命选用毛坯类型
便于切削加工 安全 便于装配和拆卸 操作舒易适于维护和修理 环境保护
第二节 转动副的结构与创新设计
一、对转动副结构的基本要求
保证两个构件之间的相对运动是转动， 即两构件只能做相对转动。
对转动副结构的基本要求是保证两相 对回转件的位置精度、承受压力、减小摩擦损失 和保证使用寿命。
最简单的两构件之间的转动副连接
润滑剂
气体轴承
磁轴承
三、滑动轴承作为转动副
滑动轴承的结构简单，适用于高速或 低速重载以及结构上要求剖分等场合。
（一）滑动轴承的基本结构形式
1、整体式滑动轴承 2、剖分式滑动轴承 3、调心式滑动轴承
（一）滑动轴承的基本结构形式 1、整体式滑动轴承
特点：结构简单、成本低、刚度大等优点 缺点：不便于装拆，磨损后无法调整间隙 应用：轻载、不经常拆卸且不重要的场合
优点：摩擦系数小，运动灵活，不易出现爬行； 导向和定位精度高，且精度保持性好； 磨损小，寿命长，润滑简便。
（V型）
对称三角形
（不对称 V型）
不对称三角形
矩形
燕尾槽
圆形
凸形
凹形
2、常用滑动导轨的组合形式
双V矩形形与组与平合平面：面组导组合向合：精：工度承艺高载性，能好承力了载大，能，但力制二大作轨，简 磨磨单损损，后不侧能均面自匀间动，隙补且可偿磨用间损镶隙后条，不调故能整精自；度动但保调侧持整向好间接； 但隙触制刚作度、低检验、维修困难
（二） 径向滑动轴承轴瓦的结构 1、轴瓦的形式和构造 （1）整体式
整体轴套
卷制轴套结构
（二） 径向滑动轴承轴瓦的结构 1、轴瓦的形式和构造
（2）剖分式
剖分式 轴瓦
2、轴瓦定位
轴瓦和轴承座不允许有相对移动，定位两种方法： 轴瓦端部做成凸缘、用销钉或螺钉将其固定
轴瓦端部做成凸缘
销钉或螺钉固定
3、油孔及油槽的开设