产品结构设计-

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什么是产品结构设计

产品结构设计 是针对产品内部结构、机械部分的设计；一个好产品首先要实用，因此，产品设计首先是功能，其次才是形状。产品实现其各项功能完全取决于一个优秀的结构设计。结构设计是机械设计的基本内容之一，也是整个产品设计过程中最复杂的一个工作环节，在产品形成过程中，起着至关重要的作用。

设计者既要构想一系列关联零件来实现各项功能，又要考虑产品结构紧凑、外形美观；既要安全耐用、性能优良，又要易于制造、降低成本。所以说，结构设计师应具有全方位和多目标的空间想象力，并具有和跨领域的协调整合能力。根据各种要求与限制条件寻求对立中的统一。

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改进产品结构设计的方法及案例 ^[1]

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一、改进产品结构设计方案

用价值工程理论指导改进产品结构设计，即以最低的总成本可靠地实现产品的必要功能(主要功能和次要功能)，去掉不必要功能( 过剩功能 )。减少不必要的材料消耗，在保证产品质量的前提下，尽量做到缩小体积，减轻重量，降低单位产品材料消耗量。不影响产品功能和使用性能等方面，应当考虑紧缩设计(减小、体积和重量)节约材料，缩小占地(或空间)面积，减少运输费用。如现在的袖珍计算器，非常方便可装在衣服口袋里。电规机的体积比原来也缩小很多，一方面由于电视视元器件的小型化，由电子管-晶体管-集成电路-大规模集成电路。另外显像管的电子枪也由长尾改为短尾，其轴助零件也可能地小型化了，因此电视机的外形尺寸大大缩小。

例如，菜电真空设备厂生产的双位立式氢气炉，原来体积很大，占地面积也很大。现在生产的双位立式氢气炉修改了设计方案，机架高度增加了一些而占地面积缩小了一倍，效率照荡略近一倍，使用寿命大大提高，性能好，节约了树料，降低了产品成本。

有些物品在装运前常常被压缩，如气态燃料和化学品用高压气瓶装运，油漆用浓缩的形式装运，这些都是编小体积节约包装材料和节省运输费用的方法。这些都是缩小体积节约包装材料和节省运输费用的方法。

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二、改进产品零件、部件结构

零件、部件是组成产品的重要单元。零件、部件设计的如何直接关系到整个产品的性能，经济指标和技术指标。为了提高产品性能，简化装配工作，在保证机械性能和某些特殊功能的情况下，尽可能地简化结构，节约材料。

(一)积木化，整体化

如果某一部件可广泛应用于不同的产品，则做成标准部件就比较经济，如收音机中的调谐器，放大器和喇叭都是一个个[[标准部零件、部件]。计算器的键板等也是标准部件，同样的键板可使用于各种不同的计算器。又如真空设备上的各种阀，水冷挡板，管路零部件，控制机柜等，均可分离成独立的标准或专用零件、部件。在新产品设计中除少部分具有特殊要求为专用零件、部件外，大部分可选用已经标准化或通用化的零件、部件，就可大大缩短设计周期、试制周期，保证产品质量，便于装配，维修，又可组织专业化大批量生产，提高生产效率，节约材料，降低产品成本。

整体化设计，可减少零件数量及各零件间的交界面，减少逐个零件装配，减少了零件、部件的重量和复杂性；整体化构建由于连接件少，应力集中点也较少，既简化了装配又提高了证件的力学性能。由于结果连续强度高，可达到虽小体积，节约材料的木笔，有些整体化设计还可达到集中和程序控制的目的。例如真空机组上的真空组合阀，如下图所示。

图示位置（手柄在第I位置上）为全关闭，机械汞停止工作。当手柄转至第II位置时，全打开接通容器抽预真空。当手柄转至第III位置上时，接通扩散汞前级，关闭预真空，抽低真空。该阀可代替预真空阀和低真空阀工作，一阀两用。节省了一个部件，节约了材料和加工工时。

（二）以焊接件代锻件

例1， $φ$ 50超高真空阀其漏率不大于 $5\times 10^{-11}$ 托*升/秒，该阀的阀体是 $φ$ 50超高真空阀的逐渐，原设计体位整体，材料1Cr13，如下图所示

改进前的阀体为整体锻件，加工掏成空腔，浪费材料，大量的不锈钢变成切屑，加工工作量大而且较难加工，零件体厚笨重，同时需三方接真空管道，90度蜜蜂止口部便装配，没拆装一次需要更换一次密封垫，也浪费密封垫材料紫铜。

改进后的阀体，材料Cr18Ni9Ti，如下图所示，将原来的整体分解成若干个小零件，基本上时不锈钢管和法兰组合焊接而成，采用焊接结构后，大大减轻了重量，节约材料达60%-70%。

(三)简化装配工作的按扣配合件

按扣配合是一种节省劳动力的装配方法，它安装快，省力，结构较为简单且无零散小件，公差要求也不太严格，价廉，广泛用于可拆和不可拆的装配，如下图所示。

过盈量i(i=D-d)，必须小于槽宽S。

1．按扣配合的条件

i/S＜l

2．按扣配合的特点

(1)按扣配合零件较少，结构较简单，节约材料和加工工时，装配比其它所有连接方式(压配合，螺纹连接，焊接等)都简便得多。

(2)按扣配合比压配合更牢固可靠，压入配合的抗拨出力是由摩擦而来的，且与压入力大小差不多。按扣配合的配合力是由机械锁紫及摩擦两者产生的，其抗拨出力可比压入力大几百倍b在装配过程中按扣配合伴随“卡搭”声是经历一次能量转换，一早装配完成，部件就不再有载荷了。而压入配合的部件，长期承受装配过程中产生的应力，经过长时间后应力松弛和蠕变可能使压入配合失效。按扣配合的强度却不会随时间而减弱。

(3)用于可拆卸装配时，按扣配合能与螺纹连接竞争，在振动情况下摩擦力降低，螺钉和螺母会松动。按扣配合的零件处于低势能状态，因此这种配合是防震的。用于刁；可拆卸装配时，按扣配合可与压入配合，焊接媲美。焊接要求两种材料问要能匹配，最好是同样的材料，而按扣配合可用于不同材料间的连接(如玻璃和金属等)。

(4)按扣配合的过盈量就是装配过程中两个配件变形量的总和。过盈量太大会造成装配困难，而过盈量太小则使抗拔出力过低。

(5)按扣配合也有失败的可能，因弹性件的永久变形或断裂。磨损或严重油污无摩

(四)节约材料保证机械设能的结构设计

既要节约材料，又要保证构件的机械性能(强度，刚度等)，作到两全其美。这样首先要考虑的问题就是结构屈曲变形的问题，“屈曲”是由于刚度不足而产生的破坏，则度又叫刚性或回弹率c屈曲是薄壳，是常见的破坏方式，局部屈曲分：受压屈曲，受弯屈曲和扭转屈曲三种。如何强化薄壳，梁和柱是解决屈曲问题的主要方案。预防屈曲的措施如下：

(1)采用加强方法，加筋，压瓦楞，表面网纹结构，均可提高构件的强度和刚度，以防止局部屈曲。

(2)选用具有较高弹性模量B和较高剪切模量G的硬质材料。

(3)梁和拄的设计，用管子代替实心棒承受的转载荷大，因空心管其重量x、y、z：轴三座标的惯性矩较大，故在抗弯曲和抗扭转方面比实心棒效果更好。

(4)增加壁厚，选用令直径厚壁管，承受弯曲时不致于屈曲。

(5)薄壁管弯形时，可装入填充物如砂子、蜡或树脂等，弯形时这些填充钩可加强管壁并产生流体静压力，弯形后将填充物熔化，回收以备再用。

(五)节约树料助产品(零件、部件)结构设计

电子元器件中，有许多产品结构不单是为了确保其机械强度，而更多地考虑其电性能。如变压器的功能，导磁率是它的主要质量指标和设计的主导思想，如何在保证质量的条件下缩小体积，减少材料消耗，就是改进产品结构设计的方向。

例如变压器阻流圈铁；路的设计，有CD型和ED型两种，其铁芯均需用冷轧硅钢带(D310)制造。ED型采用冲压片重叠装配而成，CD型采用卷绕工艺制成。但CD型铁芯比ED型铁芯有显著的优点；它质量稳定，损耗小，导磁串高，相同横截面积的c型铁芯导磁率B位为15000-17000高斯，而E型结构的铁芯B值一般在9000—12000高斯；相同容量的C型铁芯比E型钦芯重员可减轻三分之一左右，节约了钢材。生产一台250瓦的同功率的变压器．按采用C型铁芯耗用继钢片1.88公斤，而采用E型铁芯需耗用硅钢片3.04公斤；同时C型银芯外形美观，装越简便。因此，在各种变压器和阻流圈的设计中均应尽量采用C型铁芯结构，既提高了产品质量，每台又减少消耗硅钢片1.16公斤(约38％)。

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三、产品标准化

产品标准化就是通过对产品发展规律的分析研究，和对国内、国外产品发展趋势的预测，结合本单位的生产技术条件，经过全面地技术、经济论证，将产品的结构、型式、主要参数、尺寸、技术要求、试验方法和包装运输等作出统一规范，以减少产品与零、部件的品种，达到节约材料的目的。

在产品设计中实行零、部件的标准化和通用化，为实行集中专业化生产创造了条件，从而有效地提高劳动生产率和材料利用率，节约材料并降低产品的制造成本。零件以及部件实行标准化、通用化的范围是极其广泛的。那些用途相同．结构相似，参数和尺寸变化有规律的零、部件，可制定统一标准。有些零件不具备制订标准的条件，但能够在同类产品或不同类产品之间通用。例如，减速器，联轴节，传动零件、润滑件，操作件，管道零件和阀门等，都是标准化，通用化的对象。

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参考文献

↑ 《物资节约技术》编写组,《物资节约技术》,1987.

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