第六章 机械结构与创新设计

第六章机械结构与创新设计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七节机械零件结构的模块化与创新设计第一节机械结构设计的概念与基本要求

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。

一方面，原理方案及其创新需要通过结构设计得以实现；另一方面，结构设计不但要使零部件的形状和尺寸满足原理方案的要求，还必须解决与零部件有关的力学、工艺、材料、装配、使用、美观、成本、安全和环保等一系列问题。机械创新过程：功能机构结构一、机械结构设计二、机械结构设计的基本要求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证运动轨迹受力合理提高强度、刚度节省材料延长使用寿命合理选用毛坯类型便于切削加工便于装配和拆卸易于维护和修理应使零件形状简单合理适应生产条件和规模安全操作舒适环境保护

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、提高寿命、抵抗破坏能力是设计的主要目标。

若将螺钉各部分功能进行分解，则更容易实现整体功能目标。功能举例分析螺钉功能可分解为螺钉头、螺钉体、螺钉尾三部分。1.螺钉头

应与扳拧工具相结合进行结构设计与创新

扳拧功能已有结构：为提高装配效率，简化扳拧工具，还可设计成外六角与十字槽组合式的螺钉头。功能扩展：

支撑功能由与被联接件接触部分的螺钉头部端面实现的，此端面称为结合面。法兰面螺钉头结构：不仅实现了支撑功能，还可以提高联接强度，防止松动。若扩大结合面功能，将结合面制成齿纹，则防松功能将会增加。1.螺钉头

2.螺钉体3.螺钉尾

联接功能

由螺牙部分实现，是螺钉的核心结构，其工作原理是靠摩擦力实现联接。连接螺纹采用的是三角形螺纹。

导向功能

为方便安装一般应具有倒角。为进一步扩大螺钉尾部功能，可设计成自钻自攻的尾部结构。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转动副------保证两个构件之间的相对运动是转动转动副常由销、销轴、轴承构成对转动副结构的基本要求：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。1212543二、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。滚动轴承滑动轴承二、轴承用于转动副新型轴承：气体轴承气体轴承(gasbearing)：用气体作润滑剂的滑动轴承。最常用的气体润滑剂为空气，在气体压缩机、膨胀机和循环器中，常以工作介质作为润滑剂磁轴承磁轴承是利用磁力使轴承稳定悬浮起来且轴心位置可以由控制系统控制的一种新型轴承三、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。1、整体式滑动轴承（一）滑动轴承的基本结构形式2、剖分式滑动轴承3、调心式滑动轴承油杯孔轴承轴承座1、整体式滑动轴承（一）滑动轴承的基本结构形式特点：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1-轴承座2-整体轴瓦3-油孔4-螺纹孔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（一）滑动轴承的基本结构形式1-轴承座2-轴承盖3-双头螺柱4-螺纹孔5-油孔6-油槽7-剖分式轴瓦剖分式径向滑动轴承35°35°上轴瓦联接螺栓轴承盖轴承座下轴瓦联接螺栓螺纹孔轴承座轴承盖联接螺栓剖分轴瓦榫口

当载荷垂直向下或略有偏斜时，轴承剖分面常为水平方向。若载荷方向有较大偏斜时，则轴承的剖分面也斜着布置（通常倾斜45

），使剖分平面垂直于或接近垂直于载荷方向。斜开径向轴承斜开径向轴承3、调心式滑动轴承特点：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（一）滑动轴承的基本结构形式轴瓦轴承盖轴承座B（二）径向滑动轴承轴瓦的结构（1）整体式

整体轴套

卷制轴套结构

1、轴瓦的形式和构造（2）剖分式剖分式轴瓦（二）径向滑动轴承轴瓦的结构1、轴瓦的形式和构造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、油孔及油槽的开设油孔油沟壁厚定位唇油室垂直于轴线在中位线处开油沟有不合理的地方油沟形状

油沟

轴向油沟

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，以免润滑油流失油孔、油槽开设原则：油沟布置不当降低油膜承载能力

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油孔、油槽开设原则：

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（三）液体静压润滑轴承

液体动压润滑轴承：

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

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（三）液体静压润滑轴承四、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。径向接触轴承向心角接触轴承

摩擦阻力小，起动灵活、效率高、润滑简便，易于互换，但抗冲击能力较差，高速时有噪音径向尺寸较大，工作寿命差。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导向和运动精度高刚度大耐磨性高结构工艺性好

机床导轨是最常见的移动副。导轨分为滑动导轨和滚动导轨

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：磨床的床身导轨导轨由凹凸两种形式相互配合组成。1、导轨截面基本形式

（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导轨磨损后能自动补偿，故导向精度较高。截面角度一般90°大顶角（110°~120°）：承载面积加大，压强减小小顶角（60°）：提高导向性如果导轨受力在两个斜面上的分量相差很大，应采用不对称V形导轨，使力（两个斜面的合力）的作用方向尽可能垂直于导轨面。优点：结构简单，制造、检验和修理容易；承载能力和刚度较大；缺点：磨损后不能自动补偿间隙应用：广泛优点：结构紧凑、调整间隙方便缺点：几何形状较复杂，配合精度低；摩擦力大；运动灵活性较差应用：结构尺寸较小及导向精度与运动灵活性要求不高的场合优点：加工、检验简单，精度高缺点：导轨间隙不能调整，尤其是磨损后不能调整和补偿2、常用滑动导轨的组合形式双V形组合：导向精度高，承载能力大，磨损后能自动补偿间隙，故精度保持好；但制作、检验、维修困难V形与平面组合：工艺性好了，但二轨磨损不均匀，且磨损后不能自动调整间隙矩形与平面组合：承载能力大，制作简单，侧面间隙可用镶条调整；但侧向接触刚度低双矩形组合：特点与矩形与平面组合相同。导向面间的距离较大，导向精度稍差燕尾形与矩形组合：矩形导轨承受大部分压力，燕尾形导轨作侧导向面V形与燕尾形组合：导向精度高；但加工和测量都比较复杂标准化的滚动导轨圆导轨双圆形组合：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。缺点：结构复杂，加工困难，成本较高；对赃物及导轨面的误差比较敏感上导轨下导轨滚柱保持架滚动导轨常见结构形式1、滚珠导轨滚珠优点：结构紧凑，制造容易，成本相对较低；缺点：刚度低，承载能力小滚动导轨常见结构形式2、滚柱导轨优点：刚度大，精度高、承载能力强；缺点：配对导轨副平行度要求高滚柱滚动导轨常见结构形式3、滚针导轨优点：承载能力大，径向尺寸比滚珠导轨紧凑；缺点：摩擦阻力较大滚针滚动导轨常见结构形式5、滚动轴承导轨优点：结构简单，标准件滚动轴承第四节构件的结构与创新设计一、杆类构件1、连杆类构件2、凸轮推杆类构件3、可调长度杆类构件（1）连杆类构件示例杆类构件端部的结构形式（a）具有转动副的构件结构（b）具有转动副和移动副的构件结构CBABC（2）凸轮推杆类构件示例2、可调节杆长的结构

在某些情况下，连杆机构的结构要求具备一定的调节能力，以满足实际应用中的一些特殊要求。如图所示为采用螺旋机构来调整构件长度的方法。此外，还可以通过偏心轮来调节构件的长度。调节支座的位置可以采用蜗轮蜗杆机构、螺旋机构等机构来实现，当然，也可通过调节滑块在导槽中的位置来调整。调节连杆长度调节曲柄长度可调长度杆类构件示例图6-27曲柄长度的调节可调长度杆类构件示例图6-28连杆长度的调节二、盘状类构件1、盘形凸轮类2、齿轮类3、链轮类4、带轮类5、飞轮类6、棘轮类7、槽轮类凸轮类齿轮类齿轮尺寸小大实心式腹板式轮辐式

为了减摩的需要，蜗轮通常要用青铜制作。为了节省铜材，当蜗轮直径较大时，采用组合式蜗轮结构，齿圈用青铜，轮芯用铸铁或碳素钢。常用蜗轮的结构形式如下：整体式蜗轮配合式蜗轮（过盈）拼铸式蜗轮螺栓联接式蜗轮组合式蜗轮涡轮结构链轮类实心式腹板式组合式（焊接）组合式（螺栓）带轮类实心式腹板式孔板式轮辐式曲柄滑块机构——偏心轮机构1、曲柄的长度很短曲柄长度R小于传动轴rA与销轴rB半径之和2、传递较大的动力时

下面两种情况可将曲柄做成偏心轮机构即：几何中心与回转中心距离等于曲柄长度的圆盘图6-36机构示意图槽轮类棘轮类对于以上轮类构件：轮缘结构形式—构件的功能相关轮辐结构形式—构件尺寸大小、材料、以及加工工艺相关轮毂结构形式—保证与轴形成可靠的轴毂连接。三、轴类构件1、直轴类:由轴上零件的轴向定位和周向定位确定轴的结构2、曲轴类:由曲拐的数量、支撑和平衡配重来设计曲轴的结构配重配重

特殊说明：当盘类构件径向尺寸较小时，常与轴制成一体四、其他活动构件

凸轮机构从动件、棘轮机构的棘爪、槽轮机构的拨盘。四、其它活动构件CBA例6-1机械手结构图6-47齿轮式自锁性抓取机构五、执行机构的执行构件图6-48斜楔杠杆式抓取机构例6-1机械手结构例6-2泵结构图6-49六齿摆线齿轮泵结构创新原理：特殊轮廓线制出的齿形d把吸入腔a和输出腔b隔开例6-2泵结构图6-50曲柄摇块型摆缸式活塞泵两个执行机构2、摆缸2绕轴线c转动1、活塞杆3在摆缸2的缸体a中往复移动依赖摆缸的摆动，摆缸与吸入口b和输出口d轮换连通两个执行机构2、摆缸2绕轴线c转动1、活塞杆3在摆缸2的缸体a中往复移动例6-3送料装置滑块4是执行机构，图6-51曲柄滑块式送料装置自由度n=5、PL