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1、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,第一节 机械结构设计的概念与基本要求,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。,如用转动副连接的两构件，最简单的结构设计如图,一、机械结构设计,机械创新过程：,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,保证运动轨迹,受力合理,提高强度、刚度,节省材料,
2、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,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,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(gas bearing)：用气体作润滑剂的滑动轴承。最常用的气体润
3、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,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,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
4、广泛,（一）滑动轴承的基本结构形式,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,（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,油沟形状,油沟,轴向油沟,油
5、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,油沟布置不当降低油膜承载能力,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：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
6、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,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,1、导轨截面基本形式,导轨磨损
7、后能自动补偿，故导向精度较高。截面角度一般90大顶角（110120）：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
8、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,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
9、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,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、结构形式,（2）凸轮推杆类构
10、件,（1）连杆类构件,（1）连杆类构件示例,（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,B,C,（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。,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、
11、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,蜗杆和蜗轮的结构2,组合式蜗轮,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：,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,三、轴类构件,1、直
12、轴类:由轴上零件的轴向定位和周向定位 确定轴的结构,三、轴类构件,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,三、轴类构件,3、其他:当盘类构件径向尺寸较小时，常与轴制成一体,四、其它活动构件,五、执行机构的执行构件,工作执行机构种类繁多，其构件类型也多，设计时要具体问题具体分析，这是最能体现创新的环节之一。,例6-1 机械手结构,图6-47 齿轮式自锁性抓取机构,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
13、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,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=7、PH=0 F=3n-2PL-PH=35-270=1,第五节 机架的结构与创新设计,一、机架的分类和基本要求 机架的种类虽然很多，但根据其结构形状可大体分为四类：梁型：某一方向尺寸比其它两方向尺寸大很多板型：某一方向尺寸比其它两方向尺寸小很多框型：具有框架结构，如锻压机机架等箱型：三个方向的尺寸差不多的封闭体，如减 速器箱体,摇臂钻,车床,锻床,立柱,伸臂,横梁,梁型机架,底板
14、座,板型机架,闭式锻压机机架,框型机架,二、保证机架功能的结构措施1、合理确定截面的形状和尺寸1）无论圆形、方形，还是矩形，空心截面都 比实心的刚度大，故机架一般设计成空心 形状2）无论实心截面或者空心截面，在受力方向 上，尺寸大的抗弯刚度大，圆形截面的抗 扭刚度高，矩形截面沿长轴方向抗弯刚度 高。,3）加大外廓尺寸，减少壁厚可提高抗弯、抗 扭刚度。4）封闭截面比开口截面刚度大。,2合理布置隔板和加强肋 隔板和加强肋也称肋板和肋条。合理布置隔板和加强肋通常比增加支承件的壁厚的综合效果更好。,正确,不正确,加强肋（筋）的形式,加强导轨的刚度,提高轴承座的刚度,这3种用于壁板面积大于400*400
15、的构件,肋的高度一般取壁厚的45倍肋的厚度一般取壁厚的0.8倍,3、合理开孔和加盖,在机架壁上开孔会降低刚度,大小：孔宽或孔径以不大于壁宽的1/4为宜,位置：支撑件壁的几何中心附近或中心线附近,4、提高局部刚度和接触刚度,龙门刨床床身,联接部分的结构,5、增加阻尼以提高抗振性,阻尼（damping）是指任何振动系统在振动中，由于外界作用和/或系统本身固有的原因引起的振动幅度逐渐下降的特性。,砂芯的吸震作用使阻尼增大很多，从而提高了床身的抗震性，但增加了床身的重量,第六节 机械零件结构的集成化与创新设计,一、集成化设计：机械结构的集成化设计是指一个构件实现多个功能的结构设计。集成化设计具有突出的
16、优点，结构的集成化设计是结构创新设计的一个重要途径。,按带传动的要求设计轮缘的带槽；按飞轮的转动惯量设计轮缘的宽度及结构形式,侧面带有防尘盖的深沟球轴承,外圈带止动槽的深沟球轴承,带法兰盘的圆柱滚子轴承,齿轮、轴、轴承、法兰盘的集成化设计,第七节 机械产品的模块化与创新设计,一、模块化设计的涵义,模块是指一组具有同一功能和接合要素，但性能、规格或结构不同却能互换的单元。模块化设计是在对这些模块进行选择和组合，就可以构成不同功能、或功能相同但性能不同、规格不同地产品。这种设计方法称为模块化设计。,二、模块化设计实例,数控车床模块化部件,不同长度的尾座可组成不同长度、规格的机床,不同转速电动机可实
17、现不同主轴转速,安装上料装置模块可使该机床增加自动输送棒料功能,二、模块化设计实例 电磁环境检测系统中，要求锅状天线能绕水平轴在90范围内旋转，而且能绕垂直轴360旋转，整套运动系统安装在三角支架上。因此组成该系统的模块有天线模块、绕水平轴旋转模块、绕垂直轴旋转模块、支撑模块和控制模块。,天线模块可根据检测距离使其尺寸规格化和系列化,系列化的电动缸,系列化的电动机与减速器组合,锅形天线模块,三脚架支撑模块,电机减速器模块,电动缸模块,控制模块,复习思考题,1、不同滑动导轨截面的优缺点及各种组合的用法。2、不同滚动导轨截面的优缺点。3、什么情况下将曲柄做成偏心轮机构4、机架的分类5、集成化设计的涵义和优点6、模块化设计的涵义和优点,
