第六章機械結構與創新設計第一節機械結構設計的概念與基本要求第二節轉動副的結構與創新設計第三節移動副的結構與創新設計第四節構件的結構與創新設計第五節機架的結構與創新設計第六節機械零件結構的集成化與創新設計第七節機械零件結構的模塊化與創新設計第一節機械結構設計的概念與基本要求

機械結構設計就是將原理方案設計結構化，即把機構系統轉化為機械實體系統的過程。

一方面，原理方案及其創新需要通過結構設計得以實現；另一方面，結構設計不但要使零部件的形狀和尺寸滿足原理方案的要求，還必須解決與零部件有關的力學、工藝、材料、裝配、使用、美觀、成本、安全和環保等一系列問題。機械創新過程：功能機構結構一、機械結構設計二、機械結構設計的基本要求1、功能要求2、使用要求3、結構工藝性要求4、人機學要求傳遞運動和動力保證零部件間相對位置保證運動軌跡受力合理提高強度、剛度節省材料延長使用壽命合理選用毛坯類型便于切削加工便于裝配和拆卸易于維護和修理應使零件形狀簡單合理適應生產條件和規模安全操作舒適環境保護

螺釘是一種最常用的聯接零件，其主要功能是聯接。聯接可靠、防止松動、提高壽命、抵抗破壞能力是設計的主要目標。

若將螺釘各部分功能進行分解，則更容易實現整體功能目標。功能舉例分析螺釘功能可分解為螺釘頭、螺釘體、螺釘尾三部分。1.螺釘頭

應與扳擰工具相結合進行結構設計與創新

扳擰功能已有結構：為提高裝配效率，簡化扳擰工具，還可設計成外六角與十字槽組合式的螺釘頭。功能擴展：

支撐功能由與被聯接件接觸部分的螺釘頭部端面實現的，此端面稱為結合面。法蘭面螺釘頭結構：不僅實現了支撐功能，還可以提高聯接強度，防止松動。若擴大結合面功能，將結合面制成齒紋，則防松功能將會增加。1.螺釘頭

2.螺釘體3.螺釘尾

聯接功能

由螺牙部分實現，是螺釘的核心結構，其工作原理是靠摩擦力實現聯接。連接螺紋采用的是三角形螺紋。

導向功能

為方便安裝一般應具有倒角。為進一步擴大螺釘尾部功能，可設計成自鉆自攻的尾部結構。第二節轉動副的結構與創新設計一、對轉動副結構的基本要求轉動副------保證兩個構件之間的相對運動是轉動轉動副常由銷、銷軸、軸承構成對轉動副結構的基本要求：保證兩相對回轉件的位置精度、承受壓力、減小摩擦損失和保證使用壽命。1212543二、軸承用于轉動副為了減少摩擦和磨損，將相對轉動的圓柱表面用軸承代替。滾動軸承滑動軸承二、軸承用于轉動副新型軸承：氣體軸承氣體軸承(gasbearing)：用氣體作潤滑劑的滑動軸承。最常用的氣體潤滑劑為空氣，在氣體壓縮機、膨脹機和循環器中，常以工作介質作為潤滑劑磁軸承磁軸承是利用磁力使軸承穩定懸浮起來且軸心位置可以由控制系統控制的一種新型軸承三、滑動軸承作為轉動副

滑動軸承的結構簡單，適用于高速或低速重載以及結構上要求剖分等場合。1、整體式滑動軸承（一）滑動軸承的基本結構形式2、剖分式滑動軸承3、調心式滑動軸承油杯孔軸承軸承座1、整體式滑動軸承（一）滑動軸承的基本結構形式特點：結構簡單、成本低、剛度大等優點缺點：不便于裝拆，磨損后無法調整間隙應用：輕載、不經常拆卸且不重要的場合1-軸承座2-整體軸瓦3-油孔4-螺紋孔2、剖分式滑動軸承特點：裝拆方便，調整軸瓦與軸頸間隙方便缺點：結構復雜，制造費用較高應用：應用廣泛（一）滑動軸承的基本結構形式1-軸承座2-軸承蓋3-雙頭螺柱4-螺紋孔5-油孔6-油槽7-剖分式軸瓦剖分式徑向滑動軸承35°35°上軸瓦聯接螺栓軸承蓋軸承座下軸瓦聯接螺栓螺紋孔軸承座軸承蓋聯接螺栓剖分軸瓦榫口

當載荷垂直向下或略有偏斜時，軸承剖分面常為水平方向。若載荷方向有較大偏斜時，則軸承的剖分面也斜著布置（通常傾斜45

），使剖分平面垂直于或接近垂直于載荷方向。斜開徑向軸承斜開徑向軸承3、調心式滑動軸承特點：軸瓦相對軸可一定范圍內擺動，避免安裝誤差或軸彎曲變形引起的偏磨和發熱缺點：球面加工不易應用：軸承長徑比較大的場合（一）滑動軸承的基本結構形式軸瓦軸承蓋軸承座B（二）徑向滑動軸承軸瓦的結構（1）整體式

整體軸套

卷制軸套結構

1、軸瓦的形式和構造（2）剖分式剖分式軸瓦（二）徑向滑動軸承軸瓦的結構1、軸瓦的形式和構造2、軸瓦定位軸瓦和軸承座不允許有相對移動，定位兩種方法：軸瓦端部做成凸緣、用銷釘或螺釘將其固定軸瓦端部做成凸緣銷釘或螺釘固定3、油孔及油槽的開設油孔油溝壁厚定位唇油室垂直于軸線在中位線處開油溝有不合理的地方油溝形狀

油溝

軸向油溝

1、油槽的軸向長度應比軸瓦長度短（80%），不能沿軸向完全開通，以免潤滑油流失油孔、油槽開設原則：油溝布置不當降低油膜承載能力

2、液體潤滑軸承，油孔和油槽應開在非承載區，以免破壞承載區潤滑油膜的連續性，降低軸承的承載能力油孔、油槽開設原則：

特點：結構簡單、要求制造精度高應用：高速、高旋轉精度，高載荷或轉速變化小的場合軸徑與軸瓦相對運動，形成動壓油膜，使軸徑與軸瓦由油膜分開（三）液體靜壓潤滑軸承

液體動壓潤滑軸承：

特點：系統復雜、工作可靠應用：低速、頻繁啟動，載荷或轉速變化大場合

液體靜壓潤滑軸承：外界高壓油輸入軸承間隙，軸徑與軸瓦由油膜分開（三）液體靜壓潤滑軸承四、滾動軸承作為轉動副

滾動軸承內圈連接一個構件，外圈連接一個構件；設計要點是滾動軸承的類型選擇、零件的周向定位與軸向定位、零件與軸承內外圈的配合問題。徑向接觸軸承向心角接觸軸承

摩擦阻力小，起動靈活、效率高、潤滑簡便，易于互換，但抗沖擊能力較差，高速時有噪音徑向尺寸較大，工作壽命差。第三節移動副的結構與創新設計一、對移動副結構的基本要求導向和運動精度高剛度大耐磨性高結構工藝性好

機床導軌是最常見的移動副。導軌分為滑動導軌和滾動導軌

二滑動導軌的特點及常見結構形式優點：結構簡單，接觸剛度大缺點：摩擦阻力大，磨損快，低速時易產生爬行現象當凸形導軌為下導軌時，不易積存切屑和贓物，但也不易保存潤滑油，故易作低速導軌例：車床的床身導軌反之：當凹形導軌為下導軌時，可作高速導軌例：磨床的床身導軌導軌由凹凸兩種形式相互配合組成。1、導軌截面基本形式

（V型）對稱三角形（不對稱V型）不對稱三角形矩形燕尾槽圓形凸形凹形導軌磨損后能自動補償，故導向精度較高。截面角度一般90°大頂角（110°~120°）：承載面積加大，壓強減小小頂角（60°）：提高導向性如果導軌受力在兩個斜面上的分量相差很大，應采用不對稱V形導軌，使力（兩個斜面的合力）的作用方向盡可能垂直于導軌面。優點：結構簡單，制造、檢驗和修理容易；承載能力和剛度較大；缺點：磨損后不能自動補償間隙應用：廣泛優點：結構緊湊、調整間隙方便缺點：幾何形狀較復雜，配合精度低；摩擦力大；運動靈活性較差應用：結構尺寸較小及導向精度與運動靈活性要求不高的場合優點：加工、檢驗簡單，精度高缺點：導軌間隙不能調整，尤其是磨損后不能調整和補償2、常用滑動導軌的組合形式雙V形組合：導向精度高，承載能力大，磨損后能自動補償間隙，故精度保持好；但制作、檢驗、維修困難V形與平面組合：工藝性好了，但二軌磨損不均勻，且磨損后不能自動調整間隙矩形與平面組合：承載能力大，制作簡單，側面間隙可用鑲條調整；但側向接觸剛度低雙矩形組合：特點與矩形與平面組合相同。導向面間的距離較大，導向精度稍差燕尾形與矩形組合：矩形導軌承受大部分壓力，燕尾形導軌作側導向面V形與燕尾形組合：導向精度高；但加工和測量都比較復雜標準化的滾動導軌圓導軌雙圓形組合：結構簡單，圓柱面既是導向面又是支撐面。對兩導軌的平行度要求嚴。剛度較差，磨損后不易補償三、滾動導軌的特點及常見結構形式優點：摩擦系數小，運動靈活，不易出現爬行；導向和定位精度高，且精度保持性好；磨損小，壽命長，潤滑簡便。缺點：結構復雜，加工困難，成本較高；對贓物及導軌面的誤差比較敏感上導軌下導軌滾柱保持架滾動導軌常見結構形式1、滾珠導軌滾珠優點：結構緊湊，制造容易，成本相對較低；缺點：剛度低，承載能力小滾動導軌常見結構形式2、滾柱導軌優點：剛度大，精度高、承載能力強；缺點：配對導軌副平行度要求高滾柱滾動導軌常見結構形式3、滾針導軌優點：承載能力大，徑向尺寸比滾珠導軌緊湊；缺點：摩擦阻力較大滾針滾動導軌常見結構形式5、滾動軸承導軌優點：結構簡單，標準件滾動軸承第四節構件的結構與創新設計一、桿類構件1、連桿類構件2、凸輪推桿類構件3、可調長度桿類構件（1）連桿類構件示例桿類構件端部的結構形式（a）具有轉動副的構件結構（b）具有轉動副和移動副的構件結構CBABC（2）凸輪推桿類構件示例2、可調節桿長的結構

在某些情況下，連桿機構的結構要求具備一定的調節能力，以滿足實際應用中的一些特殊要求。如圖所示為采用螺旋機構來調整構件長度的方法。此外，還可以通過偏心輪來調節構件的長度。調節支座的位置可以采用蝸輪蝸桿機構、螺旋機構等機構來實現，當然，也可通過調節滑塊在導槽中的位置來調整。調節連桿長度調節曲柄長度可調長度桿類構件示例圖6-27曲柄長度的調節可調長度桿類構件示例圖6-28連桿長度的調節二、盤狀類構件1、盤形凸輪類2、齒輪類3、鏈輪類4、帶輪類5、飛輪類6、棘輪類7、槽輪類凸輪類齒輪類齒輪尺寸小大實心式腹板式輪輻式

為了減摩的需要，蝸輪通常要用青銅制作。為了節省銅材，當蝸輪直徑較大時，采用組合式蝸輪結構，齒圈用青銅，輪芯用鑄鐵或碳素鋼。常用蝸輪的結構形式如下：整體式蝸輪配合式蝸輪（過盈）拼鑄式蝸輪螺栓聯接式蝸輪組合式蝸輪渦輪結構鏈輪類實心式腹板式組合式（焊接）組合式（螺栓）帶輪類實心式腹板式孔板式輪輻式曲柄滑塊機構——偏心輪機構1、曲柄的長度很短曲柄長度R小于傳動軸rA與銷軸rB半徑之和2、傳遞較大的動力時

下面兩種情況可將曲柄做成偏心輪機構即：幾何中心與回轉中心距離等于曲柄長度的圓盤圖6-36機構示意圖槽輪類棘輪類對于以上輪類構件：輪緣結構形式—構件的功能相關輪輻結構形式—構件尺寸大小、材料、以及加工工藝相關輪轂結構形式—保證與軸形成可靠的軸轂連接。三、軸類構件1、直軸類:由軸上零件的軸向定位和周向定位確定軸的結構2、曲軸類:由曲拐的數量、支撐和平衡配重來設計曲軸的結構配重配重

特殊說明：當盤類構件徑向尺寸較小時，常與軸制成一體四、其他活動構件

凸輪機構從動件、棘輪機構的棘爪、槽輪機構的撥盤。四、其它活動構件CBA例6-1機械手結構圖6-47齒輪式自鎖性抓取機構五、執行機構的執行構件圖6-48斜楔杠桿式抓取機構例6-1機械手結構例6-2泵結構圖6-49六齒擺線齒輪泵結構創新原理：特殊輪廓線制出的齒形d把吸入腔a和輸出腔b隔開例6-2泵結構圖6-50曲柄搖塊型擺缸式活塞泵兩個執行機構2、擺缸2繞軸線c轉動1、活塞桿3在擺缸2的缸體a中往復移動依賴擺缸的擺動，擺缸與吸入口b和輸出口d輪換連通兩個執行機構2、擺缸2繞軸線c轉動1、活塞桿3在擺缸2的缸體a中往復移動例6-3送料裝置滑塊4是執行機構，圖6-51曲柄滑塊式送料裝置自由度n=5、PL