第五章機械結構的創(chuàng)新設計

1第五章機械結構的創(chuàng)新設計2第一章

創(chuàng)新概論第二章創(chuàng)新思維與創(chuàng)造原理第三章原理方案的創(chuàng)新設計第四章機構的創(chuàng)新設計第五章機械結構的創(chuàng)新設計第六章反求工程及創(chuàng)新設計第七章TRIZ理論與創(chuàng)新設計第八章仿生原理與創(chuàng)新設計第九章機械創(chuàng)新設計實例第五章機械結構的創(chuàng)新設計第一節(jié)機械結構設計概述

結構設計的工作質(zhì)量對于滿足產(chǎn)品的功能要求，保證產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性，降低產(chǎn)品成本具有十分重要的作用。機構設計、機構的演化與變異設計、機構的組合設計等設計成果要變成產(chǎn)品，還必須經(jīng)過機械的結構設計，才能轉換為供加工用的圖樣。所以機械結構設計的過程也充滿著創(chuàng)新。根據(jù)機構由運動副、構件、機架等組成的特點，進行結構設計時，在滿足強度、剛度的基礎上，各類運動副的形狀與結構、構件的形狀與結構、機架的形狀與結構對產(chǎn)品的性能、成本等有重要意義。3

機械的創(chuàng)新過程一般都要經(jīng)歷功能機構結構的思維過程。機械結構設計就是將原理方案設計結構化，即把機構系統(tǒng)轉化為機械實體系統(tǒng)。一方面，原理方案及其創(chuàng)新需要通過結構設計得以實現(xiàn)；另一方面，結構設計不但使零部件的形狀和尺寸滿足原理方案設計的要求，還必須解決與零部件結構有關的力學、工藝、材料、裝配、使用、美觀、成本、安全和環(huán)保等一系列問題。因此，結構設計過程中具有巨大的創(chuàng)新空間。結構設計質(zhì)量和創(chuàng)新水平的高低，對機械創(chuàng)新的成敗起著十分關鍵的作用。

4在機械結構設計中，要充分考慮以下各方面的基本要求：

1.功能要求機械結構設計就是將原理方案設計具體化，即構造一個能夠滿足功能要求的三維實體的零部件裝配關系。各種零部件的結構功能主要有承受載荷、傳遞運動和動力、以及保證或保持有關零部件之間的相對位置或運動軌跡關系等。功能要求是結構設計的主要依據(jù)和必須滿足的要求。

2.使用要求對于承受載荷的零件，為保證零件在規(guī)定的使用期限內(nèi)正常地實現(xiàn)其功能，在結構設計中應使零部件的結構受力合理，降低應力，減少變形，節(jié)省材料，以利于提高零件的強度、剛度和延長使用壽命。5

3.結構工藝性要求組成機器的零部件要能最經(jīng)濟地制造和裝配，應具有良好的結構工藝性。機器的成本主要取決于材料和制造費用，因此工藝性與經(jīng)濟性是密切相關的。

通常應從以下幾個方面考慮：

應使零件形狀簡單合理。

適應生產(chǎn)條件和規(guī)模。

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。

人機學要求。6

機械結構設計的特點

(1)實踐性實踐性是機械結構設計創(chuàng)新的源泉與歸宿。只有通過實踐，創(chuàng)新的思想才能轉化為現(xiàn)實，人的創(chuàng)新意識和能力才能得到培養(yǎng)。保證銷釘容易裝拆錯誤結構改進結構7軸轂聯(lián)接的結構較差結構改進結構8考慮節(jié)料的沖壓件結構較差結構改進結構9鍛件改為鑄鍛焊結構較差結構改進結構10(2)細節(jié)性機械結構設計是一種細節(jié)性設計。細節(jié)的差別能導致整個產(chǎn)品的技術、經(jīng)濟性能的顯著差異。結構細節(jié)決定產(chǎn)品質(zhì)量的高低。工程實際中，絕大多數(shù)機械故障、質(zhì)量問題，不是因為工作原理，而是錯誤的或不合理的結構細節(jié)所致。結構上的細節(jié)缺陷可能導致整個零件難以甚至無法制造和實現(xiàn)其功能。11注意減小加工面較差結構改進結構12避免較大的內(nèi)應力結構較差結構改進結構13凸緣結構較差結構改進結構14螺紋孔結構較差結構改進結構15(3)多樣性通過改變零件結構本身的形態(tài)—形狀、位置、數(shù)目、尺寸、零件的材料、零件間的聯(lián)接方式、運動方式等等。得到一個盡可能大的結構設計方案解空間，是進行機械結構創(chuàng)新設計中的一個不可缺少的環(huán)節(jié)，是進行機械結構創(chuàng)新設計和優(yōu)化設計的重要前提。16滾動導軌的結構形式三角形滾動導軌矩形滾動導軌17十字交叉滾動導軌滾動導軌的結構形式18第二節(jié)機械結構創(chuàng)新設計

一、結構創(chuàng)新的變性原理

一個對象的屬性是多種多樣的，將一個對象的屬性作若干改變，會導致許多的設計。在機械結構設計方法中，“變元法”是運用變性原理和組合原理產(chǎn)生的一種結構創(chuàng)新設計方法。變元是指機械結構可改變的基本元素，包括零部件的數(shù)量、幾何形狀、零部件的位置、零件之間的聯(lián)接、零件的材料、零件的制造工藝等。變元法是對機械結構變元進行變化組合的一種機械結構設計方法，它可以為設計者構造一個大的機械結構設計解空間。19

1.數(shù)量變元通過改變產(chǎn)品結構中的基本元素，例如線、面、零部件的數(shù)量，以實現(xiàn)產(chǎn)品的結構創(chuàng)新設計。螺釘頭作用面數(shù)量變元20便于方位識別的結構212.形狀變元改變結構零件的輪廓、表面和整體形狀以及改變零件的類型和規(guī)格得到不同的創(chuàng)新結構方案。零件形狀變元22輪齒載荷分布正常齒桶形齒23用面接觸代替點、線接觸24用面接觸代替點、線接觸25增大接觸處的綜合曲率半徑26平緩彎曲結構273.材料變元零件選用不同的工程材料往往導致該零件的尺寸結構隨之改變，因而加工工藝也發(fā)生變化，從而影響整個產(chǎn)品的結構。因此通過材料變元可以構造出不同的結構方案。零件材料變元284.位置變元通過改變產(chǎn)品結構中基本元素之間的布置位置，創(chuàng)造不同的結構設計方案。圓錐齒輪變速器的結構設計方案294.位置變元通過改變產(chǎn)品結構中基本元素之間的布置位置，創(chuàng)造不同的結構設計方案。圓錐齒輪變速器的結構設計方案304.位置變元通過改變產(chǎn)品結構中基本元素之間的布置位置，創(chuàng)造不同的結構設計方案。圓錐齒輪變速器的結構設計方案31不同板厚零件間的焊縫32不同板厚零件間的焊縫33面積較大的薄壁結構不利于澆鑄的結構有利于澆鑄的結構34便于材料流動的結構不便于材料流動的結構35不便于模具制造的結構便于模具制造的結構365.聯(lián)接變元聯(lián)接變元一是指聯(lián)接方式的變化，如螺紋聯(lián)接、焊接、鉚接、膠接及過盈聯(lián)接等；二是對于每一種聯(lián)接方式采用不同的聯(lián)接結構。通過改變聯(lián)接方式和聯(lián)接結構，可以創(chuàng)造出不同的結構方案。37零件聯(lián)接變元38

6.尺寸變元通過改變零部件及構件的長度、距離和角度等參數(shù)來改變產(chǎn)品的結構性能。零件尺寸變元

39不便于運送的結構便于運送的結構407.工藝變元根據(jù)不同零件的結構，選擇不同的零件制造工藝，最終改變零件和產(chǎn)品的制造成本、質(zhì)量以及性能。切削錫焊或粘接沖壓41點焊鑄造鍛造42棘輪機構工作面形狀變元43棘輪機構工作面數(shù)量變元棘輪機構工作面位置變元44端面棘輪機構45棘輪機構工作面尺寸變元46棘輪機構工作面綜合變元47鈑金棘輪機構三棘爪棘輪機構48銷齒棘輪機構49空間棘輪機構50槽輪機構的變元設計51槽輪機構的變元設計52槽輪機構的變元設計53槽輪機構的變元設計54槽輪機構的變元設計55槽輪機構的變元設計56頂尖支承一般頂尖支承改進的頂尖支承滾動摩擦頂尖支承57

二、結構創(chuàng)新的組合原理

組合的過程就是一種創(chuàng)造的過程。轉軸改為心軸58螺栓聯(lián)接中的抗剪元件59不便于模具制造的結構便于模具制造的結構60加工量大的結構加工量小的結構61不方便鍛造的結構方便鍛造的結構62有直線貫通的結構無直線貫通的結構63螺栓防松組合結構螺栓、螺母、墊圈與彈簧墊圈自攻螺釘組合結構64三、結構創(chuàng)新的完滿原理完滿原理的主要依據(jù)是“人們總是希望在時間上和空間上充分而完滿地利用某一對象的一切屬性”。

因此，凡是在理論上看來未被充分利用的對象，都可以成為人們創(chuàng)造的目標。創(chuàng)造學中的缺點列舉法、希望點列舉法等都源于完滿原理。65軸的結構66滿足等強度原則的結構搖臂鉆橫臂P汽車用板簧P/2P/2P階梯軸PP/2P/267壁厚不均勻的鑄件結構壁厚均勻的鑄件結構68不便于退刀的結構便于退刀的結構69加工量多的結構加工量少的結構70無貫通孔結構貫通孔結構71便于鉆孔的結構不便于鉆孔的結構72曲線結構直線結構節(jié)省材料的結構不節(jié)省材料的結構73受壓優(yōu)先容器結構不合理結構合理結構74軸承座結構合理結構不合理結構75滾動軸承的預緊76

四、結構創(chuàng)新的逆反原理

逆反原理是一種特殊的變性原理。零件結構的屬性是多種多樣的，其中有些屬性是截然相反的，例如零件的反向安裝、反向旋轉、尺寸大變小、小變大等。如果設計人員在進行結構設計時有意識地運用創(chuàng)造的逆反原理從相反的角度來設計，也許會獲得意想不到的成功。77不利于起模的結構利于起模的結構78方便鍛造的結構不方便鍛造的結構79正裝反裝向心角接觸軸承的安裝方式80零件形面換位81第三節(jié)轉動副的結構與創(chuàng)新設計

一、對轉動副結構的基本要求兩個構件之間的相對運動是轉動，可以用轉動副連接。轉動副是機械中最常用的運動副。對轉動副結構的基本要求是保證兩相對回轉構件的位置精度、承受壓力、減小摩擦損失和保證使用壽命。12BA21銷軸轉動副82

二、軸承用于轉動副兩構件之間只要有相對運動就會產(chǎn)生摩擦。為了減小相對轉動時的摩擦和磨損，人們將相對轉動中的圓柱表面部分用軸承替代。最早的軸承是滑動軸承。為了進一步減小摩擦，人們又發(fā)明了滾動軸承?；瑒虞S承作為轉動副滾動軸承作為轉動副83

三、滑動軸承的特點及常見結構型式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?；瑒虞S承按表面間的潤滑狀態(tài)可分為非液體潤滑狀態(tài)和液體潤滑狀態(tài)。潤滑狀態(tài)不同，對滑動軸承的結構提出的要求也不同。

84(一)滑動軸承的基本結構型式整體式軸承座軸瓦

特點

結構簡單、成本低、剛度大。但在裝拆時需要軸承或軸作較大的軸向移動，有時很不方便；而且當滑動表面磨損后，無法調(diào)整其間的間隙，因此多用于低速、輕載和間歇工作且不甚重要的場合，如絞車、手動起重機械等。油孔85剖分式

特點

裝拆方便，且在接合面之間可放置墊片，通過調(diào)整墊片的厚薄來調(diào)整軸瓦和軸頸間的間隙。應用廣泛，但結構較復雜，制造費用較高。86調(diào)心式當軸頸較長(長徑比B/d1.5~1.75)，軸的剛度較小或由于安裝誤差等原因造成軸的彎曲變形較大時，都會形成軸承兩端的局部接觸，造成軸瓦局部磨損嚴重。

特點

當軸變形時，軸瓦可以自動調(diào)整位置，從而保證軸頸和軸瓦均勻接觸。87(二)徑向滑動軸承的軸瓦結構1.軸瓦的形式和構造整體式軸瓦對分式軸瓦88油孔油槽

軸瓦可用單一的減摩材料制成。為了節(jié)約貴重金屬材料(如軸承合金)及提高軸承的工作能力，通常將軸瓦制成雙金屬。在強度較高價格較廉的軸瓦(如鋼、鑄鐵和青銅)內(nèi)表面通常澆注一層減摩性更好的合金材料，通常稱為軸承襯，其厚度在0.5~5mm范圍內(nèi)。軸承襯892.軸瓦的定位軸瓦和軸承座不允許有相對移動，可以將軸瓦兩端做成凸緣，用于軸向定位，或用銷釘，將其固定在軸承座上。軸瓦軸承襯凸緣固定軸瓦軸瓦圓柱銷軸承座銷釘固定軸瓦903.油孔及油槽的開設為了把潤滑油導入整個摩擦面間，使軸承獲得良好的潤滑，軸瓦或軸頸上需開設油孔及油槽。油孔用于供應潤滑油，油槽用于輸送和分布潤滑油。常見油孔和油槽形式91

油槽及油孔的開設原則1)油槽的軸向長度應比軸瓦長度短(大約為軸瓦長度的80%)，不能沿軸向完全開通，以免油從兩端大量流失。2)對于液體潤滑軸承，油孔及油槽應開在非承載區(qū)，以免破壞承載區(qū)潤滑油膜的連續(xù)性，降低軸承的承載能力。92(三)液體靜壓潤滑軸承液體靜壓潤滑軸承適用于高精度以及低速重載的場合?；赜凸?jié)流器油腔軸承主軸p1p4p3p2進油壓力ps液體靜壓徑向軸承原理結構圖油腔e回油槽徑向油封面h0

eh0+eeFD軸向油封面psF93

四、滾動軸承的特點及常見結構型式滾動軸承的出現(xiàn)源于滾動優(yōu)于滑動的思想。滾動軸承型式和原理簡單，但卻能非常有效地減少各種機器中的摩擦和磨損。在20世紀中，人們研制了很多型式的滾動軸承，而專業(yè)滾動軸承公司的建立，使?jié)L動軸承成為一種最有用、高質(zhì)量和容易買到的機械零件。與滑動軸承相比，滾動軸承具有摩擦阻力小、起動靈活、效率高、潤滑簡便、易于互換且可以通過預緊提高剛度和旋轉精度高等優(yōu)點，但抗沖擊能力差，高速時有噪聲、徑向尺寸較大，工作壽命不及液體摩擦的滑動軸承。94外圈內(nèi)圈滾動體保持架滾動軸承的基本結構95滾動體形狀球滾針圓柱滾子圓錐滾子非對稱球面滾子球面滾子96

滾動軸承中垂直于軸承軸心線的平面與通過軸承套圈向滾動體傳遞力的合力作用線之間的夾角

稱為公稱接觸角。滾動軸承可按其承受載荷的方向與公稱接觸角的不同分類。

軸向接觸軸承

90

向心角接觸軸承0

45徑向接觸軸承

0971.向心軸承

主要用于承受徑向載荷，公稱接觸角0

45。

(1)徑向接觸軸承

0的向心軸承深溝球軸承圓柱滾子軸承98(2)向心角接觸軸承

0

45

角接觸球軸承

圓錐滾子軸承992.推力軸承主要用于承受軸向載荷，公稱接觸角45

90。

(1)軸向接觸軸承

90推力球軸承單向雙向推力圓柱滾子軸承100

(2)推力角接觸軸承

45

90推力角接觸球軸承

推力調(diào)心滾子軸承101

根據(jù)滾動體的形狀，滾動軸承可以分為球軸承和滾子軸承。滾子軸承又可分為圓柱滾子軸承、圓錐滾子軸承、滾針軸承等。根據(jù)軸承工作時能否自動調(diào)心又可分為剛性軸承和調(diào)心軸承。調(diào)心球軸承調(diào)心滾子軸承102第四節(jié)移動副的結構與創(chuàng)新設計

一、對移動副結構的基本要求兩個構件之間的相對運動是移動，可以用移動副連接。內(nèi)燃機中活塞和汽缸之間所組成的運動副即為移動副。機床導軌是最常見的移動副。按摩擦性質(zhì)導軌可分為移動導軌和滾動導軌。12移動副實例

對移動副結構的基本要求有：導向和運動精度高、剛度大、耐磨性高及結構工藝性好等。此外，結構設計還要注意限制兩構件的相對轉動和間隙的調(diào)整。103

二、滑動導軌的特點及常見結構型式滑動導軌的動、靜導軌面直接接觸，其優(yōu)點是結構簡單，接觸剛度大；缺點是摩擦阻力大，磨損快，低速運動時易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象。導軌由凸形和凹形兩種形式相互配合組成。當凸形導軌為下導軌時，不易積存切屑、臟物，但也不易保存潤滑油，故宜作低速導軌，例如車床的床身導軌。凹形導軌為下導軌則相反，可作高速導軌，如磨床的床身導軌，但需要有良好的保護裝置，以防切屑、臟物掉入。1041.導軌截面的基本形式45

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15

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對稱V形不對稱V形圓形燕尾形矩形凸形凹形V形導軌磨損后能自動補償，導向精度高。它的截面角度由載荷大小及導向要求而定，一般為90

。為增加承載面積，在導軌高度不變的條件下，采用較大的頂角；為提高導向性，采用較小的頂角。

1051.導軌截面的基本形式矩形導軌結構簡單，制造、檢驗和修理比較容易。矩形導軌可以做得很寬，因而承載能力和剛度較大，應用廣泛。缺點是磨損后不能自動補償間隙，用鑲條調(diào)整時，會降低導向精度。

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對稱V形不對稱V形圓形燕尾形矩形凸形凹形1061.導軌截面的基本形式燕尾形導軌的主要優(yōu)點是結構緊湊、調(diào)整間隙方便。缺點是幾何形狀比較復雜，難于達到很高的配合精度，并且導軌中的摩擦力較大，運動靈活性較差，因此，通常用在結構尺寸較小及導向精度與靈活性要求不高的場合。

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對稱V形不對稱V形圓形燕尾形矩形凸形凹形1071.導軌截面的基本形式圓形導軌的優(yōu)點是導軌面的加工和檢驗比較簡單，易于獲得較高的精度，缺點是導軌間隙不能調(diào)整，特別是磨損后間隙不能自動補償，閉式圓形導軌對溫度變化比較敏感。為防止轉動，可在圓柱表面開槽或加工出平面。

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對稱V形不對稱V形圓形燕尾形矩形凸形凹形1082.常用導軌的組合形式一條導軌往往不能承受力矩載荷，故通常都采用兩條導軌來承受載荷和進行導向，在重型機械上，還可采用3~4條導軌。兩條導軌同時起著支承和導向作用，導軌的導向精度高，承載能力大，兩條導軌磨損均勻，磨損后能自動補償間隙，精度保持好。但這種導軌的制造、檢驗和維修都比較困難，因為它要求四個導軌面都均勻接觸，刮研勞動量大。此外這種導軌對溫度變化比較敏感。雙V形組合1092.常用導軌的組合形式一條導軌往往不能承受力矩載荷，故通常都采用兩條導軌來承受載荷和進行導向，在重型機械上，還可采用3~4條導軌。這種組合保持了雙V形組合導向精度高、承載能力大的特點，避免了由于熱變形所引起的配合狀況的變化，且工藝性比雙V組合導軌大為改觀，因而應用很廣。缺點是兩條導軌磨損不均勻，磨損后不能自動調(diào)整間隙。雙V形組合V形和平面形組合1102.常用導軌的組合形式一條導軌往往不能承受力矩載荷，故通常都采用兩條導軌來承受載荷和進行導向，在重型機械上，還可采用3~4條導軌。承載能力高，制造簡單。間隙受溫度影響小，導向精度高。容易獲得較高的平行度。側面導向間隙用鑲條調(diào)整，側向接觸剛度較低。雙V形組合V形和平面形組合矩形和平面形組合1112.常用導軌的組合形式一條導軌往往不能承受力矩載荷，故通常都采用兩條導軌來承受載荷和進行導向，在重型機械上，還可采用3~4條導軌。特點與矩形和平面形組合相同，但導向面之間的距離較大，側向間隙受溫度影響較大，導向精度較矩形和平面形組合差。雙矩形組合1122.常用導軌的組合形式一條導軌往往不能承受力矩載荷，故通常都采用兩條導軌來承受載荷和進行導向，在重型機械上，還可采用3~4條導軌。雙矩形組合燕尾形和矩形組合能承受傾覆力矩，用矩形導軌承受大部分壓力，用燕尾形導軌作側導向面，可減少壓板的接觸面。調(diào)整間隙簡便。1132.常用導軌的組合形式一條導軌往往不能承受力矩載荷，故通常都采用兩條導軌來承受載荷和進行導向，在重型機械上，還可采用3~4條導軌。雙矩形組合燕尾形和矩形組合V形和燕尾形組合組合成閉式導軌的接觸面較少，便于調(diào)整間隙，V形導軌起導向作用，導向精度高。加工和測量都比較復雜。1142.常用導軌的組合形式一條導軌往往不能承受力矩載荷，故通常都采用兩條導軌來承受載荷和進行導向，在重型機械上，還可采用3~4條導軌。結構簡單，圓柱面既是導向面又是支承面。對兩導軌的平行度要求嚴。導軌剛度較差，磨損后不易補償。雙圓形組合1152.常用導軌的組合形式一條導軌往往不能承受力矩載荷，故通常都采用兩條導軌來承受載荷和進行導向，在重型機械上，還可采用3~4條導軌。矩形導軌可用鑲條調(diào)整，對圓形導軌的位置精度要求較雙圓形組合要求低。雙圓形組合圓形和矩形組合116

三、滾動導軌的特點及常見結構型式滾動導軌是在運動部件和支承部件之間放置滾動體，如滾珠、滾柱、滾針、滾動軸承等，使導軌運動時處于滾動摩擦狀態(tài)。與滑動導軌相比較，滾動導軌具有如下特點：1.摩擦因數(shù)小，并且靜、動滑動摩擦因數(shù)之差很小，故運動靈便，不易出現(xiàn)爬行現(xiàn)象。2.導向和定位精度高，且精度保持性好。3.磨損較小，壽命長，潤滑簡便。4.結構較為復雜，加工比較困難，成本較高。5.對臟物及導軌面的誤差比較敏感。滾動導軌已在各種精密機械和儀器中得到廣泛應用。117

滾動導軌按滾動體的形狀可分為滾珠導軌、滾柱導軌、滾針導軌、滾動軸承導軌等。

滾珠導軌具有結構緊湊、制造容易、成本相對較低的優(yōu)點，缺點是剛度低，承載能力小。滾珠導軌118

滾動導軌按滾動體的形狀可分為滾珠導軌、滾柱導軌、滾針導軌、滾動軸承導軌等。119

滾動導軌按滾動體的形狀可分為滾珠導軌、滾柱導軌、滾針導軌、滾動軸承導軌等。

滾柱導軌具有剛度大、精度高、承載能力大的優(yōu)點，主要缺點是對配對導軌副平行度要求過高。滾柱導軌120

滾動導軌按滾動體的形狀可分為滾珠導軌、滾柱導軌、滾針導軌、滾動軸承導軌等。

滾針導軌承載能力大，徑向尺寸比滾珠導軌緊湊，缺點是摩擦阻力稍大。滾針導軌121

滾動導軌按滾動體的形狀可分為滾珠導軌、滾柱導軌、滾針導軌、滾動軸承導軌等。

十字交叉滾子導軌的滾柱長徑比略小于1。它具有精度高、動作靈敏、剛度大、結構較緊湊、承載能力大且能夠承受多方向載荷等優(yōu)點，缺點是制造比較困難。十字交叉滾子導軌122

滾動導軌按滾動體的形狀可分為滾珠導軌、滾柱導軌、滾針導軌、滾動軸承導軌等。

滾動軸承導軌直接用標準的滾動軸承作滾動體，結構簡單，易于制造，調(diào)整方便，廣泛用于一些大型光學儀器上。eAAAA動導軌滾動軸承滾動軸承導軌123

把滑動摩擦的導軌轉換為滾動摩擦的導軌，是導軌設計中的技術突破，是設計中的創(chuàng)新。根據(jù)滑動摩擦轉換為滾動摩擦的方式，還有許多沒有出現(xiàn)的結構形式，也就是說，滾動導軌還有非常大的創(chuàng)新空間。圓弧滾動導軌124第五節(jié)構件的結構與創(chuàng)新設計

相對機架運動的構件是活動構件。為了滿足便于制造、安裝等要求，機構系統(tǒng)中的一個構件經(jīng)常由多個零件組成，此時組成同一構件的不同零件之間需要聯(lián)接和相對固定。聯(lián)接的方法有多種，如螺紋聯(lián)接以及各種用于軸轂聯(lián)接的方法等。例如，齒輪相對機架的轉動是通過軸與軸承實現(xiàn)的，一般的齒輪與軸并不制成一體，而是通過齒輪中心的轂孔與軸之間的軸轂聯(lián)接，并保證齒輪相對于軸有確定的軸向位置。此時，齒輪、軸及聯(lián)接等組成的這個實體成為機構系統(tǒng)中的一個構件。在進行構件的結構設計時，需考慮組成構件的各零件的聯(lián)接關系、構件與運動副的聯(lián)接關系及組成零件本身的結構設計。125

一、桿類構件1.結構形式連桿機構中的構件大多制成桿狀。桿狀構件構造簡單，加工方便，一般在桿長尺寸R較大時采用。通常桿類構件與其他構件在端部以鉸接形式聯(lián)接。RR桿狀構件126211221常見桿類構件端部的結構形式

一、桿類構件1.結構形式連桿機構中的構件大多制成桿狀。桿狀構件構造簡單，加工方便，一般在桿長尺寸R較大時采用。通常桿類構件與其他構件在端部以鉸接形式聯(lián)接。127

有時桿類構件也做成盤狀，此時構件本身可能就是一個帶輪或齒輪，在圓盤上距中心R處裝上銷軸，以便和其他構件組成轉動副，尺寸R即為桿長。這種回轉體的質(zhì)量分布均勻，故盤狀結構能比桿狀結構更適用于高速，常用作曲柄擺桿。盤狀桿件R1282.可調(diào)節(jié)桿長的結構調(diào)節(jié)構件的長度，可以改變從動件的行程、擺角等運動參數(shù)。調(diào)節(jié)桿長的方法很多。RAA3421AA曲柄長度的調(diào)節(jié)1292.可調(diào)節(jié)桿長的結構調(diào)節(jié)構件的長度，可以改變從動件的行程、擺角等運動參數(shù)。調(diào)節(jié)桿長的方法很多。AA4AA132R曲柄長度的調(diào)節(jié)1302.可調(diào)節(jié)桿長的結構調(diào)節(jié)構件的長度，可以改變從動件的行程、擺角等運動參數(shù)。調(diào)節(jié)桿長的方法很多。曲柄長度的調(diào)節(jié)1312.可調(diào)節(jié)桿長的結構調(diào)節(jié)構件的長度，可以改變從動件的行程、擺角等運動參數(shù)。調(diào)節(jié)桿長的方法很多。4312BCAD55B421DCA3連桿長度的調(diào)節(jié)1322.可調(diào)節(jié)桿長的結構調(diào)節(jié)構件的長度，可以改變從動件的行程、擺角等運動參數(shù)。調(diào)節(jié)桿長的方法很多。連桿長度的調(diào)節(jié)133

二、盤類構件盤類構件大多作定軸轉動，中心轂孔同軸聯(lián)接后與軸承形成轉動副，如盤狀凸輪、齒輪、蝸輪、鏈輪、帶輪、棘輪、槽輪等。盤狀凸輪結構134

二、盤類構件盤類構件大多作定軸轉動，中心轂孔同軸聯(lián)接后與軸承形成轉動副，如盤狀凸輪、齒輪、蝸輪、鏈輪、帶輪、棘輪、槽輪等。腹板式輪輻式實心式齒輪結構135

二、盤類構件盤類構件大多作定軸轉動，中心轂孔同軸聯(lián)接后與軸承形成轉動副，如盤狀凸輪、齒輪、蝸輪、鏈輪、帶輪、棘輪、槽輪等。蝸輪結構整體式過盈配合聯(lián)接式136

二、盤類構件盤類構件大多作定軸轉動，中心轂孔同軸聯(lián)接后與軸承形成轉動副，如盤狀凸輪、齒輪、蝸輪、鏈輪、帶輪、棘輪、槽輪等。螺栓聯(lián)接式拼鑄式蝸輪結構137

二、盤類構件盤類構件大多作定軸轉動，中心轂孔同軸聯(lián)接后與軸承形成轉動副，如盤狀凸輪、齒輪、蝸輪、鏈輪、帶輪、棘輪、槽輪等。鏈輪結構實心式潘存云教授研制腹板式潘存云教授研制組合式138

二、盤類構件盤類構件大多作定軸轉動，中心轂孔同軸聯(lián)接后與軸承形成轉動副，如盤狀凸輪、齒輪、蝸輪、鏈輪、帶輪、棘輪、槽輪等。帶輪結構實心式腹板式139

二、盤類構件盤類構件大多作定軸轉動，中心轂孔同軸聯(lián)接后與軸承形成轉動副，如盤狀凸輪、齒輪、蝸輪、鏈輪、帶輪、棘輪、槽輪等。帶輪結構輪輻式孔板式140棘輪結構槽輪結構

二、盤類構件盤類構件大多作定軸轉動，中心轂孔同軸聯(lián)接后與軸承形成轉動副，如盤狀凸輪、齒輪、蝸輪、鏈輪、帶輪、棘輪、槽輪等。141

一般輪緣的結構形式與構件的功能有關，輪輻的結構形式與構件的尺寸大小、材料以及加工工藝有關，輪轂的結構形式要保證與軸形成可靠的軸轂聯(lián)接。如齒輪的結構設計，當尺寸較小時采用實心式，尺寸較大時采用腹板式，尺寸很大時采用輪輻式(鑄造毛坯)。對于蝸輪采用輪緣與輪轂的組合式結構，是由于輪緣與輪轂的材料往往不同，這樣做的目的是為了節(jié)省較貴重的有色金屬材料。142

連桿機構中的曲柄在某些情況下常采用偏心輪結構。1.曲柄長度較短，且小于傳動軸和銷軸半徑之和。2.對沖床、壓力機等工作機械來說，曲柄銷處的沖擊載荷很大，必須加大曲柄銷尺寸，則應采用偏心輪結構。

帶有偏心輪的機構統(tǒng)稱為偏心輪機構，偏心距e即曲柄的長度。132rArBR機構示意圖2B1Ae偏心輪143

三、軸類結構曲軸在機構中常用來做曲柄。圖a所示曲軸結構簡單，但由于懸臂，強度和剛度較差，當工作載荷和尺寸較大或曲柄設在軸的中間部分時，可用圖b所示的形式。此形式在內(nèi)燃機、壓縮機等機械中經(jīng)常采用，曲柄在中間軸處與剖分式連桿相連。RR曲軸a)b)144

當盤類構件徑向尺寸較小，若軸孔仍與軸采用聯(lián)接結構導致強度過弱或無法實現(xiàn)時，常與軸制成一體，如凸輪與軸制成一體，稱為凸輪軸；齒輪與軸制成一體稱為齒輪軸；蝸桿與軸制成一體稱為蝸桿軸；偏心輪與軸做成一體稱為偏心軸。齒輪軸凸輪軸凸輪1凸輪3凸輪2145

當盤類構件徑向尺寸較小，若軸孔仍與軸采用聯(lián)接結構導致強度過弱或無法實現(xiàn)時，常與軸制成一體，如凸輪與軸制成一體，稱為凸輪軸；齒輪與軸制成一體稱為齒輪軸；蝸桿與軸制成一體稱為蝸桿軸；偏心輪與軸做成一體稱為偏心軸。蝸桿軸e偏心軸146

軸的主要作用是支承回轉零件，用得最多的是直軸，其結構設計主要是保證軸上零件的連接、定位以及滿足加工、裝配的工藝性要求。147軸的結構軸頭軸身中軸頸軸頭軸環(huán)端軸頸軸承蓋滾動軸承齒輪套筒半聯(lián)軸器軸端擋圈148軸上零件的裝配149

四、其他活動構件凸輪機構的從動件、棘輪機構的棘爪、槽輪機構的撥盤等構件各具有一定的結構形式。滾子從動件的結構形式凸輪凸輪凸輪滾子滾子滾子150

四、其他活動構件凸輪機構的從動件、棘輪機構的棘爪、槽輪機構的撥盤等構件各具有一定的結構形式。滾子從動件的結構形式凸輪滾子凸輪滾子151

四、其他活動構件凸輪機構的從動件、棘輪機構的棘爪、槽輪機構的撥盤等構件各具有一定的結構形式。棘爪的結構形式152

四、其他活動構件凸輪機構的從動件、棘輪機構的棘爪、槽輪機構的撥盤等構件各具有一定的結構形式。棘爪的結構形式153

四、其他活動構件凸輪機構的從動件、棘輪機構的棘爪、槽輪機構的撥盤等構件各具有一定的結構形式。撥盤的結構形式154

四、其他活動構件凸輪機構的從動件、棘輪機構的棘爪、槽輪機構的撥盤等構件各具有一定的結構形式。撥盤的結構形式155

五、執(zhí)行機構的執(zhí)行構件執(zhí)行構件是執(zhí)行系統(tǒng)中直接完成工作任務的構件，例如：挖掘機的鏟斗，推土機的刀架、起重機的吊鉤、銑床的銑刀、軋鋼機的軋輥、縫紉機的機針、工業(yè)機器人的手爪等等。它與工作對象直接接觸并攜帶它完成一定的工作，或在工作對象上完成諸如噴涂、洗滌、鍛壓等一定的動作。執(zhí)行構件的結構形式根據(jù)機構執(zhí)行的功能不同而多種多樣，即使功能相同，也可以有不同的結構形式。執(zhí)行構件的結構設計最需要設計者的創(chuàng)新思維，其設計好壞對機械設計成敗起著至關重要的作用。156機構以氣缸為動力帶動齒輪，從而帶動手爪做開閉動作。當手爪閉合抓住工件，在圖示位置時，工件對手爪的作用力G的方向線在手爪回轉中心外側，故可實現(xiàn)自鎖性夾緊。GG齒輪式自鎖性抓取機構157斜楔杠桿式抓取機構，當斜楔往復運動時，手爪完成夾持或松開工作對象。斜楔杠桿式夾持器斜楔手爪工件滾子彈簧1581A進口dB出口2六齒擺線齒輪泵齒輪1和齒輪2分別繞固定軸線A和B旋轉，每個齒輪都有六個相同的齒形d，其廓線為擺線的一部分。當兩齒輪轉動時，液體按圖示箭頭方向連續(xù)流動。兩齒輪上用特殊廓線制出的齒形d，用來把吸入腔和輸出腔隔開。在兩齒輪的軸上分別用鍵連接兩個相同齒數(shù)的嚙合齒輪。齒輪1和齒輪2為執(zhí)行構件。159曲柄1繞固定軸線A旋轉，且與活塞桿3用轉動副B連接，桿3可在擺缸2的剛體a中往復移動，擺缸2繞固定軸線C轉動。當曲柄1轉動時，缸2擺動并輪換地與具有吸入口b和輸出口d的泵腔連通。擺缸2和活塞桿3為執(zhí)行構件。aBcdbA132曲柄搖塊機構型擺缸式活塞泵160工件a從料倉1落在p

p平臺上，曲柄2周期性地從左極限位置轉過一周，通過連桿3帶動推桿4(滑塊)移動，它推動工件a并使其進入接料器(圖中未示出)。當曲柄2回復至左極限位置時，下一個工件又落于平臺p

p上。推桿4(滑塊)是執(zhí)行構件。4321aApp曲柄滑塊式送料裝置161當帶輪帶動偏心軸轉動時，由于懸掛在偏心軸上的動顎板在下部與搖桿相鉸接，使得動顎板作復雜的平面運動。楔形間隙中的物料在從大口到小口的運動過程中通過動顎板的往復運動將打大塊物料擠碎成小塊。動顎板可視為執(zhí)行構件。顎式破碎機皮帶輪電機邊護板定顎板調(diào)整塊偏心軸動顎板搖桿162第六節(jié)機架的機構與創(chuàng)新設計

機架是機構中不動的構件，在實際的機械系統(tǒng)中機架實體主要起著支承和容納其他構件的作用。支架、箱體、工作臺、床身、底座等支承構件均可視為機架。一個機械系統(tǒng)的支承件可能不止一個，它們有的相互固定聯(lián)接，有的可以做相對移動，以滿足調(diào)整部件相對位置的要求。機架零件承受各種力和力矩的作用，一般體積較大且形狀復雜。各類運動副、活動構件的設計都有一定的設計模式，機架的設計則沒有固定的模式，也沒有固定的計算公式，需要根據(jù)機械的總體結構和設計經(jīng)驗確定機架的類型，它們的設計和制造質(zhì)量對整個機械的質(zhì)量有很大的影響。163

一、機架的分類和基本要求

機架的種類雖然很多，但根據(jù)其結構形狀可大體分為四類，即梁型、板型、框型和箱型。梁型機架的特點是其某一方向尺寸比其它兩方向的尺寸大很多，因此，在分析或計算時可將其簡化為梁，如車床床身、各類立柱、橫梁、伸臂等均屬此類。

圖中構件1、3、5均為梁型機架。機架按結構形狀的分類1423搖臂鉆床352車床預應力鋼絲纏繞機架13164

板型機架的特點是其某一方向尺寸比其它兩方向的尺寸小得多，可近似簡化為板件，如鉆床工作臺及某些機器較薄的底座等。

圖中構件4為板型機架。機架按結構形狀的分類1423搖臂鉆床352車床預應力鋼絲纏繞機架13165

框型機架具有框架結構，如軋鋼機機架、鍛壓機機身等。圖中構件6為框型機架。閉式鍛壓機機架6開式鍛壓機機架6柱式壓力機機架6機架按結構形狀的分類166

箱型機架是三個方向的尺寸差不多的封閉體，如減速器箱體、泵體、發(fā)動機缸體等。圖中構件2為箱型機架。機架的設計要求有：足夠的強度和剛度，足夠的精度，較好的工藝性，較好的尺寸穩(wěn)定性和抗振性，外觀美觀；還要考慮到吊裝，安放水平，電器部件安裝等問題。因此，機架的結構設計要滿足機械對機架的功能要求。機架按結構形狀的分類機架按結構形狀的分類機械傳動箱體21423搖臂鉆床352車床167

二、保證機架功能的結構措施1.合理確定截面的形狀和尺寸機架的受力和變形情況往往很復雜，而對其影響較大的為彎曲、扭轉或者二者的組合。截面積相同而形狀不同時，其截面慣性矩和極慣性矩差別很大，因此其抗彎和抗扭剛度差別也很大。1)無論圓形、方形，還是矩形，空心截面都比實心截面剛度大，故機架一般設計成空心形狀。2)無論實心截面還是空心截面，在受力方向上，尺寸大的抗彎剛度大，圓形截面的抗扭剛度高，矩形截面沿長軸方向抗彎剛度高。3)加大外廓尺寸，減少壁厚，可提高抗彎、抗扭剛度。4)封閉截面比開口截面剛度大。1682.合理布置隔板和加強肋隔板和加強肋也稱肋板和肋條。合理布置隔板和加強肋通常比增加支承件的壁厚的綜合效果更好。1)隔板

隔板實際上是一種內(nèi)壁，它可聯(lián)接兩個或兩個以上的外壁。對梁型支承件來說，隔板有縱向、橫向和斜向之分?？v向隔板的抗彎效果好，而橫向隔板的抗扭作用大，斜向隔板則介于上述兩者之間。所以，應根據(jù)支承件的受力特點來選擇隔板類型和布置方式。應該注意，縱向隔板布置在彎曲平面內(nèi)才能有效地提高抗彎剛度，因為此時隔板的抗彎慣性矩最大。此外，增加橫向隔板還會減小壁的翹曲和截面畸變。1692.合理布置隔板和加強肋隔板和加強肋也稱肋板和肋條。合理布置隔板和加強肋通常比增加支承件的壁厚的綜合效果更好。AAFA

AA

AAAF縱向隔板的布置不合理的布置合理的布置1702)加強肋

加強肋的作用主要在于提高外壁的局部剛度，以減小其局部變形和薄壁振動，一般布置在壁的內(nèi)側，有時也布置在殼體外側。圖a用于加強導軌的剛度；圖b用于提高軸承座的剛度。圖c、圖d和圖e則用于壁板面積大于400mm400mm的構件，以防止產(chǎn)生薄壁振動和局部變形。a)d)b)c)e)171a)d)b)c)e)

其中，圖c的結構最簡單，工藝性最好，但剛度也最低，可用于較窄或受力較小的板型機架上；圖d的結構剛度最高，但鑄造工藝性差，需要幾種不同的泥芯，成本也較高；圖e結構居于上述二者之間。常見的還有米字形