机械结构与创新设计

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
1、导轨截面基本形式
优点：结构紧凑、调整间隙方便 如果导轨受力在两个斜面上的分量相差很大，应采用不 导轨磨损后能自动补偿，故导向精度较高。 缺点：几何形状较复杂，配合精度低；摩擦力大； 优点：结构简单，制造、检验和修理容易； 优点：加工、检验简单，精度高 对称V形导轨，使力（两个斜面的合力）的作用方向尽可 截面角度一般90° 运动灵活性较差 承载能力和刚度较大； 缺点：导轨间隙不能调整，尤其是磨损后不能调整和补偿 能垂直于导轨面。 大顶角（ 110°~120°）：承载面积加大，压强减小 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 缺点：磨损后不能自动补偿间隙 小顶角（ 60°）：提高导向性 应用：广泛
气体轴承
磁轴承
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。
（一）滑动轴承的基本结构形式
1、整体式滑动轴承 2、剖分式滑动轴承 3、调心式滑动轴承
油杯孔
轴承座 轴承
（一）滑动轴承的基本结构形式 1、整体式滑动轴承
1-轴承座 2-整体轴瓦 3-油孔 4-螺纹孔
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。
滑动轴承
滚动轴承
二、轴承用于转动副
新型轴承：
气体轴承 (gas bearing)：用 磁轴承是利用磁力使轴承稳 气体作润滑剂的滑动轴承。 定悬浮起来且轴心位置可以 最常用的气体润滑剂为空气， 由控制系统控制的一种新型 轴承 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
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
轴向油沟
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
油沟布置不当降低油膜承载能力
（三）
液体静压润滑轴承
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
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
（2）凸轮推杆类构件示例
B B
A
C
C
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
上轴瓦
联接螺栓 轴承盖 下轴瓦 轴承座 联接螺栓
35°
35°
剖分式径向滑动轴承
螺纹孔 联接螺栓 榫口
轴承盖
剖分轴瓦
轴承座
斜开径向轴承
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
二、机械结构设计的基本要求
传递运动和动力
1、功能要求 2、使用要求
3、结构工艺性要求
4、人机学要求
保证零部件间相对位置 受力合理 保证运动轨迹 提高强度、刚度 应使零件形状简单合理 节省材料 适应生产条件和规模 延长使用寿命 合理选用毛坯类型 便于切削加工 安全 便于装配和拆卸 操作舒适 易于维护和修理 环境保护
图
6-50
中往复移动
2、摆缸2
绕轴线c转动
依赖摆缸的摆动， 摆缸与吸入口b和 输出口d轮换连通
曲 柄 摇 块 型 摆 缸 式 活 塞 泵
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
1 F O
A
2 5 6 4 C
B
3 D E
自由度
n = 5、PL = 7、PH = 0 F=3n-2PL-PH =35-27–0 =1
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。
调节曲柄长度
调节连杆长度
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
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
机械创新过程：
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，即梁型、板型、框型和箱型。
梁型－某一方向尺寸比其它两个方向大很多，计算分析时可简 化为梁，车床床身、立柱、横梁、伸臂等 板型－某一方向尺寸比其它两个方向小很多，可近似简化为板
件，如转床工作台、机器较薄底座。
例6-1 机械手结构
图6-47 齿轮式自锁性抓取机构
例 6-1 机 械 手 结 构
图
6-48
斜 楔 杠 杆 式 抓 取 机 构
结构创新原理： 例 6-2 泵 结 构 特殊轮廓线制出的 齿形d把吸入腔a
和输出腔b隔开
图6-49 六齿摆线齿轮泵
例6-2 泵结构 两 个 执 行 机 构
1、活塞杆3
在摆缸2的缸体a
（2）剖分式
1、轴瓦的形式和构造
剖分式 轴瓦
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
垂直于轴线在中 位线处开油沟有 不合理的地方
油沟
油孔
油室
壁厚
定位唇
油孔
油沟
油孔
油沟
油沟形状
油沟
油孔、油槽开设原则：
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
（一）滑动轴承的基本结构形式 2、剖分式滑动轴承
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
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
功能 机构 结构
一、机械结构设计
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。
1.螺钉头
• 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。
2. 螺钉体 • 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。
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
滚柱 下导轨
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
液体动压润滑轴承：
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
（三）
液体静压润滑轴承
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 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
四、滚动轴承作为转动副
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。
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
B
A
C
五、执行机构的执行构件
V 形与燕尾形组合：导向精度高；但加 双矩形组合：特点与矩形与平面组合相 燕尾形与矩形组合：矩形导轨承受大部 工和测量都比较复杂 分压力，燕尾形导轨作侧导向面 同。导向面间的距离较大，导向精度稍
差
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
3. 螺钉尾 • 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
4
1 2
5
2 1 3
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。
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 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 • 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
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。
（一）滑动轴承的基本结构形式 3、调心式滑动轴承
轴承盖 轴瓦
R (球 )
轴承座
B
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
（二）
பைடு நூலகம்
径向滑动轴承轴瓦的结构
1、轴瓦的形式和构造
（1）整体式
整 体 轴 套
卷制轴套结构
（二）
径向滑动轴承轴瓦的结构
（不对称 V型） 对称三角形 （V型）
不对称三角形
矩形
燕尾槽
圆形
凸形
凹形
2、常用滑动导轨的组合形式
双V 形与平面组合：工艺性好了，但二轨 形组合：导向精度高，承载能力大， 矩形与平面组合：承载能力大，制作简 磨损后能自动补偿间隙，故精度保持好； 磨损不均匀，且磨损后不能自动调整间 单，侧面间隙可用镶条调整；但侧向接 但制作、检验、维修困难 隙 触刚度低
齿轮类
实心式 腹板式 轮辐式
小
齿轮尺寸
大
涡轮结构
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
链轮类
实心式
腹板式
组合式（焊接） 组合式（螺栓）
功能举例分析
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。
螺钉功能可分解为螺钉头、螺钉体、螺钉尾三部分。
1.螺钉头 • 扳拧功能
应与扳拧工具相结合进行结构设计与创新
已有结构：
功能扩展： 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 。
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
滚动导轨常见结构形式 2、滚柱导轨
滚柱
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
滚动导轨常见结构形式 3、滚针导轨
滚针
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
滚动导轨常见结构形式 5、滚动轴承导轨
滚动轴承
优点：结构简单，标准件
第四节 构件的结构与创新设计