机械结构与创新设计讲解学习.ppt

机械结构与创新设计机械结构与创新设计第一节第一节 机械结构设计的概念与基本要求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，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。即把机构系统转化为机械实体系统的过程。1212543如用转动副连接的两构件，最简单的结构设计如图如用转动副连接的两构件，最简单的结构设计如图一、机械结构设计一、机械结构设计机械创新过程：机械创新过程：功能机构结构二、机构设计的基本要求二、机构设计的基本要求1 1、功能要求、功能要求2 2、使用要求、使用要求3、结构工艺性要求结构工艺性要求4 4、人机学要求、人机学要求传递运动和动力传递运动和动力保证零部件间相对位置保证零部件间相对位置保证运动轨迹保证运动轨迹受力合理受力合理提高强度、刚度提高强度、刚度节省材料节省材料延长使用寿命延长使用寿命合理选用毛坯类型合理选用毛坯类型便于切削加工便于切削加工便于装配和拆卸便于装配和拆卸易于维护和修理易于维护和修理应使零件形状简单合理应使零件形状简单合理适应生产条件和规模适应生产条件和规模安全安全操作舒适操作舒适环境保护环境保护第二节第二节 转动副的结构与创新设计转动副的结构与创新设计一、对转动副结构的基本要求一、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。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、减小摩擦损失和保转件的位置精度、承受压力、减小摩擦损失和保证使用寿命。证使用寿命。1212543最简单的两构件之间的转动副连接最简单的两构件之间的转动副连接二、轴承用于转动副二、轴承用于转动副为了减少摩擦和磨损，将相对转动的圆柱为了减少摩擦和磨损，将相对转动的圆柱表面用轴承代替。表面用轴承代替。滚动轴承滚动轴承滑动轴承滑动轴承二、轴承用于转动副二、轴承用于转动副新型轴承：新型轴承：气体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。重载以及结构上要求剖分等场合。1、整体式滑动轴承、整体式滑动轴承（一）滑动轴承的基本结构形式（一）滑动轴承的基本结构形式2、剖分式滑动轴承、剖分式滑动轴承3、调心式滑动轴承、调心式滑动轴承1、整体式滑动轴承、整体式滑动轴承（一）滑动轴承的基本结构形式（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应用：轻载、不经常拆卸且不重要的场合2、剖分式滑动轴承、剖分式滑动轴承特点：装拆方便，调整轴瓦与轴颈间隙方便特点：装拆方便，调整轴瓦与轴颈间隙方便缺点：结构复杂，制造费用较高缺点：结构复杂，制造费用较高应用：应用广泛应用：应用广泛（一）滑动轴承的基本结构形式（一）滑动轴承的基本结构形式3、调心式滑动轴承、调心式滑动轴承特点：轴瓦相对轴可一定范围内摆动，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：球面加工不易缺点：球面加工不易应用：轴承长径比较大的场合应用：轴承长径比较大的场合（一）滑动轴承的基本结构形式（一）滑动轴承的基本结构形式轴瓦轴承盖轴承座B（二）（二）径向滑动轴承轴瓦的结构径向滑动轴承轴瓦的结构（1）整体式）整体式 整整 体体 轴轴 套套 卷制轴套结构卷制轴套结构 1、轴瓦的形式和构造、轴瓦的形式和构造（2）剖分式）剖分式剖分式剖分式 轴瓦轴瓦（二）（二）径向滑动轴承轴瓦的结构径向滑动轴承轴瓦的结构1、轴瓦的形式和构造、轴瓦的形式和构造2 2、轴瓦定位、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：轴瓦端部做成凸缘轴瓦端部做成凸缘、用销钉或螺钉将其固定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 3、油孔及油槽的开设、油孔及油槽的开设油孔油孔油沟油沟壁厚壁厚定位唇定位唇油室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形状 油沟油沟 轴向油沟轴向油沟 油孔、油槽开设原则：油孔、油槽开设原则：1 1、油槽的轴向长度应比轴瓦长度短（、油槽的轴向长度应比轴瓦长度短（80%80%），不能），不能沿轴向完全开通，以免润滑油流失沿轴向完全开通，以免润滑油流失油沟布置不当降低油膜承载能力油沟布置不当降低油膜承载能力 油孔、油槽开设原则：油孔、油槽开设原则：2 2、液体润滑轴承，油孔和油槽应开在非承载区，以免、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膜，使轴径与轴瓦由油膜分开 （三）（三）液体静压润滑轴承液体静压润滑轴承 液体动压润滑轴承：液体动压润滑轴承：特点：系统复杂、工作可靠特点：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：液体静压润滑轴承：外界高压油输入轴承间隙，外界高压油输入轴承间隙，轴径与轴瓦由油膜分开轴径与轴瓦由油膜分开 （三）（三）液体静压润滑轴承液体静压润滑轴承四、滚动轴承作为转动副四、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、零件与轴承内外件的周向定位与轴向定位、零件与轴承内外圈的配合问题。圈的配合问题。径向接触径向接触轴承轴承向心角接向心角接触轴承触轴承第三节第三节 移动副的结构与创新设计移动副的结构与创新设计一、对移动副结构的基本要求一、对移动副结构的基本要求导向精度高导向精度高刚度大刚度大耐磨性高及结构工艺性好等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。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，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，故易作低速导轨但也不易保存润滑油，故易作低速导轨例：车床的床身导轨例：车床的床身导轨反之：反之：当凹形导轨为下导轨时，可作高速导轨当凹形导轨为下导轨时，可作高速导轨例：磨床的床身导轨例：磨床的床身导轨1、导轨截面基本形式、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（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、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圆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；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；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。磨损小，寿命长，润滑简便。缺点：结构复杂，加工困难，成本较高；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对赃物及导轨面的误差比较敏感上导轨上导轨下导轨下导轨滚柱滚柱保持架保持架滚动导轨常见结构形式滚动导轨常见结构形式1、滚珠导轨、滚珠导轨滚珠滚珠优点：结构紧凑，制造容易，成本相对较低；优点：结构紧凑，制造容易，成本相对较低；缺点：刚度低，承载能力小缺点：刚度低，承载能力小滚动导轨常见结构形式滚动导轨常见结构形式2、滚柱导轨、滚柱导轨优点：刚度大，精度高、承载能力强；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缺点：配对导轨副平行度要求高滚柱滚柱滚动导轨常见结构形式滚动导轨常见结构形式3、滚针导轨、滚针导轨优点：承载能力大，径向尺寸比滚珠导轨紧凑；优点：承载能力大，径向尺寸比滚珠导轨紧凑；缺点：摩擦阻力较大缺点：摩擦阻力较大滚针滚针滚动导轨常见结构形式滚动导轨常见结构形式5、滚动轴承导轨、滚动轴承导轨优点：结构简单，标准件优点：结构简单，标准件滚动轴承滚动轴承第四节第四节 构件的结构与创新设计构件的结构与创新设计一、杆类构件一、杆类构件1、结构形式、结构形式（2）凸轮推杆类构件）凸轮推杆类构件（1）连杆类构件）连杆类构件（1）连杆类构件示例）连杆类构件示例（a a）具有转动副的构件结构）具有转动副的构件结构（b b）具有转动副和移动副的构件结构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）凸轮推杆类构件示例2 2、可调节杆长的结构、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。能力，以满足实际应用中的一些特殊要求。如图所示为采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。心轮来调节构件的长度。调节支座的位置可以采用蜗轮蜗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。块在导槽中的位置来调整。调节连杆长度调节连杆长度调节曲柄长度调节曲柄长度可调长度杆类构件示例可调长度杆类构件示例图图6-27 曲柄长度的调节曲柄长度的调节可调长度杆类构件示例可调长度杆类构件示例图图6-28 连杆长度的调节连杆长度的调节二、盘状类构件二、盘状类构件1 1、盘形凸轮类、盘形凸轮类2 2、齿轮类、齿轮类3 3、链轮类、链轮类4 4、带轮类、带轮类5 5、飞轮类、飞轮类6 6、棘轮类、棘轮类7 7、槽轮类、槽轮类凸轮类齿轮类齿轮尺寸齿轮尺寸小小大大实心式实心式腹板式腹板式轮辐式轮辐式蜗杆和蜗轮的结构2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 为了减摩的需要，为了减摩的需要，蜗轮通常要用青铜制作蜗轮通常要用青铜制作。为了节省铜材，。为了节省铜材，当蜗轮直径较大时，采用当蜗轮直径较大时，采用组合式蜗轮组合式蜗轮结构，齿圈用青铜，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：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实心式腹板式腹板式组合式组合式（焊接）（焊接）组合式组合式（螺栓）（螺栓）带轮类带轮类实心式实心式腹板式腹板式孔板式孔板式轮辐式轮辐式曲柄滑块机构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、轴类构件三、轴类构件1 1、直轴类、直轴类:由轴上零件的轴向定位和周向定位由轴上零件的轴向定位和周向定位 确定轴的结构确定轴的结构三、轴类构件三、轴类构件2 2、曲轴类、曲轴类:由曲拐的数量、支撑和平衡配重来由曲拐的数量、支撑和平衡配重来 设计曲轴的结构设计曲轴的结构配重配重配重配重三、轴类构件三、轴类构件3 3、其他、其他:当盘类构件径向尺寸较小时，常与轴制成一体当盘类构件径向尺寸较小时，常与轴制成一体四、其它活动构件四、其它活动构件CBA五、执行机构的执行构件五、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，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。这是最能体现创新的环节之一。例例6-1 机械手结构机械手结构图图6-47 齿轮式自锁性抓取机构齿轮式自锁性抓取机构图图6-48斜斜楔楔杠杠杆杆式式抓抓取取机机构构例例6-1 机机械械手手结结构构例例6-2 泵泵结结构构图图6-49 六齿摆线齿轮泵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隔开例例6-2 泵结构泵结构图图6-50曲曲柄柄摇摇块块型型摆摆缸缸式式活活塞塞泵泵两两个个执执行行机机构构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轮换连通例例6-3 送料装置送料装置滑块4是执行机构，图6-51 曲柄滑块式送料装置13452FO6CBDEA自由度自由度n=5n=5、P PL L=7=7、P PH H=0=0 F=3n-2P F=3n-2PL L-P-PH H =3 =3 5-25-2 7 700 =1 =1第五节第五节 机架的结构与创新设计机架的结构与创新设计一、机架的分类和基本要求一、机架的分类和基本要求 机架的种类虽然很多，但根据其结构形状机架的种类虽然很多，但根据其结构形状可大体分为四类：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，如减箱型：三个方向的尺寸差不多的封闭体，如减 速器箱体速器箱体摇臂钻摇臂钻车床车床锻床锻床立柱立柱伸臂伸臂横梁横梁梁型机架梁型机架底板座底板座板型机架板型机架闭式锻压机机架闭式锻压机机架框型机架框型机架二、保证机架功能的结构措施二、保证机架功能的结构措施1 1、合理确定截面的形状和尺寸、合理确定截面的形状和尺寸1 1）无论圆形、方形，还是矩形，空心截面都无论圆形、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比实心的刚度大，故机架一般设计成空心 形状形状2 2）无论实心截面或者空心截面，在受力方向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扭刚度高，矩形截面沿长轴方向抗弯刚度 高。高。3 3）加大外廓尺寸，减少壁厚可提高抗弯、抗加大外廓尺寸，减少壁厚可提高抗弯、抗 扭刚度。扭刚度。4 4）封闭截面比开口截面刚度大。封闭截面比开口截面刚度大。2 2合理布置隔板和加强肋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隔板和加强肋通常比增加支承件的壁厚的综合效果更好。效果更好。F正确正确不正确不正确加强肋（筋）的形式加强肋（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 3、合理开孔和加盖、合理开孔和加盖在机架壁上开孔会降低刚度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大小：孔宽或孔径以不大于壁宽的1/4为宜为宜位置：支撑件壁的几何中心附近或中心线附近位置：支撑件壁的几何中心附近或中心线附近 4 4、提高局部刚度和接触刚度、提高局部刚度和接触刚度龙门刨床床身龙门刨床床身联接部分的结构联接部分的结构 5 5、增加阻尼以提高抗振性、增加阻尼以提高抗振性 阻尼阻尼（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第六节 机械零件结构的集成化与机械零件结构的集成化与创新设计创新设计一、集成化设计：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。个功能的结构设计。集成化设计具有突出的优点，结构的集成化集成化设计具有突出的优点，结构的集成化设计是结构创新设计的一个重要途径。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空心轴空心轴圆柱齿轮圆柱齿轮轴承及法兰盘轴承及法兰盘锥齿轮锥齿轮轴承及法兰盘轴承及法兰盘齿轮、轴、轴承、法兰盘的集成化设计齿轮、轴、轴承、法兰盘的集成化设计第七节第七节 机械产品的模块化与创新设计机械产品的模块化与创新设计一、模块化设计的涵义一、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。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，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、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规格不同地产品。这种设计方法称为模块化设计。计。二、模块化设计实例二、模块化设计实例 数控车床模块化部件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电磁环境检测系统中，要求锅状天线能绕水平轴在轴在9090 范围内旋转，而且能绕垂直轴范围内旋转，而且能绕垂直轴360360 旋旋转，整套运动系统安装在三角支架上。因此组成转，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、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。绕垂直轴旋转模块、支撑模块和控制模块。水平旋转模块水平旋转模块垂直旋转模块垂直旋转模块支撑模块支撑模块控制模块控制模块天线模块天线模块+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锅形天线模块三脚架支撑模块三脚架支撑模块电机减速器模块电机减速器模块电动缸模块电动缸模块控控制制模模块块复习思考题复习思考题1、不同滑动导轨截面的优缺点及各种组合的用法。、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。、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、什么情况下将曲柄做成偏心轮机构4、机架的分类、机架的分类5、集成化设计的涵义和优点、集成化设计的涵义和优点6、模块化设计的涵义和优点、模块化设计的涵义和优点结束结束