第六章 机械结构与创新设计.ppt

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 机械创新过程 一 机械结构设计 二 机械结构设计的基本要求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 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 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 功能举例分析 螺钉功能可分解为螺钉头 螺钉体 螺钉尾三部分 1 螺钉头 应与扳拧工具相结合进行结构设计与创新 扳拧功能 已有结构 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 功能扩展 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 1 螺钉头 2 螺钉体 3 螺钉尾 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 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 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 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 gasbearing 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 油杯孔 轴承 轴承座 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 1 轴承座2 整体轴瓦3 油孔4 螺纹孔 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 应用广泛 一 滑动轴承的基本结构形式 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 螺纹孔 轴承座 轴承盖 联接螺栓 剖分轴瓦 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 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 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 油孔 油槽开设原则 油沟布置不当降低油膜承载能力 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 油孔 油槽开设原则 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 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 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 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 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 导轨由凹凸两种形式相互配合组成 1 导轨截面基本形式 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 110 120 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 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 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 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 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 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 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 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 组合式蜗轮 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 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 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 例6 1机械手结构 图6 47齿轮式自锁性抓取机构 五 执行机构的执行构件 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 两个执行机构 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 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 0F 3n 2PL PH 3 5 2 7 0 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 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 框型 具有框架结构 如轧钢机机架 锻压机机身等 箱型 三个方向尺寸差不多的封闭体 如减速器箱体 泵体 发动机缸体 摇臂钻 车床 锻床 立柱 伸臂 横梁 梁型机架 底板座 板型机架 闭式锻压机机架 框型机架 机架类零部件设计要求 强度 刚度 精度 工艺性 较好的尺寸稳定性和抗震性 外形美观 同时考虑安装放置问题 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 二 保证机架功能的结构措施 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 隔板 内壁的一种 梁型支撑件的隔板分纵向和横向纵向隔板抗弯效果好 横向隔板抗扭作用大注意 纵向隔板只有布置在弯曲平面内才能有效地提高抗弯刚度 增加横向隔板还会减小壁的翘曲和截面畸变 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的构件 肋的高度一般取壁厚的4 5倍肋的厚度一般取壁厚的0 8倍 2 合理布置隔板和加强肋 加强筋的作用主要在于提高外壁的局部刚度 以减小其局部变形和薄壁振动 一般布置在壁的内侧 有时也在壳体外侧 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4 5倍肋的厚度一般取壁厚的0 8倍 3 合理开孔和加盖机架壁上开孔会降低刚度 但因为结构和工艺要求常常需要开孔 开孔面积小于所在壁面积的0 2时 对刚度影响较小 当大于0 2时 抗扭刚度降低很多 故孔宽或孔径以不大于壁宽的1 4为宜 且应开在支撑件壁的几何中心附近或中心线附近 开口对抗弯刚度影响较小 若加盖或拧紧螺栓 抗弯刚度可接近未开口水平 抗扭刚度在加盖后可恢复到原来的35 41 左右 4 提高局部刚度和接触刚度 局部刚度 是指支撑件上与其他零件或地基相联部分的刚度 5 增加阻尼以提高抗振性 增加阻尼可以提高抗震性 铸铁材料的阻尼比钢大 在铸造的机架中保留砂芯 在焊接件中填充砂子或混凝土 可增加阻尼 7 结构工艺性 6 材料的选择 根据机架功能选择材料 举例说明 导轨机架一体 按导轨选择机架无导轨或镶嵌导轨仍根据机架功能选择材料 机架材料有 铸铁 钢 轻金属 非金属 铸铁铸钢焊接铸铝铸铜 铸造 焊接 或铆接以及机械加工工艺性 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优点 简化产品开发周期 降低开发成本 提高系统性能和可靠性 减少重量 节约材料和成本 减少零件数量 简化程序 缺点 制造复杂 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