1、产品结构设计全册配套最完整产品结构设计全册配套最完整 精品课件精品课件1 产品结构设计产品结构设计 1.1概述 1.2铸造壳体、箱体 1.3焊接壳体、箱体 1.4冲压壳体 1.5注塑壳体、箱体 第一章、壳体、箱体结构设计 1.1、概述 一、壳体、箱体功能与作用 壳体与箱体没有本质上的区别： 壳体壳体：从产品构造和结构特点上的称谓，具有包容内部组成 部件且厚度较薄的特征，如电视机壳。 箱体：箱体：从零部件功能和结构特征方面的定义，具有包容、支 撑等结构功能且相对封闭的特点，如汽车变速箱。 壳体、箱体的主要功能，以图1-1为例： 容纳、包容容纳、包容：将 产品构成的功能 部件容纳于内。 定位、支撑
2、：定位、支撑：支 撑、确定产品构 成各零部件的位 置。 防护、保护：防护、保护：防 止构成产品的零 部件受环境的影 响、破坏或其对 使用者与操作者 造成危险与侵害。 装饰、美化：装饰、美化：工 业造型设计主要 关注的问题。 其他：其他：依产品的 功能和使用目的 而定。 二、壳体、箱体的结构特点与设计要求 结构特点：结构特点：在满足强度、刚度等设计要求的基础上， 通常采用薄壁结构，并设置有容纳、固定其他零部 件的结构和方便安装、拆卸等结构。结构设计时除 考虑其主要功能、作用外，还应考虑以下几个要素： 设计要求：设计要求：见后面图例说明。 定位零部件：定位零部件： 以图1-2为 例，固定的 零部件
3、与运 动的零部件 在结构上有 所不同。 便于拆、装：便于拆、装： 以图1-3、4 为例，考虑 产品的组装、 拆卸和维修、 维护，箱体 多设计成分 体结构，各 部分通过螺 丝、锁扣等 进行组合连 接。 考虑拆卸的设计：考虑拆卸的设计： 以图1-5为例，不考 虑拆卸的设计。 考虑材料及加工、考虑材料及加工、 生产方式：生产方式： 产品功能和使用目的 决定外壳材料，生产 成本和批量决定加工、 生产方式，进而决定 壳体、箱体的结构设 计。 考虑装饰与造型装饰 与造型的设计应结合 产品的功能、构件的 材料及加工、生产方 式进行。 三、壳体、箱体的设计准则与程序 保证刚度、强度、稳定性及加工性 的设计准则
4、 刚度：刚度：对于承受较大载荷及作 为支撑和其他零部件定位的壳体和 箱体，刚度是主要设计准则。 强度：强度：强度时考虑壳体、箱体 的防护和保护性能进行设计的基本 准则，分静态和动态两方面考虑。 稳定性：稳定性：受压及受压弯结构都 存在失稳问题，特别是薄壁腹部还 存在局部失稳问题，必须校核。 加工性：加工性：铸造、注塑构件应考 虑液体的流动性、填充线和脱模， 冲压件应考虑材料延展性和拉伸能 力，并做相应的计算。 壳体、箱体的通常设计步骤与程序 初步确定形状、主要结构和尺寸。 常规计算。 静动态分析、模型或实物试验及优化 设计。 制造工艺性和经济性分析。 详细结构设计 1.2、铸造壳体、箱体 一、
5、铸造壳体、箱体的特点 有较高的刚度、强度：有较高的刚度、强度：铸造构件一般壁厚较大，适合对刚度 强度要求较高的产品外壳；也可以在铸件上制作部分其他结构 部件。 造型适应性强：造型适应性强：可制作比较复杂和变化不规则外形，以图1-6、 7、8为例。 表明粗糙，尺寸精度低。表明粗糙，尺寸精度低。 封闭性好：封闭性好：以图1-9为例。 工艺灵活性打、成本低工艺灵活性打、成本低。 其他其他：铸铁材料具有减震、抗震性能和耐磨、润滑性能。 造型适应性强：造型适应性强： 可制作比较复杂 和变化不规则外 形 造型适应性强：造型适应性强： 可制作比较复杂 和变化不规则外 形 造型适应性强：造型适应性强： 可制作
6、比较复杂 和变化不规则外 形 封闭性好封闭性好 铸造成型的主要缺点： 铸造组织的晶粒比较粗大，且内部常有缩孔、缩松、气孔、 砂眼等缺陷，力学性能一般不然锻件。 铸造生产工序繁多，工艺过程较难控制，废品率较高。 工作条件较差，劳动强度比较大。 二、铸造壳体、箱体常用材料 铸铁：铸铁：铸铁流动性好，体收缩和线收缩小，容易获得形状复杂 的铸件，在铸造时加入少量合金元素可提高耐磨性能。铸铁分 类：灰铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁、可锻铸铁。 铸造碳钢：铸造碳钢：铸钢熔点高、流动性差、收缩率大，吸震性低于铸 铁，弹性规模较大。 铝合金：铝合金：纯铝强度低、硬度小，因此，制造产品壳体常采用铝 合金材料。常用铝合
7、金有：铝硅合金、铝铜合金、铝镁合金、 铝锌合金。 三、铸造工艺流程 砂型铸造：砂型铸造时应用最广泛的铸造方法，其生产过程如图 1-10所示。 砂型的结构组成如 图1-11所示。 砂型铸造有适应性 强、生产简单等优 点，但砂型铸造生 产的铸件尺寸精度 较低、表面粗糙、 内在质量较差，且 生产过程较复杂。 与砂型铸造比较，有 以下几个特点： 铸件精度及表面质量 高。能够铸造各种合 金铸件。 生产批量不受限制。 熔模铸件的形状可以 比较复杂 。 熔模铸件的重量不宜 太大。 熔模铸造熔模铸造：熔模铸造的工艺流程如图1-12所示。 与砂型铸造比较，金 属铸造有以下的特点： 实现了“一型多铸”。 铸件的力
8、学性能提高。 精度及表面质量高。 金属型的制造成本高、 周期长；铸型透气性 差、无退让性，易产 生冷隔、浇不足、裂 纹等铸造缺陷。 金属型铸造：金属型铸造：用金属制成的铸造型腔，进行浇注获得铸件的 铸造方法，如图1-13所示。 与砂型铸造比较，有如与砂型铸造比较，有如 下优点：下优点： 铸件尺寸精度、表面质 量高。铸件的强度和表 面硬度高。可铸造形状 复杂的薄壁铸件。生产 效率高。 压力铸造的缺点：压力铸造的缺点： 设备投资大，压型成本 高。压铸高熔点合金时， 压型的寿命低。 压力铸造压力铸造：如图1-14所示，在高压下，使液态或半液态金属 以较高的速度填充铸型的型腔，并在压力作用下凝固而获得
9、 铸件的方法。 离心铸造：如图1-15所示，将液态合金浇入高速旋转的铸型 中，使金属在离心力的作用下填充铸型并凝固成型。 与砂型铸造比较，有如 下特点： 工艺过程简单，节约金 属和其他原材料。 铸件组织致密，无缩孔、 气孔、夹渣等缺陷，力 学性能好。 铸造合金的种类不受限 制。 铸件的内表面质量差， 孔的尺寸不易控制。 四、铸造壳体、箱体结构设计 在设计铸造壳体、箱体结构时，除考虑壳体设计 的总体要求与准则，还应重点结合铸造生产的工 艺特点，考虑相关的工艺性。在此，结合一些典 型设计实例进行有关讨论。 铸造时处于水平位置， 易造成气孔和夹渣，如 图1-16所示。 尽量减少凹凸部分，简 化制造工
10、艺，如图1-17 所示。 考虑出模工艺，应在结构 上设计拔模斜度，包括内 腔结构，如图1-18所示。 对于砂型铸造，尽量减 少活块部分，简化制造 工艺，如图1-19所示。 凸台距离分型面较近时，为避免使用活块，可将凸台延长至分型面或取消凸 台，如图1-20所示。 如图1-21所示，修 改一些局部结构，保证砂型牢固。 如图1-22图1-24所示，修改不合理凸台，达到保护砂型进而保证铸件质量 的目的 . 如图1-25、图1-26所示，修改结构避免使用型心或减少型心数量。 铸造零件一般存在一定内应力，经过一段时间，内应力消除，零件会 产生一定变形，影响几何精度与使用性能，尺寸越大的铸件，影响越大。
11、一般铸件在机加工前，要经过一定处理。 铸铁铸件消除内应力的方法：时效处理，热处理，机械振动法。铸钢 件一般都需要热处理。 壳体、箱体铸件的关键部位一般需要精加工。主要部位包括： 壳体、箱体分离部分之间的连接部位。 壳体、箱体与内部零部件的定位与连接部位。 壳体、箱体与外部其他零部件的连接部位及地脚部位。 五、铸造零件的处理与加工 1.3、焊接壳体、箱体 焊接壳体、箱体有以下特点特点： 适用范围广。 使用灵活。 生产周期短。 强度高。 焊接的主要缺点缺点是： 造型能力较差。 加工精度较低。 焊接部位表面质量较差。 焊接产生一定的内应力，造成成品变形。 一、焊接壳体、箱体的特点 电弧焊：电弧焊：利
12、用电弧作为热源的熔焊方法，称为电弧焊。 手工电弧焊：手工电弧焊：设备简单，使用灵活、方便、通用，但对操 作人员的技能要求较高。不适宜焊接活泼金属及难熔合低熔点 金属。 埋弧自动焊：埋弧自动焊：利用连续送进的焊丝在焊剂层下产生电弧而 自动进行焊接的方法，如图1-27、1-28所示。埋弧自动焊的主 要特点：生产效率高，焊缝质量好，焊接规范自动控制。适用 于大批量生产，可焊接中、厚钢板（660mm）。 气体保护焊：气体保护焊：用外加气体作为电弧介质并保护电弧和焊接 区的电弧焊。保护气体主要有两种：惰性气体（氩气和氮气） 和活性气体（二氧化碳），其中氩弧焊，应用比较广泛。 二、焊接的方法与适用场合 埋
13、弧自动焊 埋弧自动焊 电阻焊电阻焊: : 利用电流通过工件及焊接接触面间所产生的电阻热，将 焊件加热至塑性或局部熔化状态，再施加压力形成焊接接头的焊 接方法。有点焊、缝焊、相对焊三种形式。 点焊：点焊：其基本结构如图1-29所 示，适用于焊接4mm以下薄板 广泛用于汽车、飞机、电子、 仪表和日常生活用品生产。 缝焊： 焊接厚度3mm以下的薄板搭接，主要应用于生产密封容器和管道等，如图1-30所示。 三、焊接壳体、箱体的设计 焊接结构材料的选择：焊接结构材料的选择：选用焊接性好的材料来制造焊接结构 壳体、箱体。含碳量低的碳钢和合金钢具有良好的焊接性。 焊接方法的选择：焊接方法的选择：根据材料的焊
14、接性、工件厚度、生产率要 求、各种焊接方法的适用范围和设备条件等综合考虑。 焊接接头工艺设计：焊接接头工艺设计：手工电弧焊接头基本形式有四种，如图1- 31所示。 除搭接接头外，其余接头在焊件较厚时需开坡口。坡口的基本 形式如图1-32所示 。 焊缝布置应遵循以下原则： 便于施焊：便于施焊：焊缝设置必 须具有足够的操作空间以满 足焊接工艺需要。如图1-33、 1-34所示。 有利于减少焊接应力与有利于减少焊接应力与 变形：变形：尽量选用尺寸规格较 大的板材、型材。 避开最大应力区和应力避开最大应力区和应力 集中部位。集中部位。 避开或远离机械加工面。避开或远离机械加工面。 便于施焊 1.4、冲
15、压壳体 板料冲压制造产品壳体 具有下列特点： 生产率高、操作简 单。 产品质量好。 材料利用率高。 造型能力强 适用广泛。 主要缺点：集中在模具 方面。冲模设计、制造 复杂，成本高，且一件 一模，局部更改，也要 更换模具。小批量生产 成本较高，图1-35的模 型就是例子。 一、冲压壳体的特点 二、冲压工艺与模具 冲压设备主要有剪床和冲床 两大类。常用小型冲床的结构 如图1-36所示。 冲压基本工序如图 1-37所示。 冲压模具按冲床的每一次冲程所完成工序的多少划分为简单冲 模、连续冲模及复合冲模。 简单冲模简单冲模在冲床的一次冲 程内只能完成一道工序。 如图1-38所示，简单冲模 的结构简单，
16、成本低，生 产率低，主要用于简单冲 裁件的生产。 连续冲模连续冲模在冲床的一次 冲程中，在模具的不同 位置上可以同时完成两 道以上的工序，如图1- 39所示。连续冲模生产 率高，易于实现自动化， 但结构复杂、成本高， 适于大批量生产精度要 求不高的中、小型零件。 复合冲模在冲床的一次冲程内，在模具的同一位置上可以同时完成两道以上的工序，如图1-40 所示。复合冲模生产效率高，零件加工精度高，但模具制造负责，成本高，适用于大批量生产。 在设计冲压壳体结 构时，须综合考虑产 品结构需要、零件结 构强度、材料特性与 成型能力、冲压模具 复杂性及冲压工艺等 因素。如图1-41、1- 42所示。 冲压壳
17、体设计，往 往易关注结构造型和 功能，而忽视生产加 工工艺，使得模具结 构复杂、生产成本加 大，特别是对于结构 上需要弯曲和拉伸成 型部分。 三、冲压零件的设计 板料弯曲时，内侧金 属受切向压应力，产生 压缩变形；外层金属受 切向拉应力，产生伸长 变形。当拉应力超过材 料的抗拉强度时，即会 造成金属破裂。坯料厚 度越大、弯曲半径越小， 材料所受的内应力就越 大，越容易弯裂，所以 必须控制弯曲半径，通 常取为板厚的0.25-1倍 以上，材料塑性好时取 下限。 弯曲时尽可能使弯曲线与坯料纤维方向垂直，如图1-43所示。 设计弯曲件时应加 强变形部位的刚性， 如图1-44所示。 在设计拉伸壳体 时，
18、应注意拉伸 变形的影响，如 图1-45所示。 1.5、注塑壳体、箱体 一、注塑壳体、箱体的特点 注塑壳体、箱体有以 下特点，如图1-46为 例。 生产周期短，生产效 率高，易于实现大批 量、自动化生产。 可使用材料丰富，适 应性强。 产品质量较高，一致 性好、互换性强，成 本低 。 几何造型能力强，可 生产现状、结构复杂 的产品。 功能性与装饰性结合 好。 明显的缺点： 注塑模具成本较高，不适于单件、小批量生产。 强度、表面硬度较低，扛冲击、磨损性能差，局部细小结构 在维修过程易损坏。 材料存在老化问题，耐久性差。 二、注塑工艺与模具 典型注塑工艺过程如图 1-47所示。 注塑模具在结构组成上
19、 是比较复杂的，按功能、 作用分以下几个部分： 成型部分：成型部分：模具的核心 部分，由可分合的两部 分组成，类似于凸模和 凹模。 浇注系统浇注系统 排溢、引起系统排溢、引起系统 冷却系统冷却系统 脱模机构脱模机构 模架模架 三、注塑壳体、箱体设计 注塑壳体、箱体的结构设计应综合考虑产品要求、外观造型、注塑材料、各功能局部、生产 加工条件及成本等因素。 壁厚设计尽可能均匀， 如图1-48所示。 在壳体转弯连接处，避免使用锐角连接，如图1-49所示。 在壳体结构上，尽量避免表面凹陷，如图1-50所示。 第三章、连续运动结构设计 3.1概述 3.2旋转机构设计 3.3直线运动机构 3.4曲线运动机
20、构 3.1概述 一、常用运动结构的功能与种类 运动机构种类繁多，产品的设计功能决定所选择和采用的机构 。 根据运动机构在产品中的作用，可分为和。 如图3-1，以自行车为例。车轮的转动前轮的左右摆动、车闸的 摆动抱合和变速拨叉的摆动是设计要求的基本运动，是实现自 行车功能需要执行的运动。直接保证这些运动的相应机构是飞 轮、前叉合件、车闸组件及拨链器，按功能称为执行机构执行机构。为 实现这些运动，需要相应的机构和装置将源动力和运动传递到 执行机构，按功能称为传动机构。车轮的旋转通过曲柄链轮链 条将脚蹬动力传递给飞轮实现，车闸和拨链器的运动通过柔性 钢丝（本质是连杆）将作用在闸把和控制器上的运动和动
21、力传 递给相应的执行机构完成。曲柄链轮和链条、闸把和钢丝、变 速控制器和钢丝等即为所谓的传动机构传动机构。 图3-2为一药片 包装机数片机 头结构示意图 。 由图3-2可知，在产品或机械系统中，执行机构的主要作用是实 现所需功能动作（包括执行运动和执行力），而传动机构（传 动链）则负责传递、变换、调节运动和动力，以适应不同产品 的功能需要。无论是执行机构还是传动机构，实现产品设定运 动功能可选择和采用的具体机构种类和形式都不是唯一的。 一个具体产品中的运动机构通常可能由多个结构环节组成，为 了研究、分析和设计方便，可将其分解为一个个相对独立的结 构环节或简单机构，如图3-2中的齿轮、蜗轮和蜗杆
22、。运动结构 设计通常就是选择、配置、组合、设计这些简单机构。 运动机构的种类可按照运动构件的运动规律或轨迹分为 和两种。空间机构的运动构件可在三维空间中运 动，其运动自由度至少在两个以上，如图3-3中的筛子。平面机 构的运动构件在某一平面内运动。 按照机构运动构件的运动规律特征，运动机构又可分为 、 。 最常用的是按照机构的结构特点分类的运动机构，即分为 、。 二、机构学基础 机构通常由相互间有规律相对运动的刚性体组成，这些刚性体 称为机构的构件。机构中自身相对静止的构件称为，其他 构件称为。构件可以是一个零件，也可是由若干零件 组成的刚性系统。 机构的构件间允许相对运动，构件间需采用活动连接
23、。这种使 构件间保持接触又允许相对运动的连接成为。面接触的 运动副称为低副，点或线接触的运动副称为高副。运动副按运 动范围可分为空间运动副和平面运动副两类，常用的是平面运 动副。平面运动副按运动形式特征又可分为转动副、移动副、 螺旋副、圆柱副等。 在机构分析中，运动副常采用简图符号表示，如图3-4所示 。 运动副决定了所连接构件间的相互运动关系，运动副将构件连 接起来，同时也限制了被连接构件的。机架固定，运动 自由度为0.一个通过转动副与机架相连的构件，只有相对机架 转动一个自由度，如图3-5（a），整个机构仅需一个独立参数 即可确定机构各构件的位置，此机构有一个自由度；在此运动 构件末端，再
24、通过转动副连接一个运动构件，如图3-5（b）， 则第二个运动构件相对第一个运动构件有一个运动自由度，加 上随同第一个运动构件的一个转动自由度，共有二个自由度， 机构也需要二个独立参数确定各构件的相对位置，机构自由度 为2；同理，图3-5（c）的机构有三个自由度。 确定运动机构各构件位置所需独立参数的总个数称为机构的自 由度。一个机构的自由度数应大于0，否则机构无法运动、不成 立。 机构中用于输入驱动力的构件称为（也称原动件 或主动件），驱动构件数应与机构的自由度数相同；其他运动 构件称为（也称从动件）；将运动和动力向外传递的 构件又称为（也称执行构件）。 在机构学中，一 般利用构件和运 动副符
25、号及一些 简单的线条、图 形表示机构的结 构组成、几何形 状、相对位置关 系等，称为 ，如图3- 6所示。 绘制机构运动简图时，一般是在分析清楚机构工作原理的基础 上，分析运动副的种类和数目，确定出机架、驱动件和从动 件，然后将构件简化为杆件，用线条图表示出各构件、运动副 及相对位置关系。机构运动简图不仅表示机构的结构和尺寸， 也可表示出构件的相对运动关系，最好按比例绘制 。 3.2旋转运动机构 齿轮机构 齿轮机构是最常用的转动机构，通常由两个齿轮组成一组，依 靠齿轮的啮合传递转动和扭矩。齿轮机构传动准确可靠、传递 功率大、效率高结构紧凑且使用寿命长。齿轮形式种类很多， 常见的齿轮形式如图3-
26、7所示。 齿轮按轮齿齿廓曲线形式可分为渐开线齿轮、摆线齿轮、圆弧 齿轮、正玄曲线齿轮等，其中渐开线齿轮应用最广泛。 齿轮可按齿轮外观几何形状、轮齿走向特征等分类，参见图3-7 中各齿轮的名称。 齿轮传动机构中啮合的轮齿保持紧密接触，配合使用的齿轮轮 齿大小和齿廓形状必须一致。轮齿的大小决定齿轮传递扭矩的 能力，轮齿越大，能力越大。轮齿的大小称为齿轮的模数，模 数在国标中已经标准化、系列化。齿轮制造时，使用相应标准 模式的刀具加工。 齿轮配对使用构成。一对齿轮中靠近驱动源的称为 ，另外一个称为。两齿轮的齿数比（从动轮齿数除 以主动轮齿数）称为，传动比是齿轮传动的一个基本参 数。齿轮的转速与传动比
27、成反比；齿轮承受的扭矩比与传动比 成正比。 属于特殊的齿轮机构。蜗轮蜗杆的传动方向是单 向的，即蜗杆只能作为主动件，蜗轮只能作为从动件。蜗杆的 头数为主动轮齿数，一般蜗杆头数较少（常用头数为1），因此 蜗轮蜗杆机构的传动比较大。 常见蜗轮 蜗杆形式 如图3-8所 示。 是齿轮 机构的另外一个特 例，相当于大齿轮直 径无限大的齿轮传 动，如图3-9所示。齿 轮齿条机构可实现旋 转与直线运动间的转 换。 制造齿轮的材料常见的有钢、黄铜、尼龙、塑料等。机械设备 和一些重要的传动机构常用钢材作为齿轮的制造材料，配对使 用的一对齿轮中，小齿轮转速高、齿轮磨损快，表面硬度需比 大齿轮高。仪表、钟表等机构中
28、，齿轮传递扭矩小，常用黄铜 制造齿轮，表面摩擦小且容易加工。尼龙齿轮传动噪声小，常 用于轻载、高速的轻工设备和机电一体化产品中，如照相机、 复印机、打印机等。塑料齿轮柔性好、运转噪声小，且可铸塑 生产、成本低，但传动载荷小、使用寿命短，常用于电动玩具 等不重要场合。 蜗轮蜗杆机构运动摩擦大，工作状况较差，因此蜗杆常采用钢 材制造，蜗轮则选择铸铁材料。 实际产品结构中， 为满足传动要求， 常采用多组齿轮机 构组成的传动链， 图3-10为机械照相 机的卷片机构。 是采用两个以上齿轮构成的一类齿轮传动机构，其中一个 齿轮轴为输入轴，一个齿轮轴为输出轴，其他齿轮负责逐级传 递运动。根据轮系传动时齿轮轴
29、线相对机架是否变化，轮系分 为和两类。 图3-10中，各齿轮直线式排列构成的轮系最简单，属于直排定 轴轮系，相当于一对齿轮机构的逐级传动，传动比和结构变化 小。 图3-11为一较简单的周转轮系示意图，两个中心轮分别为输入 、 输出周。周转轮系中，围绕固定中心轴转动的齿轮称为中心 轮，轴线绕中心轮或其他轴转动的齿轮称为行星轮，其运动仿 佛行星绕太阳转动，因此这类轮系也称为行星轮系。 周转轮系有很多用途，其特殊用途主要有：实现大传动比（可 达几千），满足特殊传动要求，且结构紧凑，节省空间；实现 运动的合成与分解，典型的例子是汽车后桥变速器装置，将发 动机的转动以不同的速度分配给左右两轮，用于汽车转
30、弯变速 。 作为周转轮系的 一个例子，图3- 12为自行车后变 速轴的结构，通 过操纵链控制可 实现三级变速。 采用行星轮系变 速，结构紧凑。 二、带传动机构 带传动又称皮带传动，结构简单、成本低，在很多现代机械设 备和工业及家用产品中得到使用，如机床、汽车、洗衣机、缝 纫机、录音机等。如图3-13所示，带传动机构由主动带轮、从 动带轮及传动带构成，传动带以一定张力套在两个带轮上。主 动带转动时，依靠带轮与传动带的摩擦力使从动带轮转动，实 现传动。摩擦力的大小取决于带轮与传动带间的接触压力、接 触长度和摩擦系数。 带传动机构的主要特点有： 传动轴中心距较大； 靠摩擦传动，过载打滑，可防止过载对
31、系统重要零部件的破坏； 运转平稳、吸振、噪声小； 结构简单成本低、维护保养容易。由于在正常传动过程中也存在 打滑现象且与负载的变化有关，因此带传动可靠性差，不能保证 恒定传动比，传动效率较低，传动带使用寿命短； 另外带传动机构结构尺寸较大，实现大传动比困难，也不适于高 温、易燃、易爆的使用场合。 带传动机构使用传送带的类型与传动的效果和能力关系很大，常见的传动带如图3-14所示 。 最早使用牛皮制作，故而得名。现代常采用平皮带有胶 带、钢带和复合材料带等几种。胶带又称为橡胶带、帆布袋， 有纤维织物与橡胶粘结而成，抗拉强度大、制作容易，但耐 油性能较差，常用于简单传动系统。钢带用冷轧薄钢片制成，
32、 强度大、变形小，用于特殊场合。复合材料带常用高强度尼龙 或聚酰胺等材料做强力层，以皮革作摩擦面，另一面使用耐磨 橡胶。复合材料带承载能力强、传动性好、使用寿命长，是目 前应用最多的平皮带。 有皮制、麻质、钢丝制等几种。圆形带结构简单、传动 力大，常用于工作状况恶劣的场合，如起重设备、建筑工地设 备等。 以棉线、化纤绳等为芯外裹橡胶制成。V形带一般制成环 状无接头带，断面呈梯形，两斜面与带轮槽接触，摩擦力大， 滑动小、工作可靠、运转平稳。V形带应用最广泛，属于标准化 、系列化中的部件。 综合了平皮带与V形带的优点，运转速度高、可达传动比 大，主要用于传动要求高、功率大等主要工作场合。 带传动突
33、出的缺点是工作中打滑问题，不能保证稳定、可靠的 传动比。有效解决了这一问题。如图3-15所示，齿 形带使用时需采用相应的同步齿形带轮，其传动为啮合传动， 传动带与带轮间无相对滑动，兼有齿轮传动和带传动的优点。 齿形带传动比可达10，适于高速传动，主要用于传动要求准确 的中、小功率传动系统中，如测量仪器、轻工机械、绘图仪、 平板扫描仪等。 图3-16为用于 激光雕刻机激 光头移动位置 的实例照片。 带传动机构中，两带 轮轴线可以再同一平 面内平行或交叉，也 可不一个平面内，利 用传动带与带轮的不 同缠绕方法，可构成 不同的带传动形式， 如图3-17所示。 带传动机构一般 设有， 如图3-18所示
34、。 张紧装置可增加 带轮与传动带间 的接触压力和接 触长度（包 角），也能避免 因传动带松弛产 生的影响。张紧 的方式一般采用 施力机构作用在 传动带上，通过 传动带的环状路 径改变实现。 三、链传动机构 链传动机构由主动链轮、从动链轮及环绕在链轮上的封闭链条组成，如图3-19所示。 链传动属于啮合传动，传动扭矩大、速度高，传动稳定可靠， 传动比准确。 链条的种类较多，按用途可分为起重链、牵引链和传动链三种 。 前两种分别适合于起重机械和输送用机械使用。用于旋转传动 机构中主要适用传动链。传动链按结构分为滚子链和齿形链两 种，如图3-20所示。 由滚子链节和销轴链节交替连接而成，结构简单、成本
35、 低重量轻，但在传动使用过程中链节伸展、节距变化产生振动 和噪声。滚子链主要用于中、轻载荷及非高速运转的普通传动 场合。链节两端有与链轮齿面相配合的齿廓翼板，保证 啮合时齿轮与链条啮合面紧密贴合接触，运转时噪声小，传动 平稳。齿形链的主要缺点是结构复杂、重量大、成本高。齿形 链主要用于高速、高精度的传动系统。 链轮齿数一般选择为奇数，以便磨损均匀。 从动轮与主动轮齿数之比定义为链传动的转速比。由于链传动 存在同时参与啮合齿数问题，链传动的转速比不宜太大，通常 取56以下。 链传动机构两链轮的回转平面必须在同一平面内，两轴线相互 平行。 与带传动相似，链传动也要考虑问题。链传动的张紧主要 有调节
36、中心距和在松边设置张紧装置两种方式。采用第一种方 法需在传动结构上设计相应的调节装置，如自行车、摩托车链 传动中后轮中心位置的调整机构等。对于链轮位置固定、中心 距不可调节的链传动机构，一般多采用结构简单、有效的张紧 轮结构。张紧轮应设在链传动松边，置于链条内侧或外侧均 可，通过压迫链条松边、改变链条的行走路径实现张紧。 如图3-21。张紧轮采用自由转动的链轮或圆柱滚轮，直径等于或略小于链轮直径。 四、摩擦轮传动机构 摩擦轮传动是采用以一定压力保持相互接触的旋转轮，依靠接 触摩擦力实现由主动轮向从动轮传递转动和扭矩的传动机构。 如图3-22所示，基本的摩擦轮传动机构由两个相互紧密接触的 摩擦轮
37、组成。两轮轴线交叉不知的圆柱摩擦轮，由于圆平面上 不同半径处线速度不同，通常圆周面用于摩擦的轮子轮缘倒角 或做成圆角形式；将同平面平行轴布置的摩擦轮轮面设计为V行 槽式，可增大接触面积，从而增大摩擦力。 摩擦轮传动的扭矩传递能力主要决定于接触面产生的摩擦力大 小，而摩擦接触面积、接触正压力和材料摩擦系数是摩擦力的 主要影响因素。因此，在摩擦轮机构设计上，首先考虑选择合 适的材料，特别是摩擦轮接触面的材料和表面状况，可在制造 、 加工时进行特殊的处理，在机构运转中，注意避免接触油脂、 粉尘等影响摩擦效果的物质吸附在摩擦面上；其次，在结构设 计上，应保证摩擦面大小满足要求，在可能情况下，尽可能加
38、大摩擦接触面积，可采用增加轮宽、改变结构面形状等方法； 此为，在结构上，设计合理、可靠的施加压力机构和压力调节 装置是保证摩擦轮传动机构有效工作的保障措施。 摩擦轮传动机构最突出的特点是实现变速方便，通过改变摩擦 接触位置即可实现变速。特别是，可实现无级变速，并可在系 统运转时变速。 摩擦轮机构在无级变速装置中应用较多，轮子的形状有多种变化，如图3-23。 3.3、直线运动机构 一、螺旋传动机构 螺旋传动机构由螺旋 轴和螺母组成，螺母 为工作执行构件，传 动中螺旋轴转动，螺 母沿螺旋轴作直线运 动，如图3-24所示。 螺旋传动机构一般需 设置防止螺母转动装 置，如导向轨道、挡 铁等，以确保螺母
39、可 靠地实现直线移动。 主要用于传递运动的 螺旋传动机构，螺旋 轴又称为丝杠，螺母 称为丝杠螺母。 用于螺旋传动机构螺旋轴及配套螺母可采用的螺纹牙形有多种，各有不同的特点、适于不 同的工作场合，如图3-25所示。 加工容易、自锁性好，但摩擦力大、传动效率 低，不适合于传递动力的机构。 传动效率高、自锁性较好，但加工困难，磨损后间隙 影响传动精度且无法补救，常用于功率大、精度要求不高的场 合，如千斤顶、压力机等。 的摩擦力和传动效率介于三角形和方形牙螺纹之 间，其优点是加工容易，磨损后易于补救，牙根强度较高、对 中性好，广泛用于传递较大功率件的螺旋传动机构。 是方牙和梯形牙的结合体，具有方牙螺纹
40、传动效率高 和梯形螺纹牙根强度高的特点，主要用于单向承受载荷和传递 力的传动机构或机械，如压力机、轧钢机等。 螺旋机构用于高精 度传动时，传动间 隙的影响很大，需 配合定位、导向装 置。如图3-26、图 3-27所示车床的传 动系统，采用光杆 和导轨与丝杆配合 。 螺旋千斤顶主要用螺旋传 动动力，执行直线移动的 构件可以是螺旋轴或螺母 。 图3-28所示的千斤顶，螺 母为机架，螺旋轴移动顶 起负载重物。 普通螺旋传动机构，螺旋轴与螺母的接触面运动方式为滑动， 因而摩擦大、效率低，且易磨损，磨损后，影响传动精度，使 用寿命低。 滚珠螺旋机构采用滚动方式代替滑动，摩擦、磨损大大减，运 转平稳。目前
41、，在很多高速、高精度的传动系统中已得到使 用，如数控机床、测量仪器等。滚珠丝杠机构的主要缺点是加 工制造工艺复杂、成本高，自身不能自锁。 滚珠螺旋机构有多 种结构形式，图3- 29为其中一种。 二、链输送、牵引机构 链输送、牵引机构是将链条作为工作执行构件，链轮作为传动 构件，将主动链轮的旋转运动转换为链条的直线运动，再通过 链条实现输送牵引等功能、目的。 最简单的链输送机构是直接用链条托载、输送，如图3-30所示。 链输送机的链条一般 需用导轨支撑并在导 轨上移动，轻载时可 采用滑动方式，用滚 动式链条可大大减小 摩擦和动力消耗，如 图3-31所示。 输送用链条可选种类较多，应根据使用条件和
42、要求选用。建筑、矿山等工程用输送机工作 条件特殊，需使用特制的链条，图3-32为几种承载能力强、用于恶劣工况的链条。 各种用途不同的输送机，通过在链条上安装相应的附件以满足 不同的输送需要。例如，滚动式电梯采用带沟槽整体式平板安 装于两侧的链条上，啤酒、饮料及日化产品等轻工自动生产线 用输送机则常采用分段式不锈钢片形成一个移动输送平面，输 送包装容器及生产成品等，电器组装、香烟包装等工序分段作 业生产线采用链条上安装隔离定位推板（杆）输送半成品。 图3-33为几种链条附件图。 图3-34为两种 用于粉料的链 式刮板输送机 。 图3-35为用于矿山输送矿石或电厂输送煤、炉渣的鳞板输送机。 三、带
43、输送、牵引机构 带输送、牵引机构是将皮带作为工作执行构件，带轮作为传动 构件，将主动轮的旋转运动转换为皮带的直线运动，利用皮带 实现输送、牵引等功能、目的。 图3-36为粮库、码头、货运站等广泛采用的皮带输送机，中间等距布置的托辊用于支撑皮 带。 普通输送机输送距离越长则皮带张力越大，对皮带的要求越高。在普通皮带输送机皮带下 中间位置安装几个较小的胶带机，为输送机增加驱动力，可较好地解决上述问题，如图3- 37所示。 气垫带输送机的设计思想是在输送皮带下构造一个气床，减少输送带的运动摩擦阻力。图 3-38为气垫带输送机的结构和工作原理。 磁垫带输送机是利用磁 悬浮原理使输送带处于 悬空状态，减
44、少输送带 的运动摩擦阻力。磁垫 带输送机使用的皮带为 特制的具有磁性的胶带 。图3-39为磁垫带输送 机的工作原理。 封闭管式带输送机采 用特制的皮带，在输 送机两端带轮滚筒 处，皮带为展平状 态，中间段封闭于吊 带上，如图3-40所示 。封闭管式输送机输 送距离可达数千米， 且可转弯、越障。 最常见的带传动牵引机 构是用于起重机械的滑 轮组绳牵引装置。在现 代很多机电产品中，使 用皮带牵引定位工作装 置。例如，收音机频率 调谐指针的移动、绘图 机的绘图笔的定位和移 动。对于运动精度要求 高的运动牵引，移动装 置最好利用刚性导轨导 向，图3-41的扫描仪就 是例子。 四、滚筒、滚轮输送机构 滚
45、筒、滚轮自身的运动方式是转动，但将多个滚轮或滚筒较密 集地同方向规则排列在一个平面内，置于其上的物品将随着滚 筒、滚轮的旋转产生移动，从而实现物品的输送。 图3-42为滚筒输 送机工作示意 图，通常用于传 送的物品以底面 长度占3个滚筒为 宜。 滚筒输送机分为有动 力和无动力两种，后 者一般需要与水平面 呈一定角度倾斜安 装，利用重力实现传 输。图3-43、图3-44 为常见的滚筒驱动方 式。扇形排列滚筒， 可实现输送过程物品 的转弯。 滚轮输送机采用无 动力重力输送方式 工作，图3-45为滚 轮输送机的设计要 求和结构组成。 3.4、曲线运动机构 曲线运动机构主要用于一些有特殊需要的机构上，
46、利用曲线运 动机构可实现、完成一些特定和巧妙的执行动作。 四连杆机构三个活 动连杆构件中间的 连杆构件上某些点 的运动规律随各构 件尺度的改变，可 能形成各种各样的 特殊运动轨迹，如 图3-46，往往在机 械中可得到应用。 机械中需要的曲线 运动主要是利用连 杆机构获得。 图3-47为电影胶 片放映机的拉片 机构。 图3-48为一个多排辊冷轧机轧辊摆动机构。 图3-49为另一轧钢 机轧辊的曲线运动 驱动机构。图中虚 线表示轧辊的运动 轨迹，轧辊行走图 示的轨迹可更有效 地一次完成轧制作 业，工艺性好。这 一机构的本质是五 连杆机构。 第四章、往复、间歇运动机构设计 4.1概述 4.2往复运动机
47、构 4.3间歇运动机构 4.1、概述 一、往复运动机构 往复运动从形式上有往复直线运动、往复摆动、往复曲线运动 和往复复杂运动等几种，其中往复直线运动和往复百度最常 见，应用也最广。 按机构结构特征命名，实现往复运动的常用机构有凸轮机构、 曲柄滑块机构、曲柄摇杆机构等。 利用电磁原理也可实现 往复移动和摆动，在现 代电子产品特别是数字 控制产品中，使用电磁 原理的机构可实现精密 的运动控制，图4-1为 计算机硬盘结构，其寻 道机构的运动控制就是 利用电磁原理实现的。 往复曲线运动通常由连杆机构实现，主要用于有特殊执行动作 要求的连续循环工作机械，如缝纫机的缝纫引线动作、织布机 的编织动作等。
48、图4-2为两种 实现往复曲线 运动的连杆机 构，可用于实 现缝纫机引线 运动的执行机 构等。 二、间歇运动 间歇运动时机构或机械设备，产品随时间的推移顺次规律地执 行运动和静止，按一定的工作节拍循环作业或完成工序步骤。 图4-3为裹包机执行的工序动作分解图，这些工序需要一定的时间，很难实现连续运动完 成，因此多按间隙运动方式工作。 设计中，将复杂工作分解工序后，需结合各工序的完成时间和顺序安排空间布置，如图4-4 所示，进而采用合适的间歇运动机构实现设计。 实现间歇运动的常见机构主要包括槽轮机构，棘轮机构，圆柱 凸轮机构、欠齿轮机构、连杆机构和各种组合机构等，可分别 实现旋转间歇运动、直线间歇
49、运动、间歇曲线运动及复杂间歇 运动等。 4.2、往复运动机构 一、凸轮机构 基本的凸轮机构由凸 轮和从动杆件组成， 凸轮轮缘与从动件紧 密接触，凸轮为主动 构件，凸轮旋转驱动 从动件作往复直线运 动，如图4-5所示，杆 件上的弹簧是用于保 持杆件与凸轮接触作 用的。 凸轮机构的种类很 多，有不同的性质和 特点，使用于不同情 况。图4-6为在基本 凸轮结构基础上，从 动杆接触端头的常用 变化形式。 凸轮的形式变化 对凸轮机构的功 能、性质影响很 大如图4-7所示。 其中，可调凸轮 是在圆柱滚筒表 面用螺钉安装一 些形成凸轮曲线 的零件，调整、 更换这些零件即 可达到调整凸轮 运动的目的；移 动凸
50、轮用的主动 件运动为移动； 反凸轮是将凸轮 曲线制作在从动 构件上。 在凸轮机构高速运转时，从动件可能存在很大的惯性力，利用 施加于从动部件上的弹簧弹力无法确保凸轮和从动件不脱离接 触。在凸轮上开设沟槽，将从动件端部夹在凸轮沟槽内，可避 免上述现象发生，使凸轮机构准确、稳定、可靠地工作，这种 形式的凸轮机构称为确动凸轮机构。圆柱凸轮、圆锥凸轮、球 面凸轮、盘形槽凸轮、反凸轮等都属于确动凸轮。 将凸轮机构从动构件 解除导向限制，自由 端用活动铰链连接固 定，从动件可实现往 复摆动，如图4-8所示 。 图4-9所示的凸轮 机构属于一类特殊 的凸轮机构，称为 圆柱分度凸轮机 构，其输出为间歇 转动，
