1.2　结构设计的内容

机械结构设计的任务是按照所确定的原理方案绘出全部结构图，作为生产依据制造出可实现要求功能的产品。结构设计可分为机器的总体结构设计和零部件结构设计。机械零件结构设计包括选择零件的毛坯及其制造方法、材料和热处理，确定零件形状、尺寸、公差、配合和技术条件等，并体现于零件图中。

1.2.1　满足功能要求的结构设计

1.2.1.1　利用功能面的结构设计

实现零件功能的结构方案是多种多样的，其中功能面分析法是机械零部件结构设计中常用的方法。机械零件的结构设计就是将原理设计方案具体化，即构造一个能够满足功能要求的三维实体零部件。构造零件三维实体，需先根据原理方案规定各功能面，由功能面构造零件。

功能面是机械中相邻零件的作用表面，例如齿轮间的啮合面、轮毂与轴的配合表面、V带传动的V带与轮槽的作用表面、键连接的工作表面等。零件的基本形状或其功能面要素是与其功能要求相对应的。表2-1-1列出了零件的基本形状及功能的对应关系。功能面可用形状、尺寸、数量、位置、排列顺序和不同功能面的连接等参数来描述，改变功能面的参数即可获得多种零件结构和组合变化（参见表2-1-2）。

1.2.1.2　利用自由度分析法的零件结构设计

运动副零件结构设计还常采用自由度分析法。因按机械系统的总体要求，每个零件都应具有一定的位置或运动规律，设计时应保证各零件的自由度。表2-1-3是常见的两零件间的连接形式和自由度的关系。其中自由度简图示意给出了接触零件间的六个自由度的情况。三个坐标轴方向的柱线反映三个方向上的移动自由情况；坐标轴端部的圆圈表示绕各轴线的转动情况；柱线或圆圈涂黑表示该自由度丧失；柱线一半涂黑表示沿该方向可以一边移动。

以图2-1-1所示的齿轮在轴上的固定连接为例：基本的连接形式为圆柱面结合面的连接（表2-1-3中的第6种），为保证连接可靠须进一步约束住沿X轴方向移动和绕该轴转动的两个自由度。在图中这两个自由度分别由轴肩/套筒和键/键槽完成对其约束。

1.2.1.3　功能面法结构设计示例

设计原理示意如图2-1-2所示的直角阀门结构。

（1）确定直角阀的主体结构和尺寸

由通过阀体的流量、管内压强和其他相关条件确定各管的直径、壁厚，以及阀瓣的厚度和相对位置。画出直角阀的主体结构草图，如图2-1-3所示。

（2）功能和功能面的分析

阀门的主功能是通过阀瓣和阀体管道端面的接合与开启实现流体的流通与封闭。即该功能面可采用平（环）面或圆锥面；该阀门是通过如下各结构功能来实现该主功能的。

①阀瓣和阀杆的连接结构，功能面可以是圆柱配合面、螺纹面等，依连接方式而不同（如下面具体结构所示）。

②阀杆与阀体的密封结构，功能面为阀杆柱面，具体还取决于密封件接触形式。

③螺旋驱动结构，功能面为螺旋面，按摩擦形式不同可分为滑动螺旋面和滚动螺旋面。

（3）确定阀瓣和阀杆的连接结构

阀杆的尺寸因其受力复杂较难确定。阀门关闭时，属于细长杆失稳问题；半关闭状态要考虑流体的非对称冲击和涡流问题；阀门的驱动方式不同还引起不同的附加载荷。一般由经验法确定。

阀瓣和阀杆的连接方式，可设计成刚性可拆连接和可转动连接两类，分别如图2-1-4和图2-1-5所示。刚性连接方式对功能配合面的精度要求高，否则难以保证良好的密封性能。而可转动连接方式能减少阀瓣的磨损和抖动，有利于提高阀门的使用性能。

（4）确定阀体与阀杆的密封结构

阀杆与阀体的密封结构与阀杆的线速度密切相关，即由阀门的开启频率确定。

接触式的密封结构适用于低开启频率的阀门（见图2-1-6），非接触式的密封结构适用于高开启频率的阀门（见图2-1-7），图2-1-8所示为阀杆局部结构。

（5）确定驱动结构

驱动结构采用较为简单的手动螺旋结构［图2-1-9（a）］，为保证阀瓣的密闭效果，驱动螺旋接触面应是具有自锁功能的滑动螺旋面。该结构采用了阀瓣和阀杆可相对转动的结构形式，但该结构不宜采用电动驱动方式。图2-1-9（b）所示结构是螺母旋转，没有轴向移动，易于采用电动驱动方式。采用该电驱动结构时，驱动螺旋可采用滚动螺旋副结构。

（6）确定阀体结构

设计阀体结构应考虑整体的密闭性和阀体内部零件的可拆装性，因此采用了法兰结构，如图2-1-10所示。

1.2.1.4　自由度法结构分析及示例

现代机械多为精密机械，机械运动的主要形式是旋转运动和直线运动。提高运动精度的关键是支承（轴承和导轨）。下面就轴系和导轨按自由度分析法分别进行结构设计分析。

（1） 轴系设计的自由度分析

图2-1-11 是水平轴的支承结构。轴由两个轴承支承，用两个轴肩限制其轴向移动，只有一个绕轴线转动的自由度。其中图（a）为一端支承沿轴向双向固定，另一端为自由端；图（b）为两端支承沿轴向各限制一个方向的移动，从而限制了整个轴系沿X轴的移动。图（a）支承结构适合轴的跨距较大或温度较高导致轴热伸长量较大的场合；图（b）支承结构属两端单侧固定轴系，为防止轴向窜动过大以及防止轴热膨胀卡死，须对轴向间隙加以调整。自由度简图右面为对应的两种滚动轴承支承的轴系结构示例。

图2-1-12是立轴的支承结构原理图。结构1中，支承面A可以视为三个支承点，相当于表2-1-3中的结构5，支承面B相当于表中结构3。两种接触方式结合在一起，轴只有一个绕轴线Z转动的自由度。沿Z轴上移的自由度可利用轴系的重量或其他附加装置来解决。此处B为一环形支承面，沿Z轴的尺寸不必很大，但轴与孔的间隙必须很小，起到在XY平面内的定位作用。适当加大A面直径，有利于提高轴系的回转精度。结构2相当于表2-1-3中结构1和结构6 的组合，同样的，沿Z轴上移的自由度可利用轴系的重量或其他附加装置来解决。

图2-1-13为用于精密机床和仪器中液体静压双半球轴系，相当于表2-1-3中两个结构4的组合，主要有绕水平轴转动的自由度，工作时绕其他两轴转动的自由度受到结构限制和静压系统的调控作用而基本消除。静压腔外采用小孔节流器，主轴回转精度为0.01μm。该轴系能自动定心，装配方便。

图2-1-14为日本超精密车床的球面空气静压轴承。前轴承球直径为70mm，后轴承圆柱直径为22mm。球轴承有12个直径为0.3mm的小孔节流器，凸球和凹球座的间隙为12μm。圆柱轴承的间隙为18μm，其外球面作对中调整用。由于球轴承的加工精度高，自位性好，在主轴转速为200r/min时，径向和轴向跳动分别为0.03μm和0.01μm。径向和轴向刚度分别为25N/μm和80N/μm。

图2-1-15为一测试仪器上的气体静压连接双半球式主轴轴系，回转精度达0.01μm。凸半球和凹半球的间隙为0.01～0.015mm。上下两个凹半球座1各有18个孔径为0.14mm的小孔节流器。气腔直径为4mm，深为0.14mm。轴系配有精密圆光栅测量角度，仪器分辨率为0.01″，示值误差为0.1″。

（2）导轨设计的自由度分析

图2-1-16（a）是一种复合运动学原理的导轨简图。1、3、5三点相当于表2-1-3中的第5种结构，2、4相当于第2种结构。因此工作台只有沿Y方向运动的一个自由度。沿Z方向上移的自由度可以利用附加装置解决。图2-1-16（b）是一种常用的滑动导轨结构，它的支撑面5较大，提高了精度要求。

现代机械目前使用最多的是图2-1-17 所示的滚动导轨，尺寸精度达5～20μm间隙为-42～-26μm。图2-1-18和图2-1-19为直线运动导套副及直线运动球轴承的结构图。

1.2.1.5　现代机械结构及功能分析示例

（1）现代机床与传统机床的结构功能比较

现代机床与传统机床在结构上有很大不同。其结构功能比较见表2-1-4～表2-1-6。

（2）机器人手腕的结构分析

通用机器人主要机械结构可划分为基座、臂部、腕部和末端执行器（手爪）。基座起支撑作用，固定式机器人的基座直接连接在地面基础上，移动式机器人的基座安装在移动机构上。臂部连接基座和手腕，主要改变末端执行器的空间位置。腕部连接臂部和末端执行器，主要改变末端执行器的空间姿态。末端执行器也称手爪部分或手部，是机器人的作业工具。下面介绍几种机器人手腕结构。

手腕确定末端执行器的空间作业姿态，一般需要三个自由度，由三个回转关节组合而成，组合方式多种多样。回转方向分：臂转——绕小臂轴线方向的旋转；手转——使末端执行器绕自身的轴线的旋转；腕摆——使手部相对臂部的摆动。腕部结构的设计要满足传动灵活、结构紧凑轻巧，避免干涉。通常将腕部的驱动部分安排在小臂上，几个电动机的运动传递到同轴旋转的心轴和多层套筒上。运动传入腕部后，再分别实现各个动作。

图2-1-20和图2-1-21是PT-600型弧焊机器人手腕部的传动简图和结构图。这是一个腕摆、手转2自由度的手腕结构。其传动路线为：腕摆电机通过同步齿形带带动腕摆谐波减速器7，减速器的输出轴带动腕摆框1实现腕摆运动；手转电动机通过同步齿形带带动手转谐波减速器10，减速器的输出轴通过一对锥齿轮9实现手转运动。注意，当腕摆框摆动而手转电动机不转时，连接手部的锥齿轮在另一锥齿轮上滚动，产生附加的手转运动，控制上要进行修正。

图2-1-22是另一型号机器人手腕部的传动简图。这是一个3自由度的手腕结构，关节配置形式为臂转、腕摆、手转结构。其传动链分成两部分，一部分在机器人小臂壳内，三个电机的输出通过带传动分别传递到同轴转动的心轴、中间套、外套筒上。另一部分传动链安排在手腕部，图2-1-23是手腕部的结构图。其传动路线为：

①臂转运动　臂部外套筒与手腕壳体3通过端面法兰连接，外套筒直接带动整个手腕旋转完成臂转运动。

②腕摆运动　臂部中间套筒通过花键与空心轴2连接，空心轴另一端通过一对锥齿轮6、7带动腕摆谐波减速器的波发生器9，波发生器上套有轴承和柔轮8，谐波减速器的定轮4和手腕壳体相连，动轮5通过盖11与腕摆壳体12相固接，当中间套带动空心轴旋转时，腕摆壳体作腕摆运动。

③手转运动　臂部心轴通过花键与腕部中心轴1连接，中心轴的另一端通过锥齿轮27、26带动花键轴23，花键轴的另一端通过同步齿形带传动24、25、22带动带键轴21，再通过锥齿轮19、10带动手转谐波减速器的波发生器15，波发生器上套有轴承和柔轮16，谐波减速器的定轮18 通过底座20 与腕摆壳体相连，动轮14通过零件13与连接手部的法兰盘17 相固定，当臂部心轴带动腕部中心轴旋转时，法兰盘作手转运动。

1.2.2　满足工作能力要求的结构设计

1.2.2.1　提高强度和刚度的结构设计

为了使机械零件能正常工作，在设计的整个过程中都应保证零件的强度和刚度能满足要求。对于重要的零件要进行强度和刚度计算。静强度的计算指危险截面拉压、剪切、弯曲和扭剪应力的计算；静刚度的计算指相对应载荷或应力下的变形计算。两者均与零件的材料、受力和结构尺寸密切相关（具体计算方法参阅本手册“机械设计基础资料篇”或材料力学等相关资料）。

通过合理选择机械的总体方案使零件的受力合理，特别是通过正确的结构设计（即确定零件的结构形状和尺寸）使它所受的应力和产生的变形较小可以提高零件的强度和刚度，满足其工作能力的要求。合理的计算有助于选择最佳方案，但同时也要考虑零件在加工、装拆过程中保证足够的强度和刚度及工艺性要求。

（1）通过结构设计提高静强度和刚度的措施

1）改变受力

①改善零件的受力情况，降低零件的最大应力　如螺纹连接中，为减少螺栓所受的拉力及应力幅值，可以通过降低螺栓的刚度或增大被连接件的刚度来实现。降低螺栓刚度的措施如图2-1-24所示。

再如，合理安排支承点与载荷的相对位置（图2-1-25）、合理布置集中载荷与支点的相对位置（图2-1-26，使载荷作用点靠近支点）以及尽可能将集中力改为分散力或均布载荷（图2-1-27），这些措施均可减少梁所受的弯矩，降低弯曲应力，减少轴的挠度。另外，设计支承时应尽量避免悬臂支承，不可避免时要尽量减小悬臂的伸出长度（图2-1-28）。

②载荷分担（转移）将一个零件所受的载荷分给几个零件承受，以减少每个零件的受力。如螺栓组连接结构设计中，应使各螺栓对称分布以均匀分担所受载荷。又如图2-1-29的组合弹簧结构中，将两个或多个直径不同的弹簧套在一起作为一个整体来承担较大的载荷。

图2-1-30所示的卸荷轮结构，轴只受带轮传来的转矩而不受径向力和弯矩（后者转而由轴承和箱体承受）；又如图2-1-31所示的螺栓减载结构，采用减载元件来承受横向载荷，螺栓则不需承受太大的预紧力。

③载荷均布

a.改变零件形状。通过改变零件的形状，改善零件的受力，如齿轮表面修形，使载荷沿齿宽方向均布；采用均载螺母使各扣螺纹所受载荷均摊等（图2-1-32）。

b.采用挠性均载元件。如采用均载装置使行星齿轮减速器的两个行星轮之间的载荷均匀分配（图2-1-33）。

c.提高加工精度。适用于由于加工误差引起的不均载结构。

④其他的载荷抵消或转化措施　采取措施使外载荷全部或部分地互相抵消。如传动轴系中采用人字齿轮，齿轮两侧齿所受的轴向力可相互抵消，不会传至两端轴承。再如实际中常采用反向预应力或变形结构，通过抵消部分外载荷来提高结构的承载能力。其他的载荷转化措施有：化外力为内力（图2-1-34）；用拉伸代替弯曲（图2-1-35）等。

2）改变截面

①采用合理的断面形状　在零件材料和受力一定的条件下，只能通过结构设计，如增大截面积，增大抗弯、抗扭截面系数来提高其强度。常用构件截面形状的惯性矩及抗弯截面系数见本手册“机械设计基础资料篇”。表2-1-7 给出了几种截面图形在面积相同时的抗弯截面系数的比较，以及抗弯截面系数相同时截面面积及截面惯性矩的比较。可以看出，在截面积相同（及单位长度的重量）时，不同形状的抗弯截面系数和惯性矩差别很大（工字梁截面的最大）。因此可以通过正确选择截面形状与尺寸来降低最大弯曲应力及提高刚度（详见本手册机架篇中截面设计）。

②用肋或隔板　采用加强肋或隔板可提高零件，特别是机架零件的刚度，设计加强肋应注意下列事项。

a.考虑到机架常用铸造加工，应结合材料特性使加强肋在受压状态下工作，避免受过大的拉应力。

b.加强肋的高度不应过低，否则会削弱截面的弯曲强度和刚度（参见图2-1-36）。

c.三角肋须延至外力的作用点处（见图2-1-37）。

3）利用附加结构措施改变材料内应力状态　通过附加结构措施使受力零件产生弹性强化或塑性强化来提高强度。塑性强化又称过载强化，采用塑性强化的结构都是受不均匀应力的零件。其塑性变形产生在零件受最大应力的区域内，并与工作应力方向相反，因而具有降低最大应力、使应力分布均匀的效果。

（2）提高疲劳强度的结构设计

机械零件多在变应力状态下工作，因此机械零件的疲劳强度要比静强度重要得多。零件结构设计中除了考虑前述提高静强度或刚度的内容外，特别应注意减少零件的应力集中，同时承受变应力零件应避免表面过于粗糙或有划痕。

应力集中是降低零件疲劳强度的主要原因之一。对于受弯矩和扭矩的轴，在截面的形状和尺寸有局部变化处，将产生弯曲应力和剪切应力集中现象，如图2-1-38所示。

应力集中的程度大小取决于缺口处的形状尺寸和应力形式。表2-1-8为过渡轴肩和常见几种缺口处的有效应力集中系数值。断面剧烈变化处的应力集中十分严重，因而阶梯轴或台阶面处的交接处，应尽量采用大圆角，锥角，斜面过渡。常用的减少轴肩过渡处应力集中的结构措施见图2-1-39。

如图2-1-40所示，螺栓上应力集中最严重的部位是螺纹牙底部、螺纹牙收尾部分、螺栓头部和螺杆的交接处、螺杆上横截面有明显变化处。常见的降低其应力集中的结构措施如图2-1-41所示。

对表2-1-8中的由指状铣刀加工的键槽，其应力集中要比用盘铣刀加工的键槽的应力集中系数大20%左右。另外，对轴毂过盈配合处的径向压力分布不均（如图2-1-42），导致轴的应力集中。图2-1-43为几种降低过盈配合处应力集中的结构措施。

另外，为提高高副接触零件的接触疲劳强度，在零件结构设计方面主要应考虑如何增大接触处的综合曲率半径，以减少接触应力的大小。

零件功能使用性能设计时的注意事项如表2-1-9所示。

1.2.2.2　提高耐磨性的结构设计

零件磨损后，尺寸发生变化，将影响零件功能。设计者必须注意避免由于耐磨性设计不合理而导致零件甚至整个机械不能正常工作，或达不到应有的使用寿命。避免机械零件发生严重磨损的措施主要有：合理设计机械零件的结构形状和尺寸，以减小相对运动表面之间的压力和相对运动速度；选择适当的材料和热处理；采用合适的润滑剂、添加剂及其供给方法；在污染、多尘的条件下工作时，加必要的密封或防护装置；提高加工及装配精度避免局部磨损等。必要时采用流体动压润滑、流体静压润滑或利用磁浮支承，可以满足摩擦、磨损极小而使寿命大大提高。通过结构设计提高零件耐磨性的主要做法可归纳如表2-1-10所示。

其他考虑提高耐磨性结构设计的注意事项见表2-1-11。

1.2.2.3　提高精度的结构设计

（1）机构精度的含义

①机构的准确度　由机构系统误差引起的实际机构与理想机构运动规律的符合程度。它可以通过调整、选配、加入补偿校正装置或引入修正量等方法得到提高。

②机构精密度　机构多次重复运动结果的符合程度，即机构每次运动对其平均运动的散布程度。它标志了机构运动的可靠度，反映了随机误差的影响。

③机构精确度　简称机构精度，它是机构准确度和机构精密度的综合，反映了系统误差的随机误差的综合影响。

（2）提高精度的结构设计

设计时首先要按照使用要求合理确定对机械的总体精度要求。通过分析各零部件误差对总体精度的不同影响，选择合理的机械方案和结构。

整体的结构方案和零件的细部结构都对精度有一定的影响，要提高机械的精度必须保证每个零件具有一定的加工和装配精度。设计时必须对影响精度的各种因素进行全面的分析，按总体要求合理地分配各零部件的精度。特别要注意对精度影响最大的一些关键零件，要确定对零部件的尺寸及形状的精度要求、允许误差。

另外，零件应有一定的刚度和较高的耐磨性，保证其在工作载荷下使用时能满足精度要求。设计者应考虑在工作载荷、重力、惯性力和加工、装配等产生的各种力以及发热、振动等因素的影响。

此外设计时还应避免加工误差与磨损量的互相叠加，考虑机械使用一段时间，精度降低以后能经过调整、修理或更换部分零件能提高，甚至恢复原有的精度。

提高精度的根本在于减少误差源或误差值，具体包括：

①减少或消除原理误差，避免采用原理近似的机构代替精确机构；

②减少误差源，尽量采用简单、零件少的机构；

③减少变形，包括载荷、残余应力、热等因素引起的零件变形；

④合理分配精度。

应用现代误差综合理论，以及经济性原则确定和配置各零件误差要求。通过合理配置相关零件的精度，可以提高其装配成品的精度（见表2-1-12中第8、9项）。

另外，设计中常采用误差补偿的方法来减小或消除误差。如，

①使机构中的零件的磨损量互相补偿（见表2-1-12中第2项）。

②利用零件的线胀系数不同补偿温度误差或热应力。如图2-1-44中的铝合金机座，其线胀系数比钢大，而连接螺栓用钢制造而成。为了补偿变形，采用铟钢套筒，由于铟钢的线胀系数是钢的十分之一，因而可以补偿组合结构中因温度引起的热应力。

③利用附加运动补偿误差。当精密传递系统的定位精度不能满足要求时，可在系统中另加一套校正装置，它将主传动的运动作微量的增减，以提高主传动的运动精度。如图2-1-45所示的螺纹磨床矫正机构，螺杆转动时使螺母移动，由螺母带动工作台，工作台上砂轮的移动精度直接影响工件的精度。补偿机构是在螺母上装一导杆，导杆的触头与校正尺接触，当螺杆转动时螺母和导杆移动，导杆的触头沿校正尺的边缘滑动，如果校正尺的上部边缘是曲线，则校正尺在移动的同时上下摆动，螺母也随之产生微小的转动。由于这一附加的转动，螺母将多走或少走一点。如果先检测出系统的运动误差，并按此设计出校正尺的曲线形状，则可能完全补偿螺距误差引起的传动误差，从而提高螺纹磨床的精度。

④工艺补偿，指在结构中设计出一些补偿机构，在加工或装配时，通过修配、配作、分组选配、调整等方法来提高精度。其关键在于误差测量。

⑤利用误差均化原理。如螺纹千分尺就是利用多螺纹的误差均化原理进行测量的。

提高精度的结构设计及注意事项详见表2-1-12。

1.2.2.4　考虑发热、噪声、腐蚀等问题的结构设计

有些机械或部件发热量较大，有些与腐蚀性介质直接接触，有些产生较大的噪声。为了机械能正常地工作，设计中必须采取相应的措施。这些措施可以分为以下四类。具体措施如表2-1-13所示。

第一类措施是减轻损害的根源。如减小发热、振动，减少腐蚀介质的排出量或降低腐蚀介质的浓度等。

第二类措施是隔离。如把发热的热源与机械工作部分隔开，把腐蚀介质与有关机械部件隔开，把产生噪声的振动源与发声部分隔开，把产生噪声的设备与人员隔开等。

第三类措施是提高抗损坏能力。如加强散热措施，采用耐热、耐腐蚀性强的材料等。

第四类措施是更换易损件。设计中考虑到某些在强烈受损部位工作的零部件首先损坏，应使它们易于更换，定期更换这些易损件，以保持整个机器正常工作。