1.2　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的內(nèi)容

機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的任務(wù)是按照所確定的原理方案繪出全部結(jié)構(gòu)圖，作為生產(chǎn)依據(jù)制造出可實(shí)現(xiàn)要求功能的產(chǎn)品。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可分為機(jī)器的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。機(jī)械零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括選擇零件的毛坯及其制造方法、材料和熱處理，確定零件形狀、尺寸、公差、配合和技術(shù)條件等，并體現(xiàn)于零件圖中。

1.2.1　滿足功能要求的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.2.1.1　利用功能面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)零件功能的結(jié)構(gòu)方案是多種多樣的，其中功能面分析法是機(jī)械零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中常用的方法。機(jī)械零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就是將原理設(shè)計(jì)方案具體化，即構(gòu)造一個能夠滿足功能要求的三維實(shí)體零部件。構(gòu)造零件三維實(shí)體，需先根據(jù)原理方案規(guī)定各功能面，由功能面構(gòu)造零件。

功能面是機(jī)械中相鄰零件的作用表面，例如齒輪間的嚙合面、輪轂與軸的配合表面、V帶傳動的V帶與輪槽的作用表面、鍵連接的工作表面等。零件的基本形狀或其功能面要素是與其功能要求相對應(yīng)的。表2-1-1列出了零件的基本形狀及功能的對應(yīng)關(guān)系。功能面可用形狀、尺寸、數(shù)量、位置、排列順序和不同功能面的連接等參數(shù)來描述，改變功能面的參數(shù)即可獲得多種零件結(jié)構(gòu)和組合變化（參見表2-1-2）。

1.2.1.2　利用自由度分析法的零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

運(yùn)動副零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還常采用自由度分析法。因按機(jī)械系統(tǒng)的總體要求，每個零件都應(yīng)具有一定的位置或運(yùn)動規(guī)律，設(shè)計(jì)時應(yīng)保證各零件的自由度。表2-1-3是常見的兩零件間的連接形式和自由度的關(guān)系。其中自由度簡圖示意給出了接觸零件間的六個自由度的情況。三個坐標(biāo)軸方向的柱線反映三個方向上的移動自由情況；坐標(biāo)軸端部的圓圈表示繞各軸線的轉(zhuǎn)動情況；柱線或圓圈涂黑表示該自由度喪失；柱線一半涂黑表示沿該方向可以一邊移動。

以圖2-1-1所示的齒輪在軸上的固定連接為例：基本的連接形式為圓柱面結(jié)合面的連接（表2-1-3中的第6種），為保證連接可靠須進(jìn)一步約束住沿X軸方向移動和繞該軸轉(zhuǎn)動的兩個自由度。在圖中這兩個自由度分別由軸肩/套筒和鍵/鍵槽完成對其約束。

1.2.1.3　功能面法結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示例

設(shè)計(jì)原理示意如圖2-1-2所示的直角閥門結(jié)構(gòu)。

（1）確定直角閥的主體結(jié)構(gòu)和尺寸

由通過閥體的流量、管內(nèi)壓強(qiáng)和其他相關(guān)條件確定各管的直徑、壁厚，以及閥瓣的厚度和相對位置。畫出直角閥的主體結(jié)構(gòu)草圖，如圖2-1-3所示。

（2）功能和功能面的分析

閥門的主功能是通過閥瓣和閥體管道端面的接合與開啟實(shí)現(xiàn)流體的流通與封閉。即該功能面可采用平（環(huán)）面或圓錐面；該閥門是通過如下各結(jié)構(gòu)功能來實(shí)現(xiàn)該主功能的。

①閥瓣和閥桿的連接結(jié)構(gòu)，功能面可以是圓柱配合面、螺紋面等，依連接方式而不同（如下面具體結(jié)構(gòu)所示）。

②閥桿與閥體的密封結(jié)構(gòu)，功能面為閥桿柱面，具體還取決于密封件接觸形式。

③螺旋驅(qū)動結(jié)構(gòu)，功能面為螺旋面，按摩擦形式不同可分為滑動螺旋面和滾動螺旋面。

（3）確定閥瓣和閥桿的連接結(jié)構(gòu)

閥桿的尺寸因其受力復(fù)雜較難確定。閥門關(guān)閉時，屬于細(xì)長桿失穩(wěn)問題；半關(guān)閉狀態(tài)要考慮流體的非對稱沖擊和渦流問題；閥門的驅(qū)動方式不同還引起不同的附加載荷。一般由經(jīng)驗(yàn)法確定。

閥瓣和閥桿的連接方式，可設(shè)計(jì)成剛性可拆連接和可轉(zhuǎn)動連接兩類，分別如圖2-1-4和圖2-1-5所示。剛性連接方式對功能配合面的精度要求高，否則難以保證良好的密封性能。而可轉(zhuǎn)動連接方式能減少閥瓣的磨損和抖動，有利于提高閥門的使用性能。

（4）確定閥體與閥桿的密封結(jié)構(gòu)

閥桿與閥體的密封結(jié)構(gòu)與閥桿的線速度密切相關(guān)，即由閥門的開啟頻率確定。

接觸式的密封結(jié)構(gòu)適用于低開啟頻率的閥門（見圖2-1-6），非接觸式的密封結(jié)構(gòu)適用于高開啟頻率的閥門（見圖2-1-7），圖2-1-8所示為閥桿局部結(jié)構(gòu)。

（5）確定驅(qū)動結(jié)構(gòu)

驅(qū)動結(jié)構(gòu)采用較為簡單的手動螺旋結(jié)構(gòu)［圖2-1-9（a）］，為保證閥瓣的密閉效果，驅(qū)動螺旋接觸面應(yīng)是具有自鎖功能的滑動螺旋面。該結(jié)構(gòu)采用了閥瓣和閥桿可相對轉(zhuǎn)動的結(jié)構(gòu)形式，但該結(jié)構(gòu)不宜采用電動驅(qū)動方式。圖2-1-9（b）所示結(jié)構(gòu)是螺母旋轉(zhuǎn)，沒有軸向移動，易于采用電動驅(qū)動方式。采用該電驅(qū)動結(jié)構(gòu)時，驅(qū)動螺旋可采用滾動螺旋副結(jié)構(gòu)。

（6）確定閥體結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)閥體結(jié)構(gòu)應(yīng)考慮整體的密閉性和閥體內(nèi)部零件的可拆裝性，因此采用了法蘭結(jié)構(gòu)，如圖2-1-10所示。

1.2.1.4　自由度法結(jié)構(gòu)分析及示例

現(xiàn)代機(jī)械多為精密機(jī)械，機(jī)械運(yùn)動的主要形式是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和直線運(yùn)動。提高運(yùn)動精度的關(guān)鍵是支承（軸承和導(dǎo)軌）。下面就軸系和導(dǎo)軌按自由度分析法分別進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析。

（1） 軸系設(shè)計(jì)的自由度分析

圖2-1-11 是水平軸的支承結(jié)構(gòu)。軸由兩個軸承支承，用兩個軸肩限制其軸向移動，只有一個繞軸線轉(zhuǎn)動的自由度。其中圖（a）為一端支承沿軸向雙向固定，另一端為自由端；圖（b）為兩端支承沿軸向各限制一個方向的移動，從而限制了整個軸系沿X軸的移動。圖（a）支承結(jié)構(gòu)適合軸的跨距較大或溫度較高導(dǎo)致軸熱伸長量較大的場合；圖（b）支承結(jié)構(gòu)屬兩端單側(cè)固定軸系，為防止軸向竄動過大以及防止軸熱膨脹卡死，須對軸向間隙加以調(diào)整。自由度簡圖右面為對應(yīng)的兩種滾動軸承支承的軸系結(jié)構(gòu)示例。

圖2-1-12是立軸的支承結(jié)構(gòu)原理圖。結(jié)構(gòu)1中，支承面A可以視為三個支承點(diǎn)，相當(dāng)于表2-1-3中的結(jié)構(gòu)5，支承面B相當(dāng)于表中結(jié)構(gòu)3。兩種接觸方式結(jié)合在一起，軸只有一個繞軸線Z轉(zhuǎn)動的自由度。沿Z軸上移的自由度可利用軸系的重量或其他附加裝置來解決。此處B為一環(huán)形支承面，沿Z軸的尺寸不必很大，但軸與孔的間隙必須很小，起到在XY平面內(nèi)的定位作用。適當(dāng)加大A面直徑，有利于提高軸系的回轉(zhuǎn)精度。結(jié)構(gòu)2相當(dāng)于表2-1-3中結(jié)構(gòu)1和結(jié)構(gòu)6 的組合，同樣的，沿Z軸上移的自由度可利用軸系的重量或其他附加裝置來解決。

圖2-1-13為用于精密機(jī)床和儀器中液體靜壓雙半球軸系，相當(dāng)于表2-1-3中兩個結(jié)構(gòu)4的組合，主要有繞水平軸轉(zhuǎn)動的自由度，工作時繞其他兩軸轉(zhuǎn)動的自由度受到結(jié)構(gòu)限制和靜壓系統(tǒng)的調(diào)控作用而基本消除。靜壓腔外采用小孔節(jié)流器，主軸回轉(zhuǎn)精度為0.01μm。該軸系能自動定心，裝配方便。

圖2-1-14為日本超精密車床的球面空氣靜壓軸承。前軸承球直徑為70mm，后軸承圓柱直徑為22mm。球軸承有12個直徑為0.3mm的小孔節(jié)流器，凸球和凹球座的間隙為12μm。圓柱軸承的間隙為18μm，其外球面作對中調(diào)整用。由于球軸承的加工精度高，自位性好，在主軸轉(zhuǎn)速為200r/min時，徑向和軸向跳動分別為0.03μm和0.01μm。徑向和軸向剛度分別為25N/μm和80N/μm。

圖2-1-15為一測試儀器上的氣體靜壓連接雙半球式主軸軸系，回轉(zhuǎn)精度達(dá)0.01μm。凸半球和凹半球的間隙為0.01～0.015mm。上下兩個凹半球座1各有18個孔徑為0.14mm的小孔節(jié)流器。氣腔直徑為4mm，深為0.14mm。軸系配有精密圓光柵測量角度，儀器分辨率為0.01″，示值誤差為0.1″。

（2）導(dǎo)軌設(shè)計(jì)的自由度分析

圖2-1-16（a）是一種復(fù)合運(yùn)動學(xué)原理的導(dǎo)軌簡圖。1、3、5三點(diǎn)相當(dāng)于表2-1-3中的第5種結(jié)構(gòu)，2、4相當(dāng)于第2種結(jié)構(gòu)。因此工作臺只有沿Y方向運(yùn)動的一個自由度。沿Z方向上移的自由度可以利用附加裝置解決。圖2-1-16（b）是一種常用的滑動導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，它的支撐面5較大，提高了精度要求。

現(xiàn)代機(jī)械目前使用最多的是圖2-1-17 所示的滾動導(dǎo)軌，尺寸精度達(dá)5～20μm間隙為-42～-26μm。圖2-1-18和圖2-1-19為直線運(yùn)動導(dǎo)套副及直線運(yùn)動球軸承的結(jié)構(gòu)圖。

1.2.1.5　現(xiàn)代機(jī)械結(jié)構(gòu)及功能分析示例

（1）現(xiàn)代機(jī)床與傳統(tǒng)機(jī)床的結(jié)構(gòu)功能比較

現(xiàn)代機(jī)床與傳統(tǒng)機(jī)床在結(jié)構(gòu)上有很大不同。其結(jié)構(gòu)功能比較見表2-1-4～表2-1-6。

（2）機(jī)器人手腕的結(jié)構(gòu)分析

通用機(jī)器人主要機(jī)械結(jié)構(gòu)可劃分為基座、臂部、腕部和末端執(zhí)行器（手爪）?；鹬巫饔?，固定式機(jī)器人的基座直接連接在地面基礎(chǔ)上，移動式機(jī)器人的基座安裝在移動機(jī)構(gòu)上。臂部連接基座和手腕，主要改變末端執(zhí)行器的空間位置。腕部連接臂部和末端執(zhí)行器，主要改變末端執(zhí)行器的空間姿態(tài)。末端執(zhí)行器也稱手爪部分或手部，是機(jī)器人的作業(yè)工具。下面介紹幾種機(jī)器人手腕結(jié)構(gòu)。

手腕確定末端執(zhí)行器的空間作業(yè)姿態(tài)，一般需要三個自由度，由三個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)組合而成，組合方式多種多樣?；剞D(zhuǎn)方向分：臂轉(zhuǎn)——繞小臂軸線方向的旋轉(zhuǎn)；手轉(zhuǎn)——使末端執(zhí)行器繞自身的軸線的旋轉(zhuǎn)；腕擺——使手部相對臂部的擺動。腕部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要滿足傳動靈活、結(jié)構(gòu)緊湊輕巧，避免干涉。通常將腕部的驅(qū)動部分安排在小臂上，幾個電動機(jī)的運(yùn)動傳遞到同軸旋轉(zhuǎn)的心軸和多層套筒上。運(yùn)動傳入腕部后，再分別實(shí)現(xiàn)各個動作。

圖2-1-20和圖2-1-21是PT-600型弧焊機(jī)器人手腕部的傳動簡圖和結(jié)構(gòu)圖。這是一個腕擺、手轉(zhuǎn)2自由度的手腕結(jié)構(gòu)。其傳動路線為：腕擺電機(jī)通過同步齒形帶帶動腕擺諧波減速器7，減速器的輸出軸帶動腕擺框1實(shí)現(xiàn)腕擺運(yùn)動；手轉(zhuǎn)電動機(jī)通過同步齒形帶帶動手轉(zhuǎn)諧波減速器10，減速器的輸出軸通過一對錐齒輪9實(shí)現(xiàn)手轉(zhuǎn)運(yùn)動。注意，當(dāng)腕擺框擺動而手轉(zhuǎn)電動機(jī)不轉(zhuǎn)時，連接手部的錐齒輪在另一錐齒輪上滾動，產(chǎn)生附加的手轉(zhuǎn)運(yùn)動，控制上要進(jìn)行修正。

圖2-1-22是另一型號機(jī)器人手腕部的傳動簡圖。這是一個3自由度的手腕結(jié)構(gòu)，關(guān)節(jié)配置形式為臂轉(zhuǎn)、腕擺、手轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。其傳動鏈分成兩部分，一部分在機(jī)器人小臂殼內(nèi)，三個電機(jī)的輸出通過帶傳動分別傳遞到同軸轉(zhuǎn)動的心軸、中間套、外套筒上。另一部分傳動鏈安排在手腕部，圖2-1-23是手腕部的結(jié)構(gòu)圖。其傳動路線為：

①臂轉(zhuǎn)運(yùn)動　臂部外套筒與手腕殼體3通過端面法蘭連接，外套筒直接帶動整個手腕旋轉(zhuǎn)完成臂轉(zhuǎn)運(yùn)動。

②腕擺運(yùn)動　臂部中間套筒通過花鍵與空心軸2連接，空心軸另一端通過一對錐齒輪6、7帶動腕擺諧波減速器的波發(fā)生器9，波發(fā)生器上套有軸承和柔輪8，諧波減速器的定輪4和手腕殼體相連，動輪5通過蓋11與腕擺殼體12相固接，當(dāng)中間套帶動空心軸旋轉(zhuǎn)時，腕擺殼體作腕擺運(yùn)動。

③手轉(zhuǎn)運(yùn)動　臂部心軸通過花鍵與腕部中心軸1連接，中心軸的另一端通過錐齒輪27、26帶動花鍵軸23，花鍵軸的另一端通過同步齒形帶傳動24、25、22帶動帶鍵軸21，再通過錐齒輪19、10帶動手轉(zhuǎn)諧波減速器的波發(fā)生器15，波發(fā)生器上套有軸承和柔輪16，諧波減速器的定輪18 通過底座20 與腕擺殼體相連，動輪14通過零件13與連接手部的法蘭盤17 相固定，當(dāng)臂部心軸帶動腕部中心軸旋轉(zhuǎn)時，法蘭盤作手轉(zhuǎn)運(yùn)動。

1.2.2　滿足工作能力要求的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.2.2.1　提高強(qiáng)度和剛度的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了使機(jī)械零件能正常工作，在設(shè)計(jì)的整個過程中都應(yīng)保證零件的強(qiáng)度和剛度能滿足要求。對于重要的零件要進(jìn)行強(qiáng)度和剛度計(jì)算。靜強(qiáng)度的計(jì)算指危險截面拉壓、剪切、彎曲和扭剪應(yīng)力的計(jì)算；靜剛度的計(jì)算指相對應(yīng)載荷或應(yīng)力下的變形計(jì)算。兩者均與零件的材料、受力和結(jié)構(gòu)尺寸密切相關(guān)（具體計(jì)算方法參閱本手冊“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)資料篇”或材料力學(xué)等相關(guān)資料）。

通過合理選擇機(jī)械的總體方案使零件的受力合理，特別是通過正確的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（即確定零件的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸）使它所受的應(yīng)力和產(chǎn)生的變形較小可以提高零件的強(qiáng)度和剛度，滿足其工作能力的要求。合理的計(jì)算有助于選擇最佳方案，但同時也要考慮零件在加工、裝拆過程中保證足夠的強(qiáng)度和剛度及工藝性要求。

（1）通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提高靜強(qiáng)度和剛度的措施

1）改變受力

①改善零件的受力情況，降低零件的最大應(yīng)力　如螺紋連接中，為減少螺栓所受的拉力及應(yīng)力幅值，可以通過降低螺栓的剛度或增大被連接件的剛度來實(shí)現(xiàn)。降低螺栓剛度的措施如圖2-1-24所示。

再如，合理安排支承點(diǎn)與載荷的相對位置（圖2-1-25）、合理布置集中載荷與支點(diǎn)的相對位置（圖2-1-26，使載荷作用點(diǎn)靠近支點(diǎn)）以及盡可能將集中力改為分散力或均布載荷（圖2-1-27），這些措施均可減少梁所受的彎矩，降低彎曲應(yīng)力，減少軸的撓度。另外，設(shè)計(jì)支承時應(yīng)盡量避免懸臂支承，不可避免時要盡量減小懸臂的伸出長度（圖2-1-28）。

②載荷分擔(dān)（轉(zhuǎn)移）將一個零件所受的載荷分給幾個零件承受，以減少每個零件的受力。如螺栓組連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)使各螺栓對稱分布以均勻分擔(dān)所受載荷。又如圖2-1-29的組合彈簧結(jié)構(gòu)中，將兩個或多個直徑不同的彈簧套在一起作為一個整體來承擔(dān)較大的載荷。

圖2-1-30所示的卸荷輪結(jié)構(gòu)，軸只受帶輪傳來的轉(zhuǎn)矩而不受徑向力和彎矩（后者轉(zhuǎn)而由軸承和箱體承受）；又如圖2-1-31所示的螺栓減載結(jié)構(gòu)，采用減載元件來承受橫向載荷，螺栓則不需承受太大的預(yù)緊力。

③載荷均布

a.改變零件形狀。通過改變零件的形狀，改善零件的受力，如齒輪表面修形，使載荷沿齒寬方向均布；采用均載螺母使各扣螺紋所受載荷均攤等（圖2-1-32）。

b.采用撓性均載元件。如采用均載裝置使行星齒輪減速器的兩個行星輪之間的載荷均勻分配（圖2-1-33）。

c.提高加工精度。適用于由于加工誤差引起的不均載結(jié)構(gòu)。

④其他的載荷抵消或轉(zhuǎn)化措施　采取措施使外載荷全部或部分地互相抵消。如傳動軸系中采用人字齒輪，齒輪兩側(cè)齒所受的軸向力可相互抵消，不會傳至兩端軸承。再如實(shí)際中常采用反向預(yù)應(yīng)力或變形結(jié)構(gòu)，通過抵消部分外載荷來提高結(jié)構(gòu)的承載能力。其他的載荷轉(zhuǎn)化措施有：化外力為內(nèi)力（圖2-1-34）；用拉伸代替彎曲（圖2-1-35）等。

2）改變截面

①采用合理的斷面形狀　在零件材料和受力一定的條件下，只能通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如增大截面積，增大抗彎、抗扭截面系數(shù)來提高其強(qiáng)度。常用構(gòu)件截面形狀的慣性矩及抗彎截面系數(shù)見本手冊“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)資料篇”。表2-1-7 給出了幾種截面圖形在面積相同時的抗彎截面系數(shù)的比較，以及抗彎截面系數(shù)相同時截面面積及截面慣性矩的比較。可以看出，在截面積相同（及單位長度的重量）時，不同形狀的抗彎截面系數(shù)和慣性矩差別很大（工字梁截面的最大）。因此可以通過正確選擇截面形狀與尺寸來降低最大彎曲應(yīng)力及提高剛度（詳見本手冊機(jī)架篇中截面設(shè)計(jì)）。

②用肋或隔板　采用加強(qiáng)肋或隔板可提高零件，特別是機(jī)架零件的剛度，設(shè)計(jì)加強(qiáng)肋應(yīng)注意下列事項(xiàng)。

a.考慮到機(jī)架常用鑄造加工，應(yīng)結(jié)合材料特性使加強(qiáng)肋在受壓狀態(tài)下工作，避免受過大的拉應(yīng)力。

b.加強(qiáng)肋的高度不應(yīng)過低，否則會削弱截面的彎曲強(qiáng)度和剛度（參見圖2-1-36）。

c.三角肋須延至外力的作用點(diǎn)處（見圖2-1-37）。

3）利用附加結(jié)構(gòu)措施改變材料內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)　通過附加結(jié)構(gòu)措施使受力零件產(chǎn)生彈性強(qiáng)化或塑性強(qiáng)化來提高強(qiáng)度。塑性強(qiáng)化又稱過載強(qiáng)化，采用塑性強(qiáng)化的結(jié)構(gòu)都是受不均勻應(yīng)力的零件。其塑性變形產(chǎn)生在零件受最大應(yīng)力的區(qū)域內(nèi)，并與工作應(yīng)力方向相反，因而具有降低最大應(yīng)力、使應(yīng)力分布均勻的效果。

（2）提高疲勞強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械零件多在變應(yīng)力狀態(tài)下工作，因此機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度要比靜強(qiáng)度重要得多。零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中除了考慮前述提高靜強(qiáng)度或剛度的內(nèi)容外，特別應(yīng)注意減少零件的應(yīng)力集中，同時承受變應(yīng)力零件應(yīng)避免表面過于粗糙或有劃痕。

應(yīng)力集中是降低零件疲勞強(qiáng)度的主要原因之一。對于受彎矩和扭矩的軸，在截面的形狀和尺寸有局部變化處，將產(chǎn)生彎曲應(yīng)力和剪切應(yīng)力集中現(xiàn)象，如圖2-1-38所示。

應(yīng)力集中的程度大小取決于缺口處的形狀尺寸和應(yīng)力形式。表2-1-8為過渡軸肩和常見幾種缺口處的有效應(yīng)力集中系數(shù)值。斷面劇烈變化處的應(yīng)力集中十分嚴(yán)重，因而階梯軸或臺階面處的交接處，應(yīng)盡量采用大圓角，錐角，斜面過渡。常用的減少軸肩過渡處應(yīng)力集中的結(jié)構(gòu)措施見圖2-1-39。

如圖2-1-40所示，螺栓上應(yīng)力集中最嚴(yán)重的部位是螺紋牙底部、螺紋牙收尾部分、螺栓頭部和螺桿的交接處、螺桿上橫截面有明顯變化處。常見的降低其應(yīng)力集中的結(jié)構(gòu)措施如圖2-1-41所示。

對表2-1-8中的由指狀銑刀加工的鍵槽，其應(yīng)力集中要比用盤銑刀加工的鍵槽的應(yīng)力集中系數(shù)大20%左右。另外，對軸轂過盈配合處的徑向壓力分布不均（如圖2-1-42），導(dǎo)致軸的應(yīng)力集中。圖2-1-43為幾種降低過盈配合處應(yīng)力集中的結(jié)構(gòu)措施。

另外，為提高高副接觸零件的接觸疲勞強(qiáng)度，在零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面主要應(yīng)考慮如何增大接觸處的綜合曲率半徑，以減少接觸應(yīng)力的大小。

零件功能使用性能設(shè)計(jì)時的注意事項(xiàng)如表2-1-9所示。

1.2.2.2　提高耐磨性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

零件磨損后，尺寸發(fā)生變化，將影響零件功能。設(shè)計(jì)者必須注意避免由于耐磨性設(shè)計(jì)不合理而導(dǎo)致零件甚至整個機(jī)械不能正常工作，或達(dá)不到應(yīng)有的使用壽命。避免機(jī)械零件發(fā)生嚴(yán)重磨損的措施主要有：合理設(shè)計(jì)機(jī)械零件的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸，以減小相對運(yùn)動表面之間的壓力和相對運(yùn)動速度；選擇適當(dāng)?shù)牟牧虾蜔崽幚?；采用合適的潤滑劑、添加劑及其供給方法；在污染、多塵的條件下工作時，加必要的密封或防護(hù)裝置；提高加工及裝配精度避免局部磨損等。必要時采用流體動壓潤滑、流體靜壓潤滑或利用磁浮支承，可以滿足摩擦、磨損極小而使壽命大大提高。通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提高零件耐磨性的主要做法可歸納如表2-1-10所示。

其他考慮提高耐磨性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)見表2-1-11。

1.2.2.3　提高精度的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）機(jī)構(gòu)精度的含義

①機(jī)構(gòu)的準(zhǔn)確度　由機(jī)構(gòu)系統(tǒng)誤差引起的實(shí)際機(jī)構(gòu)與理想機(jī)構(gòu)運(yùn)動規(guī)律的符合程度。它可以通過調(diào)整、選配、加入補(bǔ)償校正裝置或引入修正量等方法得到提高。

②機(jī)構(gòu)精密度　機(jī)構(gòu)多次重復(fù)運(yùn)動結(jié)果的符合程度，即機(jī)構(gòu)每次運(yùn)動對其平均運(yùn)動的散布程度。它標(biāo)志了機(jī)構(gòu)運(yùn)動的可靠度，反映了隨機(jī)誤差的影響。

③機(jī)構(gòu)精確度　簡稱機(jī)構(gòu)精度，它是機(jī)構(gòu)準(zhǔn)確度和機(jī)構(gòu)精密度的綜合，反映了系統(tǒng)誤差的隨機(jī)誤差的綜合影響。

（2）提高精度的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)時首先要按照使用要求合理確定對機(jī)械的總體精度要求。通過分析各零部件誤差對總體精度的不同影響，選擇合理的機(jī)械方案和結(jié)構(gòu)。

整體的結(jié)構(gòu)方案和零件的細(xì)部結(jié)構(gòu)都對精度有一定的影響，要提高機(jī)械的精度必須保證每個零件具有一定的加工和裝配精度。設(shè)計(jì)時必須對影響精度的各種因素進(jìn)行全面的分析，按總體要求合理地分配各零部件的精度。特別要注意對精度影響最大的一些關(guān)鍵零件，要確定對零部件的尺寸及形狀的精度要求、允許誤差。

另外，零件應(yīng)有一定的剛度和較高的耐磨性，保證其在工作載荷下使用時能滿足精度要求。設(shè)計(jì)者應(yīng)考慮在工作載荷、重力、慣性力和加工、裝配等產(chǎn)生的各種力以及發(fā)熱、振動等因素的影響。

此外設(shè)計(jì)時還應(yīng)避免加工誤差與磨損量的互相疊加，考慮機(jī)械使用一段時間，精度降低以后能經(jīng)過調(diào)整、修理或更換部分零件能提高，甚至恢復(fù)原有的精度。

提高精度的根本在于減少誤差源或誤差值，具體包括：

①減少或消除原理誤差，避免采用原理近似的機(jī)構(gòu)代替精確機(jī)構(gòu)；

②減少誤差源，盡量采用簡單、零件少的機(jī)構(gòu)；

③減少變形，包括載荷、殘余應(yīng)力、熱等因素引起的零件變形；

④合理分配精度。

應(yīng)用現(xiàn)代誤差綜合理論，以及經(jīng)濟(jì)性原則確定和配置各零件誤差要求。通過合理配置相關(guān)零件的精度，可以提高其裝配成品的精度（見表2-1-12中第8、9項(xiàng)）。

另外，設(shè)計(jì)中常采用誤差補(bǔ)償?shù)姆椒▉頊p小或消除誤差。如，

①使機(jī)構(gòu)中的零件的磨損量互相補(bǔ)償（見表2-1-12中第2項(xiàng)）。

②利用零件的線脹系數(shù)不同補(bǔ)償溫度誤差或熱應(yīng)力。如圖2-1-44中的鋁合金機(jī)座，其線脹系數(shù)比鋼大，而連接螺栓用鋼制造而成。為了補(bǔ)償變形，采用銦鋼套筒，由于銦鋼的線脹系數(shù)是鋼的十分之一，因而可以補(bǔ)償組合結(jié)構(gòu)中因溫度引起的熱應(yīng)力。

③利用附加運(yùn)動補(bǔ)償誤差。當(dāng)精密傳遞系統(tǒng)的定位精度不能滿足要求時，可在系統(tǒng)中另加一套校正裝置，它將主傳動的運(yùn)動作微量的增減，以提高主傳動的運(yùn)動精度。如圖2-1-45所示的螺紋磨床矯正機(jī)構(gòu)，螺桿轉(zhuǎn)動時使螺母移動，由螺母帶動工作臺，工作臺上砂輪的移動精度直接影響工件的精度。補(bǔ)償機(jī)構(gòu)是在螺母上裝一導(dǎo)桿，導(dǎo)桿的觸頭與校正尺接觸，當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)動時螺母和導(dǎo)桿移動，導(dǎo)桿的觸頭沿校正尺的邊緣滑動，如果校正尺的上部邊緣是曲線，則校正尺在移動的同時上下擺動，螺母也隨之產(chǎn)生微小的轉(zhuǎn)動。由于這一附加的轉(zhuǎn)動，螺母將多走或少走一點(diǎn)。如果先檢測出系統(tǒng)的運(yùn)動誤差，并按此設(shè)計(jì)出校正尺的曲線形狀，則可能完全補(bǔ)償螺距誤差引起的傳動誤差，從而提高螺紋磨床的精度。

④工藝補(bǔ)償，指在結(jié)構(gòu)中設(shè)計(jì)出一些補(bǔ)償機(jī)構(gòu)，在加工或裝配時，通過修配、配作、分組選配、調(diào)整等方法來提高精度。其關(guān)鍵在于誤差測量。

⑤利用誤差均化原理。如螺紋千分尺就是利用多螺紋的誤差均化原理進(jìn)行測量的。

提高精度的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及注意事項(xiàng)詳見表2-1-12。

1.2.2.4　考慮發(fā)熱、噪聲、腐蝕等問題的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

有些機(jī)械或部件發(fā)熱量較大，有些與腐蝕性介質(zhì)直接接觸，有些產(chǎn)生較大的噪聲。為了機(jī)械能正常地工作，設(shè)計(jì)中必須采取相應(yīng)的措施。這些措施可以分為以下四類。具體措施如表2-1-13所示。

第一類措施是減輕損害的根源。如減小發(fā)熱、振動，減少腐蝕介質(zhì)的排出量或降低腐蝕介質(zhì)的濃度等。

第二類措施是隔離。如把發(fā)熱的熱源與機(jī)械工作部分隔開，把腐蝕介質(zhì)與有關(guān)機(jī)械部件隔開，把產(chǎn)生噪聲的振動源與發(fā)聲部分隔開，把產(chǎn)生噪聲的設(shè)備與人員隔開等。

第三類措施是提高抗損壞能力。如加強(qiáng)散熱措施，采用耐熱、耐腐蝕性強(qiáng)的材料等。

第四類措施是更換易損件。設(shè)計(jì)中考慮到某些在強(qiáng)烈受損部位工作的零部件首先損壞，應(yīng)使它們易于更換，定期更換這些易損件，以保持整個機(jī)器正常工作。