1.3 常见机械结构
1.3.1 常用机构
机构可从不同的角度或研究目的进行分类。首先，根据机构中运动副的组成情况，可将机构分为低副机构和高副机构两大类；而根据机构的运动情况，则可将机构分为平面机构和空间机构两大类，其中平面机构应用最为广泛。其次，根据组成机构的构件的情况和机构工作原理的不同，还可将机构分为连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、棘轮机构、槽轮机构、螺旋机构、摩擦传动机构等类型的机构，常用机构运动简图符号见表1-1，这些类型的机构都是在各种实际机械中经常见到的，本节将按这一分类，对上述这些常用类型的机构进行介绍。
表1-1 常用机构运动简图符号
（续）
1.连杆机构
连杆机构的应用十分广泛，它不仅在众多工农业机械和工程机械中得到广泛应用，而且在诸如人造卫星太阳能板的展开机构、机械手的传动机构、折叠伞的收放机构及人体假肢等中也都用有连杆机构。图1-1所示为三种常见的连杆机构。连杆机构的共同特点是其原动件的运动都要经过一个不与机架直接相连的称之为连杆的中间构件，才能传动从动件，故而称其为连杆机构。
图1-1 常见连杆机构
连杆机构具有以下一些传动特点：
1）连杆机构中的运动副一般均为低副。其运动副元素为面接触，具有压强较小、承载能力较大、润滑好、磨损小、加工制造容易等特点。而且连杆机构中低副一般是几何封闭，对保证工作的可靠性有利。
2）在连杆机构中，在原动件的运动规律不变的条件下，可用改变各构件的相对长度来使从动件得到不同的运动规律。
3）在连杆机构中，连杆上各点的轨迹是各种不同形状的曲线，其形状随着各构件相对长度的改变而改变，故连杆曲线的形式多样，可用来满足一些特定工作的需要。
利用连杆机构还可很方便地达到改变运动的传递方向、扩大行程、实现增力和远距离传动等目的。
连杆机构也存在如下一些缺点：
1）由于连杆机构的运动必须经过中间构件进行传递，因而传动路线较长，易产生较大的误差累积，同时也使机械效率降低。
2）在连杆机构运动中，连杆及滑块所产生的惯性力难以用一般平衡方法加以消除，因而连杆机构不宜用于高速运动。
2.凸轮机构
在各种机械，特别是自动机和自动控制装置中，广泛采用着各种形式的凸轮机构。图1-2为一内燃机的配气机构。当凸轮1回转时，其轮廓将迫使推杆2做往复摆动，从而使气阀3开启或关闭（关闭是弹簧4的作用），以控制可燃物质在适当的时间进入气缸或排出废气。由此可见，凸轮是1个具有曲线轮廓或凹槽的构件。凸轮通常为主动件做等速转动，但也有做往复摆动或移动的；被凸轮直接推动的构件称为推杆（又常称其为从动件）。若凸轮为从动件，则称之为反凸轮机构，图1-3所示为常见凸轮机构。
图1-2 内燃机配气机构
1—凸轮 2—推杆 3—气阀 4—弹簧
图1-3 常见凸轮机构
凸轮机构的最大优点是只要适当地设计出凸轮的轮廓曲线，就可以使推杆得到各种预期的运动规律，而且响应快速，机构简单紧凑。正因如此，凸轮机构不可能被数控、电控等装置完全代替。
凸轮机构的缺点是凸轮廓线与推杆之间为点、线接触，易磨损，且凸轮制造较困难。
3.齿轮机构
齿轮机构是在各种机构中应用最为广泛的一种传动机构。它依靠轮齿齿廓直接接触来传递空间任意两轴间的运动和动力，并具有传递功率范围大、传动效率高、传动比准确、使用寿命长、工作可靠等优点；但也存在对制造和安装精度要求高及成本较高等缺点。
齿轮机构的类型很多。对于由一对齿轮组成的齿轮机构，依据两齿轮轴线相对位置的不同，齿轮机构可分为用于平行轴间传动的齿轮机构、用于相交轴间传动的齿轮机构、用于交错轴间传动的齿轮机构等几类，如图1-4所示。
图1-4 齿轮机构类型
a）平行轴齿轮副 b）相交轴齿轮副 c）交错轴齿轮副
4.棘轮机构
棘轮机构的典型结构型式如图1-5所示，它是由摇杆1、棘爪2、棘轮3和止动爪4等组成的。弹簧5用来使止动爪4和棘轮3保持接触。同样，可在摇杆1与棘爪2之间设置弹簧。棘轮3固装在传动轴上，而摇杆1则空套在传动轴上。当摇杆1逆时针摆动时，棘爪2推动棘轮3转过某一角度。当摇杆1顺时针转动时，止动爪4阻止棘轮3顺时针转动，棘爪2在棘轮3的齿背上滑过，棘轮静止不动。故当摇杆连续往复摆动时，棘轮便得到单向的间歇运动。棘轮机构的结构简单、制造方便、运动可靠；而且棘轮轴每次转过角度的大小可以在较大的范围内调节，这些都是它的优点。其缺点是工作时有较大的冲击和噪声，而且运动精度较差。所以，棘轮机构常用于速度较低和载荷不大的场合。
图1-5 棘轮机构的典型结构型式
1—摇杆 2—棘爪 3—棘轮 4—止动爪 5—弹簧
1.3.2 主要连接方式
机电类特种设备金属结构所采用的连接方式有普通螺栓连接、高强度螺栓连接、焊接连接、销轴连接、铆钉连接5种。钢结构的常用连接方式有焊接、铆钉连接和螺栓连接3种，如图1-6所示。
图1-6 钢结构连接方式
a）焊接 b）铆钉连接 c）螺栓连接
1.普通螺栓连接
普通螺栓分为精制螺栓和粗制螺栓两种。精制螺栓由于制造精度要求较高，装配孔需要铰孔，安装很不方便，因此，目前仅在受剪情况下应用。粗制螺栓连接因抗剪性能较差，故主要用于受拉的连接或用作安装连接中的临时定位螺栓。
在受静力载荷或间接动力载荷不大的构件上，可以采用普通螺栓（有粗制和精制之分）。普通螺栓用普通低碳钢制成，粗制螺栓尺寸不准，孔（冲孔或钻孔）往往要比螺栓外径大1～2mm。由于螺栓强度不高，无法用拧紧螺栓的方法产生大的紧压力，在受载时，连接有滑动，变形大，因而该连接不能依靠摩擦力来传递载荷；精制螺栓尺寸准确，孔径仅比螺栓外径大0.3mm，受载后连接变形小，但造价高，安装不便，故在起重机金属结构中很少使用。在不重要的构件中，一般采用普通粗制螺栓。
普通螺栓连接的优点是装卸便利，设备简单。缺点是螺栓精度低时不宜受剪，螺栓精度高时加工和安装难度较大。
2.高强度螺栓连接
高强度螺栓连接施工简单、静力及动力性能良好，应用日趋广泛，常用作安装连接，也可用来代替铆钉连接。高强度螺栓连接，可以产生巨大的压紧力，依靠摩擦力传递载荷。
高强度螺栓连接在起重机金属结构中有广泛的用途。特别作为现场装配连接。螺栓材料为优质碳素结构钢（常用中碳钢35钢或45钢）和合金结构钢（40B或20MnTiB），经热处理后，其抗拉强度前者超过800N/mm2，屈强比0.8（8.8级），后者超过1000N/mm2，屈强比0.9（10.9级）。高强度螺栓连接用的螺母和垫圈均采用45钢，并经热处理。螺纹孔为钻孔，孔径可比螺栓公称直径大10%。对于剪压型高强度螺栓，孔径应小些，以免使连接滑动过大。比螺杆直径只能大7%左右，在实际结构的连接中常是一组螺栓群在工作。螺栓群中的各个螺栓受力情况不一定都相同，通常是找出一个受力最不利的螺栓进行验算。
对于简支接点的连接，若只要求传递剪力，允许有转角。固接连接则要能传递剪力、弯矩和轴力，但不允许有明显的变形。在连接中应使各组螺栓受力明确，分工合理。在重要连接中，受剪力的螺栓不受拉，受拉的螺栓不受剪。在构件需要拼接时，尽可能将连接选在受力最轻的位置。为保证构件拼接后的整体性，最好用高强度螺栓连接。
高强度螺栓连接优点是连接的韧度和塑性较好，质量检查方便，传力均匀。对动力载荷的结构及低温下工作的结构，连接可靠性好。缺点是摩擦面需要处理，安装工艺略为复杂，造价略高，且在动载作用下容易松动。
3.焊接连接
焊接连接是机电类特种设备金属结构构件主要的连接形式。它可分为电弧焊、电阻焊、气焊和电渣焊等，其中以电弧焊最常用。电弧焊又分为手工焊、自动焊和半自动焊。用电弧焊的焊接连接又称为焊缝连接。
机电类特种设备金属结构中的焊缝有两种，一种是贴角焊缝（角焊缝），为补强或辅助焊缝；另一种是对接焊缝，它使母材成为一整体。而最多见的是贴角焊缝。一般情况下，焊透的焊缝是对接焊缝，没有焊透的焊缝是贴角焊缝。
不论何种焊缝，为使焊缝焊透或焊牢，对板件的端面有一定的坡口和间隙要求。
焊缝在施焊过程中的位置常常不同，且有仰焊、俯焊、平焊和立焊4个位置的差别。如俯焊焊缝质量最易保证；仰焊施焊困难，质量不易保证。在工厂内施焊时，尽可能使焊缝处于俯焊位置。
贴角焊缝还可做成间断焊缝。间断焊缝有时可以经济些，其每段焊缝间断距离不得大于较薄板厚的15倍（受压构件）或30倍（受拉构件）。但间断焊缝的应力集中现象十分严重，故在重要构件的主要焊缝中，特别在受动力载荷的场合，不宜采用。
焊条的金属应与母材金属相适应，不同强度的母材连接时，应采用与低强度母材相适应的焊条。对于要焊接的钢材，其化学成分（质量分数）最好限于：碳为0.13%～0.20%，锰为0.40%～0.60%，硅≤0.1%，硫≤0.035%，磷≤0.030%。多数钢材在一般厚度下都是可焊的，不必担心焊缝的开裂。对于厚度大的板件（低碳钢>50mm，低合金钢>36mm）的焊缝应考虑专门的措施，如焊前预加热母材等。焊条型号是以抗拉强度σb为标准，其化学成分、力学性能等可查阅有关手册和国家标准。
焊接连接的优点是对几何形体适应性强，焊接工艺比较简单。缺点是连接刚度较大，易引起结构的残余应力和变形，焊缝对低温的敏感性大。
4.销轴连接
销轴连接主要用于方便运输与安装的可拆部位。销轴、开口销等连接件应经镀锌、钝化、氧化或磷化等表面处理，或其他防腐处理。销轴的防退/脱装置应可靠。开口销的尾部开口半销应彻底扳开。销轴不应有过度的磨损。
销轴连接的优点是传力可靠，韧度和塑性好，质量易于检查，抗动力载荷好，且不会松动。缺点是制作加工要求高。
5.铆钉连接
铆钉连接的韧度和塑性较好，但施工复杂。近年来已逐步被焊接和高强度螺栓连接所代替，仅在跨度和载荷都很大、经常承受动力载荷作用的结构中采用，如重型起重机梁等。