第2章机械系统设计new.ppt

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1、1,第2章 机械部件的选择与设计,概述传动部件导向支承部件旋转支承轴系部件机座或架体,2,机械系统组成：减速装置、丝杠螺母副、蜗轮蜗杆副等各种线性传动部件以及连杆机构、凸轮机构等非线性传动部件导向支承部件旋转支承部件轴系及架体,为确保机械系统的传动精度和工作稳定性要求：无间隙低摩擦低惯量,2.0 机械部件的选择与设计绪论,高刚度高谐振频率适当的阻尼比,3,采用低摩擦阻力的传动部件和导向支承部件缩短传动链，提高传动与支承刚度选用最佳传动比，以达到提高系统分辨率、减少等效到执行元件输出轴上的等效转动惯量，尽可能提高加速能力。缩小反向死区误差改进支承及架体的结构设计以提高刚性、减少振动、降低噪声,4

2、,2.1 机械传动部件的选择与设计,常用的机械传动部件：螺旋传动齿轮传动同步带传动高速带传动各种非线性传动部件,主要功能是传递转矩和转速，实质上是一种转矩、转速变换器。,2.1.1 机械传动部件及其功能要求,传动机构技术要求：1)精密化2)高速化3)小型化、轻量化,5,传动机构及其功能（：为选择）,6,丝杠螺母机构又称螺旋传动机构,用来将旋转运动变换为直线运动或将直线运动变换为旋转运动。传递能量为主螺旋传动机构的(如螺旋压力机、千斤顶等)传递运动为主的螺旋传动机构(如工作台的进给丝杠)调整零件之间相对位置的螺旋传动机构,2.1.2 丝杠螺母机构,7,丝杠螺母机构分为:滑动摩擦机构和滚动摩擦机构

3、。,滑动丝杠螺母机构结构简单、加工方便、制造成本低、具有自锁功能，但其摩擦阻力矩大、传动效率低(3040)。,滚珠丝杠螺母机构虽然结构复杂、制造成本高，但其最大优点是摩擦阻力矩小、传动效率高(9298)，,8,1)螺母固定、丝杆转动并移动 2)丝杆转动、螺母移动 3)螺母转动、丝杆移动 4)丝杆固定、螺母转动并移动5)差动传动方式,9,10,1滚珠丝杠副的组成及特点,滚珠丝杠副是一种新型螺旋传动机构，其具有螺旋槽的丝杆与螺母之间装有中间传动元件滚珠。,2.1.3 滚珠丝杠传动部件,11,优点:摩擦阻力矩小、传动效率高轴向刚度高(即通过适当预紧可消除丝杠与螺母之间的轴向间隙)运动平稳;定位精度和

4、重复定位精度高;不易磨损;使用寿命长.,缺点:由于不能自锁，具有传动的可逆性，在用作升降传动机构时，需要采取制动措施。,12,13,14,2滚珠丝杠副的典型结构类型,滚珠丝杠副的结构类型可以从螺纹滚道的截面形状、滚珠的循环方式和消除轴向间隙的调整方法进行区别,(1)螺纹滚道型面(法向)的形状及主要尺寸,15,(2)滚珠的循环方式 内循环和外循环,内循环方式的优点是滚珠循环的回路短、流畅性好、效率高、螺母的径向尺寸也较小。缺点是反向器加工困难、装配调整也不方便。,16,浮动式反向器的内循环滚珠丝杠副。,1-反向器；2-弹簧套；3-丝杆；4-碟簧片,17,外循环方式中的滚珠在循环返向时，离开丝杆螺

5、纹滚道，在螺母体内或体外作循环运动。从结构上看，外循环有以下三种形式：,1)螺旋槽式,18,2)插管式,19,3)端盖式,20,3滚珠丝杠副的主要尺寸参数,公称直径：,基本导程(或螺距)：,行程：,螺纹大径：丝杆螺纹小径滚珠直径螺母螺纹大径螺母螺纹小径丝杆螺纹全长,第一、第二和第三圈(或列)分别承受轴向载荷的50、30和20左右。因此，工作圈(或列)数一般取2.5(或2)3.5(或3)。滚珠总数N一般不超过150个。,21,4滚珠丝杠副的精度等级及标注方法,1)精度等级：根据GB/T17587.3-1998（与ISO 3408-3：1992同）标准，将滚珠丝杠副的精度分成为1、2、3、4、5、

6、7、10共七个等级，最高级为1级，最低级为10级。2)标注方法：GB/T17587.1-1998规定滚珠丝杠的标识符号应按下图给定顺序排列的内容标注。,22,23,尺寸系列，国际标准化组织(ISODIS3408-2-1991)和GB/T 17587.2-1998中规定：公称直径(mm)：6，8，10，12，16，20，25，32，40，50，63，80，100，125，160及200。公称基本导程(mm)：1，2，25，3，4，5，6，8，10，12，16，20，25，32，40。尽可能 优先选用：2.5，5，10，20及40。,24,行程偏差的验收检验项目（GB/T 17587.3-1998

7、（与ISO3408-3：1992）同）,25,行程偏差和变动量（部分）,26,27,(1)双螺母螺纹预紧调整式,结构简单、刚性好、预紧可靠，使用中调整方便，但不能精确定量地进行调整。,1-锁紧螺母；2-调整螺母；3、4-滚珠螺母,5 滚珠丝杠副轴向间隙的调整与预紧,28,(2)双螺母齿差预紧调整式,可实现定量调整即可进行精密微调(如0.002 mm)，使用中调整较方便。,1-套筒；2-内齿轮；3-螺母；4-丝杠,29,(3)双螺母垫片调整预紧式,结构简单、刚度高、预紧可靠，但使用中调整不方便。,双螺母垫片预紧式 1-垫片；2-螺母,30,(4)弹簧式自动调整预紧式,能消除使用过程中因磨损或弹性

8、变形产生的间隙，但其结构复杂、轴向刚度低，适合用于轻载场合。,弹簧自动调整预紧式,31,(5)单螺母变位导程自预紧式和单螺母滚珠过盈预紧式,结构简单紧凑，但使用中不能调整，且制造困难。,32,6 滚珠丝杠副支承方式的选择,1)单推一单推式 止推轴承分别装在滚珠丝杠的两端并施加预紧力。,轴向刚度较高，预拉伸安装时，预紧力较大，但轴承寿命比双推一双推式低。,33,典型支承方式,34,2)双推一双推式两端分别安装止推轴承与深沟球轴承的组合，并施加预紧力，其轴向刚度最高。,该方式适合于高刚度、高转速、高精度的精密丝杠传动系统。但随温度的升高会使丝杠的预紧力增大，易造成两端支承的预紧力不对称。,35,3

9、)双推一简支式一端安装止推轴承与深沟球轴承的组合，另一端仅安装深沟球轴承，其轴向刚度较低，使用时应注意减少丝杠热变形的影响。,双推端可预拉伸安装，预紧力小，轴承寿命较高，适用于中速、传动精度较高的长丝杠传动系统。,36,4)双推一自由式一端安装止推轴承与深沟球轴承的组合，另一端悬空呈自由状态，故轴向刚度和承载能力低，多用于轻载、低速的垂直安装的丝杠传动系统。,37,(2)轴承的组合安装支承示例,38,39,40,(3)制动装置 因滚珠丝杠传动效率高，无自锁作用，故在垂直安装状态，必须设置防止因驱动力中断而发生逆传动的自锁、制动或重力平衡装置。,摩擦轮,制动轮,41,(1)滚珠丝杠副结构的选择

10、根据防尘防护条件以及对调隙及预紧的要求，可选择适当的结构型式。例如当允许有间隙存在时(如垂直运动)可选用具有单圆弧形螺纹滚道的单螺母滚珠丝杠副；,当必须有预紧或在使用过程中因磨损而需要定期调整时，应采用双螺母螺纹预紧或齿差预紧式结构；,当具备良好的防尘条件，且只需在装配时调整间隙及预紧力时，可采用结构简单的双螺母垫片调整预紧式结构。,7 滚珠丝杠副的选择方法,42,(2)滚珠丝杠副结构尺寸的选择,公称直径d0:一般取d0小于30为宜；基本导程:按承载能力、传动精度及传动速度选取，导程大承载能力也大，导程小传动精度较高。.基本导程Ph(或螺距t)应要求传动速度快时，可选用大导程滚珠丝杠副。螺纹长

11、度在允许的情况下要尽量短,43,(3)滚珠丝杠副的选择计算,在选用滚珠丝杠副时，必须知道实际的工作条件：最大的工作载荷Fmax(或平均工作载荷Fcp)(N)作用下的使用寿命T(h)丝杠的工作长度(或螺母的有效行程)(mm)丝杠的转速n(或平均转速ncp)(rmin)滚道的硬度HRC及丝杠的工况,44,1)承载能力选择,45,2)压杆稳定性核算,46,3)刚度的验算,47,式中：E钢的弹性模量，21105MPa：S丝杠的最小截面积，cm2：M扭矩，Ncm；I丝杠的小径d1的截面惯性矩：L的单位为cm；“+”号用于拉伸时，“-”号用于压缩时。,根据你选择的丝杠型号精度等级的丝杠允差，检验刚度是否足

12、够。注意：最大载荷满足了，刚度并不一定能满足,48,齿轮传动部件是转矩、转速和转向的变换器。,1齿轮传动形式及其传动比的最佳匹配选择,2.1.4 齿轮传动部件,常用的齿轮减速装置有一级、二级、三级等传动形式,49,要使伺服电动机驱动负载产生的加速度最大，要按下述方法选择总传动比。,(1)传动比 i,其中，电机输出转角，负载转角,50,额定转矩为Tm、转子转动惯量为Jm，负载惯量为JL、负载转矩为TLF的负载的计算模型，电动机轴上的加速转矩为Ta。,(2)电机输出轴的力矩平衡方程,令,(2)最佳传动比,51,求得使负载加速度为最大的i值，即,52,2齿轮传动链的级数和各级传动比的分配,按下述三种

13、原则适当分级，并在各级之间分配传动比。,(1)最小等效转动惯量原则,1)小功率传动,利用该原则所设计的齿轮传动系统，换算到电动机轴上的等效转动惯量为最小。,53,齿轮系中各转动惯量换算到电动机轴上的等效转动惯量,由于,所以,代入上式得:,54,当,55,按此原则计算的各级传动比也是按“先小后大”次序分配，可使其结构紧凑。,2)大功率传动。大功率传动的转矩较大，小功率传动中的各项简化假设大多不合适，大功率传动比的分配次序仍为“前小后大”。,56,(2)重量最轻原则,1)小功率传动。假定各主动小齿轮的模数、齿数、齿宽、材料均相同，轴与轴承转动惯量不计，各齿轮均为实心圆柱体，效率不计，则各齿轮的重量

14、之和w为,式中:b各齿轮的宽度；材料密度；D1、D2、D3、D4各齿轮的计算直径。,57,要保证传动装置的重量最轻，应在总传动比已确定的条件下，首先确定最佳级数，再分配各级传动比，并使各级传动比相等。,2)大功率传动。大功率传动系统，其传递扭矩大，故要考虑齿轮模数、齿轮齿宽等参数要逐级增加的情况，按重量最轻原则的大功率传动装置，各级传动比是“前大后小”。,58,(3)输出轴转角误差最小原则 在减速传动链中，从输入端到输出端的各级传动比应为“前小后大”，且末端两级传动比应尽可能大，齿轮副精度应提高，这样可减小齿轮的加工误差、安装误差、回转误差对输出转角精度的影响。,59,60,小结：,对于要求体

15、积小、重量轻的齿轮传动系统可用重量最轻原则。,对于要求运动平稳、起停频繁和动态性能好的伺服系统的减速齿轮系，可按最小等效转动惯量和总转角误差最小的原则来处理。对于变负载的传动齿轮系统的各级传动比最好采用不可约的比数，避免同期啮合以降低噪声和振动。,对于提高传动精度和误差为主的传动齿轮系，可按总转角误差最小原则。对于增速传动，由于增速时容易破坏轮系工作的平稳性，应在开始几级就增速，并且要求每级增速比最好大于l：3，以有利于增加轮系刚度、减小传动误差。,对以较大传动比传动的齿轮系，往往需要将定轴轮系和行星结合为混合轮系。对于相当大的传动比、并且要求传动精度与传动效率高、传动平稳、体积小重量轻时，可

16、选用新型的谐波齿轮传动。,61,谐波齿轮系统由谐波发生器、刚性轮和柔性轮三大件组成。,(1)谐波齿轮传动的工作原理,谐波齿轮传动与少齿差行星齿轮传动十分相似。它是依靠柔性齿轮产生的可控变形波引起齿间的相对错齿来传递动力和运动的。,3谐波齿轮传动,62,波形发生器,刚轮zg,柔轮zr,柔轮是薄圆筒形，由于波形发生器的长径比柔轮内径略大，故装配在一起时就将柔轮撑成椭圆形。,63,64,工程上常用的波形发生器有两个触头的即为双波发生器，也有三个触头的。具有双波发生器的谐波减速器，其刚轮和柔轮的齿数之差为 zg一zr=2其椭圆长轴的两端柔轮与刚轮的牙齿相啮合，在短轴方向的牙齿完全分离。当波形发生器逆时

17、针转一圈时，两轮相对位移为二个齿距。当刚轮固定时，则柔轮的回转方向与波形发生器的回转方向相反。,65,传动比大。单级谐波齿轮传动的传动比为50500，多级和复式传动的传动比更大。,承载能力强。传递额定输出转矩时，谐波齿轮传动同时接触的齿对数可达总对数的3040以上。,传动精度高、回程误差小。谐波齿轮的传动精度比一般齿轮的传动精度至少高一级。,传动平稳、噪声低。基本上无冲击振动。,传动效率高。单级传动的效率为6590。结构简单、体积小、重量轻。在传动比和承载能力相同的条件下，,比一般齿轮减速器的体积和重量减少l213。成本高。柔性材料性能要求高，制造较困难,(2)谐波齿轮传动的特点,66,谐波齿

18、轮传动的波形发生器相当于行星轮系的转臂，柔轮相当于行星轮，刚轮则相当于中心轮。故谐波齿轮传动装置(谐波减速器)的传动比可以应用行星轮系求传动比的方式来计算。,当柔轮固定时:r=0,为正,说明刚轮与波形发生器的转向相同,(3)谐波齿轮传动的传动比,67,当刚轮固定时:g=0,3)谐波齿轮减速器产品及选用 目前尚无谐波减速器的国标，不同生产厂家标准代号也不尽相同。,68,4齿轮传动间隙的调整方法,(1)圆柱齿轮,1)偏心套式间隙调整法特点是结构简单，但其侧隙不能自动补偿。,2)轴向垫片调整法结构简单，但其侧隙不能自动补偿,69,垫片,轴向略有锥度,70,薄片齿轮,短柱1,3)双片薄齿轮错齿调整法周

19、向弹簧式 可调拉簧式,71,(2)斜齿圆柱齿轮,结构比较简单，但调整较费时，且齿侧间隙不能自动补偿。,齿侧间隙可以自动补偿，但轴向尺寸较大，结构不紧凑。,72,除滚珠丝杠副、齿轮副等传动部件之外，机电一体化系统中 还 大量使用同步带、钢带、链条、钢丝绳及尼龙绳等挠性传动部件。,2.1.5 挠性传动部件,73,打印机中同步带传动系统,打印机中同步带传动系统 1-驱动轮；2-驱动轴；3-从动轮；4-伺服电动机；5-电动机齿轮；6-字车；7-色带驱动手柄；8-销；9-联接环；10-字车驱动同步带；11-支架；12-带张力调节螺杆；13-色带驱动带；14-压带轮；15-色带驱动轮；16-色带驱动轴；1

20、7-导杆,74,梯形齿同步带及带轮结构,梯形齿同步带结构1-包布层；2-带齿；3-带背；4-加强筋,75,76,钢带和绳轮传动,钢带传动定位机构1-导杆；2-轴承；3-小车；4-导轨；5-磁头；6-钢带；7-步进电动机,绳轮传动在打印机字车送进机构中的应用1-字车；2-绳轮(电动机输出轴上)；3-伺服电动机；4-钢丝绳,77,2.2 导向支承部件的选择与设计,2.2.1 导轨副的组成、种类及其应满足的要求,导向支承部件的作用是支承和限制运动部件按给定的运动要求和规定的运动方向运动。,导轨副主要由承导件1和运动件2两大部分组成,运动方向为直线的被称为直线导轨副运动方向为回转的被称为回转导轨副,分

21、类,1导轨副的组成、种类,78,79,按其接触面的摩擦性质,滑动导轨,滚动导轨,流体介质摩擦导轨,气体、液体导轨,弹性摩擦导轨,圆柱型棱柱型组合型,滚柱(针)型滚珠型滚动导轨块型滚动轴承型,动压型静压型动静压型,片簧型膜片型 柔性铰链型,80,按其结构特点,开式导轨,借助重力或弹簧弹力保证运动件与承导面之间的接触,闭式导轨,只靠导轨本身的结构形状保证运动件与承导面之间的接触,81,82,83,机电一体化系统对导轨的基本要求是导向精度高、刚性好、运动轻便平稳、耐磨性好、温度变化影响小以及结构工艺性好等.,对精度要求高的直线运动导轨，还要求导轨的承载面与导向面严格分开；当运动件较重时，必须设有拆卸

22、装置，运动件的支承，必须符合三点定位原理。,导向精度是指动导轨按给定方向作直线运动的准确程度。,2导轨副应满足的基本要求,(1)导向精度,84,导向精度的高低，主要取决于导轨的结构类型；导轨的几何精度和接触精度；导轨的配合间隙，油膜厚度和油膜刚度；导轨和基础件的刚度和热变形等。,直线运动导轨的几何精度，一般有下列几项：1)导轨在垂直平面内的直线度(即导轨纵向直线度),2)导轨在水平平面内的直线度(即导轨横向直线度),在这两种精度中，一般规定导轨全长上的直线度或导轨在一定长度上的直线度。,85,86,3)两导轨面间的平行度，也叫扭曲度这项误差一般规定用在导轨一定长度上或全长上的横向扭曲值表示。,

23、导轨的刚度就是抵抗载荷的能力。抵抗恒定载荷的能力称为静刚度；抵抗交变载荷的能力称为动刚度。,在恒定载荷作用下，物体变形的大小，表示静刚度的好坏。导轨变形一般有自身、局部和接触三种变形。,自身变形，由于作用在导轨面上的零、部件重量(包括自重)而引起，它主要与导轨的类型、尺寸以及材料等有关。,(2)刚度,87,为了加强导轨自身刚度，常用增大尺寸和合理布置筋和筋板等办法解决。,导轨局部变形发生在载荷集中的地方，因此，必须加强导轨的局部刚度。,88,对于活动接触面(动导轨与支承导轨)，需施加预载荷，以增加接触面积，提高接触刚度，预载荷一般等于运动件及其上的工件等重量。为了保证导轨副的刚度，导轨副应有一

24、定的接触精度。导轨的接触精度以导轨表面的实际接触面积占理论接触面积的百分比或在2525 mm2。面积上接触点的数目和分布状况来表示。这项精度一般根据精刨、磨削、刮研等加工方法按标准规定。,它主要由导轨的耐磨性决定。导轨的耐磨性是指导轨在长期使用后，应能保持一定的导向精度。,导轨的耐磨性，主要取决于导轨的结构、材料、摩擦性质、表面粗糙度、表面硬度、表面润滑及受力情况等,(3)精度的保持性,89,提高导轨的精度保持性，必须进行正确的润滑与保护。采用独立的润滑系统自动润滑。防护方法很多，目前多采用多层金属薄板伸缩式防护 罩进行防护。,(4)运动的灵活性和低速运动的平稳性,机电一体化系统和计算机外围设

25、备等的精度和运动速度都比较高，因此，其导轨应具有较好的灵活性和平稳性，工作时应轻便省力，速度均匀，低速运动或微量位移时不出现爬行现象，高速运动时应无振动。在低速运行时(如005 mmmin)，往往不是作连续的匀速运动而是时走时停(即爬行)。,90,将传动系统和摩擦副简化成弹簧一阻尼系统，如图254所示，,为防止爬行现象的出现，可同时采取以下几项措施：采用滚动导轨、静压导轨、卸荷导轨、贴塑料层导轨等；在普通滑动导轨上使用含有极性添加剂的导轨油；用减小结合面、增大结构尺寸缩短传动链、减少传动副等方法来提高传动系统的刚度。,91,(5)对温度的敏感性和结构工艺性,导轨在环境温度变化的情况下，应能正常

26、工作，既不“卡死”，亦不影响系统的运动精度。导轨对温度变化的敏感性，主要取决于导轨材料和导轨配合间隙的选择。结构工艺性是指系统在正常工作的条件下，应力求结构简单，制造容易，装拆、调整、维修一检测方便，从而最大限度的降低成本。,3导轨副的设计内容,设计导轨应包括下列几方面内容：1)根据工作条件，选择合适的导轨类型；2)选择导轨的截面形状，以保证导向精度；,92,3)选择适当的导轨结构及尺寸，使其在给定的载荷及工 作温度范围内，有足够的刚度、良好的耐磨性以及运 动轻便和低速平稳性。,4)选择导轨的补偿及调整装置，经长期使用后，通过调 整能保持所需要的导向精度；,5)选择合理的耐磨涂料、润滑方法和防

27、护装置，使导轨 有良好的工作条件，以减少摩擦和磨损；,6)制订保证导轨所必需的技术条件，如选择适当的材料，以及热处理、精加工和测量方法等。,93,2.2.2 滑动导轨副的结构及其选择,三角形(分对称、不对称两类)矩形燕尾形圆形,凸形导轨不易积存切屑等脏物，也不易储存润滑油，宜低速下工作；凹形导轨则相反，可用于高速，但必须有良好的防护装置，以防切屑等脏物落入轨道。,1 常见的导轨截面形状,94,95,各种导轨的特点,1)三角形导轨 导轨尖顶朝上的称三角形导轨，尖顶朝下的称V形导轨。该导轨在垂直载荷的作用下，磨损后能自动补偿，不会产生间隙，故导向精度较高。但压板面仍需有间隙调整装置。截面角度由载荷

28、大小及导向要求而定，一般为90。为增加承载面积，减小比压，在导轨高度不变的条件下，应采用较大的顶角(110 120)；为提高导向性，可采用较小的顶角(60)。如果导轨上所受的力，在两个方向上的分力相差很大，应采用不对称三角形，以使力的作用方向尽可能垂直于导轨面。导轨水平与垂直方向误差相互影响，给制造、检验和修理带来困难。,96,2)矩形导轨矩形导轨的特点是结构简单，制造、检验和修理方便，导轨面较宽，承载能力大，刚度高，故应用广泛。矩形导轨的导向精度没有三角形导轨高，磨损后不能自动补偿，须有调整间隙装置，但水平和垂直方向上的位置各不相关，即一方向上的调整不会影响到另一方向的位移，因此安装调整均较

29、方便。在导轨的材料、载荷、宽度相同情况下，矩形导轨的摩擦阻力和接触变形都比三角形导轨小。,3)燕尾形导轨 此类导轨磨损后不能自动补偿间隙，需设调整间隙装置。,97,两燕尾面起压板面作用，用一根镶条就可调节水平与垂直方向的间隙，且高度小，结构紧凑，可以承受颠覆力矩。刚度较差，摩擦力较大，制造、检验和维修都不方便。用于运动速度不高，受力不大，高度尺寸受到限制的场合。,4)圆形导轨圆形导轨制造方便，外圆采用磨削，内孔经过珩磨，可达到精密配合，磨损后很难调整和补偿间隙。圆柱形导轨有两个自由度，适用于同时作直线运动和转动的地方。若要限制转动。可在圆柱表面开键槽或加工出平面，不能承受大的扭矩，亦可采用双圆

30、柱导轨。圆柱导轨用于承受轴向载荷的场合。,98,2导轨副的组合形式,两条三角形导轨同时起支承和导向作用，如图256所示。,结构对称，驱动元件可对称地放在两导轨中间两条导轨磨损均匀，导向性和精度保持性都高，接触刚度好工艺性差，对导轨的四个表面刮削或磨削也难以完全接触,多用于精度要求较高的机床设备,(1)双三角形导轨,99,承载面1和导向面2分开。因而制造与调整简单,(2)矩形和矩形组合,100,(3)三角形和矩形组合,它兼有三角形导轨的导向性好、矩形导轨的制造方便、刚性好等优点，并避免了由于热变形所引起的配合变化。但导轨磨损不均匀、一般是三角形导轨比矩形导轨磨损快，磨损后又不能通过调节来补偿，故

31、对位置精度有影响。闭合导轨有压板面，能承受颠覆力矩。,具有三角形和矩形组合导轨的基本特点，但由于没有闭合导轨装置，因此只能用于受力向下的场合。,(4)三角形和平面导轨组合,101,由于三角形和矩形(或平面)导轨的摩擦阻力不相等，因此在布置牵引力的位置时，应使导轨的摩擦阻力的合力与牵引力在同一直线上，否则就会产生力矩，使三角形导轨对角接触，影响运动件的导向精度和运动的灵活性。,102,整体式燕尾形导轨；装配式燕尾形导轨，其特点是制造、调试方便；燕尾与矩形组合，它兼有调整方便和能承受较大力矩的优点，多用于横梁、立柱和摇臂等导轨。,(5)燕尾形导轨及其组合,103,3导轨副间隙的调整,间隙过小，会增

32、加摩擦阻力；间隙过大，会降低导向精度。,导轨应有间隙调整装置。矩形导轨需要在垂直和水平两个方向上调整间隙。,常用的调整方法有压板和镶条法两种方法。对燕尾形导轨可采用镶条(垫片)方法同时调整垂直和水平两个方向的间隙。对矩形导轨可采用修刮压板、修刮调整垫片的厚度或调整螺钉的方法进行间隙的调整,104,105,为采用平镶条调整导轨面间隙的结构。平镶条一般放在受力小的一侧，用螺钉调节，螺母锁紧。因各螺钉单独拧紧，收紧力不易一致，使镶条在螺钉的着力点，有挠度，使接触不均匀，刚性差，易变形，调整较麻烦，故用于受力较小或短的导轨。,所示为采用两根斜镶条调整导轨侧面间隙的结构。,斜镶条是在全长上支承，其斜度为

33、1：401：100，镶条长度L越长，斜度应越小，以免两端厚度相差过大。一般LH 10时，取1：100,106,107,采用斜镶条调整的优点是：镶条两侧面与导轨面全部接触，故刚性好，但斜镶条必须加工斜形，因此制造困难，但使用可靠，调整方便，故应用较广。,三角形导轨的上滑动面能自动补偿，下滑动面的间隙调整和矩形导轨的下压板调整底面隙相同。圆形导轨的间隙不能调整。,导轨常用材料有铸铁、钢、有色金属和塑料等。常使用铸铁一铸铁、铸铁一钢的导轨。,4导轨副材料的选择,108,1)铸铁铸铁具有耐磨性和减振性好，热稳定性高，易于铸造和切削加工，成本低等特点，因此在滑动导轨中被广泛采用。,常用的铸铁有：灰铸铁，

34、常用的是HT200(一级铸铁)，硬度以180200 HB较为合适。若灰口铸铁不能满足耐磨性要求，可使用耐磨铸铁。,常用的耐磨铸铁有：高磷铸铁，含磷量为03065的灰口铸铁，其硬度为180220 HB，耐磨性能比灰铸铁HT200约高一倍；若加入一定量的铜和钛，成为磷铜钛铸铁，其耐磨性能比HT200约高二倍。,109,低合金铸铁，如钒钛铸铁、中磷钒钛铸铁、中磷铜钒钛铸铁等。这类铸铁具有较好的耐磨性(与高磷铜钛铸铁相近)，且铸造性能优于高磷系铸铁。,稀土铸铁，它具有强度高、韧性好的特点，耐磨性与高磷铸铁相近。,孕育铸铁，常用的孕育铸铁为HT300，它比HT200的耐磨性高。,2)钢为了提高导轨的耐磨

35、性，可以采用淬硬的钢导轨。淬火的钢导轨都是镶装或焊接上去的。淬硬钢导轨的耐磨性比不淬硬铸铁导轨高510倍；,110,一般要求的导轨，常用的钢有45钢、40Cr、T8A、T10A、GCr15、GCr15SiMn等，表面淬火或全淬，硬度为5258HRC。要求高的导轨，常采用的钢有20Cr、20CrMnTi、15号等，渗碳淬硬至5662 HRC，磨削加工后淬硬层深度不得低于15 mm。,3)有色金属 常用的有色金属有黄铜HPb591，锡青铜ZCuSn6Pb3Zn6，铝青铜ZQAl92和锌合金ZZnAll05，超硬铝LC4、铸铝ZL106等，其中以铝青铜较好。,111,4)塑料镶装塑料导轨具有耐磨性好

36、(但略低于铝青铜)，抗振性能好，工作温度适应范围广(一200260)，抗撕伤能力强，动、静摩擦系数低，差别小，可降低低速运动的临界速度，加工性和化学稳定性好，工艺简单，成本低等优点。,用作导轨塑料贴层的有锦纶和酚醛夹布塑料、环氧树脂耐磨涂料、以聚四氟乙烯为基体的塑料。,与滚动导轨相比，具有寿命长、结构简单、使用方便、吸振性好、刚性好、成本低等优点。,112,5)导轨材料的搭配为了提高导轨的耐磨性，动导轨和支承导轨应具有不同的硬度。如果采用相同的材料，也应采用不同的热处理，以使动、静导轨的硬度不同，其差值一般在2040 HB范围内。而且，最低硬度应不低于所用材料标准硬度值的下限。滑动导轨常用材料

37、的搭配列于表210。,113,5提高导轨副耐磨性的措施,1)采用镶装导轨为了提高导轨的耐磨性，又要使导轨的制造工艺简单，修理方便，成本低等，往往采用镶装导轨，即在支承导轨(如底座、床身等)上镶装淬硬钢条、钢板或钢带；在动导轨上镶装塑料或有色金属板。,镶钢导轨 镶装塑料导轨镶装有色金属导轨铝青铜ZQAl92和锌合金ZZnAll05,114,115,2)提高导轨的精度与改善表面粗糙度 3)减小导轨单位面积上的压力(即比压),减轻运动部件的重量和增大导轨面的面积;采用卸荷导轨,116,2.2.3 滚动导轨副的类型与选择,1直线运动滚动导轨副的特点及要求,滚动导轨作为滚动摩擦副的一类，具有许多特点：摩

38、擦系数小(00030005)，运动灵活；动、静摩擦系数基本相同，因而启动阻力小，不易产生爬行；可以预紧，刚度高；寿命长；精度高；润滑方便，可以采用脂润滑，一次装填，长期使用；由专业厂生产，可以外购选用。,117,滚动导轨的缺点是：导轨面与滚动体是点接触或线接触，所以抗振性差，接触应力大；对导轨的表面硬度、表面形状精度和滚动体的尺寸精度要求高，若滚动体的直径不一致，导轨表面有高低，会使运动部件倾斜，产生振动，影响运动精度；结构复杂，制造困难，成本较高；对脏物比较敏感，必须有良好的防护装置。,118,对滚动导轨副的基本要求是：1)导向精度导向精度是导轨副最基本的性能指标。移动件沿导轨运动时，不论有

39、无载荷，都应保证移动轨迹的直线性及其位置的精确性。,2)耐磨性导轨副应在预定的使用期内，保持其导向精度。精密滚动导轨副的主要失效形式是磨损。,3)刚度为了保证足够的刚度，应选用最合适的导轨类型，尺寸及其组合。选用可调间隙和预紧的导轨副可以提高刚度。4)工艺性导轨副要便于装配、调整、测量、防尘、润滑和维修保养。,119,直线运动滚动导轨副的滚动体有循环的和不循环的两种类型，根据直线运动导轨,这两种类型又将导轨副分成多种型式。,2滚动导轨副的分类,120,1)滚动体不循环的滚动导轨副 导轨的滚动体可以是滚珠、滚针或圆柱滚子。它们的共同特点是滚动体不循环，因而行程不能太长。,特点：结构简单，制造容易

40、，成本较低，但有时难以施加预紧力，刚度较低，抗振性能差，不能承受冲击载荷。,121,摩擦阻力小，但承载能力差，刚度低；不能承受大的颠覆力矩和水平力,承荷能力比滚珠导轨副高近10倍；刚度高,122,没加载荷的三角一平面滚珠导轨，结构简单，制造方便，用于轻载、小颠覆力矩条件下。,有预加载荷的双三角形滚珠导轨，结构较简单，制造较方便，用于中载和中等颠覆力矩条件下。,有预加载荷的双三角形交叉滚子导轨，结构较复杂，刚度高适用于较大颠覆力矩条件下,123,2)滚动体循环的滚动导轨副,行程无限的标准滚动导轨副。这种导轨副用于重载条件下，但结构较复杂，装卸调整不方便。,标准化的滚动导轨块，其特点是行程长，装卸

41、调整方便。图a为滚柱导轨块可按额定动负荷选用，其基本参数为高度H；图b为滚珠导轨块，它的结构紧凑，尤其是高度小，容易安装，滚珠不会像圆柱滚子那样发生歪斜，但是它的承载能力差，抗振性能也略低。,124,125,126,标准化的滚动导轨副。它具有不同的间隙预紧结构。图a中定导轨1用螺钉固定在机身2上，动导轨4固定在运动件3上，其间隙可用调节螺钉5调节，故其精度和刚度均较低。图b中采用塞块6调整间隙，其精度和刚度均较高。图c所示结构采用偏心销轴进行间隙调整,3)滚动轴承导轨 滚动轴承导轨与滚珠、滚柱导轨的主要区别是：它不仅起着滚动体的作用，而且还代替了导轨。,127,128,它的主要特点是：摩擦力矩

42、小，运动平稳、灵活，承载能力大，调节方便，导轨面积小，加工工艺性好，能长久地保持较高的精度。但其精度直接受到轴承精度的影响。滚动轴承导轨在精密机械设备和仪器中均有采用，如精缩机、万能工具显微镜、测长仪等。,用作导轨的滚动轴承与轴承厂制造的标准轴承有所不同，标准滚动轴承是外环固定，内环旋转，而用作导轨的轴承恰好相反。且轴承内外环比标准轴承厚,精度更高.,129,130,滚动轴承的偏心轴机构。滚动轴承装在偏心轴上，以便于调整与控制导轨的间隙。其偏心量一般取e=021 mm。,行程无限的标准滚动导套副。它装卸调整方便，用于轻载场合。,131,2.3 旋转支承的选择与设计,2.3.1旋转支承的种类及基

43、本要求,旋转支承中的运动件相对于支承导件转动或摆动时，按其相互摩擦的性质可分为滑动、滚动、弹性、气体(或液体)摩擦支承。滑动摩擦支承按其结构特点可分为圆柱、圆锥、球面和顶针支承；滚动摩擦支承按其结构特点，可分为填入式滚珠支承和刀口支承。,132,a为圆柱支承,b为圆锥支承,c为球面支承,d为顶针支承,e为填入式滚珠支承,f为刀口支承,g为气、液体摩擦支承,h为弹簧支承,133,对支承的要求应包括：方向精度和置中精度；方向精度是指运动件转动时，其轴线与承导件的轴线产生倾斜的程度。置中精度是指在任意截面上，运动件的中心与承导件的中心之间产生偏移的程度。摩擦阻力矩的大小；许用载荷；对温度变化的敏感性

44、；支承对温度变化的敏感性是指温度变化时，由于承导件和运动件尺寸的变化，引起支承中摩擦阻力矩的增大或运动不灵活的现象。耐磨性以及磨损的可补偿性；抗振性；成本的高低。,134,这种支承具有较大的接触表面，承受载荷较大。但其方向精度和置中精度较差，且摩擦阻力矩较大。,储存润滑油,承受轴向力,2.3.2 圆柱支承,135,当需要准确的轴向定位时，常在运动件的中心孔和止推面之间放一滚珠作轴向定位或利用轴套端面的滚珠作轴向定位,136,对置中性和方向精度要求很高时,应采用运动学时圆柱支承.为克服点接触局部压力大的缺点,常采用小的面接触或线接触代替点接触,成为半运动学圆柱支承.,特点:由于采用点和面限制运动

45、件的自由度,并且滚珠和轴套锥面具有自动定心作用,故间隙对轴晃动的影响比标准圆柱支承小,因而精度较高.,137,支承的间隙和相配件的形状偏差会影响支承的方向精度和置中精度，其置中精度和方向精度分别用最大中心误差C和轴的最大偏角r来衡量，其值按下式确定,tanr=C/L,式中：DK、dz分别为轴承孔和轴的形状偏差，mm；DKmax轴承孔的最大极限尺寸，mm；dzmin轴的最小极限尺寸，mm；L支承的长度，mm。,138,温度的变化将导致支承间隙的变化，其变化量可用下式表示,式中：X相对于温度t时的间隙，mm；DK轴承孔直径，mm；dZ轴颈直径，mm；K 轴承孔的线膨胀系数，1；Z 轴颈的线膨胀系数

46、，l；t工作温度，；t0标准温度20。,139,上式表明，轴承和轴颈材料相同时，温度对支承间隙影响较小。但为了减小摩擦和损失，常采用线膨胀系数相似的不同材料，如淬火钢(=0000012)和铸铁(=00000104)，或合金钢(=0000 020)和黄铜(=0000019 2)。,2.3.3 圆锥支承,圆锥支承的方向精度和置中精度较高，承载能力较强，但摩擦阻力矩也较大。圆锥支承由锥形轴颈和具有圆锥孔的轴承组成，其置中精度比圆柱支承好，轴磨损后，可借助轴向位移，自动补偿间隙。其缺点是摩擦阻力矩大，对温度变化比较敏感，制造成本较高。常用于铅垂轴且承受轴向力情况.,140,圆锥支承常用于铅垂轴且承受轴

47、向力。由图282可知，在轴向载荷FQ的作用下，正压力 FN=FQsin a,为改善这种情况，常用图a所示的修刮端面A，或如图b所示的用止推螺钉承受轴向力的办法。这时，圆锥配合表面将主要用来保证置中精度,FQ,141,一般取2在4 15之间，4多用于精密支承。圆锥支承在装配时常进行成对研配，以保证轴与轴套锥面的良好接触。,2.3.4 填入式滚动支承,滚动支承摩擦阻力矩小、耐磨性好、承载能力较大、温度剧烈变化时影响小、以及能在振动条件下工作，故可在高速度、重载情况下使用，但成本较高。,当标准滚珠轴承不能满足结构上的使用要求时,常采用非标准滚珠轴承.图283为填入式支承常用的三种典型形式，,142,

48、图a所示的结构，接触面积小，其摩擦阻力矩较另外两种小。但所承受的载荷也较小，在耐磨性方面也不及后两种结构好；图b所示结构能承受较大载荷，但摩擦阻力矩较大；图c所示结构，在承受载荷和摩擦阻力矩方面，介于前两者之间。,143,2.3.5 其它形式支承,球面支承由球形轴颈和内圆锥面或内球面组成。球面支承的接触面是一条狭窄的球面带，轴除自转外，还可轴向摆动一定角度。由于接触表面很小，宜于低速、轻载场合采用。,为调整间隙，球面支承中的一个轴承应能作轴向调节，其调节结构形式可参考顶针支承的结构。,球面轴颈与轴加工成一体时，其常用材料为45钢、TIO、T12等，轴承一般采用耐磨的青铜。为降低摩擦和磨损，支承

49、工作表面的粗糙度应取Ra=02005m。,(1)球面支承,144,145,146,顶针支承由圆锥形轴颈(顶针)和带埋头圆柱孔的圆锥轴承所组成。顶针锥角2一般取为60，埋头孔的圆锥角2一般取为90。当载荷较大、直径d35 mm时，2和均取为60。,(2)顶针支承,特点：顶针支承的轴颈和轴承在半径很小的狭窄环形表面上接触，故摩擦半径很小，摩擦阻力矩较小。但由于接触面积小，其单位压力很大，润滑油从接触处被挤出。因此，用润滑降低摩擦阻力矩的作用不大，故顶针支承宜用于低速、轻载的场合。顶针支承的置中精度较高(可达12 m)。,147,顶针支承的几种结构形式,148,顶针支承轴颈和轴承的材料一般采用45钢

50、、T10和T12。为提高其耐磨能力，工作表面应有较高的硬度和表面粗糙度(Ra=0201 m)，故必须进行淬火，较为重要的支承，装配时应仔细进行研磨。当直径很小、载荷不大时，宜用抗蚀性强的材料，如钨合金、氰化钠等,(3)刀口支承,刀口支承主要由刀口和支座组成，多用于摆动角度不大的场合。其主要优点是摩擦和磨损很小。,装有棱形、圆柱面和平面支座的刀口支承。,149,0.5-5 m半径,150,当零件摆动角度不超过容许值(8 10)时，支承中的摩擦是纯滚动摩擦。这是因为刀口刃部是半径很小的圆柱面(最小半径可达0.55m)，故当零件摆动时，该圆柱面在支座表面上滚动。,刀口和支座常用淬火钢或玛瑙制成。采用