1、2022-6-6第三章第三章 机械系统部件与执行元件的机械系统部件与执行元件的选择与设计选择与设计 3.1 概述概述 3.2 机械传动部件的设计与选择机械传动部件的设计与选择 3.3 导向支承部件的设计与选择导向支承部件的设计与选择 3.4 旋转支承的类型与选择旋转支承的类型与选择 3.5 轴系部件的选择与设计轴系部件的选择与设计 3.6 机座或机架机座或机架2022-6-62.1 概述概述 一、机电一体化系统对机械系统的要求：一、机电一体化系统对机械系统的要求： 1、要求具有较高的定位精度：重复定位精度、要求具有较高的定位精度：重复定位精度要求高。要求高。 2、要求具有较高的传动精度：传动过
2、程中的、要求具有较高的传动精度：传动过程中的运动协调性要高，传动平稳。运动协调性要高，传动平稳。 3、要求具有较高的刚度：动力传递过程中要、要求具有较高的刚度：动力传递过程中要求变形要小。求变形要小。 4、要求具有良好的动态特性：响应速度要求、要求具有良好的动态特性：响应速度要求快，较好的稳定性。快，较好的稳定性。2022-6-6 二、针对机械系统要求采取的措施二、针对机械系统要求采取的措施 1、尽量减小运动副之间的摩擦阻力：利用滚动摩擦代替、尽量减小运动副之间的摩擦阻力：利用滚动摩擦代替滑动摩擦。滑动摩擦。 2、缩短传动链：传动链短，传动副少，传动累积误差小。、缩短传动链：传动链短，传动副少
3、，传动累积误差小。 3、提高传动与支承刚度：减小变形，以提高传动精度。、提高传动与支承刚度：减小变形，以提高传动精度。采用予紧等方法，可提高刚度。采用予紧等方法，可提高刚度。 如：轴承接触表面的例如：轴承接触表面的例子。子。 4、采取消除传动间隙：缩小反向死区误差，如消隙齿轮、采取消除传动间隙：缩小反向死区误差，如消隙齿轮传动等，以提高传动精度。传动等，以提高传动精度。 5、选用最佳传动化：减小执行元件输出轴上的等效转动、选用最佳传动化：减小执行元件输出轴上的等效转动惯量，提高加速能力。惯量，提高加速能力。 2.1 概述概述2022-6-62.2 机械传动部件的设计与选择机械传动部件的设计与选
4、择2022-6-62.2 机械传动部件的设计与选择机械传动部件的设计与选择 一、一、滚珠丝杠传动滚珠丝杠传动 二、齿轮传动二、齿轮传动 三、谐波齿轮传动三、谐波齿轮传动 四、同步带传动四、同步带传动2022-6-6 滚珠螺旋传动是在丝杠和螺母滚道之间放人适量的滚珠，使螺纹间产生滚动摩擦。丝杠转动时，带动滚珠沿螺纹滚道滚动。螺母上设有返向器，与螺纹滚道构成滚珠的循环通道。为了在滚珠与滚道之间形成无间隙甚至有过盈配合，可设置预紧装置。为延长工作寿命，可设置润滑件和密封件。 滚珠螺旋传动与滑动螺旋传动或其它直线运动副相比，有下列特点： （1）传动效率高传动效率高 一般滚珠丝杠副的传动效率达9095，
5、耗费能量仅为滑动丝杆的1/3。一、滚珠螺旋传动一、滚珠螺旋传动2022-6-6 （2）运动平稳）运动平稳 滚动摩擦系数接近常数，启动与工作摩擦力矩差别很小。启动时无冲击，预紧后可消除间隙产生过盈，提高接触刚度和传动精度。 （3）工作寿命长）工作寿命长 滚珠丝杠螺母副的摩擦表面为高硬度(HRC5862)、高精度，具有较长的工作寿命和精度保持性。寿命约为滑动丝杆副的410倍以上。 （4）定位精度和重复定位精度高）定位精度和重复定位精度高 由于滚珠丝杆副摩擦小、温升小、无爬行、无间隙，通过预紧进行预拉伸以补偿热膨胀。因此可达到较高的定位精度和重复定位精度。 一、滚珠螺旋传动一、滚珠螺旋传动2022-
6、6-6 （5）同步性好）同步性好 用几套相同的滚珠丝杆副同时传动几个相同的运动部件，可得到较好的同步运动。 （6）可靠性高）可靠性高 润滑密封装置结构简单，维修方便。 （7）不能自锁）不能自锁 用于垂直传动时，必须在系统中附加自锁或制动装置。 （8）制造工艺复杂）制造工艺复杂 滚珠丝杆和螺母等零件加工精度、表面粗糙度要求高，故制造成本较高。一、滚珠螺旋传动一、滚珠螺旋传动2022-6-6 1. 工作原理与结构工作原理与结构一、滚珠螺旋传动一、滚珠螺旋传动 2022-6-6 丝杠和螺母的螺纹滚道间装有承载滚珠，当丝杠或螺母转动时，滚珠沿螺纹滚道滚动，则丝杠与螺母之间相对运动时产生滚动摩擦，为防止
7、滚珠从滚道中滚出，在螺母的螺旋槽两端设有回程引导装置，它们与螺纹滚道形成循环回路，使滚珠在螺母滚道内循环。 滚珠丝杠副中滚珠的循环方式有内循环和外循环二种。一、滚珠螺旋传动一、滚珠螺旋传动2022-6-6一、滚珠螺旋传动一、滚珠螺旋传动2022-6-6 2. 滚珠丝杠副轴向间隙的调整和施加预紧力的方法滚珠丝杠副轴向间隙的调整和施加预紧力的方法 滚珠丝杠副除了对本身单一方向的传动精度有要求外，对其轴向间隙也有严格要求，以保证其反向传动精度。滚珠丝杠副的轴向间隙是承载时在滚珠与滚道型面接触点的弹性变形所引起的螺母位移量和螺母原有间隙的总和。 通常采用双螺母预紧或单螺母（大滚珠、大导程）的方法，把弹
8、性变形控制在最小限度内，以减小或消除轴向间隙，并可以提高滚珠丝杠副的刚度。一、滚珠螺旋传动一、滚珠螺旋传动2022-6-6(1) 双螺母预紧原理双螺母预紧原理根据垫片厚度不同分成两种形式，当垫片厚度较厚根据垫片厚度不同分成两种形式，当垫片厚度较厚时即产生时即产生“预拉应力预拉应力”，而当垫片厚度较薄时即产，而当垫片厚度较薄时即产生生“预压应力预压应力”以消除轴向间隙。以消除轴向间隙。一、滚珠螺旋传动一、滚珠螺旋传动丝杠侧螺母A 螺母B调整垫片预拉方向预拉方向预紧方向垫片预紧方向2022-6-6(2) 单螺母预紧原理（增大滚珠直径法）单螺母预紧原理（增大滚珠直径法） 为了补偿滚道的间隙，设计时将
9、滚珠的尺寸适当为了补偿滚道的间隙，设计时将滚珠的尺寸适当增大，使其增大，使其4点接触，产生预紧力，为了提高工作性点接触，产生预紧力，为了提高工作性能，可以在承载滚珠之间加入间隔钢球。能，可以在承载滚珠之间加入间隔钢球。一、滚珠螺旋传动一、滚珠螺旋传动丝杠侧螺母侧丝杠侧螺母侧承载滚珠间隔钢球2022-6-6(3) 单螺母预紧原理（偏置导程法）单螺母预紧原理（偏置导程法） 偏置导程法原理如上图所示，仅仅是在螺母中部将偏置导程法原理如上图所示，仅仅是在螺母中部将其导程增加一个预压量其导程增加一个预压量，以达到预紧的目的。，以达到预紧的目的。一、滚珠螺旋传动一、滚珠螺旋传动导程导程+导程丝杠侧螺母侧预
10、拉方向预拉方向2022-6-6 目前制造的单螺母式滚珠丝杠副的轴向间隙达0.05mm，而双螺母式的经加预紧力调整后基本上能消除轴向间隙。应用该方法消除轴向间隙时应注意以下两点： （1）预紧力大小必须合适，过小不能保证无隙传动；过大将使驱动力矩增大，效率降低，寿命缩短。预紧力应不超过最大轴向负载的1/3。 （2）要特别注意减小丝杠安装部分和驱动部分的间隙，这些间隙用预紧的方法是无法消除的，而它对传动精度有直接影响。一、滚珠螺旋传动一、滚珠螺旋传动2022-6-6 4. 滚珠丝杠副的主要尺寸、精度等级和标注方法滚珠丝杠副的主要尺寸、精度等级和标注方法 (1)主要尺寸主要尺寸 标称直径、导程、螺旋升
11、角等。标称直径、导程、螺旋升角等。 (2). 精度等级精度等级 JB316.282滚珠丝杠副精度滚珠丝杠副精度标准标准规定分为六个等级：规定分为六个等级：C、D、E、F、G、H。C级最高，级最高，H级最低。级最低。 (3). 标注方法标注方法 不同生产厂家其标注方法略有不同，不同生产厂家其标注方法略有不同，通常用图通常用图2.11格式进行标注格式进行标注 一、滚珠螺旋传动一、滚珠螺旋传动2022-6-6 5. 滚珠丝杠副的安装滚珠丝杠副的安装 丝杠的轴承组合及轴承座、螺母座以及其它零件的连接刚性连接刚性，对滚珠丝杠副传动系统的刚度和精度都有很大影响，需在设计、安装时认真考虑。为了提高轴向刚度，
12、丝杠支承常用推力轴承为主的轴承组合，仅当轴向载荷很小时，才用向心推力轴承。以下列出了四种典型支承方式及其特点。一、滚珠螺旋传动一、滚珠螺旋传动2022-6-6单推单推单推式支承单推式支承 1轴向刚度较高；2预拉伸安装时，须加载荷较大，轴承寿命比方案2低；3适宜中速、精度高，并可用双推单推组合。 2022-6-6 双推双推双推双推双推双推双推式支承双推式支承1轴向刚度最高；2预拉伸安装时，须加载荷较小，轴承寿命较高3适宜高速、高刚度、高精度。2022-6-6 双推双推简支简支双推双推简支式支承简支式支承 1轴向刚度不高，与螺母位置有关；2双推端可预拉伸安装；3适宜中速、精度较高的长丝杠。 202
13、2-6-6 双推双推自由自由双推双推自由式支承自由式支承 1轴向刚度低，与螺母位置有关；2双推端可预拉伸安装；3适宜中小载荷与低速，更适宜垂直安装，短丝杠。 2022-6-6一、滚珠螺旋传动一、滚珠螺旋传动 6.制动装置2022-6-6 1、齿轮传动形式及其传动比的最佳匹配选择 二、齿轮传动二、齿轮传动2022-6-6 齿轮传动系统的要求 （1）齿轮传动比i应满足驱动部件与负载之间的位移及转矩、转速的匹配要求。 （2）对于用于伺服系统的齿轮减速器：在传递转矩时，不但要有足够的刚度 ，还要求转动惯量尽量小； （3）为减少传动死区(失动量)和低频振荡 等不利现象的出现，应选用齿侧间隙较小、精度较高
14、的齿轮传动副，实际工作中常采用采用各种调整齿侧间隙的方法来消除或减小啮合间隙 。 二、齿轮传动二、齿轮传动2022-6-6 2各级传动比最佳分配原则分配原则 齿轮系统的总传动比确定后，根据对传动链的技术要求，选择传动方案，使驱动部件和负载之间的转矩、转速达到合理匹配。若总传动比较大，又不准备采用谐波、少齿差等传动，需要确定传动级数，并在各级之间分配传动比。单级传动比增大使传动系统简化，但大齿轮的尺寸增大会使整个传动系统的轮廓尺寸变大。可按下述三种原则适当分级，并在各级之间分配传动比。二、齿轮传动二、齿轮传动2022-6-6 (1) 重量最轻原则 对于小功率传动系统，使各级传动比满足， 即可使传
15、动装置的重量最轻。 上述结论对于大功率传动系统是不适用的，因其传递扭矩大，故要考虑齿轮模数、齿轮齿宽等参数要逐级增加的情况，此时应根据经验、类比方法以及结构紧凑之要求进行综合考虑。各级传动比一般应以“先大后小”原则处理。 二、齿轮传动二、齿轮传动niiii3212022-6-6 (2) 输出轴转角误差最小原则 为了提高机电一体化系统中齿轮传动系统传递运动的精度，各级传动比应按“先小后大”原则分配，以便降低齿轮的加工误差、安装误差以及回转误差对输出转角精度的影响。设齿轮传动系统中各级齿轮的转角误差换算到末级输出轴上的总转角误差为 ，则 式中： 第k个齿轮所具有的转角误差； 第k个齿轮的转轴至第n
16、级输出轴的传动比。二、齿轮传动二、齿轮传动max)/(1maxnkknkikkni2022-6-6最小等效转动惯量原则 (3) 最小等效转动惯量原则 利用该原则所设计的齿轮传动系统，换算到电机轴上的等效转动惯量为最小。JJ23i电动机1J4i12J 如右图，若不计轴和轴承的转动惯量，则根据系统动能不变的原则，等效到电机轴上的等效转动惯量为：2221421321iiJiJJJJme先小后大原则先小后大原则31JJ 设：2022-6-6二、齿轮传动二、齿轮传动413132dgBJJ42232dgBJ44432dgBJ4141212iddJJ41424344141434)/(iiiddddJJJJ
17、4112iJJ4114214)/( iiJiJJ)11 (41221211iiiiJJme01iJem21412ii可得当 远远大于1时， 所以41i2212ii 6/123/11)2()2(iii2022-6-6二、齿轮传动二、齿轮传动n 2022-6-6 3 齿轮传动间隙的调整方法 (1) 圆柱齿轮传动 (a) 偏心套(轴)调整法 如右图所示，将相互啮合的一对齿轮中的一个齿轮4装在电机输出轴上，并将电机2安装在偏心套1(或偏心轴)上，通过转动偏心套(偏心轴)的转角，就可调节两啮合齿轮的中心距，从而消除圆柱齿轮正、反转时的齿侧间隙。特点是结构简单，但其侧隙不能自动补偿。 齿轮传动间隙的调整2
18、022-6-6 (b) 轴向垫片调整法 如右图所示，齿轮1和2相啮合，其分度圆弧齿厚沿轴线方向略有锥度，这样就可以用轴向垫片3使齿轮2沿轴向移动，从而消除两齿轮的齿侧间隙。装配时轴向垫片3的厚度应使得齿轮1和2之间既齿侧间隙小，运转又灵活。特点同偏心套(轴)调整法。二、齿轮传动二、齿轮传动2022-6-6 (c) 双片薄齿轮错齿调整法 这种消除齿侧间隙的方法是将其中一个做成宽齿轮，另一个用两片薄齿轮组成。采取措施使一个薄齿轮的左齿侧和另一个薄齿轮的右齿侧分别紧贴在宽齿轮齿槽的左、右两侧，以消除齿侧间隙，反向时不会出现死区。二、齿轮传动二、齿轮传动12341233 4 5 6 72022-6-6
19、 (2) 斜齿轮传动 消除斜齿轮传动齿轮侧隙的方法与上述错齿调整法基本相同，也是用两个薄片齿轮与一个宽齿轮啮合，只是在两个薄片斜齿轮的中间隔开了一小段距离，这样它的螺旋线便错开了。二、齿轮传动二、齿轮传动2022-6-6 (3) 锥齿轮传动 (a) 轴向压簧调整法 轴向压簧调整法原理如下图，在锥齿轮4的传动轴7上装有压簧5，其轴向力大小由螺母6调节。锥齿轮4在压簧5的作用下可轴向移动，从而消除了其与啮合的锥齿轮l之间的齿侧间隙。二、齿轮传动二、齿轮传动2022-6-6 (b) 周向弹簧调整法 将与锥齿轮3啮合的齿轮做成大小两片(1、2)，在大片锥齿轮1上制有三个周向圆弧槽8，小片锥齿轮2的端面
20、制有三个可伸入槽8的凸爪7。弹簧5装在槽8中，一端顶在凸爪7上，另一端顶在镶在槽8中的镶块4上。止动螺钉6装配时用，安装完毕将其卸下，则大小片锥齿轮1、2在弹簧力作用下错齿，从而达到消除间隙的目的。二、齿轮传动二、齿轮传动123456782022-6-6 4 齿轮齿条传动机构齿轮齿条传动机构 当传动负载大时，可采用双齿轮调整法。通过预载装置当传动负载大时，可采用双齿轮调整法。通过预载装置4向向齿轮齿轮3上预加负载，使大齿轮上预加负载，使大齿轮2、5同时向两个相反方向转动，同时向两个相反方向转动，从而带动小齿轮从而带动小齿轮1、6转动，其齿面便分别紧贴在齿条转动，其齿面便分别紧贴在齿条7上齿槽上
21、齿槽的左、右侧，消除了齿侧间隙。的左、右侧，消除了齿侧间隙。 二、齿轮传动二、齿轮传动2022-6-6 谐波齿轮传动具有结构简单、传动比大谐波齿轮传动具有结构简单、传动比大(几十几十几百几百)、传动精度高、回程误差小、噪声低、传动平稳、承载传动精度高、回程误差小、噪声低、传动平稳、承载能力强、效率高等优点，故在工业机器人、航空、火能力强、效率高等优点，故在工业机器人、航空、火箭等机电一体化系统中日益得到广泛的应用。箭等机电一体化系统中日益得到广泛的应用。 1、 谐波齿轮传动的工作原理谐波齿轮传动的工作原理 三、谐波齿轮传动三、谐波齿轮传动2022-6-6 谐波传动由三个主要构件所组成，即具有内
22、齿的刚谐波传动由三个主要构件所组成，即具有内齿的刚轮轮l、具有外齿的柔轮、具有外齿的柔轮2和波发生器和波发生器3。通常波发生器为。通常波发生器为主动件，而刚轮和柔轮之一为从动件，另一个为固定主动件，而刚轮和柔轮之一为从动件，另一个为固定件。当波发生器装入柔轮内孔时，由于前者的总长度件。当波发生器装入柔轮内孔时，由于前者的总长度略大于后者的内孔直径，故略大于后者的内孔直径，故柔轮变为椭圆形柔轮变为椭圆形，于是在，于是在椭圆的长轴两端产生了柔轮与刚轮轮齿的两个椭圆的长轴两端产生了柔轮与刚轮轮齿的两个局部啮局部啮合区合区；同时在椭圆短轴两端，两轮轮齿则完全脱开。；同时在椭圆短轴两端，两轮轮齿则完全脱
23、开。至于其余各处，则视柔轮回转方向的不同，或处于啮至于其余各处，则视柔轮回转方向的不同，或处于啮合状态，或处于非啮合状态。当波发生器连续转动时，合状态，或处于非啮合状态。当波发生器连续转动时，柔轮长短轴的位置不断交化，从而使轮齿的啮合处和柔轮长短轴的位置不断交化，从而使轮齿的啮合处和脱开处也随之不断变化，于是在柔轮与刚轮之间就产脱开处也随之不断变化，于是在柔轮与刚轮之间就产生了相对位移，从而传递运动。生了相对位移，从而传递运动。三、谐波齿轮传动三、谐波齿轮传动2022-6-6 在波发生器转动一周期间，柔轮上一点变形的循在波发生器转动一周期间，柔轮上一点变形的循环次数与波发生器上的凸起部位数是一
24、致的，称为环次数与波发生器上的凸起部位数是一致的，称为波波数数。常用的有两波和三波两种。为了有利于柔轮的力。常用的有两波和三波两种。为了有利于柔轮的力平衡和防止轮齿干涉，平衡和防止轮齿干涉，刚轮和柔轮的齿数差应等于波刚轮和柔轮的齿数差应等于波发生器波数发生器波数(即波发生器上的滚轮数即波发生器上的滚轮数)的整倍数的整倍数，通常，通常取为等于波数。取为等于波数。三、谐波齿轮传动三、谐波齿轮传动2022-6-6 2 、谐波齿轮传动的传动比计算、谐波齿轮传动的传动比计算 式中：式中： 、 、 分别为刚轮、柔轮和波形发生器分别为刚轮、柔轮和波形发生器的角速度；的角速度； 、 分别为刚轮和柔轮的齿数。分
25、别为刚轮和柔轮的齿数。 (1) 当柔轮固定时，当柔轮固定时， ，则，则 三、谐波齿轮传动三、谐波齿轮传动rgHgHrHrgzzigrHgzrz0rrgHgHHrgzzi0grggrHgzzzzz1rgggHHgzzzi2022-6-6 (2) 当刚轮固定时，当刚轮固定时， ，则，则 设设 、 当柔轮固定时，当柔轮固定时，当刚轮固定时当刚轮固定时三、谐波齿轮传动三、谐波齿轮传动0grgHHrHrgzzi0rgrrgHrzzzzz1grrrHHrzzzi200rz202gz101Hgi100Hri2022-6-6 3. 谐波齿轮减速器产品及选用谐波齿轮减速器产品及选用 常见的谐波齿轮减速器标记代号
26、如下图常见的谐波齿轮减速器标记代号如下图 谐波齿轮减速机选用说明：谐波齿轮减速机选用说明： (1). 样本中的图表参数为标准产品，用户选型时需确样本中的图表参数为标准产品，用户选型时需确定以下三项参数：定以下三项参数： （a）传动比或输出转速（）传动比或输出转速（r/min) （b）减速机输入功率（）减速机输入功率（kw) （c）额定输入转速（）额定输入转速（r/min)三、谐波齿轮传动三、谐波齿轮传动最大回差减速比机型（指柔轮内径，单位为mm)单级、卧式安装通用谐波减器2022-6-6 (2). 如减速机输入转速是可调的，则在选用减速机型号时应分如减速机输入转速是可调的，则在选用减速机型号时
27、应分别确定：别确定： 工作条件为工作条件为“恒功率恒功率”时按最低转速选用机型；工作条件为时按最低转速选用机型；工作条件为“恒扭矩恒扭矩”时，按最高转速选用机型。订货时须说明是否与电时，按最高转速选用机型。订货时须说明是否与电机直联，电机型号及参数。机直联，电机型号及参数。 (3). 选用减速机输出功率选用减速机输出功率 与输出扭矩与输出扭矩 的计算的计算式中：式中：P 减速机额定输入功率（减速机额定输入功率（KW） T 减速机额定输出扭矩（减速机额定输出扭矩（Nm) KA 工作情况系数工作情况系数三、谐波齿轮传动三、谐波齿轮传动1CP2CTACPKP1ACTKT22022-6-6 同步带是一
28、种兼有链、同步带是一种兼有链、齿轮、三角胶带优点的齿轮、三角胶带优点的传动零件。由于同步带传动零件。由于同步带是一种兼有链、齿轮、是一种兼有链、齿轮、三角胶带优点的传动零三角胶带优点的传动零件，于件，于1940年由美国尤年由美国尤尼罗尔尼罗尔(Unirayal)橡胶橡胶公司首先加以开发。公司首先加以开发。1946年辛加公司把同步年辛加公司把同步带用于缝纫机针和缠线带用于缝纫机针和缠线管的同步传动上，取得管的同步传动上，取得显著效益，并被逐渐引显著效益，并被逐渐引用到其他机械传动上。用到其他机械传动上。四、同步带传动四、同步带传动2022-6-6 1. 分类分类 2. 同步带的优缺点同步带的优缺
29、点 3. 同步带的结构和尺寸结构同步带的结构和尺寸结构 4. 同步带的设计计算同步带的设计计算四、同步带传动四、同步带传动2022-6-6 1. 分类 (1)按用途分 (a) 一般工业用同步带传动 即梯形齿同步带传动。它主要用于中、小功率的同步带传动，如各种仪器、计算机、轻工机械中均采用这种同步带传动。 (b) 高转矩同步带传动 又称HTD带(High Torque Drive)或STPD带传动(Super Torque Positive Drive)。由于其齿形呈圆弧状(图6-2)，在我国通称为圆弧齿同步带传动。它主要用于重型机械的传动中，如运输机械(飞机、汽车)、石油机械和机床、发电机等的
30、传动。 四、同步带传动四、同步带传动2022-6-6 (2) 特种规格的同步带传动 这是根据某种机器特殊需要而采用的特种规格同步带传动，如工业缝纫机用的、汽车发动机用的同步带传动。 (3) 特殊用途的同步带传动 即为适应特殊工作环境制造的同步带。 四、同步带传动四、同步带传动2022-6-6 2. 同步带传动的优点 (1)工作时无滑动，有准确的传动比 (2)传动效率高（0.98），节能效果好 (3)传动比范围大，结构紧凑 (4)维护保养方便，运转费用低 (5)能吸振、噪音低、能高速转动，恶劣环境条件下仍能正常工作。 同步带传动的缺点： 安装精度要求较高、中心距要求严格、具有一定的蠕变性。四、同
31、步带传动四、同步带传动2022-6-6 3. 同步带的结构和尺寸规格同步带的结构和尺寸规格 (1)同步带结构同步带结构 如下左图所示，同步带一般由承载绳、带齿、带背和包布如下左图所示，同步带一般由承载绳、带齿、带背和包布层组成。层组成。 工业用同步带带轮形状如下右图所示。工业用同步带带轮形状如下右图所示。四、同步带传动四、同步带传动2022-6-6 4. 同步带的设计计算同步带的设计计算 (1)失效形式和计算准则失效形式和计算准则 同步带传动主要失效形式有：同步带传动主要失效形式有： (a) 承载绳断裂承载绳断裂 原因是带型号过小和小带轮直径过小等。原因是带型号过小和小带轮直径过小等。 (b)
32、 爬齿和跳齿爬齿和跳齿 原因是同步带传递的圆周力过大、带与带轮原因是同步带传递的圆周力过大、带与带轮间的节距差值过大、带的初拉力过小等。间的节距差值过大、带的初拉力过小等。 (c) 带齿的磨损带齿的磨损 原因是带齿与轮齿的啮合干涉、带的张紧力原因是带齿与轮齿的啮合干涉、带的张紧力过大等。过大等。 (d) 其他失效方式其他失效方式 带和带轮的制造安装误差引起的带轮棱边带和带轮的制造安装误差引起的带轮棱边磨损、带与带轮的节距差值太大和啮合齿数过少引起的带齿剪磨损、带与带轮的节距差值太大和啮合齿数过少引起的带齿剪切破坏、同步带背的龟裂、承载绳抽出和包布层脱落等。切破坏、同步带背的龟裂、承载绳抽出和包
33、布层脱落等。 在正常的工作条件下在正常的工作条件下，同步带传动的，同步带传动的设计准则设计准则是是在不打滑的在不打滑的条件下，保证同步带的抗拉强度条件下，保证同步带的抗拉强度。在灰尘杂质较多的条件下在灰尘杂质较多的条件下，则应保证带齿的一定耐磨性。则应保证带齿的一定耐磨性。四、同步带传动四、同步带传动2022-6-6 (2)同步带传动的设计计算步骤同步带传动的设计计算步骤 设计同步带传动的已知条件为：设计同步带传动的已知条件为： Pm 需要传递的名义功率；需要传递的名义功率； n1、n2 主从动轮的转速或传动比主从动轮的转速或传动比； (a) 确定带的设计功率；确定带的设计功率； (b) 选择
34、带型和节距；选择带型和节距； (c) 确定带轮齿数和节圆直径；确定带轮齿数和节圆直径； (d) 确定同步带的节线长度、齿数及传动中心距；确定同步带的节线长度、齿数及传动中心距； (e) 校验同步带和小带轮的啮合齿数；校验同步带和小带轮的啮合齿数； (f) 确定实际所需同步带宽度；确定实际所需同步带宽度； (g) 带的工作能力验算。带的工作能力验算。四、同步带传动四、同步带传动2022-6-6 1. 棘轮传动机构 将原动机的连续运动转换为间歇运动，基本要求为移位迅速、将原动机的连续运动转换为间歇运动，基本要求为移位迅速、过程无冲击、停位准确可靠。过程无冲击、停位准确可靠。五、间歇传动部件五、间歇
35、传动部件 棘爪每往复一次推过的棘轮齿数与棘轮转角的关系如下：=360k/Z式中：棘轮回转角(根据工作要求而定)； k棘爪每往复一次推过的棘轮齿数； Z棘轮齿数。 2022-6-6 齿式棘轮机构的形式：五、间歇传动部件五、间歇传动部件可变向棘轮、双动棘轮2022-6-6 2、槽轮机构：间歇行程为间歇行程为 角度角度）（2五、间歇传动部件五、间歇传动部件2022-6-6 3、 蜗形凸轮机构：间歇行程为间歇行程为 角度角度2五、间歇传动部件五、间歇传动部件2022-6-62.3 导向支承部件的设计与选择导向支承部件的设计与选择 导向支承部件简称导轨，作用是支承和限制导向支承部件简称导轨，作用是支承和
36、限制运动部件按给定的运动要求和运动方向运动运动部件按给定的运动要求和运动方向运动 。2022-6-6 1. 导轨副的种类及基本要求导轨副的种类及基本要求 导轨副由导轨副由承导件承导件1和和运动件运动件2两部分组成（两部分组成（P38，图图47）。）。 一、导轨一、导轨按其接触面的摩擦性质可分为按其接触面的摩擦性质可分为 2022-6-6 1)按导轨副运动导轨的轨迹分类按导轨副运动导轨的轨迹分类 （a）直线运动导轨副）直线运动导轨副 支承导轨约束了运动导支承导轨约束了运动导轨的五个自由度，仅保留沿给定方向的直线移轨的五个自由度，仅保留沿给定方向的直线移动自由度。动自由度。 （b）旋转运动导轨副）
37、旋转运动导轨副 支承导轨约束了运动导支承导轨约束了运动导轨的五个自由度，仅保留绕给定轴线的旋转运轨的五个自由度，仅保留绕给定轴线的旋转运动自由度。动自由度。2022-6-6 2)按导轨副导轨面间的摩擦性质分类按导轨副导轨面间的摩擦性质分类 （a）滑动摩擦导轨副；）滑动摩擦导轨副； （b）滚动摩擦导轨副；）滚动摩擦导轨副； （c）流体摩擦导轨副。）流体摩擦导轨副。 3)按导轨副结构分类按导轨副结构分类 （a）开式导轨）开式导轨 必须借助运动件的自重或外载荷，才能保证在一定的空间位置和受力状态下，运动导轨和支承导轨的工作面保持可靠的接触，从而保证运动导轨的规定运动。开式导轨一般受温度变化的影响较小
38、。 （b）闭式导轨）闭式导轨 借助导轨副本身的封闭式结构，保证在变化的空间位置和受力状态下，运动导轨和支承导轨的工作面都能保持可靠的接触，从而保证运动导轨的规定运动。闭式导轨一般受温度变化的影响较小。一、导轨一、导轨2022-6-6 4)常用导轨结构形式：一、导轨一、导轨2022-6-6常用导轨性能比较 常用2022-6-6一、导轨一、导轨 5). 导轨副应满足的基本要求导轨副应满足的基本要求 （a）导向精度）导向精度 导向精度主要是指动导轨沿支承导轨运动的导向精度主要是指动导轨沿支承导轨运动的准确程度。影响它的因素有：导轨的几何精度、接触精度、结准确程度。影响它的因素有：导轨的几何精度、接触
39、精度、结构形式、导轨和基础件的刚度、热变形、装配质量以及液体动构形式、导轨和基础件的刚度、热变形、装配质量以及液体动压和静压导轨的油膜厚度、油膜刚度等。压和静压导轨的油膜厚度、油膜刚度等。 直线运动导轨的几何精度规定：直线运动导轨的几何精度规定： 垂直平面内的直线度垂直平面内的直线度 （纵向直线度）（纵向直线度） 水平平面内的直线度水平平面内的直线度 （横向直线度）（横向直线度） 两导轨间的平行度两导轨间的平行度 （扭曲度）（扭曲度）2022-6-6 （b）耐磨性）耐磨性 是指导轨在长期使用过程中能否保持一是指导轨在长期使用过程中能否保持一定的导向精度。因导轨在工作过程中难免有所磨损，定的导向
40、精度。因导轨在工作过程中难免有所磨损，所以应力求减小磨损量，并在磨损后能自动补偿或便所以应力求减小磨损量，并在磨损后能自动补偿或便于调整。于调整。 （c）疲劳和压溃）疲劳和压溃 导轨面由于过载或接触应力不均匀导轨面由于过载或接触应力不均匀而使导轨表面产生弹性变形，反复运行多次后就会形而使导轨表面产生弹性变形，反复运行多次后就会形成疲劳点，呈塑性变形，表面形成龟裂、剥落而出现成疲劳点，呈塑性变形，表面形成龟裂、剥落而出现凹坑，这种现象就是压溃。疲劳和压溃是凹坑，这种现象就是压溃。疲劳和压溃是滚动导轨失滚动导轨失效效的主要原因，为此应控制滚动导轨承受的最大载荷的主要原因，为此应控制滚动导轨承受的最
41、大载荷和受载的均匀性。和受载的均匀性。一、导轨一、导轨2022-6-6 （d）刚度：）刚度： 动刚度和静刚度动刚度和静刚度。 导轨受力变形会影响导轨的导导轨受力变形会影响导轨的导向精度及部件之间的相对位置，因此要求导轨应有足够的刚度。向精度及部件之间的相对位置，因此要求导轨应有足够的刚度。为减轻或平衡外力的影响，可采用加大导轨尺寸或添加辅助导为减轻或平衡外力的影响，可采用加大导轨尺寸或添加辅助导轨的方法提高刚度。轨的方法提高刚度。 （e）低速运动平稳性：）低速运动平稳性： 低速运动时，作为运动部件的动导轨低速运动时，作为运动部件的动导轨易产生爬行现象。低速运动的平稳性与导轨的结构和润滑，动、易
42、产生爬行现象。低速运动的平稳性与导轨的结构和润滑，动、静摩擦系数的差值，以及导轨的刚度等有关。静摩擦系数的差值，以及导轨的刚度等有关。 （f）精度的保持性：由耐磨性、润滑和防护条件决定。）精度的保持性：由耐磨性、润滑和防护条件决定。 （g）对温度的敏感性和结构工艺性：对温度的敏感性主要取）对温度的敏感性和结构工艺性：对温度的敏感性主要取决于导轨材料和配合间隙。设计导轨时，要注意制造、调整和决于导轨材料和配合间隙。设计导轨时，要注意制造、调整和维修的方便，力求结构简单，工艺性及经济性好。维修的方便，力求结构简单，工艺性及经济性好。一、导轨一、导轨2022-6-6 滑动导轨副的基本截面形状分类滑动
43、导轨副的基本截面形状分类一、导轨一、导轨矩形对称三角形不对称三角形燕尾槽圆形凸形凹形2022-6-62、导轨的组合形式：2.1 双三角形导轨组合： 特点：导向精度高，能自动补偿间隙，精度保持性好。 制造、维修困难，工艺性差。多用于精度要求较高的机床。一、导轨一、导轨2022-6-6 2.2 双矩形导轨组合： 特点：接触刚度较低，承载能力大，制造、维修容易。 合理选择导向面对导轨的精度影响较大。一、导轨一、导轨2022-6-6 2.3 三角形矩形导轨组合： 特点：有较好的导向性和刚性，制造较方便。 但只能用于受力向下的场合。一、导轨一、导轨2022-6-6 2.4 燕尾形导轨及其组合 制造、调整
44、方便，能承受较大力矩，多用于横梁、立柱、摇臂。一、导轨一、导轨231a)c)b)2022-6-6 3. 导轨副间隙调整导轨副间隙调整 为保证导轨正常工作，导轨滑动表面之间应保持适为保证导轨正常工作，导轨滑动表面之间应保持适当的间隙。间隙过小，会增加摩擦阻力；间隙过大，当的间隙。间隙过小，会增加摩擦阻力；间隙过大，会降低导向精度。导轨的间隙如依靠会降低导向精度。导轨的间隙如依靠刮研刮研来保证，要来保证，要费很大的劳动量，而且导轨经长期使用后，会因磨损费很大的劳动量，而且导轨经长期使用后，会因磨损而增大间隙，需要及时调整，故导轨应有间隙调整装而增大间隙，需要及时调整，故导轨应有间隙调整装置。矩形导
45、轨需要在置。矩形导轨需要在垂直垂直和和水平水平两个方向上调整间隙。两个方向上调整间隙。一、导轨一、导轨2022-6-6 常用的调整方法有常用的调整方法有压板和镶条法压板和镶条法两种方法。对燕尾两种方法。对燕尾形导轨可采用镶条形导轨可采用镶条(垫片垫片)方法同时调整垂直和水平两方法同时调整垂直和水平两个方向的间隙。个方向的间隙。一、导轨一、导轨231a)c)b)2022-6-6 对矩形导轨可采用修刮压板、修刮调整垫片的厚度或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调整螺钉的方法进行间隙的调整一、导轨一、导轨a)b)c)1 2342022-6-6 平镶条和斜镶条调
46、整导轨侧面间隙一、导轨一、导轨2022-6-6 导轨的使用寿命：导轨的使用寿命：取决于导轨的结构、材料、制造质量、热处理方法、以及使用与维护。提高导轨的耐磨性，使其在较长时期内保持一定的导向精度，就能延长设备的使用寿命。 常用的提高导轨耐磨性的方法有：采用镶装导轨、提高导轨的精度与改善表面粗糙度、采用卸荷装置减小导轨单位面积上的压力(即比压)等（P47 ，图2-61）。一、导轨一、导轨2022-6-6 4 滚动导轨副滚动导轨副 1)滚动导轨的优点滚动导轨的优点 （1）滚动直线导轨副是在滑块与导轨之间放入适当的钢球，使滑块与）滚动直线导轨副是在滑块与导轨之间放入适当的钢球，使滑块与导轨之间的滑动
47、摩擦变为滚动摩擦，大大降低二者之间的运动摩擦阻导轨之间的滑动摩擦变为滚动摩擦，大大降低二者之间的运动摩擦阻力，从而获得：力，从而获得： 摩擦系数小，动、静摩擦力之差很小，随动性极好；摩擦系数小，动、静摩擦力之差很小，随动性极好； 驱动功率大幅度下降，只相当于普通机械的十分之一；驱动功率大幅度下降，只相当于普通机械的十分之一； 与与V型十字交叉滚子导轨相比，摩擦阻力可下降约型十字交叉滚子导轨相比，摩擦阻力可下降约40倍；倍； 能实现高定位精度和重复定位精度；能实现高定位精度和重复定位精度； 适应高速直线运动，其瞬时速度比滑动导轨提高约适应高速直线运动，其瞬时速度比滑动导轨提高约10倍；倍； 能实
48、现无间隙运动，提高机械系统的运动刚度。能实现无间隙运动，提高机械系统的运动刚度。一、导轨一、导轨2022-6-6 （2）承载能力大承载能力大 其滚道采用圆弧形式，增大了滚动体与圆弧其滚道采用圆弧形式，增大了滚动体与圆弧滚道接触面积，从而大大地提高了导轨的承载能力，可达到平滚道接触面积，从而大大地提高了导轨的承载能力，可达到平面滚道形式的面滚道形式的13倍。倍。 （3）刚性强刚性强 在该导轨制作时，常需要预加载荷，这使导轨系在该导轨制作时，常需要预加载荷，这使导轨系统刚度得以提高。统刚度得以提高。 （4）寿命长寿命长 由于是纯滚动，摩擦系数为滑动导轨的由于是纯滚动，摩擦系数为滑动导轨的150左右
49、，左右，磨损小，因而寿命长，功耗低。磨损小，因而寿命长，功耗低。 （5）成对使用导轨副时，）成对使用导轨副时，具有具有“误差均化效应误差均化效应”。 （6）传动平稳可靠传动平稳可靠 由于摩接力小，动作轻便，因而定位精度由于摩接力小，动作轻便，因而定位精度高，微量移动灵活准确。高，微量移动灵活准确。 （7）具有）具有结构自调整能力结构自调整能力 装配调整容易，因此降低了对配件装配调整容易，因此降低了对配件加工精度要求。加工精度要求。 （8）导轨采用表面硬化处理，使导轨具有）导轨采用表面硬化处理，使导轨具有良好的耐磨性良好的耐磨性；心；心部保持良好的机械性能。部保持良好的机械性能。 （9）简化了机
50、械结构简化了机械结构的设计和制造。的设计和制造。一、导轨一、导轨2022-6-6 2)缺点： （1） 刚性和抗振性差：导轨面之间接触面积小，刚性接触，不能形成油膜阻尼； （2） 结构复杂，制造困难，成本高； （3） 对脏物较敏感，须有良好的保护装置。 一、导轨一、导轨2022-6-6 2)滚动直线导轨的分类滚动直线导轨的分类 （1）按滚动体的形状分类）按滚动体的形状分类 一、导轨一、导轨2022-6-6 （2）按导轨截面形状分类）按导轨截面形状分类 一、导轨一、导轨箭头粗细表示受力大小矩形导轨 梯形导轨2022-6-6 （3）按滚道沟槽形状分类）按滚道沟槽形状分类 一、导轨一、导轨2022-6
