1、第第6 6章章 移动副移动副 移动副是两构件间仅保留一个相对直线运动自由度的连接形式。通常由提供约束的导轨和在其上运动的滑块联合构成,故而亦称滑动副、导轨副,有时也称为导向或导轨。6.1移动副概述6.1.1移动副的结构要素 在机械原理课程中定义了两构件间的相对运动有六个自由度,即沿X、Y、Z方向的直线移动和绕X、Y、Z三个轴的转动X、Y、Z。若两构件直接接触并产生相对移动构成移动副,则两构件间仅保留一个相对直线运动自由度而约束其他五个运动自由度。移动副设计时,需在零件结构上考虑如何实现五个自由度约束。图6-3平面元素构成的移动副a)三角形导轨b)矩形导轨c)燕尾形导轨 移动副结构采用圆柱面元素
2、,如图6-4a所示,单一圆柱面约束四个运动自由度(需要有较长的轴向导向长度,约束两个方向移动和绕两个轴转动),还需要约束另一个自由度,一般多采用双圆柱面对称结构(图6-4b)、圆柱面与平面组合结构(图6-4c)或带滑键结构(图6-4d)。图6-4移动副结构与圆柱面元素 移动副平面元素的结构也需要有一定的导向长度,增加导向长度不仅可以提高移动副连接面的法向承载能力,改善结合面间的摩擦性能,而且也减小了移动副连接面端部弯曲载荷。为减小制造工艺难度和成本,导向部分可采用中间间断或多处支承,如图6-5所示。在某些情况下,为减少摩擦,移动副的平面元素可用滚轮代替,如图6-6所示。图6-5端部接触移动副图
3、6-6端部滚轮式移动副综上所述综上所述,移动副结构具有如下共同特点移动副结构具有如下共同特点:1)有足够的导向长度有足够的导向长度,以减小法向比压和弯曲载荷以减小法向比压和弯曲载荷,通常导向长度与导向通常导向长度与导向杆横截面宽度的比应不小于杆横截面宽度的比应不小于1.5 1。2)采用中间间断或多处支承采用中间间断或多处支承,一方面可以使导向面受力均匀一方面可以使导向面受力均匀,另一方面也另一方面也可减少加工量可减少加工量,降低加工难度。降低加工难度。3)良好润滑减小摩擦、磨损。设置注油装置和储油槽良好润滑减小摩擦、磨损。设置注油装置和储油槽,或接触面采用耐磨、或接触面采用耐磨、减摩材料减摩材
4、料,如铜合金、石墨、粉末冶金或聚四氟乙烯等如铜合金、石墨、粉末冶金或聚四氟乙烯等。6.1.2移动副的设计要求与内容1.移动副设计的基本要求移动副需要满足以下几方面基本要求。移动副需要满足以下几方面基本要求。1)保证两构件间有一个相对直线运动自由度而约束其他五个运动自由度。2)在工作载荷下,满足强度、刚度、精度、寿命和成本要求。3)具有良好的结构工艺性。4)使用维护方便。对简易移动副,设计要求可根据具体工况有所简化。2.移动副的设计内容移动副的设计内容包括结构设计和工作能力计算两方面。主要有移动副的设计内容包括结构设计和工作能力计算两方面。主要有:1)移动副结构设计:根据工作条件和使用性能选择类
5、型和截面形状及组合方式等。2)移动副材料选用:选择合适的材料与热处理要求等。3)移动副性能设计:移动副零件的受力分析、强度与刚度设计计算。4)移动副润滑与辅助装置设计:包括润滑方式与系统、防护系统装置、调整间隙装置和补偿方法等。5)移动副的工艺设计:移动副零件加工、装配工艺与技术要求。6.2典型滑动导轨副及其应用6.2.1滑动导轨常用结构1.一体式滑动导轨常用一体式滑动导轨副基本截面形状主要有三角形、矩形、燕尾形及圆柱形四种。2.镶装导轨结构 采用镶装导轨主要基于以下原因采用镶装导轨主要基于以下原因:提高导轨的耐磨性或改善其摩擦特性;便于更换已磨损的导轨;购买或定制导轨。6.2.3滑动导轨副失
6、效及改善措施1.失效形式滑动导轨副的失效主要为导轨的磨损。运动导轨面沿固定导轨面长期运行会引起导轨不均匀磨损,破坏导轨的导向精度。导轨磨损分为磨料磨损和粘着磨损两种形式。导轨的磨损速度与导轨材料、接触表面质量、滑动速度、压强、润滑条件及洁净状况有关。2.提高导轨耐磨性的措施(1)均匀磨损均匀磨损磨损是否均匀对导轨的寿命影响很大。磨损不均匀的原因主要有三个:两工作接触面的平行度不足,实际接触面小;摩擦面压强分布不均匀;导轨面各部分使用频率不等。磨损趋于均匀的措施有:适当的结构参数减小连接面的载荷,尤其减小力矩载荷;通过刮研工艺确保整个工作面单位面积接触斑点分布均匀;导轨副连接件具有足够的刚度,减
7、少变形的影响。(2)磨损后补偿磨损后补偿磨损后导轨面间的间隙变大,会使导轨的运行不平稳,加重磨损,及时补偿可减少磨损的影响,恢复导向精度。补偿的方法分为自动补偿和人工补偿两种:前者如三角形导轨,随着磨损的增加,动导轨由于自身重力下沉,减小间隙;矩形导轨和燕尾形导轨则需人工进行补偿,如调整镶条或压板装置,如图6-15所示。图6-15车床导轨间隙调整1压板2、3镶条6.2.4滑动导轨的载荷分析6.2.5滑动导轨的压强计算 滑动导轨的磨损与导轨表面的压强有密切关系,随着压强的增加,导轨面的磨损量增加。导轨面的接触变形与压强近似地成正比。滑动导轨的设计准则通常限定其平均工作压强pavg和最大工作压强p
8、max均不超出相应的许用压强,即1.压强的计算步骤导轨面压强的分析计算导轨面压强的分析计算,可按以下四个步骤进行可按以下四个步骤进行:1)受力分析:导轨受力一般包括外力(如牵引力)、其上部件的重力及在外力作用下导轨面产生的支反力和支反力矩。2)压强计算:每个导轨面所受外载荷均可简化为一个集中力F和一个倾覆力矩M。由F可求出导轨面上的平均压强;考虑M的影响,得到最大压强。3)按压强设计准则判断导轨是否满足要求。4)根据压强分布情况判断其结构是否需要设置压板装置。2.导轨面压强分布规律及其计算导轨面上的压强分布比较复杂导轨面上的压强分布比较复杂,工程计算时通常作下面的假设工程计算时通常作下面的假设
9、:1)导轨本身刚度很大,受力后导轨接触面仍为一个平面。2)导轨面上的接触变形与压强大小成正比。3)导轨的宽度远小于接触长度,沿导轨宽度方向上的压强各处相等。图6-16导轨面压强上述假设可保证导轨面长度方向的压强分布规律是线性的,方便计算,在计算车床的床鞍刀架、铣床的工作台和铣头、滚齿机刀架等机床的短工作台的导轨压强时,通常简化为线性分布规律。如图6-16所示,动导轨面在受到集中力F和倾覆力矩M的作用下,其最大、最小和平均压强(MPa)分别为式中F作用于导轨面上的集中力(N);M导轨所受的倾覆力矩(Nmm);pF由集中力F引起的压强(MPa);pM由倾覆力矩M引起的压强(MPa);b导轨宽度(m
10、m);L动导轨长度(mm);pmax、pmin、pavg分别为最大、最小和平均压强(MPa)。3.滑动导轨的许用压强导轨的许用压强取得过大,则导轨允许的磨损大;若取得过小,又会增大尺寸。因此,应根据具体情况,适当选取许用压强。不同材料匹配的导轨副,其许用压强可参考表6-8。表6-8导轨副许用压强参考值(单位:MPa)6.3典型滚动导轨副及其应用 滚动导轨副具有摩擦系数小,且动、静摩擦系数之差较小,微量移动灵活、准确,低速时无蠕动爬行,磨损小,寿命长,加速性能好等特点。6.3.1滚动直线导轨副的结构 滚动直线导轨副结构由导轨、滑块、滚动体、返向器、保持器、密封端盖及挡板组成,如图6-21所示。在
11、滑块和导轨上分别有安装孔,可通过螺钉与移动部件或机座相连。密封端盖上设置反向沟槽使滚动体经滑块内循环通道返回工作滚道,从而形成闭合回路。图6-21滚动直线导轨副1末端密封垫片2端盖板3LM滑块4LM轨道5滚动体6保持器滚动直线导轨副也称直线导轨、线性滑轨、线轨等。导轨和滑块上的滚道均是经过淬硬和精密磨削加工而成的。导轨滚道的结构、布置形式、滚动体形状、承载能力及性能特点各不相同。表6-9给出几种滚动直线导轨副主要类型及参数。6.3.4滚动直线导轨当量载荷计算当滚动直线导轨受载形式为单一载荷或同时有多种载荷组合作用时,需计算其当量载荷,其计算式为式中PC当量载荷(N),一个假想载荷,其对导轨的损
12、伤效果等价于所有实际载荷产生的共同效果;PR作用于直线导轨副滑块上的总的法向载荷或负法向载荷(N);PT作用于直线导轨副滑块上的总的横向载荷(N);C0额定静载荷(N);Mt工作力矩(Nm),按MA、MB、MC三个方向分别定义(图6-23);M0静态允许力矩(Nm),分别为MA、MB、MC。当载荷分量为不稳定载荷,或按规定载荷谱作用时,应计算其当量平均载荷式中Pm当量平均载荷(N);Pi分段稳定载荷(N),假设有n种稳定工况;L直线导轨副滑块总工作行程(m);li对应Pi的工作行程(m);寿命系数,滚动体为球形时,=3;滚动体为滚子时,=10/3。6.3.5滚动直线导轨的性能设计1.静态校核滚
13、动直线导轨的静态校核是保证其承受过大的瞬时载荷时避免由于静强度不足而失效。静态校核准则为式中C0基本额定静载荷(N);fc接触系数,用以修正靠近安装的多个滑块间载荷分配不均,见表6-11;Pcmax瞬时最大载荷(N);Ss静态安全系数,见表6-12。表6-12静态安全系数Ss2.疲劳寿命校核滚动直线导轨的额定寿命L的基本计算公式为式中L10直线滚动导轨在Pc作用下的基本额定寿命(km);L10c直线滚动导轨在C作用下的基本额定寿命,当滚动体为球时,L10c=50km;当滚动体为滚子时,L10c=100km;寿命系数,滚动体为球形时,=3;滚动体为滚子时,=10/3;fH硬度系数,用以修正因滚动体或滚道硬度变化引起的差异,，一般厂家滚动元件及滚道表面的实际硬度均在58HRC以上,fH均可取1;fT温度系数,当滚动直线导轨工作温度超过100时,工作能力随温度升高而下降,见表6-13;fc接触系数,用以修正靠紧安装的多个滑块间载荷分配不均,见表6-11;fw载荷系数,见表6-14,往复运动的机械大都伴有振动或冲击,fw用以处理起动或停止所导致的冲击的影响。
