摩擦式光杠传动的设计设计.doc

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1、摩擦式光杠传动的设计设计天津工业大学本科毕业论文（设计）论文题目：摩擦式光杠传动的设计摘 要本课题主要针对一种摩擦式光杠传动系统。本系统与传统的光杠与丝杆传动系统有本质上的区别，本系统中采用的光杠没有键槽及螺纹、采用的轴承也与传统的轴承有很大区别，该轴承的内圈成V字型。其工作过程主要依靠光杠与光杠上轴承之间的摩擦力来实现周向运动向轴向运动的转换。 关键词：光杠传动，V字型轴承，摩擦式光杠，滚珠丝杠AbstractThe main topic on a friction type light bars drive system, this system and the traditional l

2、ight bars and wire rod drive system are different in nature, the system used a light bar no keyway and thread, the bearings and the traditional bearings have great difference, and the inner rings of the bearings V fonts. The working process is mainly rely on the light bars and light bars on bearing

3、friction force between a circumferential motion to realize the axial movement of theKey words: light bars drive ， V type bearing ，Friction type light barsBall screw目 录1. 引言51.1 滚珠丝杠51.1.1 滚珠丝杠传动原理51.1.2 滚珠丝杠螺母副的结构和原理51.1.3 滚珠丝杠螺母副的特点是51.1.4 滚珠丝杠在实际应用中的实例图片展示61.2. 普通丝杠（滑动）传动61.2.1 滑动丝杠传动副原理61.2.2 滑动丝

4、杠传动原理和结构图61.2.3 滑动丝杠副的传动特点71.2.4 滑动丝杠副在实际应用的实例图片72. 传动方案的设计72.1 传动方案的总体结构72.2 传动系统各个部分的选择82.2.1 电动机的选择82.2.2 减速器传动比的分配92.2.3 光杠传动部分的整体结构103. 光杠传动原理、实际工作过程及校核计算113.1 光杠部分的工作原理113.2 光杠表面上椭圆曲线沿轴向移动分析123.3 机构装配关系与传动原理123.4 光杠特殊轴承143.5 光杠传动部分实际工作过程153.6 该光杠传动系统的特点183.7 轴及轴承校核183.7.1 基本额定寿命和基本额定动载荷183.7.2

5、 轴强度校核204. 设计总结225. 致谢22参考文献231. 引言丝杠的应用是将旋转运动通过丝杠螺母副转变为直线运动，其主要形式有普通的丝杠传动，滚珠丝杠传动，可获得很高的精度和平稳的运动。1.1 滚珠丝杠1.1.1 滚珠丝杠传动原理滚珠丝杠的功能是将旋转运动转化为直线运动，或将直线运动化为旋转运动。旋转运动转化为直线运动原理是：在丝杠（螺母）旋转的时候，螺母是封闭循环，丝杠是开放循环，在循环的过程中，螺母（丝杠）是固定在设备上，螺母就会沿着丝杠的滚道向一个产生相对运动，在运动的同时就会带动部件产生运动。将直线运动化为旋转运动则是逆向理解。滚珠丝杠副的构造传统分为内循环构造（以圆形反向器和

6、椭圆形反向器为代表）和外循环构造两种。这两种构造也是最罕用的构造。这两种构造性能没有实质差别，只是内循环构造安装衔接尺寸小；外循环构造安装衔接尺寸大。目前，滚珠丝杠副的构造已有10多种，但对比罕用的重要有：内循环构造；外循环构造；端盖构造；盖板构造1.1.2 滚珠丝杠螺母副的结构和原理滚珠丝杠螺母副的结构有内循环与外循环两种方式。图11内循环式 图12外循环式1.1.3 滚珠丝杠螺母副的特点是滚珠丝杠螺母副的传动特点是：传动效率高，一般为=0.920.98:；传动灵敏，摩擦力小，不容易产生爬行；使用寿命长：具有可逆性，不仅可以将旋转运动转变为直线运动，亦可将直线运动变成旋转运动；轴向运动精度高

7、，施加预紧力后，可消除轴向间隙，反向时无空行程；但是制造成本高，不能自锁，垂直安装时需要平衡装置。1.1.4 滚珠丝杠在实际应用中的实例图片展示 图13 图141.2. 普通（滑动）丝杠传动1.2.1 滑动丝杠传动副原理滑动丝杠传动原理基本上与滚珠丝杠传动原理一样，都是将旋转运动转化为直线运动，或者将直线运动转化为旋转运动。滑动丝杠传动副与滚珠丝杠传动副不同的是，滚珠丝杠传动副利用滚子将摩擦形式转变为滚动摩擦，而滑动丝杠传动副是利用丝杠螺纹与螺母的直接的接触的滑动摩擦来传递运动的。1.2.2 滑动丝杠传动原理和结构图图15滑动丝杠传动原理1.2.3 滑动丝杠副的传动特点结构简单、制造容易，由于

8、滑动丝杠副为一般的丝杠制造容易、螺母所组成，故其结构简单、，减速传动比大，摩Fw力大、螺母只移动一个导程，而导程可以杠副可以得到很大的减速比。传动效率低滑动丝杠副的工作面为滑动摩擦，故其摩擦阻力大，传动效率低。具有自锁性，当使其螺旋升角小于摩擦角时，锁性。运转平稳，则可以使滑动丝杠副具有自由于丝杠与螺母的啮合是连续的，而且同时呛金多。所以其运转平稳、无噪声。但低速或微调时可能出现爬行。1.2.4 滑动丝杠副在实际应用的实例图片 图16 普通丝杠 图17普通丝杠2. 传动方案的设计 传统的滚珠丝杠和滑动丝杠传动，虽然也能实现周向运动向轴向运动的转变，但是它要实现往复直线运动就必须要改变丝杠的转向

9、，而且不能实现无级调速。本文主要介绍一种靠摩擦力传动的光杠传动方案，它不仅能实现无极调速，而且不用改变光杠的转向就能实现往复直线运动。2.1 传动方案的总体结构本套传动方案主要这个部分组成：电机，减速器，一套新型的摩擦式光杠传动，只要有这几个部分组成。其中电机通过V带传动到减速器，然后由减速器通过链传动到光杠轴。 图21传动系统2.2 传动系统各个部分的选择2.2.1 电动机的选择电动机的功率选择合适与否，对电动机的正常工作和经济性都有影响。功率选得过小不能保证工作机正常工作，或使用电动机因超载而过早损坏；功率选得过大则电动机的价格高能力得不到充分发挥，而且因电动机经常不满载运行，其效率和功率

10、因数都较低而造成能自的浪费。对于载荷比较稳定、长期运转的机械，通常按照电动机的额定功率选择电动机所需输出的功率P0(kW)由下式计算 式21式中， 为工作机所需的功率；为从电动机到工作机的总效率。工作机所需的功率由工作机的工作阻力F(N)和运行速度v(m/s)或工作转矩T(Nm)和转速n(r/min)确定 =Fv/1000 式22或 = Tn/9550 式23由光杠的传动直径D，以及收线盘的直径D1及转速30r/min，得： n=D1nd=（3.1460030）（3.1460）=300r/min其中 Tn =1.2105查表得齿轮啮合效率1=0.97，V带传动效率2=0.96，滚动轴承效率3=

11、0.99，链传动效率4=0.96。总效率 =1*1*2*3 *3 *3*4=0.970.970.960.990.990.990.96=0.8414由以上计算的，电机的有效功率P P = Tn /9550 式24 =3.77kw由以上可得，电机的输出功率为P0： 式25 =3.77/0.8414 =4.48kw因载荷平稳，电动机连续运转，所以电动机的额定功率Pe应略大于所需功率P0。查电动机产品样本，取Pe=5.5kW。电动机转速的确定：其中带传动的传动比=1，齿轮的传动比=6因此得电动机的转速为n0 n0 =3006 =1800r在上述转速范围内的常用同步转速有1500rmin。查电动机产品样

12、本取，选取Y132s一4型电动机，其额定功率Pe=5.5kW，满载转速nm=1440rmin。2.2.2 减速器传动比的分配 在机械行业中，减速器是一种常用可靠地机械传动装置。它广泛应用于各种机器的传动系统，而双级圆柱齿轮减速器是减速器中最常有的一种类型，在本文当中减速器采用的就是双级圆柱齿轮减速器。a.各级传动比应尽量在推荐范围内选取b.应使传动装置结构尺寸较小，重量轻。c.应使各传动件尺寸协调，结构匀称合理，避免干涉和碰撞。d.等强度原则要求两级传动许用转矩相等e.在等强度的基础上同时考虑润滑原则，即保证两级传动的被动齿轮浸油深度应近于相等；对于各轴线在同一水平面的减速器，其两级传动的被动

13、齿轮直径应近于相等。这样就可得到同时满足等强度原则和润滑原则综合以上几点及传动比的计算式得出两级减速器传动比分别为： =2 =32.2.3 光杠传动部分的整体结构图22 光杠传动部分外观结构图23光杠传动部分内部结构3. 光杠传动原理、实际工作过程及校核计算本文主要研究的是光杠传动部分，因此在传动原理及校核计算方面主要谈论的是光杠部分的传动原理及校核计算。3.1 光杠部分的工作原理图31光杠传动部分结构该机构主要有光杠，轴承，以及简单的箱体组成。3.2 光杠表面上椭圆曲线沿轴向移动分析图32轴向移动分析当表面刻有螺旋线的丝杠其位置轴向固定，而做周向旋转时，其螺旋线会沿轴向移动（这使得与其配合的

14、螺母被推动沿轴向移动），上图中，某时刻，轴前表面上有一椭圆曲线在正垂面a位置处。a与轴心线交点坐标为0，当轴转过一角度如45度时，该曲线在轴的新钱表面上的部分处于正垂面a位置。a与轴心线交点坐标为1，则对新，旧前表面说，新前表面上的曲线位置（a）较原前表面上曲线位置（在a），沿轴向前移了一段距离| 0 |。从图上可以看到，新前表面上的曲线已不再是平面曲线。这是因为椭圆不是螺旋线，所以新前表面上曲线已不再是平行于原前表面上曲线的椭圆。此处a位置只是移动后曲线的近似位置。但这并不影响椭圆随轴旋转时轴向移动的作用。3.3 机构装配关系与传动原理根据上面分析把内环内径比光杠直径稍大些的滚珠轴承（轴承内

15、孔是V字型）。其母线与轴线倾斜一定角度=74度，然后倾斜安装在与光杠配合，倾斜角也为74度，当在这种装置的对称一侧施加压力则内环内孔受压一侧与光杠表面紧密接触。由于内环的弹性变形，使得受压内侧锥面表面的交线圆变成椭圆，而内环另一侧面则与轴不接触。图33光杠与轴承机构装配关系当轴传动时，由p力产生摩擦力带动内环随轴转动，轴上椭圆带动内锥面交线椭圆沿轴向移动。与此同时，内环相对外环在滚道内转动，由滚珠推动外环沿光杠轴线作轴向移动。由于外环通过轴承套与螺母座连接在一起，从而实现了螺母座的轴向移动。被压力P作用与轴表面紧密接触，并被轴带动旋转和轴向移动受压部分的内环，有着丝杠表面螺旋线能推动螺母前进的

16、相同的功能，所以我们可以形象地称其为“工作螺旋线”。这里需要说明的是，只能在对称方向的一侧施加压力，而不是在倾斜轴承的上下方施加压力，以在轴表面形成单一方面的“工作螺旋线”。否则如对称两侧同时接触，在同轴承在一侧受力，而两端的轴承则应在另一侧受力。内环非受压一侧不与相应轴表面接触螺旋，只是被受压侧带动被动地随其移动。当受压侧内环转到不受压侧时，不再成为“工作螺旋线”，只是在该侧做“螺旋换向”当其再转到受压一侧时，由于轴承的轴向移动，又称为下一位置的“工作螺旋线”。如此周而复始，使得一个轴承移动到任何位置时，总会形成新位置的“工作螺旋线”，实现了在所需轴向范围内移动。这种性质与单圈内循环结构的滚

17、珠丝杠的传动原理是一样的。还需要说明的是，如前所述，由于表面椭圆的移动，气新位置不再是与原位置平行的椭圆，所以其带动内环旋转并将其轴向送进时，轴表面与内环接触表面产生了一定程度的相对滑动。在下图中可以看到，椭圆由弧AB移动到弧AB时，轴向移动最大距离处事椭圆中部个点，为越靠近轴上、下处则移动较短。图34轴承内环沿光杠表面轴向移动分析（弧AB为轴表面上与受压内环接触的椭圆，其中14点随轴转过45度时，成为弧AB的14点。弧A1B1为内环表面上原先处于弧AB位置上的内锥面交线，当轴转过45度时，轴向移动至新位置。） 由于内环是不可分离的，且外环被螺母座固定在其中，所以轴承的移动是平行的。于是轴表面

18、的椭圆，相对于内环锥面交线，在带动其旋转时发生圆周方向的相对滑动，这种滑动有超前，也有滞后。综合结果，使内环的轴向移动量小于轴表面上最大移动处的轴向位移量。这也就说明了，为何光杠转动一周时，实际移动距离小于按螺旋转动时，螺距的计算值Dtg的原因（此处D为光杠直径）。不过这种误差属于原理性误差，其值是确定的。如果压力P足够大，被传动的阻力在一定范围内时，除了这种相对滑动量外，光杠与轴承内环之间不会再有其他打滑现象了。因此这种机构是可以实现定比传动的。为了增加传动力，用多只轴承传动。每只轴承倾斜方向在轴表面上形成的“工作螺旋线”方向必须是同向的。当轴正转时，所以轴承同时产生一个方向的传动力，反转时

19、，同时产生另一个方向的传动力。为了使轴和导轨受力均匀。机构运动平稳，采用多个轴承左右配置。 3.4 光杠特殊轴承在光杠传动部分中，轴承是个非常重要的零件，是传动部分的核心零件。而且此轴承在实际工作中需要在心轴上来回运动，为了不划伤心轴，因此要求轴承的内孔顶尖处为圆弧并且与两侧的倾斜面圆滑过渡。以下为特殊轴承的结构示意图。图35轴承结构图36轴承结构3.5 光杠传动部分实际工作过程该光杠传动部分与传统的丝杠、光杠传动的目的都一样，都是为了实现周向运动向轴向运动的转变，然而它与普通的传动方式是不一样的。普通的丝杠以及光杠传动，传统的丝杠传动都是利用一个丝杠螺母副就能实现周向运动向轴向运动的转变，而

20、传动的光杠一般都是利用轴上键槽等来实现周向轴向运动的转变，然而此光杠传动系统则是利用轴上零件与轴外表面之间的摩擦力来实现周向运动向轴向运动的转变。之所以能靠轴上零件与轴之间的摩擦力来实现周向运动向轴向运动的转变与轴上零件的装配关系有很大联系，轴承与轴的转配关系见下图。 图37静止位置图38工作位置上面介绍了此传动系统的中的特殊零件轴承，其轴承的内圈与传统的轴承内圈的最大区别就是，此系统中采用的轴承内圈为V字型，正是此V字型轴承才能实现运动的转变，在安装的过程一定要保持轴承与心轴之间有一定的夹角，此夹角的大小为轴承V角的一般，这样刚好能保证轴承与心轴之间有足够的摩擦力，恰恰是因为轴承的倾斜安装，

21、使得轴承内圈与轴的接触部分形成了螺旋线，这样就使得心轴在转动的过程中依靠心轴与轴承之间的摩擦力和心轴与轴承之间形成的螺旋线从而来推动轴承在心轴上的左右移动，其原理如下图所示：图39工作原理假设中间的长杆还未钉死，可以在支架内转动。用右手在右端顺时针拧动杆件（如同拧紧一颗螺钉），则一号挂环几乎在原地随杆的转动而转动，而2号、3号挂环将在一边随着杆转动并向左端前移。倾斜的越厉害则左移的速度越快。 而此传动系统中的工作就是利用这个原理（摩擦副）。而此系统用的是轴承内圈，但是其内圈的内径不是直的，而是圆弧，正如这个挂环。图310轴承与轴承套配合图311轴承套与箱体装配通过轴承套与箱体的固定来带动箱体在

22、轴线上做往复直线运动，当外箱移动到一端的时候，通过箱体下换向壁上碰轮碰到定位块，来迫使换向壁改变方向，从而带动轴承套改变与轴承夹角，从而改变轴承与心轴的夹角，使得螺旋线的方向发生改变，从来实现来回往复直线运动。其箱体的受力平衡是通过心轴后端导轨来实现的。图312整体结构3.6 该光杠传动系统的特点此传动机构主要用于排线器上，从主机拉出来的线经过排线器顶部导轮，（筒）缠绕在收线盘上，光杠的动力最好由收线轴传给，其速比可根据用户需求自行配比，一般应在1：11：5范围内。光杠排线器的动力也可单独设计，特殊情况下，也可使排线器带动收线盘运动，从主机放出的线不动，排线器带动线缆行走到收线盘边缘时换向壁上

23、碰轮碰到定位块实现瞬间换向，时间不超过一秒。适用于1200转/分高速工作场合，满足于往复运动极为频繁的场合。无级调节：收线轴带动排线器旋转，根据所盘线径大小，只需调动节距调节器即可得到所盘线节距，达到盘线均匀，无游动间隙。瞬时换向：根据排线开档的大小，只需调整换向撞块的位置，当换向碰轮移动到换向点时，即使换向，换向时间不越过一秒。高速排线：排线器光杠最大线速度可达3米/秒，适用于速度为2米/秒以内结构新颖：箱体采用两开箱式，便于装配，精度高，推力调整没有独特装置，易于调节推力大小。3.7 轴及轴承校核3.7.1 基本额定寿命和基本额定动载荷所谓轴承寿命，对于单个滚动轴承来说，是指其中一个套圈或

24、滚动体材料首次出现疲劳点蚀之前，一套圈相对于另一套圈所能运转的转数。表31由于对同一批轴承(结构、尺寸、材料、热处理以及加工等完全相同)，在完全相同的工作条件下进行寿命实验，滚动轴承的疲劳寿命是相当离散的，所以只能用基本额定寿命作为选择轴承的标准。基本额定寿命：是指一批相同的轴承，在相同条件下运转，其中90%的轴承在发生疲劳点蚀以前能运转的总转数(以转为单位)或在一定转速下所能运转的总工作小时数。基本额定动载荷C：当轴承的基本额定寿命为转时，轴承所能承受的载荷值。基本额定动载荷，对向心轴承，指的是纯径向载荷，并称为径向基本额定动载荷，用表示；对推力轴承，指的是纯轴向载荷，并称为轴向基本额定动载

25、荷，用表示；对角接触球轴承或圆锥滚子轴承，指的是使套圈间只产生纯径向位移的载荷的径向分量。不同型号的轴承有不同的基本额定动载荷值，它表征了不同型号轴承承载能力的大小。表32该曲线公式表示为：1. 预期寿命=19200小时 2. 当量动载荷，取因为，所以只需校核载荷大的寿命3. 基本额定动载荷 取 取，则=36.4KN轴6308的=40.8KNC1可知合格 3.7.2 轴强度校核图313心轴结构 （1) 判断危险截面因为本系统中采用的轴没有任何的键槽和轴肩等改变轴直径的，所以不会因为应力集中来影响轴的疲劳强度，但由于轴的最小直径是按扭转强度较为宽裕地确定的。因为该轴属于细长轴类，因此主要校核该轴

26、的抗弯强度，及抗扭强度。截面上的扭曲T为 T=960000 N mm 式31 截面上的弯曲应力 式32 =133561/27463 MPa =4.86 MPa 截面上的扭转切应力 式33 =960000/54928 MPa =17.48 MPa由手册可得轴的材料的没敏性系数为 ， 有效应力集中系数为 式34 =1+0.82（2.0-1） =1.82 式35=1+0.85（1.31-1）=1.26由手册可得尺寸系数；扭转系数.轴安磨削加工，由手册得表面质量系数为 又由手册得材料特性系数 =0.10.2, 取=0.1=0.050.1, 取=0.05于是，计算安全系数Sca值，按公式则得 式36=2

27、75/（2.804.86+0.10）=20.01 式37=155/（1.628.74+0.058.74）=10.62 式38故可知其安全。故该轴在截面的强度也是足够的。因为该系统无大的瞬时过载及严重的应力循环不对称性。因此该轴的强度符合要求。4. 设计总结本设计采用滚动摩擦副光杠传动机构，它包括光杠轴，深沟球轴承，依靠轴承内圈的特殊结构，以及轴承和光杠轴之间的特殊配合关系，从而来实现力的传递，把光杠的周向转动通过轴承传递到机箱，从而实现了周向力向轴向力的转变。可以替代传统的光杠传动机构（如机床进给系统中的光杠传动机构），不仅可以提高传动效率，而且可以延长光杠传动系统的使用寿命，并可在一定程度上

28、替代滚珠花键传动机构；其中的光杠传动系统不会出现卡死或卡阻现象，而且能够实现在往复运动的转变过程，不需要改变光杠轴的转向。5. 致谢 本设计在牛老师的悉心指导和严格要求下也已完成，从课题的选择、方案论证到具体设计和调试，无不凝聚着牛老师的心血和汗水，在五年本科的学习和生活期间，也始终着导师的精心指导和无私的关怀，我受益匪浅。在此向牛艾青老师表示深深的感谢和崇高的敬意。 正所谓不积跬步何以至千里，本设计能够够顺利的完成，也归功于各位任课老师的认真负责，使我能够很好的掌握和运用专业知识，并在设计中得以体现。正是有了他们的悉心帮助和支持，才使我的毕业论文工作顺利的完成，在此向河南科技学院、机电学院的

29、全体老师表示由衷的谢意。感谢他们对我这几年的悉心栽培。参考文献1罗宗泽 罗圣国 机械设计课程设计手册 高等教育出版社 2007 2陆国明 光杠滚珠轴承传动原理探索 机械工业出版社 19913刘长丰 沈庆平 光杠滚珠轴承传动原理分析 高等教育出版社 19954贾亚洲 金属切削机床概论 机械工业出版社 20075周开勤 机械零件手册 高等教育出版社 2009 6成大先 机械设计手册 化学工业出版社 2004 7濮良贵 纪名刚 机械设计 高等教育出版社 20098陈宏钧. 金属切削技术基础手册. 机械工业出版社，20069王兰美 机械制图 高等教育出版社 200610哈尔滨工业大学理论力学教研室编 理论力学 高等教育出版社 200811孙恒 陈作模 机械原理 高等教育出版社 201012刘鸿文 材料力学 高等教育出版社 2009