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1、第二章 机械系统设计,2.1 概述2.2 机械传动2.3 支撑部件,2.3 支承部件,一、导轨(重点讲解)三、支承件,1.导轨副的种类及基本要求 各种机械运行时，由导轨副保证执行件的正确运动轨迹，并影响执行件的运动特性。（导向和承载）,一、导轨,导轨副包括运动导轨和支承导轨两部分。支承导轨用以支承和约束运动导轨，1)按导轨副运动导轨的轨迹分类（a）直线运动导轨副 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动自由度。（b）旋转运动导轨副 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动自由度。,1)按直线运动导轨副的基本截面形状分类,自学,教材P73导轨分类常用导
2、轨性能比较,2)按导轨副导轨面间的摩擦性质分类（a）滑动摩擦导轨副；（b）滚动摩擦导轨副；（c）流体摩擦导轨副。3)按导轨副结构分类（a）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。（b）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。,二、导轨,4）运动性质分类运动导轨 动导轨作主运动，与支承导轨间相对运动的速度较高。进给运动
3、导轨 动导轨作进给运动，与支承导轨间的相对运动速度较低。机床中大多数导轨属于进给运动导轨。移置导轨 这种导轨只用于调整部件之间的相对位置，在加工时没有相对运动。,台湾上银直线导轨,导轨在日常生活中的应用,窗户 窗帘 抽屉 玩具车 四驱车 电梯导轨 火车导轨 机床导轨,枪用战术导轨系统,在现有的枪械系统上安装一些实现特种作战需求的功能配件，一般是由导轨主体、皮卡汀尼导轨、各种连接支架和功能配件等组成,参考资料：,5).导轨副应满足的基本要求（a）导向精度 导向精度主要是指动导轨沿支承导轨运动的直线度或圆度。影响它的因素有：导轨的几何精度、接触精度、结构形式、刚度、热变形、装配质量以及液体动压和静
4、压导轨的油膜厚度、油膜刚度等。（b）耐磨性 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，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。（c）疲劳和压溃 导轨面由于过载或接触应力不均勾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、剥落而出现凹坑，这种现象就是压溃。疲劳和压溃是滚动导轨失效的主要原因，为此应控制滚动导轨承受的最大载荷和受载的均匀性。,（d）刚度 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。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。（e）
5、低速运动平稳性 低速不爬行、高速无振动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。（f）热变形与结构工艺性 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。,思考题？,3-50 静压螺旋传动的工作原理,二、静压螺旋传动,由三种受力情况可知,当每一个螺旋面上设有三个以上的油腔时,螺杆（或螺母）不但能承受轴向载荷,同时也能承受一定的径向载荷和倾覆力矩。2.静压螺旋传动的特点（1）摩擦阻力小,效率高(可达99)。（2）寿命长。螺纹表面不直接接触,能长期保持工作精度。（3）传动平稳,低速时无爬行现象。（4）传动精度和定位精度高。（5）具有传
6、动可逆性,必要时应设置防止逆转机构。（6）需要一套可靠的供油系统,并且螺母结构复杂,加工比较困难。,开式静压导轨的工作原理,闭式静压导轨的工作原理,液体静压导轨,静压导轨：工作原理与静压轴承相同。将具有一定压力的润滑油，经节流器输入到导轨面上的油腔，即可形成承载油膜，使导轨面之间处于纯液体摩擦状态。,优点：导轨运动速度的变化对油膜厚度的影响很小；载荷的变化对油膜厚度的影响很小；液体摩檫，摩檫系数仅为0.005左右，油膜抗振性好。缺点：导轨自身结构比较复杂；需要增加一套供油系统；对润滑油的清洁程度要求很高。主要应用：精密机床的进给运动和低速运动导轨,气体静压导轨：振动轨迹绘制仪,该仪器将两个简谐
7、振动进行合成，来描绘各种简谐振动的合成以及阻尼振动,运用气垫导轨很好地减小了振动过程中的摩擦,磁悬浮,课下查阅：“机床导轨的直线导轨”,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，会降低导向精度。导轨的间隙如依靠刮研来保证，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。矩形导轨需要在垂直和水平两个方向上调整间隙。,三、导轨副间隙调整,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。,二、导轨,对矩形导轨可采用修刮压板、修刮调整垫片的厚度或调
8、整螺钉的方法进行间隙的调整,二、导轨,3.导轨副的材料选择滑动导轨常用材料有铸铁、钢、有色金属和塑料等 1)铸铁 铸铁有良好的耐磨性、抗振性和工艺性。常用铸铁的种类有：（1）灰铸铁 一般选择HT200，用于手工刮研、中等精度和运动速度较低的导轨，硬度在HB180以上；（2）孕育铸铁 把硅铝孕育剂加入铁水而得，耐磨性高于灰铸铁；（3）合金铸铁,二、导轨,铸铁导轨的热处理方法，通常有接触电阻淬火和中高频感应淬火。接触电阻淬火，淬硬层为0.150.2mm。硬度可达HRC55。中高频感应淬火，淬硬层为23mm，硬度可达HRC4855，耐磨性可提高二倍，但在导轨全长上依次淬火易产生变形，全长上同时淬火需
9、要相应的设备。,二、导轨,2)钢 镶钢导轨的耐磨性较铸铁可提高五倍以上。常用的钢有：9Mn2V、CrWMn、GCr15、T8A、45、40Cr等采用表面淬火或整体淬硬处理，硬度为5258HRC；20Cr、20CrMnTi、15等渗碳淬火，渗碳淬硬至5662HRC；38CrMoAlA等采用氮化处理。3)有色金属 常用的有色金属有黄铜HPb59-l，锡青铜ZCuSn6Pb3Zn6，铝青铜ZQAl9-2和锌合金ZZn-Al10-5，超硬铝LC4、铸铝ZL106等，其中以铝青铜较好。,二、导轨,4)塑料 镶装塑料导轨具有耐磨性好(但略低于铝青铜)，抗振性能好，工作温度适应范围广(-200+260)，抗
10、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，加工性和化学稳定件好，工艺简单，成本低等优点。目前在各类机床的动导轨及图形发生器工作台的导轨上都有应用。塑料导轨多与不淬火的铸铁导轨搭配。,二、导轨,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。,二、导轨,4 滚动导轨副1)滚动导轨的特点（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
11、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：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；与V型十字交叉滚子导轨相比，摩擦阻力可下降约40倍；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10倍；能实现无间隙运动，提高机械系统的运动刚度。,二、导轨,（2）承载能力大 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，可达到平面滚道形式的13倍。（3）刚性强 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。（4）寿命长 由于是纯滚动，摩擦系数为滑动导轨的l50
12、左右，磨损小，因而寿命长，功耗低。（5）成对使用导轨副时，具有“误差均化效应”。（6）传动平稳可靠 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。（7）具有结构自调整能力 装配调整容易，因此降低了对配件加工精度要求。（8）导轨采用表面硬化处理，使导轨具有良好的耐磨性；心部保持良好的机械性能。（9）简化了机械结构的设计和制造。,二、导轨,2)滚动直线导轨的分类（1）按滚动体的形状分类,二、导轨,（2）按导轨截面形状分类,二、导轨,右上图所示为四方向等载荷式，导轨截面为矩形，承载时各方向受力大小相等。梯形截面如下图所示，导轨能承受较大的垂直载荷，而其它方向的承载能力较低，但对于安装基准
13、的误差调节能力较强。,（3）按滚道沟槽形状分类,二、导轨,有单圆弧和双圆弧二种，见右图。单圆弧沟槽为二点接触，如右上图所示。双圆弧沟槽为四点接触，如右下图所示。前者运动摩擦和安装基准平均作用比后者要小，但其静刚度比后者稍差。,3滚动直线导轨的有关计算循环式直线导轨副的承载能力用额定动载荷Ca和额定静载荷Coa表示。其额定寿命L用下式计,二、导轨,式中：额定寿命（km）；行程长度（m）；每分钟往复次数；小时为单位的额定寿命。,额定寿命L与额定动载荷Ca的关系式可表示为：,二、导轨,其中：实际工作载荷(kN)；指数，滚珠，滚子 额定寿命单位，滚珠，滚子 硬度系数，温度系数，查表1；接触系数，查表2
14、；精度系数，查表3；载荷系数，查表4；,二、导轨,表1 温度系数,二、导轨,表2 接触系数,二、导轨,表3 精度系数,二、导轨,表4 载荷系数,（一）支承件设计的基本要求1应具有足够的刚度和抗振性 刚度是抵抗载荷变形的能力。抵抗恒定载荷变形的能力称为静刚度；抵抗交变载荷变形的能力称为动刚度。机座或机架的静刚度，主要是指它们的结构刚度和接触刚度。动刚度与静刚度、材料阻尼及固有振动频率有关。在共振条件下的动刚度可用下式表示：,三、支承件,式中：静刚度N/m；阻尼比；阻尼系数；固有振动频率1/s。,三、支承件,2应具有较小的热变形和热应力 设备在工作时由于传动系统中的齿轮、轴承，以及导轨等因摩擦而发
15、热，电动机、强光灯、加热器等热源散发出的热量，都将传到支承件上，由于热量分布，散发的不均匀，支承件各处温度不同，由此产生热变形、影响系统原有精度。对于数控机床及其它精密机床，热变形对机床的加工精度有极其重要的影响。在设计这类设备时，应予以足够的重视。,三、支承件,3耐磨性 为了使设备能持久地保持其精度，支承件上的导轨应具有良好的耐磨性。因此对导轨的材料、结构和形状，热处理及保护和润滑等应作周密的考虑。4结构工艺性及其它要求 设计支承件时，还应考虑毛坯制造、机械加工和装配的结构工艺性。正确地进行结构设计和必要的计算以保证用最少的材料达到最佳的性能指标，并达到缩短生产周期，降低造价，操作方便，搬运
16、装吊安全等要求。,三、支承件,（二）支承件的材料选择 支承件的材料，除应满足上述要求外，还应保证足够的强度、冲击韧性和耐磨性等。目前常用的材料有铸铁、钢板和型钢、天然和人造花岗岩、预应力钢筋混凝土等。1铸铁 铸造可以铸出形状复杂的支承件，存在在铸铁中的片状或球状石墨在振动时形成阻尼，抗振性比钢高3倍。但生产铸铁支承件需要制作木模、芯盒等，制造周期长，成本高，故适宜于成批生产。,三、支承件,2钢板与型钢 用钢板与型钢焊接成支承件，生产周期比铸造快1.73.5倍，钢的弹性模量约为铸铁的2倍，承受同样载荷，壁厚可做得比铸件薄，重量也轻。但是，钢的阻尼比只为铸铁的约1/3，抗振性差，结构和焊缝上要采取
17、抗振指施。,三、支承件,3天然和人造花岗岩 天然花岗岩的优点很多：性能稳定，精度保持性好。由于经历长期的自然时效，残余应力极小，内部组织稳定；抗振性好，阻尼比钢大15倍；耐磨性比铸铁高510倍；导热系数和线膨胀系数小，热稳定性好；抗氧化性强；不导电；抗磁；与金属不粘合，加工方便，通过研磨和抛光容易得到很高的精度和表面粗糙度。目前用于三坐标测量机和印刷板数控钻床等。用作气浮导轨的基底很理想。主要缺点是，结晶颗粒粗于钢铁的晶粒，抗冲击性能差，脆性较大，油和水等液体易渗入晶界中，使岩石局部变形胀大，难于制作形状复杂的零件。,三、支承件,4预应力钢筋混凝土 主要用于制造不常移动的大型机械的机身、底座、
18、立柱等支承件。预应力钢筋混凝土支承件的刚度和阻尼比较之铸铁大5倍，抗振性好，成本较低。但钢筋的配置对支承件影响较大，应按弹性理论或有限元法所得的主应力方向进行钢筋的配置。制作时混凝土的保养方法也影响性能，混凝土耐腐蚀性差，油渗导致疏松，表面应喷漆或喷涂塑料，脆性也较大。使用条件较为严格方能保持工作寿命。,三、支承件,（三）支承件的结构设计1选取有利的截面形状2设置隔板和加强筋3选择合理的壁厚 4选择合理的结构以提高联接处的局部刚度和接触刚度5提高阻尼比 6用模拟刚度试验类比法设计支承 7支承件的结构工艺性,三、支承件,（四）焊接支承件的设计1采用减振接头 2为了制造方便，焊接结构应尽量避免圆角。3布置焊接支承件的筋板，除局部截面考虑强度外，主要从刚度的角度进行设计。,三、支承件,本章小结,重点：传动方案的选择与设计常用的传动装置传动比的分配常见的导轨及支承装置设计计算,
