機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)第二章

第二章機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)本章學(xué)習(xí)目的：

了解機(jī)械系統(tǒng)的特點(diǎn)和要求，了解應(yīng)采取的措施，掌握機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般規(guī)律。本章內(nèi)容及其學(xué)習(xí)路線：機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)的要求（三要求）----滿足要求應(yīng)該采取的措施（六措施）-----措施的應(yīng)用方法。本章學(xué)習(xí)重點(diǎn)：

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中反向間隙的消除方法、滾珠絲杠、滾動(dòng)直線導(dǎo)軌的使用方法。第二章機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1

概述2.2傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)2.3導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)2.4支承部件的設(shè)計(jì)2.5執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

一、機(jī)械系統(tǒng)的組成

機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)根據(jù)運(yùn)動(dòng)、力、空間的要求千變?nèi)f化，但把它們按所起的作用可以僅分成三種(如果包含執(zhí)行機(jī)構(gòu)可分四種）：傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、支承機(jī)構(gòu)、（執(zhí)行機(jī)構(gòu)）

2.1概述一、機(jī)械系統(tǒng)的組成

1、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)：完成運(yùn)動(dòng)和力的傳遞和變換

比如：電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)通過(guò)絲杠部件轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、帶輪傳動(dòng)等。2.1概述哪些機(jī)構(gòu)屬于傳動(dòng)機(jī)構(gòu)？機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)2、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)：保證運(yùn)動(dòng)正確性

如：機(jī)床工作臺(tái)導(dǎo)軌。有哪些導(dǎo)軌類型？常見(jiàn)滑動(dòng)導(dǎo)軌截面3、支承機(jī)構(gòu)：保證各部件和零件的空間位置如：機(jī)器之架，機(jī)床床身等4、執(zhí)行機(jī)構(gòu)：完成主功能由于它的重要性往往會(huì)獨(dú)立作為一種機(jī)構(gòu)。但是本質(zhì)上講它是由傳動(dòng)、導(dǎo)向、支承三大機(jī)構(gòu)組合而成。二、機(jī)電一體化系統(tǒng)對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的要求

1、高精度

是保證整個(gè)機(jī)電系統(tǒng)精度的基礎(chǔ)。

2、快速響應(yīng)

接受控制指令快速運(yùn)行。

3、良好穩(wěn)定性

抗干擾、長(zhǎng)期可靠工作。

什么影響高精度？

什么影響快速響應(yīng)？

什么影響良好穩(wěn)定性？2.1概述穩(wěn)、準(zhǔn)、快如何實(shí)現(xiàn)？二、機(jī)電一體化系統(tǒng)對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的要求（續(xù)）影響高精度的主要因素：

1、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的間隙

2、受力元件的變形

3、運(yùn)動(dòng)件之間的摩擦

4、制造裝配誤差運(yùn)動(dòng)傳遞系數(shù)及其分配也會(huì)影響精度的大?。ㄈ鐐鲃?dòng)比和各級(jí)傳動(dòng)比的分配）2.1概述二、機(jī)電一體化系統(tǒng)對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的要求（續(xù)）影響快速響應(yīng)性的主要因素：

1、運(yùn)動(dòng)件的慣量

2、運(yùn)動(dòng)件間的阻尼

3、機(jī)械構(gòu)件的剛度

4、運(yùn)動(dòng)傳遞系數(shù)及其分配（如傳動(dòng)比和各級(jí)傳動(dòng)比的分配）2.1概述二、機(jī)電一體化系統(tǒng)對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的要求（續(xù)）影響穩(wěn)定性的主要因素：

1、機(jī)械系統(tǒng)剛度

2、機(jī)械系統(tǒng)的阻尼

3、機(jī)械系統(tǒng)的慣量2.1概述機(jī)械系統(tǒng)不穩(wěn)定的表現(xiàn)：爬行、振動(dòng)二、機(jī)電一體化系統(tǒng)對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的要求（續(xù)）總結(jié)：影響機(jī)械系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能的主要因素有：間隙摩擦剛度慣量阻尼傳動(dòng)比為實(shí)現(xiàn)機(jī)械系統(tǒng)的高精度、快速響應(yīng)、穩(wěn)定性，需采取措施：

消除傳動(dòng)間隙減小摩擦提高剛度減小慣量阻尼適中最佳傳動(dòng)比和傳動(dòng)比最佳匹配等。2.1概述針對(duì)機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)的幾大結(jié)構(gòu)①傳動(dòng)機(jī)構(gòu)：考慮與伺服系統(tǒng)相關(guān)的精度、穩(wěn)定性、快速響應(yīng)等伺服特性②導(dǎo)向機(jī)構(gòu)：考慮導(dǎo)向精度、低速爬行現(xiàn)象③支承機(jī)構(gòu)：考慮剛性④執(zhí)行機(jī)構(gòu)：考慮靈敏度、精確度、重復(fù)性、可靠性2.1概述

三、滿足三大要求（穩(wěn)、準(zhǔn)、快）在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采取的六條措施

1、消除反向傳動(dòng)間隙

2、采用低摩擦阻尼傳動(dòng)件（滾動(dòng)摩擦傳動(dòng)件）

3、最佳傳動(dòng)比和傳動(dòng)比最佳匹配

4、縮短傳動(dòng)鏈（采用直接驅(qū)動(dòng)）

5、提高傳動(dòng)與支承剛度

6、采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法本章將把前5條措施貫穿在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)等節(jié)中講解。2.1概述第二章機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1概述2.2

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)2.3導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)2.4支承部件的設(shè)計(jì)2.5執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

本節(jié)學(xué)習(xí)以下幾個(gè)內(nèi)容：一、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的要求及其類型二、齒輪傳動(dòng)消除反向間隙方法三、滾珠絲杠的應(yīng)用四、錐環(huán)無(wú)鍵連軸器五、其它傳動(dòng)機(jī)構(gòu)六、最佳傳動(dòng)比和傳動(dòng)比最佳匹配2.2傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)一、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的要求及其類型

1、對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的要求傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)中主要組成部分，對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的要求也是對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的要求，即高精度、快速響應(yīng)、穩(wěn)定性三要求，要達(dá)到三要求也需采用前面提到的六措施。具體可歸納為：

①消除傳動(dòng)間隙②摩擦?、蹅鲃?dòng)比最佳匹配

④剛度大（傳動(dòng)鏈短等）⑤阻尼適中⑥轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小且和驅(qū)動(dòng)元件（如電機(jī)）慣量匹配。

2.2傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

①在不影響系統(tǒng)剛度的條件下，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量要??；轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成機(jī)械負(fù)載增大（T電=T負(fù)+Jε）；系統(tǒng)響應(yīng)速度變慢，靈敏度降低；系統(tǒng)固有頻率下降，產(chǎn)生諧振；使電氣部分的諧振頻率變低。②剛度越大，伺服系統(tǒng)動(dòng)力損失越小；剛度越大，機(jī)器的固有頻率越高，不易振動(dòng)()；剛度越大，閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性越高。③機(jī)械系統(tǒng)產(chǎn)生共振時(shí)，系統(tǒng)中阻尼越大，最大振幅就越小，且衰減越快；但阻尼大會(huì)使系統(tǒng)損失動(dòng)量，增大穩(wěn)態(tài)誤差，降低精度，故應(yīng)選合適阻尼。④靜摩擦力要小，動(dòng)摩擦力要小的正斜率；或者會(huì)出現(xiàn)爬行。1、對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的要求（續(xù)）

關(guān)于摩擦摩擦力可分為三種：

靜摩擦力、庫(kù)侖摩擦力和粘性摩擦力（動(dòng)摩擦力=庫(kù)侖摩擦力+粘性摩擦力）。

負(fù)載處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，摩擦力為靜摩擦力，隨著外力的增加而增加，最大值發(fā)生在運(yùn)動(dòng)前的瞬間。運(yùn)動(dòng)一開(kāi)始，靜摩擦力消失，靜摩擦力立即下降為庫(kù)侖摩擦力，大小為一常數(shù)F=μmg，隨著運(yùn)動(dòng)速度的增加，摩擦力成線性的增加，此時(shí)的摩擦力為粘性摩擦力（與速度成正比的阻尼稱為粘性阻尼）。

摩擦對(duì)機(jī)電一體化伺服系統(tǒng)的主要影響是：降低系統(tǒng)的響應(yīng)速度；引起系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)滯后和產(chǎn)生系統(tǒng)誤差；在接近非線性區(qū)，即低速時(shí)產(chǎn)生爬行。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，克服摩擦力所需的電機(jī)轉(zhuǎn)矩Tf與電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩TK的關(guān)系為0.2TK＜Tf＜0.3TK

爬行就產(chǎn)生在這非線形區(qū)。在使用中應(yīng)盡可能減小靜摩擦力與動(dòng)摩擦力的差值；并使動(dòng)摩擦力盡可能小且為正斜率較小的變化。

關(guān)于爬行

當(dāng)絲杠1作極低的勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，工作臺(tái)2可能會(huì)出現(xiàn)—快一慢或跳躍式的運(yùn)動(dòng)，這種現(xiàn)象稱為爬行。

低速進(jìn)給爬行現(xiàn)象的產(chǎn)生主要取決于下列因素：①靜摩擦力與動(dòng)摩擦力之差，這個(gè)差值越大，越容易產(chǎn)生爬行。②進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度K越小、越容易產(chǎn)生爬行。③運(yùn)動(dòng)速度太低。

不發(fā)生爬行的臨界速度

臨界速度可按下式進(jìn)行估算

（m/s）式中ΔF-----靜、動(dòng)摩擦力之差（N）；

K------傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度（N／m）；

ξ------阻尼比；

m------從動(dòng)件的質(zhì)量（kg）。

以下兩種觀點(diǎn)有利于降低臨界速度：適當(dāng)?shù)脑黾酉到y(tǒng)的慣性J和粘性摩擦系數(shù)f，有利于改善低速爬行現(xiàn)象，但慣性增加會(huì)引起伺服系統(tǒng)響應(yīng)性能降低；增加粘性摩擦系數(shù)也會(huì)增加系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)優(yōu)化處理。

消除爬行現(xiàn)象的途徑（實(shí)際做法）①提高傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度a．在條件允許的情況下，適當(dāng)提高各傳動(dòng)件或組件的剛度，減小各傳動(dòng)軸的跨度，合理布置軸上零件的位置。如適當(dāng)?shù)募哟謧鲃?dòng)絲杠的直徑，縮短傳動(dòng)絲杠的長(zhǎng)度，減少和消除各傳動(dòng)副之間的間隙。b．盡量縮短傳動(dòng)鏈，減小傳動(dòng)件數(shù)和彈性變形量。c．合理分配傳動(dòng)比，使多數(shù)傳動(dòng)件受力較小，變形也小。d．對(duì)于絲杠螺母機(jī)構(gòu)，應(yīng)采用整體螺母結(jié)構(gòu)，以提高絲杠螺母的接觸剛度和傳動(dòng)剛度。

消除爬行現(xiàn)象的途徑（實(shí)際做法）②減少摩擦力的變化a．用滾動(dòng)摩擦、流體摩擦代替滑動(dòng)摩擦，如采用滾珠絲杠、靜壓螺母、滾動(dòng)導(dǎo)軌和靜壓導(dǎo)軌等。從根本上改變摩擦面間的摩擦性質(zhì)，基本上可以消除爬行。b．選擇適當(dāng)?shù)哪Σ粮辈牧?，降低摩擦系?shù)。c．降低作用在導(dǎo)軌面的正壓力，如減輕運(yùn)動(dòng)部件的重量，采用各種卸荷裝置，以減少摩擦阻力。d．提高導(dǎo)軌的制造與裝配質(zhì)量，采用導(dǎo)軌油等都可以減少摩擦力的變化。

關(guān)于阻尼

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，考慮綜合性能指標(biāo)，一般取ξ＝0.5~0.8之間。關(guān)于剛度

采用彈性模量高的材料，合理選擇零件的截面形狀和尺寸，對(duì)齒輪、絲杠、軸承施加預(yù)緊力等方法提高系統(tǒng)的剛度。對(duì)于伺服機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)，增大系統(tǒng)的傳動(dòng)剛度有以下好處：（1）可以減少系統(tǒng)的死區(qū)誤差（失動(dòng)量），有利于提高傳動(dòng)精度；（2）可以提高系統(tǒng)的固有頻率，有利于系統(tǒng)的抗振性；（3）可以增加閉環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

關(guān)于諧振頻率

對(duì)于閉環(huán)系統(tǒng)，要求機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中的最低固有頻率（最低共振頻率）必須大于電氣驅(qū)動(dòng)部件的固有頻率。

對(duì)于機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)，它的固有頻率取決于系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的剛度及慣量，因此在機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡量降低慣量，提高剛度，達(dá)到提高傳動(dòng)系統(tǒng)固有頻率的目的。

一般要求機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)最低固有頻率WOI≥300rad／s，其他機(jī)械系統(tǒng)WOI≥600rad／s。

關(guān)于間隙

對(duì)于系統(tǒng)閉環(huán)以外的間隙，對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性無(wú)影響，但影響到伺服精度。

對(duì)于系統(tǒng)閉環(huán)內(nèi)的間隙，在控制系統(tǒng)有效控制范圍內(nèi)對(duì)系統(tǒng)精度、穩(wěn)定性影響較小，但反饋通道上的間隙要比前向通道上的間隙對(duì)系統(tǒng)影響較大。2、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的類型（1）齒輪傳動(dòng)（直齒、斜齒、錐齒、蝸輪蝸桿、齒輪齒條、諧波齒輪）（2）絲桿螺母?jìng)鲃?dòng)（T型螺紋、滾珠絲杠）（3）帶輪傳動(dòng)（同步齒形帶、三角帶、平帶等）（4）鏈輪傳動(dòng)（5）非線性桿件傳動(dòng)（曲柄連桿、凸輪挺桿等）

齒輪、滾珠絲杠、同步齒形帶是最常用的傳動(dòng)2.2傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)2、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的類型（續(xù)）2.2傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)一、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的要求及其類型二、齒輪傳動(dòng)消除反向間隙方法三、滾珠絲杠的應(yīng)用四、錐環(huán)無(wú)鍵連軸器五、其它傳動(dòng)機(jī)構(gòu)六、最佳傳動(dòng)比和傳動(dòng)比最佳匹配2.2傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)二、齒輪傳動(dòng)消除反向間隙方法1、圓柱齒輪AB2.2傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)a.偏心軸套消隙法轉(zhuǎn)動(dòng)偏心套1使電機(jī)的軸心上下調(diào)整從而改變兩齒輪的中心距特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單不能自動(dòng)調(diào)整間隙不能完全消除僅適合直齒輪2.2傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)b.軸線墊片調(diào)整法

1,2兩齒輪相互嚙合，其分度圓弧齒厚沿著軸線方向略有錐度。2.2傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)c.雙片薄齒輪錯(cuò)齒調(diào)整法2.2傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)c.雙片薄齒輪錯(cuò)齒調(diào)整法2、斜齒輪2.2傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)2、斜齒輪2.2傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)3.錐齒輪2.2傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)4.齒輪齒條2.2傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本節(jié)學(xué)習(xí)以下幾個(gè)內(nèi)容：一、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的要求及其類型二、齒輪傳動(dòng)消除反向間隙方法三、滾珠絲杠的應(yīng)用四、錐環(huán)無(wú)鍵連軸器五、其它傳動(dòng)機(jī)構(gòu)六、最佳傳動(dòng)比和傳動(dòng)比最佳匹配2.2傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)絲杠螺母機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)形式

絲杠螺母機(jī)構(gòu)又稱螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，用來(lái)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)或?qū)⒅本€運(yùn)動(dòng)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。A、按功能分為：

有傳遞能量（千斤頂，螺旋壓力機(jī)）；

有傳遞運(yùn)動(dòng)（工作臺(tái)的進(jìn)給絲杠）；

調(diào)整位置（螺旋測(cè)微器）。B、按運(yùn)動(dòng)副分為：

滑動(dòng)摩擦機(jī)構(gòu)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，具有自鎖功能，但摩擦力大，傳動(dòng)效率低；

滾動(dòng)摩擦機(jī)構(gòu)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，摩擦力小，傳動(dòng)效率高。三、滾珠絲杠的應(yīng)用

在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中需要把轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)時(shí)采用絲杠傳動(dòng)是一種精度高、功率大、剛度大的好方法。傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)往往多采用梯形螺紋滑動(dòng)摩擦副絲杠，而在機(jī)電一體化系統(tǒng)中為了達(dá)到“三要求”常采用滾珠絲杠副。因?yàn)榛瑒?dòng)摩擦副絲杠摩擦系數(shù)大且靜、動(dòng)摩擦系數(shù)差別大，在小運(yùn)動(dòng)量控制時(shí)會(huì)產(chǎn)生爬行現(xiàn)象，嚴(yán)重影響精度和快速響應(yīng)性。而滾動(dòng)摩擦副絲杠摩擦系數(shù)小，靜、動(dòng)摩擦系數(shù)差別小，因此不會(huì)產(chǎn)生爬行現(xiàn)象，能快速跟隨控制指令運(yùn)行，具有良好的伺服性。滾珠絲杠副還有很多優(yōu)點(diǎn)。是目前數(shù)控機(jī)床必不可少的傳動(dòng)件。2.2傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)兩種不同摩擦副絲杠特點(diǎn)比較滑動(dòng)摩擦副絲杠：

優(yōu)點(diǎn)

缺點(diǎn)

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單摩擦阻力大

加工方便傳動(dòng)效率低（30％－40％）具有自鎖功能適于低速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

滾珠絲杠：

摩擦阻力小結(jié)構(gòu)復(fù)雜

傳動(dòng)效率高（92％－98％）制造成本高運(yùn)動(dòng)具有可逆性不能自鎖

傳動(dòng)精度高剛度好使用壽命長(zhǎng)2.2傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)滾珠絲杠簡(jiǎn)介2.2傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)滾珠絲杠副的特點(diǎn)

1）傳動(dòng)效率高，摩擦損失小。滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率η＝0.92～0.96，比常規(guī)的絲杠螺母副提高3～4倍。因此，功率消耗只相當(dāng)于常規(guī)的絲杠螺母副的1/4～1/3。2）給予適當(dāng)預(yù)緊，可消除絲杠和螺母的螺紋間隙，反向時(shí)就可以消除空行程死區(qū)，定位精度高，剛度好。3）運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，無(wú)爬行現(xiàn)象，傳動(dòng)精度高。2.2傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)4）運(yùn)動(dòng)具有可逆性，可以從旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)，也可以從直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即絲杠和螺母都可以作為主動(dòng)件。5）磨損小，使用壽命長(zhǎng)。6）制造工藝復(fù)雜。滾珠絲杠和螺母等元件的加工精度要求高，表面粗糙度也要求高，故制造成本高。7）不能自鎖。特別是對(duì)于垂直絲杠，由于自重慣力的作用，下降時(shí)當(dāng)傳動(dòng)切斷后，不能立刻停止運(yùn)動(dòng)，故常需添加制動(dòng)裝置。滾珠絲杠副的特點(diǎn)

滾珠絲杠副的典型結(jié)構(gòu)類型滾珠絲杠簡(jiǎn)介1、滾珠絲杠的原理及結(jié)構(gòu)滾珠的循環(huán)運(yùn)動(dòng)a.內(nèi)循環(huán)方式

滾珠不脫離螺母的圓弧滾道，在內(nèi)部循環(huán)。螺母2的側(cè)面孔內(nèi)裝有聯(lián)通相鄰滾道的反向器4。一般同一螺母上裝有2-4個(gè)反向器，并沿著螺母圓周均勻分布。

滾珠的循環(huán)運(yùn)動(dòng)（續(xù)）a.內(nèi)循環(huán)方式：浮動(dòng)式反向器循環(huán)依靠滾珠自動(dòng)定位反向器滾珠的循環(huán)運(yùn)動(dòng)（續(xù)）b.外循環(huán)—滾珠脫離滾道通過(guò)外部通道循環(huán)螺旋槽式螺母2外圓表面上銑出螺紋凹槽，槽的兩端鉆出與滾道相切的通孔。滾珠的循環(huán)運(yùn)動(dòng)（續(xù)）b.外循環(huán)：插管式用彎管代替螺旋槽滾珠的循環(huán)運(yùn)動(dòng)（續(xù)）c.外循環(huán)：端蓋式

在螺母1上鉆出縱向孔作為滾子回程滾道，螺母兩端裝有兩塊扇形蓋板或套筒2，滾珠的回程道口就在蓋板上。C.圓弧滾道結(jié)構(gòu)滾道形面與滾珠接觸點(diǎn)之法線與絲杠軸向之垂線間的夾角稱為接觸角，一般45度。雙圓弧底部可存儲(chǔ)一定潤(rùn)滑油，減少磨損，但成本較高。2、滾珠絲杠傳遞運(yùn)動(dòng)的兩種常用形式1)絲桿僅轉(zhuǎn)動(dòng)（其它各自由度限制），螺母直線運(yùn)動(dòng)（限制轉(zhuǎn)動(dòng)）需導(dǎo)向裝置。結(jié)構(gòu)緊湊，絲杠剛性好。適合于工作行程較大的場(chǎng)合。2、滾珠絲杠傳遞運(yùn)動(dòng)的兩種常用形式（續(xù)）

2)螺母固定，絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)并同時(shí)直線運(yùn)動(dòng)剛性較差，尺寸不易過(guò)長(zhǎng)。適合于行程較小的場(chǎng)合。3、絲杠的支承方式軸承的類型與選擇

標(biāo)準(zhǔn)滾動(dòng)軸承：3、絲杠的支承方式（續(xù)）固定—限制其各方向的自由度，僅能轉(zhuǎn)動(dòng)3、絲杠的支承方式（續(xù)）3、絲杠的支承方式（續(xù)）4、螺母和絲桿之間的傳動(dòng)反向間隙消除*雙螺母消除反向間隙（1）雙螺母墊片調(diào)隙法（張，P31）4、螺母和絲桿之間的傳動(dòng)反向間隙消除（續(xù)）（2）雙螺母螺紋調(diào)隙法4、螺母和絲桿之間的傳動(dòng)反向間隙消除（續(xù)）（3）雙螺母齒差調(diào)隙法4、螺母和絲桿之間的傳動(dòng)反向間隙消除（續(xù)）雙螺母齒差調(diào)隙法的原理：

兩個(gè)螺母的法蘭上各制有圓柱外齒輪，齒數(shù)為z1和z2，z2-z1=1,分別與各自的內(nèi)齒圈嚙合，內(nèi)齒圈用螺釘固定在安裝套筒上，從而使螺母和套筒固定。調(diào)整時(shí)先取下兩端的內(nèi)齒圈，旋轉(zhuǎn)兩螺母分別使?jié)L珠緊貼在螺旋滾道的兩個(gè)相反側(cè)面上，消除間隙后，再將內(nèi)齒圈復(fù)位固定好。4、螺母和絲桿之間的傳動(dòng)反向間隙消除（續(xù)）當(dāng)兩個(gè)螺母同方向轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒時(shí)，所產(chǎn)生的相對(duì)軸向位移為：

△s=(1/z1-1/z2)pp為絲杠導(dǎo)程如果z1=99,z2=100,p=6mm

則計(jì)算得△s=0.6μm4、螺母和絲桿之間的傳動(dòng)反向間隙消除（續(xù)）（4）單螺母變導(dǎo)程預(yù)緊4、螺母和絲桿之間的傳動(dòng)反向間隙消除（續(xù)）

在螺母體內(nèi)的兩列循環(huán)滾珠鏈之間，使內(nèi)螺紋滾道在軸向制作一個(gè)的導(dǎo)程突變量,從而使二列滾珠產(chǎn)生軸向錯(cuò)位而實(shí)現(xiàn)預(yù)緊，預(yù)緊力的大小取決于和單列滾珠的徑向間隙。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，但使用中不能調(diào)整，且制造困難。5、滾珠絲杠的主要尺寸、精度等級(jí)

公稱直徑d0(通常與節(jié)圓直徑DPW相等):指滾珠與螺絞滾道在理論接觸角狀態(tài)時(shí)包絡(luò)滾珠球心的圓柱直徑。它是滾珠絲杠副的特征(或名義)尺寸。

5、滾珠絲杠的主要尺寸、精度等級(jí)（續(xù)）

基本導(dǎo)程Ph(或螺距t):指滾珠螺母相對(duì)滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)2pi弧度時(shí)的行程(或螺母上基準(zhǔn)點(diǎn)的軸向位移)。公稱導(dǎo)程Ph0通常指用作尺寸標(biāo)志的導(dǎo)程值(無(wú)公差)。

滾珠絲桿螺紋外徑d1、滾珠絲桿螺紋底徑d2、滾珠直徑Dw、滾珠螺母體螺紋底徑D2

、滾珠螺母螺紋內(nèi)徑D3

、滾珠絲桿螺紋全長(zhǎng)l1等。行程l

：轉(zhuǎn)動(dòng)滾珠絲杠或滾珠螺母時(shí)，滾珠絲杠或滾珠螺母的軸向位移量。

5、滾珠絲杠的主要尺寸、精度等級(jí)（續(xù)）5、滾珠絲杠的主要尺寸、精度等級(jí)（續(xù)，張P28）滾珠絲杠副的精度GB/T17587.3-1998（與ISO3408-3：1992同）滾珠絲杠副根據(jù)使用范圍分為定位型（P）和傳動(dòng)型（T）兩種。根據(jù)精度要求分為7個(gè)精度等級(jí)，即1、2、3、4、5、7和10級(jí)。1級(jí)精度最高，依次遞減。

德國(guó)億孚、德國(guó)博士力世樂(lè)、日本THK、日本NSK、瑞典SKF山東濟(jì)寧博特精工、漢江機(jī)床有限公司、北京機(jī)床研究所、南京工藝裝備制造有限公司、臺(tái)灣上銀、臺(tái)灣羅升P5=0.023，精度等級(jí)是5級(jí)，任意300mm行程內(nèi)行程變動(dòng)量為0.023mmC7：任意300mm行程內(nèi)行程變動(dòng)量為0.050mm，也就是C7=0.050（1）結(jié)構(gòu)型式的選擇：

根據(jù)防塵防護(hù)條件及對(duì)調(diào)整間隙和預(yù)緊的要求來(lái)選擇。例如：當(dāng)允許有間隙時(shí)（如垂直運(yùn)動(dòng)），可選擇具有單圓弧形螺紋滾道的單螺母滾珠絲杠副；當(dāng)必須有預(yù)緊或在使用過(guò)程中因磨損而需要定期調(diào)整時(shí)，應(yīng)采用雙螺母螺紋預(yù)緊或齒差預(yù)緊式結(jié)構(gòu)；當(dāng)具有良好的防塵條件，且只需要在裝配時(shí)調(diào)整間隙及預(yù)緊力時(shí)，可采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的雙螺母墊片調(diào)整預(yù)緊式結(jié)構(gòu)；6、滾珠絲杠的選用（2）結(jié)構(gòu)尺寸的選擇公稱直徑d0：軸向最大載荷基本導(dǎo)程l0：設(shè)計(jì)要求，傳動(dòng)精度、傳動(dòng)速度螺紋長(zhǎng)度ls：在滿足l0的條件下盡可能短6、滾珠絲杠的選用根據(jù)定位精度和重復(fù)定位精度選用。推薦采用的精度等級(jí)：開(kāi)環(huán)和半閉環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床、精密機(jī)床：1、2、3級(jí)全閉環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)：2、3、4級(jí)一般動(dòng)力傳動(dòng)：4、5級(jí)（3）滾珠絲杠副的精度的選擇6、滾珠絲杠的選用

（4）滾珠絲杠副的選用要經(jīng)過(guò)一定的設(shè)計(jì)計(jì)算6、滾珠絲杠的選用（續(xù)，唐21）承載能力選擇壓桿穩(wěn)定性核算剛度的驗(yàn)算

（4）滾珠絲杠副的選用要經(jīng)過(guò)一定的設(shè)計(jì)計(jì)算

已知條件：工作載荷F(N)或平均工作載荷Fm(N)，

使用壽命L’h

(h)，絲桿的工作長(zhǎng)度(螺母的有效行程)L(m)，絲杠的轉(zhuǎn)速n(平均轉(zhuǎn)速nm或最高轉(zhuǎn)速nmax)(r/min)，工作精度，滾道硬度HRC和載荷性質(zhì)（運(yùn)轉(zhuǎn)情況）

設(shè)計(jì)計(jì)算步驟如下：①首先根據(jù)工作載荷，考慮載荷性質(zhì)、滾道硬度、工作精度的影響計(jì)算獲得計(jì)算載荷Fc(N)

Fc=KF

KHKA

FmKF為載荷性質(zhì)系數(shù)(表2-6)，

KH

為滾道硬度系數(shù)(表2-7)，

KA為精度系數(shù)(表2-8)。6、滾珠絲杠的選用（續(xù)）②根據(jù)計(jì)算載荷Fc，考慮壽命和轉(zhuǎn)速計(jì)算獲得額定動(dòng)載荷計(jì)算值Ca’(N)

C’a=Fc(nmL’h/1.67x104)1/3

L’

h使用壽命;nm平均轉(zhuǎn)速；額定動(dòng)載荷計(jì)算值C’a是選擇滾珠絲杠的依據(jù)。③根據(jù)額定動(dòng)載荷計(jì)算值C’a從滾珠絲杠的參數(shù)表中選擇額定動(dòng)載荷大于或等于額定動(dòng)載荷計(jì)算值C’a的滾珠絲杠，獲得滾珠絲杠的基本參數(shù)。6、滾珠絲杠的選用(續(xù))

查表選擇的滾珠絲杠參數(shù)如標(biāo)稱直徑、導(dǎo)程、螺旋角等。再根據(jù)滾珠絲杠計(jì)算公式，計(jì)算出：絲杠外徑、內(nèi)徑、滾道半徑等參數(shù)。④穩(wěn)定性驗(yàn)算

穩(wěn)定性有兩個(gè)方面：一為壓桿穩(wěn)定問(wèn)題，對(duì)于支承方式為一端固定時(shí)，受軸向力大、絲杠較長(zhǎng)時(shí)容易出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。兩端固定的絲杠不會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。驗(yàn)算條件：Fcr/Fm=S>[S]=2.5~3.3.其中[S]為許用安全系數(shù)（表2-10），F(xiàn)cr是不發(fā)生失穩(wěn)的臨界載荷。6、滾珠絲杠的選用(續(xù))穩(wěn)定性方面第二個(gè)問(wèn)題為高速時(shí)長(zhǎng)絲杠易發(fā)生共振驗(yàn)算條件：絲杠最高轉(zhuǎn)速nmax<ncr，這里ncr

是不發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速—臨界轉(zhuǎn)速⑤剛度驗(yàn)算計(jì)算絲杠在載荷作用下產(chǎn)生的變形，也稱為導(dǎo)程誤差，這種變形直接影響絲杠傳動(dòng)精度。要求絲杠全長(zhǎng)導(dǎo)程變形總和小于要求的傳動(dòng)精度值的1/2。

F(N)為軸向載荷，T(N.m)為轉(zhuǎn)矩。6、滾珠絲杠的選用(續(xù))⑥效率驗(yàn)算要求在90%~95%之間為絲杠螺旋角，為摩擦系數(shù)。6、滾珠絲杠的選用(續(xù))7、滾珠絲杠的應(yīng)用8、滾珠絲杠的制動(dòng)滾珠絲杠無(wú)自鎖作用，垂直安裝時(shí)，應(yīng)設(shè)置自鎖裝置。9、滾珠絲杠小結(jié)通過(guò)課后閱讀，自行總結(jié)。作業(yè)P512-7（唐51，機(jī)工版）P842-11（張84，北理工版）

本節(jié)學(xué)習(xí)以下幾個(gè)內(nèi)容：一、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的要求及其類型二、齒輪傳動(dòng)消除反向間隙方法三、滾珠絲杠的應(yīng)用四、錐環(huán)無(wú)鍵連軸器五、其它傳動(dòng)機(jī)構(gòu)六、最佳傳動(dòng)比和傳動(dòng)比最佳匹配第二節(jié)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)四、錐環(huán)無(wú)鍵連軸器連軸器是傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中軸與軸之間連接的重要部件。傳遞運(yùn)動(dòng)、傳遞扭矩。如果有間隙、有變形對(duì)傳動(dòng)精度有較大影響。連軸器的種類很多，有剛性連軸器、彈性連軸器、萬(wàn)向連軸器等第二節(jié)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

一般在傳遞較大轉(zhuǎn)矩時(shí)軸與連軸器轂之間是用鍵連接這樣會(huì)使傳遞運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生傳遞間隙。錐環(huán)無(wú)鍵連軸器可以實(shí)現(xiàn)軸與連軸器轂之間的無(wú)間隙連接傳遞扭矩。錐環(huán)無(wú)鍵連軸器原理是：利用安裝在軸與連軸器轂之間的錐環(huán)對(duì)的相互鍥緊作用，使錐環(huán)產(chǎn)生徑向彈性變形，從而靠摩擦力連接軸與連軸器轂。1、錐環(huán)無(wú)鍵連軸器原理及其特點(diǎn)錐環(huán)對(duì)錐環(huán)無(wú)鍵連軸器的特點(diǎn)：

無(wú)間隙傳遞轉(zhuǎn)矩錐環(huán)對(duì)數(shù)不同可傳遞不同大小的轉(zhuǎn)矩軸和連軸器轂的角度可調(diào)節(jié)定心性好、傳遞轉(zhuǎn)矩大、轉(zhuǎn)速高、使用壽命長(zhǎng)具有過(guò)載保護(hù)能力能在振動(dòng)沖擊載荷下工作安裝、使用、維修方便作用于系統(tǒng)的附加載荷小、噪聲低。1、錐環(huán)無(wú)鍵連軸器原理及其特點(diǎn)(續(xù))a.結(jié)構(gòu)2、錐環(huán)無(wú)鍵連軸器結(jié)構(gòu)及其計(jì)算錐環(huán)對(duì)b.設(shè)計(jì)計(jì)算(1)根據(jù)錐環(huán)尺寸和所需正壓力計(jì)算出一對(duì)錐環(huán)傳遞轉(zhuǎn)矩Tt2、錐環(huán)無(wú)鍵連軸器結(jié)構(gòu)及其計(jì)算軸向力；為使錐環(huán)與軸及輪轂內(nèi)壁接觸時(shí)所施加的預(yù)緊力；為錐面半角；為摩擦系數(shù)。(2)根據(jù)所傳遞轉(zhuǎn)矩Ttn和一對(duì)錐環(huán)傳遞轉(zhuǎn)矩Tt計(jì)算錐環(huán)對(duì)數(shù)（或查表獲得錐環(huán)對(duì)數(shù)）2、錐環(huán)無(wú)鍵連軸器結(jié)構(gòu)及其計(jì)算錐環(huán)對(duì)數(shù)；為正壓力遞減公比為對(duì)錐環(huán)轉(zhuǎn)矩增加系數(shù)。接觸面正壓力依次遞減2、錐環(huán)無(wú)鍵連軸器結(jié)構(gòu)及其計(jì)算(續(xù))伺服電機(jī)錐環(huán)聯(lián)軸器十字滑塊聯(lián)軸器滾珠絲杠

本節(jié)學(xué)習(xí)以下幾個(gè)內(nèi)容：一、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的要求及其類型二、齒輪傳動(dòng)消除反向間隙方法三、滾珠絲杠的應(yīng)用四、錐環(huán)無(wú)鍵連軸器五、其它傳動(dòng)機(jī)構(gòu)六、最佳傳動(dòng)比和傳動(dòng)比最佳匹配第二節(jié)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)五、其它傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

隨著機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展，多種高性能傳動(dòng)機(jī)構(gòu)被采用。1、同步齒形帶傳動(dòng)特點(diǎn)同步齒形帶傳動(dòng)利用齒形帶的齒和帶輪的輪齒嚙合傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。兼有齒輪傳動(dòng)、帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)距離傳動(dòng)、傳動(dòng)精度高、齒形帶強(qiáng)度高重量輕，適合高低速傳動(dòng)、傳動(dòng)效率高、無(wú)需張緊，作用于軸和軸承的附加載荷小。第二節(jié)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)2、行星輪傳動(dòng)太陽(yáng)輪行星輪行星輪支架輸出軸齒圈輸入軸3、諧波齒輪傳動(dòng)諧波發(fā)生器柔性輪剛性輪（1）諧波齒輪的工作原理由波形發(fā)生器H，柔輪2，剛輪1組成。柔或剛輪為從動(dòng)件，剛輪內(nèi)齒圈齒數(shù)Zg，柔輪外齒圈齒數(shù)Zr。齒形：漸開(kāi)線或三角形，周節(jié)(齒距)t相同，齒數(shù)不同，Zg>Zr

柔輪結(jié)構(gòu)為薄壁圓筒，波形發(fā)生器長(zhǎng)徑比柔輪內(nèi)徑略大，柔輪為橢圓。波形發(fā)生器有三頭、兩頭（雙波發(fā)生器）具有雙波發(fā)生器時(shí)Zg－Zr＝2，當(dāng)波形發(fā)生器轉(zhuǎn)動(dòng)一周，柔輪和剛輪相對(duì)轉(zhuǎn)過(guò)兩個(gè)齒。3、諧波齒輪傳動(dòng)

諧波齒輪靠柔性齒輪產(chǎn)生的可控變形波引起齒間的相當(dāng)錯(cuò)齒來(lái)傳遞動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)的。諧波齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比計(jì)算基于下式：實(shí)際諧波齒輪把諧波發(fā)生器作為輸入軸。柔輪或剛輪中的一個(gè)作為輸出軸，而另一個(gè)則固定。（1）諧波齒輪的工作原理分別為剛性輪、柔性輪和諧波發(fā)生器的轉(zhuǎn)速(a)當(dāng)柔輪固定ωr＝0則H輪主動(dòng)，剛輪輸出，求iHg

因?yàn)閆g>Zr

，則為iHg正，轉(zhuǎn)向相同。

（2）諧波齒輪的傳動(dòng)比如果剛輪齒數(shù)100，柔輪齒數(shù)98則iHg=50（b）剛輪固定

時(shí)

ωg＝0

則H輪主動(dòng)，柔輪輸出，求

i

Hr

如果剛輪齒數(shù)100，柔輪齒數(shù)98則，iHr=-49（2）諧波齒輪的傳動(dòng)比因?yàn)閆g>Zr

，則為iHr負(fù)，轉(zhuǎn)向相反。

傳動(dòng)鏈短、傳動(dòng)比大側(cè)隙小、空程小、傳動(dòng)精度高體積小、噪聲低下圖為一諧波發(fā)生器實(shí)際結(jié)構(gòu)（3）諧波齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)4、鋼帶傳動(dòng)鋼帶傳動(dòng)的特點(diǎn)是鋼帶與帶輪間接觸面積大、無(wú)間隙、摩擦阻力大無(wú)滑動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、運(yùn)行可靠、噪音低、驅(qū)動(dòng)力大、壽命長(zhǎng)，鋼帶無(wú)蠕變。右圖為鋼帶傳動(dòng)在磁頭定位機(jī)構(gòu)中的應(yīng)用例，

形鋼帶掛在驅(qū)動(dòng)輪上，磁頭固定在往復(fù)運(yùn)動(dòng)的鋼帶上,結(jié)構(gòu)緊湊、磁頭移動(dòng)迅速、運(yùn)行可靠。5、繩輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，噪音低。加速度不宜太高。6、棘輪傳動(dòng)外齒內(nèi)齒端齒7、槽輪機(jī)構(gòu)8、蝸形凸輪

本節(jié)學(xué)習(xí)以下幾個(gè)內(nèi)容：一、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的要求及其類型二、齒輪傳動(dòng)消除反向間隙方法三、滾珠絲杠的應(yīng)用四、錐環(huán)無(wú)鍵連軸器五、其它傳動(dòng)機(jī)構(gòu)六、最佳傳動(dòng)比和傳動(dòng)比最佳匹配第二節(jié)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)六、最佳傳動(dòng)比和傳動(dòng)比最佳匹配1、傳動(dòng)比的作用匹配速度、匹配轉(zhuǎn)矩、匹配慣量、匹配精度i第二節(jié)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)（1）“折算負(fù)載峰值力矩最小”的最佳總傳動(dòng)比，實(shí)現(xiàn)力的最佳傳遞。（2）“折算負(fù)載均方根力矩最小”的最佳總傳動(dòng)比，實(shí)現(xiàn)了功率的最佳傳遞。（3）“加速度最大”的最佳傳動(dòng)比能夠提高負(fù)載的快速響應(yīng)性。上述幾種最佳總傳動(dòng)比均是針對(duì)某一方面要求而言，故其結(jié)果是不一樣的，在具體選擇時(shí)，除考慮伺服電機(jī)與負(fù)載的最佳匹配外，還要考慮總傳動(dòng)比對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、精確性、快速性的影響。2最佳傳動(dòng)比—跟優(yōu)化目標(biāo)有關(guān)3、各級(jí)傳動(dòng)比的最佳匹配原則(1)“折算(等效)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最小”原則，使系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)性能。

(2)“最小重量”原則(3)有利于“提高傳動(dòng)精度”原則（1）“折算(等效)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最小”原則

電機(jī)輸入軸等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量:等效到電機(jī)輸入軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等效原則:等效前后動(dòng)能相等。例：求齒輪B的等效慣量設(shè)等效后的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為Je（1）“折算(等效)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最小”原則(續(xù))

設(shè)有一小功率電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的二級(jí)齒輪減速系統(tǒng)，如圖所示。

設(shè)其總體傳動(dòng)比為i=i1i2

。若先假設(shè)各主動(dòng)齒輪1,3具有相同的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，各齒輪均近似著成實(shí)心圓柱體，分度圓直徑d，齒寬B、比重(密度*g)γ均相同，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為J。如不計(jì)軸和軸承的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，則等效到電動(dòng)機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為（1）“折算(等效)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最小”原則(續(xù))

（1）“折算(等效)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最小”原則(續(xù))

最小值出現(xiàn)在拐點(diǎn)處

假定各個(gè)主動(dòng)小齒輪的模數(shù)、齒數(shù)均相同。使各級(jí)傳動(dòng)比相等，可得最小重量的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)。同時(shí)，按此原則還可使傳動(dòng)系統(tǒng)中齒輪尺寸減至兩種，并且使各級(jí)齒輪的中心距彼此相等，有利于加工。由于大齒輪的齒數(shù)、模數(shù)也相同，對(duì)大功率傳動(dòng)機(jī)構(gòu)不合適（要考慮逐級(jí)扭矩增加，模數(shù)要變改變）。（2）最小重量原則(課下自行推導(dǎo))在精密齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)中，傳動(dòng)比相當(dāng)于誤差傳遞系數(shù)，因此，總傳動(dòng)比合理分級(jí)與分配對(duì)系統(tǒng)的傳動(dòng)精度將產(chǎn)生十分重要影響。折算到末級(jí)輸出軸上的總轉(zhuǎn)角誤差為式中——折算到輸出軸上的總轉(zhuǎn)角誤差；——第k級(jí)齒輪副在從動(dòng)軸上的轉(zhuǎn)角誤差；——從第k級(jí)齒輪副到末級(jí)輸出軸的傳動(dòng)比。（3）有利于“提高傳動(dòng)精度”原則①各級(jí)傳動(dòng)比逐級(jí)遞減時(shí)的總轉(zhuǎn)角誤差要比遞增時(shí)大，因此各級(jí)傳動(dòng)比應(yīng)按前級(jí)小后級(jí)大匹配。②在總轉(zhuǎn)角誤差中，低速級(jí)的誤差占的比重較大，因此末級(jí)采用精度等級(jí)較高的齒輪副，可顯著地減小總折算轉(zhuǎn)角誤差。（3）有利于“提高傳動(dòng)精度”原則例：設(shè)四級(jí)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)，8個(gè)齒輪第二章機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)第一節(jié)概述第二節(jié)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)第三節(jié)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)第四節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)本節(jié)主要學(xué)習(xí)內(nèi)容：一、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的類型及其要求二、滑動(dòng)導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)與選擇三、滾動(dòng)直線導(dǎo)軌的應(yīng)用四、其它導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)第三節(jié)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)保證運(yùn)動(dòng)正確性1、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的類型導(dǎo)軌主要由兩部分組成，工作時(shí)一部分固定稱支承軌（導(dǎo)軌或動(dòng)導(dǎo)軌），另一部分相對(duì)支承軌作運(yùn)動(dòng)稱作動(dòng)軌（滑軌或滑座）。一、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的類型及其要求

一、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的類型及其要求

1、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的類型開(kāi)式：借助重力或彈簧力保證接觸；閉式：只靠導(dǎo)軌本身的結(jié)構(gòu)形狀保證接觸1、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的類型2、對(duì)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的要求導(dǎo)向機(jī)構(gòu)是保證機(jī)械系統(tǒng)精度、快速響應(yīng)性和穩(wěn)定性的重要保證。導(dǎo)向機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)稱導(dǎo)軌，它的作用不僅起導(dǎo)向作用往往也起支承作用，對(duì)其基本要求可歸納為：導(dǎo)向精度高－運(yùn)動(dòng)件按給定方向作直線運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確程度。剛性好

－抵抗載荷能力，分靜剛度（恒定載荷）動(dòng)剛度（交變載荷）。摩擦?。\(yùn)動(dòng)的靈活性和低速平穩(wěn)性（不產(chǎn)生爬行）。耐磨性好－壽命長(zhǎng)、精度保持性好。溫度變化影響?。瓬囟茸兓挥绊懢?，不卡死。結(jié)構(gòu)工藝性好－力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易制造、裝配、調(diào)整。一、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的要求及其類型

本節(jié)主要學(xué)習(xí)內(nèi)容：一、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的類型及其要求二、滑動(dòng)導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)與選擇三、滾動(dòng)直線導(dǎo)軌的應(yīng)用四、其它導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)第三節(jié)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)常見(jiàn)滑動(dòng)導(dǎo)軌副的截面形狀

二、滑動(dòng)導(dǎo)軌副的結(jié)構(gòu)及其選擇

1、滑動(dòng)導(dǎo)軌副的截面形狀和特點(diǎn)（1）三角形導(dǎo)軌的特點(diǎn)

分對(duì)稱型和非對(duì)稱型三角形導(dǎo)軌。

特點(diǎn)：在垂直載荷作用下，具有磨損量自動(dòng)補(bǔ)償功能，無(wú)間隙工作，導(dǎo)向精度高。為防止因振動(dòng)或傾翻載荷引起兩導(dǎo)向面較長(zhǎng)時(shí)間脫離接觸，應(yīng)有輔助導(dǎo)向面并具備間隙調(diào)整能力。但存在導(dǎo)軌水平與垂直誤差的相互影響，為保證高的導(dǎo)向精度（直線度），導(dǎo)軌面加工、檢驗(yàn)、維修困難。

對(duì)稱型導(dǎo)軌

——隨頂角增大，導(dǎo)軌承載能力增大，但導(dǎo)向精度降低。

非對(duì)稱導(dǎo)軌

——主要用在載荷不對(duì)稱的時(shí)候，通過(guò)調(diào)整不對(duì)稱角度，使導(dǎo)軌左右面水平分力相互抵消，提高導(dǎo)軌剛度。(2)矩形導(dǎo)軌的特點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造、檢驗(yàn)、維修方便，導(dǎo)軌面寬、承載能力大，剛度高，但無(wú)磨損量自動(dòng)補(bǔ)償功能。由于導(dǎo)軌在水平和垂直面位置互不影響，因而在水平和垂直兩方向均須間隙調(diào)整裝置，安裝調(diào)整方便。(3)燕尾形導(dǎo)軌的特點(diǎn)

無(wú)磨損量自動(dòng)補(bǔ)償功能，須間隙調(diào)整裝置，燕尾起壓板作用，鑲條可調(diào)整水平垂直兩方向的間隙，可承受顛覆載荷，結(jié)構(gòu)緊湊，但剛度差，摩擦阻力大、制造、檢驗(yàn)、維修不方便。(4)圓形導(dǎo)軌的特點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造、檢驗(yàn)、配合方便，精度易于保證，但摩擦后很難調(diào)整，結(jié)構(gòu)剛度較差。

特點(diǎn)：兩導(dǎo)軌磨損均勻，能自動(dòng)補(bǔ)償垂直和水平方向下磨損，接觸剛度好，導(dǎo)向和精度保持性高，但工藝性差。主要用于高精機(jī)床。

(1)雙三角形組合導(dǎo)軌組合

2、常見(jiàn)導(dǎo)軌副組合與間隙調(diào)整、特點(diǎn)

特點(diǎn)：承載面與導(dǎo)向面分離，制造調(diào)整簡(jiǎn)單、導(dǎo)向面間隙用調(diào)整鑲條保證，接觸剛度較抵。閉式結(jié)構(gòu)時(shí)，有輔助導(dǎo)向面，間隙由調(diào)整壓板保證。在導(dǎo)軌副同樣熱變形條件下，L1越大，導(dǎo)向間隙要求越大。

(2)矩形與矩形導(dǎo)軌組合

優(yōu)點(diǎn)：兼有三角形導(dǎo)軌導(dǎo)向精度好、矩形導(dǎo)軌制造方便、剛性好的優(yōu)點(diǎn)，可避免熱變形產(chǎn)生的配合間隙變化；

缺點(diǎn)：存在兩導(dǎo)軌導(dǎo)向平面磨損不均并使導(dǎo)軌產(chǎn)生位置變化(三角形磨損快)；另外，兩導(dǎo)軌的摩擦阻力不同，因而布置驅(qū)動(dòng)力時(shí)，驅(qū)動(dòng)力應(yīng)與兩摩擦阻力的合力同向?yàn)橐恕．?dāng)采用閉式壓板結(jié)構(gòu)時(shí)，可承受顛覆力矩。(3)三角形導(dǎo)軌與矩形或平面導(dǎo)軌組合

整體式燕尾導(dǎo)軌導(dǎo)向精度高，調(diào)整方便，承載能力強(qiáng)，制造困難；裝配式導(dǎo)軌，制造調(diào)整方便，承載能力與整體式燕尾導(dǎo)軌相比較弱；燕尾導(dǎo)軌與矩形導(dǎo)軌組合，兼有調(diào)整方便，承載能力較強(qiáng)等特點(diǎn)。

(4)燕尾形導(dǎo)軌與矩形導(dǎo)軌組合(5)導(dǎo)軌副間隙的調(diào)整壓板(5)導(dǎo)軌副間隙的調(diào)整平鑲條斜鑲條斜鑲條導(dǎo)軌副材料選擇的基本要求：導(dǎo)軌副材料應(yīng)具有高的耐磨性、減振性、熱穩(wěn)定性以及易于生產(chǎn)制造。導(dǎo)軌副材料選用與組合：

常用鑄鐵、鋼、有色金屬、塑料。

通常為軟—硬材料組合。如：鑄鐵—鑄鐵、鑄鐵—鋼導(dǎo)軌、有色金屬—鋼導(dǎo)軌、塑料—鋼導(dǎo)軌等。

3、導(dǎo)軌副材料的選擇

注意：除了考慮導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)、材料、制造質(zhì)量、熱處理方法以及使用維護(hù)操作規(guī)范外，在導(dǎo)軌副結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，還可采取下述措施進(jìn)一步提高導(dǎo)軌副的耐磨性。1）采用鑲裝導(dǎo)軌2）提高導(dǎo)軌精度、改善導(dǎo)軌表面粗糙度、采取合理的潤(rùn)滑措施3）減少導(dǎo)軌單位面上的壓力（比壓）、采用必要的卸荷裝置.

4）采用塑料導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)4、提高導(dǎo)軌副耐磨性的措施

a、卸荷裝置

b塑料導(dǎo)軌軟帶（貼塑導(dǎo)軌）軟帶采用四氟乙烯為基體，加入青銅粉、二硫化鉬和石墨等填充劑混合燒結(jié)而成。其摩擦系數(shù)低而穩(wěn)定，動(dòng)靜摩擦系數(shù)相近。c金屬塑料復(fù)合導(dǎo)軌板內(nèi)層為鋼背保證機(jī)械強(qiáng)度與承載力；鋼背上鍍銅燒結(jié)球形青銅粉或銅絲網(wǎng)形成多孔中間層，提高導(dǎo)熱性；然后真空浸漬，使塑料進(jìn)入中間層。當(dāng)摩擦發(fā)熱時(shí)，塑料膨脹從多孔層擠出，向摩擦表面轉(zhuǎn)移補(bǔ)充，形成外層。本節(jié)主要學(xué)習(xí)內(nèi)容：一、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的類型及其要求二、滑動(dòng)導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)與選擇三、滾動(dòng)直線導(dǎo)軌的應(yīng)用四、其它導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)第三節(jié)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)三、滾動(dòng)直線導(dǎo)軌的應(yīng)用1、滾動(dòng)直線導(dǎo)軌的特點(diǎn)

（1）承載能力大：其滾道采用圓弧形，增大滾動(dòng)體和滾道之間接觸面積，提高導(dǎo)軌承載能力。如果是平面滾道的導(dǎo)軌承載能力要下降十幾倍。（2）剛性強(qiáng)：可以預(yù)加載荷，提高剛度和耐沖擊、振動(dòng)。（3）壽命長(zhǎng)：由于純滾動(dòng)，摩擦系數(shù)為滑動(dòng)導(dǎo)軌的

1/50左右，磨損小，因而壽命長(zhǎng)。（4）傳動(dòng)平穩(wěn)可靠：定位精度高，微量移動(dòng)靈活準(zhǔn)確，動(dòng)作輕便。（5）具有結(jié)構(gòu)自調(diào)整能力，裝配調(diào)整容易。2、滾動(dòng)直線導(dǎo)軌的類型按滾動(dòng)體是否循環(huán)分，大體可分為滾動(dòng)體不循環(huán)方式和滾動(dòng)體循環(huán)方式，以下主要討論后者。2、滾動(dòng)直線導(dǎo)軌的類型（1）按滾動(dòng)體形狀分有鋼球式、滾柱式（2）按導(dǎo)軌截面形狀分有矩形、梯形2、滾動(dòng)直線導(dǎo)軌的類型（3）按滾道溝槽形狀分有單圓弧、雙圓弧2、滾動(dòng)直線導(dǎo)軌的類型3、滾動(dòng)直線導(dǎo)軌的選用（1）根據(jù)工作條件，選擇導(dǎo)軌的截面形狀，以保證導(dǎo)向精度。

（2）根據(jù)負(fù)荷和要求的壽命計(jì)算選擇適當(dāng)?shù)膶?dǎo)軌結(jié)構(gòu)及尺寸，有足夠的剛度、耐磨性、承載能力以及運(yùn)動(dòng)輕便和低速平穩(wěn)性。

（3）選擇導(dǎo)軌的補(bǔ)償及調(diào)整裝置，有足夠的導(dǎo)向精度的保持性。滾動(dòng)直線導(dǎo)軌的有關(guān)計(jì)算（唐34）

（1）額定動(dòng)載荷

（額定長(zhǎng)度壽命Ts＝50Km時(shí)，作用在滑座上大小、方向均不變的載荷Ca（N））

db－鋼球直徑（mm）ls－滑座有效長(zhǎng)度（mm）Z

－有效接觸的鋼球數(shù)N（2）額定靜載荷

C0a

（N）

K0－適應(yīng)比系數(shù)；R－圓弧軌道半徑（mm）；db－鋼球直徑（mm）；i－鋼球循環(huán)列數(shù)；α－接觸角（45°）；θ－傾斜角（0°）R/db0.520.530.540.550.56

K072.159.45246.943.2（3）額定行程長(zhǎng)度壽命[Ts(Km)]K－壽命系數(shù)，一般為50KmF－滑座工作載荷（N）fH－硬度系數(shù)（查表2-15）

fT－溫度系數(shù)（查表2-16

）