第二章機械系統(tǒng)部件的選擇與設計

第二章機械系統(tǒng)部件的選擇和設計

第一節(jié)機械系統(tǒng)部件的設計要求

第二節(jié)機械傳動部件的選擇與設計第三節(jié)導向支承部件的選擇與設計

第四節(jié)旋轉(zhuǎn)支承部件的類型與選擇第五節(jié)軸系部件的選擇與設計第六節(jié)機電一體化系統(tǒng)的機座與機架

思考題和習題1與一般的機械系統(tǒng)設計要求相比，機電一體化系統(tǒng)的機械系統(tǒng)除要求其具有較高的定位精度外，還應具有良好的動態(tài)響應特性，就是說響應要快、穩(wěn)定性要好。(傳動系統(tǒng)）第一節(jié)機械系統(tǒng)部件的設計要求在機械部件設計中，要求無間隙、低摩擦、低慣量、高剛度、高諧振頻率、適當?shù)淖枘岜?/p>

為達到上述要求，主要從以下幾方面采取措施：2

1)采用低摩擦阻力的傳動部件和導向支承部件；

2)縮短傳動鏈，提高傳動與支承剛度；

3)選用最佳傳動比，以減少等效到執(zhí)行元件輸出軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量，盡可能提高加速能力；

4)縮小反向死區(qū)誤差，如采取消除傳動間隙、減少支承變形的措施；

5)改進支承及架體的結構設計以提高剛性、減少振動、降低噪聲。對機械部件采取的措施（傳動、導向、支撐三部分）

3第二節(jié)

機械傳動部件的選擇與設計一、機械傳動部件及其功能常用的機械傳動部件：有齒輪傳動、螺旋傳動、同步帶傳動、各種非線性傳動部件（凸輪、連桿機構）等。

功能：是傳遞轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速或者改變運動形式。實質(zhì)上是一種轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速或者運動形式變換器，其目的是使執(zhí)行元件與負載之間在轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速方面得到最佳匹配或者得到需要的運動形式。4功能：將旋轉(zhuǎn)運動變換為直線運動或?qū)⒅本€運動變換為旋轉(zhuǎn)運動。絲杠螺母副運動動畫螺旋傳動機構----絲杠螺母副應用：1）傳遞能量為主如：螺旋壓力機、千斤頂?shù)?）傳遞運動為主如：工作臺的進給絲杠3）用于精確調(diào)整相對位置5根據(jù)絲杠和螺母相對運動的組合情況，其基本傳動形式有四種類型:(1)螺母固定、絲杠轉(zhuǎn)動并移動絲杠螺母機構基本傳動形式之一

特點：結構簡單，剛性較差，行程不易太長

應用：各種調(diào)節(jié)機構

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(2)絲杠轉(zhuǎn)動、螺母移動絲杠螺母機構基本傳動形式之二

特點：結構緊湊，絲杠剛性較好

應用：適用于各種行程較大的場合，應用廣泛

7

(3)螺母轉(zhuǎn)動、絲杠移動絲杠螺母機構基本傳動形式之三

特點：結構復雜且占用軸向空間大

應用：應用較少

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(4)絲杠固定、螺母轉(zhuǎn)動并移動絲杠螺母機構基本傳動形式之四

特點：結構簡單緊湊，但使用不方便

應用：應用較少

9滾珠絲杠副特點：

結構復雜，制造成本髙摩擦阻力矩小、傳動效率高(92％～98％)

軸向剛度髙（適當預緊）運動平穩(wěn)（無爬行）傳動精度髙不易磨損、使用壽命長不能自鎖滑動絲杠副特點：結構簡單、制造成本低、摩擦阻力矩大、傳動效率低(30％～40％)。剛性較差，易出現(xiàn)爬行，穩(wěn)定性差有反向間隙，精度差易磨損具有自鎖功能

滾珠絲杠副在機電一體化系統(tǒng)中得到廣泛應用滾珠絲杠與滑動絲杠----特點比較絲杠螺母副根據(jù)螺母和絲杠間有無滾動體分為滑動絲杠副和滾珠絲杠副10比較和滑動絲杠副的結構有何不同？三、滾珠絲杠副------認識結構

滑動絲杠副滾珠絲杠副11為防止?jié)L珠從螺母滾道端面掉出，在螺母的螺旋槽兩端設有滾珠回程引導裝置構成滾珠的循環(huán)返回通道，從而形成滾珠流動的閉合通路。當絲杠轉(zhuǎn)動時，帶動滾珠沿螺紋滾道滾動，滾珠又帶動螺母運動，從而實現(xiàn)運動和力矩的傳遞。

滾珠絲杠副------工作原理12（1）螺紋滾道型面(法向截面)的形狀及主要尺寸

滾珠絲杠副------典型結構類型

滾珠絲杠副的螺紋滾道型面有單圓弧型和雙圓弧型R－滾道圓弧半徑rb－滾珠半徑α－接觸角；指滾道型面與滾珠接觸點的法線與絲杠軸向的垂線間的夾角。一般為45度。13滾珠絲杠副------典型結構類型

單圓弧型特點：

用砂輪加工成形簡單，加工精度高。但接觸角α隨軸向載荷的大小變化而變化，傳動剛度略差雙圓弧型的特點：用砂輪加工成形較困難，加工成本高。但接觸角α在工作過程中基本保持不變。底部空隙能貯存潤滑油，減小摩擦。雙圓弧型應用廣泛！14（2）滾珠的循環(huán)方式滾珠絲杠副中滾珠的循環(huán)方式有內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)兩種。內(nèi)循環(huán)：內(nèi)循環(huán)方式的特點：滾珠在循環(huán)過程中始終與絲杠表面保持接觸機理：在螺母的側面孔內(nèi)裝有接通相鄰滾道的反向器，利用反向器引導滾珠越過絲杠的螺紋頂部進入相鄰滾道，形成一個循環(huán)回路。優(yōu)點：循環(huán)回路短，流暢性好，徑向尺寸小。缺點：對反向器要求髙，不易加工裝配15內(nèi)循環(huán)的反向器有固定式(G)和浮動式(F)兩種

浮動式：結構特點是反向器l與安裝孔有配合間隙，反向器的上表面加工有圓弧槽，槽內(nèi)安裝拱形片簧4，外有彈簧套2，借助拱形片簧的彈力，始終給反向器一個徑向推力，使?jié)L珠與絲杠3表面保持一定的壓力，從而使槽內(nèi)滾珠代替了定位鍵而對反向器起到自動定位作用。固定式(G)反向器浮動式(F)反向器16浮動式反向器的優(yōu)點：在高頻浮動中達到回珠圓弧槽進出口的自動對接，通道流暢、摩擦特性較好，更適用于高速、高靈敏度、高剛性的精密進給系統(tǒng)。17外循環(huán)：

特點：滾珠在循環(huán)返向時，離開絲杠表面，在螺母體內(nèi)或體外作循環(huán)運動。外循環(huán)方式內(nèi)循環(huán)方式外循環(huán)又分為螺旋槽式、插管式、端蓋式三種形式181）螺旋槽式：

在螺母2的外圓表面上銑出螺紋凹槽，槽的兩端鉆出兩個與螺紋滾道相切的通孔，螺紋滾道內(nèi)裝入兩個擋珠器4引導滾珠3通過這兩個孔，應用套筒1蓋住凹槽，構成滾珠的循環(huán)回路。特點：工藝簡單、徑向尺寸小、易于制造。但是擋珠器剛性差、易磨損。1套筒2螺母3滾珠4擋珠器5絲杠192）插管式：

用彎管代替螺旋凹槽，彎管的兩端插入與螺紋軌道相切的兩個孔內(nèi)，用彎管的端部用作擋珠器引導滾珠進入彎管，構成滾珠的循環(huán)回路特點：結構簡單，易制造，但徑向尺寸大?，F(xiàn)階段應用最為廣泛。203)端蓋式：在螺母體上鉆出縱向孔作為滾珠回程滾道，螺母兩端裝有兩塊端蓋，滾珠的回程道口就在端蓋上。特點：結構簡單，工藝性好，但接角處不易準確制作而影響其性能，應用較少。211）公稱直徑d0

指滾珠與螺紋滾道在理論接觸角狀態(tài)時包絡滾珠球心的圓柱直徑。

它是滾珠絲杠副的特征（或名義）尺寸。滾珠絲杠副的主要尺寸參數(shù)222）導程(Ph)(或螺距t)：它指絲杠相對于螺母旋轉(zhuǎn)2π弧度時，螺母上基準點的軸向位移。公稱導程

Ph0通常用作尺寸標識，無公差。3）行程λ：它指絲杠相對于螺母旋轉(zhuǎn)任意弧度時，螺母上基準點的軸向位移。

此外還有絲杠螺紋大徑d1、絲桿螺紋底徑d2、滾珠直徑DW、螺母螺紋底徑D2、螺母螺紋內(nèi)徑D3、絲杠螺紋全長ls等。23滾珠的工作圈數(shù)和滾珠數(shù)量：根據(jù)試驗：第一、第二、第三圈分別承受軸向載荷的50%、30%和20%左右。因此，工作圈數(shù)一般取2.5~3.5，滾珠總數(shù)N一般不超過150個。滾珠絲杠副的主要尺寸參數(shù)244.滾珠絲杠副的精度等級及標注方法

1)精度等級：根據(jù)國標，滾珠絲杠副的精度分為1、2、3、4、5、7、10共七個等級，最高級為1級，最低級為10級。在每一精度等級內(nèi)指定了導程精度的驗收檢驗項目。

參見教材P29表2.22.325

新標準標識符號2)標注方法：GB/T17587.1-1998規(guī)定滾珠絲杠的標識符號應按下圖給定順序排列的內(nèi)容標注。標

注

方

法26不同生產(chǎn)廠家的標注方法略有不同，一般廠商往往省略GB字符，以其產(chǎn)品的結構類型號開頭。以山東濟寧博特精密絲杠制造有限公司的滾珠絲杠副為例。27（3）尺寸系列國際標準化組織(ISO／DIS3408-2-1991)和GB/T17587.2-1998中規(guī)定：公稱直徑(mm)：6，8，10，12，16，20，25，32，40，50，63，80，100，125，160及200。公稱基本導程(mm)：1，2，2.5，3，4，5，6，8，10，12，16，20，25，32，40。公稱導程優(yōu)先選用：2.5，5，10，20及40。尺寸系列28（4）推薦采用的精度等級數(shù)控機床、精密機床和精密儀器等用于開環(huán)和半閉環(huán)進給系統(tǒng)，根據(jù)定位精度和重復定位精度的要求可選1、2、3級。一般動力傳動可選4、5級全閉環(huán)系統(tǒng)可選2、3、4級推薦采用的精度等級29為何要進行間隙調(diào)整和預緊？

1）提高傳動精度：若滾珠絲杠副中有軸向間隙，當絲杠轉(zhuǎn)動方向改變時將產(chǎn)生空程，影響傳動精度。

2）增加剛度：通過適當預緊，預加應力，改善剛性，增加穩(wěn)定性。

如何調(diào)整和預緊？

一般采用雙螺母結構5滾珠絲杠副軸向間隙的調(diào)整和預緊301鎖緊螺母2調(diào)整螺母3、4滾珠螺母

特點:結構簡單、剛性好、預緊可靠，使用中調(diào)整方便，但不能精確地定量調(diào)整。幾種調(diào)整預緊方法（1）雙螺母螺紋預緊調(diào)整式

31（2）雙螺母齒差預緊調(diào)整式

原理：兩端外齒輪齒數(shù)相差一個齒，調(diào)整時相對套筒同方向旋轉(zhuǎn)一個齒，產(chǎn)生相對角位移，使兩個滾珠螺母相對移動，從而產(chǎn)生預緊力。特點:

結構復雜，可實現(xiàn)定量調(diào)整，使用中調(diào)整較方便。幾種調(diào)整預緊方法1套筒2內(nèi)齒輪3螺母(外齒輪）4絲杠32（3）雙螺母墊片調(diào)整預緊式

1墊片2螺母特點:結構簡單、剛度髙、預緊可靠，但使用中調(diào)整不方便幾種調(diào)整預緊方法33實際的產(chǎn)品（雙螺母墊片預緊）

幾種調(diào)整預緊方法固定式內(nèi)循環(huán)墊片預緊插管式外循環(huán)墊片預緊34通過螺母支座和工作臺連接

和工作臺的連接螺母支座

35（4）彈簧式自動調(diào)整預緊式

1墊片2螺母

兩個螺母一個固定，一個活動。用彈簧保持兩螺母間有一定的預緊力。特點:

能自動消除使用過程中因磨損或彈性變形產(chǎn)生的間隙，但其結構復雜、軸向剛度低，適用于輕載場合。彈簧自動調(diào)整預緊式幾種調(diào)整預緊方法36（5）單螺母變位導程自預緊式

在螺母體內(nèi)的兩列循環(huán)滾珠鏈之間，使螺母滾道在軸向制作一個?Ph的導程突變量，從而使兩列滾珠產(chǎn)生軸向錯位而實現(xiàn)預緊，預緊力的大小取決于?Ph和單列滾珠的徑向間隙。

特點：結構簡單緊湊，但使用中不能調(diào)整，且制造困難。幾種調(diào)整預緊方法376滾珠絲杠副支承方式的選擇

絲杠的支承方式對其傳動精度和剛度有重要影響。選用什么樣的軸承組合將絲杠安裝到機架上，并保證其傳動精度和剛度（絲杠和機架間）？常用以推力軸承為主的軸承組合來支承絲杠，小載荷時，可用角接觸球軸承來支承絲杠。常用軸承組合方式：

單推－單推式雙推－自由式雙推－雙推式雙推－簡支式分析一下絲杠的受力？38單推－單推式（每一端僅承受單方向推力）一組推力軸承（角接觸球軸承）分別裝在滾珠絲杠的兩端并施加預緊力。特點：軸向剛度較高，預拉伸安裝時，預緊力較大，但軸承壽命比雙推—雙推低。軸承組合方式之一

39簡易單推-單推式支承示例軸承組合方式之一

示例

40雙推－雙推式（精密機械常用）

兩端分別安裝推力軸承與深溝球軸承的組合，并施加預緊力。

特點：其軸向剛度最高。該方式適合于高剛度、高轉(zhuǎn)速、高精度的精密絲杠傳動系統(tǒng)。但隨溫度的升高會使絲杠的預緊力增大。軸承組合方式之二

411—電動機2—彈性聯(lián)軸器3—軸承4—滾珠絲桿5—滾珠絲桿螺母軸承組合方式之二示例

簡易雙推-雙推式支承（輕載）42雙推－簡支式（普通機械常用）

一端安裝推力軸承與深溝軸承的組合，另一端僅安裝深溝球軸承。特點：其軸向剛度較低，絲杠有熱膨脹的余地。適用于中速、傳動精度較高的長絲杠傳動系統(tǒng)。

軸承組合方式之三

43雙推-簡支式支承示例1軸承組合方式之三示例

44雙推-簡支式支承示例2兩個單向推力圓柱滾子軸承－深溝球軸承軸承組合方式之三示例

45雙推－自由式（普通機械常用）一端安裝推力軸承與深溝軸承的組合，另一端懸空呈自由狀態(tài)。特點：軸向剛度和承載能力低，多用于輕載、低速的垂直安裝的短絲杠傳動系統(tǒng)。如：升降臺式銑床的垂直坐標軸承組合方式之三

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雙推-自由式支承示例

角接觸圓柱滾子軸承成對使用軸承組合方式之四示例

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絲杠-鋼球-螺母之間為滾動摩擦，摩擦系數(shù)為0.002~0.005，摩擦角φ<1°，而絲杠螺紋升角一般為2~3°，不能自鎖。故在垂直安裝狀態(tài)，必須設置防止因驅(qū)動力中斷而發(fā)生逆?zhèn)鲃拥淖枣i、制動或重力平衡裝置。常用的制動裝置有：超越離合器或蝸輪蝸桿自鎖機械抱閘帶有制動器的電機超越離合器

1-外圈；2-星輪；3-滾柱：4-活銷；5-彈簧滾珠絲杠副制動裝置

48絲杠的密封和防護

有折疊式密封套、伸縮套管和伸縮擋板。1-螺旋彈簧鋼帶式伸縮套管；2-波紋管密封套滾珠絲杠副的密封與潤滑49滾珠絲杠副的密封與潤滑5051螺母的密封

在滾珠螺母的兩端裝密封圈即可。有接觸式和非接觸式（迷宮式密封）兩種。

滾珠絲杠副的密封與潤滑潤滑

常用的潤滑劑有潤滑油和潤滑脂兩類。潤滑脂一般在裝配時放進滾珠螺母滾道內(nèi)定期潤滑，而使用潤滑油時應注意經(jīng)常通過注油孔注油，一般由機床集中潤滑系統(tǒng)通過油管定時潤滑。52滾珠絲杠副的密封與潤滑數(shù)控機床集中潤滑系統(tǒng)示意圖電動潤滑泵53滾珠絲杠副的密封與潤滑54滾珠絲杠副特點：

結構復雜，制造成本髙摩擦阻力矩小、傳動效率高(92％～98％)

軸向剛度髙（適當預緊）運動平穩(wěn)（無爬行）傳動精度髙不易磨損、使用壽命長不能自鎖滑動絲杠副特點：結構簡單、制造成本低、摩擦阻力矩大、傳動效率低(30％～40％)。剛性較差，易出現(xiàn)爬行，穩(wěn)定性差有反向間隙，精度差易磨損具有自鎖功能

滾珠絲杠副在機電一體化系統(tǒng)中得到廣泛應用滾珠絲杠與滑動絲杠----特點分析比較55（1）結構類型的選擇主要根據(jù)調(diào)隙及預緊的要求，選擇適當?shù)慕Y構型式。當允許有間隙存在時(如垂直運動)，可選用具有單圓弧形螺紋滾道的單螺母滾珠絲杠副；當必須有預緊或在使用過程中因磨損而需要定期調(diào)整時，應采用雙螺母螺紋預緊或齒差預緊式結構；當只需在裝配時調(diào)整間隙及預緊力時，可采用結構簡單的雙螺母墊片調(diào)整預緊式結構。滾珠絲杠副的選型56（2）滾珠絲杠副結構尺寸的選擇依據(jù)選用滾珠絲杠副時通常主要選擇絲杠的公稱直徑d0和公稱導程

Ph

。公稱直徑d0應根據(jù)軸向最大載荷選擇;

基本導程Ph(或螺距t)應按承載能力、傳動精度及傳動速度選取，導程大承載能力也大，導程小系統(tǒng)傳動精度（分辨力）較高。要求傳動速度快時，可選用大導程滾珠絲杠副。(一般根據(jù)速度和分辨力確定導程）螺紋長度l1在允許的情況下要盡量短，一般l1/d0

小于30為宜；滾珠絲杠副的選型57（3）滾珠絲杠尺寸(公稱直徑d0)的計算選擇具體步驟①根據(jù)承載能力初選絲杠副的型號式中：L—滾珠絲杠壽命系數(shù)，（單位為106轉(zhuǎn)，如1.5則為1.5×106轉(zhuǎn)）。

L=60nT／l06

(其中T為設計使用壽命，h，普通機械為5000-10000h、數(shù)控機床及其它機電一體化設備及儀器裝置為15000h、航空機械為1000h;n為絲杠使用轉(zhuǎn)速r/min）。滾珠絲杠副的選型58

fH—硬度系數(shù)(滾道的硬度HRC≥58時為1.0，等于55時為1.11；等于52.5時為1.35，等于50時為1.56，等于45時為2.40)。

fW—載荷系數(shù)(平穩(wěn)或輕度沖擊時為1.0-1.2，中等沖擊時為1.2～1.5，較大沖擊或振動時為1.5-2.5)。

Fmax—軸向最大工作載荷,單位為N根據(jù)計算得到的工作動載荷FQ，初選滾珠絲杠副，應使其額定動載荷Ca≥FQ。滾珠絲杠副的選型59山東濟寧博特精密絲杠制造有限公司的滾珠絲杠副注：對于低速運轉(zhuǎn)的滾珠絲杠，無需計算其最大動載荷FQ，只考慮使額定靜載荷Coa充分大于最大工作載荷Fmax即：Coa

≥（2～3）Fmax60②壓桿穩(wěn)定性校核（受軸向力的細長桿）式中：Fk-絲杠不失穩(wěn)實際所能承受的載荷；

fk-壓桿穩(wěn)定的支承系數(shù)（雙推-雙推時為4，單推-單推時為1，雙推-簡支時為2，雙推-自由時為0.25）

E-鋼的彈性模量，E=2.1×105（MPa）

I-滾珠絲杠底徑d2的抗彎截面慣性矩（I=πd24/64）；單位為mm4K-壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)，一般取為2.5~4，垂直安裝時取小

ls—滾珠絲杠兩端支承間的距離，單位為mm

若Fk<Fmax，會使絲杠失去穩(wěn)定發(fā)生翹曲滾珠絲杠副的選型61③剛度的驗算滾珠絲杠在工作載荷F和扭矩T共同作用下，所引起的每一導程的變形量△L(mm)?！?”號用于拉伸時，“－”號用于壓縮時。一般情況下由于扭矩較小，第二項可忽略。由△L(mm)可求出任意長度上的變形量。滾珠絲杠副的選型62④臨界轉(zhuǎn)速驗算臨界轉(zhuǎn)速是引起滾珠絲杠發(fā)生橫向共振的轉(zhuǎn)速，當絲杠工作在高速工況下時，應使其實際轉(zhuǎn)速小于臨界轉(zhuǎn)速。式中：

fc－臨界轉(zhuǎn)速系數(shù)，單推－單推取0.65,雙推－雙推取1.44,雙推－簡支取1，雙推－自由取0.21

d2-絲杠底徑，mm

l－絲杠工作長度（mm），可近似取為支承距離。滾珠絲杠副的選型63思考題：P892-92-112-13補充作業(yè)：某加工中心工作臺進給用滾珠絲杠副的設計計算。

已知最大工作載荷Fm＝2920N，絲杠工作長度l=1000mm，平均轉(zhuǎn)速nm=100r／min，最大轉(zhuǎn)速nmax=1500r／min，使用壽命L=20000h左右(兩班制工作10年)，絲杠材料為CrWMn鋼，滾道硬度為58-62HRC，300mm允許的誤差20um，全行程允許誤差25um。試選型并校核絲杠。（樣本上網(wǎng)查找或圖書館查《機械設計手冊》單行本_第11篇_螺旋傳動化學工業(yè)出版社）滾珠絲杠副的選型641.齒輪傳動形式及其傳動比的最佳匹配選擇2.各級傳動比的最佳分配原則(第7章講授)

3.諧波齒輪傳動應用：是一種比較特殊的齒輪傳動形式。在工業(yè)機器人、航空、航天等機電一體化系統(tǒng)中廣泛應用。特點：諧波齒輪傳動具有結構簡單、傳動比大(單級幾十~幾百)、傳動精度高、回程誤差小、噪聲低、傳動平穩(wěn)、承載能力強、效率高等一系列優(yōu)點。四齒輪傳動部件65

1-剛性輪；2-柔性輪；3-波發(fā)生器諧波齒輪傳動由波形發(fā)生器3(H)和剛輪l、柔輪2組成。波形發(fā)生器為主動件，剛輪或柔輪為從動件。剛輪有內(nèi)齒圈，柔輪有外齒圈，其齒形為漸開線或三角形，剛輪和柔輪的齒距相同而齒數(shù)不同，剛輪的齒數(shù)zg比柔輪的齒數(shù)zr多幾個齒（柔輪比鋼輪直徑?。?。柔輪材料為高性能合金鋼或工程塑料，做成薄圓筒形。由于波形發(fā)生器的長徑比柔輪內(nèi)徑略大，故裝配在一起時就將柔輪撐成橢圓形，有長軸和短軸。

基本結構長軸兩端附近的齒與剛輪的齒完全嚙合，短軸兩端的齒與剛輪完全脫開；66

1-剛性輪；2-柔性輪；3-波發(fā)生器當諧波發(fā)生器連續(xù)轉(zhuǎn)動時，柔輪的變形部位也隨之轉(zhuǎn)動，使柔輪的齒依次進入嚙合，然后再依次退出嚙合，從而使柔性齒輪沿剛性齒輪內(nèi)齒轉(zhuǎn)動。由于柔性齒輪比剛性齒輪少兩個或多個齒，則波發(fā)生器每轉(zhuǎn)一圈，柔輪就反方向轉(zhuǎn)過兩個或多個齒的相應轉(zhuǎn)角。從而實現(xiàn)較大的減速比。（剛輪固定，柔輪輸出）柔輪固定，剛輪輸出情況(轉(zhuǎn)一圈以柔輪為參考，同方向轉(zhuǎn)過兩個或多個齒）相當于行星輪系

工作原理為什么稱為諧波齒輪？67諧波齒輪傳動的傳動比的計算計算參照行星輪系。波發(fā)生器－轉(zhuǎn)臂（系桿）柔輪－行星輪剛輪－中心輪設ωg

ωr和ωH分別為剛輪、柔輪和波發(fā)生器的角速度，則對于齒輪傳動，速度之比等于齒數(shù)之比的倒數(shù)。6869

諧波齒輪減速器的產(chǎn)品及選用有專業(yè)廠家生產(chǎn)，可根據(jù)減速比、輸入輸出轉(zhuǎn)速及扭矩來選用。（北京諧波傳動技術研究所，國標制定單位）70XB1單級諧波減速器的規(guī)格和額定數(shù)值表以柔輪的公稱直徑劃分71諧波齒輪的現(xiàn)狀及應用日本：國內(nèi)1北京中技克美諧波傳動有限公司2北京諧波傳動技術研究所3北京眾合天成精密機械制造有限公司4北京天階科技工業(yè)公司5杭州金辰諧波減速器制造有限公司其諧波傳動產(chǎn)品不僅壟斷了主要國際市場，并且進入了中國市場72諧波齒輪的現(xiàn)狀及應用上下、水平伸縮式自動曬衣架運用在衛(wèi)星上73運用在機器人的各個關節(jié)驅(qū)動機構上諧波齒輪的現(xiàn)狀及應用74

運用在數(shù)控加工中心刀庫換刀驅(qū)動機構上諧波齒輪的現(xiàn)狀及應用754.齒輪傳動間隙的調(diào)整方法為什么會有間隙？

當節(jié)圓和分度圓重合時(標準安裝)，節(jié)圓上齒厚等于齒槽寬，無間隙。當節(jié)圓大于分度圓，有間隙。76偏心套調(diào)整法偏心套中用于定位的外圓和內(nèi)孔的中心線不重合，通過轉(zhuǎn)動偏心套，調(diào)整兩嚙合齒輪的中心距，從而消除齒側間隙。

特點：結構簡單，但側隙不能自動補償。（1）減小圓柱直齒輪側隙的方法77

軸向墊片調(diào)整法1齒輪、2-分體式齒輪；3-墊片；4-電動機齒輪1和2的分度圓齒厚沿軸線方向略有錐度，用軸向墊片3使齒輪2沿軸向移動，從而消除齒側間隙。

特點：結構簡單，但側隙不能自動補償。78雙片薄齒輪錯齒調(diào)整法1-短柱；2-彈簧；3、4-薄片齒輪1、2-齒輪；3-凸耳；4-彈簧；5、6-螺母；7-螺釘一個做成寬齒輪，另一個用兩片薄齒輪組成。

采取措施使一個薄齒輪的左齒側和另一個薄齒輪的右齒側分別緊貼在寬齒輪齒槽的左右兩側，以消除間隙。特點：驅(qū)動力不能太大，僅適用于儀表讀數(shù)裝置。79墊片錯齒調(diào)整軸向壓簧錯齒調(diào)整

1、2-薄片齒輪；3-寬齒輪；4-墊片

1、2-薄片齒輪；3-寬齒輪；4-調(diào)整螺母；5-彈簧錯齒調(diào)整法（2）圓柱斜齒輪齒側間隙的調(diào)整也是兩片薄齒輪與一個厚齒輪嚙合，調(diào)整時使兩片薄齒輪作軸向移動以錯開螺旋線。80除滾珠絲杠副、齒輪副等傳動部件之外，機電一體化系統(tǒng)中還大量使用同步帶、鋼帶、鏈條、鋼絲繩及尼龍繩等撓性傳動部件。五、撓性傳動部件81

打印機中同步帶傳動系統(tǒng)同步帶是具有許多型齒的皮帶，它與同樣具有型齒的同步皮帶輪相嚙合。工作時相當于柔軟的齒輪。優(yōu)點：皮帶采用承載后無彈性變形的高強力材料，故傳動比準確，柔性好，能吸振，噪聲低、無需潤滑，維護保養(yǎng)方便。缺點：具有一定的蠕變性。同步帶應用視頻82同步帶實物照片同步帶一般都由包布層、橡膠（帶齒）和抗拉體線繩組合而成。按材質(zhì)可分為氯丁橡膠加纖維繩同步帶，聚氨酯加鋼絲同步帶。

梯形齒同步帶結構1-包布層；2-帶齒；3-線繩

13283同步帶實物照片按齒的形狀目前主要分為梯形齒和圓弧齒兩大類。梯形齒主要用于中小功率的傳動場合，如各種儀器、計算機、輕工機械等。圓弧齒同步帶主要用于重型機械傳動中，如運輸機械（飛機、汽車)、石油機械和機床等。

汽車發(fā)動機上的正時皮帶（圓弧齒）

雕刻機同步帶（圓弧齒）

84帶輪結構同步帶輪一般由鋼，鋁合金，鑄鐵，黃銅等材料制造85有專業(yè)廠家生產(chǎn)（國標），直接選用。86同步帶的應用相當普遍，在新型紡織機械、汽車、煙草機械、機床、食品機械、石油化工機械、印染機械、計算機、醫(yī)療機械等機械傳動中普遍使用同步帶。同步帶應用情況同步帶應用視頻87鋼帶傳動特點：與帶輪接觸面大，無滑動，噪聲低，驅(qū)動力大，無蠕變。專業(yè)廠家：迪夢柯機械（上海）有限公司88標準型鋼帶輸送機

食品搬送用鋼帶輸送機(全不銹鋼)冷卻用鋼帶輸送機

加熱用鋼帶輸送機

89繩輪傳動繩輪傳動在打印機字車送進機構中的應用1-字車；2-繩輪(電動機輸出軸上)；3-伺服電動機；4-鋼絲繩特點：結構簡單，柔軟，成本低，噪聲低。90六、間歇傳動部件

間歇傳動部件有：棘輪傳動、槽輪傳動、蝸形凸輪傳動等部件

1-棘爪；2-棘輪；3-止動爪；4-搖桿；5-扭簧棘輪傳動工作原理91

齒式棘輪機構的形式

1-棘輪；2-棘爪92槽輪傳動機構

槽輪傳動機構又稱馬爾他(馬氏)機構

傳動機構工作原理圖1-撥銷盤；2.鎖緊??；3-槽輪；4-定位?。?-撥銷93蝸形凸輪傳動機構l-轉(zhuǎn)盤；2-滾子；3-蝸形凸輪94一、導軌副的組成、種類及其應滿足的要求

絲杠動畫

導向支承部件的作用是支承和限制運動部件按給定的運動要求和規(guī)定的運動方向(導向)運動。這樣的部件通常稱為導軌副，簡稱導軌。第三節(jié)導向支承部件的選擇與設計95導軌副的組成

1-承導件；2-運動件

96按接觸面的摩擦性質(zhì)分為：

導軌副的分類97按導軌副的結構可分為：(1)開式導軌

必須借助于運動件的自重或外載荷，在一定的空間位置和受力狀態(tài)下，才能保證運動導軌和支承導軌的工作面保持可靠的接觸，從而保證運動導軌的規(guī)定運動。開式導軌一般受溫度變化的影響較小。(2)閉式導軌

借助于導軌副本身的封閉式結構，保證在變化的空間位置和受力狀態(tài)下，運動導軌和支承導軌的工作面都能保持可靠的接觸，從而保證運動導軌的規(guī)定運動。閉式導軌一般受溫度變化的影響較大。導軌副的分類98常用導軌性能比較99機電一體化系統(tǒng)對導軌的基本要求是導向精度高、剛性好、運動輕便平穩(wěn)、耐磨性好、溫度變化影響小以及結構工藝性好等。

(1)導向精度

指(直線)導軌按給定方向作直線運動的準確程度。具體規(guī)定：

導軌在垂直平面內(nèi)的直線度（縱向直線度）導軌在水平平面內(nèi)的直線度（橫向直線度）兩導軌導向的平行度（扭曲度）2.導軌副應滿足的基本要求100直線運動導軌的導向精度

垂直平面內(nèi)的直線度(縱向直線度)水平平面內(nèi)的直線度（橫向直線度）兩導軌導向的平行度（扭曲度）101（2）剛度

導軌的剛度就是抵抗載荷引起的變形的能力。包括導軌結構變形和接觸面變形

減小結構變形措施：增大尺寸、合理布置加強筋和肋板等減小接觸變形措施：降低粗糙度施加預載荷導軌副應滿足的基本要求102（3）精度的保持性精度的保持性主要由導軌的耐磨性決定。導軌的耐磨性，主要取決于導軌的結構、材料、摩擦性質(zhì)、表面粗糙度、表面硬度、表面潤滑及受力情況等；（4）運動的靈活性和低速運動的平穩(wěn)性高速不振動低速不“爬行”導軌副應滿足的基本要求103什么是爬行？

機械中的低速運動速度可達0.05mm/min，微小位移達0.001mm/次。有時運動導軌不是勻速運動，而是時走時?；蚝隹旌雎鐖D所示，這種現(xiàn)象稱為爬行。產(chǎn)生爬行的原因？

其主要原因是摩擦系數(shù)隨運動速度的變化和傳動系統(tǒng)剛性不足。

導軌副應滿足的基本要求104導軌的爬行現(xiàn)象機理

（運動系統(tǒng)簡化為彈簧-阻尼系統(tǒng)）傳動系統(tǒng)帶動運動件3在靜導軌4上運動時，作用在導軌副內(nèi)的摩擦力是變化的。低速勻速運動的主動件1，通過壓縮彈簧推動靜止的運動件3，當運動件3受到的逐漸增大的彈簧力小于靜摩擦力F時，3不動。直到彈簧力剛剛大于靜摩擦力F時，3才開始運動，靜摩擦變成了動摩擦，3的速度相應增大，同時彈簧相應伸長，作用在3上的彈簧力逐漸減小，甚至產(chǎn)生拉力，3產(chǎn)生負加速度，速度逐漸下降，甚至停止運動，主動件l這時再重新壓縮彈簧，爬行現(xiàn)象進入下一個周期。彈簧-阻尼系統(tǒng)圖1-主動件；2-彈簧-阻尼；3-運動件；4-靜導軌105

（1）降低摩擦

采用滾動導軌、靜壓導軌、卸荷導軌、貼塑料層導軌等；在普通滑動導軌上使用含有極性添加劑的導軌油；

（2）提高系統(tǒng)剛度

增大結構尺寸、縮短傳動鏈、減少傳動副等方法來提高傳動系統(tǒng)的剛度。防止爬行現(xiàn)象應采取的措施106（5）對溫度的敏感性和結構工藝性

導軌在環(huán)境溫度變化的情況下，應能正常工作，既不“卡死”，亦不影響系統(tǒng)的運動精度。導軌對溫度變化的敏感性，主要取決于導軌材料、配合間隙和導軌的結構形式（如開式還是閉式）。

結構工藝性是指系統(tǒng)在正常工作的條件下，應力求結構簡單，制造容易，裝拆、調(diào)整、維修及檢測方便，從而最大限度地降低成本。導軌副應滿足的基本要求107二、滑動導軌副的結構及其選擇1.滑動導軌副的截面形狀及其特點

凸形導軌不易積存切屑等臟物，也不易儲存潤滑油，宜在低速下工作；凹形導軌則相反，可用于高速，但必須有良好的防護裝置，以防切屑等臟物落入導軌。108各種截面形狀滑動導軌的特點

(1)三角形滑動導軌：導軌尖頂朝上的稱三角形導軌，尖頂朝下的稱V形導軌。特點：導軌面上的支反力大于載荷，使摩擦力增大。易磨損，承載能力差。承載面與導向面重合，自動補償磨損，不會產(chǎn)生間隙，故導向精度較高。角度取值：截面角度由載荷大小及導向要求而定，一般為90°。為增加承載能力，應采用較大的頂角(110°~l20°)；為提高導向性，可采用較小的頂角(60°)109（2）矩形滑動導軌：特點：

導軌面上的支反力與外載荷相等，承載能力較大。承載面（頂面）和導向面（側面）分開，磨損后不能自動補償，須有調(diào)整間隙裝置。導向精度沒有三角形導軌高。

結構簡單，制造、檢驗和修理方便，故應用廣泛。各種形狀滑動導軌的特點

110（3）燕尾形滑動導軌特點：

高度小，結構緊湊，兩燕尾面起壓板面作用，可以承受顛覆力矩，間隙調(diào)整非常方便。制造、檢驗和維修都不方便。用于運動速度不高、受力不大、高度尺寸受到限制的場合。各種形狀滑動導軌的特點

111（4）圓形導軌特點：

制造方便，外圓采用磨削，內(nèi)孔經(jīng)過珩磨，可達到精密配合。磨損后很難調(diào)整和補償間隙。有兩個自由度，若要限制轉(zhuǎn)動，可在圓柱表面開鍵槽或加工出平面，或采用雙圓柱導軌。各種形狀滑動導軌的特點

1122.滑動導軌副的組合形式

在機電設備中，導軌副經(jīng)常是以組合的形式來使用，常用組合形式：

三角形---三角形矩形---矩形三角形---矩形三角形---平面

滑動導軌副的組合1131-三角形導軌；2-V型導軌；3-壓板

兩條三角形導軌的組合突出了三角形導軌的優(yōu)缺點，導向性好，承載性差，工藝性差，適用于高精度機械，如坐標鏜床、絲杠車床。三角形---三角形雙三角形導軌組合114矩形---矩形

1-承載面；2-導向面；3-輔助導軌面兩條矩形導軌的組合突出了矩形導軌的優(yōu)缺點，結構簡單，易于加工制造，承載能力大。導向面與承載面分開，以側面導向，導向精度低，常用于普通精度的重型機床。矩形與矩形導軌組合115導向性優(yōu)于雙矩形組合，承載能力優(yōu)于雙三角形組合，工藝性介于二者之間，在中小型機床上應用廣泛。

注意：應使牽引力和摩擦阻力在同一直線上，以減少附加力矩。三角形---矩形三角形---平面三角形和矩形導軌、平面導軌的組合僅用于低速高低速均可用116根據(jù)以上所述，各種滑動導軌的特點各不相同，因此在選擇使用時，應把握以下原則：

1）當要求導軌具有較大的剛度和承載能力時，用矩形導軌。一般來說，中小型機床導軌常采用三角形-矩形導軌的組合，而重型機床常采用雙矩形導軌的組合。

2）當要求導軌的導向精度高時，常采用三角形導軌。此時，三角形導軌工作面同時起承載和導向作用，磨損后能自動補償間隙，導向精度高。

3）矩形、圓形導軌工藝性好，制造、檢驗都方便。三角形、燕尾形導軌工藝性差。

4）當要求結構緊湊、高度小及調(diào)整方便時，用燕尾形導軌。滑動導軌特點總結及選用原則

117

燕尾形導軌的間隙調(diào)整

1-斜鑲條閉式導軌副間隙的調(diào)整閉式導軌副的滑動表面之間應當保持合適的間隙，間隙過小，會增加摩擦阻力；間隙過大，會降低導向精度。常用調(diào)整導軌間隙的方法：壓板和鑲條兩種方法。燕尾形導軌可用鑲條或壓板同時調(diào)整垂直和水平兩個方向的間隙。118矩形導軌垂直方向間隙的調(diào)整

1-壓板；2-接合面；3-調(diào)整螺釘；4-調(diào)整墊片矩形導軌垂直方向間隙：修刮壓板、調(diào)整螺釘、修刮調(diào)整墊片閉式導軌副間隙的調(diào)整119矩形導軌水平間隙：平鑲條或斜鑲條平鑲條：加工方便，調(diào)整較麻煩，接觸不均勻，用于受力小的短導軌

斜鑲條：加工困難，調(diào)整方便，接觸均勻，使用可靠，應用廣泛。閉式導軌副間隙的調(diào)整120

常用材料有鑄鐵、鋼、非鐵金屬和塑料等。

(1)鑄鐵

具有良好的耐磨性和減振性，易于鑄造和加工，成本低。

為什么耐磨性和減震性好？

灰鑄鐵中的碳，是以片狀石墨形式分布，相當于在鋼的基體上分布了許多微小裂紋，它的存在，可以阻斷機械振動的傳播，所以具有良好的減震性和耐磨性。

常用：

灰鑄鐵：一般用HT200，硬度以180-200HB較為合適。用于中等精度和運動速度較低的導軌。

合金鑄鐵：加入磷銅等合金，提高鑄鐵的耐磨性。如髙磷鑄鐵。

4.滑動導軌副常用材料121（2）鋼

采用淬硬的鋼導軌。淬硬的鋼導軌都是鑲裝或焊接上去的。淬硬鋼導軌的耐磨性比不淬硬鑄鐵導軌高5～10倍。

常用：

45鋼、合金結構鋼(20Cr、40Cr)、碳素工具鋼(T8A、T10A)、軸承鋼（GCrl5）等4.滑動導軌副常用材料122(3)非鐵金屬

常用的非鐵金屬有黃銅HPb59-1，錫青銅ZQSn6-6-3，鋁青銅ZQAl9-2等。

(4)塑料（貼塑導軌）

采用粘接劑將聚四氟乙烯導軌軟帶粘接在導軌面上（動導軌），使得傳統(tǒng)導軌的摩擦形式變?yōu)殍T鐵-塑料摩擦副。

聚四氟乙烯軟帶？4.滑動導軌副常用材料123聚四氟乙烯導軌軟帶是以聚四氟乙烯為基體，加入銅粉﹑二硫化鉬和石墨填充劑混合燒結，做成導軌軟帶狀。特點

⑴耐磨性好其動靜摩擦系數(shù)基本接近，而且摩擦系數(shù)很低，能防止低速爬行，使運動平穩(wěn)。本身具有潤滑作用，對潤滑的供油量要求不高，采用間歇供油即可。

⑵減振性能好塑料的阻尼性能好，其減振消聲性能對提高摩擦副的相對運動速度有很大的意義．最高進給速度可達15m/min.

⑶工藝性能好可降低對粘貼塑料的金屬基體的硬度和表面質(zhì)量的要求，而且塑料易加工（銑﹑刨﹑磨﹑刮）以獲得良好的導軌表面質(zhì)量。聚四氟乙烯導軌軟帶124目前數(shù)控機床常用的導軌,可分為三大類1）滾動導軌啟動靈活，成本低。應用如：各種中小型加工中心、數(shù)控銑床等2）貼塑導軌

如：數(shù)控車床，精密磨床，線割機，火花機等3）靜壓導軌結構復雜，成本高。應用如：大（重）型機床125搭配原則：動導軌和支承導軌應有不同的硬度或材料，以防止相同晶格組織產(chǎn)生撕裂和咬焊?；瑒訉к壋Ｓ貌牧系拇钆?26提高滑動導軌副耐磨性的措施目的：使其在較長時期內(nèi)保持一定的導向精度，延長設備的使用壽命。具體措施：（1）鑲裝導軌

即在支承導軌(如底座、床身等)上鑲裝淬硬鋼條、鋼板或鋼帶；在動導軌上鑲裝塑料或非鐵金屬板。好處：即提高導軌的耐磨性，又使導軌的制造工藝簡單，修理方便，成本低。127（2）提高導軌的精度與改善表面粗糙度其目的是減少導軌的摩擦和磨損，從而提高耐磨性。（3）減小導軌單位面積上的壓力(即比壓)

要減小導軌面壓強，應減輕運動部件的重量、增大導軌支承面的面積或者采用卸荷裝置。

提高滑動導軌副耐磨性的措施128滑動導軌在早期的機床或其它機械設備上應用廣泛。但隨著相關技術的發(fā)展，摩擦更小、精度更高、速度更快的滾動導軌已經(jīng)逐漸取代滑動導軌，尤其在中輕載的機電一體化設備中，如中小型數(shù)控機床。滾動導軌副類型與選擇129在承導件和運動件之間放入一些滾動體（滾珠、滾柱或滾針），使相配的兩個導軌面不直接接觸的導軌，稱為滾動導軌。

認識其結構130滾動導軌副的特點：1）低摩擦系數(shù)和動/靜摩擦系數(shù)基本相等。2）可實現(xiàn)傳動和支承預緊，無間隙傳動，精度高和結構剛度好，易于消除正反轉(zhuǎn)傳動誤差。3）專業(yè)化生產(chǎn)，質(zhì)量易于保證。4）滾動體與滾道為點或線接觸，接觸應力較大，抗振性較差。5）結構復雜、生產(chǎn)成本高，必須有良好的防護裝置。131滾動導軌副類型：

按運動形式

——直線導軌和回轉(zhuǎn)導軌。按滾動體形狀——滾珠滾動導軌副、圓柱（滾針）滾動導軌副、圓錐滾動導軌副等。按滾動體的循環(huán)方式——非循環(huán)導軌和循環(huán)導軌。132

結構：滑塊內(nèi)有滾珠、保持架、反向器等，使?jié)L珠在滑塊內(nèi)循環(huán)滾動。特點：可實現(xiàn)無限長導軌的直線運動。易于標準化。

滑塊式直線運動導軌副：

133

根據(jù)截面形狀主要分為矩形(GGB)和梯形(GGA)兩種。

矩形(GGB)：四個方向能承受相等的載荷

梯形(GGA)：能承受較大的垂直向下載荷，其它方向承載能力較低滑塊式直線運動導軌副：

134滑塊式直線運動導軌副在數(shù)控