第2章 机械系统

1、2 2 机械系统机械系统 机电控制系统的机械系统除了和一般的机械系统机电控制系统的机械系统除了和一般的机械系统 要求具有较高的定位精度外，还应具有良好的动态响要求具有较高的定位精度外，还应具有良好的动态响 应特性，即响应要快、稳定性要好。一个典型的应特性，即响应要快、稳定性要好。一个典型的机电机电 控制系统控制系统通常包括：通常包括：控制部件、接口电器、功率放大控制部件、接口电器、功率放大 器、执行元件、机械传动部件、导向支承部件和检测器、执行元件、机械传动部件、导向支承部件和检测 传感部件传感部件等。而机等。而机械系统械系统一般包括一般包括减速装置，丝杆螺减速装置，丝杆螺 母副、蜗轮蜗杆副等

2、各种线性传动部件，连杆机构、母副、蜗轮蜗杆副等各种线性传动部件，连杆机构、 凸轮机构等非线性传动部件，导向支承部件，旋转支凸轮机构等非线性传动部件，导向支承部件，旋转支 承部件，轴系部件承部件，轴系部件等。等。 2.12.1机械传动部件机械传动部件 常用的机械传动部件有常用的机械传动部件有螺旋传动机构、齿轮传动螺旋传动机构、齿轮传动 机构、挠性传动机构和间歇传动机构机构、挠性传动机构和间歇传动机构等。其主要功能等。其主要功能 是是传递转矩和转速传递转矩和转速。 2.1.12.1.1螺旋传动机构螺旋传动机构 螺旋传动机构是用螺纹副将主动件的转动变为从螺旋传动机构是用螺纹副将主动件的转动变为从 动

3、件的移动的传动，是常用的一种传动形式。螺旋传动件的移动的传动，是常用的一种传动形式。螺旋传 动机构主要由螺杆、螺母和机架组成。常用于把转动动机构主要由螺杆、螺母和机架组成。常用于把转动 变为直线运动以传递运动和动力，也可用来调整并固变为直线运动以传递运动和动力，也可用来调整并固 定零件或部件之间的相对位置，应用十分广泛。定零件或部件之间的相对位置，应用十分广泛。 1.1.按功能不同，螺旋传动可分为传力螺旋、传导螺旋按功能不同，螺旋传动可分为传力螺旋、传导螺旋 和调整螺旋三种。和调整螺旋三种。 2 2按相对运动方式分按相对运动方式分 螺旋机构主动件（螺杆或螺母）回转一周，螺杆螺旋机构主动件（螺杆

4、或螺母）回转一周，螺杆 与螺母间的相对位移为一个导程。根据相对运动原理，与螺母间的相对位移为一个导程。根据相对运动原理， 回转与移动两种运动形式可由一个构件来完成或分别回转与移动两种运动形式可由一个构件来完成或分别 由两个构件来实现，位移情况可分为三类。由两个构件来实现，位移情况可分为三类。 其中，利用差动位移原理的螺旋传动是普通螺旋其中，利用差动位移原理的螺旋传动是普通螺旋 传动中较重要的应用。传动中较重要的应用。 （1 1）差动螺旋是指同一螺杆上制出两段旋向相同、）差动螺旋是指同一螺杆上制出两段旋向相同、 螺距不等的螺纹，利用其螺距之差，可产生微小的位螺距不等的螺纹，利用其螺距之差，可产生

5、微小的位 移量。移量。 （2 2）反向螺旋是指同一螺杆（或螺母）上制出两段）反向螺旋是指同一螺杆（或螺母）上制出两段 旋向相反、螺距不等或相等的螺纹，利用其螺距之和，旋向相反、螺距不等或相等的螺纹，利用其螺距之和， 可得到快速移位的螺旋传动。可得到快速移位的螺旋传动。 2.1.2 2.1.2 齿轮传动机构齿轮传动机构 齿轮传动是机械传动中最重要的，也是现代机械齿轮传动是机械传动中最重要的，也是现代机械 中应用最广泛的一种传动形式。其传动准确、可靠、中应用最广泛的一种传动形式。其传动准确、可靠、 效率高，传递功率和速度的范围大，可以用来传递空效率高，传递功率和速度的范围大，可以用来传递空 间任意

6、两轴间的运动和力。间任意两轴间的运动和力。 1 1. .齿轮传动的类型齿轮传动的类型 2.2.轮系的类型轮系的类型 根据轮系在运动过程中各轮几何轴线在空间的相根据轮系在运动过程中各轮几何轴线在空间的相 对位置关系是否变动，轮系可分为定轴轮系和周转轮对位置关系是否变动，轮系可分为定轴轮系和周转轮 系。系。 （1 1）定轴轮系）定轴轮系 （2 2）周转轮系）周转轮系 （3 3）混合轮系）混合轮系 3 3轮系的传动比轮系的传动比 轮系的传动比是指轮系中输入轴的转速与输出轴轮系的传动比是指轮系中输入轴的转速与输出轴 的转速之比，即的转速之比，即 1 N n i n 要确定轮系的传动比，不但要计算其大小

7、，还要要确定轮系的传动比，不但要计算其大小，还要 确定其输入轴和输出轴之间的运动关系，表示出它们确定其输入轴和输出轴之间的运动关系，表示出它们 的转动方向。的转动方向。 （1 1）定轴轮系中各轮几何轴线均互相平行的传动比）定轴轮系中各轮几何轴线均互相平行的传动比 计算计算 （2 2）定轴轮系中所有齿轮的几何轴线不都平行，但）定轴轮系中所有齿轮的几何轴线不都平行，但 首、尾两轮的轴线互相平行首、尾两轮的轴线互相平行 如图（如图（a a）所示，齿轮）所示，齿轮3 3和齿轮和齿轮4 4轴线不平行，齿轴线不平行，齿 轮轮5 5和齿轮和齿轮6 6轴线不平行，它们的转向无所谓相同或相轴线不平行，它们的转向

8、无所谓相同或相 反，在这种情况下，可在图上用箭头来表示各轮的转反，在这种情况下，可在图上用箭头来表示各轮的转 向。由于首尾两轮的轴线互相平行，所以仍可在传动向。由于首尾两轮的轴线互相平行，所以仍可在传动 比的计算结果中加正负号来表示主、从动轮的转向关比的计算结果中加正负号来表示主、从动轮的转向关 系。系。 （3 3）定轴轮系中首、尾两轮的轴线不平行）定轴轮系中首、尾两轮的轴线不平行 如图（如图（b b）所示，主动轮）所示，主动轮1 1（蜗杆）和从动轮（蜗杆）和从动轮6 6 （锥齿轮）的几何轴线不平行，它们分别在两个平面（锥齿轮）的几何轴线不平行，它们分别在两个平面 内转动，转向无所谓相同或相反

9、，因此不能在传动比内转动，转向无所谓相同或相反，因此不能在传动比 的计算结果中加正负号来表示主、从动轮转向间的关的计算结果中加正负号来表示主、从动轮转向间的关 系，其转向关系只能用箭头在图中表示。系，其转向关系只能用箭头在图中表示。 （4 4）周转轮系的传动比）周转轮系的传动比 由于含有行星轮，周转轮系的传动比不能直接用定轴轮由于含有行星轮，周转轮系的传动比不能直接用定轴轮 系传动比的计算方法来解决，而是利用相对运动原理引入转化系传动比的计算方法来解决，而是利用相对运动原理引入转化 轮系，即把周转轮系转化成一个假想的定轴轮系。具体方法是轮系，即把周转轮系转化成一个假想的定轴轮系。具体方法是 利

10、用转化轮系的传动比计算公式，导出周转轮系各构件绝对转利用转化轮系的传动比计算公式，导出周转轮系各构件绝对转 速之间的关系式，从而计算它们之间的传动比。速之间的关系式，从而计算它们之间的传动比。 如图如图2.82.8所示，假设给整个周转轮系一个运动，所示，假设给整个周转轮系一个运动， 使其绕使其绕OHOH轴以系杆的相同转速但方向相反（轴以系杆的相同转速但方向相反（-n-nH H）的公）的公 共转速运动后，使得系杆相对静止了。既然系杆不动，共转速运动后，使得系杆相对静止了。既然系杆不动， 即没有系杆，也就不可能有行星轮，轮系就发生了变即没有系杆，也就不可能有行星轮，轮系就发生了变 化，周转轮系就转

11、化为定轴轮系了。此时，我们称此化，周转轮系就转化为定轴轮系了。此时，我们称此 定轴轮系为该周转轮系的转化轮系。特别强调，转化定轴轮系为该周转轮系的转化轮系。特别强调，转化 轮系为一定轴轮系。轮系为一定轴轮系。 周转轮系转化前后的转速见表周转轮系转化前后的转速见表2.22.2。 在转化轮系中各构件的转速都在右上角标上在转化轮系中各构件的转速都在右上角标上 “H H”，表示各构件是附加一个，表示各构件是附加一个（-nH）后的转速。后的转速。 H H 11H 1 H H 1 ( 1) 1 m N N N nnn N i nnN n 齿轮 至 所有从动轮齿数的乘积 齿轮 至 所有主动轮齿数的乘积 （5

12、 5）混合轮系的传动比）混合轮系的传动比 混合轮系由定轴轮系和周转轮系或由多个单一周混合轮系由定轴轮系和周转轮系或由多个单一周 转轮系组合而成。它的传动比计算要复杂一些，大致转轮系组合而成。它的传动比计算要复杂一些，大致 可归纳为以下几个步骤。可归纳为以下几个步骤。 进行轮系的结构分析，以行星轮为出发点，依进行轮系的结构分析，以行星轮为出发点，依 次从混合轮系中划分出单一的周转轮系，余下的是定次从混合轮系中划分出单一的周转轮系，余下的是定 轴轮系。轴轮系。 对每个单一周转轮系都列出转化轮系传动比的对每个单一周转轮系都列出转化轮系传动比的 计算式，定轴轮系也按其计算规则列出相应的关系式，计算式，

13、定轴轮系也按其计算规则列出相应的关系式， 构成联立方程组。构成联立方程组。 解方程，得到最后结果。在解方程时，可以进解方程，得到最后结果。在解方程时，可以进 行约分，但运算过程中不宜化为小数，尤其不可取近行约分，但运算过程中不宜化为小数，尤其不可取近 似值，否则可能造成较大误差，甚至产生错误结果。似值，否则可能造成较大误差，甚至产生错误结果。 因此，只有求出最后结果之后，才能化为近似小数。因此，只有求出最后结果之后，才能化为近似小数。 2.1.3 2.1.3 挠性传动机构挠性传动机构 1 1同步带传动同步带传动 同步带传动是综合了普通带传动和链轮、链条传动优同步带传动是综合了普通带传动和链轮、

14、链条传动优 点的一种传动。它在带的工作面及带轮外周上均制有点的一种传动。它在带的工作面及带轮外周上均制有 啮合齿，通过带齿与轮齿作啮合运动。啮合齿，通过带齿与轮齿作啮合运动。 2 2钢带传动钢带传动 钢带传动的特点是钢带和带轮间接触面积大、无钢带传动的特点是钢带和带轮间接触面积大、无 间隙、摩擦阻力大、无滑动，结构简单紧凑、运行可间隙、摩擦阻力大、无滑动，结构简单紧凑、运行可 靠、噪音低、驱动力大、寿命长，钢带无蠕变。靠、噪音低、驱动力大、寿命长，钢带无蠕变。 3 3绳轮传动绳轮传动 绳轮传动具有结构简单、传动刚度大、结构柔软、绳轮传动具有结构简单、传动刚度大、结构柔软、 成本较低、噪音低等优

15、点。其缺点是带轮较大、安装成本较低、噪音低等优点。其缺点是带轮较大、安装 面积大，加速度不易太高。面积大，加速度不易太高。 2.1.4 2.1.4 间歇传动机构间歇传动机构 当机构的主动件连续运动时，从动件能产生当机构的主动件连续运动时，从动件能产生 “动作动作停止停止动作动作”的运动，常用的间歇运动部件的运动，常用的间歇运动部件 有棘轮机构、槽轮机构和蜗形凸轮传动机构。有棘轮机构、槽轮机构和蜗形凸轮传动机构。 1 1棘轮传动机构棘轮传动机构 图图2.132.13所示的为常见的外啮合齿式棘轮机构，它所示的为常见的外啮合齿式棘轮机构，它 主要由棘轮主要由棘轮1 1、主动棘爪、主动棘爪2 2、止回

16、棘爪、止回棘爪5 5和机架和机架6 6组成。组成。 在棘轮机构中，一般情况下棘爪为原动件，当主动摇在棘轮机构中，一般情况下棘爪为原动件，当主动摇 杆逆时针摆动时，摇杆上铰接的主动棘爪插入棘轮的杆逆时针摆动时，摇杆上铰接的主动棘爪插入棘轮的 齿内，推动棘轮同向转动一定角度。当主动摇杆顺时齿内，推动棘轮同向转动一定角度。当主动摇杆顺时 针摆动时，止回棘爪阻止棘轮反向转动，此时主动棘针摆动时，止回棘爪阻止棘轮反向转动，此时主动棘 爪在棘轮的齿背上轻轻滑回原位，棘轮静止不动，从爪在棘轮的齿背上轻轻滑回原位，棘轮静止不动，从 而实现将主动件的往复摆动转换为从动棘轮的单向间而实现将主动件的往复摆动转换为从

17、动棘轮的单向间 歇运动。为保证棘爪工作可靠，常利用弹簧使棘爪紧歇运动。为保证棘爪工作可靠，常利用弹簧使棘爪紧 压齿面。压齿面。 2 2槽轮传动机构槽轮传动机构 槽轮传动机构是能实现从动件较长时间停留的机槽轮传动机构是能实现从动件较长时间停留的机 构。如图构。如图2.162.16所示，槽轮机构是由带圆销所示，槽轮机构是由带圆销A A的拨盘的拨盘 （曲柄）（曲柄）1 1、具有径向槽的槽轮、具有径向槽的槽轮2 2及机架等组成的间歇及机架等组成的间歇 运动机构。拨盘上有一段外凸的锁止圆弧运动机构。拨盘上有一段外凸的锁止圆弧，槽轮上，槽轮上 制有若干段内凹的锁止圆弧制有若干段内凹的锁止圆弧。 拨盘为主动

18、件，当它以等角速度拨盘为主动件，当它以等角速度11作连续转动作连续转动 时，曲柄随之转动，其上的圆销进入槽轮的径向槽内时，曲柄随之转动，其上的圆销进入槽轮的径向槽内 时，槽轮即按时，槽轮即按22的方向转动；当圆销从径向槽内脱的方向转动；当圆销从径向槽内脱 出时，槽轮上的内凹锁止圆弧被拨盘上的外凸锁止圆出时，槽轮上的内凹锁止圆弧被拨盘上的外凸锁止圆 弧弧“卡住卡住”，故槽轮停止不动，直至圆销进入下一个，故槽轮停止不动，直至圆销进入下一个 径向槽内时，才又重复上述的运动循环，使槽轮实现径向槽内时，才又重复上述的运动循环，使槽轮实现 间歇的单向转动。间歇的单向转动。 3 3蜗形凸轮传动机构蜗形凸轮传

19、动机构 2.2 2.2 导向支承部件导向支承部件 导向支承部件的作用是支承和限制运动部件按给导向支承部件的作用是支承和限制运动部件按给 定的运动要求和规定的运动方向运动，这样的部件通定的运动要求和规定的运动方向运动，这样的部件通 常被称为导轨副，简称导轨，主要由承导件常被称为导轨副，简称导轨，主要由承导件1 1和运动和运动 件件2 2部分组成，如图部分组成，如图2.182.18所示所示。 2.2.1 2.2.1 滑动导轨副滑动导轨副 1 1. .导轨副的截面形状导轨副的截面形状 滑动导轨副常见的导轨截面形状有三角形、矩形、燕尾形滑动导轨副常见的导轨截面形状有三角形、矩形、燕尾形 和圆形等四种，

20、每种又分为凸形和凹形两类，如图和圆形等四种，每种又分为凸形和凹形两类，如图2.192.19所示。所示。 凸形导轨不易积存切屑等脏物，也不易储存润滑油，宜在低速凸形导轨不易积存切屑等脏物，也不易储存润滑油，宜在低速 下工作；凹形导轨则相反，可用于高速，但必须有良好的防护下工作；凹形导轨则相反，可用于高速，但必须有良好的防护 装置，以防切屑等脏物落入导轨。装置，以防切屑等脏物落入导轨。 2 2导轨副的组合形式导轨副的组合形式 （1 1）双三角形导轨）双三角形导轨 两条三角形导轨同时起支承和导向作用，如图两条三角形导轨同时起支承和导向作用，如图 2.202.20所示。所示。 （2 2）双矩形导轨）双

21、矩形导轨 如图如图2.212.21所示，承载面所示，承载面1 1和导向面和导向面2 2分开，因而制分开，因而制 造与调整简单。导向面的间隙用镶条调节，接触刚度造与调整简单。导向面的间隙用镶条调节，接触刚度 低。闭式结构有辅助导轨面低。闭式结构有辅助导轨面3 3，其间隙用压板调节。，其间隙用压板调节。 （3 3）三角形与矩形导轨）三角形与矩形导轨 如图如图2.222.22所示，这种组合形式兼有三角形导轨的所示，这种组合形式兼有三角形导轨的 导向性好，矩形导轨的制造方便、刚性好等优点，并导向性好，矩形导轨的制造方便、刚性好等优点，并 避免了由于热变形所引起的配合变化。但导轨磨损不避免了由于热变形所

22、引起的配合变化。但导轨磨损不 均匀，一般是三角形导轨比矩形导轨磨损快，磨损后均匀，一般是三角形导轨比矩形导轨磨损快，磨损后 又不能通过调节来补偿，故对位置精度有影响。闭合又不能通过调节来补偿，故对位置精度有影响。闭合 导轨有压板面，能承受颠覆力矩。导轨有压板面，能承受颠覆力矩。 （4 4）三角形与平面导轨组合）三角形与平面导轨组合 如图如图2.232.23所示，这种组合形式具有三角形和矩形所示，这种组合形式具有三角形和矩形 导轨的基本特点，但由于没有闭合导轨装置，因此，导轨的基本特点，但由于没有闭合导轨装置，因此， 只能用于受力向下的场合。只能用于受力向下的场合。 （5 5）燕尾形导轨及其组合

23、）燕尾形导轨及其组合 如图如图2.242.24所示，图（所示，图（a a）为整体式燕尾形导轨；）为整体式燕尾形导轨； 图（图（b b）为装配式燕尾形导轨，其特点是制造、调试）为装配式燕尾形导轨，其特点是制造、调试 方便；图（方便；图（c c）为燕尾形与矩形组合，它兼有调整方）为燕尾形与矩形组合，它兼有调整方 便和承受较大力矩的优点，多用于横梁、立柱和摇臂便和承受较大力矩的优点，多用于横梁、立柱和摇臂 等导轨。等导轨。 2.2.2 2.2.2 滚动导轨副滚动导轨副 1 1滚动导轨副的组成滚动导轨副的组成 如图如图2.252.25所示，滚动导轨副由带沟槽的定导轨和所示，滚动导轨副由带沟槽的定导轨和

24、 动导轨、滚动体和滚动体隔离元件等组成。动导轨、滚动体和滚动体隔离元件等组成。 2 2滚动导轨副的分类滚动导轨副的分类 滚动导轨副可分为直线运动和圆运动两种结构形式。滚动导轨副可分为直线运动和圆运动两种结构形式。 （1 1）按滚动体的形状分类）按滚动体的形状分类 按滚动体的形状可分为球形和圆柱形两类，即滚珠按滚动体的形状可分为球形和圆柱形两类，即滚珠 （钢球）、滚针或滚柱，如图（钢球）、滚针或滚柱，如图2.262.26所示。所示。 （2 2）按导轨截面形状分类）按导轨截面形状分类 按导轨截面形状可分为矩形截面和梯形截面。按导轨截面形状可分为矩形截面和梯形截面。 （3 3）按滚道沟槽形状分类）按

25、滚道沟槽形状分类 按滚道沟槽形状有单圆弧和双圆弧两种，单圆弧沟槽按滚道沟槽形状有单圆弧和双圆弧两种，单圆弧沟槽 为两点接触，如图为两点接触，如图2.272.27（a a）所示；双圆弧沟槽为四）所示；双圆弧沟槽为四 点接触，如图点接触，如图2.272.27（b b）所示。）所示。 （4 4）按滚动体循环分类）按滚动体循环分类 直线运动滚动导轨副可分为滚动体有循环的和不直线运动滚动导轨副可分为滚动体有循环的和不 循环的两种。循环的两种。 3 3常见滚动导轨副常见滚动导轨副 （1 1）滚动体不循环的滚动导轨副）滚动体不循环的滚动导轨副 如图如图2.282.28所示，这种导轨的共同特点是滚动体不所示，

26、这种导轨的共同特点是滚动体不 循环，因而行程不能太长。这种导轨结构简单，制造循环，因而行程不能太长。这种导轨结构简单，制造 容易，成本较低，但有时难以施加预紧力，刚度较低，容易，成本较低，但有时难以施加预紧力，刚度较低， 抗振性能差，不能承受冲击载荷。抗振性能差，不能承受冲击载荷。 图图2.292.29所示为无预加载荷的三角所示为无预加载荷的三角平面滚珠导轨，平面滚珠导轨， 结构简单，制造方便，用于轻载、小颠覆力矩条件下。结构简单，制造方便，用于轻载、小颠覆力矩条件下。 图图2.302.30所示为有预加载荷的双三角形滚珠导轨副，所示为有预加载荷的双三角形滚珠导轨副， 结构简单，制造方便，用于中

27、载和中等颠覆力矩条件结构简单，制造方便，用于中载和中等颠覆力矩条件 下。导轨若做成双圆弧，可提高承载能力。下。导轨若做成双圆弧，可提高承载能力。 图图2.312.31所示为有预加载荷的双三角形交叉滚子导所示为有预加载荷的双三角形交叉滚子导 轨副，结构复杂，刚度高，若不用保持架以增加滚子轨副，结构复杂，刚度高，若不用保持架以增加滚子 数量则刚度更高，适用于较大颠覆力矩条件下。数量则刚度更高，适用于较大颠覆力矩条件下。 （2 2）滚动体循环的滚动导轨副）滚动体循环的滚动导轨副 图图2.322.32所示为行程无限的标准滚动导轨副。这种所示为行程无限的标准滚动导轨副。这种 导轨用于重载条件下，但结构复

28、杂，装卸调整不方便。导轨用于重载条件下，但结构复杂，装卸调整不方便。 图图2.332.33与图与图2.342.34所示为标准的滚动导轨块，其特所示为标准的滚动导轨块，其特 点是行程长，装卸调整方便。图点是行程长，装卸调整方便。图2.332.33为滚珠导轨块，为滚珠导轨块， 它的结构紧凑，高度小，容易安装，滚珠不会像圆柱它的结构紧凑，高度小，容易安装，滚珠不会像圆柱 滚子那样发生歪斜；但它的承载能力差，抗振性能也滚子那样发生歪斜；但它的承载能力差，抗振性能也 略低。略低。 图图2.342.34为滚柱导轨块，可按额定动负荷选用，其为滚柱导轨块，可按额定动负荷选用，其 基本参数为高度基本参数为高度H

29、 H。 图图2.352.35所示为标准所示为标准 化的滚动导轨副，它具化的滚动导轨副，它具 有不同的间隙预紧结构。有不同的间隙预紧结构。 图图2.352.35（a a）所示的定导）所示的定导 轨轨1 1用螺钉固定在机身用螺钉固定在机身2 2 上，动导轨上，动导轨4 4固定在运动固定在运动 件件3 3上，其间隙可用调节上，其间隙可用调节 螺钉螺钉5 5调节，故其精度和调节，故其精度和 刚度均较低。图刚度均较低。图2.352.35（b b） 所示的用塞块所示的用塞块6 6调整间隙，调整间隙， 其精度和刚度均较高。其精度和刚度均较高。 图图2.352.35（c c）所示结构采）所示结构采 用偏心销轴

30、进行间隙调用偏心销轴进行间隙调 整。整。 （3 3）滚动轴承导轨）滚动轴承导轨 滚动轴承导轨与滚珠、滚柱导轨的主要区别是：滚动轴承导轨与滚珠、滚柱导轨的主要区别是： 它不仅起着滚动体的作用，而且还代替了导轨。其特它不仅起着滚动体的作用，而且还代替了导轨。其特 点是：摩擦力矩小，运动平稳、灵活，承载能力大，点是：摩擦力矩小，运动平稳、灵活，承载能力大， 调节方便，导轨面积小，加工工艺性好，能长久地保调节方便，导轨面积小，加工工艺性好，能长久地保 持较高的精度，但精度直接受到轴承精度的影响。滚持较高的精度，但精度直接受到轴承精度的影响。滚 动轴承导轨在精密机械设备中均有应用，如精缩机、动轴承导轨在

31、精密机械设备中均有应用，如精缩机、 万能工具显微镜、测长仪等。万能工具显微镜、测长仪等。 图图2.362.36所示为单头多步重复照相机中采用的滚动所示为单头多步重复照相机中采用的滚动 轴承导轨的结构。轴承导轨的结构。 用作导轨的滚动轴承与轴承厂制造的标准轴承有用作导轨的滚动轴承与轴承厂制造的标准轴承有 所不同，标准滚动轴承是外环固定，内环旋转，而用所不同，标准滚动轴承是外环固定，内环旋转，而用 作导轨的轴承则刚好相反。且轴承内外环比标准轴承作导轨的轴承则刚好相反。且轴承内外环比标准轴承 厚，如图厚，如图2.372.37所示，精度更高，如三坐标测量机和万所示，精度更高，如三坐标测量机和万 能显微

32、镜用的滚动轴承的径向跳动量要求在能显微镜用的滚动轴承的径向跳动量要求在0.50.5 1m1m之间，而轴承厂供应的最精密轴承，其径向跳动之间，而轴承厂供应的最精密轴承，其径向跳动 量要求在量要求在2 23m3m，故只能在导轨中作压紧作用，用，故只能在导轨中作压紧作用，用 作导向与支承的滚动轴承，须专门制造。作导向与支承的滚动轴承，须专门制造。 图图2.382.38所示是滚动轴承的偏心轴机构。滚动轴承所示是滚动轴承的偏心轴机构。滚动轴承 装在偏心轴上，以便于调整与控制导轨的间隙。其偏装在偏心轴上，以便于调整与控制导轨的间隙。其偏 心量一般为心量一般为e=0.2e=0.21 mm1 mm。 图图2.

33、392.39所示为行程无限的标准滚动导套副，它装所示为行程无限的标准滚动导套副，它装 卸调整方便，用于轻载场合。卸调整方便，用于轻载场合。 2.3 2.3 旋转支承部件旋转支承部件 旋转支承中的运动件相对于支承导件转动或摆动旋转支承中的运动件相对于支承导件转动或摆动 时，按其相互摩擦的性质可分为滑动、滚动、弹性、时，按其相互摩擦的性质可分为滑动、滚动、弹性、 气体（或液体）摩擦支承。滑动摩擦支承按其结构特气体（或液体）摩擦支承。滑动摩擦支承按其结构特 点可分为圆柱、圆锥、球面和顶针支承；滚动摩擦支点可分为圆柱、圆锥、球面和顶针支承；滚动摩擦支 承按其结构特点可分为填入式滚珠支承和刀口支承。承按

34、其结构特点可分为填入式滚珠支承和刀口支承。 各种支承的结构简图如图各种支承的结构简图如图2.402.40所示，图（所示，图（a a）为圆柱支）为圆柱支 承，图（承，图（b b）为圆锥支承，图（）为圆锥支承，图（c c）为球面支承，图（）为球面支承，图（d d） 为顶针支承，图（为顶针支承，图（e e）为填入式滚珠支承，图（）为填入式滚珠支承，图（f f）为）为 刀口支承，图（刀口支承，图（g g）为气、液体摩擦支承，图（）为气、液体摩擦支承，图（h h）为）为 弹簧支承。设计时，选择支承的要求要具体问题具体弹簧支承。设计时，选择支承的要求要具体问题具体 分析，通常对支承的要求包括：方向和置中精

35、度、摩分析，通常对支承的要求包括：方向和置中精度、摩 擦阻力矩的大小、许用载荷、对温度变化的敏感性、擦阻力矩的大小、许用载荷、对温度变化的敏感性、 耐磨性以及磨损后补偿的可能性、抗振性；及成本等。耐磨性以及磨损后补偿的可能性、抗振性；及成本等。 2.3.1 2.3.1 圆柱支承圆柱支承 如图如图2.412.41所示，圆柱支承具有较大的接触面积，承受载荷所示，圆柱支承具有较大的接触面积，承受载荷 较大，但其方向精度和置中精度较差，且摩擦阻力矩较大。圆较大，但其方向精度和置中精度较差，且摩擦阻力矩较大。圆 柱支承是滑动摩擦支承中应用最广泛的一种。柱支承是滑动摩擦支承中应用最广泛的一种。 当需要准确

36、的轴向定位时，常在运动件的中心孔和止推面当需要准确的轴向定位时，常在运动件的中心孔和止推面 之间放一滚珠作轴向定位，如图之间放一滚珠作轴向定位，如图2.422.42（a a）所示。若利用轴套端）所示。若利用轴套端 面的滚珠作轴向定位，如图面的滚珠作轴向定位，如图2.422.42（b b）所示，具有较大的承载能）所示，具有较大的承载能 力，且运动件稍有偏心时，不会引起晃动，提高了机构的稳定力，且运动件稍有偏心时，不会引起晃动，提高了机构的稳定 性。性。 2.3.2 2.3.2 圆锥支承圆锥支承 圆锥支承的方向精度和置中精度较高，承载能力较强，但圆锥支承的方向精度和置中精度较高，承载能力较强，但

37、摩擦阻力矩也较大。圆锥支承由锥形轴颈和具有圆锥孔的轴承摩擦阻力矩也较大。圆锥支承由锥形轴颈和具有圆锥孔的轴承 组成，如图组成，如图2.432.43所示，其置中精度比圆柱支承好，轴磨损后，所示，其置中精度比圆柱支承好，轴磨损后， 可借助轴向位移，自动补偿间隙。其缺点是摩擦阻力矩大，对可借助轴向位移，自动补偿间隙。其缺点是摩擦阻力矩大，对 温度变化比较敏感，制造成本较高。温度变化比较敏感，制造成本较高。 2.3.3 2.3.3 填入式滚动支承填入式滚动支承 滚动支承摩擦阻力矩小，耐磨性好，承载能力较大，稳定滚动支承摩擦阻力矩小，耐磨性好，承载能力较大，稳定 剧烈变化时影响小，以及能在振动条件下工作

38、，故可在高速度、剧烈变化时影响小，以及能在振动条件下工作，故可在高速度、 重载情况下使用，但成本较高。当标准滚珠轴承不能满足结构重载情况下使用，但成本较高。当标准滚珠轴承不能满足结构 上的使用要求时，常采用非标准滚珠轴承（即填入式滚珠轴上的使用要求时，常采用非标准滚珠轴承（即填入式滚珠轴 承）。这种支承一般没有内圈和外圈，仅在相对运动的零件上承）。这种支承一般没有内圈和外圈，仅在相对运动的零件上 加工出滚动面，用标准滚珠散装在滚道内。图加工出滚动面，用标准滚珠散装在滚道内。图2.442.44所示为填入所示为填入 式滚动支承常用的三种典型形式。式滚动支承常用的三种典型形式。 2.3.4 2.3.

39、4 其他支承其他支承 1 1球面支承球面支承 如图如图2.452.45所示，球面支承由球形轴颈和内圆锥面或内球面所示，球面支承由球形轴颈和内圆锥面或内球面 组成。球面支承的接触面是一条狭窄的圆球带，轴除自转外，组成。球面支承的接触面是一条狭窄的圆球带，轴除自转外， 还可轴向摆动一定角度。由于接触面积很小，适用于低速、轻还可轴向摆动一定角度。由于接触面积很小，适用于低速、轻 载场合。载场合。 球面支承的球形轴颈可与轴作成一体，如图球面支承的球形轴颈可与轴作成一体，如图2.462.46（a a）所示；）所示； 或用滚珠镶到轴上，如图或用滚珠镶到轴上，如图2.462.46（b b）所示；或用标准滚珠

40、放在两）所示；或用标准滚珠放在两 个圆锥表面之间，如图个圆锥表面之间，如图2.462.46（c c）所示，当轴承的工作面为内圆）所示，当轴承的工作面为内圆 锥面时，圆锥角一般取锥面时，圆锥角一般取9090。 2 2顶针支承顶针支承 如图如图2.472.47所示，顶针支承由圆锥所示，顶针支承由圆锥 形轴颈（顶针）和带埋头圆柱孔的圆形轴颈（顶针）和带埋头圆柱孔的圆 锥轴承组成。顶针支承的轴颈和轴承锥轴承组成。顶针支承的轴颈和轴承 在半径很小的狭窄环形表面上接触，在半径很小的狭窄环形表面上接触， 故摩擦半径很小，摩擦阻力矩较小。故摩擦半径很小，摩擦阻力矩较小。 但由于接触面积小，其但由于接触面积小，

41、其单位压力单位压力很很 大，润滑油从接触处被挤出。因此，大，润滑油从接触处被挤出。因此， 用润滑降低摩擦阻力矩的作用不大，用润滑降低摩擦阻力矩的作用不大， 故顶针支承适用于低速、轻载的场合。故顶针支承适用于低速、轻载的场合。 图图2.482.48所示为顶针所示为顶针 支承的几种结构形式。支承的几种结构形式。 图（图（a a）中的顶针旋入开）中的顶针旋入开 槽螺母，以调整支承的槽螺母，以调整支承的 间隙；图（间隙；图（b b）为能调整）为能调整 轴线位置的结构；图（轴线位置的结构；图（c c） 为置中精度较高的顶针为置中精度较高的顶针 结构，它以间隙很小的结构，它以间隙很小的 圆柱配合部分定中心

42、，圆柱配合部分定中心， 螺纹部分则有较大的径螺纹部分则有较大的径 向间隙，且圆柱和螺纹向间隙，且圆柱和螺纹 之间有较高的同心度，之间有较高的同心度， 以保证顶针顺利装配；以保证顶针顺利装配； 图（图（d d）为定心圆柱和调）为定心圆柱和调 节螺钉分成为两个零件节螺钉分成为两个零件 的一种结构。的一种结构。 3 3刀口支承刀口支承 刀口支承主要由刀口和支座组成，多用于摆动角度不大的刀口支承主要由刀口和支座组成，多用于摆动角度不大的 场合。其主要优点是摩擦和磨损很小。图场合。其主要优点是摩擦和磨损很小。图2.492.49（a a） （c c）所示）所示 为装有平面、棱形和圆柱面支座的刀口支承。为装

43、有平面、棱形和圆柱面支座的刀口支承。 4 4弹性支承弹性支承 弹性支承的弹性阻力矩极弹性支承的弹性阻力矩极 小，能在振动情况下工作，适小，能在振动情况下工作，适 用于精度不高的摆动机构。图用于精度不高的摆动机构。图 2.502.50所示的机械钟摆动结构，所示的机械钟摆动结构， 弹簧片弹簧片2 2与钟摆与钟摆3 3相连，另一端相连，另一端 固定在固定座固定在固定座1 1上，钟摆的摆上，钟摆的摆 动使弹簧片动使弹簧片2 2左右弯曲。左右弯曲。 2.4 2.4 轴系部件轴系部件 轴系结构是指轴和轴上零件以及轴承和端盖等零轴系结构是指轴和轴上零件以及轴承和端盖等零 件的组合结构。其中，轴既是支承零件，

44、又是回转构件的组合结构。其中，轴既是支承零件，又是回转构 件的重要组成部分，因此，轴是轴系当中的关键零件。件的重要组成部分，因此，轴是轴系当中的关键零件。 轴系的结构设计除了要定出轴的合理外形和各部结构轴系的结构设计除了要定出轴的合理外形和各部结构 尺寸外，为使轴系正常工作，还需要考虑轴系的调整、尺寸外，为使轴系正常工作，还需要考虑轴系的调整、 轴承的配合及润滑与密封等问题。轴承的配合及润滑与密封等问题。 2.4.1 2.4.1 轴系的轴向定位和固定轴系的轴向定位和固定 为保证各零件的位置不产生轴向窜动，轴系须进为保证各零件的位置不产生轴向窜动，轴系须进 行轴向定位；同时，还要预留适当的轴向间

45、隙，保证行轴向定位；同时，还要预留适当的轴向间隙，保证 当工作温度变化时，轴向能自由伸缩。轴向部件是依当工作温度变化时，轴向能自由伸缩。轴向部件是依 靠轴承在支座上的支承结构实现轴向与周向支承定位靠轴承在支座上的支承结构实现轴向与周向支承定位 的。的。 1 1两端单向固定两端单向固定 在这种轴系结构中，位于轴系两支点上的轴承各在这种轴系结构中，位于轴系两支点上的轴承各 限制轴系在一个方向的轴向移动，轴系所受某个方向限制轴系在一个方向的轴向移动，轴系所受某个方向 的轴向载荷也通过相应定位点传递给机座。图的轴向载荷也通过相应定位点传递给机座。图2.512.51所所 示为应用两端单向固定的两种轴系结

46、构。示为应用两端单向固定的两种轴系结构。 2 2一端双向固定，一端游动一端双向固定，一端游动 图图2.522.52所示为一端固定、一端游动的轴系结构，这种轴系所示为一端固定、一端游动的轴系结构，这种轴系 结构中的一个支点（固定端）上的轴承相对于机座双向固定，两结构中的一个支点（固定端）上的轴承相对于机座双向固定，两 个方向的轴向载荷均通过这个支点传递给机座。轴系受热伸长时个方向的轴向载荷均通过这个支点传递给机座。轴系受热伸长时 另一支点（游动端）轴承可沿轴向自由移动，不会使轴系卡死，另一支点（游动端）轴承可沿轴向自由移动，不会使轴系卡死， 也不改变轴系的轴向间隙，轴系可以有较高的旋转精度，这种

47、轴也不改变轴系的轴向间隙，轴系可以有较高的旋转精度，这种轴 系结构较复杂。系结构较复杂。 3 3两端游动两端游动 图图2.532.53所示的轴系中，传动件为双斜齿轮。这种齿轮传动具所示的轴系中，传动件为双斜齿轮。这种齿轮传动具 有确定两轴的相对轴向位置的功能，在相互啮合的一对齿轮中，有确定两轴的相对轴向位置的功能，在相互啮合的一对齿轮中， 如果其中一轴系通过轴承确定了轴系与机座的轴向位置，另一轴如果其中一轴系通过轴承确定了轴系与机座的轴向位置，另一轴 系与机座的轴向位置也就随之确定，轴系两端的轴承都应采用游系与机座的轴向位置也就随之确定，轴系两端的轴承都应采用游 动端结构。动端结构。 2.4.

48、2 2.4.2 轴系零件的润滑与密封轴系零件的润滑与密封 轴系零件通常需要润滑的是齿轮与轴承。齿轮的轴系零件通常需要润滑的是齿轮与轴承。齿轮的 润滑通常采用飞溅或喷淋的方式实现，因而轴系零件的润滑通常采用飞溅或喷淋的方式实现，因而轴系零件的 润滑问题，更多的是轴承（尤其是滚动轴承）的润滑问润滑问题，更多的是轴承（尤其是滚动轴承）的润滑问 题。也正因为轴承多装在轴系的两端，因此，轴承端盖题。也正因为轴承多装在轴系的两端，因此，轴承端盖 和密封又通常与轴承在轴上安装的结构和润滑问题相联和密封又通常与轴承在轴上安装的结构和润滑问题相联 系。系。 1 1轴系零件的润滑轴系零件的润滑 滚动轴承的润滑对轴

49、承的正常运转起着非常重要滚动轴承的润滑对轴承的正常运转起着非常重要 的作用，只有润滑适当，才有可能减小磨损和摩擦，提的作用，只有润滑适当，才有可能减小磨损和摩擦，提 高轴承的承载能力和使用寿命。此外，润滑还能起到降高轴承的承载能力和使用寿命。此外，润滑还能起到降 低工作温度和防锈的作用。选用润滑剂的主要考虑因素低工作温度和防锈的作用。选用润滑剂的主要考虑因素 是：轴承的工作温度、载荷、转速、工作环境和尺寸大是：轴承的工作温度、载荷、转速、工作环境和尺寸大 小。小。 当轴颈直径当轴颈直径d d与轴承工作转速与轴承工作转速n n的乘积（即速度因的乘积（即速度因 数）数）d dn n（1.51.53

50、 3）105mm105mmr/minr/min时，一般用润滑时，一般用润滑 脂，填充量不超过轴承空间的脂，填充量不超过轴承空间的1/31/31/21/2，装脂不足或，装脂不足或 过多，都会引起摩擦发热而影响轴承的正常工作。过多，都会引起摩擦发热而影响轴承的正常工作。 当轴承在较高的转速和工作温度下，或者在轴承当轴承在较高的转速和工作温度下，或者在轴承 附近有方便的润滑油来源时，应采用油润滑。油润滑较附近有方便的润滑油来源时，应采用油润滑。油润滑较 脂润滑摩擦阻力小，具有冷却和清洗作用，可采用飞溅、脂润滑摩擦阻力小，具有冷却和清洗作用，可采用飞溅、 浸油、喷油等手段。通常，轴承载荷大、工作温度高

51、时浸油、喷油等手段。通常，轴承载荷大、工作温度高时 选用粘度大的润滑油；反之，用粘度小的润滑油。在用选用粘度大的润滑油；反之，用粘度小的润滑油。在用 浸油润滑时，油面高度不应超过最低滚动体的中心，以浸油润滑时，油面高度不应超过最低滚动体的中心，以 免产生过大的搅油损耗和发热。免产生过大的搅油损耗和发热。 2 2轴系零件的密封轴系零件的密封 密封的目的是防止灰尘、水分和其他杂质侵入轴承内部和密封的目的是防止灰尘、水分和其他杂质侵入轴承内部和 传动件的啮合面中，防止润滑剂流失。按密封的方法不同，分为传动件的啮合面中，防止润滑剂流失。按密封的方法不同，分为 接触式密封和非接触式密封。接触式密封和非接

52、触式密封。 接触式密封用于接触处线速度接触式密封用于接触处线速度5 m5 ms s的情况下，使用图的情况下，使用图 2.542.54（a a）、（）、（b b）所示的毡圈式密封，或图）所示的毡圈式密封，或图2.542.54（c c）、（）、（d d）所）所 示的皮碗式密封（图（示的皮碗式密封（图（c c）采用单皮碗式密封，密封唇口朝外时）采用单皮碗式密封，密封唇口朝外时 防尘性能好，如果密封唇口改成朝内，则封油效果好；图（防尘性能好，如果密封唇口改成朝内，则封油效果好；图（d d） 采用双皮碗式密封，兼顾了防尘与封油）。采用双皮碗式密封，兼顾了防尘与封油）。 唇形油封是标准件，主体采用橡胶材料

53、，用于旋转零件之间唇形油封是标准件，主体采用橡胶材料，用于旋转零件之间 的接触式动密封。油封与轴之间通过一圈或几圈较窄的环形区域的接触式动密封。油封与轴之间通过一圈或几圈较窄的环形区域 接触，接触区域可以形成较大的压力，但接触面积小，摩擦功耗接触，接触区域可以形成较大的压力，但接触面积小，摩擦功耗 小，可用于高速旋转的零件。由于油封内有弹簧箍紧，可以自动小，可用于高速旋转的零件。由于油封内有弹簧箍紧，可以自动 补偿磨损，使油封与轴径保持接触，有些油封可以与轴径有多个补偿磨损，使油封与轴径保持接触，有些油封可以与轴径有多个 接触唇。无骨架油封刚度较差，装配时需要用压盖压紧，如图接触唇。无骨架油封

54、刚度较差，装配时需要用压盖压紧，如图 2.552.55（a a）所示。为提高油封自身刚度，可在油封外加装钢套，）所示。为提高油封自身刚度，可在油封外加装钢套， 也可在油封内放置钢制骨架，如图也可在油封内放置钢制骨架，如图2.552.55（b b）所示。）所示。 非接触式密封装置在工作过程中不与运动件接触，避免了轴非接触式密封装置在工作过程中不与运动件接触，避免了轴 颈与密封件间的摩擦、磨损和发热，适用于高速工作环境。常用颈与密封件间的摩擦、磨损和发热，适用于高速工作环境。常用 的有间隙式和迷宫式两种，如图的有间隙式和迷宫式两种，如图2.562.56所示。间隙式密封通过在轴所示。间隙式密封通过在

55、轴 颈与轴承盖之间设计较长的环状间隙（约颈与轴承盖之间设计较长的环状间隙（约0.1 mm0.1 mm0.3 mm0.3 mm）并填）并填 满润滑剂来达到密封的目的，如图满润滑剂来达到密封的目的，如图2.562.56（a a）所示。这种方式适）所示。这种方式适 用于脂润滑和低速油润滑。迷宫式密封是通过在旋转件与固定件用于脂润滑和低速油润滑。迷宫式密封是通过在旋转件与固定件 之间构成迂回曲折的小缝隙来实现密封的，如图之间构成迂回曲折的小缝隙来实现密封的，如图2.562.56（b b）所示。）所示。 缝隙中填满润滑剂，对油和脂均有良好的密封效果，允许圆周速缝隙中填满润滑剂，对油和脂均有良好的密封效果

56、，允许圆周速 度可达度可达30 m/s30 m/s，密封可靠，但结构复杂。，密封可靠，但结构复杂。 2.4.3 2.4.3 轴承间隙及轴上零件位置的调整轴承间隙及轴上零件位置的调整 构成滚动轴承轴向间隙的尺寸要素通常较多，如果通过控制构成滚动轴承轴向间隙的尺寸要素通常较多，如果通过控制 这些尺寸要素的公差实现轴承间隙，将会对这些尺寸提出过高的这些尺寸要素的公差实现轴承间隙，将会对这些尺寸提出过高的 精度要求，有些要求甚至无法实现。在轴系结构设计中，通常在精度要求，有些要求甚至无法实现。在轴系结构设计中，通常在 构成轴承间隙的尺寸链中设置一个可以方便调整的尺寸环节，在构成轴承间隙的尺寸链中设置一

57、个可以方便调整的尺寸环节，在 装配过程中，通过调整这个尺寸可以得到所需要的轴承间隙。装配过程中，通过调整这个尺寸可以得到所需要的轴承间隙。 如图如图2.572.57（a a）所示，靠）所示，靠 加减轴承端盖与箱体间加减轴承端盖与箱体间 垫片厚度进行调整。如垫片厚度进行调整。如 图图2.572.57（b b）所示，利用）所示，利用 调整螺钉调整螺钉1 1推动压盖推动压盖3 3移移 动滚动轴承外圈进行调动滚动轴承外圈进行调 整，调整后用螺母整，调整后用螺母2 2锁紧。锁紧。 轴系工作中的磨损会使轴承间隙发生变化，在设轴系工作中的磨损会使轴承间隙发生变化，在设 备维修过程中也可以通过调整这些环节的尺寸恢复正备维修过程中也可以通过调整这些环节的尺寸恢复正 确的轴承间隙。确的轴承间隙。 有些轴系对轴上零件的轴向位置有较高的精度要有些轴系对轴上零件的轴向位置有较高的精度要 求，例如蜗杆传动要求蜗轮的中心平面与蜗杆轴线重求，例如蜗杆传动要求蜗轮的中心平面与蜗杆轴线重 合；圆锥齿轮传动要求两轮的节圆锥顶点重合，这些合；圆锥齿轮传动要求两轮的节圆锥顶点重合，这些 精度要求也可以通过在轴系结构中设置调整环节的方