机械系统部件的选择与设计(1)

1、第二章第二章 机械系统部件的机械系统部件的 选择与设计选择与设计2.1 2.1 机械系统部件的设计要求机械系统部件的设计要求2.2 2.2 机械传动部件的选择与设计机械传动部件的选择与设计2.3 2.3 导向支承部件的选择与设计导向支承部件的选择与设计2.4 2.4 旋转支承部件的类型与选择旋转支承部件的类型与选择 2.5 2.5 轴系部件的选择与设计轴系部件的选择与设计2.6 2.6 机电一体化系统的机座或机架机电一体化系统的机座或机架2.1 2.1 系统部件的设计要求系统部件的设计要求要求：要求：定位精度高、响应速度快、稳定性好。定位精度高、响应速度快、稳定性好。支承部件支承部件：导向支承

2、、旋转支承导向支承、旋转支承轴系轴系架体架体传动部件传动部件线性传动：齿轮、丝杠螺母、蜗轮蜗杆线性传动：齿轮、丝杠螺母、蜗轮蜗杆非线性传动：连杆机构、凸轮机构非线性传动：连杆机构、凸轮机构机械系统机械系统 设计要求与措施设计要求与措施（1 1）缩小反向死区误差缩小反向死区误差（消除传动间隙、（消除传动间隙、减少支承变形）；减少支承变形）；（2 2）采用）采用低摩擦阻力低摩擦阻力的传动部件和导向支的传动部件和导向支承部件；承部件；（3 3）选择）选择最佳传动比最佳传动比，提高分辨率，降低，提高分辨率，降低等效转动惯量；等效转动惯量；（4 4）缩短传动链缩短传动链，提高传动与支承刚度；，提高传动与

3、支承刚度；（5 5）改进支承结构，）改进支承结构，提高刚性提高刚性，减小振动，减小振动和噪声。和噪声。（1 1）摩擦）摩擦：动、静摩擦系数不一样，产生爬行现象。：动、静摩擦系数不一样，产生爬行现象。（2 2）间隙）间隙：本质非线性，影响精度、影响稳定性。：本质非线性，影响精度、影响稳定性。（3 3）惯量）惯量：反映响应快慢。惯量小响应快；：反映响应快慢。惯量小响应快； 惯量影响固有频率的大小。惯量影响固有频率的大小。（4 4）刚度）刚度：刚度大，固有频率大，响应快，不易振动；：刚度大，固有频率大，响应快，不易振动； 但稳定性降低，稳定裕量降低。但稳定性降低，稳定裕量降低。（5 5）阻尼）阻尼：

4、阻尼大，响应慢；：阻尼大，响应慢； 阻尼小，响应快。阻尼小，响应快。 几个动力学概念几个动力学概念: :一、传动部件及其功能要求一、传动部件及其功能要求2.2 2.2 传动部件的选择与设计传动部件的选择与设计 传动机构及其功能传动机构及其功能二、二、 丝杠螺母机构基本传动形式丝杠螺母机构基本传动形式1 1、定义、定义二、二、 丝杠螺母机构基本传动形式丝杠螺母机构基本传动形式2 2、分类及特点、分类及特点 滑动摩擦机构滑动摩擦机构滚动摩擦机构滚动摩擦机构3 3、基本传动形式、基本传动形式(a)螺母固定、丝杆转动并移动螺母固定、丝杆转动并移动(b)丝杠转动、螺母移动丝杠转动、螺母移动(c)螺母转动

5、、丝杠移动螺母转动、丝杠移动(d)丝杠固定、螺母转动并移动丝杠固定、螺母转动并移动(e)差动传动差动传动三、滚珠丝杠副传动部件三、滚珠丝杠副传动部件 1 1、组成及特点、组成及特点 （1 1）滚珠丝杠副）滚珠丝杠副1-1-反向器反向器 2-2-螺母螺母 3-3-丝杠丝杠 4-4-滚珠滚珠 （2 2）构成原理）构成原理（3 3）特点）特点 传动效率高：传动效率高：90%-95%90%-95%。 使用范围广。使用范围广。 运动可逆性好，正负效率相同。运动可逆性好，正负效率相同。 刚度高、无爬行、运动平稳性好。刚度高、无爬行、运动平稳性好。 传动精度高、温升变形小。传动精度高、温升变形小。 摩擦小、

6、寿命长。摩擦小、寿命长。优点优点缺点缺点 无自锁能力。无自锁能力。 制造工艺复杂。制造工艺复杂。2 2、典型结构类型、典型结构类型（1 1）螺纹滚道型面）螺纹滚道型面( (法向法向) )的形状及主要尺寸的形状及主要尺寸 双圆弧型双圆弧型单圆弧型单圆弧型双圆弧滚道双圆弧滚道单圆弧滚道单圆弧滚道（2 2）滚珠的循环方式）滚珠的循环方式 内循环方式内循环方式优点：优点：滚珠循环的回路短、流畅性好、效率高、螺母的径向尺寸也较小。滚珠循环的回路短、流畅性好、效率高、螺母的径向尺寸也较小。缺点：缺点：反向器加工困难、装配调整也不方便。反向器加工困难、装配调整也不方便。结构：结构：实例：实例：浮动式反向器的

7、内循环滚珠丝杠副。浮动式反向器的内循环滚珠丝杠副。反向器反向器拱形片簧拱形片簧弹簧套弹簧套 优点：优点：通道流畅、摩擦特性较好，更适用于高速、高灵敏度、通道流畅、摩擦特性较好，更适用于高速、高灵敏度、 高刚性的精密进给系统。高刚性的精密进给系统。 外循环方式外循环方式(a)(a)螺旋槽式螺旋槽式特点：特点：滚珠循环回路长，流畅性差，效率低；滚珠循环回路长，流畅性差，效率低； 工艺简单，工艺简单，螺母的径向尺寸大，螺母的径向尺寸大，易于制造；易于制造； 挡珠器刚性差，易磨损。挡珠器刚性差，易磨损。(b)(b)插管式插管式插管插管特点：特点：结构结构简单，简单，容易容易制造；制造； 径向尺寸较大，

8、弯管端部容易磨损。径向尺寸较大，弯管端部容易磨损。 外循环方式外循环方式(c)(c)端盖式端盖式特点：特点：结构简单，工艺性好；结构简单，工艺性好； 应用较少，常以单螺母形式用作升降传动机构。应用较少，常以单螺母形式用作升降传动机构。 外循环方式外循环方式3 3、主要尺寸参数、主要尺寸参数公称直径公称直径d d0 0 基本导程基本导程P Ph h ( (或螺距或螺距t)t)： 导程小导程小精度高精度高承载能力小。承载能力小。行程行程滚珠直径滚珠直径 dwdw：应根据轴承厂提供的尺寸选用。应根据轴承厂提供的尺寸选用。滚珠个数滚珠个数N N：一般取一般取 N150Nd 基本导程基本导程PhPh P

9、hPh应按承载能力及传动精度、传动速度选取；应按承载能力及传动精度、传动速度选取；在满足数控机床加工精度的条件下，导程应尽可能取大些。在满足数控机床加工精度的条件下，导程应尽可能取大些。（3 3）选择步骤）选择步骤 最大工作载荷最大工作载荷FmaxFmax（N N）或平均工作载荷）或平均工作载荷FcpFcp； 使用寿命使用寿命T T； 丝杠的工作长度（或螺母的有效行程）丝杠的工作长度（或螺母的有效行程）l l（m m）；）； 丝杠的转速丝杠的转速n n（或平均转速（或平均转速n ncpcp）（）（r/minr/min）；）； 滚道硬度滚道硬度HRCHRC和运转情况。和运转情况。已知条件：已知条

10、件：式中：式中： L-L-滚珠丝杠寿命系数滚珠丝杠寿命系数T T-使用寿命时间（使用寿命时间（h h）p 普通机械为普通机械为5000-10000;5000-10000;p 数控机床及其它机电一体化设备及仪器装置为数控机床及其它机电一体化设备及仪器装置为15000;15000;p 航空机械为航空机械为10001000。)(max3NFffLFWHQ61060nTL 承载能力选择承载能力选择f fw w-载荷系数载荷系数 f fH H-硬度系数硬度系数 F Fmaxmax-最大工作载荷最大工作载荷较大冲击或振动2.51.5中等冲 击1.51.2度冲 击平稳1.21.0fW或轻 454.25056

11、.15.5235.15511.1580.1HRCHRCHRCHRCHRCfH)(max3NFffLFWHQ产生失稳的临界负载产生失稳的临界负载F FK K：22SKKKlEIfF式中：式中： 压杆稳定性核算压杆稳定性核算 丝杠的支承方式系数丝杠的支承方式系数f fK K-丝杠两端支承距离丝杠两端支承距离l lS S-丝杠材料弹性模量；丝杠材料弹性模量；E-E-丝杠小径）丝杠小径）截面惯性矩截面惯性矩= =d dd dI II-I-2 24 42 2( (6464支承方式支承方式f fK K双推双推- -双推双推4 4单推单推- -单推单推1 1双推双推- -简支简支2 2双推双推- -自由式自

12、由式0.250.25 刚度的验算刚度的验算 IETPEAFPLhh22丝杠材料弹性模量；丝杠材料弹性模量；E-E-式中：式中：丝杠小径）丝杠小径）截面惯性矩截面惯性矩= =d dd dI II-I-2 24 42 2( (6464丝杠的最小截面积；丝杠的最小截面积；A-A-扭矩。扭矩。T-T-机电一体化系统中，常用的齿轮传动部件：机电一体化系统中，常用的齿轮传动部件：四、齿轮传动部件四、齿轮传动部件 轮系的类型轮系的类型轮系轮系定轴轮系定轴轮系空间定轴轮系空间定轴轮系平面定轴轮系平面定轴轮系行星轮系行星轮系谐波齿轮谐波齿轮作用：作用：转矩、转速和转向的变换器。转矩、转速和转向的变换器。（1 1

13、）在伺服系统中）在伺服系统中, ,齿轮传动比应满足驱动部件与负载之间位移齿轮传动比应满足驱动部件与负载之间位移, ,转矩转矩, ,转速的匹配要求。不但要求其具有足够的刚度转速的匹配要求。不但要求其具有足够的刚度, ,还要求其还要求其转动惯量尽量小转动惯量尽量小, ,以便在同一驱动功率时以便在同一驱动功率时, ,加速度响应最大加速度响应最大。（2 2）在伺服系统中）在伺服系统中, ,通常采用通常采用负载角加速度最大原则负载角加速度最大原则选择总传动选择总传动比比, ,以提高伺服系统的响应速度。以提高伺服系统的响应速度。（3 3）齿轮的啮合间隙会造成传动死区）齿轮的啮合间隙会造成传动死区( (失动

14、量失动量) )，若该死区是在，若该死区是在闭环系统中，则可能造成系统不稳定，常会使系统产生以闭环系统中，则可能造成系统不稳定，常会使系统产生以1 15 5倍间隙而进行的低频振荡。倍间隙而进行的低频振荡。 1 1、传动比的最佳匹配选择、传动比的最佳匹配选择 图中：图中： J Jmm电动机电动机M M的转子的转动惯量；的转子的转动惯量； mm电动机电动机M M的角位移；的角位移； J JLL负载负载L L的转动惯量；的转动惯量； LL负载负载L L的角位移；的角位移； T TLF LF 摩擦阻抗转矩；摩擦阻抗转矩； i i齿轮系齿轮系G G的总传动比。的总传动比。 电机、传动装置和负载的传动模型电

15、机、传动装置和负载的传动模型 通常选择相等的各级传动比。通常选择相等的各级传动比。 2 2、各级传动比的最佳分配原则、各级传动比的最佳分配原则 （1 1）重量最轻原则）重量最轻原则 i i1 1=i=i2 2=i=i3 3=ni 回曲式齿轮传动链回曲式齿轮传动链伺 服电 动 机181715 161413111210978654213 小功率传动装置小功率传动装置 各级传动比表现为各级传动比表现为“前大后小前大后小”的传动比分的传动比分配方式。配方式。 大功率传动装置两级传动比曲线大功率传动装置两级传动比曲线（i i1010时时, ,使用图中的虚线）使用图中的虚线） 10754321102030

16、 40 507010012345710i1i2i1i2iik 大功率传动装置大功率传动装置大功率传动装置三级传动比曲线大功率传动装置三级传动比曲线（ i i 100 100时时, ,使用图中的虚线）使用图中的虚线） 302010987653210203040 501001002003005001000i1iiki2i3i1i2i3例例 设设n3,i202,求各级传动比。求各级传动比。解解 查图可得查图可得 i112，i25， i33.4 （2 2） 输出轴转角误差最小原则输出轴转角误差最小原则3i2412i15i36i478输 出niknki1)(max 以四级齿轮减速传动链为例以四级齿轮减速

17、传动链为例该传动链输出轴的总转动角误差该传动链输出轴的总转动角误差maxmax为为 如果从输入端到输出端的如果从输入端到输出端的各级传动比按各级传动比按“前小后大前小后大”原原则则排列排列, ,则总转角误差较小。则总转角误差较小。847643544323243211maxiiiiiiiii i（3 3）等效转动惯量最小原则）等效转动惯量最小原则 MJ1i1J2J1J3i2电动机驱动的两级齿轮传动电动机驱动的两级齿轮传动 小功率传动装置小功率传动装置等效到电机轴上的总转动惯量为等效到电机轴上的总转动惯量为：2210210J)11 (1)(21412222114121212111212221112

18、112122432121iiiiiiiiiiJJJiiiJJiJiiJJiJJJ可解得：令 则有则有 式中：式中： i i1 1、 i i2 2 齿轮系中第一、第二级齿轮副的传动比；齿轮系中第一、第二级齿轮副的传动比； I I 齿轮系总传动比齿轮系总传动比, , i i = = i i1 1 i i2 2。 3/26/123/112)2(iiii同理同理, ,对于对于n n级齿轮系级齿轮系, ,则有则有 结论：传动比分配的结果应遵循结论：传动比分配的结果应遵循“前小后大前小后大”的原则。的原则。 122222)1(2121)12(2121nknkniiiinnn大功率传动装置确定传动级数曲线大

19、功率传动装置确定传动级数曲线1005010转 动 惯 量 比Je/J10101002561000总 传 动 比in 1n 2n 3n 4n 5 传动比分配的基本原则仍符合传动比分配的基本原则仍符合“前小后大前小后大”。 大功率传动装置大功率传动装置大功率传动装置确定第一级传动比曲线大功率传动装置确定第一级传动比曲线105ik86420101001000n 1n 2n 3n 4n 5总 传 动 比i大功率传动装置确定各级传动比曲线大功率传动装置确定各级传动比曲线 10ik8642123468 101246810ik 1123468BA （1 1） 对于对于传动精度要求高传动精度要求高的降速齿轮传

20、动链的降速齿轮传动链, ,可按可按输出输出轴转角误差最小原则轴转角误差最小原则设计。设计。 （2 2） 对于要求对于要求运转平稳、启停频繁和动态性能好的运转平稳、启停频繁和动态性能好的降降速传动链速传动链, ,可按可按等效转动惯量最小原则和输出轴转角误差最等效转动惯量最小原则和输出轴转角误差最小原则小原则设计。设计。 （3 3） 对于要求对于要求质量尽可能小质量尽可能小的降速传动链的降速传动链, ,可按可按质量最质量最小原则小原则设计。设计。 原则的选定原则的选定3 3、谐波齿轮传动、谐波齿轮传动 组成组成（1 1）工作原理）工作原理 特点特点 工作原理工作原理三波传动三波传动刚轮刚轮柔轮柔轮

21、双波传动双波传动滚轮滚轮转臂转臂刚轮刚轮1 1柔轮柔轮2 2波发生器波发生器H H 谐波减速器谐波减速器rgHgHrHrgZZi柔柔轮轮的的齿齿数数刚刚轮轮的的齿齿数数波波形形发发生生器器的的角角速速度度柔柔轮轮的的角角速速度度刚刚轮轮的的角角速速度度 rgHrgZZ （2 2）传动比的计算）传动比的计算 谐波齿轮减速器的标注方法谐波齿轮减速器的标注方法例如，例如，XBD 100-125-250-XBD 100-125-250- 柔轮小径为柔轮小径为100mm100mm，传动比为，传动比为125125，输出转矩为，输出转矩为250Nm250Nm， 精度等级为普通级，卧式双轴伸出型谐波减速器。精

22、度等级为普通级，卧式双轴伸出型谐波减速器。 圆柱齿轮传动圆柱齿轮传动4 4、齿轮传动间隙的调整方法、齿轮传动间隙的调整方法（1 1）偏心套调整法）偏心套调整法（2 2）轴向垫片调整法）轴向垫片调整法（3 3）双片薄齿轮错齿调整法）双片薄齿轮错齿调整法 斜齿轮传动斜齿轮传动双片薄齿轮错齿调整法双片薄齿轮错齿调整法（1）偏心套（轴）调整法）偏心套（轴）调整法特点：特点： 结构简单，但其侧隙结构简单，但其侧隙不能自动补偿。不能自动补偿。偏心套偏心套电机电机减速箱减速箱小齿轮小齿轮大齿轮大齿轮（2）轴向垫片调整法）轴向垫片调整法特点：特点： 结构简单，但其侧隙结构简单，但其侧隙不能自动补偿。不能自动补

23、偿。小齿轮小齿轮大齿轮大齿轮垫片垫片 周向弹簧式周向弹簧式1-1-短柱；短柱；2-2-弹簧；弹簧；3 3、4-4-薄片齿轮薄片齿轮（3)3)双片薄齿轮错齿调整法双片薄齿轮错齿调整法左侧薄片齿轮左侧薄片齿轮右侧薄片齿轮右侧薄片齿轮特点：特点： 这种调整法结构较复杂，传动刚度低，不宜传递大扭矩，这种调整法结构较复杂，传动刚度低，不宜传递大扭矩，对齿轮的齿厚和齿距要求较低，可始终保持齿侧无间隙啮合，对齿轮的齿厚和齿距要求较低，可始终保持齿侧无间隙啮合，尤其适用于检测装置。尤其适用于检测装置。 可调拉簧式可调拉簧式薄片齿轮薄片齿轮薄片齿轮薄片齿轮凸耳凸耳弹簧弹簧螺母螺母螺钉螺钉(4) (4) 斜齿轮传

24、动斜齿轮传动 垫片错齿调整法垫片错齿调整法特点：特点： 结构比较简单，调整较费结构比较简单，调整较费时，且齿侧隙不能自动补偿。时，且齿侧隙不能自动补偿。薄片齿轮薄片齿轮薄片齿轮薄片齿轮宽齿轮宽齿轮垫片垫片 轴向压簧错齿调整法轴向压簧错齿调整法调整螺母调整螺母弹簧弹簧薄片齿轮薄片齿轮宽齿轮宽齿轮特点：特点： 齿侧隙可以自动补偿，齿侧隙可以自动补偿，但轴向尺寸较大，结构欠紧凑。但轴向尺寸较大，结构欠紧凑。轴轴机电一体化系统中，常用的挠性传动部件：机电一体化系统中，常用的挠性传动部件：五、挠性传动部件五、挠性传动部件 特点特点 1 1、同步齿形带传动、同步齿形带传动 （1 1）传动比准确，传动效率高

25、；）传动比准确，传动效率高； （2 2）工作平稳，能吸收振动；）工作平稳，能吸收振动； （3 3）不需要润滑，维护保养方便；）不需要润滑，维护保养方便；（4 4）中心距要求严格，安装精度要求高；）中心距要求严格，安装精度要求高； （5 5）制造工艺复杂，成本高。）制造工艺复杂，成本高。 结构结构 1- 1-带背，带背，2-2-强力层，强力层，3-3-包布层，包布层，4-4-带齿。带齿。包布层包布层材料：材料：尼龙布尼龙布带齿带齿材料：材料：氯丁橡胶为基体氯丁橡胶为基体强力层强力层材料：材料：钢丝，玻璃纤维，芳香族聚酰胺纤维（芳纶）钢丝，玻璃纤维，芳香族聚酰胺纤维（芳纶） 特点特点: :钢带与带

26、轮间接触面积大、无间隙、摩擦阻力大；无钢带与带轮间接触面积大、无间隙、摩擦阻力大；无滑动、结构简单紧凑、运行可靠、噪声低、驱动力大、寿命长，滑动、结构简单紧凑、运行可靠、噪声低、驱动力大、寿命长，钢带无蠕变。钢带无蠕变。 钢带传动定位机构钢带传动定位机构1 1导杆；导杆；2 2轴承；轴承；3 3小车；小车；4 4导轨；导轨；5 5磁头；磁头；6 6钢带；钢带；7 7步进电动机步进电动机 2 2、刚带传动、刚带传动 优点优点: :结构简单、传动刚度大、结构柔软、成本低、噪声低等。结构简单、传动刚度大、结构柔软、成本低、噪声低等。 缺点缺点: :带轮较大，安装面积大、加速度不易太高。带轮较大，安装

27、面积大、加速度不易太高。 绳轮传动在打印机字车送进机绳轮传动在打印机字车送进机构中的应用构中的应用1 1字车；字车；2 2绳轮绳轮( (电动机输出轴上电动机输出轴上) )；3 3伺服电动机；伺服电动机；4 4钢丝绳钢丝绳 3 3、绳轮传动、绳轮传动 六、间歇传动机构六、间歇传动机构 1 1、棘轮传动机构、棘轮传动机构 摇杆摇杆棘爪棘爪棘轮棘轮止动爪止动爪 组成组成 工作过程工作过程 棘轮机构分类棘轮机构分类 单向式棘轮机构单向式棘轮机构双向式棘轮机构双向式棘轮机构轮轮齿齿式式棘棘轮轮机机构构摩摩擦擦式式棘棘轮轮机机构构棘棘轮轮机机构构偏心楔块式棘轮机构偏心楔块式棘轮机构滚子楔紧式棘轮机构滚子楔

28、紧式棘轮机构单动式棘轮机构单动式棘轮机构双动式棘轮机构双动式棘轮机构 机构的形式机构的形式 特点特点齿式棘轮机构齿式棘轮机构：运动可靠，从动棘轮容易实现有级调节；：运动可靠，从动棘轮容易实现有级调节； 但是有噪声、冲击，轮齿易摩损，高速时尤其但是有噪声、冲击，轮齿易摩损，高速时尤其 严重，常用于严重，常用于低速、轻载低速、轻载的间歇传动。的间歇传动。摩擦式摩擦式棘轮机构棘轮机构：平稳无噪音，从动件可以无极变化，打滑。：平稳无噪音，从动件可以无极变化，打滑。 精度不高。精度不高。 1 1间歇进给间歇进给 牛头刨床牛头刨床 (a) (a) 牛头刨床示意图；牛头刨床示意图； (b) (b) 牛头刨床工作台横向进给机构牛头刨床工作台横向进给机构 应用应用2 2制动器制动器 棘轮机构还可以起到制动的作用。在一些起重设备或牵引设棘轮机构还可以起到制动的作用。在一些起重设备或牵引设备中，经常用棘轮机构作为制动器，以防止机构的逆转。备中，经常用棘轮机构作为制动器，以防止机构的逆转。 超越式棘轮机构超越式棘轮机构1-1-链轮；链轮；2-2-链条；链条；3-3-带棘齿链轮；带棘齿链轮； 4-4-棘爪；棘爪；5-5-后轮轴后轮轴 3 3超越超越 2 2、槽轮传动机构、槽轮传动机构 o21 12 2o1锁止弧锁止弧槽轮槽轮拨盘拨盘圆销