机械设计基础第16章_直线运动导轨

1、1.作用：按给定的方向和要求作往复直线运动作用：按给定的方向和要求作往复直线运动 。2.组成：导轨是由运动件和承导件这两部分组成。组成：导轨是由运动件和承导件这两部分组成。3.原理：由承导件限制运动件（刚体）的五个自由度，仅原理：由承导件限制运动件（刚体）的五个自由度，仅保留一个方向移动自由度形成如图保留一个方向移动自由度形成如图16-1b、c、d所示。所示。16.116.1直线运动导轨的作用、原理、分类与基本要求直线运动导轨的作用、原理、分类与基本要求 第十六章第十六章 直线运动导轨直线运动导轨116.1.1 直线运动导轨的分类直线运动导轨的分类1. 按摩擦性质分按摩擦性质分 滑动摩擦导轨滑

2、动摩擦导轨 滚动摩擦导轨滚动摩擦导轨 弹性摩擦导轨弹性摩擦导轨 流体摩擦导轨流体摩擦导轨2. 按结构特点分按结构特点分 力封式导轨力封式导轨 借助外力保证运动件和承导件导轨面间的接触。借助外力保证运动件和承导件导轨面间的接触。 自封式导轨自封式导轨 依靠导轨本身的几何形状保证运动件和承导件依靠导轨本身的几何形状保证运动件和承导件导轨面间的接触。可以承受倾覆力矩。导轨面间的接触。可以承受倾覆力矩。21.导向精度导向精度导轨面几何精度导轨面几何精度：直线度、平行度、接触精度：直线度、平行度、接触精度导向精度：运动件按规定的运动方向作直线运动导向精度：运动件按规定的运动方向作直线运动 ，其轨，其轨迹

3、与理想轨迹的相似程度迹与理想轨迹的相似程度 。2.基本要求基本要求运动轻便、平稳、低速时无爬行现象运动轻便、平稳、低速时无爬行现象耐磨性好耐磨性好 、 精度保持性精度保持性对温度变化的不敏感性对温度变化的不敏感性足够的刚度足够的刚度结构工艺好结构工艺好16.1.2 直线运动导轨的基本要求和精度直线运动导轨的基本要求和精度3特点：运动件与承导件直接接触。特点：运动件与承导件直接接触。优点：结构简单、接触刚度大。优点：结构简单、接触刚度大。缺点：摩擦阻力大、磨损快、低速运动时易产生爬行现象。缺点：摩擦阻力大、磨损快、低速运动时易产生爬行现象。16.2 16.2 滑动摩擦导轨滑动摩擦导轨16.2.1

4、 圆柱面导轨圆柱面导轨优点：加工和检验比较简单，易于达到较高精度。优点：加工和检验比较简单，易于达到较高精度。缺点：对温度变化比较敏感，间隙不能调整。缺点：对温度变化比较敏感，间隙不能调整。防转结构（单根导轨有俩自由度，需防止转动）。防转结构（单根导轨有俩自由度，需防止转动）。导轨的配合（导向精度要求不高，可选用导轨的配合（导向精度要求不高，可选用H8/f7H8/f7或或H8/g7 H8/g7 ）。）。导轨的表面粗糙度（通常导轨的精度等级决定表面粗糙度导轨的表面粗糙度（通常导轨的精度等级决定表面粗糙度 ）。）。45有防转结构的圆柱面导轨有防转结构的圆柱面导轨6 棱柱面导轨其承导面为几个平面组成

5、的棱柱面，主要棱柱面导轨其承导面为几个平面组成的棱柱面，主要的基本形式有三角形导轨、矩形导轨、燕尾形导轨。的基本形式有三角形导轨、矩形导轨、燕尾形导轨。 16.2.2 棱柱面导轨棱柱面导轨716.2.3 滑动导轨间隙调整滑动导轨间隙调整81导轨的几何参数导轨的几何参数 导轨的长宽比导轨的长宽比L/bL/b愈大，导轨的导向精度愈高。三角形愈大，导轨的导向精度愈高。三角形导轨的顶角导轨的顶角愈小，则导向性愈好。愈小，则导向性愈好。2导轨的刚度导轨的刚度3耐磨性耐磨性合理选择导轨的材料及热处理提高导轨的耐磨性合理选择导轨的材料及热处理提高导轨的耐磨性减小导轨面压强提高导轨的耐磨性减小导轨面压强提高导

6、轨的耐磨性 16.2.4 滑动导轨设计应注意的几个重要问题滑动导轨设计应注意的几个重要问题910 保证导轨良好的润滑提高导轨的耐磨性保证导轨良好的润滑提高导轨的耐磨性 提高导轨的精度提高导轨的耐磨性提高导轨的精度提高导轨的耐磨性 精密车床的床身导轨在垂直面内的直线度误差只允许上精密车床的床身导轨在垂直面内的直线度误差只允许上凸凸 适当减小导轨工作面的粗糙度，可提高耐磨性适当减小导轨工作面的粗糙度，可提高耐磨性 4运动平稳性运动平稳性 导轨运动的不平稳性主要表现是运动件低速运动时速度导轨运动的不平稳性主要表现是运动件低速运动时速度不均匀，运动不灵活，运动件出现时快时慢、时动时停的不均匀，运动不灵

7、活，运动件出现时快时慢、时动时停的爬行现象爬行现象。爬行现象不仅影响工作台稳定移动，同时也影。爬行现象不仅影响工作台稳定移动，同时也影响工作台的定位精度，最终影响整个仪器的精度。滑动和响工作台的定位精度，最终影响整个仪器的精度。滑动和滚动导轨在低速微位移的条件下，均有爬行现象，滑动导滚动导轨在低速微位移的条件下，均有爬行现象，滑动导轨更是明显。轨更是明显。11减小导轨运动件爬行的方法减小导轨运动件爬行的方法：(1)减小动、静摩擦系数之差；减小动、静摩擦系数之差；(2) 减小运动件的质量；减小运动件的质量；(3) 提髙传动系统的刚度。提髙传动系统的刚度。5.温度变化对导轨间隙的影响温度变化对导轨

8、间隙的影响承导件和运动件最好用膨胀系数相同或相近的材料。承导件和运动件最好用膨胀系数相同或相近的材料。温度影响验算温度影响验算 保证导轨在工作时不卡住保证导轨在工作时不卡住 min=0 保证导轨的工作精度保证导轨的工作精度 max= max12 型式型式 运动件和承导件之间放置滚动体（滚珠、滚柱、滚动轴运动件和承导件之间放置滚动体（滚珠、滚柱、滚动轴承等）承等） 特点特点 摩擦系数小、运动灵便，不易出现爬行现象；摩擦系数小、运动灵便，不易出现爬行现象； 定位精度高；定位精度高； 磨损较小，寿命长，润滑方便；磨损较小，寿命长，润滑方便； 结构较为复杂，加工较困难，成本较高；结构较为复杂，加工较困

9、难，成本较高； 对脏物及导轨面的误差比较敏感。对脏物及导轨面的误差比较敏感。 常见的类型：滚珠导轨、滚柱导轨、滚动轴承导轨。常见的类型：滚珠导轨、滚柱导轨、滚动轴承导轨。16.3 16.3 滚动摩擦导轨滚动摩擦导轨16.3.1 滚动导轨的类型及结构特点滚动导轨的类型及结构特点13过盈预紧过盈预紧16.3.2 滚动导轨的预紧滚动导轨的预紧14移动预紧移动预紧1516.3.3 导轨主要参数的确定导轨主要参数的确定1.运动件的长在满足导轨最大位移运动件的长在满足导轨最大位移Smax的前提下，应尽可能的前提下，应尽可能减小运动件的长度减小运动件的长度L L。 运动件长度计算简图运动件长度计算简图16

10、隔离架的速度与左边隔离架的速度与左边滚道滚珠中心的移动速度滚道滚珠中心的移动速度相同，为运动件移动速度相同，为运动件移动速度之半。当运动件移动之半。当运动件移动Smax时，隔离架只移动时，隔离架只移动Smax/ 2。 2. 隔离架限动槽长度隔离架限动槽长度b和平椭圆长度和平椭圆长度B17 承载能力与滚动体的数量承载能力与滚动体的数量z z和滚动体直径和滚动体直径d d2 2成正比。成正比。提髙接触刚度，增大直径比增加数目更为有利。另外，滚提髙接触刚度，增大直径比增加数目更为有利。另外，滚动体的直径越大，滚动摩擦系数越小，滚动导轨的摩擦阻动体的直径越大，滚动摩擦系数越小，滚动导轨的摩擦阻力也越小

11、。力也越小。般规定最小直径为般规定最小直径为68 mm。3. .滚动体的大小和数量滚动体的大小和数量18 滚动导轨的强度计算主要是滚动体与导轨面间受力滚动导轨的强度计算主要是滚动体与导轨面间受力后的后的接触强度接触强度，核算每个滚动体所承受的最大压力，核算每个滚动体所承受的最大压力Fmax 是否超过导轨材料接触强度所允许的最大压力是否超过导轨材料接触强度所允许的最大压力Fa，即：，即： FmaxFa。 对于滚动导轨的刚度计算，本质上是计算对于滚动导轨的刚度计算，本质上是计算接触变形接触变形。由。由于导轨运动件一般刚性较大、变形较小，因此在导轨设计于导轨运动件一般刚性较大、变形较小，因此在导轨设

12、计时应主要考虑滚珠与承导面接触面积较小所导致的较大的时应主要考虑滚珠与承导面接触面积较小所导致的较大的接触变形，而这种变形严重的影响导轨运动的直线性。具接触变形，而这种变形严重的影响导轨运动的直线性。具体有关滚动导轨的强度与刚度计算见体有关滚动导轨的强度与刚度计算见“机床设计手册机床设计手册”。4 4滚动导轨的强度与刚度滚动导轨的强度与刚度19 对滚动导轨材料的主要要求是对滚动导轨材料的主要要求是硬度高、性能稳定以及良好硬度高、性能稳定以及良好的加工性能的加工性能。 滚动体的材料一般采用滚动轴承钢（滚动体的材料一般采用滚动轴承钢（GCr15），淬火硬度），淬火硬度60 66HRC。 常用的导轨

13、材料有：常用的导轨材料有： 1. 低碳合金钢低碳合金钢 如如20Cr，经渗碳（深度，经渗碳（深度11.5mm）淬火，渗）淬火，渗碳层硬度可达碳层硬度可达6063HRC。 2. 合金结构钢合金结构钢 如如40Cr，淬火后低温回火，硬度可达，淬火后低温回火，硬度可达4550HRC。加工性能良好，但硬度较低。加工性能良好，但硬度较低。 3. 合金工具钢合金工具钢 如铬钨锰钢（如铬钨锰钢（CrWMn）、铬锰钢）、铬锰钢 （CrMn），），淬火后低温回火，硬度可达淬火后低温回火，硬度可达6064HRC。这种材料的性能稳定，。这种材料的性能稳定，可以制造变形小、耐磨性高的导轨。可以制造变形小、耐磨性高的导

14、轨。 4. 氮化钢氮化钢 如铬钼铝钢（如铬钼铝钢（38CrMoAlA）或铬铝钢（）或铬铝钢（38CrAl），），经调质或正火后，表面氮化，可得很高的表面硬度（经调质或正火后，表面氮化，可得很高的表面硬度（850HV），），但硬化层很薄（但硬化层很薄（0.5mm以下），加工时应注意。以下），加工时应注意。 5. 铸铁铸铁 例如某些仪器中采用铬钼铜合金铸铁，硬度可达例如某些仪器中采用铬钼铜合金铸铁，硬度可达230240HBS，加工方便，滚动体用滚柱，一般可满足使用要，加工方便，滚动体用滚柱，一般可满足使用要求。求。16.3.4 滚动导轨的材料和热处理滚动导轨的材料和热处理2016.4 16.4 滑

15、动导轨与滚动导轨设计应注意的几个问题滑动导轨与滚动导轨设计应注意的几个问题16.4.1 导轨主要尺寸的确定导轨主要尺寸的确定1导轨宽度导轨宽度B 导轨宽度与导轨的承载能力有关导轨宽度与导轨的承载能力有关 wBPL=W已知载荷已知载荷L 为导轨长度为导轨长度 P 合理的压强合理的压强2. V形导轨角度形导轨角度 V形导轨角度以采用形导轨角度以采用90。小于。小于90 。角可以提髙导向性，角可以提髙导向性，但磨损会使精度急剧降低。但磨损会使精度急剧降低。过小还会使工作台移动时有楔紧作用，增大摩擦阻力。过小还会使工作台移动时有楔紧作用，增大摩擦阻力。大于大于90。角，能减少压强，但导向较差。角，能减

16、少压强，但导向较差。式中：式中：213. 二条导轨的间距二条导轨的间距LA 导轨间距，应在保证运动件工作稳定的前提下，尽可能取导轨间距，应在保证运动件工作稳定的前提下，尽可能取小值小值。4. 运动件的长度运动件的长度 取较长运动件导轨，有取较长运动件导轨，有利于改善利于改善导向精度导向精度和和工作工作的可靠性的可靠性。如图所示，当。如图所示，当存在导轨间隙存在导轨间隙时，时， 运运动件倾斜角动件倾斜角/L与导与导轨长度轨长度L有关，有关，L愈大，愈大，愈小，间隙对导轨的精度愈小，间隙对导轨的精度影响也愈小。影响也愈小。22 运动件导轨长度对导向精度的影响运动件导轨长度对导向精度的影响减小倾覆力

17、矩，使运动件不被卡住减小倾覆力矩，使运动件不被卡住22cos(1)sin(1)0VVVf dhbffLLL16.4.2 驱动力方向和作用点对导轨工作的影响驱动力方向和作用点对导轨工作的影响1.单根圆柱导轨驱动力方向和作用点对导轨工影响单根圆柱导轨驱动力方向和作用点对导轨工影响23 驱动力方向和作用点对导轨工作的影响驱动力方向和作用点对导轨工作的影响 （不同截面形状的组合导轨，摩擦力合力位置决定驱不同截面形状的组合导轨，摩擦力合力位置决定驱动元件的位置动元件的位置）2. 三角形三角形平面组合导轨驱动力方向和作用点对平面组合导轨驱动力方向和作用点对导轨工作的影响导轨工作的影响24l优点优点 摩擦力

18、极小；摩擦力极小； 没有磨损，不需润滑；没有磨损，不需润滑； 运动灵便性高；运动灵便性高； 当运动件位移足够小时，精度很高，可达极高分辨率。当运动件位移足够小时，精度很高，可达极高分辨率。l缺点缺点 只能作很小的移动。只能作很小的移动。16.5 16.5 其它类型的导轨简介其它类型的导轨简介16.5.1 弹性摩擦导轨弹性摩擦导轨2526 导轨面间通入压力油或压缩空气，使运动件浮起，保导轨面间通入压力油或压缩空气，使运动件浮起，保证液体或气体摩擦。证液体或气体摩擦。 液体静压导轨液体静压导轨 分类分类：开式静压导轨：开式静压导轨 闭式静压导轨闭式静压导轨 优点优点：摩擦系数小、无磨损、承载能力大

19、、导轨温升：摩擦系数小、无磨损、承载能力大、导轨温升小、抗振性好。小、抗振性好。 气体静压导轨气体静压导轨 开式、闭式、负压吸浮式气垫导轨开式、闭式、负压吸浮式气垫导轨16.5.2 静压导轨静压导轨27 开式静压导轨开式静压导轨结构简单，但承受倾覆结构简单，但承受倾覆力矩的能力较差力矩的能力较差。返回返回28闭式静压导轨闭式静压导轨返回返回29负压吸浮式气垫的工作原理负压吸浮式气垫的工作原理返回返回30气体静压导轨气体静压导轨两坐标负压吸浮式气垫导轨两坐标负压吸浮式气垫导轨31导向精度导向精度导轨间的平行度导轨间的平行度32导向精度导向精度导轨在垂直平面和水平面内的导轨在垂直平面和水平面内的直

20、线度直线度33返回 34接触精度接触精度l精密仪器的滑（滚）动导轨，在全长上的接触应达到精密仪器的滑（滚）动导轨，在全长上的接触应达到80%，在全宽上达在全宽上达70%。刮研导轨表面，每。刮研导轨表面，每2525mm2的面积内，的面积内，接触点数不少于接触点数不少于20点。一般对导轨接触精度检查是采用着点。一般对导轨接触精度检查是采用着色法。色法。l精密仪器动导轨的表面粗糙度精密仪器动导轨的表面粗糙度Ra1.60.8m，支承导轨，支承导轨的的Ra0.800.20m。对于淬硬导轨的表面粗糙度，应比。对于淬硬导轨的表面粗糙度，应比上述上述Ra的值提高一级。滚动导轨的表面粗糙度应小于的值提高一级。滚动导轨的表面粗糙度应小于Ra0.20m。返回35双三角形导轨双三角形导轨 导向精度高、承载能力大、精度保持性好；对温度变化较敏感。导向精度高、承载能力大、精度保持性好；对温度变化较敏感。返回 36三角形三角形平面导轨平面导轨 导向