滚动直线导轨副反向器的设计

河南机电高等专科学校毕业设计说明书论文题目：滚动直线导轨副反向器的设计系部：机械工程系专业：机械制造与自动化班级：机制061学生姓名：王生伟学号：060114123指导教师：程雪利2009年5月22日第1章绪论1.1引言随着数控技术和机电一体化的普及和发展，机械传动机构的定位精度、导向的精度和进给速度在不断提高。传统的导向机构发生了重大变化，从七十年代中期开始，直线滚动导轨以其独有特点在越来越多的领域中得到应用。直线滚动导轨一般有导轨、滑动块、反向器、滚动体和保持器等组成。它是一种新型的作为相对往复直线运动的滚动支承。能以滑块和导轨见的钢球滚动来代替直接的滑动接触，并且滚动体可以在滚道和滑块内实现无限循环。基于结构上的特点，与滚动导轨相比，它具有卓越的特点和优良的使用性能。1.1.1摩擦特性滚动直线导轨副在摩擦特性方面具有突出的优点，其摩擦阻力比滑动导轨小的多，摩擦系数u=0.002.0.004为滑动导轨的1/50左右，起动摩擦和动摩擦接近相等。在速度变化时u值稳定，运动轻快、灵活、平稳。因而可实现高速运动，提高了生产效率。1.1.2运动精度滚动直线导轨副的摩擦系数极小，因此在起动是无颤动，低速下运动无爬行现象。当施加愈加载荷时可以消除间隙，提高刚性和精度。此外具有自动调心补偿安装基面误差的功能。故其整体运动精度高，因此可制成高精度高性能的机械。另外，由于滚动直线导轨具有很好的误差均化功能。1.1.3寿命特点

滚动直线导轨副具有较好的承载特性，可以承受不同方向的力和力矩载荷。大部分的能量以磨损的形式消耗掉，因而磨损快，难以长期维持精度。相反，滚动直线导轨副摩擦小、磨损小及温升小，可以长期维持高精度，具有较长的精度寿命。1.1.4承载特性滚动直线导轨副具有较好的承载特性，可以承受不同方向的力和力矩载荷，可承受上下、左右的力及颠簸力矩、摇动力矩和摆动力矩等。具有很好的载荷适应性。在设计制造中加以适当预加载荷，可以增加阻尼以提高抗震性，同时可消除高频振动现象。如图1.1所示图1.1滚动直线导轨副的承载类型1.1.5经济性能滚动直线导轨副因其摩擦阻力小、磨损小以及润滑维修保养容易，故维修成本低廉。此外，滚动直线导轨还有很好的互换性，易行成标准化、系列化，并有专业厂家成批生产，使用户选用十分方便，从而缩短了设计工时。另外节能省油使滚动直线导轨副的又以显著特点。总之，滚动直线导轨副作为一种新型支承部件由于在许多方面都具有突出特点，因而近年来被广泛应用于各种数控机床、加工中心精密工作台、工业机器人及医疗器械、检测仪器、轻工机械、运输机械之中，促进了机械工业的技术进步，带来了巨大的经济效益。

1.2滚动直线导轨副的发展概况原始的滚动直线导轨副使1932年法国专利局公司公布的一项专利，如图1.2所示。但由于当时设计制造者水平的限制，使得这种新型导轨的承载能力差、刚性低且装配复杂、易出故障等原因，从而使滚动直线导轨副的研究和应用迟缓至20世纪90年代。20世纪90年代以来，随着机械化高精度节能及耐久性的要求越来越高，促进了对滚动导轨的研究。日本THK公司提出了L/B型直线滚珠花键的专利，并应用于各种机械之中。接着便是圆柱型筒式直线导轨的问世。经过四十年的发展，滚动直线导轨副以日趋成为国际通用的一种支承和传动装置。鉴于此况，1979年国际标准化组织滚动轴承技术委员会成立了直线运动球轴承分委会。图1.2滚动直线导轨副的雏形进入80年代以来，随着工业的发展和技术的进步，直线运动球轴承由于承载小、刚性差等原因，使用范围受到限制，己不能满足要求。从1982年开始，日本精工NSK公司和THK公司对滚动直线导轨进行了一系列的开发和研究工作，研制出许多新型类型，并在世纪生产中得到了广泛应用。目前，国内在导轨制造方面处于仿制阶段，其中汉江机床厂和南京工艺设备厂在产品试制方面已有大量工作，产品基本形成系列化。但由于生产技术、产品质量等方面的原因，在实际中还没有得到广泛应用，在很大程度上依然依靠进口来解决。1.3滚动直线导轨副的研究现状及设计内容滚动直线导轨副是一项技术密集型产品，需要有先进的技术装备和较大的投资才能大规模生产。目前世界上只有先进工业国家（日本THK/NSK/IKO公司、瑞典的SKF公司、德国的INA公司及美国的汤姆森公司）在滚动直线导轨副的生产研究和开发新产品方面处于领先水平，而且各企业都有内部制定的标准、产品的性能等级，形状也千差万别。基础研究文献也十分罕见由此说明基础研究十分不成熟。在我国，基础理论研究工作正在逐步展开，有些研究所及高等院校已做了大量工作。特别是华中理工大学的孙健利教授已取得了很大成就完成了刚度理论及其计算研究。导轨的寿命计算研究、基本定载荷的研究也取得了很大成绩。特别是反向器的设计逐步趋于完善成熟。反向器是滚动直线导轨的一个重要功能部件，也是目前对滚动导轨研究所急需解决的问题。本文工作的重点就是在理论上研究的基础上完成反向器的结构设计，从而进一步完成整个直线导轨副的设计打下基础。本设计工作主要反映在以下几个方面。（1）介绍滚动直线导轨的发展情况及其研究现状；（2）以回珠效率为基准选取了回珠曲线的曲率半径，并对其进行了分析；（3）对反向器回珠曲线进行了设计；（4）对滚动直线导轨副的进行了设计，包括反向器的结构、滑块与导轨、润滑和密封装置。第2章滚动直线导轨副反向器回珠曲线的设计2.1反向器的作用及设计要求2.1.1反向器的作用在直线滚动导轨副的滑块两端装有使钢球循环滚动的端盖，称为反向器。其作用使将从受载滚道中出来的钢球的运动平稳的改变180°，使钢球沿滑块中的直线回程道返回滚道入口处。在反向器内加工有相应的回珠滚槽，钢球就通过回珠沟槽实现方向过程。反向器是循环回程的重要环节，是产生摩擦力、振动噪声等现主要来源之一。特别是当摩擦力过大时回产生钢球堵塞现象，影响滚动导轨的传动效率，特别是回球槽开设的不合理时钢球有可能产生自锁，无法实现循环，从而加剧对导轨副的磨损，应绝对避免。因此，反向器的设计和研究是极其重要的问题。2.1.2反向器设计的基本要求一、反向器回球槽与承载滚道及直线回程道的连接部分相切，接口平整，使传动时滚珠无跳动，并避免产生楔紧，以降低噪音和摩擦阻力，提高运转灵活性和平稳性。二、反向器回珠沟槽应避免急剧的转弯，并尽可能设计的短些，减少回珠沟槽中滚珠数目，以减少滚珠对回珠沟槽的摩擦及滚珠之间的摩擦，提高传动效率。三、滚珠进入回珠沟槽和离开回珠槽前要逐个卸载和承载，以减少滚珠的冲击与拥挤，过渡缓慢可减少对钢球和导轨副的磨损并可减少噪音。四、反向器的结构要简单，并要求具有良好的刚度，以避免承载的变形，影响滚珠运转的流畅性和导轨的正常运行。五、反向器外形尺寸要求小，使滑块结构紧凑，节省安置空间，并且也有利于缩短回珠沟槽。六、反向器加工工艺要好，以便于模具制造，降低成本。2.1.3回柱曲线设计的基本要求反向器设计的核心使回柱曲线设计，回柱曲线即钢球通过反向器的回柱沟槽时，其中心的运动轨迹。一般地说，回柱曲线使一条空间曲线。对于理想的回柱曲线，应使钢球咋回柱过程中传动受力小，同时还要求滚柱中心的运动速度无突变和加速度尽量缓慢，无冲击作用，以减少不必要的动力损失。保证钢球的运动流畅性和平稳性。回柱曲线在反向器中应该具有唯一性，即要求滚道与钢柱的间隙要均匀。2.2反向器回柱曲线的设计2.2.1对原有反向器的质疑原有的设计中回柱曲线是平面圆弓瓜，这种曲线具有设计计算方便、加工简单等优点，但存在一个突出缺点：两滚柱中心线的距离是不均匀的。这就使得与挡块紧邻的钢柱面与挡柱块间的间隙不均匀，因而对滚珠反向器产生不良影响。如图2.1所示。另一方面，由于滚柱导轨的传动速度慢，在很多地方使用也受到一定的限制。因此提出一种更新的方案，具体如下：

基于滚珠导轨的优点启发，在导轨与滚柱的原有的长线接触更改为短线接触，也即在保证滚柱导轨刚度和寿命基础上，由原来的“长线接触”变为两个“短线接触”。其优点是保证滚柱导轨具有快速的运动速度，其速度介于滚珠导轨与滚柱导轨之间，同时其噪音小、摩擦阻力小，运转具有很大的灵活性，特别是当滚柱体回转到换向器端盖时，其平稳地卸荷与加载。由于滚柱的特殊构造，使其在换向器内换向更加容易，从原来的长线接触到短线接触，对换向器端盖的构造再进行适当的改造，把回珠曲线的“平面圆弧”改为“短线圆弓瓜”，由此可解决圆的投影一般为椭圆问题。而挡珠块为半圆环在垂直于轴线的投影上万为半圆，垂直于挡珠块轴线的投影面投影后发生变化，使得与挡珠块紧邻的钢柱面与挡珠块的间隙发生变化即从AT塑，解决了这种情况容易产生卡球与堵塞现象。2.2.2对改进后的设计进行验算一、参数方程的建立图2.2空间交线图2-3投影分析在图示空间直角坐标系中，平面T1为垂直于zoy面的平面，倾角为图2.2空间交线图2-3投影分析柱面T2的轴线垂直于xoy平面T1平面，半径为R，/z二入y其方程如下：入=tana(2-1)x=x柱面T2(y-Rf广+x=Rf2(2-2)z=z参数方程x=rsin4y=R(1-cosz=z4)(2-3)当平面T1和柱面T2相交后，所得截交线为椭圆（在平面T1上），如图2.2所示。当向xoy平面投影时，其位置关系如图2.3。由图可见，该回珠曲线选取椭圆曲线，由于该线上各点到挡块距离相等，从而使钢柱面与挡柱块保持均匀间隙，这种曲线加工将会更好。由式（2-1）及（2-2）可得平面都有圆的参数方程x=Rsin4y=Rf（1-cos4）（0°W中W180°）z=入R（1-cos4）二、曲线性能的分析根据反向器的结构设计分析可知，柱面T2是不变的，即参数方程（2-3）中x、y的方程是不变的。因而可着重讨论z方程的情况。现令s=z。由此可得位移、速度及加速度的表达式为s=AR（1-cos4）v=ARsin4（2-4）a=ARcos4通过计算机推出s、v、a的曲线变化情况，如图2.4所示，由图可见，滚珠中心的速度没有突变。加速度的变化比较缓慢，只在起始端存在有限的变化，因而是一种可实验的方案。2.3基于圆弧拼接的一种空间曲线分析图2.4椭圆曲线时s、v、a的变化图由图位移展开图可知，当一平面曲线的两端过渡处有与y轴平行的切线，则该曲面线绕半圆柱贴合后所形成的空间曲线，一般可保证两端与承载滚道和直线回程道的中心线相切。如图2.5所示。为两端用圆弧拼接的平面曲线，绕圆柱贴合后所形成的曲线为空间曲线，其参数方程为y=R(1-cos4)（2-5）z二h-『2-(Rfsin4)2zbc=人Rcos4+七式中X1=tana七二兀/2-Rtana（2-5）

从柱面相交来构成曲线的角度出发，这种曲线将给加工带来困难。同时，由于在圆弧段内，若令s=z，则有：s=h-\；'h2-（Rfsin^）2v=R2/和2-（Rfsin巾）2a=R2h2/｛、ih2-（Rfsin巾）2其速度和加速度曲线如图1.5所示。由此可见，速度和加速度的性能都不好，因而不采用此种方案。2.4反向器回珠曲线的设计由于日本在直线导轨开发方面处于世界一流水平，因此，为了设计一种性能优良的反向器回珠曲线，在理论分析的基础上，通过对其产品的观察测量，提出了一种比较合理的回珠曲线模型，并进行分析。2.4.1回柱曲线的构想图2.6为反向器结构图（NSKLY35型），图中四个弯曲孔为回珠沟槽，在槽内设计有回珠曲线。如图所示，我们将回珠孔端面的中心线看做具有圆弧的一部分来进行分析。于是可画垂直于线面的具体圆柱面，同时，由于挡柱快为半圆环及其所在位置情况，我们提出回珠曲线应该由两圆柱面相贯而形成的相贯线的半支，如图2.7所示。从图中可看出（通过计算机也可证明），由于相贯线的对称性，使得回珠曲线两端均有平行于承载滚道及直线回程道的中心线的切线。图2.7回珠曲线设计2.4.2回柱曲线的数学模型现在我们由图2.7示来推导回珠曲线的数学模型，即回珠曲线方程。设回珠曲线是由椭圆柱面和小圆柱面t2相贯形成，椭圆的长半轴为A.，短半轴为夫n小圆的半径为1，现取相贯线在第一象限的半支加以研究。椭圆柱面T1的柱面方程为x=x(2-7)(z-R)2/Rb2+y2/Ra2=1参数方程为x=xy=Racos^(2-7a)z=Rb(1+sin^)小圆柱面T2柱面方程为(y-R)2+x2=1z=z(2-8)参数方程为x=Rsin4y=R(1-cos4)(2-8a)

z=z其中由式0°WqW180°（2-7a）和式（2-8a）可得所以y=Raz=z其中由式0°WqW180°（2-7a）和式（2-8a）可得所以y=Racos。R（1-cos。）cos。=（R/Ra）*（1-cos。）sin4±."1-母2（1-C0S2故z=Rb、1-RR2（1-cos们2，云2现令椭圆的短半轴与长半轴之比k=Rb/Ra,于是整理得相贯线即回柱曲线的参数方程为x=Rsin。y=R了（1-cos。）（2-9）z=Rb-\：1-k2Rf2（1-cos。）2/Ra2其中0°WqW180°至此，我们建立了回柱曲线的数学模型。下面以此模型为基础来分析运动学情况并说明k值的取值问题。2.4.3回柱曲线的运动学性能当滚珠回柱曲线小圆柱面上升时，由结构分析可知，z坐标的变化对曲线性能有重要影响。因而，我们主要针对Z（。）来进行分析。若令S（。）=Z（。），则速度V（。）二#4Za。加速度a（。）=Z_则有S（。）=Rb-qRb2—k2Rf2（1—cos。）2VZaIZ（。）=R2R2（1-cos。）sin。/（Rb2—k2Rf2（1—cos。）2（2-10）（。）=k2R2Rb2（cos。-cos2。）-k4R4cos。（1-cos。）3/&b2—k2Rf2（1—cos。）2]3VZaIZ当直线导轨副的结构设计确定后，相应的尺寸便可得知，此为反向器回珠曲线。图线上给出了高度h和半径Rf.因此当给出高度h和半径Rf后，在所取位置上满足相贯线高度要求的只有回珠的短半轴Rb和长半轴Ra，可由式(2-7)x=x(z-Rf)2/Rb2+y2/Ra2=1(2-11)求出Ra=Rb(2-a)/RRb=h2+4kR2/2h根据我们要求的相贯线位置应有R<Rb图2.8k=1.0时s、v、a变化图图2.9k=0.4时s、v、a变化图当给定R和R时，并令k在之间变化时，相应的运动学特性有所不同。下面是我们利用计算机绘出k=0.4和k=1.0时的位移、速度和加速度的曲线变化如图2.8和2.9所示。由图可知，在R和R给定时，k越小，即椭圆越偏小，a的变化越大。当k=1.0时a的变化量最小。故知面t1为圆柱面时最好。因此，回珠曲线应为圆柱面T1与’2相贯而形成的相贯线。由图2.8可知，回珠曲线的两端均与承载滚道中心线及回程道中心线相切。该曲线在起始部分由承载滚道进入非承载回珠沟槽过程中，爬坡极缓，保证了滚柱卸荷过程的逐步进行。由于对称，滚道进入负载也是逐步的，同时其速度和加速度的变化也是连续的，且无速度突变。故可知，所选用的回珠曲线使得滚珠进入回柱槽和离开时，可以逐步承载与卸荷，减少了滚珠的冲击和拥挤，具有比较理想的运动学性能，符合对滚珠曲线设计的基本要求。2.5反向器曲率半径的选取及研究当回珠曲线确定后，滚柱中心线将沿回珠曲线在方向孔回柱槽内回转180°，在回转沟槽中，滚珠是依靠后面部分的推力而向前运动的。大多数情况下，因滚珠不受力偶作用而无滚动运动，只做滑动运动。因此滚珠与方向孔壁的摩擦力较大，特别是摩擦阻力过大时，将使滚珠在反向器内产生楔紧和堵塞现象，严重影响滚珠运动的流畅性和平稳性。本部分将在摩擦力分析基础上，以回珠效率为基准来研究如何合理地选取反向器的有关参数。图2.10钢球受力分析2.5.1滚珠在回珠槽中的回珠曲率一、钢珠的受力分析如图2.10所示，设钢珠沿任意曲线y=f（x）在xoy平面内运动，以钢珠02

为分析对象，其受力如图所示。图中参考说明如下：F1.钢珠O1推动钢珠O2运动的力；F3.钢珠O3阻止钢珠O2运动的力；Ft-回珠沟槽对钢珠的摩擦阻力；N-钢珠受槽壁的压力；R-回珠沟槽对柱的压力；Ra-钢珠受力处的截面半径；二-钢珠与回珠槽壁的摩擦系数；Ft1、Ft3.钢珠O1、O2和O2、O3间的摩擦力。建立图示坐标系x1py1，由力的平衡方程可得(忽略重力、向心力等影响)Fcos0-Fsin0-Fcos0-Fsin0-Ft=0(2-12)TOC\o"1-5"\h\z11t1133133-Fsin0-Fsin0-Fcos0+Fcos0+N=01133t11133在力矩M=(Fcos0-Fcos0)Ra的作用下，钢珠O2有沿接触点做纯滚1133动的趋势。由此在钢珠之间产生摩擦力偶M'=[F(1+sin0)+F(1+sin0)]Ra。t11t33当M>M'时，钢珠绕接触点P做纯滚动，钢珠之间做纯滚动摩擦。当MWM，时，钢珠沿沟槽壁滑动，钢珠之间的摩擦为静摩擦。一般情况下，由于F1和F3、01和。3相差很小，力偶M小于阻力偶M'，所以钢球在回珠槽中的运动形式为滑动。二、回柱效率的计算/Fcos0,Ax(2-13)(2-14)sin0)TOC\o"1-5"\h\z如图2.10所示，设钢珠中心气在力七作用下微小移动的距离为△气，由于钢珠间无相对滑动，所以在忽略钢珠之间的摩擦力七、F3的情况下，七、F3不产生阻力功。只有Ft产生摩擦损失。故其效率为''''n=Fcos0Ax/Fcos0Ax=(Fcos0-FtAx)331111111=1/Fcos0,Ax(2-13)(2-14)sin0)由式(2-13)可得F=Fcos0-Fcos0t1133N=Fsin0■+Fsin0由式(2-14)，代入Ft=fN可得Fcos0-Fcos0=f(Fsin0+1133T11求得F/F=(cos0+fsin0)/(cos0-fsin0)133T31T1

将此结果代入（2-13）推出n=(1-ftan0)/(1+ftan0)(2-15)T1T3由式（2-15）可以看出，为提高回珠效率，应尽量减小01与。3,即要求回珠曲线由较小的工阶导数，使滚道回珠曲线的曲率半径较大，并降低钢滚柱与反向孔间的摩擦系数fT。在生产中要求增大反向器的基本尺寸，同时选用摩擦系数小的材料。三、回珠自锁分析当nW0时，有1-ftan0W0，故得tan0N1/f由于于是可得T11Tf"n(9°-p盅临-(1)f因此当tan01Ntanp即01Np时，钢珠将在反向器回珠槽中发生自锁，回珠过程不能实现。2.5.2曲率半径的理论分析一、曲率半径及效率的计算反向器回珠中心线的曲率半径R和钢珠直径D之比R/D称为反向器曲率比，即fF=R/Da.由于所设计的回珠曲线为空间曲线一相贯线。在空间情况下的受力分析与效率计算将是很困难的。为此，我们采用回珠曲线在xoy面内的投影这一简化力学模型来分析。此时，Rf为投影面曲线半径。如图2.11所示，采用与回珠效率相同的方法进行受力分析。此时与图3.1相比，有01=02=03。图2.11钢球在回珠槽中的受力分析

由图中几何关系可得（2-16）sin9=D/2R于二1/2f

cos9=1项，f）2（2-16）\2F将（2-16）代入（2-15）可得n=3f/将（2-16）代入（2-15）可得n=3f/--f/、^-+fTT设回柱槽中钢珠总个数（两个回柱槽）为Zf，则）Z/=兀/sin-i（勺f于是反向器回柱效率nm=nzf二、曲率比与回珠效率的关系曲线当材料选定后，摩擦系数fT为定值，对钢珠和ABS塑料，（2-17）（2-18）fT=0.08-0.1，下面用C语言编程给出了fT=0.1时的n-fT、l〃-fF关系曲线。如图2.12所示，从图中可看出，当fF>1.5时，随着fF的增加，七〃的值变化非常缓慢，尤其是总效率的值变化更加缓慢。图2.12回珠效率变化曲线日本精木公司做了许多实验，得出当fF=1.5，钢珠方向运动时，摩擦阻力最小，高速运动时噪声振动最小，高低速运动时动摩擦力变化小等结果。实验结果及过程见文献。［伊东胜利-直勤案内工.机械设计.1985.8］这与我们分析的结果是一致的。同时在图中我们还可以看到当fF<1.0时n、nm急剧下降。因此在设计中尽可能避免出现fF<1.0的情况。2.5.3曲率半径的实验研究一、一种实验方法简介[程光仁滚珠螺旋传动设计基础机械工业出版社1987]图2.13所示是解决滚珠循环返回装置的滚珠导槽曲率大小对摩擦力的影响而设计的一种装置，它是在半硬钢板上铣制出宽7.5mm的矩形槽。导轨中心的曲率半径为R，槽内放20个钢珠，用电子压力传感器从底部加力，推着滚珠沿导/槽缓慢移动，测出所需力的大小。图2.14为实验中实测的推力与导槽中心曲率半径R的关系图。由图可知，回珠槽中心曲率半径减小，摩擦力急剧增加。从实验结果来看，应使RfN1.5Da为宣。这与前面分析的结果一致。"二、回珠实验设计图2.13回珠试验装置

按照所设计的回珠曲线方程，在三坐标数控机床上加工出回柱沟槽后，可在槽中布满钢珠。轻轻推动一端的钢珠，即可发现，如果所有的钢珠在槽内平稳动且推动钢珠所需的力很小，则证明所设计的回珠曲线的合理性。三、循环回路直径选取的理论研究循环回路的直径D^与钢珠的滚道横截面的直径Da之比称为循环回路直径比F，即F=D/D,如图2.15所示采用与前面相同的分析方法，由力的平衡方程可得(2-20)f=(F-F)cos0N=(F+F)sin01fT=NfF由图示几何关系知tan0=h/(2-20)fT=NfF由图示几何关系知tan0=h/D2-h2=FT/」2F-F2推出n="2F—F2-f(F-1)/0F—F2+f(F-1)wwTwwwTw设直线回程道中的钢珠数目为z'，于是直线回程道总效率(2-21)n.直=n程最终可得在整个回程道的总效率nsm=n四、直径比与效率变化的关系曲线图2.15直线回程道的分析根据日本精木公司的实验，发现当回程的直径与钢珠的有效直径比为1：7时，钢珠回程时摩擦阻力、振动和噪声最小。同时根据文献推荐孔二1.06-1.08。第3章滚动直线导轨副的设计由于滚动导轨在工业生产中的应用越来越广，国内有关厂家也在这方面有了一定的研究和发展，并在生产中根据用户的需要形成了不同的系列产品。本文在参考国内、国外资料基础上，结合前文的理论分析，对滚动导轨副的设计进行了部分改进。将以LY35型为例对导轨副进行结构设计。根据导轨副接触弹性变形系数Kn求得LY35型导轨副直径Da=5.556mm，导轨安装尺寸如下，装配后组合尺寸一滑块寻尺寸导轨尺寸基本额定载荷基本编号高度H—EW21幅宽WI骨块牙孔1隙BJ骨块长LL1J1KQxL2：MxL(W3H1FdxDxhGL0max动载荷静载荷HTSD-LG354883310082x621331032()4090X2()343109x14x1>2300043477872图3.1导轨安装尺寸3.1反向器的结构设计3.1.1选材由于反向器的作用是实现滚珠运动无限循环，且使滚珠在整个运动过程中的流畅性、摩擦小。所以应选择摩擦系数小的材料，考虑到零件的形状，生产实际的需要，选用ABS塑料，其硬度较高，与钢球的摩擦系数较小，且造型简单，可以吹铸成型，价格低廉，生产方便，是极为理想的一种材料。3.1.2结构（附零件图一张）根据理论分析，反向器回柱曲线采用空间圆弧结构一、回柱曲线曲率半径的确定由目前的理论分析可知，当回柱曲线为两圆相贯所形成时，加速度az变化最小。即滚珠在该相贯线所行成的滚道内运动时，运动性能最好。由图2.11知，钢珠在回珠槽中受力分析的理论基础可知，当回珠曲率半径七越大时，滚珠与反向孔壁之间的摩擦系数fT越小，但考虑结构紧凑，按图2.12选fF二%/D二1.1。根据推荐值取钢球有效直径D=5.556mm，则Rf=1.1xD二1.1x5.556=6.1116mm，这里取%=6.2mm，如图3.2所示zZ图3.2曲率半径，摩擦系数关系取h=3.3mm，由式（2-11）知Ra=Rb=h2+4Rf2/2h=3.32+4x6.22/2x3.3=24.95mm反向器的结构尺寸见零件图。二、反向器回珠效率的计算单个钢珠在回程槽中运动的效率，由式（2-17）n=•4fF2_ifZ+fT（取fT=°.1）则n=0.903回珠槽内钢珠的总个数，由式（2-18）Zf二/sin(1/2f)=/sin(1/2x1.1)=6.66则反向器回珠总效率=0.507m计算结果与图2.12回珠效率变化曲线相符，说明上述各参数、尺寸确定合理。同时也再次验证了反向器所选的正确性。3.2滑块及导轨的设计滑块及导轨的沟槽采用哥德式沟槽，因为哥德式沟槽便于测量，费用低，并且钢珠与导轨副滑块之间只有两线接触，降低了与导轨沟槽断面的垂直方向的力矩刚性，从而一定程度上减少了安装误差的类型。3.2.1滑块与导轨材料的确定滑块与导轨是钢珠运动的通道，直接影响着运动通道的精度，同时材料的好坏也直接影响着导轨副的运动寿命，其寿命与材料硬度的关系曲线如图由上图可知，当材料硬度值小于HRC=58时，其寿命系数很快减小。因此，要求导轨及滑块表面硬度必须大于HRC58.推荐滑块及导轨材料都选GCr15,因其是一种轴承常用材料，淬火硬度可达HRC58-62，能够满足导轨副的硬度要求。滚道圆弧曲率半径的确定根据推荐值，取圆弧曲率半径r=0.53Da，则r=0.53x5.556=2.95mm如图3.3所示(其他尺寸见导轨滑块零件图)在实际的导轨系统中，为了充分发挥滚动直线导轨副的性能，与钢珠接触的滚道表面硬度应为HRC58-64之间。导轨的动载荷、静载荷应乘以硬度系数七，图示为对应不同滚道面硬度的硬度系数fH，如图3.4所示。3.3润滑及密封装置的设计滑块及导轨为流体润滑方式，由于油膜的浮动而不可避免地产生运动精度误差。同时在边界摩擦区域内，由于金属的接触也不可避免地产生磨损，在滑动摩

擦很大一部分能量将作为磨损功而消耗。为此滑动导轨往往采用一套润滑系统以保证充分供油润滑。而滚动直线导轨为滚动摩擦，磨损小且能维持长期的精度寿命，同时，润滑油使用量少，基本上用润滑脂润滑，在润滑设计及管理方面也是极为简单。图3.3圆弧曲率半径的选取102030405060图3.4滚道的硬度系数3.3.1润滑方式与滑动导轨相比，滚动直线导轨副需油量少，而且周期长。但在无润滑状态下使用时，滚动接触部的磨损将增加，寿命将减少。因此，必须有适当的润滑方

式。在一般速度下不存在导轨发热问题，因此也不必强制给油。通常使用锂皂润滑脂（2号）及透平油ISOVG32.68，尽量使用粘度高的润滑油。HTSD滚动直线导轨副通过反向器端的注油杯口注入润滑油脂，油脂经过反向器内的油道而流到钢珠的方向沟槽内，然后由钢珠的无限循环而实现整体的润滑。另外，通过保持架的间隙将润滑油输送到下循环轨道。至此，整个部件的各个元件都得到较好的润滑。一、措施当润滑油以速度v运动时，在滑块运动方向的后方将形成负压区域，这样将吸入尘埃，尘埃积聚在导轨的固定螺钉内及导轨面上，使滚动直线导轨使用寿命下降，图3.5所示。为了保证其使用寿命，必须采用适当的防尘措施：1、采用密封端面和密封底面，以防止尘埃、杂物进入滑块；2、采用防护罩措施，采用折叠式和伸缩式防护罩；3、采用防止杂物聚集在导轨固定螺钉孔穴而混入滑块中，使用螺孔帽将其封闭，如图3.6所示。专用螺孔帽采用耐油与耐磨损的优质合成橡胶，以保证充分的使用寿命。灰尘灰尘图3.5防尘措施图3.6螺孔帽封闭3.4滚动直线导轨使用注意事项正确合理地设计和使用导轨，可以提高耐用度和精度特性，减少维修和保养时间，促进生产，提高经济效率。为此，应注意如下事项：尽量避免力矩和偏心载荷作用。直线滚动导轨副样本中给出了额定动静载荷，都是各个滚珠受载均匀的理想状态下计算出的。因此，应注意避免过大的力矩和偏心载荷，否则，将导致过早的疲劳破坏或产生压痕，并出现振动、噪声，降低滚动精度等不良相信。3.4.1提高刚度，减小振动适当预紧力可提高刚度，均化误差，从而提高运动精度，均化滚动体的受力，而提高使用寿命。并在一定程度上提高了阻尼，但是，预紧力过大会增加导轨副的摩擦阻力，增加发热，降低寿命。3.4.2降低加速度的影响直线滚动导