第二章机械系统部件的选择与设计

第二章机械系统部件的选择和设计

第一节机械系统部件的设计要求

第二节机械传动部件的选择与设计第三节导向支承部件的选择与设计

第四节旋转支承部件的类型与选择第五节轴系部件的选择与设计第六节机电一体化系统的机座与机架

思考题和习题1与一般的机械系统设计要求相比，机电一体化系统的机械系统除要求其具有较高的定位精度外，还应具有良好的动态响应特性，就是说响应要快、稳定性要好。(传动系统）第一节机械系统部件的设计要求在机械部件设计中，要求无间隙、低摩擦、低惯量、高刚度、高谐振频率、适当的阻尼比

为达到上述要求，主要从以下几方面采取措施：2

1)采用低摩擦阻力的传动部件和导向支承部件；

2)缩短传动链，提高传动与支承刚度；

3)选用最佳传动比，以减少等效到执行元件输出轴上的等效转动惯量，尽可能提高加速能力；

4)缩小反向死区误差，如采取消除传动间隙、减少支承变形的措施；

5)改进支承及架体的结构设计以提高刚性、减少振动、降低噪声。对机械部件采取的措施（传动、导向、支撑三部分）

3第二节

机械传动部件的选择与设计一、机械传动部件及其功能常用的机械传动部件：有齿轮传动、螺旋传动、同步带传动、各种非线性传动部件（凸轮、连杆机构）等。

功能：是传递转矩和转速或者改变运动形式。实质上是一种转矩、转速或者运动形式变换器，其目的是使执行元件与负载之间在转矩与转速方面得到最佳匹配或者得到需要的运动形式。4功能：将旋转运动变换为直线运动或将直线运动变换为旋转运动。丝杠螺母副运动动画螺旋传动机构----丝杠螺母副应用：1）传递能量为主如：螺旋压力机、千斤顶等2）传递运动为主如：工作台的进给丝杠3）用于精确调整相对位置5根据丝杠和螺母相对运动的组合情况，其基本传动形式有四种类型:(1)螺母固定、丝杠转动并移动丝杠螺母机构基本传动形式之一

特点：结构简单，刚性较差，行程不易太长

应用：各种调节机构

6

(2)丝杠转动、螺母移动丝杠螺母机构基本传动形式之二

特点：结构紧凑，丝杠刚性较好

应用：适用于各种行程较大的场合，应用广泛

7

(3)螺母转动、丝杠移动丝杠螺母机构基本传动形式之三

特点：结构复杂且占用轴向空间大

应用：应用较少

8

(4)丝杠固定、螺母转动并移动丝杠螺母机构基本传动形式之四

特点：结构简单紧凑，但使用不方便

应用：应用较少

9滚珠丝杠副特点：

结构复杂，制造成本髙摩擦阻力矩小、传动效率高(92％～98％)

轴向刚度髙（适当预紧）运动平稳（无爬行）传动精度髙不易磨损、使用寿命长不能自锁滑动丝杠副特点：结构简单、制造成本低、摩擦阻力矩大、传动效率低(30％～40％)。刚性较差，易出现爬行，稳定性差有反向间隙，精度差易磨损具有自锁功能

滚珠丝杠副在机电一体化系统中得到广泛应用滚珠丝杠与滑动丝杠----特点比较丝杠螺母副根据螺母和丝杠间有无滚动体分为滑动丝杠副和滚珠丝杠副10比较和滑动丝杠副的结构有何不同？三、滚珠丝杠副------认识结构

滑动丝杠副滚珠丝杠副11为防止滚珠从螺母滚道端面掉出，在螺母的螺旋槽两端设有滚珠回程引导装置构成滚珠的循环返回通道，从而形成滚珠流动的闭合通路。当丝杠转动时，带动滚珠沿螺纹滚道滚动，滚珠又带动螺母运动，从而实现运动和力矩的传递。

滚珠丝杠副------工作原理12（1）螺纹滚道型面(法向截面)的形状及主要尺寸

滚珠丝杠副------典型结构类型

滚珠丝杠副的螺纹滚道型面有单圆弧型和双圆弧型R－滚道圆弧半径rb－滚珠半径α－接触角；指滚道型面与滚珠接触点的法线与丝杠轴向的垂线间的夹角。一般为45度。13滚珠丝杠副------典型结构类型

单圆弧型特点：

用砂轮加工成形简单，加工精度高。但接触角α随轴向载荷的大小变化而变化，传动刚度略差双圆弧型的特点：用砂轮加工成形较困难，加工成本高。但接触角α在工作过程中基本保持不变。底部空隙能贮存润滑油，减小摩擦。双圆弧型应用广泛！14（2）滚珠的循环方式滚珠丝杠副中滚珠的循环方式有内循环和外循环两种。内循环：内循环方式的特点：滚珠在循环过程中始终与丝杠表面保持接触机理：在螺母的侧面孔内装有接通相邻滚道的反向器，利用反向器引导滚珠越过丝杠的螺纹顶部进入相邻滚道，形成一个循环回路。优点：循环回路短，流畅性好，径向尺寸小。缺点：对反向器要求髙，不易加工装配15内循环的反向器有固定式(G)和浮动式(F)两种

浮动式：结构特点是反向器l与安装孔有配合间隙，反向器的上表面加工有圆弧槽，槽内安装拱形片簧4，外有弹簧套2，借助拱形片簧的弹力，始终给反向器一个径向推力，使滚珠与丝杠3表面保持一定的压力，从而使槽内滚珠代替了定位键而对反向器起到自动定位作用。固定式(G)反向器浮动式(F)反向器16浮动式反向器的优点：在高频浮动中达到回珠圆弧槽进出口的自动对接，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。17外循环：

特点：滚珠在循环返向时，离开丝杠表面，在螺母体内或体外作循环运动。外循环方式内循环方式外循环又分为螺旋槽式、插管式、端盖式三种形式181）螺旋槽式：

在螺母2的外圆表面上铣出螺纹凹槽，槽的两端钻出两个与螺纹滚道相切的通孔，螺纹滚道内装入两个挡珠器4引导滚珠3通过这两个孔，应用套筒1盖住凹槽，构成滚珠的循环回路。特点：工艺简单、径向尺寸小、易于制造。但是挡珠器刚性差、易磨损。1套筒2螺母3滚珠4挡珠器5丝杠192）插管式：

用弯管代替螺旋凹槽，弯管的两端插入与螺纹轨道相切的两个孔内，用弯管的端部用作挡珠器引导滚珠进入弯管，构成滚珠的循环回路特点：结构简单，易制造，但径向尺寸大。现阶段应用最为广泛。203)端盖式：在螺母体上钻出纵向孔作为滚珠回程滚道，螺母两端装有两块端盖，滚珠的回程道口就在端盖上。特点：结构简单，工艺性好，但接角处不易准确制作而影响其性能，应用较少。211）公称直径d0

指滚珠与螺纹滚道在理论接触角状态时包络滚珠球心的圆柱直径。

它是滚珠丝杠副的特征（或名义）尺寸。滚珠丝杠副的主要尺寸参数222）导程(Ph)(或螺距t)：它指丝杠相对于螺母旋转2π弧度时，螺母上基准点的轴向位移。公称导程

Ph0通常用作尺寸标识，无公差。3）行程λ：它指丝杠相对于螺母旋转任意弧度时，螺母上基准点的轴向位移。

此外还有丝杠螺纹大径d1、丝杆螺纹底径d2、滚珠直径DW、螺母螺纹底径D2、螺母螺纹内径D3、丝杠螺纹全长ls等。23滚珠的工作圈数和滚珠数量：根据试验：第一、第二、第三圈分别承受轴向载荷的50%、30%和20%左右。因此，工作圈数一般取2.5~3.5，滚珠总数N一般不超过150个。滚珠丝杠副的主要尺寸参数244.滚珠丝杠副的精度等级及标注方法

1)精度等级：根据国标，滚珠丝杠副的精度分为1、2、3、4、5、7、10共七个等级，最高级为1级，最低级为10级。在每一精度等级内指定了导程精度的验收检验项目。

参见教材P29表2.22.325

新标准标识符号2)标注方法：GB/T17587.1-1998规定滚珠丝杠的标识符号应按下图给定顺序排列的内容标注。标

注

方

法26不同生产厂家的标注方法略有不同，一般厂商往往省略GB字符，以其产品的结构类型号开头。以山东济宁博特精密丝杠制造有限公司的滚珠丝杠副为例。27（3）尺寸系列国际标准化组织(ISO／DIS3408-2-1991)和GB/T17587.2-1998中规定：公称直径(mm)：6，8，10，12，16，20，25，32，40，50，63，80，100，125，160及200。公称基本导程(mm)：1，2，2.5，3，4，5，6，8，10，12，16，20，25，32，40。公称导程优先选用：2.5，5，10，20及40。尺寸系列28（4）推荐采用的精度等级数控机床、精密机床和精密仪器等用于开环和半闭环进给系统，根据定位精度和重复定位精度的要求可选1、2、3级。一般动力传动可选4、5级全闭环系统可选2、3、4级推荐采用的精度等级29为何要进行间隙调整和预紧？

1）提高传动精度：若滚珠丝杠副中有轴向间隙，当丝杠转动方向改变时将产生空程，影响传动精度。

2）增加刚度：通过适当预紧，预加应力，改善刚性，增加稳定性。

如何调整和预紧？

一般采用双螺母结构5滚珠丝杠副轴向间隙的调整和预紧301锁紧螺母2调整螺母3、4滚珠螺母

特点:结构简单、刚性好、预紧可靠，使用中调整方便，但不能精确地定量调整。几种调整预紧方法（1）双螺母螺纹预紧调整式

31（2）双螺母齿差预紧调整式

原理：两端外齿轮齿数相差一个齿，调整时相对套筒同方向旋转一个齿，产生相对角位移，使两个滚珠螺母相对移动，从而产生预紧力。特点:

结构复杂，可实现定量调整，使用中调整较方便。几种调整预紧方法1套筒2内齿轮3螺母(外齿轮）4丝杠32（3）双螺母垫片调整预紧式

1垫片2螺母特点:结构简单、刚度髙、预紧可靠，但使用中调整不方便几种调整预紧方法33实际的产品（双螺母垫片预紧）

几种调整预紧方法固定式内循环垫片预紧插管式外循环垫片预紧34通过螺母支座和工作台连接

和工作台的连接螺母支座

35（4）弹簧式自动调整预紧式

1垫片2螺母

两个螺母一个固定，一个活动。用弹簧保持两螺母间有一定的预紧力。特点:

能自动消除使用过程中因磨损或弹性变形产生的间隙，但其结构复杂、轴向刚度低，适用于轻载场合。弹簧自动调整预紧式几种调整预紧方法36（5）单螺母变位导程自预紧式

在螺母体内的两列循环滚珠链之间，使螺母滚道在轴向制作一个∆Ph的导程突变量，从而使两列滚珠产生轴向错位而实现预紧，预紧力的大小取决于∆Ph和单列滚珠的径向间隙。

特点：结构简单紧凑，但使用中不能调整，且制造困难。几种调整预紧方法376滚珠丝杠副支承方式的选择

丝杠的支承方式对其传动精度和刚度有重要影响。选用什么样的轴承组合将丝杠安装到机架上，并保证其传动精度和刚度（丝杠和机架间）？常用以推力轴承为主的轴承组合来支承丝杠，小载荷时，可用角接触球轴承来支承丝杠。常用轴承组合方式：

单推－单推式双推－自由式双推－双推式双推－简支式分析一下丝杠的受力？38单推－单推式（每一端仅承受单方向推力）一组推力轴承（角接触球轴承）分别装在滚珠丝杠的两端并施加预紧力。特点：轴向刚度较高，预拉伸安装时，预紧力较大，但轴承寿命比双推—双推低。轴承组合方式之一

39简易单推-单推式支承示例轴承组合方式之一

示例

40双推－双推式（精密机械常用）

两端分别安装推力轴承与深沟球轴承的组合，并施加预紧力。

特点：其轴向刚度最高。该方式适合于高刚度、高转速、高精度的精密丝杠传动系统。但随温度的升高会使丝杠的预紧力增大。轴承组合方式之二

411—电动机2—弹性联轴器3—轴承4—滚珠丝杆5—滚珠丝杆螺母轴承组合方式之二示例

简易双推-双推式支承（轻载）42双推－简支式（普通机械常用）

一端安装推力轴承与深沟轴承的组合，另一端仅安装深沟球轴承。特点：其轴向刚度较低，丝杠有热膨胀的余地。适用于中速、传动精度较高的长丝杠传动系统。

轴承组合方式之三

43双推-简支式支承示例1轴承组合方式之三示例

44双推-简支式支承示例2两个单向推力圆柱滚子轴承－深沟球轴承轴承组合方式之三示例

45双推－自由式（普通机械常用）一端安装推力轴承与深沟轴承的组合，另一端悬空呈自由状态。特点：轴向刚度和承载能力低，多用于轻载、低速的垂直安装的短丝杠传动系统。如：升降台式铣床的垂直坐标轴承组合方式之三

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双推-自由式支承示例

角接触圆柱滚子轴承成对使用轴承组合方式之四示例

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丝杠-钢球-螺母之间为滚动摩擦，摩擦系数为0.002~0.005，摩擦角φ<1°，而丝杠螺纹升角一般为2~3°，不能自锁。故在垂直安装状态，必须设置防止因驱动力中断而发生逆传动的自锁、制动或重力平衡装置。常用的制动装置有：超越离合器或蜗轮蜗杆自锁机械抱闸带有制动器的电机超越离合器

1-外圈；2-星轮；3-滚柱：4-活销；5-弹簧滚珠丝杠副制动装置

48丝杠的密封和防护

有折叠式密封套、伸缩套管和伸缩挡板。1-螺旋弹簧钢带式伸缩套管；2-波纹管密封套滚珠丝杠副的密封与润滑49滚珠丝杠副的密封与润滑5051螺母的密封

在滚珠螺母的两端装密封圈即可。有接触式和非接触式（迷宫式密封）两种。

滚珠丝杠副的密封与润滑润滑

常用的润滑剂有润滑油和润滑脂两类。润滑脂一般在装配时放进滚珠螺母滚道内定期润滑，而使用润滑油时应注意经常通过注油孔注油，一般由机床集中润滑系统通过油管定时润滑。52滚珠丝杠副的密封与润滑数控机床集中润滑系统示意图电动润滑泵53滚珠丝杠副的密封与润滑54滚珠丝杠副特点：

结构复杂，制造成本髙摩擦阻力矩小、传动效率高(92％～98％)

轴向刚度髙（适当预紧）运动平稳（无爬行）传动精度髙不易磨损、使用寿命长不能自锁滑动丝杠副特点：结构简单、制造成本低、摩擦阻力矩大、传动效率低(30％～40％)。刚性较差，易出现爬行，稳定性差有反向间隙，精度差易磨损具有自锁功能

滚珠丝杠副在机电一体化系统中得到广泛应用滚珠丝杠与滑动丝杠----特点分析比较55（1）结构类型的选择主要根据调隙及预紧的要求，选择适当的结构型式。当允许有间隙存在时(如垂直运动)，可选用具有单圆弧形螺纹滚道的单螺母滚珠丝杠副；当必须有预紧或在使用过程中因磨损而需要定期调整时，应采用双螺母螺纹预紧或齿差预紧式结构；当只需在装配时调整间隙及预紧力时，可采用结构简单的双螺母垫片调整预紧式结构。滚珠丝杠副的选型56（2）滚珠丝杠副结构尺寸的选择依据选用滚珠丝杠副时通常主要选择丝杠的公称直径d0和公称导程

Ph

。公称直径d0应根据轴向最大载荷选择;

基本导程Ph(或螺距t)应按承载能力、传动精度及传动速度选取，导程大承载能力也大，导程小系统传动精度（分辨力）较高。要求传动速度快时，可选用大导程滚珠丝杠副。(一般根据速度和分辨力确定导程）螺纹长度l1在允许的情况下要尽量短，一般l1/d0

小于30为宜；滚珠丝杠副的选型57（3）滚珠丝杠尺寸(公称直径d0)的计算选择具体步骤①根据承载能力初选丝杠副的型号式中：L—滚珠丝杠寿命系数，（单位为106转，如1.5则为1.5×106转）。

L=60nT／l06

(其中T为设计使用寿命，h，普通机械为5000-10000h、数控机床及其它机电一体化设备及仪器装置为15000h、航空机械为1000h;n为丝杠使用转速r/min）。滚珠丝杠副的选型58

fH—硬度系数(滚道的硬度HRC≥58时为1.0，等于55时为1.11；等于52.5时为1.35，等于50时为1.56，等于45时为2.40)。

fW—载荷系数(平稳或轻度冲击时为1.0-1.2，中等冲击时为1.2～1.5，较大冲击或振动时为1.5-2.5)。

Fmax—轴向最大工作载荷,单位为N根据计算得到的工作动载荷FQ，初选滚珠丝杠副，应使其额定动载荷Ca≥FQ。滚珠丝杠副的选型59山东济宁博特精密丝杠制造有限公司的滚珠丝杠副注：对于低速运转的滚珠丝杠，无需计算其最大动载荷FQ，只考虑使额定静载荷Coa充分大于最大工作载荷Fmax即：Coa

≥（2～3）Fmax60②压杆稳定性校核（受轴向力的细长杆）式中：Fk-丝杠不失稳实际所能承受的载荷；

fk-压杆稳定的支承系数（双推-双推时为4，单推-单推时为1，双推-简支时为2，双推-自由时为0.25）

E-钢的弹性模量，E=2.1×105（MPa）

I-滚珠丝杠底径d2的抗弯截面惯性矩（I=πd24/64）；单位为mm4K-压杆稳定安全系数，一般取为2.5~4，垂直安装时取小

ls—滚珠丝杠两端支承间的距离，单位为mm

若Fk<Fmax，会使丝杠失去稳定发生翘曲滚珠丝杠副的选型61③刚度的验算滚珠丝杠在工作载荷F和扭矩T共同作用下，所引起的每一导程的变形量△L(mm)。“+”号用于拉伸时，“－”号用于压缩时。一般情况下由于扭矩较小，第二项可忽略。由△L(mm)可求出任意长度上的变形量。滚珠丝杠副的选型62④临界转速验算临界转速是引起滚珠丝杠发生横向共振的转速，当丝杠工作在高速工况下时，应使其实际转速小于临界转速。式中：

fc－临界转速系数，单推－单推取0.65,双推－双推取1.44,双推－简支取1，双推－自由取0.21

d2-丝杠底径，mm

l－丝杠工作长度（mm），可近似取为支承距离。滚珠丝杠副的选型63思考题：P892-92-112-13补充作业：某加工中心工作台进给用滚珠丝杠副的设计计算。

已知最大工作载荷Fm＝2920N，丝杠工作长度l=1000mm，平均转速nm=100r／min，最大转速nmax=1500r／min，使用寿命L=20000h左右(两班制工作10年)，丝杠材料为CrWMn钢，滚道硬度为58-62HRC，300mm允许的误差20um，全行程允许误差25um。试选型并校核丝杠。（样本上网查找或图书馆查《机械设计手册》单行本_第11篇_螺旋传动化学工业出版社）滚珠丝杠副的选型641.齿轮传动形式及其传动比的最佳匹配选择2.各级传动比的最佳分配原则(第7章讲授)

3.谐波齿轮传动应用：是一种比较特殊的齿轮传动形式。在工业机器人、航空、航天等机电一体化系统中广泛应用。特点：谐波齿轮传动具有结构简单、传动比大(单级几十~几百)、传动精度高、回程误差小、噪声低、传动平稳、承载能力强、效率高等一系列优点。四齿轮传动部件65

1-刚性轮；2-柔性轮；3-波发生器谐波齿轮传动由波形发生器3(H)和刚轮l、柔轮2组成。波形发生器为主动件，刚轮或柔轮为从动件。刚轮有内齿圈，柔轮有外齿圈，其齿形为渐开线或三角形，刚轮和柔轮的齿距相同而齿数不同，刚轮的齿数zg比柔轮的齿数zr多几个齿（柔轮比钢轮直径小）。柔轮材料为高性能合金钢或工程塑料，做成薄圆筒形。由于波形发生器的长径比柔轮内径略大，故装配在一起时就将柔轮撑成椭圆形，有长轴和短轴。

基本结构长轴两端附近的齿与刚轮的齿完全啮合，短轴两端的齿与刚轮完全脱开；66

1-刚性轮；2-柔性轮；3-波发生器当谐波发生器连续转动时，柔轮的变形部位也随之转动，使柔轮的齿依次进入啮合，然后再依次退出啮合，从而使柔性齿轮沿刚性齿轮内齿转动。由于柔性齿轮比刚性齿轮少两个或多个齿，则波发生器每转一圈，柔轮就反方向转过两个或多个齿的相应转角。从而实现较大的减速比。（刚轮固定，柔轮输出）柔轮固定，刚轮输出情况(转一圈以柔轮为参考，同方向转过两个或多个齿）相当于行星轮系

工作原理为什么称为谐波齿轮？67谐波齿轮传动的传动比的计算计算参照行星轮系。波发生器－转臂（系杆）柔轮－行星轮刚轮－中心轮设ωg

ωr和ωH分别为刚轮、柔轮和波发生器的角速度，则对于齿轮传动，速度之比等于齿数之比的倒数。6869

谐波齿轮减速器的产品及选用有专业厂家生产，可根据减速比、输入输出转速及扭矩来选用。（北京谐波传动技术研究所，国标制定单位）70XB1单级谐波减速器的规格和额定数值表以柔轮的公称直径划分71谐波齿轮的现状及应用日本：国内1北京中技克美谐波传动有限公司2北京谐波传动技术研究所3北京众合天成精密机械制造有限公司4北京天阶科技工业公司5杭州金辰谐波减速器制造有限公司其谐波传动产品不仅垄断了主要国际市场，并且进入了中国市场72谐波齿轮的现状及应用上下、水平伸缩式自动晒衣架运用在卫星上73运用在机器人的各个关节驱动机构上谐波齿轮的现状及应用74

运用在数控加工中心刀库换刀驱动机构上谐波齿轮的现状及应用754.齿轮传动间隙的调整方法为什么会有间隙？

当节圆和分度圆重合时(标准安装)，节圆上齿厚等于齿槽宽，无间隙。当节圆大于分度圆，有间隙。76偏心套调整法偏心套中用于定位的外圆和内孔的中心线不重合，通过转动偏心套，调整两啮合齿轮的中心距，从而消除齿侧间隙。

特点：结构简单，但侧隙不能自动补偿。（1）减小圆柱直齿轮侧隙的方法77

轴向垫片调整法1齿轮、2-分体式齿轮；3-垫片；4-电动机齿轮1和2的分度圆齿厚沿轴线方向略有锥度，用轴向垫片3使齿轮2沿轴向移动，从而消除齿侧间隙。

特点：结构简单，但侧隙不能自动补偿。78双片薄齿轮错齿调整法1-短柱；2-弹簧；3、4-薄片齿轮1、2-齿轮；3-凸耳；4-弹簧；5、6-螺母；7-螺钉一个做成宽齿轮，另一个用两片薄齿轮组成。

采取措施使一个薄齿轮的左齿侧和另一个薄齿轮的右齿侧分别紧贴在宽齿轮齿槽的左右两侧，以消除间隙。特点：驱动力不能太大，仅适用于仪表读数装置。79垫片错齿调整轴向压簧错齿调整

1、2-薄片齿轮；3-宽齿轮；4-垫片

1、2-薄片齿轮；3-宽齿轮；4-调整螺母；5-弹簧错齿调整法（2）圆柱斜齿轮齿侧间隙的调整也是两片薄齿轮与一个厚齿轮啮合，调整时使两片薄齿轮作轴向移动以错开螺旋线。80除滚珠丝杠副、齿轮副等传动部件之外，机电一体化系统中还大量使用同步带、钢带、链条、钢丝绳及尼龙绳等挠性传动部件。五、挠性传动部件81

打印机中同步带传动系统同步带是具有许多型齿的皮带，它与同样具有型齿的同步皮带轮相啮合。工作时相当于柔软的齿轮。优点：皮带采用承载后无弹性变形的高强力材料，故传动比准确，柔性好，能吸振，噪声低、无需润滑，维护保养方便。缺点：具有一定的蠕变性。同步带应用视频82同步带实物照片同步带一般都由包布层、橡胶（带齿）和抗拉体线绳组合而成。按材质可分为氯丁橡胶加纤维绳同步带，聚氨酯加钢丝同步带。

梯形齿同步带结构1-包布层；2-带齿；3-线绳

13283同步带实物照片按齿的形状目前主要分为梯形齿和圆弧齿两大类。梯形齿主要用于中小功率的传动场合，如各种仪器、计算机、轻工机械等。圆弧齿同步带主要用于重型机械传动中，如运输机械（飞机、汽车)、石油机械和机床等。

汽车发动机上的正时皮带（圆弧齿）

雕刻机同步带（圆弧齿）

84带轮结构同步带轮一般由钢，铝合金，铸铁，黄铜等材料制造85有专业厂家生产（国标），直接选用。86同步带的应用相当普遍，在新型纺织机械、汽车、烟草机械、机床、食品机械、石油化工机械、印染机械、计算机、医疗机械等机械传动中普遍使用同步带。同步带应用情况同步带应用视频87钢带传动特点：与带轮接触面大，无滑动，噪声低，驱动力大，无蠕变。专业厂家：迪梦柯机械（上海）有限公司88标准型钢带输送机

食品搬送用钢带输送机(全不锈钢)冷却用钢带输送机

加热用钢带输送机

89绳轮传动绳轮传动在打印机字车送进机构中的应用1-字车；2-绳轮(电动机输出轴上)；3-伺服电动机；4-钢丝绳特点：结构简单，柔软，成本低，噪声低。90六、间歇传动部件

间歇传动部件有：棘轮传动、槽轮传动、蜗形凸轮传动等部件

1-棘爪；2-棘轮；3-止动爪；4-摇杆；5-扭簧棘轮传动工作原理91

齿式棘轮机构的形式

1-棘轮；2-棘爪92槽轮传动机构

槽轮传动机构又称马尔他(马氏)机构

传动机构工作原理图1-拨销盘；2.锁紧弧；3-槽轮；4-定位弧；5-拨销93蜗形凸轮传动机构l-转盘；2-滚子；3-蜗形凸轮94一、导轨副的组成、种类及其应满足的要求

丝杠动画

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(导向)运动。这样的部件通常称为导轨副，简称导轨。第三节导向支承部件的选择与设计95导轨副的组成

1-承导件；2-运动件

96按接触面的摩擦性质分为：

导轨副的分类97按导轨副的结构可分为：(1)开式导轨

必须借助于运动件的自重或外载荷，在一定的空间位置和受力状态下，才能保证运动导轨和支承导轨的工作面保持可靠的接触，从而保证运动导轨的规定运动。开式导轨一般受温度变化的影响较小。(2)闭式导轨

借助于导轨副本身的封闭式结构，保证在变化的空间位置和受力状态下，运动导轨和支承导轨的工作面都能保持可靠的接触，从而保证运动导轨的规定运动。闭式导轨一般受温度变化的影响较大。导轨副的分类98常用导轨性能比较99机电一体化系统对导轨的基本要求是导向精度高、刚性好、运动轻便平稳、耐磨性好、温度变化影响小以及结构工艺性好等。

(1)导向精度

指(直线)导轨按给定方向作直线运动的准确程度。具体规定：

导轨在垂直平面内的直线度（纵向直线度）导轨在水平平面内的直线度（横向直线度）两导轨导向的平行度（扭曲度）2.导轨副应满足的基本要求100直线运动导轨的导向精度

垂直平面内的直线度(纵向直线度)水平平面内的直线度（横向直线度）两导轨导向的平行度（扭曲度）101（2）刚度

导轨的刚度就是抵抗载荷引起的变形的能力。包括导轨结构变形和接触面变形

减小结构变形措施：增大尺寸、合理布置加强筋和肋板等减小接触变形措施：降低粗糙度施加预载荷导轨副应满足的基本要求102（3）精度的保持性精度的保持性主要由导轨的耐磨性决定。导轨的耐磨性，主要取决于导轨的结构、材料、摩擦性质、表面粗糙度、表面硬度、表面润滑及受力情况等；（4）运动的灵活性和低速运动的平稳性高速不振动低速不“爬行”导轨副应满足的基本要求103什么是爬行？

机械中的低速运动速度可达0.05mm/min，微小位移达0.001mm/次。有时运动导轨不是匀速运动，而是时走时停或忽快忽慢，如图所示，这种现象称为爬行。产生爬行的原因？

其主要原因是摩擦系数随运动速度的变化和传动系统刚性不足。

导轨副应满足的基本要求104导轨的爬行现象机理

（运动系统简化为弹簧-阻尼系统）传动系统带动运动件3在静导轨4上运动时，作用在导轨副内的摩擦力是变化的。低速匀速运动的主动件1，通过压缩弹簧推动静止的运动件3，当运动件3受到的逐渐增大的弹簧力小于静摩擦力F时，3不动。直到弹簧力刚刚大于静摩擦力F时，3才开始运动，静摩擦变成了动摩擦，3的速度相应增大，同时弹簧相应伸长，作用在3上的弹簧力逐渐减小，甚至产生拉力，3产生负加速度，速度逐渐下降，甚至停止运动，主动件l这时再重新压缩弹簧，爬行现象进入下一个周期。弹簧-阻尼系统图1-主动件；2-弹簧-阻尼；3-运动件；4-静导轨105

（1）降低摩擦

采用滚动导轨、静压导轨、卸荷导轨、贴塑料层导轨等；在普通滑动导轨上使用含有极性添加剂的导轨油；

（2）提高系统刚度

增大结构尺寸、缩短传动链、减少传动副等方法来提高传动系统的刚度。防止爬行现象应采取的措施106（5）对温度的敏感性和结构工艺性

导轨在环境温度变化的情况下，应能正常工作，既不“卡死”，亦不影响系统的运动精度。导轨对温度变化的敏感性，主要取决于导轨材料、配合间隙和导轨的结构形式（如开式还是闭式）。

结构工艺性是指系统在正常工作的条件下，应力求结构简单，制造容易，装拆、调整、维修及检测方便，从而最大限度地降低成本。导轨副应满足的基本要求107二、滑动导轨副的结构及其选择1.滑动导轨副的截面形状及其特点

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装置，以防切屑等脏物落入导轨。108各种截面形状滑动导轨的特点

(1)三角形滑动导轨：导轨尖顶朝上的称三角形导轨，尖顶朝下的称V形导轨。特点：导轨面上的支反力大于载荷，使摩擦力增大。易磨损，承载能力差。承载面与导向面重合，自动补偿磨损，不会产生间隙，故导向精度较高。角度取值：截面角度由载荷大小及导向要求而定，一般为90°。为增加承载能力，应采用较大的顶角(110°~l20°)；为提高导向性，可采用较小的顶角(60°)109（2）矩形滑动导轨：特点：

导轨面上的支反力与外载荷相等，承载能力较大。承载面（顶面）和导向面（侧面）分开，磨损后不能自动补偿，须有调整间隙装置。导向精度没有三角形导轨高。

结构简单，制造、检验和修理方便，故应用广泛。各种形状滑动导轨的特点

110（3）燕尾形滑动导轨特点：

高度小，结构紧凑，两燕尾面起压板面作用，可以承受颠覆力矩，间隙调整非常方便。制造、检验和维修都不方便。用于运动速度不高、受力不大、高度尺寸受到限制的场合。各种形状滑动导轨的特点

111（4）圆形导轨特点：

制造方便，外圆采用磨削，内孔经过珩磨，可达到精密配合。磨损后很难调整和补偿间隙。有两个自由度，若要限制转动，可在圆柱表面开键槽或加工出平面，或采用双圆柱导轨。各种形状滑动导轨的特点

1122.滑动导轨副的组合形式

在机电设备中，导轨副经常是以组合的形式来使用，常用组合形式：

三角形---三角形矩形---矩形三角形---矩形三角形---平面

滑动导轨副的组合1131-三角形导轨；2-V型导轨；3-压板

两条三角形导轨的组合突出了三角形导轨的优缺点，导向性好，承载性差，工艺性差，适用于高精度机械，如坐标镗床、丝杠车床。三角形---三角形双三角形导轨组合114矩形---矩形

1-承载面；2-导向面；3-辅助导轨面两条矩形导轨的组合突出了矩形导轨的优缺点，结构简单，易于加工制造，承载能力大。导向面与承载面分开，以侧面导向，导向精度低，常用于普通精度的重型机床。矩形与矩形导轨组合115导向性优于双矩形组合，承载能力优于双三角形组合，工艺性介于二者之间，在中小型机床上应用广泛。

注意：应使牵引力和摩擦阻力在同一直线上，以减少附加力矩。三角形---矩形三角形---平面三角形和矩形导轨、平面导轨的组合仅用于低速高低速均可用116根据以上所述，各种滑动导轨的特点各不相同，因此在选择使用时，应把握以下原则：

1）当要求导轨具有较大的刚度和承载能力时，用矩形导轨。一般来说，中小型机床导轨常采用三角形-矩形导轨的组合，而重型机床常采用双矩形导轨的组合。

2）当要求导轨的导向精度高时，常采用三角形导轨。此时，三角形导轨工作面同时起承载和导向作用，磨损后能自动补偿间隙，导向精度高。

3）矩形、圆形导轨工艺性好，制造、检验都方便。三角形、燕尾形导轨工艺性差。

4）当要求结构紧凑、高度小及调整方便时，用燕尾形导轨。滑动导轨特点总结及选用原则

117

燕尾形导轨的间隙调整

1-斜镶条闭式导轨副间隙的调整闭式导轨副的滑动表面之间应当保持合适的间隙，间隙过小，会增加摩擦阻力；间隙过大，会降低导向精度。常用调整导轨间隙的方法：压板和镶条两种方法。燕尾形导轨可用镶条或压板同时调整垂直和水平两个方向的间隙。118矩形导轨垂直方向间隙的调整

1-压板；2-接合面；3-调整螺钉；4-调整垫片矩形导轨垂直方向间隙：修刮压板、调整螺钉、修刮调整垫片闭式导轨副间隙的调整119矩形导轨水平间隙：平镶条或斜镶条平镶条：加工方便，调整较麻烦，接触不均匀，用于受力小的短导轨

斜镶条：加工困难，调整方便，接触均匀，使用可靠，应用广泛。闭式导轨副间隙的调整120

常用材料有铸铁、钢、非铁金属和塑料等。

(1)铸铁

具有良好的耐磨性和减振性，易于铸造和加工，成本低。

为什么耐磨性和减震性好？

灰铸铁中的碳，是以片状石墨形式分布，相当于在钢的基体上分布了许多微小裂纹，它的存在，可以阻断机械振动的传播，所以具有良好的减震性和耐磨性。

常用：

灰铸铁：一般用HT200，硬度以180-200HB较为合适。用于中等精度和运动速度较低的导轨。

合金铸铁：加入磷铜等合金，提高铸铁的耐磨性。如髙磷铸铁。

4.滑动导轨副常用材料121（2）钢

采用淬硬的钢导轨。淬硬的钢导轨都是镶装或焊接上去的。淬硬钢导轨的耐磨性比不淬硬铸铁导轨高5～10倍。

常用：

45钢、合金结构钢(20Cr、40Cr)、碳素工具钢(T8A、T10A)、轴承钢（GCrl5）等4.滑动导轨副常用材料122(3)非铁金属

常用的非铁金属有黄铜HPb59-1，锡青铜ZQSn6-6-3，铝青铜ZQAl9-2等。

(4)塑料（贴塑导轨）

采用粘接剂将聚四氟乙烯导轨软带粘接在导轨面上（动导轨），使得传统导轨的摩擦形式变为铸铁-塑料摩擦副。

聚四氟乙烯软带？4.滑动导轨副常用材料123聚四氟乙烯导轨软带是以聚四氟乙烯为基体，加入铜粉﹑二硫化钼和石墨填充剂混合烧结，做成导轨软带状。特点

⑴耐磨性好其动静摩擦系数基本接近，而且摩擦系数很低，能防止低速爬行，使运动平稳。本身具有润滑作用，对润滑的供油量要求不高，采用间歇供油即可。

⑵减振性能好塑料的阻尼性能好，其减振消声性能对提高摩擦副的相对运动速度有很大的意义．最高进给速度可达15m/min.

⑶工艺性能好可降低对粘贴塑料的金属基体的硬度和表面质量的要求，而且塑料易加工（铣﹑刨﹑磨﹑刮）以获得良好的导轨表面质量。聚四氟乙烯导轨软带124目前数控机床常用的导轨,可分为三大类1）滚动导轨启动灵活，成本低。应用如：各种中小型加工中心、数控铣床等2）贴塑导轨

如：数控车床，精密磨床，线割机，火花机等3）静压导轨结构复杂，成本高。应用如：大（重）型机床125搭配原则：动导轨和支承导轨应有不同的硬度或材料，以防止相同晶格组织产生撕裂和咬焊。滑动导轨常用材料的搭配126提高滑动导轨副耐磨性的措施目的：使其在较长时期内保持一定的导向精度，延长设备的使用寿命。具体措施：（1）镶装导轨

即在支承导轨(如底座、床身等)上镶装淬硬钢条、钢板或钢带；在动导轨上镶装塑料或非铁金属板。好处：即提高导轨的耐磨性，又使导轨的制造工艺简单，修理方便，成本低。127（2）提高导轨的精度与改善表面粗糙度其目的是减少导轨的摩擦和磨损，从而提高耐磨性。（3）减小导轨单位面积上的压力(即比压)

要减小导轨面压强，应减轻运动部件的重量、增大导轨支承面的面积或者采用卸荷装置。

提高滑动导轨副耐磨性的措施128滑动导轨在早期的机床或其它机械设备上应用广泛。但随着相关技术的发展，摩擦更小、精度更高、速度更快的滚动导轨已经逐渐取代滑动导轨，尤其在中轻载的机电一体化设备中，如中小型数控机床。滚动导轨副类型与选择129在承导件和运动件之间放入一些滚动体（滚珠、滚柱或滚针），使相配的两个导轨面不直接接触的导轨，称为滚动导轨。

认识其结构130滚动导轨副的特点：1）低摩擦系数和动/静摩擦系数基本相等。2）可实现传动和支承预紧，无间隙传动，精度高和结构刚度好，易于消除正反转传动误差。3）专业化生产，质量易于保证。4）滚动体与滚道为点或线接触，接触应力较大，抗振性较差。5）结构复杂、生产成本高，必须有良好的防护装置。131滚动导轨副类型：

按运动形式

——直线导轨和回转导轨。按滚动体形状——滚珠滚动导轨副、圆柱（滚针）滚动导轨副、圆锥滚动导轨副等。按滚动体的循环方式——非循环导轨和循环导轨。132

结构：滑块内有滚珠、保持架、反向器等，使滚珠在滑块内循环滚动。特点：可实现无限长导轨的直线运动。易于标准化。

滑块式直线运动导轨副：

133

根据截面形状主要分为矩形(GGB)和梯形(GGA)两种。

矩形(GGB)：四个方向能承受相等的载荷

梯形(GGA)：能承受较大的垂直向下载荷，其它方向承载能力较低滑块式直线运动导轨副：

134滑块式直线运动导轨副在数控