第十四章　常用运动副的连接结构

机械设计教程第3版机械工业出版社第十四章常用运动副的连接结构设计第一节概述

第二节常用运动副的连接结构及其应用

第一节概述

运动副是机构中任意一个构件与其他构件之间的可动连接。运动副可以根据其接触形式、相对运动形式、接触部分的几何形状及运动副引入的约束数进行分类(见参考文献[30])。为叙述方便,这里按低副(转动和移动)、高副结构分别讨论。在机械设计中,设计者不仅需要在原理方案设计中正确选择构件之间的运动副,还需要将构件之间的运动副结构化。前文所述机械传动系统中的结构设计包含了运动副结构设计的多种主要形式,如轴与轴承之间的转动副结构、螺旋传动(转动副和移动副)等。但是在机械的执行机构中还有多种多样的运动副连接结构,如各种铰链、滑块与导轨等。运动副的连接是动连接,因此在结构设计中需满足以下基本要求。1)满足功能要求。能保证实现要求的自由度和约束,有一定的方向精度、运动的灵活性和平稳性,连接部位应具有一定的耐磨性,或采用易于更换的零件结构设计。对于运动精度要求高或工作在高温下的连接,其连接结构要利于散热,或对温度不敏感,以防温升带来误差。2)具有良好的加工、安装工艺性。3)满足经济性要求。尽量选用标准件,以减少加工成本和降低维修成本等。4)考虑环保和使用时的安全性、可靠性。第二节常用运动副的连接结构及其应用

一、铰链连接结构设计铰链是机构转动副最常见的结构。通过铰链连接,构件间不仅可以实现平面内的相对转动,也可实现空间最多到三个自由度的转动(如球铰链)。1.采用销轴的铰链连接销轴连接是铰链连接中应用最广泛的结构之一。图14-1所示为采用销轴连接的三种典型结构。由图14-1可以看出,被连接件可以设计成单板零件和叉形零件。但从销轴的受力分析可知,叉形零件作用在销轴上的剪切力只是单板零件的一半,所以结构更为合理。另外,销轴的另一端一般采用开口销(GB/T91—2000)锁紧。为防止销轴轴向有大的窜动,也可采用螺纹连接的方式进行锁紧。但是,为避免拧紧螺母时被连接件产生过大的变形,而不能使杆件灵活运动,需要在轴销外再增加一个套筒,以支撑叉形零件(图14-1c)。图14-1中的销轴已经标准化(GB/T882—2008),它有两种基本结构,如图14-2所示。其中A型销轴可以设计成图14-1c所示,端部采用螺母锁紧。但常用的是B型销轴,便于采用开口销锁紧。为保证被连接件能够较自由地相对转动,当精度要求不高时,销轴与孔的配合可采用D9/h9或H9/d9。第二节常用运动副的连接结构及其应用

一、铰链连接结构设计图14-1采用销轴连接的三种典型结构a)单板形零件(开口销轴端固定)

b)叉形零件(开口销轴端固定)c)叉形零件(螺母轴端固定)第二节常用运动副的连接结构及其应用

一、铰链连接结构设计图14-2销轴的结构第二节常用运动副的连接结构及其应用

一、铰链连接结构设计在采用销轴的铰链连接中,为保证连接强度,叉形零件厚度应满足(图14-3):a=(1.5~1.7)d,b=(2.0~3.5)d。图14-3销轴连接主要尺寸的设计第二节常用运动副的连接结构及其应用

一、铰链连接结构设计

第二节常用运动副的连接结构及其应用

一、铰链连接结构设计2.采用铆接的铰链连接结构铆接目前主要应用于桥梁、建筑、造船、飞机制造业等,并且已经标准化。但由于其工艺简单,在日用品的转动副结构设计中也会见到。图14-4所示为剪刀的铰链连接结构。这种连接中一般采用扁平头铆钉(GB/T872—1986),它还可以用于皮革、帆布、木材和塑料等材料的连接。铆钉直径的选择一般要求h≤5d,其中,h为被铆接件的厚度(mm),d为铆钉的直径(mm)。图14-4剪刀铰链连接结构示意图第二节常用运动副的连接结构及其应用

一、铰链连接结构设计3.采用轴承减摩的铰链结构为减小构件之间的摩擦、磨损,可以在相对转动的构件间加入滑动轴承或滚动轴承(图14-5)。此时的铰链连接结构设计与滚动轴承支撑轴系结构设计类似,其方法可参看本书第十二章。图14-5飞机操纵机构拉杆连接中滑动轴承和滚动轴承的减摩结构第二节常用运动副的连接结构及其应用

一、铰链连接结构设计由以上平面铰链结构设计可以看出,无论是杆件之间还是杆件与滑块之间的铰链连接设计其结构与传动轴系的结构基本相同,可以认为是一个小型轴系结构的设计,都要考虑轴上零件的定位固定方法(轴向和周向),保证转动灵活进行的润滑设计和减摩设计。不同之处在于轴上零件较少,且对于要求不高的场合,可以采用简单的结构(如可省略密封)。机械装置中常会遇到一对轴线相交且相对位置经常变化的转轴之间的动力传递,如汽车中变速器与驱动桥之间的万向节(图14-6)、汽车机械转向系(结构见图14-7),还有空间布置具有相对运动的零件之间的连接,如汽车转向系的转向摇臂、转向直拉杆和转向节臂之间的连接。为保证力和运动的空间传递,常采用万向节。万向节有刚性和挠性两种,刚性万向节是靠零件之间的铰链式连接传递动力的,这类铰链是空间铰链结构。第二节常用运动副的连接结构及其应用

一、铰链连接结构设计图14-6汽车变速器与驱动桥之间的万向节1—变速器2—万向传动装置3—驱动桥4—后悬架5—车架第二节常用运动副的连接结构及其应用

一、铰链连接结构设计图14-7汽车机械转向系结构示意图1—转向盘2—转向轴3—转向万向节4—转向传动轴5—转向器6—转向摇臂7—转向直拉杆8—转向节臂9—左转向节10、12—梯形臂11—转向横拉杆13—右转向节第二节常用运动副的连接结构及其应用

一、铰链连接结构设计图14-8所示为一种结构较简单的单球铰式万向联轴器结构。耳爪4形成球形空间,空心球5与之配合,通过摩擦力传递转矩,圆锥销3用于联轴器与轴伸的连接。这种球铰式万向联轴器传递转矩较小,一般使用在以传递运动为主的场合。汽车变速器和驱动桥之间万向联轴器两端的空间铰链结构采用了球叉式和球笼式结构,它们不仅可以传递较大的转矩,而且可以实现等角速传动。图14-8单球铰式万向联轴器结构1—外套2—内套3—圆锥销4—耳爪5—空心球6—右侧套第二节常用运动副的连接结构及其应用

一、铰链连接结构设计又如图14-7中转向直拉杆7是连接转向摇臂6和转向节臂8之间的传动杆件,当转向轮偏转,且因悬架弹性变形而相对于车架跳动时,直拉杆与转向摇臂和转向节臂之间的相对运动都是空间运动,因此不发生运动干涉。三者之间的连接均采用图14-9所示的球形铰链连接。为保证球铰中球头与球头座5的润滑,可从油嘴8中注入润滑脂并在球头出入孔口用耐油橡胶防尘垫3封盖。压缩弹簧6随时补偿球头与座的磨损,保证两者之间无间隙,并可缓和经车轮和万向节传来的路面冲击。弹簧的预紧力可用端部螺塞4调节,调好后需用开口销固定螺塞的位置。第二节常用运动副的连接结构及其应用

一、铰链连接结构设计图14-9汽车转向直拉杆两端球铰链结构1—螺母2—球头销3—橡胶防尘垫4—端部螺塞5—球头座6—压缩弹簧7—弹簧座8—油嘴9—直拉杆体10—转向摇臂球头销第二节常用运动副的连接结构及其应用

一、铰链连接结构设计4.采用弹性材料的柔性铰链连接以上介绍的铰链结构均需要由多个零件装配而成,结构复杂,尺寸较大,因此它们在一些微小结构中的应用受到限制。由于航空航天技术的发展,对实现小范围内偏转的支撑结构不仅提出了高分辨率的要求,还要求结构上具有微小型化的要求,柔性铰链机构应运而生。柔性铰链利用了弹性材料(如弹簧钢65Mn、合金弹簧钢60Si2Mn)微小变形及其自回复的特性,消除了传动过程中的空程和机械摩擦,能获得超高的位移分辨率,具有体积小、无机械摩擦、无间隙、运动灵活的特性,广泛应用于陀螺仪、加速度计、精密天平、导弹控制等仪器仪表中,并获得了前所未有的高精度和稳定性。光盘驱动器工作中,为了适应光盘表面缺陷引起的轴向跳动以及由于光盘径向定位误差造成的偏心,激光头在读取光盘信息过程中需要沿光盘的轴向和径向进行姿态的调整。图14-10所示为激光头姿态调整结构,通过多组柔性铰链,激光头可获得两个方向的自由度。姿态调整的动力由驱动线圈产生的磁场和固定在激光头部上的磁铁之间的作用力提供。第二节常用运动副的连接结构及其应用

一、铰链连接结构设计图14-10激光头姿态调整结构第二节常用运动副的连接结构及其应用

一、铰链连接结构设计压电陶瓷材料具有逆压电效应,常用作微小型机械结构的原始驱动单元。但是压电陶瓷产生的驱动位移很小,单片位移一般为几个微米。为获得满足功能要求的驱动位移,常采用图14-11所示的与压电陶瓷驱动原件配合使用的位移放大机构。这种结构通过多个柔性铰链构造出多级杠杆机构,可以使压电陶瓷元件产生的微小位移放大,获得较大的驱动位移。图14-11位移放大机构第二节常用运动副的连接结构及其应用

二、移动副连接结构设计两个只做相对移动的构件之间形成移动副,如液压或气压缸中活塞与缸壁之间(图14-12)、滑块与滑轨之间(图14-13)、机床导轨等。这里以滑动导轨为例,说明设计做直线移动的低副结构时需要考虑的问题。图14-12汽车用转向动力缸结构图1—连接叉2—固定环锁圈3—固定环挡圈4—活塞杆5—后盖6—紧固螺钉7—活塞8—缸体9—前盖固定环10—前盖11—前盖油封第二节常用运动副的连接结构及其应用

二、移动副连接结构设计图14-13刨床移动刀架曲柄滑块机构结构示意图1—曲柄轮2—滑道内侧挡板3—平面滑道4—连接螺栓5—滑道外侧挡板6—滑块7—连接销第二节常用运动副的连接结构及其应用

二、移动副连接结构设计1.滑动导轨设计的一般要求导轨的主要功能是支撑和引导运动部件沿着一定的轨迹运动,当接触表面的摩擦为滑动摩擦时称为滑动导轨。导轨设计需要满足的基本要求是:方向精度与精度保持性、运动的灵活性和平稳性、对温度变化的适应性、耐磨性、结构工艺性、经济性等。2.滑动导轨的基本截面形状对于直线运动导轨,为使运动部件沿一个方向运动,必须限制运动件的三个转动方向和另外两个移动方向的自由度。图14-14所示的三种导轨是部分常用导轨形式。但是,这些形式还不能完全消除绕垂直纸面方向的旋转,因此一般需要加入一个辅助支撑。考虑承载能力和耐磨性,这个辅助支撑一般为平面导轨形式,如图14-15所示。这些导轨的优点是能够承受较大的载荷,精度稳定性高。但是由于增加了多余约束(图14-15d、e),导轨的导向精度要求更高,加工工艺难度较大。实际上这些导轨除燕尾导轨外均应用较少。燕尾导轨不仅能够使运动件较可靠地固定,还可以受到向上的力而不分离(图14-15中的其他结构就不能保证这点),因此在机械中应用较广泛。第二节常用运动副的连接结构及其应用

二、移动副连接结构设计图14-14几种典型的导轨a)全封闭单圆柱导轨b)Y形导轨c)矩形导轨第二节常用运动副的连接结构及其应用

二、移动副连接结构设计图14-15平面组合导轨a)棱-平导轨b)V-平导轨c)圆柱面导轨d)双棱导轨e)双V导轨f)燕尾导轨第二节常用运动副的连接结构及其应用

二、移动副连接结构设计3.滑动导轨的材料滑动导轨的材料一般要求耐磨性好、摩擦因数小而且稳定,特别是机构动摩擦因数的变动要小,速度对动摩擦因数影响小,尺寸稳定,工艺性好,成本低。铸铁是最常用的滑动导轨材料,它具有良好的耐磨性和抗振性。静导轨可选用HT200或HT300,动导轨选用HT150或HT200,导轨材料硬度为160~180HBW。为提高导轨表面的耐磨性,可采取表面淬火、镀铬或喷涂钼的方法。例如,HT200或HT300灰铸铁高频感应淬火前硬度不低于180HBW时,淬火后硬度可达48~55HRC;镀铬铸铁(或钢)—铸铁导轨副,镀层厚度为0.025~0.05mm,硬度为68~72HRC,耐磨性比普通铸铁导轨提高2~3倍。添加合金元素的耐磨铸铁也是滑动导轨常用的材料,如磷铜钛耐磨铸铁(MTPCuTi20、MTPCuTi30),铸件质量容易控制,使用寿命高于普通铸铁1.5~2倍。其他耐磨铸铁还有高磷铸铁(MTP20、MTP30)、钒钛铸铁(MTVTi20、MTVTi30)等。用作导轨材料的工程塑料有酚醛夹布塑料、聚酰胺(尼龙)、聚四氟乙烯、改性聚甲醛等。第二节常用运动副的连接结构及其应用

二、移动副连接结构设计4.提高导轨表面耐磨性的措施导轨表面可以镶装耐磨材料,如钢、合金铸铁、有色金属、工程塑料等,提高耐磨性。这类导轨也称镶装导轨,如图14-16a