《机械原理与机械设计 （下册） 第4版》 课件 第27章 机架、箱体和导轨的结构设计

第二十七章

机架、箱体和导轨的结构设计

机架的结构设计在机器（或仪器）中支承或容纳零、部件的零件称之为机架。机架是底座、机体、床身、立柱、壳体、箱体、以及基础平台等零件的统称。第一节机架、箱体及其结构设计机架设计一般要求一.机架设计准则机架的设计主要应保证刚度、强度及稳定性．１．刚度评定大多数机架工作能力的主要准则是刚度。在机床中刚度决定着机床生产效率和产品精度；在齿轮减速器中，箱体的刚度决定了齿轮的啮合情况和它的工作性能；薄板轧机的机架刚度直接影响钢板的质量和精度。２．强度强度是评定重载机架工作性能的基本准则。机架的强度应根据机器在运转过程中可能发生最大载荷或安全装置所能传递的最大载荷来校核其静强度。此外还要校核其疲劳强度。机架的强度和刚度都需要从静态和动态两方面来考虑。动刚度是衡量机架抗震能力的指标，而提高机架抗振能力应从提高机架构件的静刚度，控制固有频率，加大阻尼等方面着手。３．稳定性机架受压结构及受压弯结构都存在失稳问题。有些构件制成薄壁腹式也存在局部失稳。稳定性是保证机架正常工作的基本条件。必须加以校核。４．对于机床、仪器等精密机械还应考虑热变形。热变形将直接影响机架原有精度，从而使产品精度下降。二.机架设计的一般要求1.在满足强度和刚度的前提下，机架的重量应要求轻、成本低。2.抗振性好。3.噪声小。4.温度场分布合理，热变形对精度的影响小。5.结构设计合理，工艺性良好，便于铸造、焊接和机械加工。6.结构便于安装、调整及修理。7.导轨面受力合理、耐磨性良好。8.造型好。三.设计步骤1.初步确定机架的形状和尺寸2.常规计算利用材料力学、弹性力学等固体力学理论和计算公式，对机架进行强度、刚度和稳定性等方面的校核。3.有限元静动态分析、模型试验（或实物试验）和优化设计。4.制造工艺性和经济性分析。

机架的常用材料材料的选用，主要是根据机架的使用要求。多数机架形状较复杂，故一般采用铸造。由于铸铁的铸造性能好、价廉和吸振能力强，所以应用最广。焊接机架具有制造周期短、重量轻和成本低等优点，故在机器制造业中，焊接机架日益增多。一.铸造机架常用材料1.铸铁铸铁流动性好，体收缩和线收缩小，容易获得形状复杂的铸件。铸铁的内摩擦大、阻尼作用强，故动态刚性好。另外还有切削性能好、价格便宜和易于大量生产等优点。铸铁主要有灰铸铁、球墨铸铁。2.铸造碳钢铸钢的弹性模量大，强度也比铸铁高，故用于受力较大的机架。由于钢水流动性差，在铸型中凝固冷却时体收缩和线收缩都较大，故不宜设计复杂形状的铸件。3.铸造铝合金铝合金密度小、重量轻，通过热处理强化，具有足够高的强度、较好的塑性，良好的韧性。

机架的热处理一.铸钢机架的热处理铸钢件一般都要经过热处理。热处理的目的是为了消除铸造内应力和改善力学性能。铸钢机架的热处理方法一般有正火加回火，退火、高温扩散退火和焊补后回火等。二.铸铁机架时效处理时效处理的目的是在不降低铸铁力学性能的前提下，使铸铁的内应力和机加工切削应力得到消除或稳定，以减少长期使用中的变形，保证几何精度。三.焊接机架的退火箱体的结构设计一、箱体的主要功能箱体的主要功能有：1．支承并包容各种传动零件，还可以储存润滑剂，实现各种运动零件的润滑。2．安全保护和密封作用，并有一定的隔振、隔热和隔音作用。3．使机器各部分分别由独立的箱体组成，便于加工、装配、调整和修理。4．改善机器造型，协调机器各部分比例，使整机造型美观。二、箱体设计应考虑的主要问题设计的过程中主要应考虑以下问题：1.满足强度和刚度要求。散热性能和热变形问题。结构设计合理。工艺性问题。减振、隔振问题。造型好、质量轻。值得注意的是在设计不同的箱体时，考虑问题时应该有所侧重。三、箱体毛坯的选择铸造容易制造出结构复杂的箱体毛坯，铸造箱体的热影响变形小，吸振能力较强，也容易获得较好的结构刚度，但其质量大。焊接箱体允许有薄壁和大平面，而铸造却较难实现薄壁和大平面，此外焊接箱体一般比铸造箱体轻，大型的机座或箱体的制造，则常采用分体铸造，整体焊接的办法。在选择箱体毛坯的时候，还要与生产能力和生产规模相符合。四、箱体结构主要参数设计

2．加强筋加设筋板既可以增大强度和刚度，又可以减少质量。筋板的不同布置对于加设筋板的效果有很大的影响。表16-4列出了几种筋板的布置情况。3．孔和凸台箱体内壁和外壁上位于同一轴线上的孔，单件小批量生产时，应尽可能使孔的质量相等；成批大量生产时，外壁上的孔应大于内壁上的孔径。在箱壁上与孔中心线垂直的端面处附加凸台，可以增加箱体局部的刚度。1．壁厚铸铁、铸钢和其它材料箱体的壁厚可以从表16-1和表16-2中选取，表中N用下式计算：

N=（2L+B+H）/3000（mm）式中：L-铸件长度（mm），L、B、H中，L为最大值；

B-铸件宽度（mm）；

H-铸件高度（mm）4．联接和固定为了保证联接刚度，应注意以下几个方面的问题：

（1）重要结合面表面粗糙度值Ra应不大于3.2µm，接触表面粗糙度值越小，则接触刚度越好。（2）合理选择联接螺钉的直径和数量，保证结合面的预紧力。

(3)

合理设计联接部位的结构，联接部位的结构、特点及应用见表16-5。五、典型箱体结构1.传动箱体如减速器、汽车变速箱及机床主轴箱等的箱体，主要功能是包容和支承各传动件及其支承零件，这类箱体在结构上应保证有好的密封性、高的强度和刚度。2.机壳类箱体如齿轮泵的泵体，各种液压阀的阀体，主要功能是改变液体流动方向、流量大小或改变液体压力。这类箱体在结构上除了要保证好的密封性、高的强度和刚度外，还要能承受箱体内液体的压力。3.支架箱体如机床的支座、立柱等箱体零件，在结构上要保证箱体有一定的强度、刚度和精度，这类箱体设计时要特别注意刚度和外观。第二节导轨及其结构设计一、导轨的功能导轨起支承和导向的作用。二、导轨设计基本要求对导轨的设计应满足如下要求：

1.一定的导向精度。

2.运动轻便平稳。

3.良好的耐磨性。

4.足够的刚度和较大的承载能力。

5.温度变化影响小。

6.结构工艺性好。三、滑动导轨设计一)、滑动导轨设计的主要内容1.根据工作条件，选择合适的导轨类型。2.选择导轨的截面形状，以保证导向精度。3.选择适当的导轨结构及尺寸，使其在给定的载荷及工作温度范围内，有足够的刚度，良好的耐磨性，以及运动轻便和平稳。4.选择导轨的补偿及调整装置，经长期使用后，由于磨损，将会出现间隙，影响导轨的导向精度和承载能力，因此必须选择合适的调整装置来对磨损量进行补偿或对间隙进行调整以保持需要的导向精度。5.选择合理的润滑方法和防护装置，使导轨有良好的工作条件，以减少摩擦和磨损，增加导轨的使用寿命。6.制订保证导轨所必须的技术条件，如选择适当的材料，以及表面加工、热处理、测量方法等。二)、滑动导轨的结构设计1.滑动导轨截面的基本形式（1）三角形导轨该导轨磨损后能自动补偿，不会产生间隙，故导向精度高。如果导轨上所受的力，在两个方向上的分力相差很大，应采用不对称三角形，以使力的作用方向尽可能垂直于导轨面。（2）矩形导轨：优点是结构简单，制造、检验和修理方便；导轨面较宽，承载力较大，刚度高，故应用广泛。由于它必须留有侧面间隙，且磨损后不能自动补偿，它的导向精度没有三角形导轨高，导轨间隙需用压板或镶条调整，且磨损后需重新调整。（3）燕尾形导轨燕尾形导轨的调整及夹紧较简便，用一根镶条可调节各面的间隙，且高度小，结构紧凑；但制造检验不方便，摩擦力较大，刚度较差，不适用于承受大的倾覆力矩和向上力矩，用于运动速度不高，受力不大，高度尺寸受限制的场合。（4）圆形导轨制造方便，外圆采用磨削，内孔珩磨可达精密的配合，但磨损后不能调整间隙。为防止转动，可在圆柱表面开键槽或加工出平面，但不能承受大的扭矩。宜用于承受轴向载荷的场合。2.常用导轨组合形式（1）三角形和矩形组合这种组合形式以三角导轨为导向面，不需要用镶条调整间隙，导向精度较高，而平导轨的工艺性好，因此应用最广。组合有V-平组合、棱-平组合两种形式。棱-平组合V-平组合图16-1三角形导轨与矩形导轨的组合形式示意图（2）矩形和矩形组合承载面和导向面分开，因而制造和调整简单，导向面的间隙用镶条调整，接触刚度低，而且必须留有间隙，降低了导向精度。宽式组合导向面由于距离大，热膨胀时变形量大，要求间隙大，因此其导向精度和导向性能不如窄式组合。图16-2矩形导轨与矩形导轨的组合形式示意图窄式组合宽式组合（3）双三角形导轨导向面间无间隙，接触刚度好，导向精度高。采用对称结构，两条导轨磨损均匀，较高的工作精度。但其工艺性差，四个表面刮削或磨削也难以完全接触，对温度变化较敏感，故不宜用在温度变化大的场合。图16-3双三角形导轨的组合形式示意图3.间隙调整为保证导轨正常工作，导轨滑动表面之间应保持适当的间隙。导轨的间隙调整广泛采用镶条和压板。（a）压板调整间隙

（b）镶条调整间隙（c）垫片调整间隙（d）侧面间隙的调整图16-4矩形导轨的间隙调整4.夹紧装置有些导轨（如非水平放置的导轨）在移动之后要求将它的位置固定，因而要用专用的锁（夹）紧装置。常用的锁紧方式有机械锁紧和液压锁紧。5.提高耐磨性措施1）选择合理的压强2）选择合适材料3）热处理4）润滑和防护6.结构尺寸的验算1)校核温度变化对导轨间隙的影响2)不自锁的条件四、滚动导轨设计简介一）、滚动导轨的特点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。特点：摩擦阻力小，运动轻便灵活；磨损小，能长期保持精度；动、静摩擦系数差别小，低速时不易出现“爬行”现象，故运动均匀平稳。缺点：导轨面和滚动体是点接触或线接触，抗振性差，接触应力大，故对导轨的表面硬度要求高，对导轨的形状精度和滚动体的尺寸精度要求高。二）、滚动导轨的结构形式1．滚珠导轨滚珠导轨主要有V-平截面的滚珠导轨、双V形截面的滚珠导轨和圆形截面滚珠导轨等结构形式。由于滚珠和导轨面是点接触，故运动轻便，但刚度低，承载能力小，常用于运动件重量、载荷不大的场合。滚柱导轨中的滚柱与导轨面是线接触，故它的承载能力和刚度比滚珠导轨大，耐磨性较好，但灵活性稍差。滚柱对导轨的不平度较敏感，容易产生侧向偏移和滑动，而使导轨的阻力增加，磨损加快，精度降低。滚柱导轨支承为标准部件，具有安装、润滑简单，调整防护容易等优点。由于滚柱在封闭的滚道内滚动，故可用于行程很大的导轨上。三）、滚动导轨设计的一般问题1．结构形式的选择2．导轨长度的选择一般应在满足导轨运动行程的前提下，尽可能使导轨的长度短一