《机械系统设计》课件

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1、1,第2章 机械部件的选择与设计,概述 传动部件 导向支承部件 旋转支承 轴系部件 机座或架体,2,机械系统组成： 减速装置、丝杠螺母副、蜗轮蜗杆副等各种线性传动部件以及连杆机构、凸轮机构等非线性传动部件 导向支承部件 旋转支承部件 轴系及架体,为确保机械系统的传动精度和工作稳定性要求： 无间隙 低摩擦 低惯量,2.0 机械部件的选择与设计绪论,高刚度 高谐振频率 适当的阻尼比,3,采用低摩擦阻力的传动部件和导向支承部件 缩短传动链，提高传动与支承刚度 选用最佳传动比，以达到提高系统分辨率、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。 缩小反向死区误差 改进支承及架体的结构设

2、计以提高刚性、减少振动、降低噪声,4,2.1 机械传动部件的选择与设计,常用的机械传动部件： 螺旋传动 齿轮传动 同步带传动 高速带传动 各种非线性传动部件,主要功能是传递转矩和转速，实质上是一种转矩、转速变换器。,2.1.1 机械传动部件及其功能要求,传动机构技术要求： 1)精密化 2)高速化 3)小型化、轻量化,5,传动机构及其功能（：为选择）,6,丝杠螺母机构又称螺旋传动机构,用来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。 传递能量为主螺旋传动机构的(如螺旋压力机、千斤顶等) 传递运动为主的螺旋传动机构(如工作台的进给丝杠) 调整零件之间相对位置的螺旋传动机构,2.1.2 丝杠

3、螺母机构,7,丝杠螺母机构分为: 滑动摩擦机构和滚动摩擦机构。,滑动丝杠螺母机构结构简单、加工方便、制造成本低、具有自锁功能，但其摩擦阻力矩大、传动效率低(3040)。,滚珠丝杠螺母机构虽然结构复杂、制造成本高，但其最大优点是摩擦阻力矩小、传动效率高(9298)，,8,1)螺母固定、丝杆转动并移动 2)丝杆转动、螺母移动 3)螺母转动、丝杆移动 4)丝杆固定、螺母转动并移动 5)差动传动方式,9,10,1滚珠丝杠副的组成及特点,滚珠丝杠副是一种新型螺旋传动机构，其具有螺旋槽的丝杆与螺母之间装有中间传动元件滚珠。,2.1.3 滚珠丝杠传动部件,11,优点: 摩擦阻力矩小、传动效率高 轴向刚度高(

4、即通过适当预紧可消除丝杠与螺母之间的轴向间隙) 运动平稳; 定位精度和重复定位精度高; 不易磨损; 使用寿命长.,缺点:由于不能自锁，具有传动的可逆性，在用作升降传动机构时，需要采取制动措施。,12,13,14,2滚珠丝杠副的典型结构类型,滚珠丝杠副的结构类型可以从螺纹滚道的截面形状、滚珠的循环方式和消除轴向间隙的调整方法进行区别,(1)螺纹滚道型面(法向)的形状及主要尺寸,15,(2)滚珠的循环方式 内循环和外循环,内循环方式的优点是 滚珠循环的回路短、流畅性好、效率高、螺母的径向尺寸也较小。 缺点是反向器加工困难、装配调整也不方便。,16,浮动式反向器的内循环滚珠丝杠副。,1-反向器；2-

5、弹簧套；3-丝杆；4-碟簧片,17,外循环方式中的滚珠在循环返向时，离开丝杆螺纹滚道，在螺母体内或体外作循环运动。从结构上看，外循环有以下三种形式：,1)螺旋槽式,18,2)插管式,19,3)端盖式,20,3滚珠丝杠副的主要尺寸参数,公称直径：,基本导程 (或螺距)：,行程：,螺纹大径： 丝杆螺纹小径 滚珠直径 螺母螺纹大径 螺母螺纹小径 丝杆螺纹全长,第一、第二和第三圈(或列)分别承受轴向载荷的50、30和20左右。因此，工作圈(或列)数一般取2.5(或2)3.5(或3)。滚珠总数N一般不超过150个。,21,4滚珠丝杠副的精度等级及标注方法,1)精度等级：根据GB/T17587.3-199

6、8（与ISO 3408-3：1992同）标准，将滚珠丝杠副的精度分成为1、2、3、4、5、7、10共七个等级，最高级为1级，最低级为10级。 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。,22,23,尺寸系列，国际标准化组织(ISODIS3408-2-1991)和GB/T 17587.2-1998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)：1，2，25，3，4，5，6，8，10，12，16，20，25，32，40。尽可能 优先选用：

7、2.5，5，10，20及40。,24,行程偏差的验收检验项目 （GB/T 17587.3-1998（与ISO3408-3：1992）同）,25,行程偏差和变动量（部分）,26,27,(1)双螺母螺纹预紧调整式,结构简单、刚性好、预紧可靠，使用中调整方便，但不能精确定量地进行调整。,1-锁紧螺母；2-调整螺母；3、4-滚珠螺母,5 滚珠丝杠副轴向间隙的调整与预紧,28,(2)双螺母齿差预紧调整式,可实现定量调整即可进行精密微调(如0.002 mm)，使用中调整较方便。,1-套筒；2-内齿轮；3-螺母；4-丝杠,29,(3)双螺母垫片调整预紧式,结构简单、刚度高、预紧可靠，但使用中调整不方便。,双

8、螺母垫片预紧式 1-垫片； 2-螺母,30,(4)弹簧式自动调整预紧式,能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，适合用于轻载场合。,弹簧自动调整预紧式,31,(5)单螺母变位导程自预紧式和单螺母滚珠过盈预紧式,结构简单紧凑，但使用中不能调整，且制造困难。,32,6 滚珠丝杠副支承方式的选择,1)单推一单推式 止推轴承分别装在滚珠丝杠的两端并施加预紧力。,轴向刚度较高，预拉伸安装时，预紧力较大，但轴承寿命比双推一双推式低。,33,典型支承方式,34,2)双推一双推式 两端分别安装止推轴承与深沟球轴承的组合，并施加预紧力，其轴向刚度最高。,该方式适合于高刚度、高转速、

9、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，易造成两端支承的预紧力不对称。,35,3)双推一简支式 一端安装止推轴承与深沟球轴承的组合，另一端仅安装深沟球轴承，其轴向刚度较低，使用时应注意减少丝杠热变形的影响。,双推端可预拉伸安装，预紧力小，轴承寿命较高，适用于中速、传动精度较高的长丝杠传动系统。,36,4)双推一自由式 一端安装止推轴承与深沟球轴承的组合，另一端悬空呈自由状态，故轴向刚度和承载能力低，多用于轻载、低速的垂直安装的丝杠传动系统。,37,(2)轴承的组合安装支承示例,38,39,40,(3)制动装置 因滚珠丝杠传动效率高，无自锁作用，故在垂直安装状态，必须设置防

10、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。,摩擦轮,制动轮,41,(1)滚珠丝杠副结构的选择 根据防尘防护条件以及对调隙及预紧的要求，可选择适当的结构型式。例如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；,当具备良好的防尘条件，且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。,7 滚珠丝杠副的选择方法,42,(2)滚珠丝杠副结构尺寸的选择,公称直径d0 :一般取d0小于30为宜； 基本导程:按承载能力、传动精度及传动速度选取，导程大

11、承载能力也大，导程小传动精度较高。. 基本导程Ph(或螺距t)应要求传动速度快时，可选用大导程滚珠丝杠副。 螺纹长度在允许的情况下要尽量短,43,(3)滚珠丝杠副的选择计算,在选用滚珠丝杠副时，必须知道实际的工作条件： 最大的工作载荷Fmax(或平均工作载荷Fcp)(N) 作用下的使用寿命T(h) 丝杠的工作长度(或螺母的有效行程) (mm) 丝杠的转速n(或平均转速ncp)(rmin) 滚道的硬度HRC及丝杠的工况,44,1)承载能力选择,45,2)压杆稳定性核算,46,3)刚度的验算,47,式中：E钢的弹性模量，21105MPa： S丝杠的最小截面积，cm2： M扭矩，Ncm； I丝杠的小

12、径d1的截面惯性矩： L的单位为cm； “+”号用于拉伸时，“-”号用于压缩时。,根据你选择的丝杠型号精度等级的丝杠允差，检验刚度是否足够。 注意：最大载荷满足了，刚度并不一定能满足,48,齿轮传动部件是转矩、转速和转向的变换器。,1齿轮传动形式及其传动比的最佳匹配选择,2.1.4 齿轮传动部件,常用的齿轮减速装置有一级、二级、三级等传动形式,49,要使伺服电动机驱动负载产生的加速度最大，要按下述方法选择总传动比。,(1) 传动比 i,其中， 电机输出转角， 负载转角,50,额定转矩为Tm、转子转动惯量为Jm，负载惯量为JL、负载转矩为TLF的负载的计算模型，电动机轴上的加速转矩为Ta。,(2

13、) 电机输出轴的力矩平衡方程,令,(2) 最佳传动比,51,求得使负载加速度为最大的i值，即,52,2齿轮传动链的级数和各级传动比的分配,按下述三种原则适当分级，并在各级之间分配传动比。,(1)最小等效转动惯量原则,1)小功率传动,利用该原则所设计的齿轮传动系统，换算到电动机轴上的等效转动惯量为最小。,53,齿轮系中各转动惯量换算到电动机轴上的等效转动惯量,由于,所以,代入上式得:,54,当,55,按此原则计算的各级传动比也是按“先小后大”次序分配，可使其结构紧凑。,2)大功率传动。大功率传动的转矩较大，小功率传动中的各项简化假设大多不合适，大功率传动比的分配次序仍为“前小后大”。,56,(2

14、)重量最轻原则,1)小功率传动。 假定各主动小齿轮的模数、齿数、齿宽、材料均相同，轴与轴承转动惯量不计，各齿轮均为实心圆柱体，效率不计，则各齿轮的重量之和w为,式中: b各齿轮的宽度； 材料密度； D1、D2、D3、D4各齿轮的计算直径。,57,要保证传动装置的重量最轻，应在总传动比已确定的条件下，首先确定最佳级数，再分配各级传动比，并使各级传动比相等。,2)大功率传动。 大功率传动系统，其传递扭矩大，故要考虑齿轮模数、齿轮齿宽等参数要逐级增加的情况，按重量最轻原则的大功率传动装置，各级传动比是“前大后小”。,58,(3)输出轴转角误差最小原则 在减速传动链中，从输入端到输出端的各级传动比应为

15、“前小后大”，且末端两级传动比应尽可能大，齿轮副精度应提高，这样可减小齿轮的加工误差、安装误差、回转误差对输出转角精度的影响。,59,60,小结：,对于要求体积小、重量轻的齿轮传动系统可用重量最轻原则。,对于要求运动平稳、起停频繁和动态性能好的伺服系统的减速齿轮系，可按最小等效转动惯量和总转角误差最小的原则来处理。对于变负载的传动齿轮系统的各级传动比最好采用不可约的比数，避免同期啮合以降低噪声和振动。,对于提高传动精度和误差为主的传动齿轮系，可按总转角误差最小原则。对于增速传动，由于增速时容易破坏轮系工作的平稳性，应在开始几级就增速，并且要求每级增速比最好大于l：3，以有利于增加轮系刚度、减小

16、传动误差。,对以较大传动比传动的齿轮系，往往需要将定轴轮系和行星结合为混合轮系。对于相当大的传动比、并且要求传动精度与传动效率高、传动平稳、体积小重量轻时，可选用新型的谐波齿轮传动。,61,谐波齿轮系统由谐波发生器、刚性轮和柔性轮三大件组成。,(1)谐波齿轮传动的工作原理,谐波齿轮传动与少齿差行星齿轮传动十分相似。它是依靠柔性齿轮产生的可控变形波引起齿间的相对错齿来传递动力和运动的。,3谐波齿轮传动,62,波形发生器,刚轮zg,柔轮zr,柔轮是薄圆筒形，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。,63,64,工程上常用的波形发生器有两个触头的即为双波发生器，也有三个触头的。具有双波发生器的谐波减速器，其刚轮和柔轮的齿数之差为 zg一zr=2 其椭圆长轴的两端柔轮与刚轮的牙齿相啮合，在短轴方向的牙齿完全分离。当波形发生器逆时针转一圈时，两轮相对位移为二个齿距。当刚轮固定时，则柔轮的回转方向与波形发生器的回转方向相反。,65,传动比大。单级谐波齿轮传动的传