《机械系统设计》课件.ppt
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1、第第2 2章章 机械部件的选择与设计机械部件的选择与设计概述概述传动部件传动部件导向支承部件导向支承部件旋转支承旋转支承轴系部件轴系部件机座或架体机座或架体1机械系统组成:机械系统组成:减速装置减速装置、丝杠螺母副丝杠螺母副、蜗轮蜗杆副蜗轮蜗杆副等各种线性传动部等各种线性传动部件以及件以及连杆机构连杆机构、凸轮机构凸轮机构等非线性传动部件等非线性传动部件导向支承部件导向支承部件旋转支承部件旋转支承部件轴系及架体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:为确保机械系统的传动精度和工作稳定性要求:无间隙无间隙低摩擦低摩擦低惯量低惯量2.0 2.0 机械部件的选择与设计机械部件的选择与设计
2、绪论绪论高刚度高刚度高谐振频率高谐振频率适当的阻尼比适当的阻尼比2采用低摩擦阻力的传动部件和导向支承部件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、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。量,尽可能提高加速能力。缩小反向死区误差缩小反向死区误差改进支承及架体的结构设计以提高刚性、减改进支承及架体的结构设计以提高刚性、减少振动、降低噪声少振动、降低噪声 32.1 2.1 机械传动部件的选择与设计机械传动部件的
3、选择与设计常用的机械传动部件:常用的机械传动部件:螺旋传动螺旋传动齿轮传动齿轮传动同步带传动同步带传动高速带传动高速带传动各种非线性传动部件各种非线性传动部件主要功能是传递主要功能是传递转矩和转速转矩和转速,实质上是一种转矩、转速变换实质上是一种转矩、转速变换器。器。2.1.1 机械传动部件及其功能要求机械传动部件及其功能要求传动机构技术要求:传动机构技术要求:1)1)精密化精密化2)2)高速化高速化3)3)小型化、轻量化小型化、轻量化4传动机构及其功能(:为选择)5丝杠螺母机构又称螺旋传动机构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用来将旋转运动变换为直线运动或将直线运动变换
4、为旋转运动。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传递能量为主螺旋传动机构的(如螺旋压力机、千斤顶等如螺旋压力机、千斤顶等)传递运动为主的螺旋传动机构传递运动为主的螺旋传动机构(如工作台的进给丝杠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调整零件之间相对位置的螺旋传动机构2.1.2 丝杠螺母机构丝杠螺母机构6丝杠螺母机构分为丝杠螺母机构分为:滑动摩擦机构和滚动摩擦机构。滑动摩擦机构和滚动摩擦机构。滑动丝杠螺母机构结滑动丝杠螺母机构结构简单、加工方便、构简单、加工方便、制造成本低、具有自制造成本低、具有自锁功能,但其摩擦阻锁功能,但其摩擦阻力矩大、传动效率低力矩大、
5、传动效率低(30(304040)。滚珠丝杠螺母机构滚珠丝杠螺母机构虽然结构复杂、制虽然结构复杂、制造成本高,但其最造成本高,但其最大优点是摩擦阻力大优点是摩擦阻力矩小、传动效率高矩小、传动效率高(92(929898),71)1)螺母固定、丝杆转动并移动螺母固定、丝杆转动并移动 2)2)丝杆转动、螺母移动丝杆转动、螺母移动 3)3)螺母转动、丝杆移动螺母转动、丝杆移动 4)4)丝杆固定、螺母转动并移动丝杆固定、螺母转动并移动5)5)差动传动方式差动传动方式891 1滚珠丝杠副的组成及特点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,其具有螺旋槽的滚珠丝杠副是一种新型螺旋传动机构,其具有
6、螺旋槽的丝杆与螺母之间装有中间传动元件丝杆与螺母之间装有中间传动元件滚珠。滚珠。2.1.3 滚珠丝杠传动部件滚珠丝杠传动部件10优点优点:摩擦阻力矩小、传动效率高摩擦阻力矩小、传动效率高轴向刚度高轴向刚度高(即通过适当预紧可消除丝杠与螺母之间的轴即通过适当预紧可消除丝杠与螺母之间的轴向间隙向间隙)运动平稳运动平稳;定位精度和重复定位精度高定位精度和重复定位精度高;不易磨损不易磨损;使用寿命长使用寿命长.缺点缺点:由于不能自锁,具有传动的可逆性,在用作升降传动机由于不能自锁,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。构时,需要采取制动措施。111213 2 2滚珠丝杠副的典型结构
7、类型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环方式和消除轴向间隙的调整方法进行区别(1)(1)螺纹滚道型面螺纹滚道型面(法向法向)的形状及主要尺寸的形状及主要尺寸单圆弧型单圆弧型双圆弧型14(2)(2)滚珠的循环方式滚珠的循环方式 内循环和外循环内循环和外循环内循环方式的优点是内循环方式的优点是滚珠循环的回路短、流畅性滚珠循环的回路短、流畅性好、效率高、螺母的径向尺好、效率高、螺母的径向尺寸也较小。寸也较小。缺点是反向器加工困难、装缺点是反向器加工困难、装配调整也不
8、方便。配调整也不方便。15浮动式反向器的内循环滚珠丝杠副浮动式反向器的内循环滚珠丝杠副。1-反向器;2-弹簧套;3-丝杆;4-碟簧片16外循环方式中的滚珠在循环返向时,离开丝杆螺纹滚道,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:以下三种形式:1)1)螺旋槽式螺旋槽式172)2)插管式插管式18 3)3)端盖式端盖式19 3 3滚珠丝杠副的主要尺寸参数滚珠丝杠副的主要尺寸参数 公称直径:公称直径:基本导程基本导程 (或螺距或螺距):行程:行程:螺纹大径:螺纹大径:丝杆螺纹小径丝杆
9、螺纹小径滚珠直径滚珠直径螺母螺纹大径螺母螺纹大径螺母螺纹小径螺母螺纹小径丝杆螺纹全长丝杆螺纹全长 第一、第二和第三圈第一、第二和第三圈(或列或列)分别承受轴向载荷分别承受轴向载荷的的5050、3030和和2020左右。左右。因此,工作圈因此,工作圈(或列或列)数一数一般取般取2.5(2.5(或或2)2)3.5(3.5(或或3)3)。滚珠总数滚珠总数N N一般不超过一般不超过150150个。个。20 4 4滚珠丝杠副的精度等级及标注方法滚珠丝杠副的精度等级及标注方法 1)1)精精 度度 等等 级级:根 据 GB/T17587.3-1998(与ISO 3408-3:1992同)标准,将滚珠丝杠副的
10、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)2)标标注注方方法法: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。2122 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:2.5,5,10,20及40。23 行程偏差的验收检验项目
11、(GB/T 17587.3-1998(与ISO3408-3:1992)同)24行程偏差和变动量(部分)2526(1)(1)双螺母螺纹预紧调整式双螺母螺纹预紧调整式结构简单、刚性好、预紧可靠,使用结构简单、刚性好、预紧可靠,使用中调整方便,但不能精确定量地进行中调整方便,但不能精确定量地进行调整。调整。1-锁紧螺母;2-调整螺母;3、4-滚珠螺母5 5 滚珠丝杠副轴向间隙的调整与预紧滚珠丝杠副轴向间隙的调整与预紧27(2)(2)双螺母齿差预紧调整式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可实现定量调整即可进行精密微调(如如0.002 mm)0.002 mm),使用中调整,使用中调整较方
12、便。较方便。1-套筒;2-内齿轮;3-螺母;4-丝杠 28(3)(3)双螺母垫片调整预紧式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结构简单、刚度高、预紧可靠,但使用中调整不方便。双螺母垫片预紧式1-垫片;2-螺母29(4)(4)弹簧式自动调整预紧式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。杂、轴向刚度低,适合用于轻载场合。弹簧自动调整预紧式30(5)(5)单螺母变位导程自预紧式和单螺母滚珠过盈预紧式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
13、紧凑,但使用中不能调整,且制造困难。结构简单紧凑,但使用中不能调整,且制造困难。316 6 滚珠丝杠副支承方式的选择滚珠丝杠副支承方式的选择1)1)单推一单推式单推一单推式 止推轴承分别装在滚珠丝杠的两端并施加预止推轴承分别装在滚珠丝杠的两端并施加预紧力。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。双推一双推式低。32典型支承方式典型支承方式332)2)双推一双推式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。施加预紧力,其轴向刚度最高
14、。该方式适合于高刚度、高转速、高精度的精密丝杠传动系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,易造成两端统。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。支承的预紧力不对称。343)3)双推一简支式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。影响。双推端可预拉伸安装,双推端可预拉伸安装,预紧力小,轴承寿命较预紧力小,轴承寿命较高,适用于中速、传动高
15、,适用于中速、传动精度较高的长丝杠传动精度较高的长丝杠传动系统。系统。35 4)4)双推一自由式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。垂直安装的丝杠传动系统。36(2)(2)轴承的组合安装支承示例轴承的组合安装支承示例373839(3)(3)制动装置制动装置 因滚珠丝杠传动效率高,无自锁作用,故在垂直因滚珠丝杠传动效率高,无自锁作用,故在垂直安装状态,必须设置防止因驱动力中断而发生逆传动安装状态,必
16、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。的自锁、制动或重力平衡装置。摩擦摩擦轮轮制动制动轮轮40 (1)(1)滚珠丝杠副结构的选择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适当的结构型式。例如当允许有间隙存在时(如垂直运动如垂直运动)可选用具有单圆弧形螺纹滚道的单螺母滚珠丝杠副;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,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;应采
17、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。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滚珠丝杠副的选择方法41(2)(2)滚珠丝杠副结构尺寸的选择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42(3)(3)滚珠丝杠副的选择计算滚
18、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431)1)承载能力选择承载能力选择44 2)2)压杆稳定性核算压杆稳定性核算453)3)刚度的验算刚度的验算46式中:式中:EE钢的弹性模量,钢的弹性模量,2 21101105 5MPaMPa:S S丝杠的最小截面积,丝杠的最小截面积,cmcm2 2:M M扭矩,扭矩,NcmNcm;I I丝杠的小径丝杠的小径d d1 1的截面惯性矩:的截面惯性
19、矩:L L的单位为的单位为cmcm;“+”“+”号用于拉伸时,号用于拉伸时,“-”“-”号用于压缩时。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。度是否足够。注意:最大载荷满足了,刚度并不一定能满足注意:最大载荷满足了,刚度并不一定能满足47齿轮传动部件是转矩、转速和转向的变换器。齿轮传动部件是转矩、转速和转向的变换器。1 1齿轮传动形式及其传动比的最佳匹配选择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、三级等传动形式常用的齿轮减速装置有一级、二级、三级等传动形
20、式48TmTLF要使伺服电动机驱动负载产生的加速度最大,要按下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。述方法选择总传动比。(1)(1)传动比传动比 i i其中,其中,电机输出转角,电机输出转角,负载转角负载转角49额定转矩为额定转矩为T Tm m、转子转动惯量为、转子转动惯量为J Jm m,负载惯量为负载惯量为J JL L、负载、负载转矩为转矩为T TLFLF的负载的计算模型,的负载的计算模型,电动机轴上的加速转矩为电动机轴上的加速转矩为Ta。(2)(2)电机输出轴的力矩平衡方程电机输出轴的力矩平衡方程令令(2)(2)最佳传动比最佳传动比50求得使负载加速度为最大的求
21、得使负载加速度为最大的i i值,即值,即 51 2 2齿轮传动链的级数和各级传动比的分配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。按下述三种原则适当分级,并在各级之间分配传动比。(1)(1)最小等效转动惯量原则最小等效转动惯量原则1)1)小功率传动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。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。52齿轮系中各转动惯量换算到电动机轴上的等效转动惯量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由于所以所以代入上式得代入上式得:53当当54按此原则计
22、算的各级传动比也是按按此原则计算的各级传动比也是按“先小后大先小后大”次次序分配,可使其结构紧凑。序分配,可使其结构紧凑。2)2)大功率传动。大功率传动的转矩较大,小功率大功率传动。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比的分配次序仍为“前小后大前小后大”。55(2)(2)重量最轻原则重量最轻原则1)1)小功率传动。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,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,效率轴与轴承转动惯量不计,各齿轮均为实心
23、圆柱体,效率不计,则各齿轮的重量之和不计,则各齿轮的重量之和w w为为式中式中:bb各齿轮的宽度;各齿轮的宽度;材料密度;材料密度;D1D1、D2D2、D3D3、D4D4各齿轮的计算直径。各齿轮的计算直径。56要保证传动装置的重量最轻,应在总传动比已确定的条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。级传动比相等。2)2)大功率传动。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、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
24、原则的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,各级传动比是大功率传动装置,各级传动比是“前大后小前大后小”。57(3)(3)输出轴转角误差最小原则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在减速传动链中,从输入端到输出端的各级传动比应为应为“前小后大前小后大”,且末端两级传动比应尽可能大,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。装误差、回转误差对输出转角精度的影响。5859小结:小结:对于要求体积小、重量轻的齿轮传动系统可用重量
25、最对于要求体积小、重量轻的齿轮传动系统可用重量最轻原则。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。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
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