机械系统设计(6)

1、对于有级变速传动，相邻各级转速按_______级数排列。2、机构总体设计步骤，一般分为哪三个阶段3、总体参数是结构总体设计和零部件设计的依据。主要有：______参数、______参数、______参数、_______参数等。第三章执行系统设计3.1执行系统的组成、功能及分类3.2执行轴机构设计3.3导轨结构设计3.1执行系统的组成、功能及分类一、执行系统的组成直接完成预期工作任务的那部分子系统是执行系统。执行末端件直接与工作对象接触并完成一定工作（夹持、移动、转动等）或在工作对象上完成一定动作（切削、锻压、清洗等）的零部件。执行机构给执行末端件提供力和带动它实现运动，即把传动系统传递过来的运动和动力进行必要的交换，以满足执行末端件的要求。3.1执行系统的组成、功能及分类如图卧式车床的主轴通过顶尖或夹盘（图中未画出）带动被加工的工件旋转时，顶尖或夹盘就是末端执行件，而主轴组件则为执行机构。图3.1卧式车床主轴组件有时，一个机构可以既是传动系统又是执行系统，如连杆机构的应用。1.实现运动形式或运动规律变换的功能（1）实现预期固定轨迹或简单可调的轨迹功能；（联动凸轮）（2）匀速运动（平动、转动)与非匀速运动的变换；（牛头刨床）（3）连续运动与间歇式的转动或摆动的变换。二、执行系统的功能3.1执行系统的组成、功能及分类牛头刨床有两个执行末端件——刨刀和工作台。带动刨刀走直线往复运动的执行机构是曲柄导杆机构ABCD。工作台的进给运动则由执行机构中的齿轮Z1、Z2，曲柄摇杆机构FGHI，棘轮机构J和螺杆K带动。3.实现程序控制的功能例3.44.实现施力功能3.1执行系统的组成、功能及分类2.实现开关、联锁和检测等的功能（垫圈检测）（1）用来实现运动的离合或开停；（2）用来换向、超载或反向止动；（3）用来实现联锁、过载保护、安全制动；（4）实现锁止、定位、夹压等；（5）实现测量、放大、比较、显示、记录、运算等。三、执行系统的分类按执行系统对运动和动力的不同要求可分为：P66表3.1动作型动力型动作——动力型按执行系统所完成的任务可分为：单一型相互独立型相互联系型按执行末端件的运动形式可分为：回转运动直线运动3.1执行系统的组成、功能及分类执行系统的主要运动参数：P66表3.2执行系统的常用机构性能特点：P66表3.3上节回顾执行系统通常都是由执行末端件和执行机构组成。执行系统的功能主要是进行运动转换和力的传递，此外还可实现控制、开关、联锁和检测等的功能。执行系统的主要运动参数：(表3.2)常用机构的性能特点及它们可实现的运动变换（表3.3）。执行末端件运动无外乎是回转运动、直线运动或两种运动的组合。其中，回转运动-执行轴机构实现；直线运动-导轨来完成。3.2执行轴机构设计一、执行轴机构的组成及基本要求二、执行轴（主轴）设计三、执行轴组件（主轴组件）3.2执行轴机构设计一、执行轴机构的组成及基本要求1.执行轴机构的组成执行轴机构一般主要由执行轴、安装在其上的传动件（齿轮、皮带轮等）、密封件、轴承、轴承间隙调整及固定元件（螺母）等组成，设计执行轴机构时主要是各组成元件的布置及设计轴本身。下面以机床执行轴机构——主轴组件为例进行介绍。3.2执行轴机构设计图3.1如图是CA6140型普通车床的执行轴机构——主轴组件。该主轴是一个空心的阶梯轴，内孔可用来通过棒料、拆卸顶尖，也可用以通过气动或液压夹紧装置等辅具。主轴前端的锥孔为莫氏6号锥度，用来安装前顶尖或心轴，后端的锥孔为工艺孔。主轴前端采用短圆锥式法兰结构，用来安装卡盘或拨盘。主轴采用两支承结构，使结构简化，成本较低。主轴的前支承是P5级精度的双列短圆柱滚子轴承，用于承受径向力。内孔以1:12的锥度与主轴配合，可以自动调整径向间隙而达到其预紧的目的。主轴的后支承是由一个P5级精度的向心推力球轴承和一个P5级精度的推力球轴承组成，分别承受径向力和轴向力。两个轴承的调整均由后部的螺母来完成。主轴上的传动齿轮共三个，其中右端的斜齿轮空套在主轴上。采用斜齿轮传动可以使主轴的运动比较平稳，而且可以使斜齿轮作用在主轴上的轴向力与切削力的轴向分力方向相反，从而减小后支承推力轴承所承受的轴向载荷。主轴中间的齿轮可以在主轴的花键上滑移，共有三个位置，中间位置为主轴空挡，右边位置时，可以和斜齿轮相连，使主轴得到18种转速，左边位置时，运动直接传给主轴，使主轴得到6种转速。主轴左端的齿轮固定在主轴上，将运动和动力传给进给传动链。2.执行轴机构设计的基本要求（5项）（1）旋转精度（2）静刚度（3）抗振性（4）温升和热变形（5）耐磨性3.2执行轴机构设计主轴的旋转精度是指装配后，在无载荷、低速转动的条件下，主轴安装工件或刀具部位相对于理想旋转中心线的空间瞬时旋转误差：径向跳动、轴向串动和角度摆动。旋转精度取决于各主要件如主轴、轴承、壳体孔等的制造、装配和调整精度。其中，20％的精度由轴承的精度来保证，80％则取决于有关的其它零件的精度。简称刚度，是指机械系统或零、部件抵抗静态外载荷引起变形的能力。主要包括主轴组件的弯曲刚度K和扭转刚度KT，弯曲刚度K=F/δ；δ-为位移通常，弯曲变形占（50%-70%）扭转刚度KT=T*L/Q；Q-为扭转角是指主轴受到交变载荷时，能平稳地运转而不发生振动的能力。影响振动的主要因素是主轴部件的静刚度、质量分布和阻尼。主轴的固有频率应远大于激振力的频率，使它不易发生共振。主轴部件和传动系统在运转中由于摩擦和搅油等损耗产生热量，出现温升。温升使主轴部件的形状和位置发生畸变，称为热变形。不同精度的机床对主轴轴承所允许的温升不同。表3.4主轴组件的耐磨性是指其长期保持原始精度的能力，即精度的保持性。部位：轴承、锥孔、定心轴颈等。二、执行轴（主轴）1.执行轴（主轴）的尺寸及结构设计a主轴的尺寸确定应按材料力学的理论进行设计计算。b主轴的结构设计则需要考虑受力、调整以及装配等工艺要求。c通常设计成阶梯形状，一种是中间粗两边细，另一种是由主轴前端向后端逐步递减的阶梯状；d主轴前支承支反力的作用点到主轴前端受力作用点之间的距离——悬伸量应尽可能地小些；对于通用机床，主轴端部尺寸已经标准化，见表3.5e有些机床的主轴是空心的，设计成空心轴的目的是为了通过棒料、拉杆或通过气动、电气、液压等辅具。一般内孔直径不宜超过主轴直径的70％。3.2执行轴机构设计2.材料和热处理几何形状和尺寸一定时，主轴的刚度取决于材料的弹性模量E，各种钢材的弹性模量E的差别甚微小，故刚度不是选材的依据。（1）无特殊要求：优质中碳钢：45#或60#调质HB220~250有耐磨要求处，高频淬硬：HRC50~60（2）精密机械：希望淬火处的应力小，变形小40Cr、45MnB等中碳合金钢20Cr、16MnCr5、12CrNi2A等低碳合金钢渗碳淬硬：（HRC69~72）（3）高耐磨要求：渗氮钢（38CrMoAlA）氮化处理：HV1100~1200P75表3.63.2执行轴机构设计补充知识布氏硬度（HBW）用一定大小的试验力F(N)（通常是以3000kgf的压力F）,把直径为D的淬火钢球或硬质合金球压入被测金属的表面。测量范围为8~650HBW适用于铸铁、非铁合金、各种退火及调质的钢材，不宜测定太硬、太小、太薄和表面不允许有较大压痕的试样或工件。洛氏硬度（HRC）用120o金刚石圆锥，施加150Kg载荷，测量范围为20~70HRC。适应于碳钢、工具钢及合金钢等经过淬火及回火处理的试样的硬度试验。应用最广。维氏硬度（HV）将相对面夹角为136°的方锥形金刚石压入器压材料表面,保持规定时间后，用测量压痕对角线长度。试验负荷1.961~49.03N。它适用于较薄工件、工具表面或镀层的硬度测定；测量范围宽广，可以测量目前工业上所用到的几乎全部金属材料，从很软的材料（几个维氏硬度单位）到很硬的材料（3000个维氏硬度单位）都可测量。3.2执行轴机构设计3.主轴的技术要求主轴支承轴颈、安装各种传动件（如齿轮）的定心轴颈、轴承等的定位面、压紧轴承和传动件的螺纹、安装刀具或卡盘等的轴端定心直径及锥孔定位等部位的制造精度（尺寸精度、形状精度、和位置精度）、粗糙度和硬度等，对主轴组件的工作质量都有直接影响。设计时应参照机床精度标准，并结合所设计机床的具体情况对主轴提出详细的技术要求。表3.7为主轴径和外壳孔的技术要求。3.2执行轴机构设计说明：（1）主轴精度：比传动轴高1~2级（2）精度等级：普通级（P5），精密级（P4），高精度级（P2）（3）公差带：IT3/2等3.2执行轴机构设计作业：机械设计课程设计（减速器）中的一根轴进行复习性设计。要求：手绘图纸一张；尺寸、公差、粗糙度标注清晰；材料、热处理等技术要求明确三、执行轴组件（主轴组件）1.主轴组件的布局2.主轴轴承的选择3.超高速轴承3.2执行轴机构设计三、执行轴组件（主轴组件）1.主轴组件的布局主轴组件的布局主要包括两方面：一是主轴支承的配置形式；二是主轴传动件的布置。（1）主轴支承的配置形式主轴支承的配置设计主要指主轴轴承的类型、组合及布置。支承形式有二支承主轴组件和三支承主轴组件，目前，以前者居多。在其它条件不变的情况下，三支承刚度显然高于二支承主轴组件，但三支承零件增多，并使箱体支承座孔加工困难，故应尽量少用。主轴配置形式P76表3.8两支承主轴轴承配置形式的一般原则：适应刚度、承载能力、转速、精度的要求。推力支承位置的选择P77表3.93.2执行轴机构设计（2）主轴传动件的布置1）传动方式：主要取决于n、Rn和平稳性的要求。主轴上使用的传动件主要有齿轮和带两种。a齿轮转动：结构简单、紧凑，且转动扭矩较大，但受齿形误差影响。速度不高。v≤12~15m/s（n≤2000~2500r/min）精度：一般为IT6，高的为IT5（螺旋角β≤15~20度）材料：中碳合金钢，高频淬火低碳合金钢，渗碳淬硬b皮带传动：结构简单，成本低，运动平稳性高，但带易拉长和磨损。3.2执行轴机构设计三、执行轴组件（主轴组件）1.主轴组件的布局v≤30m/s时,三角带、多楔带、同步齿形带等v30m/s时，需用平皮带v≤35m/s橡胶带v≤40m/s皮革带v40m/s丝织带c、内联原动机传动无传动弯矩，主轴弯曲变形小，不受速度限制，可以变速。变速方法：多速电机、变化电源频率2）主轴传动件的布置：P79图3.15当主轴上的传动件是齿轮时，可将其安装在前、后轴承之间或后轴承之后的主轴后悬伸处，当在前、后轴承之间时，应将几个齿轮中较大的一个靠近前支承。传动件是皮带时，一般情况下都装在后支承后部主轴的悬伸处。3.2执行轴机构设计三、执行轴组件（主轴组件）1.主轴组件的布局3.2执行轴机构设计2.主轴轴承的选择（P79表3.10）（1）类型选择：有滚动轴承和滑动轴承两大类，用滚动轴承更多一些。（2）滚动轴承选型：根据精度、刚度和转速来选择。为提高精度和刚度，主轴轴承的间隙应该可调，这是主轴轴承的主要特点。机床主轴滚动轴承的受力情况有径向和推力（轴向）两类。常用的有双列圆柱滚子轴承、双向推力角接触球轴承、和角接触球轴承等。主轴轴承常用轻系列、特轻系列和超轻系列，以特轻系列为主。三、执行轴组件（主轴组件）（3）轴承刚度：轴承的滚动体与滚道之间是接触变形，这种变形应满足使用要求，即轴承应具有足够的刚度。（4）轴承的精度：轴承的精度分为P2、P4、P5、P6和P0五级，精度依次由高级到低级，此外，又规定了SP级和UP级作为补充。主轴轴承常用P4级，高精度主轴采用P2级，要求较低的主轴或三支承中的辅助轴承可用P5级轴承。3.2执行轴机构设计（5）轴承的预紧和调整方法：预紧的目的是使滚动体与滚道之间有一定的预变形。预紧量（6）轴承的转速：由速度因子——dmn决定。其中，dm是轴承的中径，等于内、外径的平均值，n是转速。（7）轴承的寿命:由疲劳点蚀和磨损降低精度决定。2.主轴轴承的选择思考题：什么是选配法？3.2执行轴机构设计3.超高速轴承（1）陶瓷球轴承（2）主轴滑动轴承：包括动压轴承和静压轴承两类。动压轴承是靠轴的转动形成油