《机械系统设计》电子教案.doc

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1、机械系统设计电子教案段铁群 教授-1-第一章绪论重点重点：机械，机械系统的相关概念及学科中的位置。难点难点：学习机械系统设计课程的重要性。讲授提示与方法讲授提示与方法：回顾机械工程的发展历程，注重机械系统的整体性，提高学生对机械系统设计的认知程度。1.1 机械系统设计在机械工程科学中的地位及作用一、机械工程科学1.机械工程科学的定义：机械工程科学是研究机械产品（或系统）的性能、设计和制造的基础理论与技术的科学。2.机械工程科学的组成：P1 图 1.1（1）机械学：机械设计过程（核心部分）；（2）机械制造：机械制造过程（基础部分）。3.机械学所包含的内容：P3 图 1.5二、机械、机械系统、系统

2、1.机械：关于机械的定义，目前尚无严格的定论，一般可归纳为：（1）须由两个以上的零、部件组成；（2）这些零、部件的运动部件，应按设计要求作确定的运动；（3）将外来的能源转变为有用的机械功。【举例】机械产品：汽车、拖拉机、机床、钟表2.系统：是指具有特定功能的、相互间具有一定联系的许多要素构成的一个整体。即由两个或两个以上的要素组成的具有一定结构和特定功能的整体都是系统。3.机械系统：由若干个零、部件及装置组成的，彼此间有机联系，并能完成特定功能的系统，称之为机械系统。4.系统应具有下述特性：（1）目的性：完成特定的功能（2）相关性与整体性：1）相关性：各构成要素之间是相互联系的2）整体性：评价

3、一个系统的好与坏要看该系统的整体功能（3）环境的适应性：系统对外部环境变化和干扰有良好适应性三、机械系统的组成：P4 图 1.61.动力系统：为系统提供能源（动力源）2.执行系统：是系统的执行输出部分3.传动系统：把运动和动力由动源传递给执行系统的中间环节4.操纵、控制系统：使前三者协调动作和运行5.支承系统：支承和联系各机件6.润滑、冷却与密封系统：机械系统设计电子教案段铁群 教授-2-四、机械系统的地位与作用几乎任何产品都离不开机械系统，它涉及到社会的各领域。1.2 机械系统设计的任务、基本原则及要求一、机械系统设计的任务及设计类型：1.机械系统设计的任务：是开发新的产品和改造老产品。最终

4、目的是为市场提供优质高效、价廉物美的机械产品，以取得较好的经济效益。2.设计类型：（1）全创新设计（2）适应性设计（3）变异性设计二、机械系统设计的基本原则及要求1.设计的基本原则和法规：（1）需求原则（2）信息原则（3）系统原则（4）优化、效益原则2.设计要求：（1）功能要求（2）适应性要求（3）可靠性要求（4）生产能力要求（5）使用经济性要求（6）成本要求三、产品设计、产生过程P10 图 1.12产品策化产品设计产品生产产品销售产品运转产品报废回收1.3 机械系统设计方法及机械设计学发展简介一、机械系统的设计方法1.传统设计方法静态的半理论半经验的设计方法2.现代设计方法是一种广义的设计和

5、分析科学方法学的简称，其实质是科学方法论在设计中的应用。（1）现代设计方法的特征1）时域特征2）哲理特征3）质量特征4）目标与手段特征（2）现代设计方法的主要内容机械系统设计电子教案段铁群 教授-3-信息方法、系统论方法、控制论方法、优化方法、对应论方法、智能论方法、寿命论方法、离散论方法、模糊论方法、突变论方法、艺术论方法等。3.现代设计方法与传统设计方法的比较二、机械设计发展简史1.直觉设计阶段2.经验类比设计阶段3.传统设计阶段（定性设计阶段）4.现代设计阶段（计算机辅助设计阶段）P14 图 1.13三、发展方向及前沿技术1.计算机辅助设计2.并行工程设计3.虚拟设计4.动态设计5.快速

6、设计6.设计自动化技术7.工业设计 作业题与思考题作业题与思考题 1.什么是机械工程科学？它由那几个部分组成？2.机械的基本特征有哪些？3.什么叫机械系统？它有哪些主要组成部分？4.什么是系统？它有哪些特征？5.机械系统有哪些种设计类型？6.机械系统设计有哪些基本设计原则和法规？7.机械系统设计应满足哪些设计要求？8.机械系统设计中传统设计方法与现代设计方法有哪些区别？9.机械设计可以分为哪几个发展阶段？机械系统设计电子教案段铁群 教授-4-第二章机械系统总体设计重点重点：功能原理设计的基本概念，主要设计参数及其确定方法。难点难点：各主要设计参数的特点及所适用场合。讲授提示与方法讲授提示与方法

7、：强调总体设计在机电产品开发应用中的重要性，强化机械系统的设计方法和步骤；充分利用多媒体课件，多以实例说明解释各概念和各项设计参数。总体设计是产品设计的关键，对产品的技术性能，经济指标，外观造型等具有决定性意义。内容包括：功能原理设计、总体布局、主要技术参数、技术经济分析。2.1 机械系统的功能原理设计一、功能的定义及其分类1.功能：是系统必须实现的任务，或者说是系统具有转化能量、运动或其它物理量的特性。或称：指输入、输出量之间的因果关系。2.功能的分类：基本功能必要功能功能附加功能非必要功能二、功能原理设计及其特点1.功能原理设计：是针对所设计产品的主要功能提出一些原理性的构思。【例 2.1

8、】剪草机P17 图 2.1【例 2.2】平板玻璃制造P17 图 2.22.功能原理方案设计的任务：针对某一确定的功能要求，去寻求一些物理效应并借助某些作用原理来求得一些实现该目标的解法原理。3.主要工作内容：构思能实现功能目标的新的解法原理。尽可能多地提出创新构思。比较后择优。4.工作步骤：P18 图 2.3分析综合评价决策5.功能原理设计具有如下特点：（1）功能原理设计是用一种新的物理效应来代替旧的物理效应，使所设计系统的工作原理发生根本变化。（2）功能原理设计中往往要引入某种新技术、新材料、新工艺，但首先要求设计人员有一种新想法、新构思。机械系统设计电子教案段铁群 教授-5-（3）功能原理

9、设计的系统发生质的变化。三、功能原理设计的设计方法“黑箱法”“黑箱法”是根据系统的输入、输出关系来研究实现系统功能目标的一种方法，即根据系统的某种输入及要求获得某种输出的功能要求，从中寻找出某种物理效应或原理来实现输入输出之间的转换，得到相应的解决办法，从而推求出“黑箱”的功能结构，使“黑箱”逐渐变成“灰箱”、“白箱”的一种方法。1.“黑箱法”原理：P19 图 2.6用“黑箱法”与输入量、输出量及周围环境的信息联系。了解系统（产品）的功能、特性，进一步探索系统的机理与功能。2.注意的问题：（1）突出必要功能和基本功能。（摒弃附加功能和非必要功能）。（2）输入、输出量的内容：1）物料流：材料、毛

10、坯、半成品、成品、液体、气体等。2）能量流：电能、光能、机械能、热能等。3）信息流：数据、测量值、控制信号、波形等。（3）摆脱具体的设计对象。（按系统功能和三大流的描述来简化问题）【例图】自行车功能原理系统图P18 图 2.4【例图】车床“黑箱”示意图P19 图 2.5四、功能元、功能结构1.功能元：只能直接从技术效应（物理效应、数学效应等）及逻辑关系中找到可以满足功能要求的最小单位。总功能分功能基本功能单元（功能元）（1）物理功能元：输入、输出量（能量、物料、信号流）的基本物理动作。P20 表 2.1（2）数学功能元：机械传动中的数学关系。P21 表 2.2（3）逻辑功能元：主要用信息和控制

11、系统中。P21 表 2.32.功能结构：P22 图 2.7功能的分解和组合关系称为功能结构。（1）功能结构示意图：（2）以功能元为基础，组合成功能结构的方式有三种基本类型：串联结构、并联结构和循环结构（又称环状结构）。P22 图 2.8（3）功能结构图的绘制步骤：P23 图 2.10注意问题：需逐渐完善系统功能结构，不是一次完成，要随设计不断修改。【例 2.3】材料拉伸试验机的功能结构图P23 图 2.9机械系统设计电子教案段铁群 教授-6-五、功能元（分功能）求解功能元是功能结构图中最基本的单位，每个功能元都要找出相应的技术、物理效应来实现。功能元的求解方法：1.参考有关资料、专刊或产品求解

12、法（利用所学知识类比）；2.利用各种创造性方法以开阔思想去探讨求解法（新构思）；3.利用设计目录求解法（把各种机构综合成表）P2425 图 2.11、12、13【例 2.4】设计手动订书打孔机设计要求：手柄旋转、打孔针直线往复运动、杆件数目为 4 个、省力。求解步骤：第一步：确定总功能第二步：总功能分解第三步：查目录求解P25 图 2.13第四步：增力机构P25 图 2.12第五步：绘制原理方案图P26 图 2.14六、系统（产品）原理方案的综合各功能元的局部解合理地组合，就可以得到一个系统的多个原理解。组合的方法可以用形态矩阵法（模幅箱法利用形态方法建立）。1.形态矩阵法（模幅箱法）：把每个

13、（系统的）功能元和所对应的各解分别作为纵、横坐标，列出“功能求解矩阵”，然后从每个功能元中取一个对应解进行组合，以构成系统解的方法。【例 2.5】试设计露天矿开采挖掘机的原理方案求解步骤：第一步：总功能转换关系“黑箱法”P26 图 2.15第二步：总功能分解（1）分解依据P27 图 2.16（2）总功能分解P27 图 2.17第三步：建立功能结构图P28 图 2.18（1）输入、输出关系（2）建立一级功能结构图（3）建立二级功能结构图第四步：寻找原理解和原理解组合P28 表 2.4组合方案数=4344213233=10368方案 1 为履带式正铲机械挖掘机(A1+B1+C2+D2+E1+F1+

14、G2+H2+I1)方案 2 为轮胎式正铲液压挖掘机(A3+B1+C1+D2+E1+F2+G3+H1+I2)根据设计对功率的要求可知，在能量传递与分配过程中，采用链传动和皮带传动是不相容的，应去掉。故组合方案数=434213233=5184。在众多的方案中，进行定性筛选，然后进行详细评价，最后决策最佳方案。2.相容性：两种功能或结构比较后的可行性分析结果。（1）相容性矩阵P29 表 2.5（2）选择表P30 表 2.6、2.7机械系统设计电子教案段铁群 教授-7-七、功能原理设计举例【例 2.6】瓶盖整列装置的原理方案设计设计要求：把一堆不规则放置的瓶盖整列成口朝上的位置逐个输出。瓶盖的形状和尺

15、寸见图 2.19。瓶盖质量为 m=10g；整列速度 100 个/分钟；能量为 220V 交流和高压气（压力 0.6Mpa）；其余功能要求见表 2.8。求解步骤：第一步：明确任务要求第二步：功能分析（1）总功能P32 图一（2）总功能分解P32 图二第三步：功能元求解P32 表 2.9第四步：功能元组合P33 图 2.20解的方案数：N=86637=6048 种第五步：评价与决策P33 表 2.102.2 结构总体设计一、结构总体设计的任务和原则1.结构总体设计的任务及重要性（1）结构总体设计的任务：是将原理方案设计结构化，即绘制结构总图。（2）结构总体设计的重要性：满足功能要求，保证产品质量和

16、可靠性，降低产品成本等。工作包括两个方面，即“质”的设计和“量”的设计。所谓“质”的设计是指“定形”设计，有系统的定形和零部件的定形。这部分工作对产品的质量有决定性意义。“量”的设计则指选择材料、确定尺寸和零部件进一步详细设计等。2.结构总体设计原则（1）明确原则：包括功能明确、工作情况明确和结构的工作原理明确。（2）简单原则：在满足使用要求（总功能）的前提下，尽量使整机，部件和零件的结构简单，且数目少。同时具有简化、简便、简明、简易、减少等多重含义。（3）安全可靠原则：包括构件的可靠性、功能的可靠性、工作安全性和环境安全性。二、结构总体设计步骤P35 图 2.221.初步设计：（1）设计要求

17、（2）主要功能载体的初步设计主要功能载体：完成主要功能的构件。（3）按比例绘制主要结构草图（4）检查主、辅功能载体结构（5）设计结果初评及选择2.详细设计：（1）各功能载体的详细设计机械系统设计电子教案段铁群 教授-8-（2）补充、完善结构总体设计草图（3）对完善的结构总体草图进行审核（4）进行技术、经济评价3.结构总体设计的完善和审核：主要对关键问题和薄弱环节进行技术经济分析（是否达到目标）。方法：优化设计、可靠性设计、专家系统使用、经济性评价等。三、总体布置设计就是确定机械系统中各子系统之间的相对位置关系及相对运动关系，使总系统具有一个协调完善的造型。考虑问题：设计内容、人机关系、对环境的

18、适应性、对外界环境的影响（性能、操作、观察、调整、控制、防护等）。1.总体布置设计的基本要求：（1）功能合理（2）结构紧凑、层次清晰、比例协调（3）充分考虑产品的系列化及发展2.机械系统总体布置的基本类型：（1）按工作机构的空间几何位置可分为：1）平面式2）空间式（2）按执行机构的布置方向可分为：1）平式2）直立式3）倾斜式4）圆弧式（3）按原动机与机架的相对位置可分为：1）前置式2）中置式3）后置式（4）按工作机构的运动关系可分为：1）转式2）直线式3）振动式（5）按机架（或机壳）的形式可分为：1）整体式2）剖分式3）组合式4）单柱式（开式）5）龙门式（闭式）6）悬臂式P37 图 2.23四

19、、总体（主要）参数的确定总体参数是结构总体设计和零部件设计的依据。1.性能参数（生产能力）：机械系统的理论生产能力是指设计生产能力在单位时间内完成的产品数量，亦可以称之为机械系统的生产率。设加工一个工件或装备一个组件所需的循环时间为机械系统设计电子教案段铁群 教授-9-fgttT式中：T机械系统的一个工作循环时间或称工作周期时间，常用单位有小时、分钟等；gt工作时间；ft辅助工作时间。则机械系统的生产率 Q 为fgtt1T1Q生产率 Q 的单位由工件的计量和计时单位而定，常用的单位有件/小时、米/分钟、米2/分钟、米3/小时、千克/分钟等。2.尺寸参数：尺寸参数主要是指影响机械性能和工作范围的

20、主要结构尺寸和作业位置尺寸。如：外形尺寸、主要部件尺寸、工作行程、加工范围等。【例 2.10】确定颚式破碎机钳角P41 图 2.293.运动参数：（1）最高、最低转速：1）最高转速：min)/r(dv1000nminmaxmax2）最低转速：min)/r(dv1000nmaxminmin3）变速范围：minmaxnnnR【例 2.11】P42 表 2.11（2）转速数列：1n，2n，3n，jn，1jn，Zn（按等比数列分级）1）转速级数 Z2）公比值:jjnn1max1Z11ZZ212312min1nnnnnnnnnnn则变速范围：1Z11Z1minmaxnnnnnR机械系统设计电子教案段铁群

21、 教授-10-3）转速损失率：jnn a.相对转速损失率：nnnAjb.最大相对转速损失率：1jj1jj1jjnnmaxnn1nnnnnnlimA1j%100)11(Amax【例 2.12】（3）标准公比和标准数列：转速是由小到大递增的，所以应大于 1，并规定最大相对转速损失率不超过 50%，则相应公比不应大于 2，故 130m/s，需用平皮带v35m/s橡胶带v40m/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。i.异步电机：转速不高，无变速要求ii.中频电机：f=2002500Hz，n=60f=12000144000r/min注意：砂轮磨

22、床中，砂轮速度要小于 65m/s变速方法：多速电机、变化电源频率iii.空气蜗轮和油蜗轮：用于速度高，扭矩小的场合2）主轴传动件的布置：P78 图 3.15a 传动力 F 在前支承外侧适用场合：重载设备b 传动力 F 在前支承内侧，与外载荷 P 同向适用场合：主轴刚度较高c 传动力 F 在前支承内侧，与外载荷 P 反向适用场合：前支承刚度较高2.主轴轴承和主轴滚动轴承的选择（1）轴承的选择：P79 表 3.101）滚动轴承的优点适应能力强、可以预紧，提高轴承刚度、滚动磨损小，功耗小，发热小、润滑条件要求低。2）滑动轴承的优点精度高、抗振性好、工作平稳、径向尺寸小、承载能力大（面接触）。3）选用

23、原则：a 能用滚动轴承不用滑动轴承；b 为提高抗振性和平稳性，采用前滑后滚；c 滑动轴承的使用要求抗振性高，加工精度高，表面粗糙度低的场合。（2）主轴滚动轴承的选型：机械系统设计电子教案段铁群 教授-30-主要根据精度、刚度和转速来选择。1）球轴承：P80 图 3.17、图 3.16e2）双列圆柱滚子轴承：P80 图 3.16a b3）圆锥滚子轴承：a 单列圆锥b 双列圆锥P81 图 3.18ac 空心圆锥轴承P81 图 3.18b c4）60角接触轴承P80 图 3.16c d（3）主轴滚动轴承的刚度：1）预紧：使轴承与滚动体在无载荷时产生的过盈量。a 目的：提高轴承的刚度。b 方法：载预P

24、Pc 注意：预紧要适当。i.预紧力过大：磨损，发热严重ii.预紧力过小：刚度不足d 弹性变形（）与载荷（P）的关系2）零间隙时轴承的变形：a 点接触的球轴承：径向：32cos436.0brrdQ(m)轴向：32sin436.0bradQ(m)b 线接触的滚子轴承：径向：8.09.0cos077.0arrlQ(m)轴向：8.09.0sin077.0aralQ(m)式中：接触角()bd球径(mm)al滚子的有效长度（mm）rQ、aQ一个滚动体的径向和轴向载荷（N）3）零间隙时轴承的刚度：a 点接触的球轴承：径向：352cos)(18.1iZdFddFKbrrrr(N/m)轴向：352sin34.3

25、ZdFddFKbaaaa(N/m)b 线接触的滚子轴承：机械系统设计电子教案段铁群 教授-31-径向：9.19.08.01.0cos)(39.3iZlFddFKarrrr(N/m)轴向：9.19.08.01.0sin43.14ZlFddFKaaaaa(N/m)4）有预紧力时的载荷轴向：aoaeaFFF径向：cotaorerFFF式中：aeF、reF轴向、径向外载荷（N）；aoF预紧力（N），见轴承厂样本；接触角（度）。【例 3.8】（4）主轴滚动轴承的精度与配合1）外载荷的影响：a 外载荷方向不变：内圈跳动对轴的影响大。b 外载荷方向变化：外圈跳动对轴的影响大。2）轴承的精度等级：2P（UP）

26、4P（SP）5P6P0PABCDEG3）误差影响分析：P85 图 3.20结论：前轴承影响大，后轴承影响小。4）轴承精度的选择：前支承轴承精度比后支承高一级，或选同级。前轴承后轴承应用普通级5P5P、6P普车、钻、铣、自动、六角精密级4P、2P4P、5P卧镗、磨、螺纹磨高精密级2P2P（4P）坐标镗、数控、高精度螺纹磨（5）主轴滚动轴承的预紧和调整方法：（6）主轴滚动轴承的转速：决定轴承速度性能的是速度因子1）速度因子：ndm（mmr/min）式中：md轴承中径n转速2）极限转速：是指单个轴承在一定条件下的转速。P92 表 3.163）速度系数：P92 表 3.17速度系数速度因子（7）主轴滚

27、动轴承的寿命：1）发生磨损降低精度：一个精度等级（更换新轴承）场合：载荷相对较小的情况2）表层疲劳发生点蚀：重载、接近或超过极限转速场合：高速或重载机械系统设计电子教案段铁群 教授-32-【例 3.9】（四）执行轴（主轴）组件的计算主轴组件的设计和计算步骤：第一步：根据已有的统计资料，初选主轴直径；第二步：选择主轴的跨距；第三步：选择轴承组合、确定主轴结构；第四步：验算（静刚度、稳定性、临界转速等）；第五步：修改和定型。1.主轴直径的初选：（1）主轴形状车、铣、镗、钻：阶梯轴（粗细）P86 图 3.22磨床砂轮主轴：两端细，中间粗P75 图（表 3.7 中）（2）轴径 D：阶梯轴：前轴径：1D

28、后轴径：2D=（0.70.9）1D中粗轴：1D=2D2.主轴悬伸量 a 的确定：是指主轴前端到前支承径向力（反力）作用点之间的距离，减小悬伸量，有利于提高主轴组件的刚度和抗振性。3.主轴最佳跨距的选择：P101 图 3.37（1）受力分析：在小变形下，为弹性阶段，以线性考虑，可分别计算其变形量。1）轴承为刚体、主轴为弹性体P101 图 3.37aEIalFEIFaalEIFaalEIFays3)(33)1(3EIalFyCss3)(2）主轴为刚体、轴承为弹性体P101 图 3.37blalayyyBAzBzAz)1(因为：AAAKR)1(laFRABBBKRlaFRB所以：12)(1(2lal

29、aKKKFyBAAz 12)(1(12lalaKKKFyCBAAzz分析：轴的影响轴承的影响机械系统设计电子教案段铁群 教授-33-结论：0ll 时，)1(maxminCKKC3）合理跨距值0l：12)(1(3)(2lalaKKKFEIalFyyyBAAzs最小挠度的条件是 dy/dl=0，这时 l 为最佳跨距0l值整理后得：0)1(66030BAAAKKKEIaKEIll设：3aKEIA得：0)1(6630230BAKKalal等式两边同除3a，得：0)1(66)(030BAKKalal整理后得：),()1(61)(0030BABAKKalfKKalal值见主轴合理跨距计算线图【例 3.12

30、】二、导轨设计（一）轨的功用、分类及设计要求1.导轨的功用导轨由动导轨和支承导轨组成，起导向和承载作用。2.导轨的分类：（1）按运动性质分类：1）主运动导轨2）进给运动导轨3）移置导轨（2）按摩擦性质分类：1）滑动导轨：a 液体摩擦i.动压导轨ii.静压导轨b 边界摩擦c 混合摩擦2）滚动摩擦导轨：在导轨面间有滚动体（滚珠、滚柱、滚针等），形成滚动磨擦。如：磨床进给导轨（防爬行）。（3）按结构上有无压板分类：机械系统设计电子教案段铁群 教授-34-1）开式导轨P110 图 3.44a2）闭式导轨P110 图 3.44b（4）按运动轨迹分类：1）直线运动导轨2）回转运动导轨3.导轨的基本要求（1

31、）导向精度：1）几何精度：a 在竖直面内的直线度P111 图 3.45ab 在水平面内的直线度P111 图 3.45bc 两导轨面间的平行度P111 图 3.45c标准规定：每米长度上的平行度和全长上的平行度二项指标。2）接触精度标准规定：按 25252mm上的接触点数来衡量。3）表面粗糙度：a 滑动导轨：支承导轨动导轨普通精度：中小型：aR0.4aR0.8大型：aR0.80.4aR0.8精密级精度：aR0.40.1aR0.80.4b 滚动导轨：aR0.2（0.1m）（2）精度保持性主要是由抗磨损性能决定。影响因素：磨损性质，导轨材料，工艺方法，受力情况，残余应力等。磨损形式：1）磨损不均匀2

32、）磨料（硬粒）磨损3）粘着磨损（咬焊）4）接触疲劳磨损（3）刚度：是指导轨受载后抵抗变形的能力。（4）低速运动平稳性（高灵敏度）：是指其低速下不产生“爬行”现象，使动导轨的运动准确到位。（5）结构简单、工艺性好：设计时应注意：制造和维修方便，刮研量少，镶装导轨更换容易等。4.导轨的设计内容及步骤：（1）选择导轨形状和尺寸（2）选择导轨的材料及热处理（3）导轨验算（4）定型、设计结构（二）普通滑动导轨的结构及材料1.滑动导轨的截面形状与组合（1）导轨形状：机械系统设计电子教案段铁群 教授-35-1）三角形P112 图 3.46a特点：导向精度高a 顶角：，导向精度，阻尼上升b 凸凹形2）矩形P1

33、12 图 3.46b特点：承载能力高3）燕尾形P112 图 3.46d特点：占用高度尺寸小，调整方便4）圆柱形P112 图 3.46f特点：加工方便，导向精度低，刚度低（2）导轨的组合：1）双三角形P112 图 3.46a特点：导向精度高，精度保持性好，工艺性差2）双矩形P112 图 3.46b特点：承载能力高，导向精度较低组合方式：a 窄式组合P112 图 3.46ab 宽式组合P112 图 3.46b3）三角形+矩形P112 图 3.46c特点：导向精度较高，承载能力高4）双燕尾形P112 图 3.46d特点：高度尺寸小，承载能力差，调整方便，导向精度较低5）矩形+燕尾形P112 图 3.

34、46e特点：调整方便，承载能力高，导向精度较低6）双圆柱形P112 图 3.46f特点：工艺性好，导向精度差2.导轨间隙的调整间隙量：1）间隙量太小，操作费力，磨损快2）间隙量太大，运动精度低，易产生振动方法：1）装配时，进行调整2）工作一定时间后，调整间隙（1）镶条用来调整矩形和燕尾形导轨1）平镶条：P113 图 3.492）楔形镶条：P114 图 3.50（2）压板用于调整辅助导轨面的间隙，承受颠覆力矩。P114 图 3.513.导轨的材料基本要求：1）磨性好，精度保持性高2）工艺性好，便于加工制造3）成本低机械系统设计电子教案段铁群 教授-36-（1）铸铁有良好的抗振性和耐磨性，易于铸造

35、和切削加工。1）灰铸铁：HT200，HB180252）孕育铸铁：HT3003）耐磨铸铁（合金铸铁）：高磷，磷铜钛和钒钛4）热处理（淬火）：a 火焰淬火：深度，耐磨性，变形b 感应淬火（中、高频）：厚 23mm，耐磨性，变形c 接触电阻淬火：变形，能耗（少用）（2）钢镶条P115 图 3.52耐磨性高（比铸铁高 5 倍），对支承件的要求低（可以用焊接支承件）。1）合金钢和轴承钢：9Mn2V、CrWMn、GCr15整体淬火 HRC602）高碳钢：T8A、T10A整体淬火 HRC583）中碳钢：45、40G整体淬火 HRC484）低碳钢：20Cr渗碳淬火 HRC605）氮化钢：38CrMoAlA氮化

36、处理 HV850（HRC70）（3）有色金属防撕裂、运动平稳性好、移动精度高。适用于重载设备的导轨。1）进给运动导轨（抗磨料磨损）：锡青铜（ZQSn6-6-3）、铝青铜（ZQAl9-4）2）主运动导轨（抗撕伤）：锌青铜（ZznAl10-5）（4）镶装塑料磨擦系数小，耐磨性高，抗撕裂能力高，低速不易“爬行”，加工性和化学性稳定，工艺简单，成本低，与钢镶条、铸铁、支承导轨配合使用。1）塑料板和软带：a 涤纶软带：抗撕伤高，抗硬粒磨损高，成本低，T 低进给运动导轨b 酚醛夹布塑料：抗撕伤高，抗硬粒磨损低，T 高主运动导轨c 聚四氟乙烯：摩擦系数小，可自润滑，防爬行2）耐磨涂料：a HNT（环氧树脂耐

37、磨涂料）：摩擦系数小b 含氟耐磨涂料：成本高3）三层复合材料导轨：结构：钢板+铜镀层+烧结多孔铜粉（孔内轧入聚四氟乙烯及填料）（5）导轨副材料的选用1）选用原则支承导轨材料的硬度大于动导轨材料的硬度。原因：a 支承导轨各处使用机会不等，导致磨损不均匀b 减少修理工作量，因为短而软的导轨易刮研c 支承（长的）导轨外露，容易刮伤。机械系统设计电子教案段铁群 教授-37-2）搭配：铸 铸 铸 有 有 塑 塑 淬动导轨：色 色金 金火铁 铁 铁 属 属 料 料 钢|铸 淬 淬 铸 淬 铸 淬 淬支承导轨：火铸 火火火 火铁 铁 钢 铁 钢 铁 钢 钢（三）普通滑动导轨的验算验算步骤：（1）受力分析（2

38、）计算导轨的压强（3）按许用应力，判断导轨设计是否可行（4）根据压强分布，判断是否须用压板1.导轨结构尺寸的初步选择：（1）导轨的跨距dBP116 图 3.53a指两导轨中心之间的距离，dB理论上越大越好dxB21一般情况下选取dB=0.554B。（B工作台面宽度）（2）导轨面尺寸1）宽度 bb=（0.20.3）mB（mB导轨总宽度）2）高度 hh=（0.050.15）mB（3）导轨面长度 l指动导轨的长度，尽量增长（减小应力，耐磨）2.导轨的受力分析（1）外力内容：切削力、工件和夹具的重量、动导轨的重量、牵引力等。【例】P117 图 3.54 数控车床刀架受力分析（2）力的合成：MF3.导轨

39、的压强：P118 图 3.55假设：（1）只考虑接触变形对压强的影响（2）按线性分布考虑，宽度方向视为均布。力F在导轨面上产生的应力：alFPF（Mpa）机械系统设计电子教案段铁群 教授-38-力偶：lalPMm32221力偶M在导轨面上产生的应力：26alMPM（Mpa）将力图迭加后得：最大应力：)61(maxFlMalFPPPMF最小应力：)61(minFlMalFPPPMF平均应力：alFPPPav2/)(minmax综合分析：P120 图 3.56（1）按矩形分布：P120 图 3.56a06FlM（M=0）avPPPminmax则：合力 F 过动导轨的中心，受力最好。（2）按梯形分布

40、：P120 图 3.56b160FlM（M0）0minPavPP2max则：合力 F 偏离中心，偏心量：6lFMZ，受力较好（多数情况）。（3）按三角形分布：P120 图 3.56c16FlM)6(FlM 0minPavPP2max则：合力 F 偏离中心，且偏心量：6lFMZ，全长接触（临界状态）。以上三种情况下不需要加压板，为开式导轨。（4）不能全长接触，需要加压板：P120 图 3.56d16FlM支反力：alPFjmax21倾覆力矩：)32(jllFZFM则：)2(3FMllj机械系统设计电子教案段铁群 教授-39-)5.0(5.1)21(231)21(322maxFlMPFlMalFF

41、lMalFalFPavj判断开闭式的依据：16FlM为开式，16FlM为闭式。加压板后，形成辅助导轨面，压板与间隙和接触变形有关。（5）当5.0FlM，且无压板，则maxP即：导轨表面的受力将集中在“一端点”上，应用闭式。（6）压板与辅助导轨面的间隙=0 时：P120 图 3.56emaxP和maxP为理想状态（实际上0）（7）（压板与辅助导轨面的间隙实际间隙）P120 图 3.56f则：辅助导轨面与压板不接触，即压板不起作用26lZl（8）（压板与辅助导轨面的间隙实际间隙）P120 图 3.56g则：主、辅导轨面同时工作，这是希望达到的情况。压板与辅助导轨面间隙量（）的选择：jjlll(相似

42、三角形)2(3FMllj则：FlMFlMFMlFMll2161)2(3)2(3又因为：jjKFlMPKP1)5.0(5.1maxmax则：javKFlMFlMP2)5.0(5.1)61(压板与辅助导轨间隙量的选择：。作业题与思考题作业题与思考题 1.什么是执行系统？执行系统由哪些部分构成？2.执行系统按照其运动和动力的不同要求可分成哪几种类型？3.执行系统设计应该满足哪些基本要求？机械系统设计电子教案段铁群 教授-40-4.执行轴机构由哪些主要部分构成？5.回转精度与运动精度有何区别？6.什么是静刚度，它包括哪些内容？7.执行轴多采用哪种结构形式，中空孔径如何确定？8.当主轴刚度不足时，是否可

43、以通过改变材料来解决问题，如不行，说明为什么。9.试说明禀赋推力支承位置的布置有哪几种形式，并绘图说明各自的优缺点及适用场合。10.执行轴组件支承跨距大或小各有哪些特点？11.执行轴传动件的布置有哪几种形式，绘图说明其有何优缺点及应用场合。12.执行轴上滚动轴承和滑动轴承各有何优缺点，试说明选用原则。13.什么叫轴承的预紧，预紧的目的是什么，简要说明预紧力过大或过小会出现哪些问题。14.简要说明主轴滚动轴承内外环配合与载荷的关系。15.如何确定出轴承的寿命？16.什么是合理跨距？17.导轨有什么功用？18.按运动性质可将导轨分成哪几种类型？19.导轨的几何精度包括哪三项内容？20.导轨的磨损形

44、式有哪几种类型？21.常用的导轨结构形状有哪几种？常用的导轨组合有哪几种类型？22.镶条和压板各有何功用，各适用于什么样的场合？某水平导轨，支承导轨长 1200mm，动导轨长 400mm，有一垂直载荷 F 作用于动导轨上，问当载荷作用点与导轨中心偏离多少时需加设压板，并绘制出导轨在各种不同的受力状态下的主导轨面的应力简图机械系统设计电子教案段铁群 教授-41-第五章支承系统设计重点重点：静刚度的基本类型及影响因素，截面的选择原则，设计中应注意的若干问题。难点难点：提高支承系统静刚度的方法和措施。讲授提示与方法讲授提示与方法：采用由浅入深、循序渐进的讲解方式，由支承系统的受力分析入手，通过支承系

45、统受力变形引出各项静刚度的概念，结合支承系统的典型结构形式和截面的选择原则阐明提高各项静刚度的方法和措施。5.1 支承系统的功用和基本要求支承系统（支承件）：是支承和连接各机件的元件。包括：床身、立柱、横梁、摇臂、底座、箱体、刀架、工作台等。一、对设备使用的影响1 受力变形：受力沿支承件传递2 抗振性：运动产生振动（单件振动，整机振动）3 热变形：受热不均产生变形，影响执行件的位置二、基本要求1 足够的静刚度2 较好的动态特性3 良好的热特性4 小的内应力5 其他（工艺性、吊运、排屑、冷却润滑等）三、重要支承件的设计步骤1 根据使用要求进行受力分析2 初步确定其形状和尺寸3 静态和动态特性的验

46、算4 修改或选择最佳方案5.2 支承系统的静刚度一、支承系统的受力与变形分析1 支承件的简化（1）梁类：一个方向的尺寸比另两个方向的尺寸大得多（2）板类：二个方向的尺寸比另一个方向的尺寸大得多（3）箱类：三个方向的尺寸差不多（4）框架类：如支架、桥架、桁架等2 受力分析P169 图 5.13 受力变形分析和比较P169 图 5.2y 方向：1xycFx 方向：2xpF机械系统设计电子教案段铁群 教授-42-扭转：32xpchFdFT折算和比较：将弯曲变形和扭转变形量折算到变形影响量最大方向（即：“敏感方向”）的位移去进行比较。二、支承件的静刚度1 自身刚度：抵抗自身变形的能力。包括：弯曲刚度：

47、)/(/mNFK扭转刚度：)/(2radmNMLKM影响因素：材料、构造、形状、尺寸等。2 局部刚度：抵抗局部变形的能力（发生在载荷集中的地方）。P170 图 5.4影响因素：构造、尺寸、筋板等。3 接触刚度：抵抗接触变形的能力。P171 图 5.5（1）定义式：)/(mMpaddpKj注意：1）是平均压强与变形的比2）jK不是一个固定值（2）应用公式：ctgKj1）无相对移动时：00PKjP171 图 5.5c2）有相对移动时：ababjPPPKP171 图 5.5d（3）经验估算公式：（名义接触面积1001502cm，配合较好的表面）pcmMPacpmPacppKj/102/26式中：p接

48、触面的平均压强（Pa）c系数。查 P172 表 5.1影响因素：1）接触面的加工情况（精度和表面粗糙度）2）支承件的构造（自身刚度和局部刚度）5.3 支承系统结构设计中的几个问题一、正确选择支承件的截面形状（形状选择原则）支承件的主要载荷是弯曲和扭转，变形大小与截面惯性矩有关。分析数据：P173 表 5.2分析结论：1 空心截面惯性矩比实心的大；机械系统设计电子教案段铁群 教授-43-2 矩形截面抗弯能力大，圆形截面抗扭能力强；3 封闭截面比非封闭截面的刚度大得多。二、合理设置肋板和肋条1 隔板（肋板）设置隔板是提高刚度（自身刚度）的有效方法之一。隔板的布置方向：隔板要平行载荷。P175 图

49、5.82 加强筋（肋条）：P175 图 5.9（1）提高局部刚度（2）防止薄壁振动加强筋尺寸：高=45 壁厚厚=0.70.8 壁厚加强筋形式 见 P176 表 5.3三、合理开孔和加盖窗口的目的：清砂和安装内部机件。窗口的位置：非受主载荷的面，便于操作。窗口的尺寸：宽度70%空腔宽。高度=1.01.2 空腔宽。加盖螺钉联接，以补偿刚度损失。四、提高支承件的局部刚度1 肋条（加强筋）。2 改变局部位置结构P176 图 5.10 图 5.11五、提高支承件的接触刚度1 提高表面的接触精度：增大接触面积（配磨或配刮）。（1）表面粗糙度：m6.1Ra（2）接触点位配刮2mm2525普通精度设备：6 点

50、（分布均匀）精密级设备：8 点（分布均匀）高精度级设备：12 点（分布均匀）2 提高接触面的预压力：用螺钉紧固可有效增大接触点的面积，平均预压压强为 2Mpa 左右。六、材料的选择和时效处理1 铸铁HT100、HT150、HT200、HT250、HT300QT450-10、QT800-2 及耐磨铸铁2 钢Q235、20、25、15Mn、16Mn、20Mn、15MnTi、15MnSi3 轻合金ZalSi7M9、ZAlSi2Cu2Mg1、ZalZnSn74 钢筋混凝土5 花岗岩机械系统设计电子教案段铁群 教授-44-七、支承系统的铆接结构一般设计原则：1 尽量使铆钉合理受力，防止一组铆钉受力过于不