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机械设计 第十八章 直线导轨 第一节概述第二节滑动导轨第三节滚动导轨 返回章目录 第一节概述 直线导轨的作用是支承和引导运动部件按给定的方向作往复直线运动 两个作相对运动的部件形成一对导轨副 设在支承部件2上的配合面称为静导轨 设在运动部件1上的配合面称为动导轨 具有动导轨的运动部件常称为工作台 滑台 滑板 导靴 头架等 按摩擦性质分 一 导轨的分类 滑动导轨 静压导执动压导轨普通滑动导轨 滚动导轨 滚珠导轨滚柱导轨滚针导轨滚动轴承导轨 两导轨面间的摩擦性质是滑动摩擦 两导轨面间的摩擦性质是滚动摩擦 按受力情况分 必须借助于外力才能保证动 静导轨面间的接触 开式导轨 闭式导轨 依靠导轨本身的几何形状保证动 静导轨面间的接触 导向精度指运动部件按给定方向作直线运动的准确程度 精度保持性指导轨在工作过程中保持原有几何精度的能力 运动精度包括低速运动平稳 无爬行 定位准确 足够的刚度在载荷的作用下 导轨的变形不应超过允许值 结构工艺性好导轨的结构应力求简单 便于制造 检验和调整 从而降低成本 具有良好的润滑和防护装置 二 导轨的基本要求 根据机器的工作条件 性能特点 精度要求 选择导轨的结构类型 导轨截面形状 进行导轨的力学计算 确定结构尺寸 确定导轨副的间隙 公差和加工精度 选择导轨材料 摩擦面硬度匹配 表面精加工和热处理方法 选择导轨的预紧载荷 设计预紧载荷的加载方式与装置 选择导轨面磨损后的补偿方式和调整装置 选择导轨的润滑方式 设计润滑系统和防护装置 三 导轨的设计程序及内容 第二节滑动导轨 滑动导轨的动 静导轨面直接接触 其优点是结构简单 接触刚度大 缺点是摩擦阻力大 磨损快 低速运动时易产生爬行现象 1 导轨截面的基本形式 一 滑动导轨的类型 特点及应用 V形导轨 导轨磨损后能自动补偿 故导向精度较高 它的截面角度由载荷大小及导向要求而定 一般为90 矩形导轨 结构简单 制造 检验和修理较易 矩形导轨可以做得较宽 因而承载能力和刚度较大 应用广泛 缺点是磨损后不能自动补偿间隙 用镶条调整时 会降低导向精度 燕尾形导轨 主要优点是结构紧凑 调整间隙方便 缺点是几何形状比较复杂 难于达到很高的配合精度 并且导轨中的摩擦力较大 运动灵活性较差 因此 通常用在结构尺寸较小及导向精度与运动灵活性要求不高的场合 圆形导轨 圆形导轨的优点是导轨面的加工和检验比较简单 易于获得较高的精度 缺点是导轨间隙不能调整 特别是磨损后间隙不能调整和补偿 闭式圆形导轨对温度变化比较敏感 为防止转动 可在圆柱表面开槽或加工出平面 开槽制出平面 双V形组合 两条导轨同时起着支承和导向作用 故导轨的导向精度高 承载能力大 两条导轨磨损均匀 磨损后能自动补偿间隙 精度保持性好 但这种导轨的制造 检验和维修都比较困难 因为它要求四个导轨面都均匀接触 刮研劳动量较大 此外 这种导轨对温度变化比较敏感 2 常用导轨的组合形式 一条导轨往往不能承受力矩载荷 故通常都采用两条导轨来承受载荷和进行导向 常用滑动导轨的组合形式有 V形和平面形组合 这种组合保持了双V形组合导向精度高 承载能力大的特点 避免了由于热变形所引起的配合状况的变化 且工艺性比双V形组合导轨大为改观 因而应用很广 缺点是两条导轨磨损不均匀 磨损后不能自动调整间隙 矩形和平面形组合 承载能力高 制造简单 间隙受温度影响小 导向精度高 容易获得较高的平行度 侧导向面间隙用镶条调整 侧向接触刚度较低 双矩形组合 特点与矩形和平面形组合相同 但导向面之间的距离较大 侧向间隙受温度影响大 导向精度较矩形和平面形组合差 燕尾形和矩形组合 能承受倾覆力矩 用矩形导轨承受大部分压力 用燕尾形导轨作侧导向面 可减少压板的接触面 调整间隙简便 V形和燕尾形组合 组合成闭式导轨的接触面较少 便于调整间隙 V形导轨起导向作用 导向精度高 加工和测量都比较复杂 双圆形组合 结构简单 圆柱面既是导向面又是支承面 对两导轨的平行度要求严 导轨刚度较差 磨损后不易补偿 圆形和矩形组合 矩形导轨可用镶条调整 对圆形导轨的位置精度要求较双圆形组合要求低 二 导轨间隙的调整 为了保证导轨正常工作 导轨滑动表面之间应保持适当的间隙 间隙过小会增大摩擦力 间隙过大又会降低导向精度 为此常采用镶条和压板来调整导轨的间隙 平镶条 1 镶条 楔形镶条 2 压板 a 用磨或刮压板的结合面来调整 b 用改变垫片的厚度来调整 三 滑动导轨的设计计算 1 压强验算 导轨的失效形式主要是磨损 而导轨的磨损又与导轨表面的压强密切相关 1 导轨面上的压强 假设 导轨本身刚度大于接触刚度 只考虑接触变形对压强的影响 接触变形和压强沿导轨长度方向线性分布 沿导轨宽度方向均匀分布 当导轨面上作用有法向力F和倾覆力矩M时 最大压强 最小压强 平均压强 2 导轨面上的最大压强 当M FL 1 6时 主导轨面上的最小压强为正 可以用开式导轨 这时 主导轨面上的最大压强用前式计算 即 当M FL 1 6时 主导轨面上的最小压强为负 应采用辅助导轨面和压板 此种情况下 主导轨面上的最大压强可按下式计算 当导轨上只有倾覆力矩作用时 F 0 考虑间隙 刚度的影响 取 式中 Km为考虑压板和辅助导轨面的影响系数 见图18 10 为间隙影响系数 见图18 11 a 系数Km 根据参数m按表18 2选取 KD 系数根据参数m和按图18 11 b 选取 3 辅助导轨面上的压强 当导轨面上作用有法向力F和倾覆力矩M时 辅助导轨面最大压强可按下式计算 式中 pmax是主导轨面上的最大压强 K 是系数 其值见图18 12 当导轨面上只作用有倾覆力矩M时 辅助导轨面上的最大压强可按下式计算 式中系数K 查表18 2 4 许用压强 为了保证导轨有足够的耐磨性 设计导轨时 应使导轨面上的平均压强不超过许用平均压强 最大压强不超过许用最大压强 即 不同工作条件下导轨的许用压强值不同 铸铁导轨的许用平均压强和许用最大压强见表18 3 钢导轨可将表中数值提高20 30 2 运动部件不被卡住的条件 保证运动部件不被卡住的条件是 当d L很小时 上式fVd L项可略去 则有 当H 0时 即驱动力F的作用点在运动部件的轴线上 可得运动部件正常运动的条件为 为了保证运动灵活 建议设计时取 当H及a均为零时 即驱动力F通过运动件轴线 可得F Fa 此时驱动力不会产生附加的摩擦力 导轨的运动灵活性最好 设计时应力求符合这种情况 当a 0时 即驱动力F平行于运动部件轴线 可得 3 导轨主要结构尺寸的确定 增大动导轨长度L 有利于提高导轨的导向精度和运动灵活性 但却使运动部件的尺寸和重量加大 因此 设计时一般取L 1 2 1 8 a 其中a为两导轨之间的距离 如结构允许 则可取L a 静导轨的长度则主要取决于动导轨的长度及工作行程 导轨的主要尺寸有动导轨L和静导轨的长度 导轨宽度b 两导轨之间的距离a等 导轨宽度b可根据导轨面上的压强不超过许用压强的条件求出 两导轨之间的距离a减小 则导轨尺寸减小 但导轨稳定性变差 设计时应在保证导轨工作稳定的前提下 减小两导轨之间的距离 四 提高导轨耐磨性的措施 合理选择导轨的材料及热处理 减小导轨面压强 保证导轨良好的润滑和防护 提高导轨的精度 第三节滚动导轨 滚动导轨是在运动部件和支承部件之间放置滚动体 滚珠 滚柱 滚动轴承等 使导轨运动时处于滚动摩擦状态 与滑动导轨比较 滚动导轨的特点是 摩擦系数小 并且静 动摩擦系数之差很小 故运动灵便 不易出现爬行现象 导向和定位精度高 且精度保持性好 磨损较小 寿命长 润滑简便 结构较为复杂 加工比较困难 成本较高 对脏物及导轨面的误差比较敏感 滚珠导轨 一 滚动导轨的类型及结构特点 滚柱导轨 e 滚针导轨 十字交叉滚柱导轨 滚动轴承导轨 按导轨承受载荷种类的能力 滚动导轨分为开式导轨和闭式导轨 按滚动体是否循环 滚动导轨分为循环式滚动导轨和非循环式滚动导轨 非循环式滚动导轨通常称为滚动导轨 而把循环式滚动导轨称为直线运动滚动支承 二 滚动导轨的预紧 采用过盈装配形成预加载荷 用移动导轨板的方法实现预紧 三 导轨主要参数的确定 1 导轨的长度 动导轨的长度 静导轨的长度 2 滚动体的尺寸和数量 增大滚动体直径 可以减小摩擦系数和接触应力 不易产生滑动 若采用滚柱 推荐其直径d 6 8mm 滚柱的长径比b d 1 5 2 0 滚动体的数量取决于导轨的长度和刚度条件 每一条导轨上一般不少于12 16个 若数量过多 会因制造误差引起载荷分布不均匀 推荐取 滚珠数量 滚柱数量 上两式中 F为每条导轨所承受的载荷 N d为滚珠直径 mm b为滚柱长度 mm 3 导轨强度计算 滚动导轨受力图 按接触区不产生塑性变形计算导轨面的静强度 强度条件为 作用于一个滚动体上的许用载荷 F 由下式求得 对滚珠导轨 对滚柱导轨 式中 d为滚珠或滚柱直径 mm b为滚柱长度 mm K1为材料系数 MPa 按表18 4选取 K2为硬度系数 按表18 5选取 K3为精度系数 按表18 6选取 4 接触变形 对滚珠导轨 对滚柱导轨 上两式中 F为一个滚珠上的载荷 N F1为一个滚柱单位长度上的载荷 N mm k为滚珠导轨的接触刚度系数 N mm 按图18 21 a 选取 k1为滚珠导轨的接触刚度系数 N mm mm 按图18 21 b 选取 5 直线滚动导轨副的选用计算 1 额定寿命计算 式中 L为额定寿命 km C为基本额定动载荷 kN 从样本中查取 Pd当量动载荷 kN 为寿命指数 当滚动体为球时 3 当滚动体为滚子时 10 3 K为额定寿命单位 当滚动体为球时 K 50km 当滚动体为滚子时 K 100km fh为硬度系数 按图18 23选取 通常滚道硬度不低于58HRC 故可取fh 1 ft为温度系数 按表18 7选取 fc为接触系数 按表18 8选取 fa为精度系数 按表18 9选取 fw为载荷系数 按表18 10选取 2 额定静载荷 式中 C0为额定静载荷 kN 从样本中查取 P0为静载荷或冲击载荷 kN fs为静态安全系数 按表18 11选取 四 滚动导轨的材料和热处理 对滚动导轨材料的主要要求是硬度高 性能稳定以及良好的加工性能 滚动体的材料一般采用滚动轴承钢 GCrl5 淬火后硬度可达到60 66HRC 常用的导轨材料 低碳合金钢 合金结构钢 合金工具钢 氮化钢 铸铁 本章结束