机械设计 第16章 箱体、导轨与铰链

16.2.4 滚动导轨设计简介
一、滚动导轨的特点 在承导件和运动件之间放入一些滚动体（滚珠、滚柱或滚针），使相 配的两个导轨面不直接接触的导轨，称为滚动导轨。 特点： 摩擦阻力小，运动轻便灵活；磨损小，能长期保持精度；动、静摩擦 系数差别小，低速时不易出现“爬行”现象，故运动均匀平稳。 缺点： 导轨面和滚动体是点接触或线接触，抗振性差，接触应力大，故对导 轨的表面硬度要求高，对导轨的形状精度和滚动体的尺寸精度要求高。 二、滚动导轨的结构形式 1．滚珠导轨 滚珠导轨主要有V-平截面的滚珠导轨、双V形截面的滚珠导轨和圆形 截面滚珠导轨等结构形式。由于滚珠和导轨面是点接触，故运动轻便，但 刚度低，承载能力小，常用于运动件重量、载荷不大的场合。
为保证导轨正常工作，导轨滑动表面之间应保持适当的间隙。导轨的 间隙调整广泛采用镶条和压板。
（a）压板调整间隙 （b）镶条调整间隙 （c）垫片调整间隙 （d）侧面间隙的调整 图16-4 矩形导轨的间隙调整
4. 夹紧装置 有些导轨（如非水平放置的导轨）在移动之后要求将它的位置固定，因 而要用专用的锁（夹）紧装置。常用的锁紧方式有机械锁紧和液压锁紧。 5. 提高耐磨性措施 1）选择合理的压强 2）选择合适材料 3） 热处理 4）润滑和防护 6. 结构尺寸的验算 1) 校核温度变化对导轨间隙的影响 2) 不自锁的条件
第16章 箱体、导轨与铰链
16.1 箱体
16.1.1 箱体的主要功能
箱体的主要功能有： 1．支承并包容各种传动零件，还可以储存润滑剂，实现各种运动零件的润滑。 2．安全保护和密封作用，并有一定的隔振、隔热和隔音作用。 3．使机器各部分分别由独立的箱体组成，便于加工、装配、调整和修理。 4．改善机器造型，协调机器各部分比例，使整机造型美观。源自16.3.3 铰链常见结构
根据铰链轴固定还是转动与否，常见的铰链结构有： 1．铰链轴为固定的铰链 这种铰链的轴固定在一个构件上，另一个构件通过内圆柱面安装在轴 上，可以绕轴回转。它的主要破坏形式是构件与铰链轴的磨损。 2．铰链轴为转动的铰链 这种形式的铰链有两种，一种结构是铰链轴在构件内圆柱面中转动， 因此存在滑动摩擦，表面磨损是其主要破坏形式。 另一种结构是铰链轴通过滚动轴承安装在构件的内圆柱面中，因此铰 链中存在的摩擦为滚动摩擦，磨损较小，适合相对转速较大的场合。
窄式组合 图16-2
宽式组合 矩形导轨与矩形导轨的组合形式示意图
（3）双三角形导轨 导向面间无间隙，接触刚度好，导向精度高。采用对称结构，两条导 轨磨损均匀，较高的工作精度。但其工艺性差，四个表面刮削或磨削也难 以完全接触，对温度变化较敏感，故不宜用在温度变化大的场合。
3. 间隙调整
图16-3 双三角形导轨的组合形式示意图
（3）燕尾形导轨 燕尾形导轨的调整及夹紧较简便，用一根镶条可调节各面的间隙，且高度 小，结构紧凑；但制造检验不方便，摩擦力较大，刚度较差，不适用于承受大 的倾覆力矩和向上力矩，用于运动速度不高，受力不大，高度尺寸受限制的场 合。 （4）圆形导轨 制造方便，外圆采用磨削，内孔珩磨可达精密的配合，但磨损后不能调整间 隙。为防止转动，可在圆柱表面开键槽或加工出平面，但不能承受大的扭矩。宜 用于承受轴向载荷的场合。 2. 常用导轨组合形式 （1）三角形和矩形组合 这种组合形式以三角导轨为导向面，不需要用镶条调整间隙，导向精度 较高，而平导轨的工艺性好，因此应用最广。组合有V-平组合、棱-平组合两 种形式 。
16．3
16.3.1 铰链的功能
铰
链
铰链的主要功能是将一个构件与另一个构件通过转动副相联，使得这两 构件之间可以作相对的转动，并且可以传递一定的力。
16.3.2 铰链设计基本要求
铰链的设计主要应满足如下基本要求： 1．强度和刚度的要求 铰链轴必须有足够的强度，避免出现弯曲破坏，同时还要有足够的刚度， 避免出现过大的挠曲变形。 2．运动轻便平稳的要求 工作时，应轻便省力，摩擦阻力要小，运动平稳，冲击较小。 3．良好的耐磨性 磨损是铰链机构的主要破坏形式，磨损导致联接间隙增大，使得运动不平 稳，应尽量减少磨损量，使铰链能够正常工作。 4．结构工艺性好 在保证铰链其它要求的前提下，应使铰链结构简单，便于加工、装配和维修， 降低成本。
V-平组合 图16-1 三角形导轨与矩形导轨的组合形式示意图
棱-平组合
（2）矩形和矩形组合 承载面和导向面分开，因而制造和调整简单，导向面的间隙用镶条调整， 接触刚度低，而且必须留有间隙，降低了导向精度。宽式组合导向面由于距离 大，热膨胀时变形量大，要求间隙大，因此其导向精度和导向性能不如窄式组 合。
16．2 导 轨
16.2.1 导轨的功能
导轨起支承和导向的作用 。
16.2.2 导轨设计基本要求
对导轨的设计应满足如下要求： 1.一定的导向精度。 2.运动轻便平稳。 3.良好的耐磨性。 4.足够的刚度和较大的承载能力。 5.温度变化影响小。 6.结构工艺性好。
16.2.3 滑动导轨设计
一、滑动导轨设计的主要内容 1.根据工作条件，选择合适的导轨类型。 2.选择导轨的截面形状，以保证导向精度。 3.选择适当的导轨结构及尺寸，使其在给定的载荷及工作温度范围内， 有足够的刚度，良好的耐磨性，以及运动轻便和平稳。
2．滚柱（滚针）导轨 滚柱导轨中的滚柱与导轨面是线接触，故它的承载能力和刚度比滚珠导 轨大，耐磨性较好，但灵活性稍差。滚柱对导轨的不平度较敏感，容易产生 侧向偏移和滑动，而使导轨的阻力增加，磨损加快，精度降低。滚柱导轨支 承为标准部件，具有安装、润滑简单，调整防护容易等优点。由于滚柱在封 闭的滚道内滚动，故可用于行程很大的导轨上。 三、滚动导轨设计的一般问题
16.1.5 典型箱体结构
1. 传动箱体 如减速器、汽车变速箱及机床主轴箱等的箱体，主要功能是包容和支承各传 动件及其支承零件，这类箱体在结构上应保证有好的密封性、高的强度和刚度。 2. 机壳类箱体 如齿轮泵的泵体，各种液压阀的阀体，主要功能是改变液体流动方向、流量 大小或改变液体压力。这类箱体在结构上除了要保证好的密封性、高的强度和刚 度外，还要能承受箱体内液体的压力。 3. 支架箱体 如机床的支座、立柱等箱体零件，在结构上要保证箱体有一定的强度、刚度 和精度，这类箱体设计时要特别注意刚度和外观。
16.1.2 箱体设计应考虑的主要问题
设计的过程中主要应考虑以下问题： 1.满足强度和刚度要求。
2. 3. 4. 5. 6.
散热性能和热变形问题。 结构设计合理。 工艺性问题。 减振、隔振问题。 造型好、质量轻。
值得注意的是在设计不同的箱体时，考虑问题时应该有所侧重。
16.1.3 箱体毛坯的选择
铸造容易制造出结构复杂的箱体毛坯，铸造箱体的热影响变形小，吸 振能力较强，也容易获得较好的结构刚度，但其质量大。 焊接箱体允许有薄壁和大平面，而铸造却较难实现薄壁和大平面，此 外焊接箱体一般比铸造箱体轻， 大型的机座或箱体的制造，则常采用分体铸造，整体焊接的办法。 在选择箱体毛坯的时候，还要与生产能力和生产规模相符合。
16．1．4 箱体结构主要参数设计
1． 壁厚 铸铁、铸钢和其它材料箱体的壁厚可以从表16-1和表16-2中选取，表中 N用下式计算： N=（2L+B+H）/3000 （mm） 式中： L-铸件长度（mm），L、B、H中，L为最大值； B-铸件宽度（mm）； H-铸件高度（mm） 2．加强筋 加设筋板既可以增大强度和刚度，又可以减少质量。 筋板的不同布置对于加设筋板的效果有很大的影响。表16-4列出了几 种筋板的布置情况。 3．孔和凸台
1．结构形式的选择 2．导轨长度的选择 一般应在满足导轨运动行程的前提下，尽可能使导轨的长度短一些。 3. 滚动体尺寸和数目 当滚动体的数目增加时，导轨的承载能力和刚度也增加。但滚动体的 数目不宜太多，过多会增加载荷在滚动体上分布的不均匀性，刚度反而下 降。若滚动体数目太少，制造误差将会显著地影响运动件的导向精度。 4．滚动导轨刚度及预紧方法 当工作台往复移动时，工作台压在两端滚动体上的压力会发生变化， 受力大的滚动体变形大，受力小的滚动体变形小。为减小导轨变形，提高 刚度，除合理选择滚动体的形状、尺寸、数量和适当增加工作台的厚度外， 常用预加载荷的办法来提高导轨的刚度。
箱体内壁和外壁上位于同一轴线上的孔，单件小批量生产时，应尽可能 使孔的质量相等；成批大量生产时，外壁上的孔应大于内壁上的孔径。 在箱壁上与孔中心线垂直的端面处附加凸台，可以增加箱体局部的刚度。
4．联接和固定 为了保证联接刚度，应注意以下几个方面的问题： （1）重要结合面表面粗糙度值Ra应不大于3.2µm，接触表面粗糙度值越小， 则接触刚度越好。 （2）合理选择联接螺钉的直径和数量，保证结合面的预紧力。 (3) 合理设计联接部位的结构，联接部位的结构、特点及应用见表16-5。
4.选择导轨的补偿及调整装置，经长期使用后，由于磨损，将会出现间隙， 影响导轨的导向精度和承载能力，因此必须选择合适的调整装置来对磨损量 进行补偿或对间隙进行调整以保持需要的导向精度。 5.选择合理的润滑方法和防护装置，使导轨有良好的工作条件，以减少摩 擦和磨损，增加导轨的使用寿命。 6.制订保证导轨所必须的技术条件，如选择适当的材料，以及表面加工、 热处理、测量方法等。 二、滑动导轨的结构设计 1. 滑动导轨截面的基本形式 （1）三角形导轨 该导轨磨损后能自动补偿，不会产生间隙，故导向精度高。如果导轨上 所受的力，在两个方向上的分力相差很大，应采用不对称三角形，以使力的 作用方向尽可能垂直于导轨面。 （2）矩形导轨： 优点是结构简单，制造、检验和修理方便；导轨面较宽，承载力较大， 刚度高，故应用广泛。由于它必须留有侧面间隙，且磨损后不能自动补偿， 它的导向精度没有三角形导轨高，导轨间隙需用压板或镶条调整，且磨损后 需重新调整。