第二章 机械系统设计1

①螺纹滚道型面（法向）的形状及主要尺寸
我国生产的滚珠丝杠副的螺纹滚道有单圆弧形和双圆弧形，如图4(a)、 (b)所示。滚道形面与滚珠接触点之法线与丝杠轴向之垂线间的夹角β 称为接触角，一般为450。单圆弧形的螺纹滚道的接触角随轴向载荷大 小的变化而变化，主要由轴向载荷所引起的接触变形的大小而定。 β 增大时，传动效率、轴向刚度以及承载能力也随之增大。由于单圆弧 形滚道加工用砂轮成型较简单，故容易得到较高的加工精度。单圆弧 形面的滚道圆弧半径R稍大于滚珠半径。
高、工作方法可靠、寿命长、互换性好。
它分为：定轴齿轮传动、周转轮系齿轮传动、渐开线少齿差行星齿轮
传动、摆线针齿轮传动、谐波齿轮传动。
iH，4

iH ,2

z2 z1 z2
渐开线少齿差齿轮传动
1-内齿中心轮；2-行星轮；
3-等角速输出机构；
4-输出轴。
减小齿数差，可增大传动比，但应在安装 条件和连续传动的条件允许时，且多采用短齿齿 轮或变位齿轮。它的优点是传动比大，一级减速 比可达135 ，二级可达10000以上，结构简单、 体积小、重量轻、效率高。缺点是等角速输出机 构的结构复杂、受力情况不好。
螺旋传动机构
主要由丝杆、螺母和机架三部分组成，其优点是增力效 果大，可用较小的转矩得到较大的轴向力，结构简单，传动 精度高，平稳，无噪声，易实现自锁。
1、丝杠螺母机构的基本传动形式：
丝杠螺母机构又称螺旋传动机构，它主要用来将旋转 运动变换为直线运动或将直线运动变换为旋转运动。有 以传递能量为主的（如螺旋压力机、千斤顶等）、也有 以传递运动为主的（如工作台的进给丝杠）、还有调整 零件之间相对位置的螺旋传动机构等。
有轴向刚度高（即通过适当预紧可消除丝杠与螺母之间的
轴向间隙）、运动平稳、传图2一动3滚珠精丝杠度剐构 高、不易磨损、使用寿
成原理1一反向器；2 一绷母；3一丝杆讨一
命长等优点。但由于不能自滚珠 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。
2） 滚珠丝杠副的典型Fra Baidu bibliotek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、滚珠的循环方 式和消除轴向间隙的调整方法进行区别。
丝杠螺母机构有滑动摩擦机构和滚动摩擦机构之分。 滑动丝杠螺母机构结构简单、加工方便、制造成本低、 具有自锁功能，但其摩擦阻力矩大、传动效率低（30％40％）。滚珠丝杠螺母机构虽然结构复杂、制造成本高， 但其最大优点是摩擦阻力矩小、传动效率高（92％98%），因此在机电一体化系统中得到广泛应用。
根据丝杠和螺母相对运动的组合情况，其基本传 动形式有如图所示的四种类型。
1-刚轮；2-柔轮；3-波发生器H
谐波齿轮传动
刚轮有内齿圈，柔轮有外齿圈，其齿形为渐开线或三角形， 周节相同而齿数不同，刚轮的齿数比柔轮的齿数多几个齿。柔 轮是薄圆筒形，由于波形发生器的长径比柔轮内径略大，故装 配在一起时就将柔轮撑成椭圆形。工程上常用的波形发生器有 两个触头的即双波发生器，也有三个触头的。具有双波发生器 的谐波减速器，其刚轮和柔轮的齿数之差为2。其椭圆长轴的两 端柔轮与刚轮的牙齿相啮合，在短轴方向的牙齿完全分离。当 波形发生器逆时针转一圈时，两轮相对位移为两个齿距。当刚 轮固定时，则柔轮的回转方向与波形发生器的回转方向相反。
胶带传动中既有起伏振动（横振）又有纵向振动， 平型带在带轮上还有周期性左、右幌动，带易脱落。
（5）链传动
链传动主要由链条与主、从动链轮上轮齿相啮合 而传递运动和动力。其优点是无滑动损失，平均传动 比保持不变，传递功率较胶带传动大、效率高，能在 温度和湿度变化很大或有灰尘的恶劣条件下工作。特 点是链的瞬时速度和传动比周期性变化，传动时有振 动和噪声，工作不平稳，故不宜用于高速传动。
3）螺母转动、丝杆移动如图c所示，该传动形式 需要限制螺母移动和丝杆的转动由于结构较复杂且 占用轴向空间较大，故应用较少。
4）丝杆固定、螺母转动并移动如图d所示，该传 动方式结构简单、紧凑，但在多数情况下，使用极 不方便，故很少应用。
此外，还有差动传动方式，其传动原理如图所示， 该方式的丝杆上有基本导程（或螺距）不同的 （如 ph1 ph2 ）两段螺纹，其旋向相同。当丝杆2转动 时，可动螺母1的移动距离为l n ( ph1 ph2 )，如果两
同步带的结构如图2所示。它由强力层1、带齿2和带背3 组成。带轮结构如图形有梯形齿形3所示，带轮齿形有梯形齿 形和圆弧齿形。国内有同步带传动部件的GB 11616-1989、 GB11362-1989等国家标准，专门生产厂家生产供选用。
图2同步带的结构 1一加强筋；2一带齿；３－带背
图3带轮结构 φ一带轮槽半角；d0一带轮项圆直径； ｐa--外圆节距；d一带轮节圆直径；δ一带轮节顶距
除滚珠丝杠副、齿轮副等传动部件之外，机电一体化系 统中还大量使用同步齿形带、钢带、链条、钢丝绳及尼龙绳 等挠性传动部件。
(1)同步带传动 同步带传动是综合了普通带传动和链轮链条传动优点的
一种新型传动：它在带的工作面及带轮外周上均制有啮合齿， 通过带齿与轮齿作啮合传动。为保证带和带轮作无滑动的同 步传动，其齿形带采用了承载后无弹性变形的高强力材料， 以保证带的节距不变。故它具有传动比准确、传动效率高 （可达0.98）、能吸振、噪音低、传动平稳、能高速传动、 维护保养方便等优点，故使用范围较广。其主要缺点是安装 精度要求高、中心距要求严格，具有一定的蠕动性。
基本导程的大小相差较少，则可获得较小的位移 l 。
因此，这种传动方式多用于各种微动机构中。
2、滚珠丝杠副传动部件
1）滚珠丝杆副的组成及特点
滚珠丝杠副是一种新型螺旋传
动机构，其具有螺旋槽的丝杆与螺
母之间装有中间传动元件-滚珠。如
图所示为滚珠丝杠螺母机构组成示
意图，从图可知，它由丝杆3图2、一3滚螺珠丝母杠剐构 成原理1一反向器；2
2、滚珠4和反向器（滚珠循环一滚珠绷母反；3一向丝杆讨一
滚珠丝杠副构成原理
装置）1等四部分组成。当丝杆转动 1--反向器；2—螺母；3--丝杆 ；4--滚珠
时，带动滚珠沿螺纹滚道滚动，为
防止滚珠从滚道端掉出，在螺母的
螺旋槽两端设有滚珠回程引导装置
构成滚珠的循环返回通道，从而形
成滚珠流动的闭合通路。
滚珠丝杆副与滑动丝杠副相比，除上述优点外，还具
摆线针齿轮传动
在少齿差行星齿轮传动中。当行星轮2采用摆线 齿廓曲线齿轮，中心齿轮采用圆柱形针齿时，就成 为摆线针轮行星传动。它的齿数差恒为1 。这种传 动具有结构紧凑、体积小、重量轻、传动比大、传 动平稳、具有较大的过载能力、耐冲击性能好，机 械效率高及使用寿命长等优点。缺点是加工复杂。 这种传动已标准化，分单级和双级两种，可按需选 用。
四杆机构的基本形式及演变
设计四杆机构的注意事项： 1、曲柄存在条件 2、急回特性和行程速比系数 3、压力角和传动角 4、死点位置
k

1800 1800

1 2
1800 K 1
K 1
凸轮机构作执行机构
主要由凸轮、从动件和机架组成。凸轮和从动件之 间通过弹簧、重力或几何形状密封等方法保持接触。
第二节 执行机构的设计
连杆机构作执行机构 凸轮机构作执行机构
其它一些执行机构
连杆机构作执行机构
连杆机构是由一些杆状构件通过运动副联接所组成 的机构。其特点是：结构简单、易于加工和保证加工精 度，且由于杆件数目的不同、运动幅类型、主动杆件的 选择和输出点位置不同，可获得各种不同的运动规律和 运动关系。
双圆弧形的螺纹滚道的接触角β在工作过程中基本保持 不变。两圆弧相交处有一小空隙，可使滚道底部与滚珠不 接触，并能存储一定的润滑油以减少摩擦磨损。由于加工 其型面的砂轮修整和加工、检验均较困难，故加工成本较 高。
②滚珠的循环方式 滚珠丝杠副中滚珠的循环方式有内循环和外循环二种。 内循环—内循环方式的滚珠在循环过程中始终与丝杆 表面保持接触。如图所示，在螺母2的侧面孔内装有接通相 邻滚道的反向器4，利用反向器引导滚珠3越过丝杆1的螺纹 顶部进入相邻滚道，形成一个循环回路。一般在同一螺母 上装有2~4个滚珠用反向器，并沿螺母圆周均匀分布。内循 环方式的优点是滚珠循环的回路短、流畅性好、效率高、 螺母的径向尺寸也较小。其不足是反向器加工困难、装配 调整也不方便。
同步齿形带在打印机字车送进系统中的应用实例。
图2-42为同步齿形带在打印机字车送进系统 中的应用实例。
打印机中同步带传动系统 1—驱动轮；2—驱动轴；3—从动轮；4一伺服电动机；5—电动机齿轮；6—字车；
7—色带驱动手柄；8—销；9—连接环；10—字车驱动同步带；11—支架； 12—带张力调节螺杆；13——色带驱动带；14——压带轮；15—色带;16-色带驱动轴;17-导杆
其特点：以直接接触传递运动和动力，能够准确地 实现任意复杂的运动，且结构简单、紧凑、工作可靠。
设计凸轮注意事项： １、凸轮的轮廓曲线 ２、压力角和基圆半径 ３、凸轮的强度和耐磨性
第三节 传动机构的设计
齿轮传动 挠性传动机构 螺旋传动机构 其它类型的传动机构 无极变速传动
齿轮传动
优点：传动比精确、适用功率和速度范围广、结构紧凑、传动效率
1-刚轮；2-柔轮；3-波发生器H
齿轮传动间隙的调整方法：
１、圆柱齿轮传动 （１）偏心套（轴）调整法； （２）轴向垫片调整法； （３）双片薄齿轮错齿调整法（周向弹 簧式、可调拉簧式） ２、斜齿轮传动
偏心套（轴）调整法
1-偏心套；2-电动机；3-减速箱；4、5-减速齿轮。
圆柱齿轮轴向垫片调整
1、2-齿轮；3-垫片；4-电动机。
谐波齿轮传动
谐波齿轮传动具有结构简单、传动比大（几十~几百）、传 动精度高、回程误差小、噪声低、传动平稳、承载能力强、效 率高等一系列优点。故在工业机器人、航空、火箭等机电一体 化系统中得到广泛的应用。 谐波齿轮传动的工作原理
谐波齿轮传动与少齿差行星齿轮传动十分相似。它是依靠 柔性齿轮产生的可控变形波引起齿间的相对错齿来传递动力和 运动的。因此它与一般齿轮传动具有本质上的差别：谐波齿轮 传动由波形发生器3 (H）和刚轮l 、柔轮2 组成。波形发生器 为主动件，刚轮或柔轮为从动件。
（2）钢带传动
钢带传动的特点是钢带与带轮间接触面积大、无间隙、摩擦 阻力大无滑动，结构简单紧凑、运行可靠、噪音低、驱动力大、 寿命长，钢带无蠕变。图示为钢带传动在磁头定位机构中的应用 例。磁头固定在往复运动的钢带上，结构紧凑、磁头移动迅速、 运行可靠。
（3）绳轮传动
绳轮传动具有结构 简单、传动刚度大、 结构柔软、成本较低、 噪音低等优点。其缺 点是带轮较大、安装 面积大、加速度不易 太高。
双片薄齿轮周向拉簧错齿调整
1-短柱；2-弹簧；3、4-薄片齿轮。
可调拉簧式
1、2-齿轮；3-凸耳；4-弹簧；5、6-螺母；7-螺钉。
垫片错齿调整 1、2-薄片齿轮；3-宽齿轮；4-垫片。
轴向压簧错齿调整
1、2-薄片齿轮；3-宽齿轮；4-调整螺母； 5-弹簧。
挠性传动机构
优点：中间挠性体具有柔软性、有吸收振动、缓冲和安 全作用，适于中心距较大的传动。
谐波齿轮传动
iH ,2


z1
z2 z2
刚轮固定
iH ,1


z1
z1 z2
柔轮固定
这种传动的优点是 传动比大，单级传动比 i=60~500,二级传动可达 2 ×105 ，同时啮合的 齿数多，承载能力大、 运动误差小、无冲击、 齿的磨损均匀、机械效 率高、空程小、结构简 单、体积小、质量轻、 密封性好。适于反向传 动。缺点是柔轮加工困 难，材料要求高，启动 力矩大，传动比小于35 时不宜采用。
（4）胶带传动
它们是靠胶带与带轮接触部分的摩擦传递力和运 动，不可避免存在弹性滑移，故传动比难以正确维持， 此外，胶带运行之后必然松弛，需进行调整。按胶带 的剖面开关可分为平型带（矩形），V型带（梯形） 和圆形带三种。平型带是用接头连接成环形，故传动 不平稳，但可扭曲，可用来传递空间两交错轴间的转 动或两平行轴间的反方向移动。V型带是靠两侧面与 带轮上的梯形槽楔面摩擦能传递较大的功率，且制成 环形、无接头，传动平稳，常用作与电动机直接相接 的传动。圆形带由皮革或合成纤维制成，常用于低速 轻载的机械中。
1）螺母固定、丝杆转动并移动如图a所示，该传 动形式因螺母本身起着支承作用，消除了丝杆轴承 可能产生的附加轴向窜动，结构较简单可获得较高 的传动精度。但其轴向尺寸不易太长，刚性较差。 因此只适用于行程较小的场合。
2）丝杆转动、螺母移动如图b所示，该传动形式 需要限制螺母的转动，故需导向装置。其特点是结 构紧凑、丝杆刚性较好。适用于工作行程较大的场 合。