12-直线运动导轨

2020/5/3
第十二章 直线运动导轨
40
一、滚动导轨的类型及结构特点
2020/5/3
第十二章 直线运动导轨
41
一、滚动导轨的类型及结构特点
▪ V形滚道－圆弧滚道， 增大滚动体与滚道的 接触对综合曲率半径， 提高导轨承载能力、 刚度、寿命。
▪ 缺点：形状复杂、工 艺性差、摩擦力大、 精度高时不易满足使 用要求。
11
一、滑动摩擦导轨的类型及结构特点
a) 接触表面上作出平面 b) 凸起 c) 凹槽 d) 辅助导向面 e) 双圆柱导轨
2020/5/3
第十二章 直线运动导轨
12
一、滑动摩擦导轨的类型及结构特点
▪ （二）棱柱面导轨 1. 双三角形导轨 2. 三角形—平面导轨 3. 矩形导轨 4. 燕尾导轨
2020/5/3
导轨的承载能力和抵抗倾复力矩的能力，绝大多数采用两 根导轨。
2020/5/3
第十二章 直线运动导轨
4
二、导轨的分类
1. 按摩擦性质
• 滑动摩擦导轨 • 滚动摩擦导轨 • 弹性摩擦导轨 • 流体摩擦导轨
2. 按结构特点
• 力封式（开式）：借助于外力保证运动件和承导件导轨 面间的接触，从而保证运动件按给定方向作直线运动。
18
二、导轨间隙的调整
2020/5/3
第十二章 直线运动导轨
19
三、驱动力方向和作用点对导轨工作的影响
1. 设计导轨时，
▪ 必须合理确定驱动力的方向和作用点，使导轨的倾复力 矩尽可能小。
▪ 研究运动件不被卡住的条件。
2. 受力分析
2020/5/3
第十二章 直线运动导轨
20
三、驱动力方向和作用点对导轨工作的影响
• 名义接触面积不超过100～150cm2的钢、铸铁的接触 • P，接触面间平均压力（N/cm2） • C,系数 ▪ 接触刚度随压力增大而提高，逐渐趋于稳定。
2020/5/3
第十二章 直线运动导轨
29
六、提高导轨耐磨性的措施
1. 提高导轨耐磨性的必要性
▪ 使导轨在长期使用中保持一定的导向精度 ▪ 磨损速度与材料性质、加工质量、表面压强、润滑及使
2. 导轨主要尺寸的确定
① 运动件的长度
L=(1.2~1.8)a，a两导轨之间的距离 如结构允许，可取L≥2a
② 承导件的长度：取决于运动件的长度及工作行程。
2020/5/3
第十二章 直线运动导轨
37
七、导轨主要尺寸的确定
③ 导轨宽度
B
F
pL
④ 两导轨之间的距离
▪ 保证导轨工作稳定的前提下，减小两导轨之间的距 离。
第十二章 直线运动导轨
第十二章 直线运动导轨
▪ 第一节 概述 ▪ 第二节 滑动摩擦导轨 ▪ 第三节 滚动摩擦导轨 ▪ 第四节 弹性摩擦导轨 ▪ 第五节 静压导轨简介
2020/5/3
第十二章 直线运动导轨
2
第一节 概述
▪ 直线运动导轨的作用是用来支承和引导运动 部件按给定的方向作往复直线运动。
▪ 导轨的基本组成部分是：
Fx 0
( N1 N2 ) fv Fa F cos 0 (12 1)
Fy 0
N2 N1 F sin 0 (12 2)
M A 0
(L b)F sin
hF
cos
N2
fv
d 2
N1 fv
d 2
LN1
0
(12 3)
解得F
Fa
（12－4）
cos (1
fv
2h ) L
fv
第十二章 直线运动导轨
13
（二）棱柱面导轨
2020/5/3
第十二章 直线运动导轨
14
（二）棱柱面导轨
2020/5/3
第十二章 直线运动导轨
15
（二）棱柱面导轨
2020/5/3
第十二章 直线运动导轨
16
二、导轨间隙的调整
▪ 导轨的间隙
• 保证导轨正常工作，导轨滑动表面之间应保持适当间隙。 • 间隙过小增大摩擦力，间隙过大降低导向精度。
▪ 优点：导轨面加工和检验简单。易于达到较高精度 ▪ 缺点：对温度变化比较敏感，间隙不能调整。
2. 结构 3. 防转结构 4. 配合精度：H7/f7或H7/g6 5. 导轨表面粗糙度
▪ 根据相应的精度等级决定 ▪ 被包容零件外表面的粗糙度 小于包容件的内表面粗糙度。
2020/5/3
第十二章 直线运动导轨
▪ r/R=0.90~0.95
▪ θ=45°
▪ C=2(R-r)sin θ
2020/5/3
第十二章 直线运动导轨
42
一、滚动导轨的类型及结构特点
2020/5/3
第十二章 直线运动导轨
产生爬行现象。
2020/5/3
第十二章 直线运动导轨
9
一、滑动摩擦导轨的类型及结构特点
1. 滑动摩擦导轨的类型
1. 按导轨承导面的截面形状、分
▪ 圆柱面导轨 ▪ 棱柱面导轨
2. 凸形导轨、凹形导轨
2020/5/3
第十二章 直线运动导轨
10
一、滑动摩擦导轨的类型及结构特点
（一）圆柱面导轨
1. 优缺点
▪ 导轨面压强
▪ 导轨面平均压强越小，分布越均匀，磨损越均匀，磨损量越小。 ▪ 导轨面压强取决于导轨的支承面积和负载 ▪ 设计时，保证导轨工作面的最大压强不超过允许值。
• 采用卸载导轨，卸载力一般取运动件总重力的2/3左右。 1. 静压卸载导轨 2. 水银卸载导轨 3. 机械卸载导轨
2020/5/3
2. 运动轻便、平稳、低速时无爬行现象
• 爬行现象：运动件时快时慢、时动时停，取决于导轨摩擦力的大小 和稳定性
• 不平稳性：低速运动导轨速度不均匀，爬行现象。 • 解决：合理选择导轨类型、材料、导轨表面的粗糙度及硬度、润滑
状况和导轨表面压强的大小。
2020/5/3
第十二章 直线运动导轨
6
三、导轨的基本要求
⑤ 三角形导轨的顶角
▪ 一般取为90°。
2020/5/3
第十二章 直线运动导轨
38
第三节 滚动摩擦导轨
▪ 滚动摩擦导轨
• 运动件和承导件之间放置滚动体，使导轨运动时处于滚 动摩擦状态。
▪ 特点
• 摩擦系数小，静、动摩擦系数之差很小，故运动灵便， 不易出现爬行现象；
• 定位精度高，重复定位误差约为0.1～0.2μm； • 磨损较小，寿命长，润滑简便； • 结构较复杂，成本高 • 对脏物及轨道面误差敏感。
• 运动件：作直线运动的零件。 • 承导件：用来支承和限制运动件，使其按给定方向作直
线运动的零件。
▪ 导轨可以是专门的零件，也可以是一个零件上起导 向作用的部分。
2020/5/3
第十二章 直线运动导轨
3
一、导轨的导向原理
1. 限制空间运动件的5个自由度，仅保留一个方向移动的自 由度。
2. 导轨的导向面有棱柱面和圆柱面两种基本型式。 3. 限制运动件自由度的面，可以集中在一根导轨上，为提高
• 导轨刚度取决于载荷作用下，导轨运动件和承 导件的弯曲变形和它们工作面间接触变形的大 小。
① 导轨的弯曲变形： • 按梁变形公式简化计算。 • 提高导轨刚度：增大尺寸，合理布置加强筋
2020/5/3
第十二章 直线运动导轨
28
五、导轨的刚度计算
② 导轨接触变形的经验公式估算
c p (12 12)
2020/5/3
第十二章 直线运动导轨
24
三、驱动力方向和作用点对导轨工作的影响
4. 组合导轨
• 消除移动件转动 趋势，使运动件 移动平稳而灵活。
2020/5/3
第十二章 直线运动导轨
25
四、温度变化对导轨间隙的影响
1. 滑动摩擦导轨对温度变化敏感 2. 减小温度变化对导轨的影响
• 承导件和运动件选用相同或相近膨胀系数的材料
▪ 驱动力不产生附加的摩擦力， ▪ 设计时应力求符合这种情况。
2020/5/3
第十二章 直线运动导轨
23
三、驱动力方向和作用点对导轨工作的影响
3. 当量摩擦系数fv
矩形导轨 燕尾形和三角形导轨 圆柱面导轨
fv f
fv f / cos
（12－8）
fv
4f
/
1.27
f
f－滑动摩擦系数；
－燕尾轮廓角或三角形底角。
2020/5/3
第十二章 直线运动导轨
39
一、滚动导轨的类型及结构特点
按滚动体的形状分为 （一）滚珠导轨
1. 典型结构 2. 优点：工艺性好，容易达到较高加工精度 3. 缺点：点接触，接触应力大，易压出沟槽 4. 解决措施
① 预先研磨出浅槽，增大滚珠与滚道的接触面积 ② 采用双圆弧滚珠导轨
5. 另一种结构的滚珠导轨 6. 滚珠循环式导轨
max max
▪ 最大间隙计算
(12 10)
max D2max 12(t t0) D1min 11(t t0) (12 11)
2020/5/3
第十二章 直线运动导轨
27
五、导轨的刚度计算
1. 导轨刚度计算、验算
• 保证导轨最大弹性变形量不超过允许值，保证 工作精度。
• 导轨受静载荷，刚度－静刚度。
1. 载荷越大，运动速度越低，油的粘度应越大；垂直导轨的润滑 油粘度应比水平导轨润滑油的粘度大些；
2. 工作温度变化，润滑油粘度变化要尽量小； 3. 良好润滑性、足够的油膜强度、不浸蚀机件，杂质尽量少。
3. 常用润滑油
▪ 机油、精密机床液压导轨油和变压器油、润滑脂
4. 润滑方法
2020/5/3
第十二章 直线运动导轨
用维护等因素直接有关。
2. 提高导轨耐磨性的措施
（一）合理选择导轨的材料及热处理
1. 导轨材料：耐磨性好，摩擦系数小，具有良好的加工和热处理性质。 2. 常用材料：铸铁、钢、有色金属、塑料 3. 实际应用中常用不同材料匹配使用
2020/5/3
第十二章 直线运动导轨
30
六、提高导轨耐磨性的措施
▪ （二）减小导轨面压强
第十二章 直线运动导轨
31
六、提高导轨耐磨性的措施
2020/5/3
第十二章 直线运动导轨
32
六、提高导轨耐磨性的措施
2020/5/3
第十二章 直线运动导轨
33
六、提高导轨耐磨性的措施
2020/5/3
第十二章 直线运动导轨
34
六、提高导轨耐磨性的措施
（三）保证导轨良好的润滑
1. 润滑机理 2. 选择导轨润滑油的原则
sin
(1
2b L
fvd ) L

2020/5/3
第十二章 直线运动导轨
21
三、驱动力方向和作用点对导轨工作的影响
▪ 保证运动件不被卡住的条件是：
cos (1
fv
2h) L
fv sin (1
2b L
fvd ) 0 L
当d / L很小时，有
tan L 2 fvh （12－5）
fv (L 2b) ① h＝0，驱动力作用点在运动件轴线上，运动件正常运
35
六、提高导轨耐磨性的措施
▪ （四）提高导轨的精度
1. 保证导轨的直线度和各导轨面间的相对位置精 度
2. 适当减小导轨工作面的粗糙度，提高耐磨性。 3. 粗糙度一般要求Ra≤0.32um。
2020/5/3
第十二章 直线运动导轨
36
七、导轨主要尺寸的确定
1. 导轨主要尺寸
• 运动件和承导件的长度 • 导轨宽度 • 两导轨之间的距离 • 三角形导轨的顶角
• 自封式（闭式）：依靠导轨本身的几何形状保证运动件 和承导件导轨面间的接触。
2020/5/3
第十二章 直线运动导轨
5
三、导轨的基本要求
1. 导向精度高
▪ 导向精度：运动件按给定方向作直线运动的准确程度，取决于导轨 本身的几何精度及导轨配合间隙。
▪ 导轨几何精度可用线值或角值表示。 ① 导轨在垂直平面和水平面内的直线度 ② 导轨面间的平行度
3. 温度变化对导轨间隙影响的验算
① 保证导轨不卡住，最小间隙值应≥0。 ② 导轨最小间隙
min D2min 1 2 (t t0 ) D1max 1 1(t t0 ) (12 9)
2020/5/3
第十二章 直线运动导轨
26
四、温度变化对导轨间隙的影响
③ 最大间隙
▪ 保证导轨工作精度
▪ 获得必要的间隙的方法
1. 采用磨、刮相应的结合面或加垫片的方法，以获得合适 间隙。12-8a
2. 采用平镶条调整。 3. 采用斜镶条调整
▪ 调整容易，受力均匀，斜面制造较难，装配时需刮研或配磨镶 条的两个工作面。
2020/5/3
第十二章 直线运动导轨
17
二、导轨间隙的调整
2020/5/3
第十二章 直线运动导轨
2020/5/3
第十二章 直线运动导轨
7
三、导轨的基本要求
3. 耐磨性好 4. 对温度变化的不敏感性 5. 足够的刚度 6. 结构工艺性好
2020/5/3
第十二章 直线运动导轨
8
第二节 滑动摩擦导轨
▪ 滑动摩擦导轨的运动件和承导件直接接触 ▪ 优点：结构简单、接触刚度大； ▪ 缺点：摩擦阻力大、磨损快、低速运动时易
动条件：
L 2 fv tan (12 6) b 1 fv tan
2020/5/3
第十二章 直线运动导轨
22
三、驱动力方向和作用点对导轨工作的影响
② 当α＝0时，驱动力平行于运动件轴线，由（12－5） 可得
h 2 fv L 1 为保证运动灵活，建议设计时取
2
fv
h L
0.5
（12－7）
③ 当h=0，α＝0时，驱动力F通过运动件轴线F=Fa，