第十四章　常用運(yùn)動(dòng)副的連接結(jié)構(gòu)

機(jī)械設(shè)計(jì)教程第3版機(jī)械工業(yè)出版社第十四章常用運(yùn)動(dòng)副的連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第一節(jié)概述

第二節(jié)常用運(yùn)動(dòng)副的連接結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用

第一節(jié)概述

運(yùn)動(dòng)副是機(jī)構(gòu)中任意一個(gè)構(gòu)件與其他構(gòu)件之間的可動(dòng)連接。運(yùn)動(dòng)副可以根據(jù)其接觸形式、相對(duì)運(yùn)動(dòng)形式、接觸部分的幾何形狀及運(yùn)動(dòng)副引入的約束數(shù)進(jìn)行分類(見參考文獻(xiàn)[30])。為敘述方便,這里按低副(轉(zhuǎn)動(dòng)和移動(dòng))、高副結(jié)構(gòu)分別討論。在機(jī)械設(shè)計(jì)中,設(shè)計(jì)者不僅需要在原理方案設(shè)計(jì)中正確選擇構(gòu)件之間的運(yùn)動(dòng)副,還需要將構(gòu)件之間的運(yùn)動(dòng)副結(jié)構(gòu)化。前文所述機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包含了運(yùn)動(dòng)副結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的多種主要形式,如軸與軸承之間的轉(zhuǎn)動(dòng)副結(jié)構(gòu)、螺旋傳動(dòng)(轉(zhuǎn)動(dòng)副和移動(dòng)副)等。但是在機(jī)械的執(zhí)行機(jī)構(gòu)中還有多種多樣的運(yùn)動(dòng)副連接結(jié)構(gòu),如各種鉸鏈、滑塊與導(dǎo)軌等。運(yùn)動(dòng)副的連接是動(dòng)連接,因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需滿足以下基本要求。1)滿足功能要求。能保證實(shí)現(xiàn)要求的自由度和約束,有一定的方向精度、運(yùn)動(dòng)的靈活性和平穩(wěn)性,連接部位應(yīng)具有一定的耐磨性,或采用易于更換的零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。對(duì)于運(yùn)動(dòng)精度要求高或工作在高溫下的連接,其連接結(jié)構(gòu)要利于散熱,或?qū)囟炔幻舾?以防溫升帶來(lái)誤差。2)具有良好的加工、安裝工藝性。3)滿足經(jīng)濟(jì)性要求。盡量選用標(biāo)準(zhǔn)件,以減少加工成本和降低維修成本等。4)考慮環(huán)保和使用時(shí)的安全性、可靠性。第二節(jié)常用運(yùn)動(dòng)副的連接結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用

一、鉸鏈連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鉸鏈?zhǔn)菣C(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)副最常見的結(jié)構(gòu)。通過鉸鏈連接,構(gòu)件間不僅可以實(shí)現(xiàn)平面內(nèi)的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng),也可實(shí)現(xiàn)空間最多到三個(gè)自由度的轉(zhuǎn)動(dòng)(如球鉸鏈)。1.采用銷軸的鉸鏈連接銷軸連接是鉸鏈連接中應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)之一。圖14-1所示為采用銷軸連接的三種典型結(jié)構(gòu)。由圖14-1可以看出,被連接件可以設(shè)計(jì)成單板零件和叉形零件。但從銷軸的受力分析可知,叉形零件作用在銷軸上的剪切力只是單板零件的一半,所以結(jié)構(gòu)更為合理。另外,銷軸的另一端一般采用開口銷(GB/T91—2000)鎖緊。為防止銷軸軸向有大的竄動(dòng),也可采用螺紋連接的方式進(jìn)行鎖緊。但是,為避免擰緊螺母時(shí)被連接件產(chǎn)生過大的變形,而不能使桿件靈活運(yùn)動(dòng),需要在軸銷外再增加一個(gè)套筒,以支撐叉形零件(圖14-1c)。圖14-1中的銷軸已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化(GB/T882—2008),它有兩種基本結(jié)構(gòu),如圖14-2所示。其中A型銷軸可以設(shè)計(jì)成圖14-1c所示,端部采用螺母鎖緊。但常用的是B型銷軸,便于采用開口銷鎖緊。為保證被連接件能夠較自由地相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng),當(dāng)精度要求不高時(shí),銷軸與孔的配合可采用D9/h9或H9/d9。第二節(jié)常用運(yùn)動(dòng)副的連接結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用

一、鉸鏈連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖14-1采用銷軸連接的三種典型結(jié)構(gòu)a)單板形零件(開口銷軸端固定)

b)叉形零件(開口銷軸端固定)c)叉形零件(螺母軸端固定)第二節(jié)常用運(yùn)動(dòng)副的連接結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用

一、鉸鏈連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖14-2銷軸的結(jié)構(gòu)第二節(jié)常用運(yùn)動(dòng)副的連接結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用

一、鉸鏈連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在采用銷軸的鉸鏈連接中,為保證連接強(qiáng)度,叉形零件厚度應(yīng)滿足(圖14-3):a=(1.5~1.7)d,b=(2.0~3.5)d。圖14-3銷軸連接主要尺寸的設(shè)計(jì)第二節(jié)常用運(yùn)動(dòng)副的連接結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用

一、鉸鏈連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

第二節(jié)常用運(yùn)動(dòng)副的連接結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用

一、鉸鏈連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.采用鉚接的鉸鏈連接結(jié)構(gòu)鉚接目前主要應(yīng)用于橋梁、建筑、造船、飛機(jī)制造業(yè)等,并且已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化。但由于其工藝簡(jiǎn)單,在日用品的轉(zhuǎn)動(dòng)副結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中也會(huì)見到。圖14-4所示為剪刀的鉸鏈連接結(jié)構(gòu)。這種連接中一般采用扁平頭鉚釘(GB/T872—1986),它還可以用于皮革、帆布、木材和塑料等材料的連接。鉚釘直徑的選擇一般要求h≤5d,其中,h為被鉚接件的厚度(mm),d為鉚釘?shù)闹睆?mm)。圖14-4剪刀鉸鏈連接結(jié)構(gòu)示意圖第二節(jié)常用運(yùn)動(dòng)副的連接結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用

一、鉸鏈連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.采用軸承減摩的鉸鏈結(jié)構(gòu)為減小構(gòu)件之間的摩擦、磨損,可以在相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的構(gòu)件間加入滑動(dòng)軸承或滾動(dòng)軸承(圖14-5)。此時(shí)的鉸鏈連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與滾動(dòng)軸承支撐軸系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)類似,其方法可參看本書第十二章。圖14-5飛機(jī)操縱機(jī)構(gòu)拉桿連接中滑動(dòng)軸承和滾動(dòng)軸承的減摩結(jié)構(gòu)第二節(jié)常用運(yùn)動(dòng)副的連接結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用

一、鉸鏈連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由以上平面鉸鏈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以看出,無(wú)論是桿件之間還是桿件與滑塊之間的鉸鏈連接設(shè)計(jì)其結(jié)構(gòu)與傳動(dòng)軸系的結(jié)構(gòu)基本相同,可以認(rèn)為是一個(gè)小型軸系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),都要考慮軸上零件的定位固定方法(軸向和周向),保證轉(zhuǎn)動(dòng)靈活進(jìn)行的潤(rùn)滑設(shè)計(jì)和減摩設(shè)計(jì)。不同之處在于軸上零件較少,且對(duì)于要求不高的場(chǎng)合,可以采用簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)(如可省略密封)。機(jī)械裝置中常會(huì)遇到一對(duì)軸線相交且相對(duì)位置經(jīng)常變化的轉(zhuǎn)軸之間的動(dòng)力傳遞,如汽車中變速器與驅(qū)動(dòng)橋之間的萬(wàn)向節(jié)(圖14-6)、汽車機(jī)械轉(zhuǎn)向系(結(jié)構(gòu)見圖14-7),還有空間布置具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零件之間的連接,如汽車轉(zhuǎn)向系的轉(zhuǎn)向搖臂、轉(zhuǎn)向直拉桿和轉(zhuǎn)向節(jié)臂之間的連接。為保證力和運(yùn)動(dòng)的空間傳遞,常采用萬(wàn)向節(jié)。萬(wàn)向節(jié)有剛性和撓性兩種,剛性萬(wàn)向節(jié)是靠零件之間的鉸鏈?zhǔn)竭B接傳遞動(dòng)力的,這類鉸鏈?zhǔn)强臻g鉸鏈結(jié)構(gòu)。第二節(jié)常用運(yùn)動(dòng)副的連接結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用

一、鉸鏈連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖14-6汽車變速器與驅(qū)動(dòng)橋之間的萬(wàn)向節(jié)1—變速器2—萬(wàn)向傳動(dòng)裝置3—驅(qū)動(dòng)橋4—后懸架5—車架第二節(jié)常用運(yùn)動(dòng)副的連接結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用

一、鉸鏈連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖14-7汽車機(jī)械轉(zhuǎn)向系結(jié)構(gòu)示意圖1—轉(zhuǎn)向盤2—轉(zhuǎn)向軸3—轉(zhuǎn)向萬(wàn)向節(jié)4—轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸5—轉(zhuǎn)向器6—轉(zhuǎn)向搖臂7—轉(zhuǎn)向直拉桿8—轉(zhuǎn)向節(jié)臂9—左轉(zhuǎn)向節(jié)10、12—梯形臂11—轉(zhuǎn)向橫拉桿13—右轉(zhuǎn)向節(jié)第二節(jié)常用運(yùn)動(dòng)副的連接結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用

一、鉸鏈連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖14-8所示為一種結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單的單球鉸式萬(wàn)向聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)。耳爪4形成球形空間,空心球5與之配合,通過摩擦力傳遞轉(zhuǎn)矩,圓錐銷3用于聯(lián)軸器與軸伸的連接。這種球鉸式萬(wàn)向聯(lián)軸器傳遞轉(zhuǎn)矩較小,一般使用在以傳遞運(yùn)動(dòng)為主的場(chǎng)合。汽車變速器和驅(qū)動(dòng)橋之間萬(wàn)向聯(lián)軸器兩端的空間鉸鏈結(jié)構(gòu)采用了球叉式和球籠式結(jié)構(gòu),它們不僅可以傳遞較大的轉(zhuǎn)矩,而且可以實(shí)現(xiàn)等角速傳動(dòng)。圖14-8單球鉸式萬(wàn)向聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)1—外套2—內(nèi)套3—圓錐銷4—耳爪5—空心球6—右側(cè)套第二節(jié)常用運(yùn)動(dòng)副的連接結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用

一、鉸鏈連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)又如圖14-7中轉(zhuǎn)向直拉桿7是連接轉(zhuǎn)向搖臂6和轉(zhuǎn)向節(jié)臂8之間的傳動(dòng)桿件,當(dāng)轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn),且因懸架彈性變形而相對(duì)于車架跳動(dòng)時(shí),直拉桿與轉(zhuǎn)向搖臂和轉(zhuǎn)向節(jié)臂之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)都是空間運(yùn)動(dòng),因此不發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉。三者之間的連接均采用圖14-9所示的球形鉸鏈連接。為保證球鉸中球頭與球頭座5的潤(rùn)滑,可從油嘴8中注入潤(rùn)滑脂并在球頭出入孔口用耐油橡膠防塵墊3封蓋。壓縮彈簧6隨時(shí)補(bǔ)償球頭與座的磨損,保證兩者之間無(wú)間隙,并可緩和經(jīng)車輪和萬(wàn)向節(jié)傳來(lái)的路面沖擊。彈簧的預(yù)緊力可用端部螺塞4調(diào)節(jié),調(diào)好后需用開口銷固定螺塞的位置。第二節(jié)常用運(yùn)動(dòng)副的連接結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用

一、鉸鏈連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖14-9汽車轉(zhuǎn)向直拉桿兩端球鉸鏈結(jié)構(gòu)1—螺母2—球頭銷3—橡膠防塵墊4—端部螺塞5—球頭座6—壓縮彈簧7—彈簧座8—油嘴9—直拉桿體10—轉(zhuǎn)向搖臂球頭銷第二節(jié)常用運(yùn)動(dòng)副的連接結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用

一、鉸鏈連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4.采用彈性材料的柔性鉸鏈連接以上介紹的鉸鏈結(jié)構(gòu)均需要由多個(gè)零件裝配而成,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,尺寸較大,因此它們?cè)谝恍┪⑿〗Y(jié)構(gòu)中的應(yīng)用受到限制。由于航空航天技術(shù)的發(fā)展,對(duì)實(shí)現(xiàn)小范圍內(nèi)偏轉(zhuǎn)的支撐結(jié)構(gòu)不僅提出了高分辨率的要求,還要求結(jié)構(gòu)上具有微小型化的要求,柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生。柔性鉸鏈利用了彈性材料(如彈簧鋼65Mn、合金彈簧鋼60Si2Mn)微小變形及其自回復(fù)的特性,消除了傳動(dòng)過程中的空程和機(jī)械摩擦,能獲得超高的位移分辨率,具有體積小、無(wú)機(jī)械摩擦、無(wú)間隙、運(yùn)動(dòng)靈活的特性,廣泛應(yīng)用于陀螺儀、加速度計(jì)、精密天平、導(dǎo)彈控制等儀器儀表中,并獲得了前所未有的高精度和穩(wěn)定性。光盤驅(qū)動(dòng)器工作中,為了適應(yīng)光盤表面缺陷引起的軸向跳動(dòng)以及由于光盤徑向定位誤差造成的偏心,激光頭在讀取光盤信息過程中需要沿光盤的軸向和徑向進(jìn)行姿態(tài)的調(diào)整。圖14-10所示為激光頭姿態(tài)調(diào)整結(jié)構(gòu),通過多組柔性鉸鏈,激光頭可獲得兩個(gè)方向的自由度。姿態(tài)調(diào)整的動(dòng)力由驅(qū)動(dòng)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)和固定在激光頭部上的磁鐵之間的作用力提供。第二節(jié)常用運(yùn)動(dòng)副的連接結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用

一、鉸鏈連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖14-10激光頭姿態(tài)調(diào)整結(jié)構(gòu)第二節(jié)常用運(yùn)動(dòng)副的連接結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用

一、鉸鏈連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)壓電陶瓷材料具有逆壓電效應(yīng),常用作微小型機(jī)械結(jié)構(gòu)的原始驅(qū)動(dòng)單元。但是壓電陶瓷產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)位移很小,單片位移一般為幾個(gè)微米。為獲得滿足功能要求的驅(qū)動(dòng)位移,常采用圖14-11所示的與壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)原件配合使用的位移放大機(jī)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)通過多個(gè)柔性鉸鏈構(gòu)造出多級(jí)杠桿機(jī)構(gòu),可以使壓電陶瓷元件產(chǎn)生的微小位移放大,獲得較大的驅(qū)動(dòng)位移。圖14-11位移放大機(jī)構(gòu)第二節(jié)常用運(yùn)動(dòng)副的連接結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用

二、移動(dòng)副連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩個(gè)只做相對(duì)移動(dòng)的構(gòu)件之間形成移動(dòng)副,如液壓或氣壓缸中活塞與缸壁之間(圖14-12)、滑塊與滑軌之間(圖14-13)、機(jī)床導(dǎo)軌等。這里以滑動(dòng)導(dǎo)軌為例,說明設(shè)計(jì)做直線移動(dòng)的低副結(jié)構(gòu)時(shí)需要考慮的問題。圖14-12汽車用轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸結(jié)構(gòu)圖1—連接叉2—固定環(huán)鎖圈3—固定環(huán)擋圈4—活塞桿5—后蓋6—緊固螺釘7—活塞8—缸體9—前蓋固定環(huán)10—前蓋11—前蓋油封第二節(jié)常用運(yùn)動(dòng)副的連接結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用

二、移動(dòng)副連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖14-13刨床移動(dòng)刀架曲柄滑塊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖1—曲柄輪2—滑道內(nèi)側(cè)擋板3—平面滑道4—連接螺栓5—滑道外側(cè)擋板6—滑塊7—連接銷第二節(jié)常用運(yùn)動(dòng)副的連接結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用

二、移動(dòng)副連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1.滑動(dòng)導(dǎo)軌設(shè)計(jì)的一般要求導(dǎo)軌的主要功能是支撐和引導(dǎo)運(yùn)動(dòng)部件沿著一定的軌跡運(yùn)動(dòng),當(dāng)接觸表面的摩擦為滑動(dòng)摩擦?xí)r稱為滑動(dòng)導(dǎo)軌。導(dǎo)軌設(shè)計(jì)需要滿足的基本要求是:方向精度與精度保持性、運(yùn)動(dòng)的靈活性和平穩(wěn)性、對(duì)溫度變化的適應(yīng)性、耐磨性、結(jié)構(gòu)工藝性、經(jīng)濟(jì)性等。2.滑動(dòng)導(dǎo)軌的基本截面形狀對(duì)于直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌,為使運(yùn)動(dòng)部件沿一個(gè)方向運(yùn)動(dòng),必須限制運(yùn)動(dòng)件的三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向和另外兩個(gè)移動(dòng)方向的自由度。圖14-14所示的三種導(dǎo)軌是部分常用導(dǎo)軌形式。但是,這些形式還不能完全消除繞垂直紙面方向的旋轉(zhuǎn),因此一般需要加入一個(gè)輔助支撐?？紤]承載能力和耐磨性,這個(gè)輔助支撐一般為平面導(dǎo)軌形式,如圖14-15所示。這些導(dǎo)軌的優(yōu)點(diǎn)是能夠承受較大的載荷,精度穩(wěn)定性高。但是由于增加了多余約束(圖14-15d、e),導(dǎo)軌的導(dǎo)向精度要求更高,加工工藝難度較大。實(shí)際上這些導(dǎo)軌除燕尾導(dǎo)軌外均應(yīng)用較少。燕尾導(dǎo)軌不僅能夠使運(yùn)動(dòng)件較可靠地固定,還可以受到向上的力而不分離(圖14-15中的其他結(jié)構(gòu)就不能保證這點(diǎn)),因此在機(jī)械中應(yīng)用較廣泛。第二節(jié)常用運(yùn)動(dòng)副的連接結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用

二、移動(dòng)副連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖14-14幾種典型的導(dǎo)軌a)全封閉單圓柱導(dǎo)軌b)Y形導(dǎo)軌c)矩形導(dǎo)軌第二節(jié)常用運(yùn)動(dòng)副的連接結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用

二、移動(dòng)副連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖14-15平面組合導(dǎo)軌a)棱-平導(dǎo)軌b)V-平導(dǎo)軌c)圓柱面導(dǎo)軌d)雙棱導(dǎo)軌e)雙V導(dǎo)軌f)燕尾導(dǎo)軌第二節(jié)常用運(yùn)動(dòng)副的連接結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用

二、移動(dòng)副連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.滑動(dòng)導(dǎo)軌的材料滑動(dòng)導(dǎo)軌的材料一般要求耐磨性好、摩擦因數(shù)小而且穩(wěn)定,特別是機(jī)構(gòu)動(dòng)摩擦因數(shù)的變動(dòng)要小,速度對(duì)動(dòng)摩擦因數(shù)影響小,尺寸穩(wěn)定,工藝性好,成本低。鑄鐵是最常用的滑動(dòng)導(dǎo)軌材料,它具有良好的耐磨性和抗振性。靜導(dǎo)軌可選用HT200或HT300,動(dòng)導(dǎo)軌選用HT150或HT200,導(dǎo)軌材料硬度為160~180HBW。為提高導(dǎo)軌表面的耐磨性,可采取表面淬火、鍍鉻或噴涂鉬的方法。例如,HT200或HT300灰鑄鐵高頻感應(yīng)淬火前硬度不低于180HBW時(shí),淬火后硬度可達(dá)48~55HRC;鍍鉻鑄鐵(或鋼)—鑄鐵導(dǎo)軌副,鍍層厚度為0.025~0.05mm,硬度為68~72HRC,耐磨性比普通鑄鐵導(dǎo)軌提高2~3倍。添加合金元素的耐磨鑄鐵也是滑動(dòng)導(dǎo)軌常用的材料,如磷銅鈦耐磨鑄鐵(MTPCuTi20、MTPCuTi30),鑄件質(zhì)量容易控制,使用壽命高于普通鑄鐵1.5~2倍。其他耐磨鑄鐵還有高磷鑄鐵(MTP20、MTP30)、釩鈦鑄鐵(MTVTi20、MTVTi30)等。用作導(dǎo)軌材料的工程塑料有酚醛夾布塑料、聚酰胺(尼龍)、聚四氟乙烯、改性聚甲醛等。第二節(jié)常用運(yùn)動(dòng)副的連接結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用

二、移動(dòng)副連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4.提高導(dǎo)軌表面耐磨性的措施導(dǎo)軌表面可以鑲裝耐磨材料,如鋼、合金鑄鐵、有色金屬、工程塑料等,提高耐磨性。這類導(dǎo)軌也稱鑲裝導(dǎo)軌,如圖14-16a