第十四章　常用運動副的連接結(jié)構(gòu)

機械設計教程第3版機械工業(yè)出版社第十四章常用運動副的連接結(jié)構(gòu)設計第一節(jié)概述

第二節(jié)常用運動副的連接結(jié)構(gòu)及其應用

第一節(jié)概述

運動副是機構(gòu)中任意一個構(gòu)件與其他構(gòu)件之間的可動連接。運動副可以根據(jù)其接觸形式、相對運動形式、接觸部分的幾何形狀及運動副引入的約束數(shù)進行分類(見參考文獻[30])。為敘述方便,這里按低副(轉(zhuǎn)動和移動)、高副結(jié)構(gòu)分別討論。在機械設計中,設計者不僅需要在原理方案設計中正確選擇構(gòu)件之間的運動副,還需要將構(gòu)件之間的運動副結(jié)構(gòu)化。前文所述機械傳動系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)設計包含了運動副結(jié)構(gòu)設計的多種主要形式,如軸與軸承之間的轉(zhuǎn)動副結(jié)構(gòu)、螺旋傳動(轉(zhuǎn)動副和移動副)等。但是在機械的執(zhí)行機構(gòu)中還有多種多樣的運動副連接結(jié)構(gòu),如各種鉸鏈、滑塊與導軌等。運動副的連接是動連接,因此在結(jié)構(gòu)設計中需滿足以下基本要求。1)滿足功能要求。能保證實現(xiàn)要求的自由度和約束,有一定的方向精度、運動的靈活性和平穩(wěn)性,連接部位應具有一定的耐磨性,或采用易于更換的零件結(jié)構(gòu)設計。對于運動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?以防溫升帶來誤差。2)具有良好的加工、安裝工藝性。3)滿足經(jīng)濟性要求。盡量選用標準件,以減少加工成本和降低維修成本等。4)考慮環(huán)保和使用時的安全性、可靠性。第二節(jié)常用運動副的連接結(jié)構(gòu)及其應用

一、鉸鏈連接結(jié)構(gòu)設計鉸鏈是機構(gòu)轉(zhuǎn)動副最常見的結(jié)構(gòu)。通過鉸鏈連接,構(gòu)件間不僅可以實現(xiàn)平面內(nèi)的相對轉(zhuǎn)動,也可實現(xiàn)空間最多到三個自由度的轉(zhuǎn)動(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,被連接件可以設計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,也可采用螺紋連接的方式進行鎖緊。但是,為避免擰緊螺母時被連接件產(chǎn)生過大的變形,而不能使桿件靈活運動,需要在軸銷外再增加一個套筒,以支撐叉形零件(圖14-1c)。圖14-1中的銷軸已經(jīng)標準化(GB/T882—2008),它有兩種基本結(jié)構(gòu),如圖14-2所示。其中A型銷軸可以設計成圖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轉(zhuǎn)動,當精度要求不高時,銷軸與孔的配合可采用D9/h9或H9/d9。第二節(jié)常用運動副的連接結(jié)構(gòu)及其應用

一、鉸鏈連接結(jié)構(gòu)設計圖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)常用運動副的連接結(jié)構(gòu)及其應用

一、鉸鏈連接結(jié)構(gòu)設計圖14-2銷軸的結(jié)構(gòu)第二節(jié)常用運動副的連接結(jié)構(gòu)及其應用

一、鉸鏈連接結(jié)構(gòu)設計在采用銷軸的鉸鏈連接中,為保證連接強度,叉形零件厚度應滿足(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計第二節(jié)常用運動副的連接結(jié)構(gòu)及其應用

一、鉸鏈連接結(jié)構(gòu)設計

第二節(jié)常用運動副的連接結(jié)構(gòu)及其應用

一、鉸鏈連接結(jié)構(gòu)設計2.采用鉚接的鉸鏈連接結(jié)構(gòu)鉚接目前主要應用于橋梁、建筑、造船、飛機制造業(yè)等,并且已經(jīng)標準化。但由于其工藝簡單,在日用品的轉(zhuǎn)動副結(jié)構(gòu)設計中也會見到。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)常用運動副的連接結(jié)構(gòu)及其應用

一、鉸鏈連接結(jié)構(gòu)設計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,可以在相對轉(zhuǎn)動的構(gòu)件間加入滑動軸承或滾動軸承(圖14-5)。此時的鉸鏈連接結(jié)構(gòu)設計與滾動軸承支撐軸系結(jié)構(gòu)設計類似,其方法可參看本書第十二章。圖14-5飛機操縱機構(gòu)拉桿連接中滑動軸承和滾動軸承的減摩結(jié)構(gòu)第二節(jié)常用運動副的連接結(jié)構(gòu)及其應用

一、鉸鏈連接結(jié)構(gòu)設計由以上平面鉸鏈結(jié)構(gòu)設計可以看出,無論是桿件之間還是桿件與滑塊之間的鉸鏈連接設計其結(jié)構(gòu)與傳動軸系的結(jié)構(gòu)基本相同,可以認為是一個小型軸系結(jié)構(gòu)的設計,都要考慮軸上零件的定位固定方法(軸向和周向),保證轉(zhuǎn)動靈活進行的潤滑設計和減摩設計。不同之處在于軸上零件較少,且對于要求不高的場合,可以采用簡單的結(jié)構(gòu)(如可省略密封)。機械裝置中常會遇到一對軸線相交且相對位置經(jīng)常變化的轉(zhuǎn)軸之間的動力傳遞,如汽車中變速器與驅(qū)動橋之間的萬向節(jié)(圖14-6)、汽車機械轉(zhuǎn)向系(結(jié)構(gòu)見圖14-7),還有空間布置具有相對運動的零件之間的連接,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。為保證力和運動的空間傳遞,常采用萬向節(jié)。萬向節(jié)有剛性和撓性兩種,剛性萬向節(jié)是靠零件之間的鉸鏈式連接傳遞動力的,這類鉸鏈是空間鉸鏈結(jié)構(gòu)。第二節(jié)常用運動副的連接結(jié)構(gòu)及其應用

一、鉸鏈連接結(jié)構(gòu)設計圖14-6汽車變速器與驅(qū)動橋之間的萬向節(jié)1—變速器2—萬向傳動裝置3—驅(qū)動橋4—后懸架5—車架第二節(jié)常用運動副的連接結(jié)構(gòu)及其應用

一、鉸鏈連接結(jié)構(gòu)設計圖14-7汽車機械轉(zhuǎn)向系結(jié)構(gòu)示意圖1—轉(zhuǎn)向盤2—轉(zhuǎn)向軸3—轉(zhuǎn)向萬向節(jié)4—轉(zhuǎn)向傳動軸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)常用運動副的連接結(jié)構(gòu)及其應用

一、鉸鏈連接結(jié)構(gòu)設計圖14-8所示為一種結(jié)構(gòu)較簡單的單球鉸式萬向聯(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。這種球鉸式萬向聯(lián)軸器傳遞轉(zhuǎn)矩較小,一般使用在以傳遞運動為主的場合。汽車變速器和驅(qū)動橋之間萬向聯(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,而且可以實現(xiàn)等角速傳動。圖14-8單球鉸式萬向聯(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)常用運動副的連接結(jié)構(gòu)及其應用

一、鉸鏈連接結(jié)構(gòu)設計又如圖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之間的傳動桿件,當轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn),且因懸架彈性變形而相對于車架跳動時,直拉桿與轉(zhuǎn)向搖臂和轉(zhuǎn)向節(jié)臂之間的相對運動都是空間運動,因此不發(fā)生運動干涉。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的潤滑,可從油嘴8中注入潤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隨時補償球頭與座的磨損,保證兩者之間無間隙,并可緩和經(jīng)車輪和萬向節(jié)傳來的路面沖擊。彈簧的預緊力可用端部螺塞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)常用運動副的連接結(jié)構(gòu)及其應用

一、鉸鏈連接結(jié)構(gòu)設計圖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)常用運動副的連接結(jié)構(gòu)及其應用

一、鉸鏈連接結(jié)構(gòu)設計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)均需要由多個零件裝配而成,結(jié)構(gòu)復雜,尺寸較大,因此它們在一些微小結(jié)構(gòu)中的應用受到限制。由于航空航天技術的發(fā)展,對實現(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,柔性鉸鏈機構(gòu)應運而生。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的特性,消除了傳動過程中的空程和機械摩擦,能獲得超高的位移分辨率,具有體積小、無機械摩擦、無間隙、運動靈活的特性,廣泛應用于陀螺儀、加速度計、精密天平、導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)動器工作中,為了適應光盤表面缺陷引起的軸向跳動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,激光頭可獲得兩個方向的自由度。姿態(tài)調(diào)整的動力由驅(qū)動線圈產(chǎn)生的磁場和固定在激光頭部上的磁鐵之間的作用力提供。第二節(jié)常用運動副的連接結(jié)構(gòu)及其應用

一、鉸鏈連接結(jié)構(gòu)設計圖14-10激光頭姿態(tài)調(diào)整結(jié)構(gòu)第二節(jié)常用運動副的連接結(jié)構(gòu)及其應用

一、鉸鏈連接結(jié)構(gòu)設計壓電陶瓷材料具有逆壓電效應,常用作微小型機械結(jié)構(gòu)的原始驅(qū)動單元。但是壓電陶瓷產(chǎn)生的驅(qū)動位移很小,單片位移一般為幾個微米。為獲得滿足功能要求的驅(qū)動位移,常采用圖14-11所示的與壓電陶瓷驅(qū)動原件配合使用的位移放大機構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)通過多個柔性鉸鏈構(gòu)造出多級杠桿機構(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)動位移。圖14-11位移放大機構(gòu)第二節(jié)常用運動副的連接結(jié)構(gòu)及其應用

二、移動副連接結(jié)構(gòu)設計兩個只做相對移動的構(gòu)件之間形成移動副,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)、機床導軌等。這里以滑動導軌為例,說明設計做直線移動的低副結(jié)構(gòu)時需要考慮的問題。圖14-12汽車用轉(zhuǎn)向動力缸結(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)常用運動副的連接結(jié)構(gòu)及其應用

二、移動副連接結(jié)構(gòu)設計圖14-13刨床移動刀架曲柄滑塊機構(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)常用運動副的連接結(jié)構(gòu)及其應用

二、移動副連接結(jié)構(gòu)設計1.滑動導軌設計的一般要求導軌的主要功能是支撐和引導運動部件沿著一定的軌跡運動,當接觸表面的摩擦為滑動摩擦時稱為滑動導軌。導軌設計需要滿足的基本要求是:方向精度與精度保持性、運動的靈活性和平穩(wěn)性、對溫度變化的適應性、耐磨性、結(jié)構(gòu)工藝性、經(jīng)濟性等。2.滑動導軌的基本截面形狀對于直線運動導軌,為使運動部件沿一個方向運動,必須限制運動件的三個轉(zhuǎn)動方向和另外兩個移動方向的自由度。圖14-14所示的三種導軌是部分常用導軌形式。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輔助支撐?？紤]承載能力和耐磨性,這個輔助支撐一般為平面導軌形式,如圖14-15所示。這些導軌的優(yōu)點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),導軌的導向精度要求更高,加工工藝難度較大。實際上這些導軌除燕尾導軌外均應用較少。燕尾導軌不僅能夠使運動件較可靠地固定,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),因此在機械中應用較廣泛。第二節(jié)常用運動副的連接結(jié)構(gòu)及其應用

二、移動副連接結(jié)構(gòu)設計圖14-14幾種典型的導軌a)全封閉單圓柱導軌b)Y形導軌c)矩形導軌第二節(jié)常用運動副的連接結(jié)構(gòu)及其應用

二、移動副連接結(jié)構(gòu)設計圖14-15平面組合導軌a)棱-平導軌b)V-平導軌c)圓柱面導軌d)雙棱導軌e)雙V導軌f)燕尾導軌第二節(jié)常用運動副的連接結(jié)構(gòu)及其應用

二、移動副連接結(jié)構(gòu)設計3.滑動導軌的材料滑動導軌的材料一般要求耐磨性好、摩擦因數(shù)小而且穩(wěn)定,特別是機構(gòu)動摩擦因數(shù)的變動要小,速度對動摩擦因數(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導軌材料,它具有良好的耐磨性和抗振性。靜導軌可選用HT200或HT300,動導軌選用HT150或HT200,導軌材料硬度為160~180HBW。為提高導軌表面的耐磨性,可采取表面淬火、鍍鉻或噴涂鉬的方法。例如,HT200或HT300灰鑄鐵高頻感應淬火前硬度不低于180HBW時,淬火后硬度可達48~55HRC;鍍鉻鑄鐵(或鋼)—鑄鐵導軌副,鍍層厚度為0.025~0.05mm,硬度為68~72HRC,耐磨性比普通鑄鐵導軌提高2~3倍。添加合金元素的耐磨鑄鐵也是滑動導軌常用的材料,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)常用運動副的連接結(jié)構(gòu)及其應用

二、移動副連接結(jié)構(gòu)設計4.提高導軌表面耐磨性的措施導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。這類導軌也稱鑲裝導軌,如圖14-16a