滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌副反向器的設(shè)計(jì)

河南機(jī)電高等專(zhuān)科學(xué)校畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)論文題目：滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌副反向器的設(shè)計(jì)系部：機(jī)械工程系專(zhuān)業(yè)：機(jī)械制造與自動(dòng)化班級(jí)：機(jī)制061學(xué)生姓名：王生偉學(xué)號(hào)：060114123指導(dǎo)教師：程雪利2009年5月22日第1章緒論1.1引言隨著數(shù)控技術(shù)和機(jī)電一體化的普及和發(fā)展，機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的定位精度、導(dǎo)向的精度和進(jìn)給速度在不斷提高。傳統(tǒng)的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)發(fā)生了重大變化，從七十年代中期開(kāi)始，直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌以其獨(dú)有特點(diǎn)在越來(lái)越多的領(lǐng)域中得到應(yīng)用。直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌一般有導(dǎo)軌、滑動(dòng)塊、反向器、滾動(dòng)體和保持器等組成。它是一種新型的作為相對(duì)往復(fù)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的滾動(dòng)支承。能以滑塊和導(dǎo)軌見(jiàn)的鋼球滾動(dòng)來(lái)代替直接的滑動(dòng)接觸，并且滾動(dòng)體可以在滾道和滑塊內(nèi)實(shí)現(xiàn)無(wú)限循環(huán)?；诮Y(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)，與滾動(dòng)導(dǎo)軌相比，它具有卓越的特點(diǎn)和優(yōu)良的使用性能。1.1.1摩擦特性滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌副在摩擦特性方面具有突出的優(yōu)點(diǎn)，其摩擦阻力比滑動(dòng)導(dǎo)軌小的多，摩擦系數(shù)u=0.002.0.004為滑動(dòng)導(dǎo)軌的1/50左右，起動(dòng)摩擦和動(dòng)摩擦接近相等。在速度變化時(shí)u值穩(wěn)定，運(yùn)動(dòng)輕快、靈活、平穩(wěn)。因而可實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)動(dòng)，提高了生產(chǎn)效率。1.1.2運(yùn)動(dòng)精度滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌副的摩擦系數(shù)極小，因此在起動(dòng)是無(wú)顫動(dòng)，低速下運(yùn)動(dòng)無(wú)爬行現(xiàn)象。當(dāng)施加愈加載荷時(shí)可以消除間隙，提高剛性和精度。此外具有自動(dòng)調(diào)心補(bǔ)償安裝基面誤差的功能。故其整體運(yùn)動(dòng)精度高，因此可制成高精度高性能的機(jī)械。另外，由于滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌具有很好的誤差均化功能。1.1.3壽命特點(diǎn)

滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌副具有較好的承載特性，可以承受不同方向的力和力矩載荷。大部分的能量以磨損的形式消耗掉，因而磨損快，難以長(zhǎng)期維持精度。相反，滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌副摩擦小、磨損小及溫升小，可以長(zhǎng)期維持高精度，具有較長(zhǎng)的精度壽命。1.1.4承載特性滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌副具有較好的承載特性，可以承受不同方向的力和力矩載荷，可承受上下、左右的力及顛簸力矩、搖動(dòng)力矩和擺動(dòng)力矩等。具有很好的載荷適應(yīng)性。在設(shè)計(jì)制造中加以適當(dāng)預(yù)加載荷，可以增加阻尼以提高抗震性，同時(shí)可消除高頻振動(dòng)現(xiàn)象。如圖1.1所示圖1.1滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌副的承載類(lèi)型1.1.5經(jīng)濟(jì)性能滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌副因其摩擦阻力小、磨損小以及潤(rùn)滑維修保養(yǎng)容易，故維修成本低廉。此外，滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌還有很好的互換性，易行成標(biāo)準(zhǔn)化、系列化，并有專(zhuān)業(yè)廠(chǎng)家成批生產(chǎn)，使用戶(hù)選用十分方便，從而縮短了設(shè)計(jì)工時(shí)。另外節(jié)能省油使?jié)L動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌副的又以顯著特點(diǎn)?？傊瑵L動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌副作為一種新型支承部件由于在許多方面都具有突出特點(diǎn)，因而近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于各種數(shù)控機(jī)床、加工中心精密工作臺(tái)、工業(yè)機(jī)器人及醫(yī)療器械、檢測(cè)儀器、輕工機(jī)械、運(yùn)輸機(jī)械之中，促進(jìn)了機(jī)械工業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

1.2滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌副的發(fā)展概況原始的滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌副使1932年法國(guó)專(zhuān)利局公司公布的一項(xiàng)專(zhuān)利，如圖1.2所示。但由于當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)制造者水平的限制，使得這種新型導(dǎo)軌的承載能力差、剛性低且裝配復(fù)雜、易出故障等原因，從而使?jié)L動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌副的研究和應(yīng)用遲緩至20世紀(jì)90年代。20世紀(jì)90年代以來(lái)，隨著機(jī)械化高精度節(jié)能及耐久性的要求越來(lái)越高，促進(jìn)了對(duì)滾動(dòng)導(dǎo)軌的研究。日本THK公司提出了L/B型直線(xiàn)滾珠花鍵的專(zhuān)利，并應(yīng)用于各種機(jī)械之中。接著便是圓柱型筒式直線(xiàn)導(dǎo)軌的問(wèn)世。經(jīng)過(guò)四十年的發(fā)展，滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌副以日趨成為國(guó)際通用的一種支承和傳動(dòng)裝置。鑒于此況，1979年國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織滾動(dòng)軸承技術(shù)委員會(huì)成立了直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)球軸承分委會(huì)。圖1.2滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌副的雛形進(jìn)入80年代以來(lái)，隨著工業(yè)的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)球軸承由于承載小、剛性差等原因，使用范圍受到限制，己不能滿(mǎn)足要求。從1982年開(kāi)始，日本精工NSK公司和THK公司對(duì)滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌進(jìn)行了一系列的開(kāi)發(fā)和研究工作，研制出許多新型類(lèi)型，并在世紀(jì)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。目前，國(guó)內(nèi)在導(dǎo)軌制造方面處于仿制階段，其中漢江機(jī)床廠(chǎng)和南京工藝設(shè)備廠(chǎng)在產(chǎn)品試制方面已有大量工作，產(chǎn)品基本形成系列化。但由于生產(chǎn)技術(shù)、產(chǎn)品質(zhì)量等方面的原因，在實(shí)際中還沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用，在很大程度上依然依靠進(jìn)口來(lái)解決。1.3滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌副的研究現(xiàn)狀及設(shè)計(jì)內(nèi)容滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌副是一項(xiàng)技術(shù)密集型產(chǎn)品，需要有先進(jìn)的技術(shù)裝備和較大的投資才能大規(guī)模生產(chǎn)。目前世界上只有先進(jìn)工業(yè)國(guó)家（日本THK/NSK/IKO公司、瑞典的SKF公司、德國(guó)的INA公司及美國(guó)的湯姆森公司）在滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌副的生產(chǎn)研究和開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品方面處于領(lǐng)先水平，而且各企業(yè)都有內(nèi)部制定的標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品的性能等級(jí)，形狀也千差萬(wàn)別?；A(chǔ)研究文獻(xiàn)也十分罕見(jiàn)由此說(shuō)明基礎(chǔ)研究十分不成熟。在我國(guó)，基礎(chǔ)理論研究工作正在逐步展開(kāi)，有些研究所及高等院校已做了大量工作。特別是華中理工大學(xué)的孫健利教授已取得了很大成就完成了剛度理論及其計(jì)算研究。導(dǎo)軌的壽命計(jì)算研究、基本定載荷的研究也取得了很大成績(jī)。特別是反向器的設(shè)計(jì)逐步趨于完善成熟。反向器是滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌的一個(gè)重要功能部件，也是目前對(duì)滾動(dòng)導(dǎo)軌研究所急需解決的問(wèn)題。本文工作的重點(diǎn)就是在理論上研究的基礎(chǔ)上完成反向器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從而進(jìn)一步完成整個(gè)直線(xiàn)導(dǎo)軌副的設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。本設(shè)計(jì)工作主要反映在以下幾個(gè)方面。（1）介紹滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌的發(fā)展情況及其研究現(xiàn)狀；（2）以回珠效率為基準(zhǔn)選取了回珠曲線(xiàn)的曲率半徑，并對(duì)其進(jìn)行了分析；（3）對(duì)反向器回珠曲線(xiàn)進(jìn)行了設(shè)計(jì)；（4）對(duì)滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌副的進(jìn)行了設(shè)計(jì)，包括反向器的結(jié)構(gòu)、滑塊與導(dǎo)軌、潤(rùn)滑和密封裝置。第2章滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌副反向器回珠曲線(xiàn)的設(shè)計(jì)2.1反向器的作用及設(shè)計(jì)要求2.1.1反向器的作用在直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌副的滑塊兩端裝有使鋼球循環(huán)滾動(dòng)的端蓋，稱(chēng)為反向器。其作用使將從受載滾道中出來(lái)的鋼球的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)的改變180°，使鋼球沿滑塊中的直線(xiàn)回程道返回滾道入口處。在反向器內(nèi)加工有相應(yīng)的回珠滾槽，鋼球就通過(guò)回珠溝槽實(shí)現(xiàn)方向過(guò)程。反向器是循環(huán)回程的重要環(huán)節(jié)，是產(chǎn)生摩擦力、振動(dòng)噪聲等現(xiàn)主要來(lái)源之一。特別是當(dāng)摩擦力過(guò)大時(shí)回產(chǎn)生鋼球堵塞現(xiàn)象，影響滾動(dòng)導(dǎo)軌的傳動(dòng)效率，特別是回球槽開(kāi)設(shè)的不合理時(shí)鋼球有可能產(chǎn)生自鎖，無(wú)法實(shí)現(xiàn)循環(huán)，從而加劇對(duì)導(dǎo)軌副的磨損，應(yīng)絕對(duì)避免。因此，反向器的設(shè)計(jì)和研究是極其重要的問(wèn)題。2.1.2反向器設(shè)計(jì)的基本要求一、反向器回球槽與承載滾道及直線(xiàn)回程道的連接部分相切，接口平整，使傳動(dòng)時(shí)滾珠無(wú)跳動(dòng)，并避免產(chǎn)生楔緊，以降低噪音和摩擦阻力，提高運(yùn)轉(zhuǎn)靈活性和平穩(wěn)性。二、反向器回珠溝槽應(yīng)避免急劇的轉(zhuǎn)彎，并盡可能設(shè)計(jì)的短些，減少回珠溝槽中滾珠數(shù)目，以減少滾珠對(duì)回珠溝槽的摩擦及滾珠之間的摩擦，提高傳動(dòng)效率。三、滾珠進(jìn)入回珠溝槽和離開(kāi)回珠槽前要逐個(gè)卸載和承載，以減少滾珠的沖擊與擁擠，過(guò)渡緩慢可減少對(duì)鋼球和導(dǎo)軌副的磨損并可減少噪音。四、反向器的結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)單，并要求具有良好的剛度，以避免承載的變形，影響滾珠運(yùn)轉(zhuǎn)的流暢性和導(dǎo)軌的正常運(yùn)行。五、反向器外形尺寸要求小，使滑塊結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)省安置空間，并且也有利于縮短回珠溝槽。六、反向器加工工藝要好，以便于模具制造，降低成本。2.1.3回柱曲線(xiàn)設(shè)計(jì)的基本要求反向器設(shè)計(jì)的核心使回柱曲線(xiàn)設(shè)計(jì)，回柱曲線(xiàn)即鋼球通過(guò)反向器的回柱溝槽時(shí)，其中心的運(yùn)動(dòng)軌跡。一般地說(shuō)，回柱曲線(xiàn)使一條空間曲線(xiàn)。對(duì)于理想的回柱曲線(xiàn)，應(yīng)使鋼球咋回柱過(guò)程中傳動(dòng)受力小，同時(shí)還要求滾柱中心的運(yùn)動(dòng)速度無(wú)突變和加速度盡量緩慢，無(wú)沖擊作用，以減少不必要的動(dòng)力損失。保證鋼球的運(yùn)動(dòng)流暢性和平穩(wěn)性?；刂€(xiàn)在反向器中應(yīng)該具有唯一性，即要求滾道與鋼柱的間隙要均勻。2.2反向器回柱曲線(xiàn)的設(shè)計(jì)2.2.1對(duì)原有反向器的質(zhì)疑原有的設(shè)計(jì)中回柱曲線(xiàn)是平面圓弓瓜，這種曲線(xiàn)具有設(shè)計(jì)計(jì)算方便、加工簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但存在一個(gè)突出缺點(diǎn)：兩滾柱中心線(xiàn)的距離是不均勻的。這就使得與擋塊緊鄰的鋼柱面與擋柱塊間的間隙不均勻，因而對(duì)滾珠反向器產(chǎn)生不良影響。如圖2.1所示。另一方面，由于滾柱導(dǎo)軌的傳動(dòng)速度慢，在很多地方使用也受到一定的限制。因此提出一種更新的方案，具體如下：

基于滾珠導(dǎo)軌的優(yōu)點(diǎn)啟發(fā)，在導(dǎo)軌與滾柱的原有的長(zhǎng)線(xiàn)接觸更改為短線(xiàn)接觸，也即在保證滾柱導(dǎo)軌剛度和壽命基礎(chǔ)上，由原來(lái)的“長(zhǎng)線(xiàn)接觸”變?yōu)閮蓚€(gè)“短線(xiàn)接觸”。其優(yōu)點(diǎn)是保證滾柱導(dǎo)軌具有快速的運(yùn)動(dòng)速度，其速度介于滾珠導(dǎo)軌與滾柱導(dǎo)軌之間，同時(shí)其噪音小、摩擦阻力小，運(yùn)轉(zhuǎn)具有很大的靈活性，特別是當(dāng)滾柱體回轉(zhuǎn)到換向器端蓋時(shí)，其平穩(wěn)地卸荷與加載。由于滾柱的特殊構(gòu)造，使其在換向器內(nèi)換向更加容易，從原來(lái)的長(zhǎng)線(xiàn)接觸到短線(xiàn)接觸，對(duì)換向器端蓋的構(gòu)造再進(jìn)行適當(dāng)?shù)母脑欤鸦刂榍€(xiàn)的“平面圓弧”改為“短線(xiàn)圓弓瓜”，由此可解決圓的投影一般為橢圓問(wèn)題。而擋珠塊為半圓環(huán)在垂直于軸線(xiàn)的投影上萬(wàn)為半圓，垂直于擋珠塊軸線(xiàn)的投影面投影后發(fā)生變化，使得與擋珠塊緊鄰的鋼柱面與擋珠塊的間隙發(fā)生變化即從AT塑，解決了這種情況容易產(chǎn)生卡球與堵塞現(xiàn)象。2.2.2對(duì)改進(jìn)后的設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)算一、參數(shù)方程的建立圖2.2空間交線(xiàn)圖2-3投影分析在圖示空間直角坐標(biāo)系中，平面T1為垂直于zoy面的平面，傾角為圖2.2空間交線(xiàn)圖2-3投影分析柱面T2的軸線(xiàn)垂直于xoy平面T1平面，半徑為R，/z二入y其方程如下：入=tana(2-1)x=x柱面T2(y-Rf廣+x=Rf2(2-2)z=z參數(shù)方程x=rsin4y=R(1-cosz=z4)(2-3)當(dāng)平面T1和柱面T2相交后，所得截交線(xiàn)為橢圓（在平面T1上），如圖2.2所示。當(dāng)向xoy平面投影時(shí)，其位置關(guān)系如圖2.3。由圖可見(jiàn)，該回珠曲線(xiàn)選取橢圓曲線(xiàn)，由于該線(xiàn)上各點(diǎn)到擋塊距離相等，從而使鋼柱面與擋柱塊保持均勻間隙，這種曲線(xiàn)加工將會(huì)更好。由式（2-1）及（2-2）可得平面都有圓的參數(shù)方程x=Rsin4y=Rf（1-cos4）（0°W中W180°）z=入R（1-cos4）二、曲線(xiàn)性能的分析根據(jù)反向器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析可知，柱面T2是不變的，即參數(shù)方程（2-3）中x、y的方程是不變的。因而可著重討論z方程的情況。現(xiàn)令s=z。由此可得位移、速度及加速度的表達(dá)式為s=AR（1-cos4）v=ARsin4（2-4）a=ARcos4通過(guò)計(jì)算機(jī)推出s、v、a的曲線(xiàn)變化情況，如圖2.4所示，由圖可見(jiàn)，滾珠中心的速度沒(méi)有突變。加速度的變化比較緩慢，只在起始端存在有限的變化，因而是一種可實(shí)驗(yàn)的方案。2.3基于圓弧拼接的一種空間曲線(xiàn)分析圖2.4橢圓曲線(xiàn)時(shí)s、v、a的變化圖由圖位移展開(kāi)圖可知，當(dāng)一平面曲線(xiàn)的兩端過(guò)渡處有與y軸平行的切線(xiàn)，則該曲面線(xiàn)繞半圓柱貼合后所形成的空間曲線(xiàn)，一般可保證兩端與承載滾道和直線(xiàn)回程道的中心線(xiàn)相切。如圖2.5所示。為兩端用圓弧拼接的平面曲線(xiàn)，繞圓柱貼合后所形成的曲線(xiàn)為空間曲線(xiàn)，其參數(shù)方程為y=R(1-cos4)（2-5）z二h-『2-(Rfsin4)2zbc=人Rcos4+七式中X1=tana七二兀/2-Rtana（2-5）

從柱面相交來(lái)構(gòu)成曲線(xiàn)的角度出發(fā)，這種曲線(xiàn)將給加工帶來(lái)困難。同時(shí)，由于在圓弧段內(nèi)，若令s=z，則有：s=h-\；'h2-（Rfsin^）2v=R2/和2-（Rfsin巾）2a=R2h2/｛、ih2-（Rfsin巾）2其速度和加速度曲線(xiàn)如圖1.5所示。由此可見(jiàn)，速度和加速度的性能都不好，因而不采用此種方案。2.4反向器回珠曲線(xiàn)的設(shè)計(jì)由于日本在直線(xiàn)導(dǎo)軌開(kāi)發(fā)方面處于世界一流水平，因此，為了設(shè)計(jì)一種性能優(yōu)良的反向器回珠曲線(xiàn)，在理論分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)其產(chǎn)品的觀察測(cè)量，提出了一種比較合理的回珠曲線(xiàn)模型，并進(jìn)行分析。2.4.1回柱曲線(xiàn)的構(gòu)想圖2.6為反向器結(jié)構(gòu)圖（NSKLY35型），圖中四個(gè)彎曲孔為回珠溝槽，在槽內(nèi)設(shè)計(jì)有回珠曲線(xiàn)。如圖所示，我們將回珠孔端面的中心線(xiàn)看做具有圓弧的一部分來(lái)進(jìn)行分析。于是可畫(huà)垂直于線(xiàn)面的具體圓柱面，同時(shí)，由于擋柱快為半圓環(huán)及其所在位置情況，我們提出回珠曲線(xiàn)應(yīng)該由兩圓柱面相貫而形成的相貫線(xiàn)的半支，如圖2.7所示。從圖中可看出（通過(guò)計(jì)算機(jī)也可證明），由于相貫線(xiàn)的對(duì)稱(chēng)性，使得回珠曲線(xiàn)兩端均有平行于承載滾道及直線(xiàn)回程道的中心線(xiàn)的切線(xiàn)。圖2.7回珠曲線(xiàn)設(shè)計(jì)2.4.2回柱曲線(xiàn)的數(shù)學(xué)模型現(xiàn)在我們由圖2.7示來(lái)推導(dǎo)回珠曲線(xiàn)的數(shù)學(xué)模型，即回珠曲線(xiàn)方程。設(shè)回珠曲線(xiàn)是由橢圓柱面和小圓柱面t2相貫形成，橢圓的長(zhǎng)半軸為A.，短半軸為夫n小圓的半徑為1，現(xiàn)取相貫線(xiàn)在第一象限的半支加以研究。橢圓柱面T1的柱面方程為x=x(2-7)(z-R)2/Rb2+y2/Ra2=1參數(shù)方程為x=xy=Racos^(2-7a)z=Rb(1+sin^)小圓柱面T2柱面方程為(y-R)2+x2=1z=z(2-8)參數(shù)方程為x=Rsin4y=R(1-cos4)(2-8a)

z=z其中由式0°WqW180°（2-7a）和式（2-8a）可得所以y=Raz=z其中由式0°WqW180°（2-7a）和式（2-8a）可得所以y=Racos。R（1-cos。）cos。=（R/Ra）*（1-cos。）sin4±."1-母2（1-C0S2故z=Rb、1-RR2（1-cos們2，云2現(xiàn)令橢圓的短半軸與長(zhǎng)半軸之比k=Rb/Ra,于是整理得相貫線(xiàn)即回柱曲線(xiàn)的參數(shù)方程為x=Rsin。y=R了（1-cos。）（2-9）z=Rb-\：1-k2Rf2（1-cos。）2/Ra2其中0°WqW180°至此，我們建立了回柱曲線(xiàn)的數(shù)學(xué)模型。下面以此模型為基礎(chǔ)來(lái)分析運(yùn)動(dòng)學(xué)情況并說(shuō)明k值的取值問(wèn)題。2.4.3回柱曲線(xiàn)的運(yùn)動(dòng)學(xué)性能當(dāng)滾珠回柱曲線(xiàn)小圓柱面上升時(shí)，由結(jié)構(gòu)分析可知，z坐標(biāo)的變化對(duì)曲線(xiàn)性能有重要影響。因而，我們主要針對(duì)Z（。）來(lái)進(jìn)行分析。若令S（。）=Z（。），則速度V（。）二#4Za。加速度a（。）=Z_則有S（。）=Rb-qRb2—k2Rf2（1—cos。）2VZaIZ（。）=R2R2（1-cos。）sin。/（Rb2—k2Rf2（1—cos。）2（2-10）（。）=k2R2Rb2（cos。-cos2。）-k4R4cos。（1-cos。）3/&b2—k2Rf2（1—cos。）2]3VZaIZ當(dāng)直線(xiàn)導(dǎo)軌副的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確定后，相應(yīng)的尺寸便可得知，此為反向器回珠曲線(xiàn)。圖線(xiàn)上給出了高度h和半徑Rf.因此當(dāng)給出高度h和半徑Rf后，在所取位置上滿(mǎn)足相貫線(xiàn)高度要求的只有回珠的短半軸Rb和長(zhǎng)半軸Ra，可由式(2-7)x=x(z-Rf)2/Rb2+y2/Ra2=1(2-11)求出Ra=Rb(2-a)/RRb=h2+4kR2/2h根據(jù)我們要求的相貫線(xiàn)位置應(yīng)有R<Rb圖2.8k=1.0時(shí)s、v、a變化圖圖2.9k=0.4時(shí)s、v、a變化圖當(dāng)給定R和R時(shí)，并令k在之間變化時(shí)，相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性有所不同。下面是我們利用計(jì)算機(jī)繪出k=0.4和k=1.0時(shí)的位移、速度和加速度的曲線(xiàn)變化如圖2.8和2.9所示。由圖可知，在R和R給定時(shí)，k越小，即橢圓越偏小，a的變化越大。當(dāng)k=1.0時(shí)a的變化量最小。故知面t1為圓柱面時(shí)最好。因此，回珠曲線(xiàn)應(yīng)為圓柱面T1與’2相貫而形成的相貫線(xiàn)。由圖2.8可知，回珠曲線(xiàn)的兩端均與承載滾道中心線(xiàn)及回程道中心線(xiàn)相切。該曲線(xiàn)在起始部分由承載滾道進(jìn)入非承載回珠溝槽過(guò)程中，爬坡極緩，保證了滾柱卸荷過(guò)程的逐步進(jìn)行。由于對(duì)稱(chēng)，滾道進(jìn)入負(fù)載也是逐步的，同時(shí)其速度和加速度的變化也是連續(xù)的，且無(wú)速度突變。故可知，所選用的回珠曲線(xiàn)使得滾珠進(jìn)入回柱槽和離開(kāi)時(shí)，可以逐步承載與卸荷，減少了滾珠的沖擊和擁擠，具有比較理想的運(yùn)動(dòng)學(xué)性能，符合對(duì)滾珠曲線(xiàn)設(shè)計(jì)的基本要求。2.5反向器曲率半徑的選取及研究當(dāng)回珠曲線(xiàn)確定后，滾柱中心線(xiàn)將沿回珠曲線(xiàn)在方向孔回柱槽內(nèi)回轉(zhuǎn)180°，在回轉(zhuǎn)溝槽中，滾珠是依靠后面部分的推力而向前運(yùn)動(dòng)的。大多數(shù)情況下，因滾珠不受力偶作用而無(wú)滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)，只做滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)。因此滾珠與方向孔壁的摩擦力較大，特別是摩擦阻力過(guò)大時(shí)，將使?jié)L珠在反向器內(nèi)產(chǎn)生楔緊和堵塞現(xiàn)象，嚴(yán)重影響滾珠運(yùn)動(dòng)的流暢性和平穩(wěn)性。本部分將在摩擦力分析基礎(chǔ)上，以回珠效率為基準(zhǔn)來(lái)研究如何合理地選取反向器的有關(guān)參數(shù)。圖2.10鋼球受力分析2.5.1滾珠在回珠槽中的回珠曲率一、鋼珠的受力分析如圖2.10所示，設(shè)鋼珠沿任意曲線(xiàn)y=f（x）在xoy平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，以鋼珠02

為分析對(duì)象，其受力如圖所示。圖中參考說(shuō)明如下：F1.鋼珠O1推動(dòng)鋼珠O2運(yùn)動(dòng)的力；F3.鋼珠O3阻止鋼珠O2運(yùn)動(dòng)的力；Ft-回珠溝槽對(duì)鋼珠的摩擦阻力；N-鋼珠受槽壁的壓力；R-回珠溝槽對(duì)柱的壓力；Ra-鋼珠受力處的截面半徑；二-鋼珠與回珠槽壁的摩擦系數(shù)；Ft1、Ft3.鋼珠O1、O2和O2、O3間的摩擦力。建立圖示坐標(biāo)系x1py1，由力的平衡方程可得(忽略重力、向心力等影響)Fcos0-Fsin0-Fcos0-Fsin0-Ft=0(2-12)TOC\o"1-5"\h\z11t1133133-Fsin0-Fsin0-Fcos0+Fcos0+N=01133t11133在力矩M=(Fcos0-Fcos0)Ra的作用下，鋼珠O2有沿接觸點(diǎn)做純滾1133動(dòng)的趨勢(shì)。由此在鋼珠之間產(chǎn)生摩擦力偶M'=[F(1+sin0)+F(1+sin0)]Ra。t11t33當(dāng)M>M'時(shí)，鋼珠繞接觸點(diǎn)P做純滾動(dòng)，鋼珠之間做純滾動(dòng)摩擦。當(dāng)MWM，時(shí)，鋼珠沿溝槽壁滑動(dòng)，鋼珠之間的摩擦為靜摩擦。一般情況下，由于F1和F3、01和。3相差很小，力偶M小于阻力偶M'，所以鋼球在回珠槽中的運(yùn)動(dòng)形式為滑動(dòng)。二、回柱效率的計(jì)算/Fcos0,Ax(2-13)(2-14)sin0)TOC\o"1-5"\h\z如圖2.10所示，設(shè)鋼珠中心氣在力七作用下微小移動(dòng)的距離為△氣，由于鋼珠間無(wú)相對(duì)滑動(dòng)，所以在忽略鋼珠之間的摩擦力七、F3的情況下，七、F3不產(chǎn)生阻力功。只有Ft產(chǎn)生摩擦損失。故其效率為''''n=Fcos0Ax/Fcos0Ax=(Fcos0-FtAx)331111111=1/Fcos0,Ax(2-13)(2-14)sin0)由式(2-13)可得F=Fcos0-Fcos0t1133N=Fsin0■+Fsin0由式(2-14)，代入Ft=fN可得Fcos0-Fcos0=f(Fsin0+1133T11求得F/F=(cos0+fsin0)/(cos0-fsin0)133T31T1

將此結(jié)果代入（2-13）推出n=(1-ftan0)/(1+ftan0)(2-15)T1T3由式（2-15）可以看出，為提高回珠效率，應(yīng)盡量減小01與。3,即要求回珠曲線(xiàn)由較小的工階導(dǎo)數(shù)，使?jié)L道回珠曲線(xiàn)的曲率半徑較大，并降低鋼滾柱與反向孔間的摩擦系數(shù)fT。在生產(chǎn)中要求增大反向器的基本尺寸，同時(shí)選用摩擦系數(shù)小的材料。三、回珠自鎖分析當(dāng)nW0時(shí)，有1-ftan0W0，故得tan0N1/f由于于是可得T11Tf"n(9°-p盅臨-(1)f因此當(dāng)tan01Ntanp即01Np時(shí)，鋼珠將在反向器回珠槽中發(fā)生自鎖，回珠過(guò)程不能實(shí)現(xiàn)。2.5.2曲率半徑的理論分析一、曲率半徑及效率的計(jì)算反向器回珠中心線(xiàn)的曲率半徑R和鋼珠直徑D之比R/D稱(chēng)為反向器曲率比，即fF=R/Da.由于所設(shè)計(jì)的回珠曲線(xiàn)為空間曲線(xiàn)一相貫線(xiàn)。在空間情況下的受力分析與效率計(jì)算將是很困難的。為此，我們采用回珠曲線(xiàn)在xoy面內(nèi)的投影這一簡(jiǎn)化力學(xué)模型來(lái)分析。此時(shí)，Rf為投影面曲線(xiàn)半徑。如圖2.11所示，采用與回珠效率相同的方法進(jìn)行受力分析。此時(shí)與圖3.1相比，有01=02=03。圖2.11鋼球在回珠槽中的受力分析

由圖中幾何關(guān)系可得（2-16）sin9=D/2R于二1/2f

cos9=1項(xiàng)，f）2（2-16）\2F將（2-16）代入（2-15）可得n=3f/將（2-16）代入（2-15）可得n=3f/--f/、^-+fTT設(shè)回柱槽中鋼珠總個(gè)數(shù)（兩個(gè)回柱槽）為Zf，則）Z/=兀/sin-i（勺f于是反向器回柱效率nm=nzf二、曲率比與回珠效率的關(guān)系曲線(xiàn)當(dāng)材料選定后，摩擦系數(shù)fT為定值，對(duì)鋼珠和ABS塑料，（2-17）（2-18）fT=0.08-0.1，下面用C語(yǔ)言編程給出了fT=0.1時(shí)的n-fT、l〃-fF關(guān)系曲線(xiàn)。如圖2.12所示，從圖中可看出，當(dāng)fF>1.5時(shí)，隨著fF的增加，七〃的值變化非常緩慢，尤其是總效率的值變化更加緩慢。圖2.12回珠效率變化曲線(xiàn)日本精木公司做了許多實(shí)驗(yàn)，得出當(dāng)fF=1.5，鋼珠方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，摩擦阻力最小，高速運(yùn)動(dòng)時(shí)噪聲振動(dòng)最小，高低速運(yùn)動(dòng)時(shí)動(dòng)摩擦力變化小等結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果及過(guò)程見(jiàn)文獻(xiàn)。［伊東勝利-直勤案內(nèi)工.機(jī)械設(shè)計(jì).1985.8］這與我們分析的結(jié)果是一致的。同時(shí)在圖中我們還可以看到當(dāng)fF<1.0時(shí)n、nm急劇下降。因此在設(shè)計(jì)中盡可能避免出現(xiàn)fF<1.0的情況。2.5.3曲率半徑的實(shí)驗(yàn)研究一、一種實(shí)驗(yàn)方法簡(jiǎn)介[程光仁滾珠螺旋傳動(dòng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)機(jī)械工業(yè)出版社1987]圖2.13所示是解決滾珠循環(huán)返回裝置的滾珠導(dǎo)槽曲率大小對(duì)摩擦力的影響而設(shè)計(jì)的一種裝置，它是在半硬鋼板上銑制出寬7.5mm的矩形槽。導(dǎo)軌中心的曲率半徑為R，槽內(nèi)放20個(gè)鋼珠，用電子壓力傳感器從底部加力，推著滾珠沿導(dǎo)/槽緩慢移動(dòng)，測(cè)出所需力的大小。圖2.14為實(shí)驗(yàn)中實(shí)測(cè)的推力與導(dǎo)槽中心曲率半徑R的關(guān)系圖。由圖可知，回珠槽中心曲率半徑減小，摩擦力急劇增加。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，應(yīng)使RfN1.5Da為宣。這與前面分析的結(jié)果一致。"二、回珠實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)圖2.13回珠試驗(yàn)裝置

按照所設(shè)計(jì)的回珠曲線(xiàn)方程，在三坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床上加工出回柱溝槽后，可在槽中布滿(mǎn)鋼珠。輕輕推動(dòng)一端的鋼珠，即可發(fā)現(xiàn)，如果所有的鋼珠在槽內(nèi)平穩(wěn)動(dòng)且推動(dòng)鋼珠所需的力很小，則證明所設(shè)計(jì)的回珠曲線(xiàn)的合理性。三、循環(huán)回路直徑選取的理論研究循環(huán)回路的直徑D^與鋼珠的滾道橫截面的直徑Da之比稱(chēng)為循環(huán)回路直徑比F，即F=D/D,如圖2.15所示采用與前面相同的分析方法，由力的平衡方程可得(2-20)f=(F-F)cos0N=(F+F)sin01fT=NfF由圖示幾何關(guān)系知tan0=h/(2-20)fT=NfF由圖示幾何關(guān)系知tan0=h/D2-h2=FT/」2F-F2推出n="2F—F2-f(F-1)/0F—F2+f(F-1)wwTwwwTw設(shè)直線(xiàn)回程道中的鋼珠數(shù)目為z'，于是直線(xiàn)回程道總效率(2-21)n.直=n程最終可得在整個(gè)回程道的總效率nsm=n四、直徑比與效率變化的關(guān)系曲線(xiàn)圖2.15直線(xiàn)回程道的分析根據(jù)日本精木公司的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)回程的直徑與鋼珠的有效直徑比為1：7時(shí)，鋼珠回程時(shí)摩擦阻力、振動(dòng)和噪聲最小。同時(shí)根據(jù)文獻(xiàn)推薦孔二1.06-1.08。第3章滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌副的設(shè)計(jì)由于滾動(dòng)導(dǎo)軌在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用越來(lái)越廣，國(guó)內(nèi)有關(guān)廠(chǎng)家也在這方面有了一定的研究和發(fā)展，并在生產(chǎn)中根據(jù)用戶(hù)的需要形成了不同的系列產(chǎn)品。本文在參考國(guó)內(nèi)、國(guó)外資料基礎(chǔ)上，結(jié)合前文的理論分析，對(duì)滾動(dòng)導(dǎo)軌副的設(shè)計(jì)進(jìn)行了部分改進(jìn)。將以L(fǎng)Y35型為例對(duì)導(dǎo)軌副進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。根據(jù)導(dǎo)軌副接觸彈性變形系數(shù)Kn求得LY35型導(dǎo)軌副直徑Da=5.556mm，導(dǎo)軌安裝尺寸如下，裝配后組合尺寸一滑塊尋尺寸導(dǎo)軌尺寸基本額定載荷基本編號(hào)高度H—EW21幅寬WI骨塊牙孔1隙BJ骨塊長(zhǎng)LL1J1KQxL2：MxL(W3H1FdxDxhGL0max動(dòng)載荷靜載荷HTSD-LG354883310082x621331032()4090X2()343109x14x1>2300043477872圖3.1導(dǎo)軌安裝尺寸3.1反向器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1.1選材由于反向器的作用是實(shí)現(xiàn)滾珠運(yùn)動(dòng)無(wú)限循環(huán)，且使?jié)L珠在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的流暢性、摩擦小。所以應(yīng)選擇摩擦系數(shù)小的材料，考慮到零件的形狀，生產(chǎn)實(shí)際的需要，選用ABS塑料，其硬度較高，與鋼球的摩擦系數(shù)較小，且造型簡(jiǎn)單，可以吹鑄成型，價(jià)格低廉，生產(chǎn)方便，是極為理想的一種材料。3.1.2結(jié)構(gòu)（附零件圖一張）根據(jù)理論分析，反向器回柱曲線(xiàn)采用空間圓弧結(jié)構(gòu)一、回柱曲線(xiàn)曲率半徑的確定由目前的理論分析可知，當(dāng)回柱曲線(xiàn)為兩圓相貫所形成時(shí)，加速度az變化最小。即滾珠在該相貫線(xiàn)所行成的滾道內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)性能最好。由圖2.11知，鋼珠在回珠槽中受力分析的理論基礎(chǔ)可知，當(dāng)回珠曲率半徑七越大時(shí)，滾珠與反向孔壁之間的摩擦系數(shù)fT越小，但考慮結(jié)構(gòu)緊湊，按圖2.12選fF二%/D二1.1。根據(jù)推薦值取鋼球有效直徑D=5.556mm，則Rf=1.1xD二1.1x5.556=6.1116mm，這里取%=6.2mm，如圖3.2所示zZ圖3.2曲率半徑，摩擦系數(shù)關(guān)系取h=3.3mm，由式（2-11）知Ra=Rb=h2+4Rf2/2h=3.32+4x6.22/2x3.3=24.95mm反向器的結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)零件圖。二、反向器回珠效率的計(jì)算單個(gè)鋼珠在回程槽中運(yùn)動(dòng)的效率，由式（2-17）n=?4fF2_ifZ+fT（取fT=°.1）則n=0.903回珠槽內(nèi)鋼珠的總個(gè)數(shù)，由式（2-18）Zf二/sin(1/2f)=/sin(1/2x1.1)=6.66則反向器回珠總效率=0.507m計(jì)算結(jié)果與圖2.12回珠效率變化曲線(xiàn)相符，說(shuō)明上述各參數(shù)、尺寸確定合理。同時(shí)也再次驗(yàn)證了反向器所選的正確性。3.2滑塊及導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)滑塊及導(dǎo)軌的溝槽采用哥德式溝槽，因?yàn)楦绲率綔喜郾阌跍y(cè)量，費(fèi)用低，并且鋼珠與導(dǎo)軌副滑塊之間只有兩線(xiàn)接觸，降低了與導(dǎo)軌溝槽斷面的垂直方向的力矩剛性，從而一定程度上減少了安裝誤差的類(lèi)型。3.2.1滑塊與導(dǎo)軌材料的確定滑塊與導(dǎo)軌是鋼珠運(yùn)動(dòng)的通道，直接影響著運(yùn)動(dòng)通道的精度，同時(shí)材料的好壞也直接影響著導(dǎo)軌副的運(yùn)動(dòng)壽命，其壽命與材料硬度的關(guān)系曲線(xiàn)如圖由上圖可知，當(dāng)材料硬度值小于HRC=58時(shí)，其壽命系數(shù)很快減小。因此，要求導(dǎo)軌及滑塊表面硬度必須大于HRC58.推薦滑塊及導(dǎo)軌材料都選GCr15,因其是一種軸承常用材料，淬火硬度可達(dá)HRC58-62，能夠滿(mǎn)足導(dǎo)軌副的硬度要求。滾道圓弧曲率半徑的確定根據(jù)推薦值，取圓弧曲率半徑r=0.53Da，則r=0.53x5.556=2.95mm如圖3.3所示(其他尺寸見(jiàn)導(dǎo)軌滑塊零件圖)在實(shí)際的導(dǎo)軌系統(tǒng)中，為了充分發(fā)揮滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌副的性能，與鋼珠接觸的滾道表面硬度應(yīng)為HRC58-64之間。導(dǎo)軌的動(dòng)載荷、靜載荷應(yīng)乘以硬度系數(shù)七，圖示為對(duì)應(yīng)不同滾道面硬度的硬度系數(shù)fH，如圖3.4所示。3.3潤(rùn)滑及密封裝置的設(shè)計(jì)滑塊及導(dǎo)軌為流體潤(rùn)滑方式，由于油膜的浮動(dòng)而不可避免地產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)精度誤差。同時(shí)在邊界摩擦區(qū)域內(nèi)，由于金屬的接觸也不可避免地產(chǎn)生磨損，在滑動(dòng)摩

擦很大一部分能量將作為磨損功而消耗。為此滑動(dòng)導(dǎo)軌往往采用一套潤(rùn)滑系統(tǒng)以保證充分供油潤(rùn)滑。而滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌為滾動(dòng)摩擦，磨損小且能維持長(zhǎng)期的精度壽命，同時(shí)，潤(rùn)滑油使用量少，基本上用潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑，在潤(rùn)滑設(shè)計(jì)及管理方面也是極為簡(jiǎn)單。圖3.3圓弧曲率半徑的選取102030405060圖3.4滾道的硬度系數(shù)3.3.1潤(rùn)滑方式與滑動(dòng)導(dǎo)軌相比，滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌副需油量少，而且周期長(zhǎng)。但在無(wú)潤(rùn)滑狀態(tài)下使用時(shí)，滾動(dòng)接觸部的磨損將增加，壽命將減少。因此，必須有適當(dāng)?shù)臐?rùn)滑方

式。在一般速度下不存在導(dǎo)軌發(fā)熱問(wèn)題，因此也不必強(qiáng)制給油。通常使用鋰皂潤(rùn)滑脂（2號(hào)）及透平油ISOVG32.68，盡量使用粘度高的潤(rùn)滑油。HTSD滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌副通過(guò)反向器端的注油杯口注入潤(rùn)滑油脂，油脂經(jīng)過(guò)反向器內(nèi)的油道而流到鋼珠的方向溝槽內(nèi)，然后由鋼珠的無(wú)限循環(huán)而實(shí)現(xiàn)整體的潤(rùn)滑。另外，通過(guò)保持架的間隙將潤(rùn)滑油輸送到下循環(huán)軌道。至此，整個(gè)部件的各個(gè)元件都得到較好的潤(rùn)滑。一、措施當(dāng)潤(rùn)滑油以速度v運(yùn)動(dòng)時(shí)，在滑塊運(yùn)動(dòng)方向的后方將形成負(fù)壓區(qū)域，這樣將吸入塵埃，塵埃積聚在導(dǎo)軌的固定螺釘內(nèi)及導(dǎo)軌面上，使?jié)L動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌使用壽命下降，圖3.5所示。為了保證其使用壽命，必須采用適當(dāng)?shù)姆缐m措施：1、采用密封端面和密封底面，以防止塵埃、雜物進(jìn)入滑塊；2、采用防護(hù)罩措施，采用折疊式和伸縮式防護(hù)罩；3、采用防止雜物聚集在導(dǎo)軌固定螺釘孔穴而混入滑塊中，使用螺孔帽將其封閉，如圖3.6所示。專(zhuān)用螺孔帽采用耐油與耐磨損的優(yōu)質(zhì)合成橡膠，以保證充分的使用壽命。灰塵灰塵圖3.5防塵措施圖3.6螺孔帽封閉3.4滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌使用注意事項(xiàng)正確合理地設(shè)計(jì)和使用導(dǎo)軌，可以提高耐用度和精度特性，減少維修和保養(yǎng)時(shí)間，促進(jìn)生產(chǎn)，提高經(jīng)濟(jì)效率。為此，應(yīng)注意如下事項(xiàng)：盡量避免力矩和偏心載荷作用。直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌副樣本中給出了額定動(dòng)靜載荷，都是各個(gè)滾珠受載均勻的理想狀態(tài)下計(jì)算出的。因此，應(yīng)注意避免過(guò)大的力矩和偏心載荷，否則，將導(dǎo)致過(guò)早的疲勞破壞或產(chǎn)生壓痕，并出現(xiàn)振動(dòng)、噪聲，降低滾動(dòng)精度等不良相信。3.4.1提高剛度，減小振動(dòng)適當(dāng)預(yù)緊力可提高剛度，均化誤差，從而提高運(yùn)動(dòng)精度，均化滾動(dòng)體的受力，而提高使用壽命。并在一定程度上提高了阻尼，但是，預(yù)緊力過(guò)大會(huì)增加導(dǎo)軌副的摩擦阻力，增加發(fā)熱，降低壽命。3.4.2降低加速度的影響直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)