《機械原理與機械設計 （下冊） 第4版》 課件 第27章 機架、箱體和導軌的結(jié)構(gòu)設計

第二十七章

機架、箱體和導軌的結(jié)構(gòu)設計

機架的結(jié)構(gòu)設計在機器（或儀器）中支承或容納零、部件的零件稱之為機架。機架是底座、機體、床身、立柱、殼體、箱體、以及基礎平臺等零件的統(tǒng)稱。第一節(jié)機架、箱體及其結(jié)構(gòu)設計機架設計一般要求一.機架設計準則機架的設計主要應保證剛度、強度及穩(wěn)定性．１．剛度評定大多數(shù)機架工作能力的主要準則是剛度。在機床中剛度決定著機床生產(chǎn)效率和產(chǎn)品精度；在齒輪減速器中，箱體的剛度決定了齒輪的嚙合情況和它的工作性能；薄板軋機的機架剛度直接影響鋼板的質(zhì)量和精度。２．強度強度是評定重載機架工作性能的基本準則。機架的強度應根據(jù)機器在運轉(zhuǎn)過程中可能發(fā)生最大載荷或安全裝置所能傳遞的最大載荷來校核其靜強度。此外還要校核其疲勞強度。機架的強度和剛度都需要從靜態(tài)和動態(tài)兩方面來考慮。動剛度是衡量機架抗震能力的指標，而提高機架抗振能力應從提高機架構(gòu)件的靜剛度，控制固有頻率，加大阻尼等方面著手。３．穩(wěn)定性機架受壓結(jié)構(gòu)及受壓彎結(jié)構(gòu)都存在失穩(wěn)問題。有些構(gòu)件制成薄壁腹式也存在局部失穩(wěn)。穩(wěn)定性是保證機架正常工作的基本條件。必須加以校核。４．對于機床、儀器等精密機械還應考慮熱變形。熱變形將直接影響機架原有精度，從而使產(chǎn)品精度下降。二.機架設計的一般要求1.在滿足強度和剛度的前提下，機架的重量應要求輕、成本低。2.抗振性好。3.噪聲小。4.溫度場分布合理，熱變形對精度的影響小。5.結(jié)構(gòu)設計合理，工藝性良好，便于鑄造、焊接和機械加工。6.結(jié)構(gòu)便于安裝、調(diào)整及修理。7.導軌面受力合理、耐磨性良好。8.造型好。三.設計步驟1.初步確定機架的形狀和尺寸2.常規(guī)計算利用材料力學、彈性力學等固體力學理論和計算公式，對機架進行強度、剛度和穩(wěn)定性等方面的校核。3.有限元靜動態(tài)分析、模型試驗（或?qū)嵨镌囼灒┖蛢?yōu)化設計。4.制造工藝性和經(jīng)濟性分析。

機架的常用材料材料的選用，主要是根據(jù)機架的使用要求。多數(shù)機架形狀較復雜，故一般采用鑄造。由于鑄鐵的鑄造性能好、價廉和吸振能力強，所以應用最廣。焊接機架具有制造周期短、重量輕和成本低等優(yōu)點，故在機器制造業(yè)中，焊接機架日益增多。一.鑄造機架常用材料1.鑄鐵鑄鐵流動性好，體收縮和線收縮小，容易獲得形狀復雜的鑄件。鑄鐵的內(nèi)摩擦大、阻尼作用強，故動態(tài)剛性好。另外還有切削性能好、價格便宜和易于大量生產(chǎn)等優(yōu)點。鑄鐵主要有灰鑄鐵、球墨鑄鐵。2.鑄造碳鋼鑄鋼的彈性模量大，強度也比鑄鐵高，故用于受力較大的機架。由于鋼水流動性差，在鑄型中凝固冷卻時體收縮和線收縮都較大，故不宜設計復雜形狀的鑄件。3.鑄造鋁合金鋁合金密度小、重量輕，通過熱處理強化，具有足夠高的強度、較好的塑性，良好的韌性。

機架的熱處理一.鑄鋼機架的熱處理鑄鋼件一般都要經(jīng)過熱處理。熱處理的目的是為了消除鑄造內(nèi)應力和改善力學性能。鑄鋼機架的熱處理方法一般有正火加回火，退火、高溫擴散退火和焊補后回火等。二.鑄鐵機架時效處理時效處理的目的是在不降低鑄鐵力學性能的前提下，使鑄鐵的內(nèi)應力和機加工切削應力得到消除或穩(wěn)定，以減少長期使用中的變形，保證幾何精度。三.焊接機架的退火箱體的結(jié)構(gòu)設計一、箱體的主要功能箱體的主要功能有：1．支承并包容各種傳動零件，還可以儲存潤滑劑，實現(xiàn)各種運動零件的潤滑。2．安全保護和密封作用，并有一定的隔振、隔熱和隔音作用。3．使機器各部分分別由獨立的箱體組成，便于加工、裝配、調(diào)整和修理。4．改善機器造型，協(xié)調(diào)機器各部分比例，使整機造型美觀。二、箱體設計應考慮的主要問題設計的過程中主要應考慮以下問題：1.滿足強度和剛度要求。散熱性能和熱變形問題。結(jié)構(gòu)設計合理。工藝性問題。減振、隔振問題。造型好、質(zhì)量輕。值得注意的是在設計不同的箱體時，考慮問題時應該有所側(cè)重。三、箱體毛坯的選擇鑄造容易制造出結(jié)構(gòu)復雜的箱體毛坯，鑄造箱體的熱影響變形小，吸振能力較強，也容易獲得較好的結(jié)構(gòu)剛度，但其質(zhì)量大。焊接箱體允許有薄壁和大平面，而鑄造卻較難實現(xiàn)薄壁和大平面，此外焊接箱體一般比鑄造箱體輕，大型的機座或箱體的制造，則常采用分體鑄造，整體焊接的辦法。在選擇箱體毛坯的時候，還要與生產(chǎn)能力和生產(chǎn)規(guī)模相符合。四、箱體結(jié)構(gòu)主要參數(shù)設計

2．加強筋加設筋板既可以增大強度和剛度，又可以減少質(zhì)量。筋板的不同布置對于加設筋板的效果有很大的影響。表16-4列出了幾種筋板的布置情況。3．孔和凸臺箱體內(nèi)壁和外壁上位于同一軸線上的孔，單件小批量生產(chǎn)時，應盡可能使孔的質(zhì)量相等；成批大量生產(chǎn)時，外壁上的孔應大于內(nèi)壁上的孔徑。在箱壁上與孔中心線垂直的端面處附加凸臺，可以增加箱體局部的剛度。1．壁厚鑄鐵、鑄鋼和其它材料箱體的壁厚可以從表16-1和表16-2中選取，表中N用下式計算：

N=（2L+B+H）/3000（mm）式中：L-鑄件長度（mm），L、B、H中，L為最大值；

B-鑄件寬度（mm）；

H-鑄件高度（mm）4．聯(lián)接和固定為了保證聯(lián)接剛度，應注意以下幾個方面的問題：

（1）重要結(jié)合面表面粗糙度值Ra應不大于3.2μm，接觸表面粗糙度值越小，則接觸剛度越好。（2）合理選擇聯(lián)接螺釘?shù)闹睆胶蛿?shù)量，保證結(jié)合面的預緊力。

(3)

合理設計聯(lián)接部位的結(jié)構(gòu)，聯(lián)接部位的結(jié)構(gòu)、特點及應用見表16-5。五、典型箱體結(jié)構(gòu)1.傳動箱體如減速器、汽車變速箱及機床主軸箱等的箱體，主要功能是包容和支承各傳動件及其支承零件，這類箱體在結(jié)構(gòu)上應保證有好的密封性、高的強度和剛度。2.機殼類箱體如齒輪泵的泵體，各種液壓閥的閥體，主要功能是改變液體流動方向、流量大小或改變液體壓力。這類箱體在結(jié)構(gòu)上除了要保證好的密封性、高的強度和剛度外，還要能承受箱體內(nèi)液體的壓力。3.支架箱體如機床的支座、立柱等箱體零件，在結(jié)構(gòu)上要保證箱體有一定的強度、剛度和精度，這類箱體設計時要特別注意剛度和外觀。第二節(jié)導軌及其結(jié)構(gòu)設計一、導軌的功能導軌起支承和導向的作用。二、導軌設計基本要求對導軌的設計應滿足如下要求：

1.一定的導向精度。

2.運動輕便平穩(wěn)。

3.良好的耐磨性。

4.足夠的剛度和較大的承載能力。

5.溫度變化影響小。

6.結(jié)構(gòu)工藝性好。三、滑動導軌設計一)、滑動導軌設計的主要內(nèi)容1.根據(jù)工作條件，選擇合適的導軌類型。2.選擇導軌的截面形狀，以保證導向精度。3.選擇適當?shù)膶к壗Y(jié)構(gòu)及尺寸，使其在給定的載荷及工作溫度范圍內(nèi)，有足夠的剛度，良好的耐磨性，以及運動輕便和平穩(wěn)。4.選擇導軌的補償及調(diào)整裝置，經(jīng)長期使用后，由于磨損，將會出現(xiàn)間隙，影響導軌的導向精度和承載能力，因此必須選擇合適的調(diào)整裝置來對磨損量進行補償或?qū)﹂g隙進行調(diào)整以保持需要的導向精度。5.選擇合理的潤滑方法和防護裝置，使導軌有良好的工作條件，以減少摩擦和磨損，增加導軌的使用壽命。6.制訂保證導軌所必須的技術條件，如選擇適當?shù)牟牧?，以及表面加工、熱處理、測量方法等。二)、滑動導軌的結(jié)構(gòu)設計1.滑動導軌截面的基本形式（1）三角形導軌該導軌磨損后能自動補償，不會產(chǎn)生間隙，故導向精度高。如果導軌上所受的力，在兩個方向上的分力相差很大，應采用不對稱三角形，以使力的作用方向盡可能垂直于導軌面。（2）矩形導軌：優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，制造、檢驗和修理方便；導軌面較寬，承載力較大，剛度高，故應用廣泛。由于它必須留有側(cè)面間隙，且磨損后不能自動補償，它的導向精度沒有三角形導軌高，導軌間隙需用壓板或鑲條調(diào)整，且磨損后需重新調(diào)整。（3）燕尾形導軌燕尾形導軌的調(diào)整及夾緊較簡便，用一根鑲條可調(diào)節(jié)各面的間隙，且高度小，結(jié)構(gòu)緊湊；但制造檢驗不方便，摩擦力較大，剛度較差，不適用于承受大的傾覆力矩和向上力矩，用于運動速度不高，受力不大，高度尺寸受限制的場合。（4）圓形導軌制造方便，外圓采用磨削，內(nèi)孔珩磨可達精密的配合，但磨損后不能調(diào)整間隙。為防止轉(zhuǎn)動，可在圓柱表面開鍵槽或加工出平面，但不能承受大的扭矩。宜用于承受軸向載荷的場合。2.常用導軌組合形式（1）三角形和矩形組合這種組合形式以三角導軌為導向面，不需要用鑲條調(diào)整間隙，導向精度較高，而平導軌的工藝性好，因此應用最廣。組合有V-平組合、棱-平組合兩種形式。棱-平組合V-平組合圖16-1三角形導軌與矩形導軌的組合形式示意圖（2）矩形和矩形組合承載面和導向面分開，因而制造和調(diào)整簡單，導向面的間隙用鑲條調(diào)整，接觸剛度低，而且必須留有間隙，降低了導向精度。寬式組合導向面由于距離大，熱膨脹時變形量大，要求間隙大，因此其導向精度和導向性能不如窄式組合。圖16-2矩形導軌與矩形導軌的組合形式示意圖窄式組合寬式組合（3）雙三角形導軌導向面間無間隙，接觸剛度好，導向精度高。采用對稱結(jié)構(gòu)，兩條導軌磨損均勻，較高的工作精度。但其工藝性差，四個表面刮削或磨削也難以完全接觸，對溫度變化較敏感，故不宜用在溫度變化大的場合。圖16-3雙三角形導軌的組合形式示意圖3.間隙調(diào)整為保證導軌正常工作，導軌滑動表面之間應保持適當?shù)拈g隙。導軌的間隙調(diào)整廣泛采用鑲條和壓板。（a）壓板調(diào)整間隙

（b）鑲條調(diào)整間隙（c）墊片調(diào)整間隙（d）側(cè)面間隙的調(diào)整圖16-4矩形導軌的間隙調(diào)整4.夾緊裝置有些導軌（如非水平放置的導軌）在移動之后要求將它的位置固定，因而要用專用的鎖（夾）緊裝置。常用的鎖緊方式有機械鎖緊和液壓鎖緊。5.提高耐磨性措施1）選擇合理的壓強2）選擇合適材料3）熱處理4）潤滑和防護6.結(jié)構(gòu)尺寸的驗算1)校核溫度變化對導軌間隙的影響2)不自鎖的條件四、滾動導軌設計簡介一）、滾動導軌的特點在承導件和運動件之間放入一些滾動體（滾珠、滾柱或滾針），使相配的兩個導軌面不直接接觸的導軌，稱為滾動導軌。特點：摩擦阻力小，運動輕便靈活；磨損小，能長期保持精度；動、靜摩擦系數(shù)差別小，低速時不易出現(xiàn)“爬行”現(xiàn)象，故運動均勻平穩(wěn)。缺點：導軌面和滾動體是點接觸或線接觸，抗振性差，接觸應力大，故對導軌的表面硬度要求高，對導軌的形狀精度和滾動體的尺寸精度要求高。二）、滾動導軌的結(jié)構(gòu)形式1．滾珠導軌滾珠導軌主要有V-平截面的滾珠導軌、雙V形截面的滾珠導軌和圓形截面滾珠導軌等結(jié)構(gòu)形式。由于滾珠和導軌面是點接觸，故運動輕便，但剛度低，承載能力小，常用于運動件重量、載荷不大的場合。滾柱導軌中的滾柱與導軌面是線接觸，故它的承載能力和剛度比滾珠導軌大，耐磨性較好，但靈活性稍差。滾柱對導軌的不平度較敏感，容易產(chǎn)生側(cè)向偏移和滑動，而使導軌的阻力增加，磨損加快，精度降低。滾柱導軌支承為標準部件，具有安裝、潤滑簡單，調(diào)整防護容易等優(yōu)點。由于滾柱在封閉的滾道內(nèi)滾動，故可用于行程很大的導軌上。三）、滾動導軌設計的一般問題1．結(jié)構(gòu)形式的選擇2．導軌長度的選擇一般應在滿足導軌運動行程的前提下，盡可能使導軌的長度短一