機電一體化精品課件

1、3.4諧波齒輪傳動諧波齒輪傳動也是利用行星輪系傳動的原理發(fā)展起來的一種新型傳動，它由三個基本構(gòu)件組成：即波發(fā)生器、剛輪和作為柔輪的中間撓性體，由于在傳動過程中，柔輪產(chǎn)生的彈性變形波近似于諧波，故稱之為諧波齒輪傳動，常用的是雙波和三波兩種，其波發(fā)生器如下圖： 雙波傳動三波傳動3.4諧波齒輪傳動一、工作原理若剛輪固定，外裝柔性軸承4、波發(fā)生器3裝入柔輪2，使原為圓環(huán)形的柔輪產(chǎn)生彈性變形。柔輪長軸兩端的齒與剛輪齒槽完全嚙合，而柔輪短軸兩端的齒與剛輪齒完全脫開，長軸與短軸間的齒則逐步嚙入和嚙出。當高速軸帶動相當于系桿的波發(fā)生器凸輪和柔性軸承連續(xù)轉(zhuǎn)動時，柔輪上原來與剛輪嚙合的齒對逐漸嚙出、脫開、嚙入、嚙

2、合，這樣柔輪就相對剛輪沿著與波發(fā)生器相反的轉(zhuǎn)向低速旋轉(zhuǎn)自轉(zhuǎn)），通過低速軸輸出運動。若將柔輪固定，由剛輪輸出運動 。其工作原理相同，只是剛輪輸出運動的轉(zhuǎn)向與波發(fā)生器的轉(zhuǎn)向相同。諧波齒輪傳動過程諧波齒輪傳動特點：）傳動比大 單級諧振動波齒輪傳動的傳動比為50500，多級和復(fù)式傳動的傳動比更大，可達30000以上。）承載能力大 傳遞額定輸出轉(zhuǎn)矩時，諧波齒輪傳動同時接觸的齒對數(shù)可達總對數(shù)的以上。）傳動精度高 在同樣制造條件下，諧振動波齒輪的傳動精度比一般齒輪的傳動精度對至少高一級。齒側(cè)間隙可調(diào)整到最小，以減少傳動回差。）傳動平穩(wěn) 基本上無沖擊振動。5）傳動效率高 單級傳動的效率為65%90%.6）結(jié)構(gòu)

3、簡單、體積小，重量輕 在傳動比承載能力相同的條件下，諧波齒輪減速器比一般齒輪減速器的體積和重量減少1213。）成本高 柔輪材料能要求高，制造較困難，精度高。3.4諧波齒輪傳動XB1單級諧波傳動減速器組件外形圖3.4諧波齒輪傳動3.4諧波齒輪傳動XB1單級諧波傳動減速器外形圖 二、單級諧波齒輪傳動比計算 諧波齒輪傳動是行星傳動的一種變型。波發(fā)生器相當于行星輪系的轉(zhuǎn)臂（），柔輪（）相當于行星輪，而剛輪（）相當于中心輪內(nèi)齒圈。單級諧波齒輪傳動比計算有兩種基本情況： 一種是剛輪固定，波發(fā)生器輸入、柔輪輸出，傳動比為： 二種是柔輪固定，波發(fā)生器輸入，剛輪輸出，傳動比為：三、諧波齒輪傳動機構(gòu)參數(shù)選擇與計算

4、目前我國已制定了諧波齒輪減速器標準。介紹單級諧波齒輪傳動1、傳動比的選擇目前我國諧波齒輪減速器的傳動比標準化系列有：100、125、160、200、250、315、400等。在選用時，允許所選用的傳動比比實際的傳動比有 得誤差。2、名義力矩名義 力矩是指在諧波齒輪傳動的使用期限（一般5000h）之內(nèi)允許輸出的最大力矩。目前標準化系列3、材料選擇柔輪處在反復(fù)彈性變形的狀態(tài)下工作，需選擇強度和耐疲勞性能好的合金結(jié)構(gòu)鋼制作。通常使用的材料由：軸承鋼、鉻鋼、鉻錳硅鋼、鉻錳鈦鋼等。目前常用35MnSiA 、GCr15。剛輪采用45鋼、40Cr波發(fā)生器55Si2 、60 Si2、 55CrMn等3.5 滾

5、珠螺旋傳動 滾珠螺旋運動是在絲杠與螺母之間放入適量的滾珠，于是螺紋之間的摩擦為滾動摩擦。 滾珠絲杠副的組成: 由帶螺旋槽的絲桿1、螺2母、滾動元件滾珠/滾柱3、回珠裝置4等組成。 滾珠螺旋傳動特點：1）傳動效率高 一般滾珠絲杠副的傳動效率達85%98%，為滑動絲杠副的34倍。2）運動平穩(wěn) 滾動摩擦系數(shù)接近常數(shù)，啟動與工作摩擦力矩差別很小。啟動時無沖擊，低速時無爬行。3）能夠預(yù)緊 預(yù)緊后可消除間隙產(chǎn)生過盈，提高接觸剛度和傳動精度。同時增加的摩擦力矩相對不大。 4）工作壽命長 滾珠絲杠螺母副的摩擦表面為高硬度（HRC5862）、高精度，具有較長的工作壽命和精度保持性。壽命約為滑動絲杠副的410倍以

6、上。5）定位精度和重復(fù)定位精度高 由于滾珠絲杠副摩擦小、溫升小、無爬行、無間隙，通過預(yù)緊進行預(yù)拉伸的補償熱膨脹。因此可達到較高的定位精度和重復(fù)定位精度。6）同步性好 用幾套相同的滾珠絲杠副同時傳動幾個相同的運動部件，可得到較好的同步運動。7）可靠性高 潤滑密封裝置結(jié)構(gòu)簡單維修方便。8）不自鎖 用于垂直傳動時，必須在系統(tǒng)中附加自鎖或制動裝置。9）經(jīng)濟性差成本高 由于結(jié)構(gòu)工藝復(fù)雜，故制造成本較高。價格往往以mm計。一、滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)類型（一）螺紋滾道法向截面形狀 螺紋滾道法向截面形狀有單圓弧和雙圓弧兩種，如圖所示。滾道溝曲率半徑R與滾球直徑DW之比為R/DW=0.520.56。單圓弧型要有一定的

7、徑向間隙，使實際接觸角a45雙圓弧型的理論接觸角a=3845實際接觸角隨徑向間隙和載荷而變。主要按螺紋滾道截面形狀、滾珠的循環(huán)方式、消除軸向間隙的調(diào)整與預(yù)緊方式三種形式進行分類。單圓弧滾道和雙圓弧滾道的結(jié)構(gòu)特點單圓弧滾道：結(jié)構(gòu)簡單，傳遞精度由加工質(zhì)量保證，軸向間隙小，無軸向間隙調(diào)整和預(yù)緊能力，加工困難，加工精度要求高，成本高，一般在輕載條件下工作。 雙圓弧滾道：結(jié)構(gòu)簡單，存在軸向間隙，加工質(zhì)量易于保證，在使用雙螺母結(jié)構(gòu)的條件下，具有軸向間隙調(diào)整和預(yù)緊能力，傳遞精度高。（二）滾珠循環(huán)方式1、內(nèi)循環(huán)：一圈一個循環(huán)，在循環(huán)過程中滾珠與絲杠始終內(nèi)循內(nèi)循環(huán)：一圈一個循環(huán)，在循環(huán)過程中滾珠與絲杠始終不脫離

8、接觸固定式內(nèi)循環(huán) 浮動式反向器內(nèi)循環(huán)4、反向器 5、弓形片簧1、絲杠2、螺母3、滾珠2、外循環(huán) 多圈一個循環(huán)，在循環(huán)過程中一部分滾珠與絲杠脫離接觸。插管式外循環(huán)端蓋式外循環(huán) 無論是滑動絲杠還是滾動絲杠傳動，由于在結(jié)構(gòu)上均存在一定的軸向間隙，以及磨損間隙的存在，為了保證運動傳遞的連續(xù)性和可靠性，消除軸向間隙并實施一定預(yù)緊，有利于提高絲杠的傳遞精度和一定的承載能力。消除和減小絲杠軸向間隙的主要方法： 主要分為雙螺母螺紋預(yù)緊調(diào)整、 雙螺母墊片式預(yù)緊調(diào)整、 雙螺母齒差式預(yù)緊調(diào)整、 彈簧式自動預(yù)緊調(diào)整、 單螺母變導(dǎo)程預(yù)緊調(diào)整方式。（三）預(yù)緊方式（三）預(yù)緊方式1、單螺母變位導(dǎo)程預(yù)緊（B） 如圖形3-67所

9、示，在螺母體內(nèi)將兩個閉式滾珠鏈中間過渡區(qū)域內(nèi)整數(shù)倍的基本導(dǎo)程nPh變?yōu)?2、單螺母增大鋼球直徑預(yù)緊（Z）滾道截面須為雙圓弧，預(yù)緊力不可太大，結(jié)構(gòu)最簡單，但預(yù)緊力大小不能調(diào)整3、雙螺母墊片預(yù)緊（D）如圖3-69所示，修磨墊片厚度，使兩螺母的軸向距離改變。圖3-69a為拉伸預(yù)緊，使用較多。圖3-69b為壓壓縮預(yù)緊。墊片預(yù)緊剛度高，但高速不便，不能隨時調(diào)隙預(yù)緊。4、雙螺母螺紋預(yù)緊（L）如圖3-70所示，調(diào)整圓螺線使絲杠右螺母向右，產(chǎn)生后伸預(yù)緊。高速方便，但預(yù)緊量不易掌握。5、雙螺母齒差預(yù)緊（C）如圖3-71所示，兩螺母端面分別加工出齒數(shù)為的內(nèi)齒圈，分別與雙聯(lián)齒輪嚙合。一般若兩螺母同向各轉(zhuǎn)過一個齒，則

10、兩螺母的相對軸向位移為為導(dǎo)程。）調(diào)整精確方便，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。二、滾珠絲杠副的精度滾珠絲杠副根據(jù)使用范圍及要求分為七個精度等級，即1、2、3、4、5、7、10級，1級最高依次遞減。數(shù)控機床、精密機械或儀器選1、2、3級一般動力傳動選4、5級根據(jù)使用范圍，滾珠絲杠副可分為定位P類和傳動T類。具體精度項目分三類。（一）行程偏差和行程變動量行程偏差按表3-25的規(guī)定逐項檢驗有效行程 按下式計算：式中 絲杠螺紋全長； 余程，見表326。（二）跳動和位置公差 跳動和位置公差項目有：滾珠絲杠螺紋外徑對絲杠螺紋軸線的徑向圓跳動、滾珠絲杠支承軸頸對絲杠螺紋軸線的徑向圓跳動、滾珠絲杠支承軸頸肩面對絲杠螺紋軸線的圓

11、跳動、有預(yù)加載荷的滾珠螺母安裝端面對螺絲方軸線的圓跳動、有預(yù)加載荷的滾螺母安裝直徑對絲杠螺紋軸線的徑向跳動、有預(yù)加載荷的滾珠螺母定位杠螺紋軸線的平行度等。 從有關(guān)標準表中可查得按規(guī)定的測試方法、精度等級、公稱直徑、多次測量間隔、螺母直徑等參數(shù)的允差。(三)性能檢驗性能檢驗項目有：動態(tài)預(yù)緊轉(zhuǎn)矩極偏差、軸向接觸剛度等。按規(guī)定的測試方法、精度等級和有關(guān)參數(shù)從相應(yīng)標準表中求得允差。三、滾珠絲杠副的尺寸與代號 參數(shù)名稱 參數(shù)名稱滾珠絲杠副的型號根據(jù)其結(jié)構(gòu)、規(guī)格、精度和螺紋旋向等特征，按下列格式編寫：3、標注方法滾珠絲杠副結(jié)構(gòu)、規(guī)格、精度的標注方法如圖所示：螺紋旋向，右旋不標檢查項目編號精度等級滾珠總?cè)?shù)

12、基本導(dǎo)程公稱直徑預(yù)緊方式循環(huán)方式外形結(jié)構(gòu)特征例：1、FC1B-606-5-E2 左 (漢江機床廠) 2、FFZD405-3-D3/1400900 （南京工藝裝備廠）四、滾珠絲杠的支承結(jié)構(gòu)形式 滾珠絲杠副的支承，主要是約束絲杠的軸向竄動，其次才是徑向約束。 1、單支承形式（1）雙向推力固定（F） 可用雙向圓錐滾子軸承、兩個單向圓錐滾子軸承反向成組使用、雙向推力角接觸球軸承、兩個單向推力角接觸球軸承反向成組使用、雙向推力球軸承、兩個單向推力球軸承反向成組使用、滾針和推力滾子組合軸承（2）軸向游動簡支（S） 可用深溝球軸承、圓柱滾子軸承等（3）單向推力 可用單向圓錐滾子軸承、單向推力角接觸球軸承。（

13、4）自由端（O） 軸向和徑向均無約束。2、兩端支承形式（1）兩端固定（雙推雙推，F(xiàn)F）剛度最高，進行預(yù)拉伸后可減少絲杠自重變形和補償熱膨脹，使剛度更高。用于高精度高剛度的工作條件。這種形式結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工藝困難，成本最高。雙推 雙推式結(jié)構(gòu)形式（2）一端固定一端游動（雙推簡支，F(xiàn)S）如 圖3-76所示。絲杠有熱膨脹的余地。雙向推力球軸承-深溝球軸承兩個單向推力圓柱滾子軸承-深溝球軸承雙推 簡支式結(jié)構(gòu)形式（3）兩端均為單向推力（單推單推，JJ）如圖3-77所示?？筛鶕?jù)預(yù)計溫升產(chǎn)生的熱膨脹量進行預(yù)拉伸。單推 單推式結(jié)構(gòu)形式（4）一端固定一端自由（雙推自由，F(xiàn)O）如圖3-78所示。結(jié)構(gòu)簡單剛度、臨界轉(zhuǎn)速、

14、壓桿穩(wěn)定性都較低，適用于較短和豎直安裝的絲杠。雙推 自由式結(jié)構(gòu)形式機電工程系機械工程教研室五、滾珠絲杠副的制動裝置 作用：在垂直安裝或在高速移動定位時，防止?jié)L珠絲杠副逆轉(zhuǎn)發(fā)生不安全事故或定位不可靠（無自鎖能力）。 常用：超越離合器、雙推式電磁離合器（制動器）。 超越離合器 雙推式電磁離合器六、滾珠絲杠副的潤滑與密封潤滑：主要有脂潤滑和滴油潤滑。 密封：接觸式密封（動或靜密封）和非接觸式密封（迷宮式密封）。 防塵與防護：折疊式防塵套、伸縮式防塵套、伸縮擋板防塵裝置等。七、滾珠絲杠副的選擇方法 1）滾珠絲杠副結(jié)構(gòu)形式確定 依據(jù)預(yù)緊條件和防塵條件決定滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)形式。 單圓弧螺紋滾道的單螺母絲杠

15、副 以動力傳動為主，允許傳動存在一定間隙，且垂直安裝。常用在高精度壓力設(shè)備上（導(dǎo)向精度由導(dǎo)軌保證）。 單圓弧螺紋滾道的雙螺母絲杠副 主要用在傳遞輕載荷、對傳遞動力的平穩(wěn)性和絲桿剛度要求比高（預(yù)緊力較?。┑男⌒驮O(shè)備上。 雙圓弧螺紋滾道的雙螺母絲杠副主要用于重載，以傳遞動力和運動為主，對傳遞動力和運動的平穩(wěn)性有較高的要求，傳遞精度高、絲杠剛度大防塵效果好的高精度機器設(shè)備上。預(yù)緊原理 預(yù)緊結(jié)構(gòu)2）滾珠絲杠副基本結(jié)構(gòu)尺寸的選擇 主要依據(jù)滾珠絲杠副傳遞的最大載荷、運動特性（傳遞速度）和范圍（有效行程）、傳遞精度要求，選定滾珠絲杠副的公稱直徑、基本導(dǎo)程以及傳遞精度等級。 公稱直徑大，承載能力強；反之，承載

16、能力弱。 基本導(dǎo)程大，承載能力強，傳動速度快，傳動精度降低；反之，承載能力減弱，傳動速度慢，傳動精度高。 傳遞精度：決定設(shè)備靜態(tài)定位和運動精度、動態(tài)響應(yīng)特性、動態(tài)穩(wěn)定特性。 滾珠絲杠螺母傳動機構(gòu)的規(guī)格尺寸舉例3）滾珠絲杠副的選擇設(shè)計驗算步驟依據(jù)最大工作載荷(N)或平均工作載荷(N)作用下的使用壽命T(h)、絲桿有效工作行程(mm)、絲杠轉(zhuǎn)速(r/min)或平均轉(zhuǎn)速(r/min)、滾道硬度HRC以及工況等實際工作條件，進行一系列的驗算。 承載能力計算與滾珠絲杠副型號選擇 在最大靜載荷和動載荷條件下，進行彎曲強度、接觸應(yīng)力強度、疲勞強度等驗算，綜合決定選擇滾珠絲杠副型號。 壓桿穩(wěn)定性驗算或校核 壓

17、桿穩(wěn)定性驗算或校的基本要求是不影響滾珠絲杠副的精度和變形附加載荷產(chǎn)生的摩擦阻力超過極限值。 剛度驗算 結(jié)構(gòu)剛度（支承方式相關(guān)）和接觸剛度（導(dǎo)軌滾道）。 *由此才能完成滾珠絲杠副的選擇設(shè)計絲杠螺母傳動的類型與特點八、珠絲杠副的選擇計算（一）工作壽命選擇各種機械所用滾珠絲械的工作壽命見表3-31推薦壽命選擇。（二）等效軸向動負荷根據(jù)工作條件折算所得的等效軸向動負荷按下式計算：式中 fw負荷性質(zhì)系數(shù)，查表3-32； ft溫度系數(shù)，查表3-33； fh硬度系數(shù)，查表3-34； fa精度系數(shù)，查表3-35； fk可靠性系數(shù)，查表3-36 Fm等效負荷（N）； nm等效轉(zhuǎn)速（r/min）。（三）等效負荷和

18、等效轉(zhuǎn)速負荷交變和轉(zhuǎn)速交變的工作條件，必須根據(jù)具體情況折算成等效負荷 1）負荷不變而轉(zhuǎn)速階段式變化，等效轉(zhuǎn)速按各轉(zhuǎn)速所占的時間百分比折算 式中 t1%、t2%、tn%轉(zhuǎn)速n1、n2、nn所占時間百分比。2）轉(zhuǎn)速不變而負荷階段式變化，等效負荷按根據(jù)疲勞效果線性積累假設(shè)，按各負荷所占的時間百分比折算。式中 t1%、t2%、tn%負荷F1、F2、Fn所占時間百分比。3）負荷、轉(zhuǎn)速都按階段式變化，等效負荷按下式折算式中 n1、n2、nn軸向負荷F1、F2、Fn作用下的轉(zhuǎn)速； t1、t2、tn軸向負荷F1、F2、Fn作用下的時間。4）負荷按單調(diào)式變化，各種轉(zhuǎn)速的使用機會相等，等效負荷按下式計算。（四）臨

19、界壓縮負荷和臨界轉(zhuǎn)速1、臨界壓縮負荷 軸向固定的長絲杠在承受壓縮負荷時，應(yīng)驗算其壓桿穩(wěn)定性。臨界壓縮負荷Fcr按下式計算式中 E材料的彈性模量，I絲杠最小截面慣性矩，L0最大受壓長度（m）；K1安全系數(shù)，可取K1=1/3；Fmax最大軸向工作負荷（N）；f1絲杠支承方式系數(shù)，見表3-30。將上述各值代入臨界壓縮負荷公式后，該公式可簡化為：2、臨界轉(zhuǎn)速 長絲杠在高速下工作，為防止彎曲共振，應(yīng)驗算其臨界轉(zhuǎn)速式中 A絲杠最小截面積， Lc臨界轉(zhuǎn)速計算長度（m）； 材料的密度，鋼=7.8103（kg/m3） nmax最高工作轉(zhuǎn)速（r/min）； K2安全系數(shù)，可取K2=0.8。 f2絲杠支承方式系數(shù)，

20、見表3-30。 將上述各值代入后可簡化為：滾珠絲杠另一需驗算的臨界值為don70000（mmr/min）（五）滾珠絲杠副的系統(tǒng)剛度和固有頻率 滾珠絲杠副的拉壓系統(tǒng)剛度影響系統(tǒng)的定位精度和軸向拉壓振動固有頻率，其扭轉(zhuǎn)剛度影響扭轉(zhuǎn)振動固有頻率。承受軸向負荷的滾珠絲杠副的拉壓系統(tǒng)剛度Kc由絲杠本身的拉壓剛度Ks、絲杠副內(nèi)滾珠與滾道的接觸剛度Kc、軸承的接觸剛度KB、螺母座的剛度KH，按表3-30中不同支承組合方式的計算公式而定。扭轉(zhuǎn)剛度按絲杠的參數(shù)計算。 1、絲杠本身的拉壓剛度和彈性變形 支承組合形式為FS或FO的絲杠，彈性變形s和拉壓剛度Ks為： 式中 F軸向負荷（N）； a螺母至軸向固定處的距離

21、（m）。 當a=amax時，彈性變形最大，剛度最?。褐С薪M合形式為FF的絲杠，彈性變形s和拉壓剛度Ks為 式中 l兩支承間距（m） 兩端處=0或=L，SF=0， 中點處= , SF=Sfmax，KSF=KSfmin；比較以上兩種支承組合，可知:2絲杠副內(nèi)滾珠與滾道的接觸剛度 絲杠副內(nèi)滾珠與滾道的接觸剛度Kc可按滾珠絲杠副的型號查樣本，或按有關(guān)公式進行計算。若近似計算，可按線性插入法在下列范圍內(nèi)求取：3軸承的接觸剛度 軸承的接觸剛度KB可按軸承型號查樣本，或按有關(guān)公式進行計算。若近似計算，可按線性插入法在下列范圍內(nèi)求取：4螺母座的剛度 軸承的接角剛度KH，可用有限元法進行計算。若結(jié)構(gòu)設(shè)計剛度很高，則其彈性變形可忽略不計。若近似計算可取 5絲杠的扭轉(zhuǎn)剛度 絲杠的扭轉(zhuǎn)剛度KT由下式計算：式中 G鋼的剪切彈性模量，G=8104MPa； dm 絲杠平均直徑，6絲杠系統(tǒng)軸向拉壓振動的固有頻率 絲杠系統(tǒng)軸拉壓振壓振動的固有頻率按下式計算： 式中 m絲杠末端的運動部件與工件的質(zhì)量和； Kc絲杠系統(tǒng)軸向拉壓總剛度，不同的支承組合