机械系统设计（8机座和机架）

1、第二章 机械系统设计,第六节 机电一体化系统的机座和机架,内容,机座或机架的作用及基本要求 机座或机架的结构设计要点,2 机械系统设计,2 机械系统设计机座或机架,作用：它既承受其它零部件的重量和工作载荷又起保证各零部件相对位置的基准。,一、机座或机架的作用及基本要求,机座类各种机床的床身,箱体类减速器的箱体、车床床头箱的箱体,分类,底座类电动绞车的底座,结构形状,铸造机架：,焊接机架：,单件小批，生产周期短。,使用钢板、槽钢、工字钢。,材料：多采用铸件，机架多由型材装配或焊接构成。,吸振能力强，刚度高，价格低。,机架零件特点,1、是机器中的最大零件，占总质量的7090%； 2、减轻机架零件的质量可节约材料减轻重量； 3、各种机架零件的结构形状与机器的功能密切相关。结构复杂、加工面多，几何精度和相对位置精度要求较高。,机架零件的一般设计要求,1、保证其上的零件、部件，准确定位、可靠固定；考虑某些关键表面及其相对位置精度； 2、应有足够的强度、刚度及振动稳定性；减少热变形； 3、应满足工业美学要求，形状简单，颜色适应环境； 4、应具有良好的加工与安装工艺性、经济性及人机工程等方面的要求。

2、,计算载荷、剖面形状,一、计算载荷,计算载荷：可能出现的最大载荷,1.结构形状简单，材料力学的有关公式；,2.结构形状复杂，基于模型实验得到的公式;,3.重要机架零件，有限元法精确计算；,设计计算：,4.要求不高，类比法设计。,二、剖面形状,1、大多数机座和箱体的受力情况很复杂，因而要产生拉伸、压缩弯曲、 扭转等变形。 2、机座和箱体受到弯曲或扭转载荷时，截面形状对于它们的强度和刚度有着很大的影响。 3、正确设计机座和箱体的截面形状，在既不增大截面面积，又不增大零件质量的条件下，来增大截面系数及截面的惯性距，从而提高它们的刚度和强度。,机座的典型结构 (1)方形截面机座 结构简单，制造方便，箱体内有较大的空间来安放其它部件；但刚度稍差，宜用于载荷较小的场合。所以机座应选择合适的壁厚、筋板和形状，以保证在重力、惯性力和外力的作用下，有足够的刚度。见图。 (2)圆形截面机座 结构简单、紧凑，易于制造和造型设计，有较好的承载能力。 (3)铸铁板装配式机座 铸铁板装配结构，适用于局部形状复杂的场合。它具有生产周期短、成本低以及简化木模形状和铸造工艺等优点。但刚度较整体箱体机座的差，且加工和装配

3、工作量较大。,保证其自身刚度、连接处刚度和局部刚度，同时要考虑安装方式、材料选择、结构工艺性以及节省材料、降低成本和缩短生产周期等问题。,二、机座或机架的结构设计要点,1 铸造机座的设计 (1)保证自身刚度的措施 合理选择截面形状和尺寸。 合理布置筋板和加强筋。 合理的开孔和加盖。,对于铸件，由于不需增加壁厚，就可减少铸造的缺陷；对于焊件，则壁薄时更易保证焊接的品质。,截面形状的合理选择是机架设计的一个重要问题。如果截面面积不变，通过合理改变截面形状、增大它的惯性矩和截面系数的方法，可以提高零件的强度和刚度。合理选择截面形状可以充分发挥材料的作用。 主要受弯曲的零件以选用工字形截面为最好，主要受扭转的零件，以圆管形截面为最好，空心矩的次之，从刚度方面考虑，则以选用空心矩形截面的为合理。 受动载荷的机架零件，为了提高它的吸振能力，需要合理设计截面形状，即使截面面积并不增加，也可提高机架承受动载的能力。,截面形状的选择 当受简单拉、压作用时，变形只和截面积有关，而与截面形状无关，设计时主要是选择合理的尺寸。 如果受弯、扭作用时，变形与截面形状有关。在其它条件相同情况下，抗扭惯性矩Ic越大，

4、扭转变形越小，抗扭刚度越大。,面积相同的，各种截面形状与惯性矩的比较 1）空心结构的刚度比实心结构的刚度大； 2）封闭圆形截面的抗扭刚度好，而封闭方形截面的抗弯和抗扭都较好； 3）加大横截面轮廓尺寸和减小壁厚时，可提高刚度。,隔板与加强筋 封闭空心截面的刚度较好，但为了铸造清砂及其内部零部件的装配和调整，必须在机座壁上开“窗口”，其结果使机座整体刚度大大降低。若单靠增加壁厚提高刚度，势必使机座笨重、浪费材料，故常用增加隔板和加强筋来提高刚度。 加强筋常见的有直形筋、斜向筋、十字筋和米字筋四种（如图）。直形筋的铸造工艺简单，但刚度最小；米字筋的刚度最大，但铸造工艺最复杂。 加强筋和隔板的厚度，一般取壁厚的0.8倍。,当机架零件的外廓尺寸一定时，因而在满足强度、刚度、振动稳定性等条件下，应尽量选用最小的壁厚。但面大而壁薄的箱体，容易因齿轮、滚动轴承的噪声引起共鸣，故壁厚宜适当取厚一些。 铸造零件的最小壁厚主要受铸造工艺的限制。同一铸件的壁厚应力求趋于相近。,任何机械都会发生不同程度的振动。动力、锻压一类机械尤其严重。即使是旋转机械，也常因轴系的质量不平衡等多种原因而引起振动。机械设备的振动

5、频率一般约在10100Hz范围。 由于外界因素的干扰，一般生产车间地基的振动频率约为260Hz，振幅约为120m。 隔振的目的就是要尽量隔离和减轻振动波的传递。常用的方法是在机器或仪器的底座与基础之间设置弹性零件，通常称为隔振器或隔振垫，使振波的传递很快衰减。 隔振器中的弹性零件可以是金属弹簧，也可以是橡胶弹簧。,(2)提高机座连接处的接触刚度 (3)机座的模型刚度试验 (4)机座的结构工艺性 (5)机座的材料选择,连接刚度 为提高结合表面的连接刚度，可采取如下措施： 1）根据受力大小和方向，合理选择紧固螺钉的直径、数量及其位置。必要时，可使螺钉产生预紧力，来提高连接刚度。 2）提高结合表面的光洁度和形状精度，使结合表面上的接触点增多，从而提高结合面的接触刚度。 3）增加局部刚度来提高连接刚度，如图。在安装螺钉处加厚凸缘；或用壁龛式螺钉孔；或用加强筋等办法增加局部刚度，从而提高连接刚度。,机体的结构工艺性,1、减小加工面积； 2、加工表面与非加工表面要区分开； 3、被加工面在同一平面内。,机架零件的结构设计,一、机体的结构形式（以减速器为例）,剖分式：装拆方便，但结构复杂,整体式：刚度高，结构简单，装拆不方便,机体的几何造型,1、从工业美学角度考虑； 2、方型箱体，内六角螺钉、内凸缘、内筋板。,2焊接机架的设计,优点：在刚度相同的情况下可减轻重量30左右；改 型快，废品极少；生产周期短、成本低。 结构：常用普通碳素结构钢材(钢板、角钢、槽钢、钢管等)焊接制造。,本章小结,本章重点学习了机电一体化系统的机械系统机械传动部件和导向支承部件的选用与设计。重点掌握丝杠传动和齿轮传动的选用与设计的基本要求、原则和设计方法以及了解相关结构的工作原理；重点掌握滑动导轨和滚动导轨的选用与设计的基本要求、原则和设计方法，了解相关结构的工作原理以及其他导向装置的特点。,思考题,1 机电一体化系统中传动机构的作用是什么？ 2 机电一体化系统对传动元件的基本要求是什么？ 3 滚珠丝杠副的主要构成元件、传动特点以及支承方式（特点）有哪些？ 4 已知某四级齿轮传动系统，各齿轮的转角误差弧度，各级传动比i=4，求：1）传动系统的最大转角误差。 2）为缩小应采取的措施是什么？,

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