设计各种机器的一个重要任务是选择机械元件并考虑如何有效地使用它们。机械元件包括导轨(直线导轨)、动力传输(滚珠丝杠、皮带、链条)、轴承、联轴器、弹簧和密封件。这些元件的正确组合会产生一个符合所需规格的最佳机器。

那么,如何才能做出正确的选择呢?要做到这一点,重要的是:

(1) 正确理解所需的规格(Quality)

(2) 保持在预算之内 (Cost)

(3)考虑过程和交付时间(Delivery)

如果这三者中缺少任何一个,都不会是一个好的设计。换句话说,括号里所描述的就是QCD。这是一个在生产车间经常听到的术语,但重要的是,即使在设计阶段,也要经常考虑到它。下面,我们来更详细地说明一下这三个要素。

第一点是要正确理解需求规格:你必须仔细观察这个规格是“必须”还是“想要”。如果它是必须的,那么在设计时的目标(计划的)规范就需要在此之上考虑,如果它是“想要的”,你需要判断它在多大程度上是必须的,并据此进行设计。你可能已经注意到,我们应该是在谈论性能,但我们也在谈论成本。性能、成本和交付是联系在一起的,所以要确保你考虑到整体情况。

在性能方面需要考虑的第二点是,例如,在线性引导(导引)的情况下,除了线性导轨之外,还可以考虑线性轴和滚珠轴套、凸轮随动装置和其他导引方法。对于驱动传动元件,滚珠丝杠的价格将取决于它是精密丝杠(研磨)还是滚动丝杠。对于驱动元件(驱动源),可以考虑感应电机、伺服电机和空气驱动。选择最便宜的要从性能、可维护性等方面考虑。

流程和交付时间的第三个考虑因素是,无论产品(机器)有多好,如果不能在需要的时间内交付,其价值就会降低。举个例子,假设你在午休时间出去吃饭,但午休期间的时间有限,所以你没有太多的时间来放松和吃饭。如果你在点完菜后要等20或30分钟,你的午休时间可能就结束了。在这样的餐厅,无论食物多么便宜和美味,你都不会去选择它。性能和成本是有的,但交货时间却没有。

就机械元件而言,交付时间往往是一个问题,例如,滚珠丝杠。精密滚珠丝杠具有良好的精度,但它们需要很长的时间来交付。如果它们是绝对必要的,你必须考虑提前作出安排。如果出现没有在正确时间送达或者组装的情况,就需要进行等待或者改变流程,这将影响到整体成本。

如上所述,机械元件的选择对设计有相当大的影响。当涉及到机器设计时,你可能认为你需要考虑的是制造物品的成本,但机械元素的选择是非常重要的。阅读本篇,将能够提高你的设计质量。

下面,我们来讨论主要的机械元件。

直线导轨选型指南:径向型与四通等负荷型的适当选型方法

日本国内和国外的制造商都有各种各样的直线导轨。以前有人说国外厂家的产品有质量问题,但现在它们已经达到了与日本国内厂家相媲美的水平。直线导轨制造商在展会上也有很多展位,这说明他们在销售方面下了很大的功夫。

其结构类似于滚动轴承的线性延伸,小球或滚子在滑块和轨道之间滚动。滚动摩擦导致低摩擦系数,形成高速运行。小球和滚子的结构是在滑块中循环,这使得滑块的行程是无限的。

从规格上看,承重方向主要有两种类型。径向型和四个方向的等载型。径向型可以在轨道向下的位置上承受垂直向下方向的载荷。它们也可用于壁挂式和吊顶式位置,但图1所示的允许的反向径向和横向载荷要低得多。四向等载型可以在径向、壁挂和天花板悬空位置承受相同大小的载荷。当大部分载荷在径向时,最好选择径向型,而当横向载荷、壁挂式或吊顶式时,最好选择四向等效载荷型。

例如,如果应用了扭矩载荷,可以通过使用两个间距更宽的滑块来增加允许的载荷。计算允许载荷的详细方法可以在直线导轨目录和技术文件中找到,必要时应查阅。

滚珠丝杠选择指南:精密丝杠和滚珠丝杠之间的选择

与直线导轨一样,滚珠丝杠也可以从日本国内和国外的制造商那里获得。轴径和导程也是 JIS 标准的,各公司之间可以互换,但在电机安装侧的轴端形状方面几乎没有互换性,所以必须注意。

滚珠丝杠的结构与直线导轨的结构类似,滚珠在丝杠轴和螺母之间滚动,并在螺母中无休止地循环流动。滚珠在其中滚动的凹槽的精密加工和对滚珠尺寸的控制,使得定位精度是滑动螺钉所不能达到的。

滚珠丝杠是一个在选择过程中经常考虑的机器元件。通过查看目录,考察①进给速度(领先)、②轴径(临界速度)和③定位精度(精度等级)的组合。其中,第三个精度等级影响到滚珠丝杠的价格和交货时间。

资料来源:来自 THK 技术数据
https://tech.thk.com/en/products/pdf/en_b01_056.pdf

如表1所示,可提供C0至C10的精密等级,其中C0至C5为研磨螺钉(抛光螺钉),C7至C10为搓丝螺钉。一般来说,研磨螺丝通常被称为精密滚珠丝杠。研磨螺丝是通过研磨滚珠的滚道来完成的。因为它们是通过研磨工艺完成的,所以它们是精密螺丝,但它们因此更昂贵,需要更长的时间来交付。在粗略检查并确定型号后,与制造商确认交货日期。如果在详细考虑和确认交货日期后,没有达到交货日期,将有大量的时间进行返工。

我想大部分工作的交货期都不宽裕,所以要尽可能充分利用我们的时间。使用上的区别,广义上讲,精密滚珠丝杠用于定位应用,滚动滚珠丝杠用于运输。行走速度是螺杆轴速和导程的组合,但如果轴径又长又窄,运行速度可能会超过临界速度(临界速度)。在这种情况下,有必要考虑改变导程、增加轴径或放弃使用滚珠丝杠等措施。

资料来源:来自 THK 技术数据
https://tech.thk.com/en/products/pdf/en_a15_011.pdf

如何使用和选择正时皮带:根据精度要求和行程长度选择要点和应用示例

当精度不如滚珠丝杠高时,或者当行程太长而不能使用滚珠丝杠时,就会使用正时皮带。正时皮带有两种类型:用于运输和驱动传动。它们由橡胶制成,带有钢、不锈钢或凯芙拉核心,能够承载高张力。

对于运输应用,齿形是梯形的,而对于驱动传动应用则是圆形的(表2)。这是一个从外观上判断应用的好方法。梯形齿形也可以传递小扭矩,但当施加大扭矩时,与正时皮带轮的啮合可能会移动,导致 “跳齿”。这是由齿形和皮带的可允许张力造成的。由于驱动传动的允许张力较高,初始张力也可以增加,这就减少了跳齿的发生。

齿痕类型
四角形L、H、T
循环形式S○〇M、MA、PX
表2:正时皮带的齿形

当使用弯曲型(无接头)皮带时,那些标准长度的皮带(如目录中所述)的交货时间相对较短,但当超出目录尺寸时,往往需要更长的交货时间。当使用长皮带时,建议尽早确认交货日期,正如滚珠丝杠的情况一样。

正时皮带在使用时有一个初始张力。张力余量因皮带而异,所以一定要检查技术数据,根据要使用的皮带长度确认张力余量。另一件经常被遗忘的事情是皮带的应用方式。定时滑轮几乎总是使用法兰盘,皮带必须挂在这个法兰盘的外周。换句话说,中心空间必须从设计的中心空间(使用时)减少到可以悬挂皮带的位置。请注意,需要一个张紧余量和一个减少余量。

链条选择指南:基础知识和实际使用

工业应用中的大多数链条都是滚子链(传送机械动力链条)。链条与链轮成套使用;只要是JIS标准的链条,就可以在不同的公司之间互换,更换链条时更换制造商也没有关系。尺寸表示为#40(40号)、#50(50号)、#80(80号)等。尺寸越大,间距越长。

80号的间距是25.4毫米(1英寸),比较宽。80号的间距是25.4毫米(1英寸),40号的间距是40/80×25.4=12.7毫米,160号的间距是160/80×25.4=50.8毫米,可以根据80号来计算。记住“80号的间距是25.4,其他的按比例计算”是很有用的。

与正时皮带一样,链条可用于输送和驱动传动。上面介绍的链条主要用于驱动传动,但对于输送来说,有的链条节距更长,有的链条可以积放,有的链条可以以两倍的速度输送。链条是由金属制成的,比同步带的伸长率小,可以输送重物。它们也更耐高温,因此被用于炉子里和周围。链条和同步带具有类似的特性,但应根据应用情况而使用不同的方式。

轴承工作条件和寿命设置:球轴承的注意事项

在轴承中,滚珠轴承(ball bearing)的使用最为频繁。滚珠轴承的摩擦力小,可以高速旋转,但在选择时必须确定负载的方向和大小。不正确的确定会导致轴承损坏。如果只施加径向载荷,深沟滚珠轴承(径向轴承)是可以的,但如果施加轴向载荷,应考虑角接触轴承或类似的轴承。负荷的大小对轴承的寿命有影响。在实际运行条件中,需要考虑轴承的使用寿命(更换频率)的设定程度。

在轴承中,还应该注意润滑(注油)和密封。深沟球轴承有接触和非接触密封,但推力和角接触轴承没有密封,所以必须考虑密封和润滑。

作为滚珠轴承运转条件下的注意事项,如果在有细微原地摆动的区域使用,滚动体(球)会在原地往复运动,导致内圈和外圈的局部磨损。避免在这些条件下使用滚动体,因为它们的使用寿命会比计算的时间提前。在滚动体至少转一圈的情况下使用。如果滚动体被用作针(滚针)而不是球(滚珠),那么滚动体每转的距离就会减少。

齿轮类型和选择要点:如何选择注重形状、材料、光洁度和精度的齿轮

齿轮作为动力传输元件可以是相当重要的部件。然而,它们的选择必须考虑各种规格,如形状(轴的组合方向)、材料、表面处理和精度。齿轮制造商以这些规格的组合出售各种齿轮,因此,如果你能从他们的阵容中选择,考虑购买是一个好主意。

形状(轴的组合方向)可以是平行的(正齿轮),直角的(伞齿轮)或扭曲的。齿轮的类型是由轴的布局决定的。齿形可以是直角的或螺旋的。斜齿轮在轴上产 生一个推力,但其特点是旋转平稳。特别是在低转速下。

在低速平稳旋转的发动机中,这种差异很容易看出来,所以当需要在低速平稳旋转时,应该考虑到这一点。硬钢(如 S45C)、不锈钢(SUS304)和树脂(MC 尼龙)是最常见的材料。只有硬钢是齿形硬化的。不同类型的使用取决于它们的使用环境。

精加工与精度之间存在着密切的关系。有两种类型的齿轮精加工:“切削加工” 和 “磨削加工”。切削精加工是通过用滚齿机进行切削来完成的。研磨精加工是在用滚齿机加工后用砂轮研磨完成的。当然,研磨提供了更高的精度。高精度的齿轮 = 精确的齿距 = 精确的每转齿轮行程。

现在,你可以只需看着产品目录开头的图片,就可以选择所需的齿轮。例如,选择是 “正齿轮,材料 S45C,精加工”。下一步是根据传输扭矩确定齿轮,考虑模块、齿面强度和弯曲强度。对于齿面强度和弯曲强度,请参考制造商的技术资料和教科书,其中也提供了计算程序。

在使用齿轮时,还有一个重要的问题。始终确保有一个调整反向间隙的机制。如果反向间隙太小,它就不会转动,如果太大,它就会发出响声。最重要的是,这个范围很窄,调整起来很严重。想想看,如果没有反冲力调整机制,就什么都不是。

最后,一个很少出现在教科书中的齿轮是 CP(圆周率)齿轮。虽然只用于齿轮齿条,但这些齿轮的齿节(齿峰之间的距离)几乎是一个整数。当齿条和小齿轮用于定位应用时,建议使用它。

联轴器选择指南:考虑联轴器特性以吸收偏心和角度偏差

联轴器是用于轴连接的元件,吸收偏心和不对中。它们以“联轴器”的商品名称出售。许多制造商提供了各种各样的联轴器。
从结构上看,联轴器由一个轮毂和一个中间部分组成,轮毂是与轴连接的,中间部分吸收偏心和不对中。中间部分的不同结构给了联轴器不同的特性。

  • 偏心率和偏角的大公差和小公差
  • 反冲的大小
  • 具有较高或较低的允许旋转速度。

当旋转方向为同一个方向时,如在输送机中,反冲的影响很小,所以经常使用反冲大但对偏心和角度偏差容忍度高的链条或齿轮联轴器。对于使用伺服电机的定位应用,使用无齿隙或小齿隙的联轴器。使用的是板式弹簧类型。
传动扭矩是由联轴器的尺寸(外径)决定的,所以根据目录中的允许传动扭矩一栏选择联轴器。

离合器/制动器选择指南:详细考虑操作条件和时间表

作为机械元件的选择时,离合器/制动器最常作为一个单元出售。为此,操作条件(速度、扭矩和离合器/制动器的操作时间)应该得到很好的规划,甚至应该在考虑中包括一个时间图表。然后从目录中进行选择。

在制造商的网站和其他网站上有选择页面,但它们不一定与你所想指定的情况完全吻合。重要的是,在进入这个页面之前,要先做自己的规划。因此,如果你在这个页面上找不到匹配的产品,或者你想了解更多,你可以联系制造商的联系人或贸易公司的销售人员。

弹簧设计和选择指南:与制造商的专业知识合作很重要

弹簧的制造是相当专业的,你不一定能自己设计所有的东西。拉伸弹簧的设计尤其困难。最好是尽可能地从制造商的产品阵容中选择。这样,质量会更稳定,更换零件的供应也会更顺利。

压缩弹簧在使用时几乎都是“设定载荷”,即从自由长度上略微减少。这有两层意思:防止弹簧在运行过程中脱离弹簧座,并施加一个初始载荷。汽车悬挂系统中的弹簧不脱落的原因是施加了一个固定的载荷。请记住,在使用压缩弹簧时要施加固定的负荷。

拉伸弹簧通常是无负荷的紧密接触弹簧。这种紧密接触的状态意味着初始载荷是在收缩方向上施加的。当只看压缩弹簧时,很容易忘记拉伸弹簧的初始载荷。由于初始载荷的作用,即使弹簧被拉动,在超过初始载荷之前也不会伸展。如果你在按订单生产时没有和制造商确认初始载荷,你可能会在弹簧安装到设备上后发现“怎么有些不同呢…”。我们在上文种说到拉伸弹簧的设计很困难的原因就是因为这个初始载荷。拉伸弹簧的初始载荷也是制造的一个条件,所以如果能在设计阶段就咨询制造商,那就更理想了。

弹簧的设计并不遵循教科书的规定。由于它是一个高度专业化的机械元件,建议依靠制造商的能力(而不是把整个东西扔掉)。

如何选择和处理密封件:流体确认和设计标准的重要性

最常用的密封件是O型环和油封。两者都是由JIS标准定义的,所以在尺寸和可用性方面应该没有问题(一般材料)。有两点需要注意:一是检查使用的液体,二是处理。

密封件是由橡胶制成的,可能会受到某些液体的影响。请查阅目录,了解与所使用的液体的材料兼容性。在高温或低温下使用密封件时也应注意。制造商对密封材料在化学物质方面有一定的了解。他们将能够回答你可能有的任何问题。

关于操作,密封件在本文所列的机械元件中是最敏感的。你可能会认为它只是“一个由橡胶制成的小部件”。但是,正是这个小部件防止了泄漏,能够保证气缸的工作,汽车运行时也不会出现喷机油的现象,这都是因为正确使用了密封件。在设计方面,必须遵守外壳(轴和槽)的设计标准。这些设计标准在目录中有所描述。表面的粗糙度、锥度角和尺寸公差都有列出。

在装配过程中,需要对密封件进行清洁和润滑,以防止它们被刮伤。特别是在油封插入轴中时,密封圈表面会与轴摩擦,如果此时轴上有划痕或碎屑,所谓的“垂直划痕”就会出现在密封圈表面,造成泄漏。装配工作是由装配人员进行的,但是要特别注意将出现划痕的可能性降到最低。


笔者 : 孝治 正和
Koji Professional Engineer Office
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