第三章
机电系统机械设计技术
机电一体化系统中的机械设计要遵循机电结合、机电互补
的原则，满足高精度、快速响应速度和稳定性的要求。具体包
括两大部分的内容：一是 机械传动装置的设计,一是 机械
结构的设计 。
机械设计技术
机械传动装置设计
机械结构设计
滚珠丝杠传动
无侧隙齿轮传动
谐波齿轮传动
同步齿形带传动
膜片弹性联轴器
导轨设计
支承装置
主轴组件设计
3.1 机械传动装置概述
一、传动装置功能及性能要求
功能, 传递运动（速度、位移）和动力（力、力矩）
增速或减速；变速；
改变运动规律或形式
动力机的动力传递给执
行机的驱动力 (力矩）
机电一体化系统的传动装置是伺服系统的一部分，通过
控制装置，使机械传动部分与伺服电动机的动态特性相匹配，
并且满足传动精度、定位精度高，响应速度快，速度的稳定性
好。
性能要求满足以下几个方面,
1、转动惯量（ J ） 小
转动惯量大对系统造成不良影响，使机械负载变大，系统响应
速度降低，灵敏度下降，但是 J 小不应影响机械系统的刚度。
2、刚度（ K ） 大
刚度是指弹性体抵抗变形的能力，或产生单位弹性变形量所
需要的作用力。
大的刚度对机械系统是有利的，可增大机构固有频率，不易
产生共振，增加伺服系统的稳定性。
3、阻尼（ B ） 合适
系统产生振动时,B 越大，振幅越小，衰减越快，但稳态误
差增大，精度降低。
阻尼比为,
m
K??
mK
B
2??
1??
1??
1??
过阻尼系统
临界阻尼系统
欠阻尼系统
一般取
8.04.0 ?? ?
二、传动装置的类型
按工作原理分为,
啮合传动 (齿轮传动、齿形带传动 )
摩擦传动 (带传动、钢丝绳传动 )
推动传动 (凸轮连杆机构 )
机械传动
液压传动
气压传动
液力传动
流体传动
交流电力传动
直流电力传动
交、直流电力传动
电力传动
磁力传动
按输出速度情况分为,
转速恒定传动
转速可调传动
3.2 滚珠丝杠（或滚动螺旋）传动
一、工作原理与结构形式
丝杠和螺母的螺纹滚道间置滚珠，当丝杠或螺母转动
时，滚珠沿螺纹滚道滚动，使丝杠和螺母作相对运动时为
滚动摩擦。
在螺母（或丝杠）上有滚珠返回的通道，与螺纹滚道
形成循环回路，使滚珠在螺母滚道内循环。
结构形式（按滚珠的循环方式不同）,
?内循环类型
?外循环类型
外循环：多圈一个循环，在循环过程
中一部分滚珠与丝杠脱离接触
内循环：一圈一个循环，在循环过
程中滚珠与丝杠始终不脱离接触
二、滚珠丝杠的特点
1、传动效率高
3、传动精度高
精度
)( ??
??
?? tg
tg
其中,中径处的螺旋升角
当量摩擦角 （ ）
一般而言，摩擦系数较小
因此，效率很高，可达 90%-95%。
2、运动具有可逆性
回转运动变直线运动 正传动
直线运动变回转运动 逆传动
λ
? 218 ???
0035.00025.0 ??? ?? tg
轴向定位精度
进给精度 mmm 300/4 ?
误差,
4、磨损小，使用寿命长
滚珠、滚道、丝杠、螺母都经过 淬火、硬化 处理 HRC58-65。
5,不能自锁
垂直安装时，当运动停止后，螺母在重力作用下下滑，故
需设置制动装置，如图示。
6、制造工艺复杂，成本高
三、轴向间隙的调整
轴向间隙包括两部分
滚珠与螺母原有的间隙
承载时滚珠与滚道弹性变形引起的间隙
当丝杠改变转动方向时，间隙会使运动产生空程，从而影响机
构的传动精度。
通常采用双螺母预紧的方法消除间隙，提高刚度。
三种结构形式,
? 垫片调隙式
? 螺纹调隙式
? 齿差调隙式
? 变位螺距调隙式
1,垫片调隙式
调整垫片厚度，使螺母产生轴向位移，该形式结构简单，调
整方便，应用广，但仅适用于一般精度机构。
2、螺纹调隙式
通过圆螺母调整，消除间隙并产生预紧力，再用锁紧螺母锁
紧，结构紧凑，调整方便。
3、齿差调隙式
两螺母的凸缘上制有圆柱外齿，齿数 Z 1,Z 2 且 Z 2 -Z 1=1，
分别与内齿轮啮合，调整时先取下内齿轮，使两螺母产生相对位
移（即在同方向转过一个齿或几个齿，根据间隙大小），然后将
内齿轮复位固定，达到消除间隙的目的。
产生的轴向位移（即间隙） δ为,
npZZ )11(
21
???
其中,n为螺母同方向转过的齿数
p为丝杠的导程
例：若 Z1=99,Z2=100,n=1,p=6mm
则 δ =0.6μ m
该结构复杂，加工和装配工艺性差，但是调整的精度高，工
作可靠。
4,变位螺距调隙式（不常用）
四、滚珠丝杠的主要尺寸、精度等级和标注方法
1、主要尺寸
公称直径（滚珠中心圆直径） D0（ mm）
导程 (或螺距 ) p（ mm）
螺旋升角 λ（ ° ）
滚珠直径 d0(mm)
螺纹滚道半径 R (mm)
此外还有：丝杠外径、丝杠内径、螺母外径、螺母内径等。
2、精度等级
根据 JB316.2-91,滚珠丝杠副精度, 标准规定分为 5个等级,1,2,3,4,5
级（有的参考书称 7个等级，另外有 7,10级）,1级最高,5级最低。
? 一般动力传动选 4,5级
? 数控机床、精密机械或仪器选 1,2,3级
3、标注方法
滚珠丝杠副结构、规格、精度的标注方法如图所示,
螺纹旋向, 右旋不标
检查项目编号
精度等级
滚珠总圈数
基本导程
公称直径
预紧方式
循环方式
外形结构特征
例,1,FC1B-60× 6-5-E2 左 (汉江机床厂 )
2,FFZD40× 5-3-D3/1400× 900 （南京工艺装备厂）
×
四、支承方式的选择和设计计算
1、支承方式的选择
为保证滚珠丝杠副传动的刚度和精度，应选择合适的支承方式，选用轴承组合，一
般常用推力轴承和向心球轴承。
四种典型的支承方式,
固定可以用深沟
球轴承和双向推
力轴承组合或用
圆锥滚子轴承
两端都装止推轴
承，承受轴向载
荷
两端都装止推轴
承和向心球轴轴
承，承受轴向、
径向载荷
固定端装深沟球
轴承和双向推力
轴承，承受径向、
轴向载荷，简支
端用深沟球轴承
径向约束
2、设计计算
已知条件是,工作载荷或平均工作载荷（ F或 Fm） ;
丝杠副的使用寿命 L；
丝杠的工作长度（或螺母的有效长度） l;
丝杠的转速 n;
滚道硬度 HRC及运转情况。
设计步骤,1、求出计算载荷 Fc
Fc=K Fm K为工况系数
2、根据寿命计算出额定动载荷
3 1067.1 4??? hnLca FC 其中,610
60 ??? n
LL
h
小时
aC?
3、查滚珠丝杠副系列中的额定动载荷,使,
初选几个规格（或型号），列出其主要参数
4、验算传动效率、刚度、稳定性等
aC aa CC ??
3,滚珠丝杠副传动刚度的计算
传动刚度由三部分组成,
? 滚珠丝杠的拉压刚度 KC
? 滚珠丝杠与螺母接触刚度 KN
? 滚珠丝杠轴承与轴承座的支承刚度 KB
（ 1）拉压刚度 KC
a,一端固定，一端自由
根据材料力学知识
nL
Ed
l
EdK
c 44
2
1
2
1 ?? ??
其中,为行程比；
d1为丝杠螺纹底径； E为弹性模量
MPa
L
ln?
Ll?
L
EdK
c 4
2
1
m i n
??
b、两端固定
M
L
l
5101.2 ?
刚度最低点在,
)1(
1
4
)
11
(
4
2
1
2
1
nnL
Ed
lLl
Ed
K c
?
??
?
??
?
?
M
L
l
2Ll ? L
EdK
c 4
2
1m i n ??
刚度最低点在,
（ 2）接触刚度 KN
根据经验公式,
3
2
0
2
5.2159 FddiK
b
N ?
3
2
0
2
7.2 6 6 7 FddiK
b
N ?
)11.1( ?
br
R
)04.1( ?
br
R
其中,i 为滚珠螺母的有效工作圈数
F为轴向载荷 R为滚道半径
rb, db 为滚珠半径、直径
（指轴向）
（ 3）支承刚度
包括三部分内容
轴承轴向刚度 KB
轴承支座刚度 KBR
螺母支座刚度 KNR
这三部分刚度，一般难以精确计算，根据结构而定。
4,滚珠丝杠副传动的力学模型
传动系统的力学模型可以简化成如下图所示的弹簧质量系统
图示 丝杠副传动系统的力学模型
m
2KB KCmin KBR KN KNR
传动系统的传动刚度为,
NRNCBRB KKKKKK
1111
2
11
m i nm i n
?????
3.2 （无侧隙）齿轮传动
一、齿轮传动的特点
作用,用来传递转矩和转速。
优点,1、瞬时传动比恒定，传动精确度高；
2、强度大能承受重载，结构较紧凑；
3、满足主轴进给速度要求，增大主轴转矩。
缺点,1、齿侧间隙对传动精度影响；
2、齿轮的磨损引起反转误差的逐渐扩大。
二、齿轮传动的类型
1、直齿圆柱齿轮传动
a 偏心轴套调整法
1
2
2
1 ZZnni ??
中心距 a
b 双片薄齿轮错齿调整法
（ 1）可调拉簧式,
2、斜齿轮传动
a 垫片调整法
（ 2）周向弹簧式,b 轴向（压簧）调整法
3、齿轮齿条传动
存在齿侧间隙，应加以
消除，常用的方法,
a,双片薄齿轮错齿调
整法
用于传动较小负载
b,双齿轮调整法
用于传动较大负载，
如右图所示
三、齿轮传动传动链的级数和级比的选择
总原则,尽量采用较大传动比的单级传动
多级传动时，遵循如下的原则,
1、最小等效转动惯量原则
传动比 i 的分配先小后大，级数越多等效转动惯量越小，但级数太
多时，结构复杂化，并且等效转动惯量降低不明显。
2、输出轴转角误差最小原则
传动比 i 的分配先小后大，并且提高末一级齿轮副的精度，使输出轴
转角误差最小。
3,重量最轻原则
小功率传动时,i 的分配各级相等；
大功率传动时,i 的分配先大后小。
对数减少
传动精度提高
3.3 谐波齿轮传动
一、谐波齿轮传动原理
利用行星轮系传动原理，
波发生器转动，迫使柔性齿
轮产生可控制的变形波（近
似谐波），并和刚轮作用引
起齿间相对位移，传递运动
和动力。
由三个基本构件组成：
波发生器、柔轮、刚轮，其
实质是一种新型减速器。
二、谐波齿轮传动特点
1、传动比大,1.002～ 1.02
或 50～ 500；
2、承载能力高；
3、传动平稳，精度高；
4、体积小，噪声低
优
点
波发生器是行星轮系的转臂
刚轮是中心轮
柔轮是行星轮
1、柔轮周期性变形，易疲
劳破坏 ；
2、转动惯量和启动力矩大，
不适宜于小功率传动；
3、不能用于传动比较小场
合（ i 小于 35）；
4、散热差
缺
点
三、谐波齿轮型号
四、应用
广泛应用于机电
一体化产品中，如机
器人、机器仪表、雷
达中用作运动传递；
在冶金、化工、起重
运输设备中传递运动
和转矩。
有标准系列规格
可供选择
3.5 同步齿形带传动
一、同步齿形带传动的特点
综合了带传动、链传动、齿轮传动特点的一种新型传动，如下图示。
二、同步齿形带的结构、主要参 数和尺寸规格
1、结构和材料
1、传动比比准确，传动效率高 ；
2、工作平稳，能吸收振动；
3、传动比范围大；
4、中心距严格，成本高；
5、不需润滑，耐油、耐高温，
维护方便 。
与一般带传动相比的特点,
同步带由强力层和 带齿、带背 组成。
带的抗拉元件，保
证工作时节距不变
传递带轮
间的动力
粘结强
力层
基体
材料：钢丝、玻璃纤维、芳纶 聚氨脂橡胶、氯丁橡胶
2、主要参数和规格
主要参数是带齿的 节距 t(或 pb ):相邻两个齿中心间沿 节线 距离,t=π m
节线 (Lp),强力层的中心线。节线长度为齿形带的公称长度。
按 GB11616-89规定，同步带有单面齿（仅一面有齿）和双面齿（两
面都有齿）两种形式，根据节距不同分为七种规格,
型号 MXL XXL XL L H XH XXH
节距
（ mm）
2.032 3.175 5.08 9.525 12.7 22.225 31.75
3、同步带的标记
带的标记包括长度代号、型号、宽度代号等。
例,420 L 050
宽度代号（带宽 12.7mm）
型号（节距 9.525mm）
节线长度代号（节线长度 1066.8mm）
三、同步带轮
1、带轮的结构、材料
结构如右图示
材料：铸铁或钢（一般情况）
塑料或铝合金（高速小功率）
2、带轮的参数及尺寸规格
（ 1）齿形
3、带轮的标记
带轮的标记由带轮齿数、带的型号、轮宽代号表示。
例,30 L 075
轮宽（ 19.05mm）
带型号（节距 9.525mm）
带轮齿数（ 30个）
与梯形齿同步带匹配，齿形有直线形和渐开线形两种。
（ 2）齿数
齿数少则结构紧凑，但齿数太少易产生弯曲和疲劳破坏，按国标 GB11361-89
规定，小带轮应有许用最小齿数（参阅有关标准）。
四、同步带传动的设计计算
1、设计准则
根据齿形带的强度准则进行，限制齿形带单位宽度的拉力，防止强力层
的疲劳破坏、断裂以及节距改变而爬齿等。
根据强度准则计算齿形带宽度的公式为,
)][
1000
cPPv
jNb
?
?
其中,Nj为齿形带传递的计算功率（ kW）
[P]为齿形带单位宽度的许用应力（ N/mm）
Pc为齿形带单位宽度的离心应力（ N/mm）,
v为带速（ m/s）
q为单位长度、单位宽度的带重（ N/m.mm）
g为重力加速度（ m/s2）
21 qv
gPc ?
2、已知条件及设计内容
初始数据,功率 N、转速 n、传动比 i,空间位置尺寸及工作条件等 。
计算内容为,
（ 1）确定计算功率 Nj,NgK
jN ??
（ 2）确定模数 m Kg为工况系数（取决于载荷性质）
N为传递的额定功率
查表得到
由图 5-46，根据 Nj,n查表选取 m，尽可能选用 小模数（ 因为齿形带柔性
好,啮合齿多、工作平稳 ） 。
（ 3）确定小带轮齿数 Z1,大带轮齿数 Z2及节圆直径 D1,D2
根据小带轮转速 n1及所选模数，查有关标准（带轮最少许用齿数表）,选取
小带轮的齿数 Z1，使 Z1>Zmin，则
iZZ ?? 12
11 ZmD ??
22 ZmD ??
（ 4）校核带的速度 v
m a x111 0 0 060 v
nDv ?? ??
maxv 为带的最大允许带速（ m/s）,可根据模数 m查表确定，表 5-11
（ 5）确定中心距 a、带长 Lp和带齿数 Z
根据传动结构要求,初定 中心距 a0,))(2~7.0(
210 DDa ??
初定 带长 L0,
0
2
122100
4
)()(
22 a
DDDDaL ????? ?
再根据 L0，查表 5-8，定 实际带长 LP及齿数 Z
最后根据实际带长 Lp计算 实际中心距 a
2
0
0
LLaa p ???
])(8)(2)(2[81 21222121 DDDDLDDLa pp ???????? ??
（中心距可调）
（中心距不可调）
要求 Zn≥4 当 m≤2 时
Zn≥6 当 m>2时
112 )62
1( Za DDZ
n
???
（ 7）根据设计准则定齿形带宽度 b
（ 8）定作用在轮轴上的力 Fs
v
NF j
S
1000?
（ 9）定带轮的结构尺寸（结构、参数、材料、尺寸等）
根据小带轮包角原理
Zn的计算公式,
