機(jī)械設(shè)計(jì)與理論:第14章 螺旋傳動(dòng)

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1、第第1414章章 螺旋傳動(dòng)螺旋傳動(dòng)本章要點(diǎn):本章要點(diǎn):n了解螺旋傳動(dòng)的類型和特點(diǎn)及應(yīng)用;n掌握螺旋傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)關(guān)系;n了解螺旋傳動(dòng)的失效形式和計(jì)算方法。14-1 14-1 概述概述n螺旋傳動(dòng)由螺旋(螺桿)和螺母組成,一般用來將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)。也可將直線運(yùn)動(dòng)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。n結(jié)構(gòu)簡單緊湊、機(jī)械效益高和傳動(dòng)均勻、準(zhǔn)確、平穩(wěn)、易于自鎖n在小到精密儀器、大到重型軋鋼機(jī)等工業(yè)部門中,獲得了廣泛的應(yīng)用。按使用要求的不同,螺旋傳動(dòng)分為三類:n傳力螺旋,主要傳遞動(dòng)力和能量(利用機(jī)械效益高的優(yōu)點(diǎn)),如用于螺旋壓力機(jī),螺旋起重器等機(jī)械;n傳導(dǎo)螺旋,主要傳遞運(yùn)動(dòng)(利用傳動(dòng)均勻、平穩(wěn)、準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn),并可簡化傳動(dòng)系統(tǒng)

2、),如用于機(jī)床刀架、工作臺等進(jìn)給機(jī)構(gòu);n調(diào)整螺旋,調(diào)整并固定零部件間的相對位置(利用移動(dòng)位移小的優(yōu)點(diǎn)),如用于電動(dòng)機(jī)在導(dǎo)軌上的調(diào)整和固定,鏜刀桿的差動(dòng)微調(diào)螺旋等。傳力螺旋,主要傳遞動(dòng)力和能量(利用機(jī)械效益高的優(yōu)點(diǎn)),如用于螺旋壓力機(jī),螺旋起重器等機(jī)械傳導(dǎo)螺旋,主要傳遞運(yùn)動(dòng)(利用傳動(dòng)均勻、平穩(wěn)、準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn),并可簡化傳動(dòng)系統(tǒng)),如用于機(jī)床刀架、工作臺等進(jìn)給機(jī)構(gòu)調(diào)整螺旋,調(diào)整并固定零部件間的相對位置(利用移動(dòng)位移小的優(yōu)點(diǎn)),如用于電動(dòng)機(jī)在導(dǎo)軌上的調(diào)整和固定,鏜刀桿的差動(dòng)微調(diào)螺旋等靜壓滑動(dòng)摩擦螺旋根據(jù)螺旋副中摩擦的不同,螺旋傳動(dòng)分為:n普通滑動(dòng)摩擦螺旋n靜壓滑動(dòng)摩擦螺旋n滾動(dòng)摩擦螺旋按運(yùn)動(dòng)形式不同,按

3、運(yùn)動(dòng)形式不同,螺旋傳動(dòng)分為螺旋傳動(dòng)分為:n螺桿轉(zhuǎn)動(dòng),螺母移動(dòng)-最常用的形式 如車床中的進(jìn)給螺旋,龍門刨床橫梁的升降裝置n螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)并移動(dòng),螺母固定不動(dòng) -精度較高,結(jié)構(gòu)尺寸較大,如螺旋起重器,銑床工作臺升降機(jī)構(gòu)等n螺母轉(zhuǎn)動(dòng),螺桿移動(dòng)-結(jié)構(gòu)尺寸大且較復(fù)雜,如平面磨床的垂直進(jìn)給螺旋等n螺母轉(zhuǎn)動(dòng)并移動(dòng),螺桿固定不動(dòng)-精度較低,如搖臂鉆床橫臂的升降裝置及手動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)等普通滑動(dòng)摩擦螺旋n結(jié)構(gòu)簡單、加工方便、成本低n摩擦阻力大、傳動(dòng)效率低,一般僅為0.3-0.7,當(dāng)螺紋升角小于摩擦角時(shí),反行程自鎖。n磨損快n運(yùn)轉(zhuǎn)較平穩(wěn),但低速或微調(diào)時(shí)易出現(xiàn)爬行現(xiàn)象n螺紋間有側(cè)向間隙,定位精度低,反方向時(shí)有空行程,軸向剛度低

4、n應(yīng)用:機(jī)床的進(jìn)給螺旋,千斤頂?shù)膫髁β菪?,車床的尾架調(diào)整螺旋等靜壓滑動(dòng)摩擦螺旋n靜壓螺旋,其螺旋與螺母被油膜隔開。不直接接觸,承載原理見靜壓軸承。n優(yōu)點(diǎn)是摩擦阻力極小,傳動(dòng)效率很高,在0.95以上,磨損小,壽命長,軸向剛度大;n缺點(diǎn)是螺母結(jié)構(gòu)復(fù)雜,不能自鎖,需一套壓力恒定、過濾要求較高的供油系統(tǒng)。靜壓螺旋示意圖n應(yīng)用:精密機(jī)床進(jìn)給和分度機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)螺旋等滾動(dòng)摩擦螺旋n滾動(dòng)螺旋,在螺旋與螺母之間充填滾珠,螺旋副內(nèi)滾動(dòng)摩擦n優(yōu)點(diǎn)是摩擦阻力小,傳動(dòng)效率高,在0.95以上,具有傳動(dòng)的可逆性,工作壽命長,約為滑動(dòng)螺旋的10倍,運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn),啟動(dòng)時(shí)無顫動(dòng),低速時(shí)不爬行,軸向剛度大,定位精度高 n缺點(diǎn)是但抗沖擊性

5、能差,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,制造較難,不具有自鎖性能n應(yīng)用:數(shù)控機(jī)床和精密機(jī)床的傳動(dòng)螺旋,汽車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的傳力螺旋,測試儀器中的調(diào)整螺旋等M型/微型標(biāo)準(zhǔn)螺母冷軋滾珠絲杠尺寸表普通滑動(dòng)螺旋副的螺紋種類普通滑動(dòng)螺旋副的螺紋種類n由螺旋副的力分析可知。矩形、梯形和鋸齒形螺紋效率高、省力,因而在傳動(dòng)中得到應(yīng)用,其中矩形螺紋因工藝性差和磨損后不能調(diào)整,故主要應(yīng)用梯形和鋸齒形螺紋梯形和鋸齒形螺紋。儀器中效率與省力不是主要問題,故也有用三角形螺紋的。n梯形螺紋的牙型及尺寸關(guān)系可查GB5796.1-86及GB5796.3-86;牙型角=30,內(nèi)外螺紋的對中性好,采用剖分式螺母可調(diào)整消除軸向間隙,傳動(dòng)效率比鋸齒形螺紋低,應(yīng)用

6、如機(jī)床中的進(jìn)給螺旋等,梯形螺紋的代號為Trn鋸齒形螺紋的牙型及尺寸關(guān)系可查JB/ZQ4312、4313、4314-86,工作面的牙型斜角為3,非工作面的牙型斜角為30,比梯形螺紋強(qiáng)度高,效率高,主要用于單向受力的傳力螺旋,如螺旋壓力機(jī)等,鋸齒形螺紋的代號為S14-2 14-2 螺旋傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)關(guān)系螺旋傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)關(guān)系n當(dāng)螺旋轉(zhuǎn)過角(rad)時(shí),螺母的軸向軸向位移位移x=/2s x=/2s 式中s為螺紋的導(dǎo)程(mm)。n若螺旋的轉(zhuǎn)速為n(r/min),則螺母軸軸向移動(dòng)速度向移動(dòng)速度v=n/60s (mm/s)v=n/60s (mm/s)極小位移差動(dòng)螺旋:n如果兩組螺旋副的旋向相同(如同為右旋),則當(dāng)

7、螺旋按圖示方向轉(zhuǎn)動(dòng)一圈,螺母相對機(jī)架的位移為兩個(gè)移動(dòng)量之差,當(dāng)螺旋轉(zhuǎn)過角時(shí),螺母相對機(jī)架所作的位移為nn差動(dòng)螺旋常用于測微計(jì)、計(jì)算機(jī)、分度機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。快速移動(dòng)差動(dòng)螺旋:n如果兩組螺旋副的旋向相反,則螺母相對機(jī)架所作的位移為x=/2(sx=/2(s1313+s+s1212)n適用于快速移動(dòng)的場合,如車鉤快速合攏或分開裝置(圖14-6)。14-3 14-3 螺旋傳動(dòng)的失效和材料螺旋傳動(dòng)的失效和材料n螺旋傳動(dòng)工作時(shí),在承受轉(zhuǎn)矩T的同時(shí),還承受軸向載荷Q。圖14-1分別示出了螺旋壓力機(jī)、螺紋起重器所受的載荷圖。n螺旋傳動(dòng)的主要失效形式是螺紋磨損螺紋磨損(它與材料、潤滑和工作表面的壓強(qiáng)有關(guān)),其他失

8、效形式是螺紋牙折斷或剪斷螺紋牙折斷或剪斷,螺桿斷裂,螺桿斷裂,長螺桿受壓失穩(wěn)等長螺桿受壓失穩(wěn)等。螺旋副的材料 n要求有足夠的強(qiáng)度、耐磨性以及低的摩擦系數(shù)。螺桿通常選用Q275、45、50號中碳鋼,重要的則選用工具鋼T10、T12或合金鋼65Mn、40Cr、40WMn、18CrMnTi等,需進(jìn)行熱處理。n減摩性和耐磨性好的螺母材料有鑄钖青銅ZCuSn10Pb1、ZCuSn5Pb5Zn5等;重載低速時(shí)可選用強(qiáng)度高的鑄鋁鐵青銅ZCuAI10Fe3、鑄黃銅ZCuZn25AI6Fe3Mn3;重載調(diào)整螺旋的螺母可選用球墨鑄鐵或35號鋼;輕載低速時(shí)可選用耐磨鑄鐵。尺寸大的螺母,用鑄鐵或鋼作外套,內(nèi)部澆注青銅

9、,高速螺母澆注巴氏合金。14-4 14-4 螺旋傳動(dòng)的計(jì)算螺旋傳動(dòng)的計(jì)算n由于螺紋磨損是傳動(dòng)的主要失效形式,故首先根據(jù)耐磨性條件耐磨性條件,算出螺旋的直徑和螺母的高度,按照標(biāo)準(zhǔn)確定螺旋傳動(dòng)的主要參數(shù),n然后校核螺紋牙和螺旋的強(qiáng)度,n對于受壓的長螺桿,需進(jìn)行穩(wěn)定性校核,n對于高速長螺桿,應(yīng)進(jìn)行臨界轉(zhuǎn)速成驗(yàn)算等。一、螺旋副耐磨性計(jì)算一、螺旋副耐磨性計(jì)算n磨損通常發(fā)生在螺母上,一般用限制接觸處的壓強(qiáng)來進(jìn)行耐磨性計(jì)算:p=Q/(dp=Q/(d2 2hz)p hz)p n式中:Q為軸向載荷;d2為螺旋中徑;h為螺紋工作高度(對于矩形、梯形螺紋,h=0.5P,對于鋸齒形螺紋,h=0.75P,P為螺距);z

10、為旋合的螺紋圈數(shù),z=H/P,H為螺母高度;p為許用壓強(qiáng),見表14-1。表14-1 螺旋副材料的許用壓強(qiáng)和滑動(dòng)速度范圍按耐磨性設(shè)計(jì)計(jì)算:n令比值=H/d2,并代入式(14-5),轉(zhuǎn)換后可得矩形、梯形螺紋螺旋的中徑 d d2 20.8(Q/(p)0.8(Q/(p)1/21/2 和鋸齒形螺紋螺旋的中徑 d d2 20.65(Q/(p)0.65(Q/(p)1/21/2 對磨損后間隙不能調(diào)整的整體式螺母,可取=1.22.5;對于間隙可作調(diào)整的剖分式螺母,取=2.53.5。根據(jù)算出的初步中徑按國家標(biāo)準(zhǔn)選取公徑直徑和螺距P。螺母的高度H和螺紋的圈數(shù)z:H=dH=d2 2,z=H/P10,z=H/P10圈數(shù)

11、過多不起作用,因載荷在螺紋各圈中的分布是不均勻的。有自鎖要求的螺紋應(yīng)驗(yàn)算自鎖條件。二、螺紋牙強(qiáng)度的校驗(yàn)計(jì)算二、螺紋牙強(qiáng)度的校驗(yàn)計(jì)算n螺紋牙的彎曲和剪切破壞多半發(fā)生在螺母上。校驗(yàn)強(qiáng)度時(shí),可將螺母的螺紋牙展開成懸臂梁,得彎曲和剪切強(qiáng)度條件分別為:b b=Q/zh/2/(1/6db=Q/zh/2/(1/6db2 2)=3Qh/(db)=3Qh/(db2 2z)z)b b =Q/(=Q/(dbzdbz)式中:b為螺紋牙根部的寬度。對于矩形螺紋,b=0.5P,對于梯形螺紋,b=0.65P,對于鋸齒形螺紋,b=0.74P;b和分別是許用彎曲應(yīng)力和許用剪切應(yīng)力,見表14-2。當(dāng)螺桿和螺母材料相同時(shí),則驗(yàn)算螺

12、桿,以小徑d1替代式(14-8)、(14-9)中的d。三、螺桿強(qiáng)度的校驗(yàn)計(jì)算三、螺桿強(qiáng)度的校驗(yàn)計(jì)算n螺桿在軸向載荷Q的作用下產(chǎn)生壓縮應(yīng)力或拉伸應(yīng)力,在軒矩T的作用下產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。根據(jù)第四強(qiáng)度理論,可求得螺桿危險(xiǎn)剖面的當(dāng)量應(yīng)力,并列出強(qiáng)度條件式為e e=(=(2 2+3+32 2)1/21/2=(4Q/d=(4Q/d1 12 2)2 2+3(T/0.2d+3(T/0.2d1 13 3)2 2)1/21/2 (14-10)(14-10)許用應(yīng)力見表14-2。四、螺桿穩(wěn)定性的校驗(yàn)計(jì)算四、螺桿穩(wěn)定性的校驗(yàn)計(jì)算n受壓的長螺桿有可能失穩(wěn)。校驗(yàn)壓桿穩(wěn)定性安全系數(shù)Scr的條件式為 S Scrcr=Q Qcrc

13、r/Q2.5/Q2.54 4 臨界壓力Qcr取決于螺桿的材料、長徑比=ul/i,式中l(wèi)為螺桿的最大工作長度;i為危險(xiǎn)剖面的慣性半徑,i=(I/A)1/2=(d14/64/d12/4)1/2=d1/4(I為危險(xiǎn)剖面的慣性矩,A為危險(xiǎn)剖面面積);u為長度系數(shù),與螺桿端部的結(jié)構(gòu)有關(guān),螺旋壓力機(jī)可視為一端固定、一端鉸支,u=0.7;傳導(dǎo)螺旋視為兩端鉸支,u=1;螺旋起重器視為一端固定、一端自由,u=2。當(dāng)8590時(shí),用歐拉公式確定臨界壓力Q Qcrcr=2 2EI/(EI/(ulul)2 2 90的未淬火鋼Q Qcrcr=334/(1+0.00013=334/(1+0.000132 2)d)d1 12

14、 2/4 /4 85的淬火鋼Q Qcrcr=480/(1+0.0002=480/(1+0.00022 2)d)d1 12 2/4 /4 40時(shí),不必進(jìn)行穩(wěn)定性校驗(yàn)。式中E為螺桿材料的彈性模量,對于鋼,E=2.1105N/mm2。五、其他校驗(yàn)計(jì)算五、其他校驗(yàn)計(jì)算n精密的傳導(dǎo)螺旋還應(yīng)校驗(yàn)螺桿的剛度,即驗(yàn)算它在軸向載荷和轉(zhuǎn)矩作用下的變形量。螺桿較長且轉(zhuǎn)速較高時(shí),可能產(chǎn)生橫向振動(dòng),應(yīng)驗(yàn)算其臨界轉(zhuǎn)速。一般情況下,不需要作這些校驗(yàn)。14-5 14-5 滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)簡介滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)簡介n滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)具有封閉循環(huán)的滾道,其中充填滾珠。滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)按返回通道的不同,分為外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)兩種。n外循環(huán)是依靠擋珠器使?jié)L珠離開螺旋表面而通過螺母中的返回槽返回滾道,滾珠在循環(huán)過程中離開螺旋表面。外循環(huán)加工方便,螺母的螺紋為35圈,只需前后各設(shè)一個(gè)擋珠器即可。n內(nèi)循環(huán)是在螺母上開側(cè)孔,孔內(nèi)鑲有反向器,而將相鄰的螺紋滾道連通,使?jié)L珠越過滾道頂部進(jìn)入相鄰滾道,滾珠在循環(huán)過程中不離開螺旋表面。一個(gè)循環(huán)回路中只有一圈滾珠,設(shè)置一個(gè)反向器。一個(gè)螺母通常裝有24個(gè)反向器。內(nèi)循環(huán)返回通道短,滾珠數(shù)量少,結(jié)構(gòu)緊湊、摩擦小。n滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)廣泛用于汽車和拖拉機(jī)的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、水閘的升降機(jī)構(gòu)、飛機(jī)機(jī)翼和起落架的控制機(jī)構(gòu)等要求高效率、高精度的場合。南京工藝裝備廠 滾珠絲杠

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