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(lái)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(jiǎn)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(jiǎn)化傳動(dòng)系統(tǒng)

2、），如用于機(jī)床刀架、工作臺(tái)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(duì)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(jiǎn)化傳動(dòng)系統(tǒng)），如用于機(jī)床刀架、工作臺(tái)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(duì)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(tái)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(jiǎn)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(jiàn)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(zhǎng)，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(guò)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(zhǎng)，約為滑動(dòng)螺旋的10倍，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，啟動(dòng)時(shí)無(wú)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(cè)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(wèn)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(duì)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(hào)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(hào)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(guò)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(duì)機(jī)架的位移為兩個(gè)移動(dòng)量之差，當(dāng)螺旋轉(zhuǎn)過(guò)角時(shí)，螺母相對(duì)機(jī)架所作的位移為nn差動(dòng)螺旋常用于測(cè)微計(jì)、計(jì)算機(jī)、分度機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)?？焖僖苿?dòng)差動(dòng)螺旋：n如果兩組螺旋副的旋向相反，則螺母相對(duì)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(chǎng)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(rùn)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(zhǎng)螺桿受壓失穩(wěn)等長(zhǎng)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(hào)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(hào)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(duì)于受壓的長(zhǎng)螺桿，需進(jìn)行穩(wěn)定性校核，n對(duì)于高速長(zhǎng)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(lái)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(duì)于矩形、梯形螺紋，h=0.5P，對(duì)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(jiàn)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(duì)磨損后間隙不能調(diào)整的整體式螺母，可取=1.22.5；對(duì)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(guó)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(guò)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(duì)于矩形螺紋，b=0.5P，對(duì)于梯形螺紋，b=0.65P，對(duì)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(jiàn)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(jiàn)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(zhǎng)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(zhǎng)徑比=ul/i，式中l(wèi)為螺桿的最大工作長(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)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(zhǎng)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(jiǎn)介滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)簡(jiǎn)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(guò)螺母中的返回槽返回滾道，滾珠在循環(huán)過(guò)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(guò)滾道頂部進(jìn)入相鄰滾道，滾珠在循環(huán)過(guò)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(chǎng)合。南京工藝裝備廠 滾珠絲杠