機械設(shè)計與理論：第14章 螺旋傳動

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

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

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

4、n應用：機床的進給螺旋，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)點是摩擦阻力極小，傳動效率很高，在0.95以上，磨損小，壽命長，軸向剛度大；n缺點是螺母結(jié)構(gòu)復雜，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應用：精密機床進給和分度機構(gòu)的傳動螺旋等滾動摩擦螺旋n滾動螺旋，在螺旋與螺母之間充填滾珠，螺旋副內(nèi)滾動摩擦n優(yōu)點是摩擦阻力小，傳動效率高，在0.95以上，具有傳動的可逆性，工作壽命長，約為滑動螺旋的10倍，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，啟動時無顫動，低速時不爬行，軸向剛度大，定位精度高 n缺點是但抗沖擊性

5、能差，結(jié)構(gòu)復雜，制造較難，不具有自鎖性能n應用：數(shù)控機床和精密機床的傳動螺旋，汽車轉(zhuǎn)向機構(gòu)的傳力螺旋，測試儀器中的調(diào)整螺旋等M型/微型標準螺母冷軋滾珠絲杠尺寸表普通滑動螺旋副的螺紋種類普通滑動螺旋副的螺紋種類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，因而在傳動中得到應用，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，傳動效率比鋸齒形螺紋低，應用

6、如機床中的進給螺旋等，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，比梯形螺紋強度高，效率高，主要用于單向受力的傳力螺旋，如螺旋壓力機等，鋸齒形螺紋的代號為S14-2 14-2 螺旋傳動的運動關(guān)系螺旋傳動的運動關(guān)系n當螺旋轉(zhuǎn)過角（rad）時，螺母的軸向軸向位移位移x=/2s x=/2s 式中s為螺紋的導程（mm）。n若螺旋的轉(zhuǎn)速為n（r/min），則螺母軸軸向移動速度向移動速度v=n/60s (mm/s)v=n/60s (mm/s)極小位移差動螺旋：n如果兩組螺旋副的旋向相同（如同為右旋），則當

7、螺旋按圖示方向轉(zhuǎn)動一圈，螺母相對機架的位移為兩個移動量之差，當螺旋轉(zhuǎn)過角時，螺母相對機架所作的位移為nn差動螺旋常用于測微計、計算機、分度機構(gòu)和調(diào)節(jié)機構(gòu)?？焖僖苿硬顒勇菪簄如果兩組螺旋副的旋向相反，則螺母相對機架所作的位移為x=/2(sx=/2(s1313+s+s1212)n適用于快速移動的場合，如車鉤快速合攏或分開裝置（圖14-6）。14-3 14-3 螺旋傳動的失效和材料螺旋傳動的失效和材料n螺旋傳動工作時，在承受轉(zhuǎn)矩T的同時，還承受軸向載荷Q。圖14-1分別示出了螺旋壓力機、螺紋起重器所受的載荷圖。n螺旋傳動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；重載低速時可選用強度高的鑄鋁鐵青銅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 螺旋傳動的計算螺旋傳動的計算n由于螺紋磨損是傳動的主要失效形式，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，按照標準確定螺旋傳動的主要參數(shù)，n然后校核螺紋牙和螺旋的強度，n對于受壓的長螺桿，需進行穩(wěn)定性校核，n對于高速長螺桿，應進行臨界轉(zhuǎn)速成驗算等。一、螺旋副耐磨性計算一、螺旋副耐磨性計算n磨損通常發(fā)生在螺母上，一般用限制接觸處的壓強來進行耐磨性計算：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，見表14-1。表14-1 螺旋副材料的許用壓強和滑動速度范圍按耐磨性設(shè)計計算：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準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驗算自鎖條件。二、螺紋牙強度的校驗計算二、螺紋牙強度的校驗計算n螺紋牙的彎曲和剪切破壞多半發(fā)生在螺母上。校驗強度時，可將螺母的螺紋牙展開成懸臂梁，得彎曲和剪切強度條件分別為：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力和許用剪切應力，見表14-2。當螺桿和螺母材料相同時，則驗算螺

12、桿，以小徑d1替代式（14-8）、（14-9）中的d。三、螺桿強度的校驗計算三、螺桿強度的校驗計算n螺桿在軸向載荷Q的作用下產(chǎn)生壓縮應力或拉伸應力，在軒矩T的作用下產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)應力。根據(jù)第四強度理論，可求得螺桿危險剖面的當量應力，并列出強度條件式為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)許用應力見表14-2。四、螺桿穩(wěn)定性的校驗計算四、螺桿穩(wěn)定性的校驗計算n受壓的長螺桿有可能失穩(wěn)。校驗壓桿穩(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為危險剖面的慣性半徑，i=(I/A)1/2=(d14/64/d12/4)1/2=d1/4（I為危險剖面的慣性矩，A為危險剖面面積）；u為長度系數(shù)，與螺桿端部的結(jié)構(gòu)有關(guān)，螺旋壓力機可視為一端固定、一端鉸支，u=0.7；傳導螺旋視為兩端鉸支，u=1；螺旋起重器視為一端固定、一端自由，u=2。當8590時，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，不必進行穩(wěn)定性校驗。式中E為螺桿材料的彈性模量，對于鋼，E=2.1105N/mm2。五、其他校驗計算五、其他校驗計算n精密的傳導螺旋還應校驗螺桿的剛度，即驗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，可能產(chǎn)生橫向振動，應驗算其臨界轉(zhuǎn)速。一般情況下，不需要作這些校驗。14-5 14-5 滾動螺旋傳動簡介滾動螺旋傳動簡介n滾動螺旋傳動具有封閉循環(huán)的滾道，其中充填滾珠。滾動螺旋傳動按返回通道的不同，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珠越過滾道頂部進入相鄰滾道，滾珠在循環(huán)過程中不離開螺旋表面。一個循環(huán)回路中只有一圈滾珠，設(shè)置一個反向器。一個螺母通常裝有24個反向器。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滾動螺旋傳動廣泛用于汽車和拖拉機的轉(zhuǎn)向機構(gòu)、水閘的升降機構(gòu)、飛機機翼和起落架的控制機構(gòu)等要求高效率、高精度的場合。南京工藝裝備廠 滾珠絲杠