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1、第十六章第十六章 螺旋傳動螺旋傳動內(nèi)容簡介內(nèi)容簡介 本章介紹了螺旋傳動的類型及應(yīng)用。重點闡述了滑動螺旋傳動的設(shè)計計算，由于其工作條件及對傳動要求的不同，失效形式也不同，因此要選擇不同的設(shè)計準則進行設(shè)計，以確定螺旋傳動的參數(shù)，然后根據(jù)工作條件，進行必要的驗算，以滿足工作要求。 本章還介紹了滾動螺旋的類型和設(shè)計計算及設(shè)計中應(yīng)注意的問題。滾動螺旋的設(shè)計計算實際上是選用計算，根據(jù)工作條件和使用要求首先選定類型及基本參數(shù)，然后進行驗算。學(xué)習(xí)要求學(xué)習(xí)要求:掌握螺旋傳動的類型及應(yīng)用；掌握滑動螺旋傳動的設(shè)計計算方法；了解滾動螺旋傳動的計算特點。本章本章重點重點: : 滑動螺旋傳動的設(shè)計計算方法 第一節(jié)第一節(jié)
2、螺旋傳動的應(yīng)用和分類螺旋傳動的應(yīng)用和分類第二節(jié)第二節(jié) 滑動螺旋傳動滑動螺旋傳動第三節(jié)滾動螺旋傳動第三節(jié)滾動螺旋傳動文獻閱讀指南文獻閱讀指南思考題和習(xí)題思考題和習(xí)題 第一節(jié)第一節(jié) 螺旋傳動的應(yīng)用和分類螺旋傳動的應(yīng)用和分類 學(xué)習(xí)要求：學(xué)習(xí)要求： 對螺旋傳動的類型及應(yīng)用有一個概括的了解。 螺旋傳動是利用螺紋副來傳遞運動和動力的，其主要功能是將回轉(zhuǎn)運動變?yōu)橹本€運動，同時傳遞動力。 螺旋傳動按其用途可以分為以下三類：傳力螺旋導(dǎo)螺旋傳調(diào)整螺旋 螺旋傳動的應(yīng)用和分類螺旋傳動的應(yīng)用和分類傳力螺旋：傳力螺旋： 所謂傳力螺旋是指以傳遞力為主螺旋傳動。如圖16-1a的千斤頂、圖16-1b的壓力機。這種螺旋主要承受很
3、大的軸向力，一般為間歇工作，每次工作時間較短，工作速度也不高，并具有自鎖能力。傳導(dǎo)螺旋：傳導(dǎo)螺旋： 以傳遞運動為主，并要求有較高的傳動精度，有時也承受較大的軸向力的螺旋為傳導(dǎo)螺旋。如圖16-1c的金屬切削機床的進給螺旋。傳導(dǎo)螺旋常在較長的時間內(nèi)連續(xù)工作，工作速度較高。 螺旋傳動的應(yīng)用和分類螺旋傳動的應(yīng)用和分類16-1 螺旋傳動的應(yīng)用和分類螺旋傳動的應(yīng)用和分類第二節(jié)第二節(jié) 滑動螺旋傳動滑動螺旋傳動 滑動螺旋傳動滑動螺旋傳動學(xué)習(xí)要求學(xué)習(xí)要求 掌握滑動螺旋傳動的失效形式和滑動螺旋傳動的設(shè)計計算方法。 本節(jié)闡述了滑動螺旋傳動的設(shè)計計算，由于其工作條件及對傳動要求的不同，失效形式也不同，因此要選擇不同的
4、設(shè)計準則進行設(shè)計，以確定螺旋傳動的參數(shù)，然后根據(jù)工作條件，進行必要的驗算，以滿足工作要求?；瑒勇菪齻鲃拥氖问胶统Ｓ貌牧匣瑒勇菪齻鲃拥氖问胶统Ｓ貌牧匣瑒勇菪齻鲃拥脑O(shè)計計算滑動螺旋傳動的設(shè)計計算 滑動螺旋傳動滑動螺旋傳動滑動螺旋傳動的失效形式和常用材料：滑動螺旋傳動的失效形式和常用材料：（一）滑動螺旋傳動的失效形式 1螺紋磨損2螺桿及螺母螺紋牙的塑性變形或斷裂 3螺桿失穩(wěn)4螺距變化 滑動螺旋傳動，除以上的失效形式外，對于高速的長螺桿，應(yīng)驗算其臨界轉(zhuǎn)速，以防止產(chǎn)生過度的橫向振動；要求螺旋自鎖時，應(yīng)驗算其自鎖條件。 滑動螺旋傳動滑動螺旋傳動螺紋磨損：螺紋磨損：滑動螺旋工作時，主要承受轉(zhuǎn)矩及軸向
5、拉力（或壓力），同時螺桿與螺母的旋合螺紋間有較大的相對滑動，因此螺紋磨損是其主要失效形式。螺桿及螺母螺紋牙的塑性變形或斷裂：螺桿及螺母螺紋牙的塑性變形或斷裂：對于受力較大的傳力螺旋，螺桿受到拉力（或壓力），而螺紋牙則會受到剪力和彎矩的作用，會引起螺桿和螺紋牙的塑性變形或斷裂。螺桿失穩(wěn)：螺桿失穩(wěn)：長徑比很大的螺桿，受壓后會引起側(cè)彎而失穩(wěn).螺距變化：螺距變化：精密的傳導(dǎo)螺旋，受力后螺桿螺距要發(fā)生變化，而引起傳動精度的降低，因應(yīng)根剛確定。（二）常用材料 根據(jù)螺旋傳動的受載情況及失效形式，選擇螺旋傳動的材料時可參考表16-1。 滑動螺旋傳動滑動螺旋傳動滑動螺旋傳動的設(shè)計計算滑動螺旋傳動的設(shè)計計算 滑動
6、螺旋傳動是根據(jù)其主要的失效形式來確定設(shè)計計算，下面主要介紹耐磨性計算和幾項常用的驗算計算方法： 1 耐磨性計算 由耐磨性要求來確定滑動螺旋的基 本尺寸（螺桿直徑與螺母高度）。滑動螺旋的磨損與 螺紋工作面上的 壓力、滑動速度、螺紋表面粗糙度及 潤滑狀態(tài)等因素有關(guān)。 一般螺母材料比螺桿材料軟，所以磨損主要發(fā)生在螺母螺紋表 面。耐磨性計算主要限制螺紋工作面上的壓力p，使其小于材 料的許用壓力p。 如圖16-2所示，假設(shè)作用于螺桿上的軸向力為F，被旋合的螺紋工作表面均勻承受，則其工作面上的耐磨條件為 p (16-1) hHdFPhZdFAFp22滑動螺旋傳動滑動螺旋傳動 16-2 滑動螺旋傳動滑動螺旋
7、傳動 式中，A為螺紋的承壓面積；F為作用于螺桿的軸向力；d2為螺紋的中徑；P為螺距；h為螺紋的工作高度；Z為旋合圈數(shù)， ；H為螺母高度；p為許用壓力，見表16-2。式(16-1)用于校核計算。為了導(dǎo)出設(shè)計計算式，令 = H /d2，代入式（16-1），整理后可得： d2 (16-2) 對于矩形和梯形螺紋，取h = 0.5P；鋸齒形螺紋，取 h = 0.75P。螺母高度H = d2 (16-3) 式中 ，對于整體螺母，由于磨損后，間隙不能調(diào)整，=1.21.5；對于剖分式螺母， =2.5 3.5；傳動精度較高，要求壽命較長時，允許取 = 4。phFPPHZ/滑動螺旋傳動滑動螺旋傳動 螺桿受有軸向載
8、荷F，旋合圈數(shù)為Z，假設(shè)各圈螺紋受載相等，則每圈螺紋承受的載荷為F/Z，作用于螺紋中徑上。將螺母一圈螺紋展開，則可看作寬度為 D的懸臂梁。如圖16-3所示。 螺紋牙危險截面的抗剪強度條件為 (16-5) 螺紋牙危險截面的抗彎強度條件為 b (16-6) 式中，D為螺母的螺紋大徑；b為螺紋牙根部厚度，對于矩形螺紋，b = 0.5P，對于梯形螺紋，b = 0.65P，對于鋸齒形 DbZFZDbFl2b6滑動螺旋傳動滑動螺旋傳動16-3滑動螺旋傳動滑動螺旋傳動螺紋， ，P為螺距；l為彎曲力臂，P為螺距；l為彎曲力臂， ，D2為螺紋中徑； 為許用切應(yīng)力（MPa），見表16-3； 為許用彎曲應(yīng)力（MPa
9、），見表16-3.。3螺桿的強度計算 螺桿工作時承受軸向拉力（或壓力）F和轉(zhuǎn)矩T的聯(lián)合作用，根據(jù)第四強度理論求出其危險截面的當(dāng)量應(yīng)力，強度條件為 (16-7) 式中，d1為螺桿螺紋小徑；T為螺桿所受轉(zhuǎn)矩， Pb75. 022DDlb231221222.0343dTdFv2tan()2vdTF滑動螺旋傳動滑動螺旋傳動d2為螺桿螺紋中徑， v為當(dāng)量摩擦角，v = arctanv，v為當(dāng)量摩擦因數(shù)， ，為螺紋牙型角，摩擦因數(shù)見表16-2；為許用應(yīng)力（ ）見表16-3。4受壓螺桿的穩(wěn)定性計算 對于長徑比大的受壓螺桿，當(dāng)軸向壓力超過某一臨界值時，螺桿就會突然發(fā)生側(cè)向彎曲而失穩(wěn)，故需驗算其穩(wěn)定性，螺桿穩(wěn)定
10、性條件為 Ss (16-8) 式中，Scs為螺桿穩(wěn)定性計算安全因數(shù)；Ss為螺桿穩(wěn)定性安全因數(shù)，Ss = 2.54；F為作用于螺桿上的軸向載荷；Fcr為螺桿的臨界載荷。cos2vMPaFFScrsc滑動螺旋傳動滑動螺旋傳動 為求螺桿的臨界載荷Fcr，應(yīng)先計算螺桿的長細比式中，l為螺桿計算長度；為螺桿長度系數(shù)，與螺桿端部結(jié)構(gòu)有關(guān)，見表表16-416-4；i為螺桿危險截面的慣性半徑， 式中，螺桿危險截面軸慣性矩 ，螺桿危險截面面積 ，將A、Ia代入上式，得 。求得后，按的大小選擇下列公式計算Fcr。（1）當(dāng)8090時，臨界載荷按歐拉公式計算 (16-9)（2）當(dāng)8090時，按下式計算對未淬火鋼90時
11、liAIia6441dIa421dA 41di 22cr)(lEIFa滑動螺旋傳動滑動螺旋傳動 (16-10) 對 淬火鋼 (16-11)（3）對于Q275當(dāng)40，優(yōu)質(zhì)碳素鋼60時，不必校核螺桿的穩(wěn)定性。 式中，E為螺桿材料彈性模量，鋼E = 2.07104（MPa）；Ia為螺桿危險截面軸慣性矩；為螺桿長度系數(shù)，見表16-4；l為螺桿計算長度。 若上式計算不滿足螺桿穩(wěn)定條件，應(yīng)適當(dāng)增大螺桿小徑。除上述計算外，對于高精度的螺旋傳動，應(yīng)進行螺桿的剛度計算；對于高速旋轉(zhuǎn)的螺旋還應(yīng)校核其臨界轉(zhuǎn)速。 400013. 01340212crdF8540002. 01480212crdF第三節(jié)第三節(jié) 滾動螺旋
12、傳動滾動螺旋傳動 滾動螺旋傳動滾動螺旋傳動學(xué)習(xí)要求學(xué)習(xí)要求: 了解滾動螺旋的類型和設(shè)計計算及設(shè)計中應(yīng)注意的問題。 滾動螺旋是一定型產(chǎn)品，由專門生產(chǎn)廠家制造，應(yīng)用中關(guān)鍵是根據(jù)實際工作情況，正確選擇其類型和尺寸，其設(shè)計計算為校核計算。滾動螺旋傳動已在數(shù)控機床和機器人中得到廣泛應(yīng)用。 工作原理及結(jié)構(gòu)類型工作原理及結(jié)構(gòu)類型 主要參數(shù)及標注方法主要參數(shù)及標注方法 滾動螺旋副的選用計算滾動螺旋副的選用計算 設(shè)計中應(yīng)注意的問題設(shè)計中應(yīng)注意的問題 滾動螺旋傳動滾動螺旋傳動一、工作原理及結(jié)構(gòu)類型一、工作原理及結(jié)構(gòu)類型1工作原理 滾動螺旋傳動又稱滾動絲杠副或滾動絲杠傳動，其螺桿與旋合螺母的螺紋滾道間置有適量滾動體
13、（絕大多數(shù)滾動螺旋采用鋼球，也有少數(shù)采用滾子），使螺紋間形成滾動摩擦。在滾動螺旋的螺母上有滾動體返回通道，與螺紋滾道形成閉合回路，當(dāng)螺桿（或螺母）轉(zhuǎn)動時，使?jié)L動體在螺紋滾道內(nèi)循環(huán)，如圖16-4所示。由于螺桿和螺母之間為滾動摩擦，從而提高了螺旋副的效率和傳動精度。 滾動螺旋傳動滾動螺旋傳動16-4 滾動螺旋傳動滾動螺旋傳動2結(jié)構(gòu)類型及特點 根據(jù)螺紋滾道截面形狀和滾動體在滾道中的循環(huán)方式對滾動螺旋進行分類。（1）螺紋滾道法向截面形狀有矩形、單圓弧和雙圓弧 三種，如圖16-5所示。矩形截面，制造簡單，接 觸應(yīng)力高，只用于軸向載荷小，要求不高的傳動； 單圓弧截面可用磨削得到較高的加工精度，有較高 的接
14、觸強度，為保證接觸角 = 45，必須嚴格控 制徑向間隙；雙圓弧截面，加工較復(fù)雜，但有較高 的接觸強度，理論上軸向間隙和徑向間隙為零，接 觸角穩(wěn)定。（2）鋼球的循環(huán)方式有內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)兩種。 滾動螺旋傳動滾動螺旋傳動16-5 滾動螺旋傳動滾動螺旋傳動1）內(nèi)循環(huán)方式如圖16-4 b），在螺母上開有側(cè)孔，孔內(nèi)鑲有返 向器，將相鄰兩螺紋滾道聯(lián)接起來，鋼球從 螺紋滾道進入返 向器，越過螺桿牙頂進入相鄰螺紋滾 道，形成循環(huán)回路。該 種循環(huán)方式，螺母徑向尺寸較小，和滑動螺旋副大致相同。鋼 球循環(huán)通道短，有利于減少鋼球數(shù)量，減小摩擦損失，提高傳 動效率，但返向器回行槽加工要求高，不適宜重載傳動。2）外循環(huán)方式
15、分為螺旋槽式和插管式，如圖16-4 a）。螺旋槽 式是在螺母外圓柱表面有螺旋形回球槽，槽的兩端有通孔與螺 母的螺紋滾道相切，形成鋼球循環(huán)通道；插管式和螺旋槽式原 理相同，是采用外接套管作為鋼球的循環(huán)通道，但無論是哪能 種結(jié)構(gòu)，為引導(dǎo)鋼球在通孔內(nèi)順利出入，在孔口都置有擋球 器。外循環(huán)方式結(jié)構(gòu)簡單，但螺母的結(jié)構(gòu)尺寸較大，特別是插 滾動螺旋傳動滾動螺旋傳動管式，同時擋球器端部易磨損。二、主要參數(shù)及標注方法二、主要參數(shù)及標注方法: :1主要參數(shù): 滾動螺旋的主要參數(shù)包括公稱直徑d0，即鋼球中心所在圓柱直徑。導(dǎo)程Ph，螺紋旋向，鋼球直徑Dw，接觸角（滾動體合力作用線和螺旋軸線垂直平面間的夾角），負載鋼球
16、的圈數(shù)和精度等級等。 GB/T17587.31998 規(guī)定了公稱直徑6200、適用于機床的滾動螺旋副和性能要求等，精度分為7個等級，即1、2、3、4、5、7和10級，其中1級精度最高，10級精度最低，其他機械可參照選用。 滾動螺旋傳動滾動螺旋傳動2.標注方法 滾動螺旋副的型號，根據(jù)其結(jié)構(gòu)、規(guī)格、精度等級、螺紋旋向等特征，用代號和數(shù)字組成，形式如下：精度等級類型負載鋼球圈數(shù)螺紋旋向公稱導(dǎo)程公稱直徑結(jié)構(gòu)特征預(yù)緊方式循環(huán)方式 滾動螺旋傳動滾動螺旋傳動 其特征代號的表示方法見表16-5。三、滾動螺旋副的選用計算三、滾動螺旋副的選用計算 滾動螺旋副由專門生產(chǎn)廠家制造，在選用時，設(shè)計者根據(jù)工作條件，受載情
17、況選擇合適的類型，確定尺寸后進行組合結(jié)構(gòu)設(shè)計。 當(dāng)滾動螺旋副在較高轉(zhuǎn)速下工作時，應(yīng)按壽命條件選擇其尺寸，并校核其載荷是否超過額定靜載荷；低速工作時，應(yīng)按壽命和額定靜載兩種方式確定其尺寸，選擇其中尺寸較大的；靜止?fàn)顟B(tài)或轉(zhuǎn)速低于10r/min時，可按額定靜載荷選擇其尺寸。 滾動螺旋副的選用計算包括螺旋副壽命計算、靜載荷計算、螺桿強度計算、螺桿穩(wěn)定性計算、橫向振動計算、驅(qū)動轉(zhuǎn)矩計算等。 滾動螺旋傳動滾動螺旋傳動1滾動螺旋壽命計算 滾動螺旋的受載情況同推力滾動軸承，若螺旋軸向載荷為Fa(N)，基本額定動載荷為Ca(N)，則滾動螺旋的額定壽命L( )為 (16-12) 實際應(yīng)用中，用小時表示額定壽命更為
18、方便，以n（r/min）表示螺桿轉(zhuǎn)速，同時再考慮載荷情況以及螺旋副材料硬度，滾動螺旋的壽命Lh(h)為 (16-13) 式中，KF為載荷系數(shù)，見表16-6；KH為硬度影響系數(shù)，見表16-7。3aaFCL3aHFa6h6010FKKCnL610 r 滾動螺旋傳動滾動螺旋傳動 對于滾動螺旋的壽命要求可參照表16-8，基本額定動載荷Ca值可參考有關(guān)手冊或工廠樣本。2滾動螺旋靜載荷計算 滾動螺旋副在靜態(tài)或轉(zhuǎn)速n10r/min條件下，如其滾動接觸面上的接觸應(yīng)力過大，將產(chǎn)生永久性過大凹坑，這才是其失效形式，因此要進行靜載荷計算。靜載荷計算公式為Coa KFKFKa (16-14) 式中，Coa為基本額定靜
19、載荷，（N），參考機械設(shè)計手冊或工廠樣本；KF為載荷系數(shù)，見表16-6；KH為硬度影響系數(shù)，見表16-7；Fa為軸向載荷，(N) 。 滾動螺旋傳動滾動螺旋傳動 其余計算項目則根據(jù)工作機類別和工作需要進行選擇性計算，如傳力螺旋副應(yīng)進行螺桿強度計算；長徑比大的受壓螺桿應(yīng)進行穩(wěn)定性計算；轉(zhuǎn)速較高、支承距離較大的螺桿應(yīng)校核其臨界轉(zhuǎn)速等。計算方法可參照機械設(shè)計手冊。四、設(shè)計中應(yīng)注意的問題四、設(shè)計中應(yīng)注意的問題 為保證滾動螺旋副的正常工作，除了要正確選擇滾動螺旋副的類型和尺寸外，還要針對滾動螺旋的傳動特點，在設(shè)計中應(yīng)注意以下問題。 滾動螺旋傳動滾動螺旋傳動1防止逆轉(zhuǎn) 滾動螺旋副不能自鎖，設(shè)計中為防止螺旋副
20、受力后逆轉(zhuǎn)，需設(shè)置防止逆轉(zhuǎn)的裝置，如采用制動電機，步進電機，在傳動系統(tǒng)中設(shè)置自鎖機構(gòu)或離合器。2限位裝置 限位裝置的設(shè)置，既可防止螺母的脫出、滾動體的脫落，同時也可避免螺母卡死。限位裝置可采用傳感器，限位開關(guān)，限位檔塊等，為保險起見，一般幾種同時組合使用。3潤滑和密封 為提高螺旋傳動效率，延長使用壽命，應(yīng)保持螺旋副良好的潤滑狀態(tài)，為此，要做好防護和密封，使?jié)L 滾動螺旋傳動滾動螺旋傳動動體運轉(zhuǎn)順暢，以免因磨損而使?jié)L動螺旋喪失精度。 設(shè)計中還應(yīng)注意，不要使絲杠螺母承受徑向載荷和力矩載荷，否則會大大縮短滾珠絲杠壽命或引起不良運行。文獻閱讀指南文獻閱讀指南（1）本章介紹了滑動螺旋傳動和滾動螺旋傳動。需
21、要 指出的是，除此兩種傳動類型外，還有靜壓螺旋傳 動，因其應(yīng)用較少，加之設(shè)計時考慮因素較多，涉 及面較廣，而且，靜壓螺旋無標準系列產(chǎn)品，因此 本章未作介紹，如需要該方面的知識，可參閱朱孝 錄主編的中國機械設(shè)計大典第4卷第37篇的螺 滾動螺旋傳動滾動螺旋傳動 旋傳動一章，該章對其設(shè)計進行了論述。（2）滑動螺旋傳動，其主要失效形式是螺紋磨損，因 此滑動螺旋的基本尺寸（螺桿直徑和螺母高度）是 根據(jù)耐磨條件確定的。在設(shè)計時應(yīng)根據(jù)螺旋傳動的 類型，工作條件以及失效形式，選擇不同的設(shè)計準 則，而不必逐項進行校核。（3）滾動螺旋由于其本身的傳動特點，同時該產(chǎn)品已 經(jīng)標準化和系列化，使之在精密數(shù)控機床、工業(yè)機 器人等自動化領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，其設(shè)計計算及 組合結(jié)構(gòu)設(shè)計顯得十分必要。 本章著重介紹了滾動螺旋的類型、設(shè)計計算及設(shè)計計算中注意的問題。需要說明的是，滾動螺旋是一 滾動螺旋傳動滾動螺旋傳動定型產(chǎn)品，由專門生產(chǎn)廠家制造，應(yīng)用中關(guān)鍵是根據(jù)實際工作情況，正確選擇其類型和尺寸，其設(shè)計計算為校核計算，計算中所取有關(guān)滾動螺旋數(shù)據(jù)（如額定動載荷Ca，額定靜載荷C0a及結(jié)構(gòu)尺寸等），一定要參照生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品樣本，因生產(chǎn)廠家不同而有所差別。滾動螺旋組合結(jié)構(gòu)設(shè)計可參見滾動軸承章節(jié)。滾動螺旋精度的有關(guān)內(nèi)容可參閱朱孝錄主編的中國機械設(shè)計大典第4卷、第37篇螺旋傳動一章。 滾動螺旋傳動滾動螺旋傳動
機械原理與機械設(shè)計：第十六章 螺旋傳動
