機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)之螺旋傳動(dòng)PowerScrew

1、機(jī)械設(shè)計(jì)（機(jī)械設(shè)計(jì)（）（零件）（零件）第十章 螺旋傳動(dòng)第一項(xiàng)第二項(xiàng)第二項(xiàng)Power Screw1.螺旋傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、原理一、概述螺旋傳動(dòng)特點(diǎn)：螺旋傳動(dòng)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊結(jié)構(gòu)緊湊，機(jī)械增益高機(jī)械增益高；傳動(dòng)平穩(wěn)傳動(dòng)平穩(wěn)、精度高；、精度高； 易于自鎖易于自鎖；磨擦磨損大，效率較低磨擦磨損大，效率較低工作原理：工作原理：通過(guò)螺紋結(jié)構(gòu)，將通過(guò)螺紋結(jié)構(gòu)，將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)化為軸向直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)軸向直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)傳遞能量和力；，同時(shí)傳遞能量和力；回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)；直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)；轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩推（拉）力。推（拉）力。 螺母螺母螺桿螺桿第一項(xiàng)第二項(xiàng)第二項(xiàng)Power Screw2.螺旋傳動(dòng)的應(yīng)用（應(yīng)用場(chǎng)合）二維數(shù)控臺(tái)原

2、理圖二維數(shù)控臺(tái)原理圖第一項(xiàng)第二項(xiàng)第二項(xiàng)Power Screw2.螺旋傳動(dòng)的應(yīng)用螺旋千分尺螺旋測(cè)微器的精密螺紋的螺距是0.5mm，可動(dòng)刻度有50個(gè)等分刻度，旋轉(zhuǎn)每個(gè)小分度，相當(dāng)于測(cè)微螺桿前進(jìn)或后退這0.5/50=0.01mm。所以以螺旋測(cè)微器可準(zhǔn)確到0.01mm。由于還能再估讀一位，可讀到毫米的千分位，故又名千分尺。第一項(xiàng)第二項(xiàng)第二項(xiàng)Power Screw螺旋千斤頂螺旋千斤頂?shù)谝豁?xiàng)第二項(xiàng)第二項(xiàng)Power Screw立式加工中心立式加工中心第一項(xiàng)第二項(xiàng)第二項(xiàng)Power Screw根據(jù)用途分類(lèi)1、傳力螺旋、傳力螺旋 以傳遞動(dòng)力為主，要求用較小的轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生較大的軸向推力。一般間歇工作，工作速度不高，而且

3、通常要求自鎖。2、傳導(dǎo)螺旋、傳導(dǎo)螺旋 以傳遞運(yùn)動(dòng)為主，常要求具有高的運(yùn)動(dòng)精度。一般在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)連續(xù)工作，工作速度也較高。3、調(diào)整螺旋、調(diào)整螺旋 用以調(diào)整并固定零件或部件之間的相對(duì)位置。要求能自鎖。傳力螺紋傳力螺紋傳導(dǎo)螺紋傳導(dǎo)螺紋調(diào)整螺紋調(diào)整螺紋第一項(xiàng)第二項(xiàng)第二項(xiàng)Power Screw按運(yùn)動(dòng)形式不同，按運(yùn)動(dòng)形式不同，螺旋傳動(dòng)分為螺旋傳動(dòng)分為：螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，螺母移動(dòng) -最常用的形式 如車(chē)床中的進(jìn)給螺旋，龍門(mén)刨床橫梁的升降裝置螺桿轉(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)給螺旋等螺母轉(zhuǎn)動(dòng)并移動(dòng)，螺桿固定

4、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)等第一項(xiàng)第二項(xiàng)第二項(xiàng)Power Screw根據(jù)摩擦類(lèi)型分類(lèi)滑動(dòng)摩擦螺旋優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易制造、傳力較大、能夠?qū)崿F(xiàn)自鎖要求，應(yīng)用廣泛。 梯形/鋸齒形螺紋。缺點(diǎn)：容易磨損、傳動(dòng)效率低靜壓螺旋流體摩擦，傳動(dòng)效率高90%p1p2Fa進(jìn)油h2節(jié)流器h1B回油螺旋面AC油腔Fr滾動(dòng)摩擦螺旋效率高，可達(dá)99以上，傳動(dòng)精度高，不自鎖，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，壽命長(zhǎng)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，抗沖擊性能差，不宜傳遞大載荷。第一項(xiàng)第二項(xiàng)第二項(xiàng)Power Screw在螺旋和螺母之間設(shè)有封閉的循環(huán)滾道，其間充以滾珠，這樣就使螺旋面的滑動(dòng)摩擦成為滾動(dòng)摩擦。滑動(dòng)摩擦 滾動(dòng)摩擦組成：螺桿

5、、螺母、滾珠類(lèi)型：外循環(huán)、內(nèi)循環(huán)（3-5圈）滾動(dòng)摩擦螺旋第一項(xiàng)第二項(xiàng)第二項(xiàng)Power Screw三、螺旋傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)關(guān)系螺母軸向位移：螺母軸向位移：2xS螺母軸向速度：螺母軸向速度：60nSv 一般螺旋：一般螺旋：差動(dòng)螺旋：差動(dòng)螺旋： （慢移）（慢移）1312()2xSS螺母軸向位移：螺母軸向位移：反向螺旋反向螺旋：（快移）：（快移）1312()2xSS螺母軸向位移：螺母軸向位移：右旋右旋導(dǎo)程導(dǎo)程 PA右旋右旋導(dǎo)程導(dǎo)程 PB單杠鋼索調(diào)整裝置單杠鋼索調(diào)整裝置第一項(xiàng)第二項(xiàng)第二項(xiàng)Power Screw螺桿的材料：螺桿的材料：需經(jīng)熱處理以達(dá)到高硬度。需經(jīng)熱處理以達(dá)到高硬度。一般選擇一般選擇中碳鋼中碳鋼，

6、要求有足夠的強(qiáng)度，常用，要求有足夠的強(qiáng)度，常用35、45號(hào)鋼號(hào)鋼;重要螺桿重要螺桿，則常用工具鋼，則常用工具鋼T10,T12或合金鋼或合金鋼65Mn、40Cr、T12、20CrMnTi等。等。螺母材料：螺母材料：除要有足夠的強(qiáng)度外，還要求在與螺桿配合時(shí)除要有足夠的強(qiáng)度外，還要求在與螺桿配合時(shí)摩擦系數(shù)小和耐磨摩擦系數(shù)小和耐磨。常用材料常用材料有鑄錫青銅有鑄錫青銅，如，如ZCuSn10Pb1, ZCuSn5Pb5Zn5重載低速使用強(qiáng)度較高的鑄鋁鐵青銅重載低速使用強(qiáng)度較高的鑄鋁鐵青銅ZCuAl10Fe3或鑄黃銅或鑄黃銅ZCuZn25Al6Fe3Mn3 。低速不重要的螺旋傳動(dòng)也可用耐磨鑄鐵或灰鑄鐵。低

7、速不重要的螺旋傳動(dòng)也可用耐磨鑄鐵或灰鑄鐵。螺旋副需求：強(qiáng)度高、耐磨性、低磨檫系數(shù)螺旋副需求：強(qiáng)度高、耐磨性、低磨檫系數(shù)材料的選?。翰牧系倪x?。旱谝豁?xiàng)第二項(xiàng)第二項(xiàng)Power Screw螺旋傳動(dòng)的失效螺旋傳動(dòng)的失效 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。 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。第一項(xiàng)第二項(xiàng)第二項(xiàng)Power Screw四、滑動(dòng)螺旋的設(shè)計(jì)計(jì)算 滑動(dòng)螺旋中螺母磨損是最主要的一

8、種失效形式最主要的一種失效形式，會(huì)引起傳動(dòng)精度下降，空間大，并使強(qiáng)度下降。（反向間隙） 磨損的影響因素磨損的影響因素：工作面的壓強(qiáng)，螺紋表面質(zhì)量，滑動(dòng)速度和潤(rùn)滑狀態(tài) 所以耐磨性計(jì)算主要限制螺紋工作面上壓強(qiáng)P要求小于材料的許用比壓。當(dāng)速度相同時(shí)，壓強(qiáng)大，磨損量大潤(rùn)滑油不被擠出，易形成油膜潤(rùn)滑1.耐磨性計(jì)算第一項(xiàng)第二項(xiàng)第二項(xiàng)Power Screw假想螺紋牙可以展成一長(zhǎng)條，設(shè)螺旋的軸向載荷為假想螺紋牙可以展成一長(zhǎng)條，設(shè)螺旋的軸向載荷為F，螺母旋合螺母旋合高度為高度為H、螺距為螺距為p，螺紋旋合圈數(shù)為螺紋旋合圈數(shù)為Z=H/p、螺紋工作高度為螺紋工作高度為h、承壓面積為承壓面積為A，螺紋工作面上的壓強(qiáng)為

9、螺紋工作面上的壓強(qiáng)為 ps。則螺紋的耐磨性條件為：則螺紋的耐磨性條件為：22phHdFphZdFAFpsMPa若按耐磨性條件設(shè)計(jì)螺紋中徑若按耐磨性條件設(shè)計(jì)螺紋中徑d2時(shí)，可引用系數(shù)時(shí)，可引用系數(shù)2dH以消去以消去H校核耐磨性校核耐磨性第一項(xiàng)第二項(xiàng)第二項(xiàng)Power Screw2phFpd8 . 02pFd對(duì)于鋸齒形螺紋，對(duì)于鋸齒形螺紋，h=0.75p, 則則65. 02pFd對(duì)于矩形和梯形螺紋，對(duì)于矩形和梯形螺紋，h=0.5p（螺紋工作（螺紋工作高度高度/螺距）螺距）, 則則設(shè)計(jì)公式設(shè)計(jì)公式第一項(xiàng)第二項(xiàng)第二項(xiàng)Power Screw系數(shù)系數(shù) 的值（螺母高度的值（螺母高度/螺紋中徑）：螺紋中徑）：可

10、根據(jù)螺母結(jié)構(gòu)選定，可根據(jù)螺母結(jié)構(gòu)選定，整體式螺母，磨損后間隙不能調(diào)整，取整體式螺母，磨損后間隙不能調(diào)整，取 =1.22.5;剖分式螺母剖分式螺母: =2.53.5;對(duì)于傳動(dòng)精度較高時(shí)對(duì)于傳動(dòng)精度較高時(shí),允許允許 =4由于旋合各圈受力不均由于旋合各圈受力不均, 應(yīng)使應(yīng)使Z 10計(jì)算出計(jì)算出d2后后, 應(yīng)選為標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)選為標(biāo)準(zhǔn)值, 螺紋的其它參數(shù)根據(jù)螺紋的其它參數(shù)根據(jù)d2 按標(biāo)準(zhǔn)按標(biāo)準(zhǔn)選取。選取。第一項(xiàng)第二項(xiàng)第二項(xiàng)Power Screw2.螺紋牙強(qiáng)度計(jì)算螺紋牙根部危險(xiǎn)剖面的彎曲強(qiáng)度條件為：剖面 -的剪切強(qiáng)度條件為：將螺母一圈螺紋沿螺紋大徑處展開(kāi)，即可視為一懸壁梁，每圈螺紋承受的平均壓力F/z作用在中

11、徑d2的圓周上。 bZdFMPabbZbdFhbdhZF36222第一項(xiàng)第二項(xiàng)第二項(xiàng)Power Screw式中式中: d-螺母螺紋大徑，螺母螺紋大徑，mm h -螺紋牙的工作高度，螺紋牙的工作高度，mm b -螺紋牙根部厚度，螺紋牙根部厚度，mm 、 b-螺母材料的許用剪切應(yīng)力螺母材料的許用剪切應(yīng)力 和許用彎曲應(yīng)力，和許用彎曲應(yīng)力，MPa第一項(xiàng)第二項(xiàng)第二項(xiàng)Power Screw螺桿工作時(shí)同時(shí)受軸面壓力（拉力）Q與扭矩T的作用，截面受拉（壓）應(yīng)力與扭剪應(yīng)力的復(fù)合作用按彎扭復(fù)合強(qiáng)度條件計(jì)算第四強(qiáng)度理論 22223( )3() TQTAW3.螺桿強(qiáng)度計(jì)算)16(3)4(231221dTdF式中式中:

12、d1 -螺桿螺紋小徑螺桿螺紋小徑,mm -螺桿材料許用應(yīng)力螺桿材料許用應(yīng)力 F-螺桿所受軸向力螺桿所受軸向力, N T-螺桿所受扭矩螺桿所受扭矩, N.mm2)tan(2dFT第一項(xiàng)第二項(xiàng)第二項(xiàng)Power ScrewQc-螺桿穩(wěn)定的臨界載荷螺桿穩(wěn)定的臨界載荷Qc與螺桿材料及長(zhǎng)徑比與螺桿材料及長(zhǎng)徑比(柔度柔度) 有關(guān)有關(guān)14llid第一項(xiàng)第二項(xiàng)第二項(xiàng)Power Screw對(duì)于不淬火鋼螺桿對(duì)于不淬火鋼螺桿:當(dāng)當(dāng) 90 時(shí)時(shí)22)( lEIFc當(dāng)當(dāng) 90 時(shí)時(shí)400013. 01340212dFc對(duì)于對(duì)于 40的螺桿不用校核的螺桿不用校核當(dāng)當(dāng) 85 時(shí)時(shí)(歐拉公式歐拉公式) 22)( lEIFc對(duì)于

13、淬火鋼螺桿對(duì)于淬火鋼螺桿:當(dāng)當(dāng) 4 第一項(xiàng)第二項(xiàng)第二項(xiàng)Power Screw5 、螺紋副自鎖條件校核、螺紋副自鎖條件校核f arctan6、螺紋副傳力效率、螺紋副傳力效率tantanv當(dāng)軸向載荷與運(yùn)動(dòng)方向相反時(shí)，取當(dāng)軸向載荷與運(yùn)動(dòng)方向相反時(shí)，取+號(hào)號(hào)第一項(xiàng)第二項(xiàng)第二項(xiàng)Power Screw7 、螺旋傳動(dòng)剛度計(jì)算、螺旋傳動(dòng)剛度計(jì)算針對(duì)高精度螺旋傳動(dòng)，如坐標(biāo)鏜床、齒輪磨床等針對(duì)高精度螺旋傳動(dòng)，如坐標(biāo)鏜床、齒輪磨床等每個(gè)導(dǎo)程變形量每個(gè)導(dǎo)程變形量: d d=d dF+d dTd dF-軸向載荷使每個(gè)螺軸向載荷使每個(gè)螺紋導(dǎo)程產(chǎn)生得變形量紋導(dǎo)程產(chǎn)生得變形量d dT-轉(zhuǎn)矩使每個(gè)螺紋轉(zhuǎn)矩使每個(gè)螺紋導(dǎo)程產(chǎn)生得變形量導(dǎo)程產(chǎn)生得變形量單位長(zhǎng)度變形量單位長(zhǎng)度變形量: D D=d/ d/s8、臨界轉(zhuǎn)速剛度校核、臨界轉(zhuǎn)速剛度校核cr0.8nn針對(duì)高速旋轉(zhuǎn)螺旋針對(duì)高速旋轉(zhuǎn)螺旋螺桿計(jì)算長(zhǎng)度；螺桿計(jì)算長(zhǎng)度；螺桿螺紋小徑；螺桿螺紋小徑；長(zhǎng)度系數(shù)長(zhǎng)度系數(shù)第一項(xiàng)第二項(xiàng)第二項(xiàng)Power Screw(1) 在下列四種具有相同公稱(chēng)直徑和螺距，并采用相同配對(duì)材料的傳動(dòng)螺旋副中，傳動(dòng)效率最高的是 C 。 A. 單線(xiàn)矩形螺旋副 B. 單線(xiàn)梯形螺旋副 C. 雙線(xiàn)矩形螺旋副 D. 雙線(xiàn)梯形螺旋副(2) 滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)的失效形式多為 D 。螺桿壓潰 B. 螺紋牙折斷 C.