機械設(shè)計-學做一體化課件：螺紋連接和螺旋傳動

螺紋連接和螺旋傳動8.1螺紋連接的基本知識8.2螺紋副的受力分析、自鎖條件和效率8.3螺紋連接的主要類型和應(yīng)用8.4螺紋連接的強度計算8.5提高螺紋連接強度的措施8.6螺旋傳動簡介思考與練習

如圖80所示,減速器在連接中大量使用螺紋結(jié)構(gòu),本章即介紹螺紋連接的原理、類型、結(jié)構(gòu)、使用場合和使用方法的選擇以及強度計算,并簡單介紹螺旋傳動的設(shè)計方法。本章主要的設(shè)計任務(wù)是確定減速器上的螺紋結(jié)構(gòu)。

螺紋連接和螺旋傳動都是利用螺紋零件進行工作的,但二者的工作性質(zhì)又有很大的區(qū)別。螺紋連接是作為緊固件使用的,保證被連接的零部件有可靠的相對位置;而螺旋傳動則用來傳遞運動和力。本章將分別介紹其工作原理、國家標準以及設(shè)計計算及選用方法等。圖80減速器上的螺紋結(jié)構(gòu)

8.1螺紋連接的基本知識

8.1.1螺紋的基本參數(shù)

螺紋有外螺紋與內(nèi)螺紋兩種。在圓柱(或圓錐)體外面加工出來的螺紋叫外螺紋,在圓柱(或圓錐)孔內(nèi)加工出來的螺紋叫內(nèi)螺紋。圖81所示為圓柱螺紋,其主要幾何參數(shù)如下。

1.牙型與牙型角

過螺紋軸線剖切所得螺牙的截面稱為牙型。常見的有三角形、梯形、矩形和鋸齒形等。牙型兩側(cè)邊的夾角為牙型角,表示為α。

圖81圓柱螺紋的幾何參數(shù)

2.螺紋直徑

大徑:內(nèi)螺紋牙底、外螺紋牙頂所在圓柱的直徑,分別用D、d表示。大徑又稱為螺紋的公稱直徑(管螺紋例外)。

小徑:內(nèi)螺紋牙頂、外螺紋牙底所在圓柱的直徑,分別用D1、d1表示。

中徑:螺紋軸向截面內(nèi)牙厚與牙間寬相等處的圓柱直徑,它近似地等于大徑、小徑的平均直徑,分別表示為D2、d2,且有

3.線數(shù)

平面圖形沿一條螺旋線運動形成的螺紋叫單線螺紋;沿雙線等距螺旋線運動形成的螺紋叫雙線螺紋;也有沿三、四條等距螺旋線運動而形成的三線或四線螺紋。線數(shù)用n表示,如n=3即為三線螺紋。

4.螺距和導(dǎo)程

相鄰兩螺牙對應(yīng)點間的軸向距離稱為螺距,用P表示;螺紋上任一點A繞軸線旋轉(zhuǎn)一周所移動的軸向距離為導(dǎo)程,用S表示。導(dǎo)程和螺距有如下關(guān)系:

5.旋向

當螺紋的旋進方向用大拇指表示,而旋轉(zhuǎn)方向用右手四指自然彎曲的方向表示時,稱為右旋螺紋;當旋轉(zhuǎn)方向用左手四指自然彎曲的方向表示時,稱為左旋螺紋。機械上常用右旋螺紋,特殊情況下用左旋螺紋。圖82(a)中的螺紋為右旋螺紋,圖82(b)中的螺紋為左旋螺紋。圖82螺紋旋向

6.螺紋升角

螺旋線與垂直其軸線的平面所成的夾角稱為螺紋升角,用λ表示。螺紋上不同直徑處的螺旋線,其升角是不同的,見圖83。通常所說的螺紋升角是指螺紋中徑處的螺旋線的升角,即圖83螺紋的升角

當螺紋的牙型、大徑、螺距、線數(shù)和旋向確定后,螺紋的幾何尺寸即隨之而定,故上述五個幾何參數(shù)稱為螺紋五要素。內(nèi)、外螺紋連接時,它們的五要素必須相同。國家標準規(guī)定了一些標準的牙型、大徑和螺距,凡牙型、大徑和螺距三項參數(shù)符合標準的,稱為標準螺紋;只有牙型符合標準的,稱為特殊螺紋;牙型不符合標準的,稱為非標準螺紋。

8.1.2螺紋的類型與應(yīng)用

螺紋的種類很多,按其應(yīng)用可分為兩大類:起連接作用的螺紋稱為連接螺紋;起傳動作用的螺紋稱為傳動螺紋。三角形螺紋牙型角α較大,α=60°(米制)或α=55°(英制),故當量摩擦角φv大時,自鎖性好,多用作連接螺紋。而梯形螺紋(α=30°)、鋸齒形螺紋(工作邊傾斜角為3°)和方牙螺紋(α=0°),因α小,傳動效率高,則用作傳動螺紋。

在三角形螺紋中又分米制和英制(螺距以每英寸牙數(shù)表示)螺紋,我國除管螺紋外均采用米制。米制螺紋又有粗牙普通螺紋和細牙普通螺紋之分,當大徑相同時,細牙普通螺紋的螺距小、小徑大,螺紋升角λ小,自鎖性能更好,而且螺紋深度淺對零件的削弱小,適用于薄壁零件及受沖擊或需要精密調(diào)節(jié)相對位置的連接。但是,細牙普通螺紋易滑扣,不宜用于經(jīng)常拆卸的連接。常用螺紋的類型、特點和應(yīng)用見表81。

8.2螺紋副的受力分析、自鎖條件和效率

8.2.1螺紋副受力分析如圖84(a)所示的矩形螺紋,若該螺紋副的螺母上承受軸向載荷Q并在螺母轉(zhuǎn)矩T作用下相對于螺桿運動。假設(shè)螺紋間的作用力集中在中徑處,則螺母可簡化為在水平推力Ft

和軸向載荷Q作用下沿螺旋面中徑滑動的滑塊(見圖84(b))。螺旋面沿中徑展開為一斜面,斜面的升角即為螺紋中徑處的螺紋升角。

式中,T為螺母的轉(zhuǎn)矩。設(shè)斜面對滑塊的支反力為N,摩擦系數(shù)為f,則摩擦力為fN。圖84螺紋副受力圖

當滑塊在推力Ft作用下有上升的趨勢時,摩擦力的方向?qū)⑴c滑塊移動方向相反,如圖85(a)所示。fN與N的合力稱為總反力R。N與R的夾角為

式中,φ稱為摩擦角。它僅與摩擦系數(shù)f有關(guān),故由Ft、Q、R三力平衡的力封閉三角形(見圖85(b))可求得

由式(84)可以看出:轉(zhuǎn)動螺旋副的轉(zhuǎn)矩T隨工作載荷Q、摩擦角φ和螺紋升角λ的增大而增大。圖85螺紋擰緊時受力分析

8.2.2自鎖條件

當滑塊在Q力作用下有下降趨勢時,摩擦力fN與其作用方向相反。由T所產(chǎn)生的水平推力Ft是維持其平衡所必需的力。此時的受力情況如圖86(a)所示。總反力R與重力Q的夾角為λ-φ,其平衡條件可由力封閉三角形(見圖86(b))求出,即

由式(86)可知,當λ=φ時,Ft

=0。即此時無論Q力有多大,無需Ft

力(Ft

=0)仍能保持其原來的靜止平衡狀態(tài),這種現(xiàn)象稱為自鎖。螺旋副的自鎖條件是

概括來說,螺旋副的自鎖就是:無論軸向載荷Q有多大,如無外力矩的作用,螺母和螺桿都不會產(chǎn)生相對的軸向移動。圖86螺紋放松時受力分析

8.2.3效率

當螺母旋轉(zhuǎn)一周,亦即滑塊沿力Ft

的方向移動了πd2的距離時(見圖86),其所需的輸入功為

輸入功W1的一部分用以舉起重物,一部分用于克服螺紋間的摩擦。用于舉起重物所需的功稱為有用功,其值為

所以螺旋副的效率為

由式(810)可知,當摩擦角φ不變時,螺旋副的效率η是螺紋升角λ的函數(shù)。對η求導(dǎo)數(shù),并令其為零,則可得出當

λ=45°時,螺旋副的效率最大。但過大的升角會引起加工困難,因此一般取λ≤25°。

當滿足自鎖條件,即λ≤φ時,η≤tanφ/tan2φ。一般φ=13°,故η小于50%?？梢?能滿足自鎖條件的螺旋副不可能得到較高的效率。

8.3螺紋連接的主要類型和應(yīng)用

前面所述的連接是兩個具有螺紋結(jié)構(gòu)的零件間的連接。這里將要講述的則是用專用螺紋連接件(如螺栓、螺母、墊圈)進行零、部件間的連接,故稱其為螺紋連接件連接。

8.3.1螺紋連接件連接的主要類型

螺紋連接件連接通常分為四種。

1.螺栓連接

螺栓連接又可分為普通螺栓連接和鉸制孔用螺栓連接兩種。普通螺栓連接(見圖87(a))的結(jié)構(gòu)特點是被連接件上的通孔和螺栓桿間留有間隙,故孔的加工精度要求低,結(jié)構(gòu)簡單,裝拆方便,適用于被連接件不太厚和兩邊都有足夠的裝配空間的場合。鉸制孔用螺栓連接(見圖87(b))的孔和螺桿多采用基孔制過渡配合,故孔的加工精度要求高,應(yīng)用于利用螺桿承受橫向載荷或需精確固定被連接件相對位置的場合。圖87螺栓連接

2.螺釘連接

當被連接件之一較厚或不宜制成通孔時可采用螺釘連接。這種連接不用螺母,是將螺釘直接擰入較厚的被連接件的螺紋孔中而實現(xiàn)連接的(見圖88(a))。螺釘連接結(jié)構(gòu)簡單,使用方便,但多次裝拆易使被連接件上的螺紋磨損,故這種連接多用于受力不大又不經(jīng)常拆卸的地方。螺釘和被連接件上孔的尺寸都可根據(jù)螺釘?shù)念愋秃凸Q尺寸在有關(guān)手冊中查出,其中旋合長度H、螺孔深H1及孔深H2由被連接件的材料確定。螺釘?shù)姆N類很多,有六角頭、內(nèi)六角頭、圓柱頭、盤頭、沉頭、半沉頭等。

3.雙頭螺柱連接

雙頭螺柱兩端均有螺紋,其一端螺紋完全旋入被連接件螺孔中,直至旋緊為止。另一端則用螺母擰緊。拆卸時僅拆下螺母,故螺紋孔不易損壞。雙頭螺柱連接適用于結(jié)構(gòu)上不能采用螺栓連接(被連接件之一太厚或不宜制成通孔)而又需要經(jīng)常拆裝的場合,其結(jié)構(gòu)如圖88(b)所示。圖88螺釘和雙頭螺柱連接

4.緊定螺釘連接

緊定螺釘連接結(jié)構(gòu)如圖89所示。它利用擰入零件螺紋孔中的螺釘末端頂緊另一零件表面(見圖89(a))或頂入該零件的凹坑中(見圖89(b)),以固定兩零件的相對位置,并可傳遞不大的載荷。圖89緊定螺釘連接

8.3.2螺紋連接的預(yù)緊

一般螺紋連接在裝配時都要擰緊,以增強連接的可靠性、緊密性和防松能力。連接件在承受工作載荷之前就預(yù)先加上的作用力稱為預(yù)緊力。如果預(yù)緊力過小,則會使連接不可靠;預(yù)緊力過大又會導(dǎo)致連接過載甚至將連接件拉斷。對于一般連接,可憑經(jīng)驗來控制預(yù)緊力的大小,但對于重要的連接,就要嚴格控制其預(yù)緊力。

控制預(yù)緊力一般是通過使用測力矩扳手(見圖810)來實現(xiàn)的。當用這種扳手旋緊螺母時,所控制的力矩T可以在其上的刻度盤上讀出。圖810測力矩扳手

8.3.3螺紋連接的防松

連接用的標準三角螺紋的螺旋升角較小,都能滿足自鎖條件,因此在靜載荷作用下不會產(chǎn)生連接松動的現(xiàn)象。但在沖擊振動和變載荷作用下,螺紋間的壓力會在某一瞬間減小甚至消失,以致螺紋失去自鎖條件,產(chǎn)生自松現(xiàn)象。為防止這種情況出現(xiàn),重要場合應(yīng)采取防松措施,防止螺栓與螺母發(fā)生相對轉(zhuǎn)動。常用的防松方法列于表82中。

8.4螺紋連接的強度計算

螺紋連接根據(jù)載荷性質(zhì)不同,其失效形式也不同。承受靜載荷螺栓的失效形式多為螺紋部分的塑性變形或螺栓被拉斷。承受變載荷螺栓的失效形式多為螺栓的疲勞斷裂,如果螺紋硬度較低或經(jīng)常拆卸,多發(fā)生滑扣現(xiàn)象。

螺栓連接通常都是成組使用的,各組連接件中螺栓所受載荷的大小不一定相同。設(shè)計時為使機械具有良好的結(jié)構(gòu)工藝性并減少所用螺栓的規(guī)格,一般采用相同的螺栓來組合。同組內(nèi)螺栓的材料、直徑和長度是按組內(nèi)受載最大的螺栓來設(shè)計的,這樣就把螺栓組的設(shè)計轉(zhuǎn)化為單個螺栓的設(shè)計。螺紋連接所用的螺栓及螺母都是標準件,其螺紋牙、螺栓頭、光桿和螺母的結(jié)構(gòu)及尺寸都是按等強度制定的。所以,一般只計算螺栓的小徑,其他部分不需要進行計算。由于螺紋小徑處截面積最小,并有應(yīng)力集中,所以螺紋零件都在該部位斷裂破壞。因此螺紋的設(shè)計計算主要是確定螺紋小徑d1,然后按照標準選定螺栓的大徑d以及螺母和墊圈等連接零件的尺寸。

8.4.1受拉螺栓連接(普通螺栓連接)

1.只受預(yù)緊力作用的螺栓

用普通螺栓連接時,要使兩個被連接件在外載荷F作用下不發(fā)生滑移(見圖811),是靠擰緊螺母時足夠的預(yù)緊力Q0在被連接件間產(chǎn)生足夠大的摩擦力來實現(xiàn)的。若兩個被連接件間的摩擦系數(shù)為f(根據(jù)被連接件的材料由手冊查出),接觸面數(shù)為m,則摩擦力為mfQ0。當mfQ0≥F時,被連接件之間不會發(fā)生滑移。

因此在外載荷作用下最小預(yù)緊力應(yīng)為

式中,c為防滑安全系數(shù)(或可靠性系數(shù)),一般取c=1.1~1.3。在上述預(yù)緊螺栓連接中,螺栓在Q0的作用下產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力為圖811預(yù)緊力作用的螺栓

同時,為擰緊螺母,螺栓還受到克服螺紋之間相對轉(zhuǎn)動阻力矩T1的作用,即

這時產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力為

危險斷面直徑d1一般為螺紋小徑。在危險斷面上既有拉應(yīng)力又有扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力,按第四強度理論,其當量應(yīng)力為

對于M16~M68的普通螺紋,當摩擦系數(shù)為0.15時,可求得τ≈0.44σ,故當量應(yīng)力為

因此,螺栓的強度條件為

或

式中,[σ]為螺栓的許用應(yīng)力,Q0的單位為N,d1的單位為mm?？梢钥闯?在這種受載狀態(tài)下,螺栓的直徑取決于Q0。當f=0.15,c=1.2,m=1時,Q0≥8F。即此種連接方式所需螺栓的尺寸較大,而且僅靠摩擦的話,可靠性差(特別是承受動載荷時)。為了避免上述缺點,可以用鉸制孔用螺栓來承受橫向載荷。螺栓桿部與孔采用較緊的過渡配合。

2.受預(yù)緊力Q0和工作拉力F作用的螺栓

在軸向載荷作用下,螺栓的破壞主要是螺桿被拉斷或產(chǎn)生塑性變形。故其計算準則是保證螺栓的靜力拉伸強度。為了計算載荷的大小,必須研究螺栓工作前后的載荷變化情況。

圖812(a)所示為螺母剛剛與被連接件接觸時的情況。當擰緊螺母,螺栓受到預(yù)緊力Q0的作用時,螺栓伸長δb0,而被連接件壓縮δc0,如圖812(b)所示。當加上工作載荷(軸向拉力)F后,螺栓將受總拉力Q的作用,因而螺栓繼續(xù)伸長Δδ,此時被連接件則被釋放了Δδ,其壓縮量變?yōu)棣?=δc0-Δδ,所以預(yù)緊力由Q0降為Q0'(Q0'稱為殘余預(yù)緊力),如圖812(c)所示。圖812受預(yù)緊力和工作拉力作用的螺栓

圖813是分別對應(yīng)于圖812(b)、(c)的力和應(yīng)變關(guān)系的線圖。由于連接件和被連接件的材料都在彈性變形的范圍內(nèi),所以力和變形呈線性變化。由兩者的變形合成圖(見圖813(b))可以看出,在外力F的作用下,被連接件變形減小,壓力相應(yīng)降低,而螺栓變形卻由δb0加大到δ'b0:圖813螺栓螺母受力和變形的關(guān)系

故拉力由原來的Q0變?yōu)镼,Q是F和Q'0之和,即

因此螺栓的拉伸強度條件為

若考慮擰緊螺母時螺紋之間的相對轉(zhuǎn)動阻力矩T1的影響,則

式中:d1為螺栓危險面直徑,單位為mm;[σ]為螺栓的許用應(yīng)力,單位為MPa。

螺栓連接工件時,不允許接合面間產(chǎn)生縫隙,即Q'0必須大于零,通常應(yīng)保持在規(guī)定的大小。對于外載荷F無變化的螺栓連接,Q'0=(0.2~0.6)F,F有變化時,Q0'=(0.6~1.0)F;壓力容器的緊密連接應(yīng)取Q'0=(1.5~1.8)F。

若螺栓所受載荷為變載荷時,螺栓連接的粗略計算可按螺栓所受的最大載荷進行,其強度條件和前述相同,所不同的是許用應(yīng)力應(yīng)按表84在動載荷項內(nèi)查取。

8.4.2受剪螺栓連接(鉸制孔用螺栓連接)

承受橫向載荷的連接,當采用鉸制孔用螺栓時,外載荷主要靠螺栓桿的剪切及螺栓桿與被連接件的擠壓來承受,連接僅需較小的預(yù)緊力,摩擦力可以忽略。因此螺栓的剪切條件為

螺栓與被連接件孔壁接觸表面的擠壓強度條件為

式中:R為橫向載荷,單位為mm;d0為螺桿(無螺紋部分)或孔的直徑,單位為mm;lmin為被連接件中受擠壓孔壁的最小長度,單位為mm;τ、[τ]分別為螺栓剪切應(yīng)力和許用剪切應(yīng)力,單位為MPa;σp、[σp]分別為螺栓與被連接件孔壁的擠壓應(yīng)力和許用擠壓應(yīng)力,單位為MPa。當螺栓與被連接件材料不同時,按較弱者選取[σp]。

8.4.3螺紋連接件的材料和許用應(yīng)力

螺紋連接件的材料很多,一般常用的有Q215、Q235、10、35、45和40Cr等。國家標準規(guī)定螺紋緊固件按機械性能等級分級,螺栓、雙頭螺柱、螺釘和螺母的性能等級和推薦材料見表83。螺母材料一般較相配合的螺栓略軟。當有防蝕或?qū)щ娨髸r,螺紋緊固件的材料也可用銅及其合金或其他有色金屬。近年來還發(fā)展了高強度塑料螺栓、螺母等。

螺紋連接件的許用應(yīng)力與安全系數(shù)S分別見表84和表85。表中σs、σb分別為使用材料的屈服極限和抗拉強度極限,[σ]、[τ]、[σp]分別為許用拉應(yīng)力、許用剪應(yīng)力和許用擠壓應(yīng)力。

8.5提高螺紋連接強度的措施

8.5.1改善螺紋牙間的載荷分布螺紋連接承受載荷時,螺栓受拉力,要求螺距增大;而螺母受壓力,要求螺距減小。但二者相互制約,引起載荷集中,螺紋牙的這種變形以靠近螺母支承面的第一圈為最大,因而受力也最大,以后各圈受力依次遞減,所以螺紋牙各圈受力是很不均勻的,如圖814(a)所示。由圖可見,螺母越厚載荷分布越不均勻。所以通常控制螺紋螺母圈數(shù)不超過十圈。圖814螺母受壓力和受拉力

若螺母是受拉力作用,則載荷分布較均勻,如圖814(b)所示,因此將螺母做成懸置錐形(如圖815(a)所示)或?qū)⒙菽搁_環(huán)形槽(如圖815(b)所示),使螺母變成受拉狀態(tài),達到改善螺紋牙間載荷分布不均勻的目的。圖815懸置螺母

8.5.2減小螺栓的應(yīng)力幅

在總載荷F∑和殘余預(yù)緊力F0不變的情況下,若減小螺栓剛度c1(見圖816(a)),或增大被連接件剛度c2(見圖816(b))都會減小應(yīng)力幅,使螺栓的疲勞強度得到提高。圖816減小應(yīng)力幅

減小螺栓剛度的方法是采用柔性螺栓,如加大螺栓長度、減小螺栓光桿部分直徑(見圖817(a)),采取空心結(jié)構(gòu)螺栓(見圖817(b))和在螺母下面加彈性零件(見圖817(c))。圖817柔性螺栓

增大被連接件剛度的主要方法是避免使用墊片或采用金屬墊片,但這將會不利于密封。這時可采用O型密封圈密封(見圖818)。圖818O型密封圈密封

8.5.3避免或減小附加彎曲應(yīng)力

當設(shè)計、制造與安裝不當時,可能會使螺栓受到附加彎曲應(yīng)力的作用,致使螺栓強度減弱。如圖819所示的支承面的不平(見圖819(a))與被連接件變形太大(見圖819(b))等都會引起附加彎曲應(yīng)力。為此,在鑄件或鍛件等未加工表面上安裝螺栓時可采用凸臺(見圖820(a))或沉頭座孔等結(jié)構(gòu)(見圖820(b));此外,還可采用球面墊圈、斜墊圈(見圖821)以及適當增加結(jié)合面厚度等措施來減小附加彎曲應(yīng)力。圖819附加彎曲應(yīng)力圖820改善支撐面結(jié)構(gòu)圖821增加墊圈

例81在如圖821(b)所示的單個螺栓中,螺栓受到橫向載荷F=7500N的作用,螺栓采用Q235鋼,性能等級為8.6。試求此螺栓的公稱直徑d。

解(1)確定許用應(yīng)力。由于螺栓采用Q235鋼,查表83得σs=240N/mm2,查表85得安全系數(shù)S=1.2~1.5,取S=1.5,則許用應(yīng)力為

(2)計算預(yù)緊力Q0。根據(jù)式(811),有

取c=1.2,f=0.15,m=1。

則

(3)計算螺栓小徑d1。

由式(814)得

(4)確定螺栓的公稱直徑d。

查手冊得普通粗牙螺紋M30的小徑d1=26.21mm,略大于計算值24.91mm,故選用M30的螺栓。

例82如圖822所示的壓力容器,已知氣缸壓強p=0.7N/mm2,氣缸內(nèi)徑D=400mm,連接螺栓數(shù)目Z=12,試確定螺栓的公稱直徑d。圖822壓力容器

解(1)確定每個螺栓的工作載荷F

(2)確定每個螺栓的總載荷Q。

由于氣缸螺栓要求連接緊密,則殘余預(yù)緊力Q'0=(1.5~1.8)F,取Q'0=1.7F=1.7×7330=12461(N)。

由式(815)可以計算出單個螺栓所承受的總軸向載荷為

(3)選擇螺栓材料及計算許用應(yīng)力[σ]。

螺栓材料選用15號鋼,材料的性能等級為5.8,則由表83查得屈服極限σs=400N/mm2,若不控制預(yù)緊力,則螺栓的許用應(yīng)力與其直徑有關(guān),可用試算法先假設(shè)螺栓直徑d=20mm,查表85,并用內(nèi)插法得安全系數(shù)S=2.71,則

(4)確定螺栓直徑d。

將Q0及[σ]代入式(814')得

查手冊得M20的d1=17.294mm,與14.9相近,故選用M20的螺栓。

若由上式算出的d1值大于M20的d1值,應(yīng)重新選擇d值,重復(fù)以上步驟,直到合適為止。

8.6螺旋傳動簡介圖823螺旋傳動

螺旋傳動由螺桿(或絲桿)和螺母組成(見圖823),可將旋轉(zhuǎn)運動變換為直線運動,也可將直線運動變換為旋轉(zhuǎn)運動。

8.6.1螺旋傳動的類型和特點

(1)根據(jù)螺旋副的用途,螺旋傳動可分為三種類型:

①傳力螺旋。它主要用于傳遞動力,如起重螺旋、軋鋼機壓下螺旋等。這類螺旋受力很大,一般為間歇性工作,通常要求具有自鎖能力。

②傳導(dǎo)螺旋。它主要用于傳遞運動,如機床的進給螺旋等。這類螺旋要求精度較高,運轉(zhuǎn)輕便靈活。

③調(diào)整螺旋。它主要用于調(diào)整、固定零件的相對位置,如機床夾具、儀器和測量裝置中的調(diào)整螺旋、差動螺旋等。這類螺旋一般受力較小,要求微量和快速地調(diào)整固定零件的相對位置。

(2)根據(jù)螺旋副的摩擦性質(zhì),螺旋傳動可分為滑動螺旋、滾動螺旋和靜壓螺旋。

①滑動螺旋。常用的滑動螺旋有梯形、鋸齒形和矩形螺紋。滑動螺旋結(jié)構(gòu)簡單、加工方便、易于自鎖,缺點是摩擦阻力大、傳動效率低,且低速時有爬行現(xiàn)象。

②滾動螺旋。在螺桿和螺母之間有可滾動的鋼球,將螺旋副的滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦。其特點是摩擦阻力小、傳動效率高(一般大于90%)、運轉(zhuǎn)靈活、磨損小,但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高。

③靜壓螺旋。在螺旋副中注入壓力油并形成壓力油膜,可使螺桿與螺母的螺紋牙表面分開。其特點是摩擦阻力小、傳動效率高(一般大于99%)、工作壽命長,但螺母結(jié)構(gòu)復(fù)雜,需要一套壓力穩(wěn)定、溫度恒定和能精細過濾的供油系統(tǒng),故成本高。

8.6.2滑動螺旋傳動的設(shè)計計算

1.材料

螺桿的材料,除有強度要求外,還應(yīng)具備良好的耐磨性和加工性能,一般可選用45、50等中碳鋼調(diào)質(zhì)處理。對于重要傳動,要求高硬度和耐磨性時,可用T12、65Mn、40Cr、18CrMnTi等鋼進行熱處理。對于精密傳導(dǎo)螺旋,還要求熱處理后有較好的尺寸穩(wěn)定性,可選用9Mn2V、CrWMn等鋼。

螺母材料應(yīng)具有較低的摩擦系數(shù)和較高的耐磨性,一般可選用鑄造青銅,如ZCuSn10Pb1;重載低速時可選用高強度的鑄造青銅ZCuAl9Fe4Ni4或鑄造黃銅ZCuZn25Al6Fe3Mn3;重載調(diào)整螺旋的螺母可選用35號鋼或球墨鑄鐵;低速輕載時可用耐磨鑄鐵。

2.耐磨性計算

磨損是螺旋傳動的主要形式。目前,還沒有一個完善的螺紋耐磨性計算方法。實踐證明,螺紋表面上的壓力直接影響螺紋磨損。因此,螺旋傳動的耐磨性計算主要是校核在軸向載荷作用下,螺紋表面的壓力pc是否超過許用值,即

式中:[pc]為螺紋接觸表面許用壓力,單位為MPa,見表86;F為最大軸向載荷,單位為N;d2為螺紋中徑,單位為mm;h為螺紋接觸高度,單位為mm,梯形螺紋和矩形螺紋h=0.5P,30°鋸齒形螺紋h=0.75P,P為螺距,單位為mm;z為螺紋的旋合圈數(shù),當螺母高度為H時,z=H/P,P為螺距。

一般螺母高度與螺桿直徑有一定的比例。令K=H/d2。對整體式螺母,由于磨損后不能調(diào)整間隙,為使受載均勻,螺母螺紋圈數(shù)不宜太多,可取K=1.2~2.5;對剖分式螺母可取K=2.5~3.5。

將z=H/P和K=H/d2代入式(820),即可得在滿足耐磨性條件下的螺紋中徑

3.自鎖性計算

有些螺紋傳動要求具備自鎖性(如起重螺旋),所以,應(yīng)進行自鎖性計算。螺旋副的自鎖條件為

式中:λ為螺旋升角;S為導(dǎo)程;φv

為螺旋副的當量摩擦角,

α為螺紋牙型角,fv

為當量摩擦系數(shù),f為摩擦系數(shù)(見表87)。

4.強度計算

傳力螺旋應(yīng)校核螺桿危險截面的強度,重載調(diào)整螺旋和青銅或鑄鐵螺母還應(yīng)校核螺紋牙的彎曲強度和剪切強度。

1)螺桿的強度計算

螺桿受壓力和扭矩的復(fù)合作用,應(yīng)按材料力學第四強度理論計算其危險截面的當量應(yīng)力σc,即

2)螺母螺紋牙的彎曲強度和剪切強度計算

由于螺母材料的強度通常低于螺桿材料的強度,因此,需對螺母螺紋牙進行彎曲和剪切強度計算。螺母的螺紋可視為在螺母螺紋大徑D處展開的懸臂梁(見圖824),它的彎曲強圖824螺紋牙受力度條件為

剪切強度條件為

式中:σb為螺母螺紋的彎曲應(yīng)力,單位為MPa;τ為螺母螺紋的剪切應(yīng)力,單