機械設計教程第3版機械工業出版社第五章螺旋傳動設計第一節概述

第二節螺旋傳動設計計算第三節滾動螺旋傳動簡介

第一節概述

一、圓柱螺紋的基本參數

第一節概述

一、圓柱螺紋的基本參數圖5-1圓柱螺紋基本參數1—外螺紋2—內螺紋3—外螺紋牙頂4—螺紋牙側5—外螺紋牙底6—內螺紋牙頂7—內螺紋牙底第一節概述

二、螺紋的類型螺紋分為圓柱螺紋和圓錐螺紋。按螺紋牙型分為三角形螺紋、梯形螺紋、鋸齒形螺紋、圓弧形螺紋和矩形螺紋,如圖5-2所示。其中三角形螺紋牙型角α=60°,摩擦因數大,強度高,主要用于連接;梯形、鋸齒形、矩形螺紋主要用于傳動。圓弧螺紋用于排污設備、水閘閘門的傳動螺旋及玻璃器皿的瓶口和起重吊鉤的螺旋等;矩形螺紋因牙根強度低,精確制造困難,對中性差,已逐漸被淘汰。根據螺旋線的繞行方向,螺紋分為右旋螺紋和左旋螺紋,如圖5-3所示。一般用右旋螺紋(圖5-4a),有特殊要求時采用左旋螺紋(圖5-4b)。根據螺紋線數,螺紋分為單線螺紋(圖5-4a)、雙線螺紋(圖5-4b)和多線螺紋,如三線螺紋(圖5-4c)。此外,按照用途不同還可分為連接螺紋和傳動螺紋。連接多用單線螺紋。螺紋標準參見機械設計手冊。第一節概述

二、螺紋的類型圖5-2螺紋牙型a)三角形b)梯形c)鋸齒形d)圓弧形e)矩形圖5-3螺紋的旋向a)右旋螺紋

b)左旋螺紋第一節概述

二、螺紋的類型圖5-4螺紋的線數a)右旋單線

b)左旋雙線

c)右旋三線第一節概述

三、機械制造中常用的螺紋螺紋種類很多,幾種常用螺紋的特點和適用場合介紹如下。1.普通螺紋普通螺紋也稱一般用途的螺紋,牙型為三角形,它是以原始三角形為60°的等邊三角形為基礎,在其頂部和底部削去H/8和H/4構成的(圖13-1),其中H為原始三角形高度。基本牙型見標準代號GB/T192—2003(等效ISO68),牙型角α=60°,牙側角β=30°,當量摩擦因數大,自鎖性能好,主要用于連接。普通螺紋的基本尺寸見GB/T196—2003,同一公稱直徑d時,可按螺距大小將螺紋分為粗牙螺紋和細牙螺紋,其中螺距最大的為粗牙螺紋,其余稱為細牙螺紋。粗牙螺紋螺距大,直徑和螺距的比例適中,螺紋牙強度高,應用廣泛;公稱直徑相同時,細牙螺紋的螺距小,因而小徑較大,抗拉強度高,螺旋升角和導程較小,自鎖性強,但牙型細小易滑扣,多用于薄壁零件、切制粗牙對強度影響較大的零件,也用于微調機構的調整螺紋。第一節概述

三、機械制造中常用的螺紋2.梯形螺紋牙型為梯形,基本牙型標準代號為GB/T5796.1—2005,牙型角α=30°,牙根強度高,加工工藝性好,形成的螺紋副對中性較好,有較高的傳動效率,主要用于傳動。3.鋸齒形螺紋牙型為不等腰梯形,基本牙型標準代號為GB/T13576.1—2008,牙型角α=33°,工作強度和傳動效率均高于梯形螺紋,螺紋副大徑處無間隙,對中性好,兩牙側角分別為β=3°和β'=30°,適合單向傳力的傳動螺旋。第一節概述

四、傳動螺紋的選擇一般情況下,傳動螺紋需要有較大的傳動效率(牙側角要小),有雙向傳力要求時宜選用梯形螺紋;要求傳力大、效率高、只有單向傳力時宜選用鋸齒形螺紋;在受力不大的調整螺旋中有時也用三角形螺紋;清污設備、水閘閥門宜選用圓弧螺紋。螺紋的旋向一般為右旋,有特殊要求時可采用左旋。螺紋的線數應根據螺旋傳動的運動要求、自鎖性要求及效率要求予以確定。普通螺紋的精度等級分為精密級、中等級和粗糙級三個級別,精密級用于要求配合性質相對穩定的場合;中等級用于一般情況;粗糙級用于要求不高或加工困難的場合。第二節

螺旋傳動設計計算一、螺旋傳動的特點1)傳動比大。螺旋副中一個組成零件(如螺母)旋轉一周,另一個組成零件(如螺桿)只移動一個導程,而螺紋的導程通常可以很小。2)增力作用。在主動件上施加較小的轉矩,從動件可獲得到較大的軸向推力,即用較小的轉矩可得到較大的軸向推力,因此常用于起重機械和夾緊機構(圖5-5a、b)。3)傳動精度高。當螺紋導程很小時,可以很精確地調整機構的直線運動距離或位置。高精度螺旋傳動可用于精密機械和測量儀器(圖5-5c),特別適用于一些機構的微調節。4)易實現自鎖(滑動螺旋)。選擇合適的螺旋升角,螺旋副就有較好的自鎖性,用于垂直舉起重物的機械或需要在任意位置得到精確定位的水平推力運動機構(機床工作臺進給機構)。5)傳動平穩,結構簡單,噪聲小。6)摩擦磨損較大(滑動螺旋),傳動效率較低(滑動螺旋),尤其是自鎖螺旋其效率通常低于50%。第二節

螺旋傳動設計計算二、螺旋傳動的運動方式螺桿與螺母的相對運動是確定的,但通過固定不同的構件,可以得到四種不同的螺旋傳動運動方式,即螺桿轉動螺母移動(圖5-5a)、螺母靜止螺桿轉動并移動(圖5-5b、c)、螺母轉動螺桿移動(圖5-5d)及螺桿靜止螺母轉動并移動(圖5-5e)等。通過附加其他裝置,即可得到不同用途的螺旋傳動機械。螺旋傳動在機床進給機構、起重機械、壓力機械、測量儀器、工具、玩具及其他工業裝備中有著廣泛的應用。第二節

螺旋傳動設計計算二、螺旋傳動的運動方式圖5-5螺旋傳動的應用a)橋式起重器b)防風夾軌器c)外徑千分尺d)壓力機e)銑刀心軸緊固機構1—手輪2—螺桿3—螺母4—防轉裝置5—刀軸第二節

螺旋傳動設計計算三、螺旋傳動的類型1.按用途分類螺旋傳動分為以下三種基本類型。(1)傳力螺旋

以傳力為主,如起重螺旋(圖5-5a)、夾緊機構螺旋(圖5-5b)等。其主要特點是以較小的轉矩獲得很大的軸向力,能承受較大的軸向載荷,間歇性工作,工作速度不高,通常要求自鎖。傳力螺旋一般要求自鎖,常采用單線螺紋。(2)傳導螺旋

以傳遞運動為主,有時也承受較大的軸向力,能夠實現精確的直線移動,如金屬切削機床的螺旋進給機構(圖5-6)、螺旋壓力機等。其特點是:一般需在較長時間內連續工作,工作速度較高,要求具有較高的傳動精度或工作速度。對于傳動精度要求高的傳導螺旋,常采用單線螺紋;對于傳動效率高的傳導螺旋,多采用多線螺紋,n=2~4。(3)調整螺旋

主要用于調整或固定零部件之間的相對位置,如各種儀器儀表及測量裝置中的微調機構,如圖5-5c所示。其特點是不經常轉動,并在空載下進行。第二節

螺旋傳動設計計算三、螺旋傳動的類型圖5-6車床進給螺旋第二節

螺旋傳動設計計算三、螺旋傳動的類型2.按摩擦性質分類螺旋傳動可分為滑動螺旋、滾動螺旋和靜壓螺旋。滑動螺旋結構簡單,容易制造,易于自鎖,但其主要缺點是摩擦阻力大,易磨損,低速時還可能出現爬行現象,傳動精度和傳動效率較低,尤其是逆行程效率更低,甚至自鎖。所以滑動螺旋傳動一般只用于將旋轉運動轉變為直線運動。滾動螺旋和靜壓螺旋(流體摩擦)的摩擦阻力小,傳動精度高,且正反傳動均有較高的效率,可用于將直線運動轉變為旋轉運動,但結構復雜,成本較高。本節主要介紹滑動螺旋的設計計算。第二節

螺旋傳動設計計算四、滑動螺旋副的精度和公差國家標準規定梯形螺紋和鋸齒形螺紋有中等級和粗糙級兩種公差精度。其選用原則是:一般用途采用中等公差精度,對精度要求不高的螺旋采用粗糙公差精度。1.梯形螺紋的公差一般用途的梯形滑動傳力螺紋多采用30°牙型角的梯形螺紋,可按國家標準GB/T5796.4—2005《梯形螺紋

第4部分:公差》中的規定選取梯形螺紋的內、外螺紋的公差等級和公差帶。對于有嚴格運動精度要求的梯形螺旋傳動,應按JB/T2886—2008《機床梯形絲杠、螺母

技術條件》的規定選取其精度等級。該標準中,根據用途將精度分為3、4、5、6、7、8、9共七個精度等級,其中3級精度最高,依次逐漸降低。2.鋸齒形螺紋的公差對于一般用途的鋸齒形滑動傳力螺紋,可按國家標準GB/T13576.4—2008《鋸齒形螺紋

第4部分:公差》中的規定選取其內、外螺紋的公差等級和公差帶,設計時可按GB/T13576.4—2008選取。第二節

螺旋傳動設計計算四、滑動螺旋副的精度和公差3.螺旋的標注螺旋副標注的內容如下:螺紋代號(梯形螺紋代號Tr,鋸齒形螺紋代號B)公稱直徑×導程(P螺距)螺紋旋向(左旋LH,右旋不標)-螺母/螺桿(絲杠)中徑公差帶-旋合長度標注示例:公稱直徑36mm,螺距6mm,內、外螺紋中徑公差帶7H、7e的左旋梯形螺旋副,其標注為:Tr36×6LH-7H/7e。公稱直徑36mm,導程12mm(螺距6mm),內、外螺紋中徑公差帶8H、8e的長旋合長度雙線右旋鋸齒形螺旋副,其標注為:B36×12(6)-8H/8e-L。第二節

螺旋傳動設計計算五、滑動螺旋的結構當螺桿短而粗且垂直布置時,如起重機械、加壓裝置的傳力螺旋,可以利用螺母作為支承。當螺桿細長且水平布置時,如機床的傳導螺旋(絲杠)等,應在螺桿兩端或中間附加支承,以提高螺桿的工作剛度。螺母的結構有整體式、組合式和對開式等(圖5-7)。整體式螺母結構簡單,但由磨損而產生的軸向間隙不能補償,只適合在精度要求較低的螺旋中使用。對于經常雙向傳動的傳導螺旋,為了消除和補償由磨損產生的軸向間隙,避免反向傳動時的空行程,常采用組合式螺母或對開式螺母。第二節

螺旋傳動設計計算五、滑動螺旋的結構圖5-7螺旋副螺母結構a)整體式

b)組合式

c)對開式1—固定螺釘2—調整螺釘3—調整墊塊第二節

螺旋傳動設計計算六、傳動螺旋(滑動螺旋)受力及失效傳動螺旋在機床和螺旋壓力機中應用廣泛,常用于將旋轉運動轉換為直線往復運動。圖5-6所示為機床進給傳動螺旋,刀架固定在螺母上,當螺桿(絲杠)轉動時,螺母帶動刀架沿絲杠往復運動,完成切削加工的進給。螺旋傳動工作時螺桿通常受螺紋力矩T和軸向載荷F的復合作用,在螺桿截面內產生扭轉切應力和拉(或壓)應力,且螺旋副內部還存在較大的滑動摩擦。其主要失效形式有螺紋牙的磨損、螺紋牙破壞及螺桿的疲勞,當螺桿為受壓的細長桿時還可能發生過度變形和失穩。第二節

螺旋傳動設計計算七、傳動螺旋的設計計算根據工作條件和可能出現的失效形式,應選擇不同的計算方法,通常有耐磨性計算、強度計算和穩定性計算。對于傳遞運動的小功率傳導螺旋,傳動精度是首要的,主要進行耐磨性計算,尤其是傳動精度要求特別高的螺旋,還應考慮拉(壓)載荷及扭轉載荷引起的導程變化,進行螺桿剛度計算;對于受壓的細長桿螺旋(大長徑比),除進行耐磨性計算外,還應校核其穩定性;對于受力大、傳動精度要求不高的傳力螺旋,則以強度計算為主;有自鎖性要求時,還應校核自鎖性;對于一般的無特殊要求的螺旋傳動,則可根據經驗參照同類機型直接選用。設計方法為根據抗磨損確定直徑,選擇螺距,校核螺桿和螺母強度等。第二節

螺旋傳動設計計算七、傳動螺旋的設計計算

第二節

螺旋傳動設計計算七、傳動螺旋的設計計算

第二節

螺旋傳動設計計算七、傳動螺旋的設計計算

第二節

螺旋傳動設計計算七、傳動螺旋的設計計算圖5-8螺母一圈螺紋牙受力第二節

螺旋傳動設計計算七、傳動螺旋的設計計算

第二節

螺旋傳動設計計算七、傳動螺旋的設計計算第二節

螺旋傳動設計計算七、傳動螺旋的設計計算第二節

螺旋傳動設計計算八、起重螺旋的設計計算

第二節

螺旋傳動設計計算八、起重螺旋的設計計算

第二節

螺旋傳動設計計算八、起重螺旋的設計計算圖5-9螺母支承和受力a)螺母支承b)螺母螺紋牙受力第二節

螺旋傳動設計計算九、滑動螺旋傳動的材料和許用應力1.滑動螺旋副的材料螺桿材料應具有較高的強度、較高的耐磨性及良好的加工性能,對于高精度的螺旋傳動,其螺桿材料還應有良好的熱處理后尺寸穩定性。對于不重要的低精度螺桿,其材料可選用45鋼、50鋼和Y40Mn鋼等,且可以不經熱處理;對于重要、轉速較高的螺桿,可選用T12、65Mn、40Cr等,且需要熱處理;對于精密傳動的螺桿,可選用38CrMoAl、CrWMn、9Mn2V等,并且需要熱處理。螺母材料除要求有較高的強度外,還應有較好的減摩性(與螺桿配合時摩擦因數小)、較高的耐磨性及抗膠合性。對于輕載低速、手動傳動,可選用耐磨鑄鐵或灰鑄鐵;對于重載低速滑動螺旋,可選用高強度鑄造青銅或鑄造黃銅,如ZCuAl10Fe3、ZCuZn25Al6Fe3Mn3;對于輕載中、高速及一般傳動,可選用鑄造青銅,如ZCuSn10P1等;對于重載調整螺旋,也可選用35鋼或球墨鑄鐵。第二節

螺旋傳動設計計算九、滑動螺旋傳動的材料和許用應力2.滑動螺旋副材料的許用壓強(表5-4)第二節

螺旋傳動設計計算九、滑動螺旋傳動的材料和許用應力3.滑動螺旋副材料的許用應力(表5-5)第三節滾動螺旋傳動簡介滾動螺旋傳動是指將螺桿和螺母的螺紋制成滾道,在滾道中布置適量的滾動體,螺桿或螺母轉動時,滾動體沿滾道滾動,使螺桿和螺母之間的摩擦成為滾動摩擦。這種傳動摩擦阻力小,傳動效率高達90%以上,在同樣載荷的條件下,所需驅動轉矩較滑動螺旋傳動降低65%~75%;磨損小,壽命長,可以通過調整裝置消除軸向間隙,增大軸向剛度,具有較高的傳動和定位精度;具有可逆性,即可將旋轉運動轉變為直線運動,也可將直線運動轉變為旋轉運動,后者傳動效率也可達85%以上;在航空、汽車、機床等制造業中應用較廣。但滾動螺旋結構復雜,制造困難,成本較高,近年來由于滾動螺旋的成批生產,成本有所下降,采用滾動螺旋的成套產品逐漸增加;滾動螺旋傳動不能自鎖,對有自鎖要求的場合,必須采用制動裝置;另外,承載能力、剛性和抗振性尚低于滑動螺旋。第三節滾動螺旋傳動簡介一、滾動螺旋傳動的結構和類型滾動螺旋的滾動體可以是球,也可以是滾子,分別稱為滾珠螺旋和滾子螺旋。但后者制造工藝復雜,應用較少。通常所說的滾動螺旋是指滾珠螺旋。(1)根據滾動體循環方式不同分類兩類結構如圖5-11所示。1)內循環。螺母上開有側向孔,孔內裝有反向器,將相鄰的兩螺紋滾道連接起來,滾珠從螺紋滾道進入反向器,再進入相鄰螺紋滾道。這種循環方式中,每一圈螺紋有一個反向器,滾珠在本圈內的循環運動稱為內循環,如圖5-11a所示。2)外循環。在螺母的外圓柱面上制有螺旋形回