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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用。重點闡述了滑動螺旋傳動的設計計算，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計準則進行設計，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計計算及設計中應注意的問題。滾動螺旋的設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。學習要求學習要求:掌握螺旋傳動的類型及應用；掌握滑動螺旋傳動的設計計算方法；了解滾動螺旋傳動的計算特點。本章本章重點重點: : 滑動螺旋傳動的設計計算方法 第一節(jié)第一節(jié)

2、螺旋傳動的應用和分類螺旋傳動的應用和分類第二節(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題思考題和習題 第一節(jié)第一節(jié) 螺旋傳動的應用和分類螺旋傳動的應用和分類 學習要求：學習要求： 對螺旋傳動的類型及應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：傳力螺旋導螺旋傳調(diào)整螺旋 螺旋傳動的應用和分類螺旋傳動的應用和分類傳力螺旋：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。傳導螺旋：傳導螺旋： 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螺旋。如圖16-1c的金屬切削機床的進給螺旋。傳導螺旋常在較長的時間內(nèi)連續(xù)工作，工作速度較高。 螺旋傳動的應用和分類螺旋傳動的應用和分類16-1 螺旋傳動的應用和分類螺旋傳動的應用和分類第二節(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習要求學習要求 掌握滑動螺旋傳動的失效形式和滑動螺旋傳動的設計計算方法。 本節(jié)闡述了滑動螺旋傳動的設計計算，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、設計準則進行設計，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計計算滑動螺旋傳動的設計計算 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計計算滑動螺旋傳動的設計計算 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）?；瑒勇菪哪p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。 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。為了導出設計計算式，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； 為許用切應力（MPa），見表16-3； 為許用彎曲應力（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量應力，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為當量摩擦角，v = arctanv，v為當量摩擦因數(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，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8090時，臨界載荷按歐拉公式計算 (16-9)（2）當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，應適當增大螺桿小徑。除上述計算外，對于高精度的螺旋傳動，應進行螺桿的剛度計算；對于高速旋轉(zhuǎn)的螺旋還應校核其臨界轉(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習要求學習要求: 了解滾動螺旋的類型和設計計算及設計中應注意的問題。 滾動螺旋是一定型產(chǎn)品，由專門生產(chǎn)廠家制造，應用中關鍵是根據(jù)實際工作情況，正確選擇其類型和尺寸，其設計計算為校核計算。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 設計中應注意的問題設計中應注意的問題 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)螺紋旋向公稱導程公稱直徑結(jié)構(gòu)特征預緊方式循環(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)設計。 當滾動螺旋副在較高轉(zhuǎn)速下工作時，應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；靜止狀態(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，如傳力螺旋副應進行螺桿強度計算；長徑比大的受壓螺桿應進行穩(wěn)定性計算；轉(zhuǎn)速較高、支承距離較大的螺桿應校核其臨界轉(zhuǎn)速等。計算方法可參照機械設計手冊。四、設計中應注意的問題四、設計中應注意的問題 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，在設計中應注意以下問題。 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，設計中為防止螺旋副

20、受力后逆轉(zhuǎn)，需設置防止逆轉(zhuǎn)的裝置，如采用制動電機，步進電機，在傳動系統(tǒng)中設置自鎖機構(gòu)或離合器。2限位裝置 限位裝置的設置，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，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。 設計中還應注意，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，因其應用較少，加之設計時考慮因素較多，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。在設計時應根據(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 器人等自動化領域得到了廣泛應用，其設計計算及 組合結(jié)構(gòu)設計顯得十分必要。 本章著重介紹了滾動螺旋的類型、設計計算及設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，應用中關鍵是根據(jù)實際工作情況，正確選擇其類型和尺寸，其設計計算為校核計算，計算中所取有關滾動螺旋數(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)設計可參見滾動軸承章節(jié)。滾動螺旋精度的有關內(nèi)容可參閱朱孝錄主編的中國機械設計大典第4卷、第37篇螺旋傳動一章。 滾動螺旋傳動滾動螺旋傳動