精密机械设计基础-第九章螺旋传动

第九章螺旋传动第一节概述第二节滑动螺旋传动第三节滚珠螺旋传动第四节静压螺旋传动简介第一节概述一、螺旋传动：利用螺杆与螺母的相对运动，将旋转运动变为直线运动二、分类：1、按作用分：（1）示数螺旋传动（2）传力螺旋传动（3）一般螺旋传动2、按摩擦的性质分：（1）滑动螺旋传动（2）滚动螺旋传动（3）静压螺旋传动第二节滑动螺旋传动一、滑动螺旋传动特点：(1)降速传动比大(2)具有增力作用(3)能自锁(4)效率低、磨损快二、型式及应用:1、螺母固定，螺杆转动并移动(图9－1a图9－2)（1）优点：结构简，能自动消除窜动，易获高精度。（2）缺点：轴向尺寸较大，刚性差。适用于行程短。图9-1滑动螺旋传动的基本型式图9-2测微目镜2、螺杆转动，螺母移动图9－1b图9－3（1）优点：结构紧凑，刚度较大，适用于行程较长。（2）缺点：结构较复杂图9-3测量显微镜纵向测微螺旋3、差动螺旋传动：（1）原理图9－4l=φ/2π（Ph1-Ph2)（2）特点：实现微动或快速移动图9-4差动螺旋原理三、滑动螺旋传动的计算：1、主要失效形式：1）磨损2）螺杆的变形3）螺杆或螺纹牙的断裂等2、耐磨性计算式中：p——螺纹工作表面实际平均压强；［p］——许用压强，见表9-1——轴向载荷；——螺纹中径；Ｈ——螺母高度；h——螺纹工作高度令H=，则上式可写成][2phHdPFpaaF2d2d][2phPFda10PHn表9-1螺旋副材料的许用压强3、刚度计算（1）轴向载荷作用（2）转矩作用（图9－5）逆螺旋方向作用时“+”号，反之取“-”号EAPFapfpGITPpPTGITPPP2222表9-5螺距扭转变形图（3）总变形量式中：Fa——轴向载荷；T——转矩；P——螺距E、G——分别为螺杆材料的弹性模量和剪切弹性模量；A、Ip——分别为螺杆螺纹段截面面积和极惯性距，梯形螺纹刚度计算中，按螺纹中径d2计算，即表9-2螺杆每米长的螺距累积变化量的允许值。PTPFp3210)2(paPGITPEAPF4/22dA32/42dIP表9-2螺杆每米长允许螺距变化量4、稳定性验算式中Ｌ——螺杆最大工作长度；Ia——螺杆的截面惯性矩，梯形螺纹螺纹按中径计算Ｅ——螺杆材料的弹性模量；22)(LEIFaac64/42dIaＥ——螺杆材料的弹性模量；u——长度系数，与螺杆的支承情况有关。式中m——螺杆支承系数，式中——最大轴向载荷；——安全系数，=2.5~4。64/42dIa2364EmFaacSFFmaxmaxaFFSFS表9-3支承系数m5、强度计算（1）螺杆的强度计算螺杆的强度可按第四强度理论进行验算。其计算公式为式中——螺杆材料的许用应力，（为材料的屈服极限）；d1——螺杆螺纹小径；Fa——轴向载荷；T——转矩。][)2.0(3)4(231221dTdFa][)5~3(][sS（2）螺纹强度计算（螺母）1）剪切强度][dbnFa2）弯曲强度式中：d——螺纹大径（mm）；b——螺纹根部宽度（mm），对于梯形螺纹，b=0.65P；n——H/P；——分别为螺纹材料的许用剪切应力和许用弯曲应力表9－4][][、表9-4螺母材料的许用应力6、驱动力矩、效率和自锁的计算（1）驱动力矩式中——导程角；——诱导摩擦角，；——螺纹表面滑动摩擦系数；表（9－5）——螺纹牙型半角；——螺纹中径。)tan(22vadFTvcosarctanfvf2d表9-5摩擦系数f（2）效率当转动螺母（或螺杆）一转时，所需输人功为式中——导程)tan(221vaFdTWtan22dFPFWahahP)tan(tan212vhaTPFWW2haPFT（3）自锁当驱动力矩T去除后，轴向力Fa变为驱动力。如果螺旋不自锁，则在Fa的作用下将反向加速运动（与Fa同向），此时，其传动效率和转矩分别为：当η'≤0，则螺旋自锁，此时γ≤ρv，即tan)tan('v2'haPFTvhdP2arctan六、消除螺旋传动的空回的方法1、空回：当螺旋机构中存在间隙，若螺杆的转动方向改变，螺母不能立即产生反向运动，只有螺杆转动某一角度后才能使螺母开始反向运动，这种现象称为空回。2、消除空回的方法（1）利用单向作用力图9－2（2）利用调整螺母1）径向调整法利用不同的结构，使螺母产生径向收缩，减小空回。图9-132）轴向调整法，图9－14（3）利用塑料螺母消除空回图9－15图9-13螺纹间隙径向调整结构图9-14螺纹间隙轴向调整结构图9-15塑料螺母结构第三节滚珠螺旋传动一、组成螺杆、螺母、滚珠和滚珠循环返回装置四部分。图9－16二、滚珠螺旋传动的特点：图9-16滚珠螺旋传动工作原理图1）传动效率高，约为滑动螺旋传动效率的三倍。2）启动力矩小、颤动及滞后时间。3）传动精度高。4）具有传动的可逆性，不能自锁。5）制造工艺复杂，成本较高，但使用寿命长，维护简单。三、滚珠螺旋传动的结构型式与类型1、螺纹滚道法向截形（1）接触角滚珠与滚道表面在接触点处的公法线与过滚珠中心的螺杆直径线间的夹角。（2）型式常用的截形有两种，单圆弧形（图9－17a）和双圆弧形（图9－17b）。图9-17滚道法向截形示意图（3）单圆弧形特点1）优点：加工简单，易获高精度。2）缺点接触角易变化，效率、承载能力、刚度均不稳。（4）双圆弧形特点1）优点：效率、承载能力和轴向刚度较稳定，润滑油易存。2）缺点：加工困难。2、滚珠循环方式（1）分类：内循环外循环（2）内循环滚珠在循环过程中始终与螺杆保持接触的循环叫内循环（图9－18）。列数通常有二～四列（即一个螺母上装有2－4个反向器），一列只有一圈。图9-18内循环1）优点：滚珠少，滚珠的流畅性好，效率高。径向尺寸小，装配简单。2）缺点：反向器的回珠槽具有空间曲面，加工较复杂。（3）外循环滚珠在返回时与螺杆脱离接触的循环称为外循环。1）分类：外循环可分为：1.螺旋槽式2.插管式3.端盖式2）螺旋槽式（图9－19）＜1＞优点结构工艺简单，易于制造，螺母径向尺寸小。＜2＞缺点挡珠器刚度较差，容易磨损。图9-19螺旋槽式外循环3）插管式（图9-20）＜1＞优点：结构简单，工艺性好，适于批量生产＜2＞缺点：径向尺寸较大，用弯管时端部作挡珠器，则耐磨性较差。图9-20图9-214）端盖式（图9－21）＜1＞优点：结构紧凑，工艺性好＜2＞缺点：滚珠通过短槽时容易卡住3、消除轴向间隙的调整预紧方法图9－22（1）垫片调隙式（图9－23）优点结构简单，可靠性高，刚性好。缺点精确调整比较困难，且当滚道磨损时不能随意调整，除非更换垫圈。图9-22图9-23（2）螺纹调隙式（图9－24）优点：结构紧凑，工作可靠，调整方便。缺点：不很精确。图9-24螺纹调整式（3）齿差调隙式（图9－25）优点：调整精度很高，工作可靠。缺点：结构复杂，加工工艺和装配性能较差。图9-25齿差调隙式三、滚珠螺旋副的精度、代号和标记方法1、类型P类定位滚珠螺旋副和T类传动滚珠螺旋副。2、精度等级，即l、2、3、4、5、7和10级。l级精度最高，依次递减。3、滚珠螺旋副的代号和标记方法表9-9一表9-11。图9-9——图9-11第四节静压螺旋传动简介一、静压螺旋传动的工作原理图9-26二、静压螺旋传动的特点1）摩擦阻力小，效率高（可达99％）。2）寿命长。螺纹表面不直接接触，能长期保持工作精度。图9-26静压螺旋传动原理3）传动平稳，低速时无爬行现象。4）传动精度和定位精度高。5）具有传动可逆性，必要时应设置防止逆转机构。6）需要一套可靠的供油系统，并且螺母结构复杂，加工比较困难。