机械设计基础之螺旋传动PowerScrew

1、机械设计（机械设计（）（零件）（零件）第十章 螺旋传动第一项第二项第二项Power Screw1.螺旋传动结构、原理一、概述螺旋传动特点：螺旋传动特点：结构紧凑结构紧凑，机械增益高机械增益高；传动平稳传动平稳、精度高；、精度高； 易于自锁易于自锁；磨擦磨损大，效率较低磨擦磨损大，效率较低工作原理：工作原理：通过螺纹结构，将通过螺纹结构，将回转运动回转运动转化为转化为轴向直线运动轴向直线运动，同时传递能量和力；，同时传递能量和力；回转运动回转运动直线运动；直线运动；转矩转矩推（拉）力。推（拉）力。 螺母螺母螺杆螺杆第一项第二项第二项Power Screw2.螺旋传动的应用（应用场合）二维数控台原

2、理图二维数控台原理图第一项第二项第二项Power Screw2.螺旋传动的应用螺旋千分尺螺旋测微器的精密螺纹的螺距是0.5mm，可动刻度有50个等分刻度，旋转每个小分度，相当于测微螺杆前进或后退这0.5/50=0.01mm。所以以螺旋测微器可准确到0.01mm。由于还能再估读一位，可读到毫米的千分位，故又名千分尺。第一项第二项第二项Power Screw螺旋千斤顶螺旋千斤顶第一项第二项第二项Power Screw立式加工中心立式加工中心第一项第二项第二项Power Screw根据用途分类1、传力螺旋、传力螺旋 以传递动力为主，要求用较小的转矩产生较大的轴向推力。一般间歇工作，工作速度不高，而且

3、通常要求自锁。2、传导螺旋、传导螺旋 以传递运动为主，常要求具有高的运动精度。一般在较长时间内连续工作，工作速度也较高。3、调整螺旋、调整螺旋 用以调整并固定零件或部件之间的相对位置。要求能自锁。传力螺纹传力螺纹传导螺纹传导螺纹调整螺纹调整螺纹第一项第二项第二项Power Screw按运动形式不同，按运动形式不同，螺旋传动分为螺旋传动分为：螺杆转动，螺母移动 -最常用的形式 如车床中的进给螺旋，龙门刨床横梁的升降装置螺杆转动并移动，螺母固定不动 -精度较高，结构尺寸较大，如螺旋起重器，铣床工作台升降机构等螺母转动，螺杆移动-结构尺寸大且较复杂，如平面磨床的垂直进给螺旋等螺母转动并移动，螺杆固定

4、不动-精度较低，如摇臂钻床横臂的升降装置及手动调整机构等第一项第二项第二项Power Screw根据摩擦类型分类滑动摩擦螺旋优点：结构简单、容易制造、传力较大、能够实现自锁要求，应用广泛。 梯形/锯齿形螺纹。缺点：容易磨损、传动效率低静压螺旋流体摩擦，传动效率高90%p1p2Fa进油h2节流器h1B回油螺旋面AC油腔Fr滚动摩擦螺旋效率高，可达99以上，传动精度高，不自锁，运动平稳，寿命长，但结构复杂，成本高，抗冲击性能差，不宜传递大载荷。第一项第二项第二项Power Screw在螺旋和螺母之间设有封闭的循环滚道，其间充以滚珠，这样就使螺旋面的滑动摩擦成为滚动摩擦。滑动摩擦 滚动摩擦组成：螺杆

5、、螺母、滚珠类型：外循环、内循环（3-5圈）滚动摩擦螺旋第一项第二项第二项Power Screw三、螺旋传动的运动关系螺母轴向位移：螺母轴向位移：2xS螺母轴向速度：螺母轴向速度：60nSv 一般螺旋：一般螺旋：差动螺旋：差动螺旋： （慢移）（慢移）1312()2xSS螺母轴向位移：螺母轴向位移：反向螺旋反向螺旋：（快移）：（快移）1312()2xSS螺母轴向位移：螺母轴向位移：右旋右旋导程导程 PA右旋右旋导程导程 PB单杠钢索调整装置单杠钢索调整装置第一项第二项第二项Power Screw螺杆的材料：螺杆的材料：需经热处理以达到高硬度。需经热处理以达到高硬度。一般选择一般选择中碳钢中碳钢，

6、要求有足够的强度，常用，要求有足够的强度，常用35、45号钢号钢;重要螺杆重要螺杆，则常用工具钢，则常用工具钢T10,T12或合金钢或合金钢65Mn、40Cr、T12、20CrMnTi等。等。螺母材料：螺母材料：除要有足够的强度外，还要求在与螺杆配合时除要有足够的强度外，还要求在与螺杆配合时摩擦系数小和耐磨摩擦系数小和耐磨。常用材料常用材料有铸锡青铜有铸锡青铜，如，如ZCuSn10Pb1, ZCuSn5Pb5Zn5重载低速使用强度较高的铸铝铁青铜重载低速使用强度较高的铸铝铁青铜ZCuAl10Fe3或铸黄铜或铸黄铜ZCuZn25Al6Fe3Mn3 。低速不重要的螺旋传动也可用耐磨铸铁或灰铸铁。低

7、速不重要的螺旋传动也可用耐磨铸铁或灰铸铁。螺旋副需求：强度高、耐磨性、低磨檫系数螺旋副需求：强度高、耐磨性、低磨檫系数材料的选取：材料的选取：第一项第二项第二项Power Screw螺旋传动的失效螺旋传动的失效 螺旋传动工作时，在承受转矩T的同时，还承受轴向载荷Q。图14-1分别示出了螺旋压力机、螺纹起重器所受的载荷图。 螺旋传动的主要失效形式是螺纹磨损螺纹磨损（它与材料、润滑和工作表面的压强有关），其他失效形式是螺纹牙折断或剪断螺纹牙折断或剪断，螺杆断裂，螺杆断裂，长螺杆受压失稳等长螺杆受压失稳等。第一项第二项第二项Power Screw四、滑动螺旋的设计计算 滑动螺旋中螺母磨损是最主要的一

8、种失效形式最主要的一种失效形式，会引起传动精度下降，空间大，并使强度下降。（反向间隙） 磨损的影响因素磨损的影响因素：工作面的压强，螺纹表面质量，滑动速度和润滑状态 所以耐磨性计算主要限制螺纹工作面上压强P要求小于材料的许用比压。当速度相同时，压强大，磨损量大润滑油不被挤出，易形成油膜润滑1.耐磨性计算第一项第二项第二项Power Screw假想螺纹牙可以展成一长条，设螺旋的轴向载荷为假想螺纹牙可以展成一长条，设螺旋的轴向载荷为F，螺母旋合螺母旋合高度为高度为H、螺距为螺距为p，螺纹旋合圈数为螺纹旋合圈数为Z=H/p、螺纹工作高度为螺纹工作高度为h、承压面积为承压面积为A，螺纹工作面上的压强为

9、螺纹工作面上的压强为 ps。则螺纹的耐磨性条件为：则螺纹的耐磨性条件为：22phHdFphZdFAFpsMPa若按耐磨性条件设计螺纹中径若按耐磨性条件设计螺纹中径d2时，可引用系数时，可引用系数2dH以消去以消去H校核耐磨性校核耐磨性第一项第二项第二项Power Screw2phFpd8 . 02pFd对于锯齿形螺纹，对于锯齿形螺纹，h=0.75p, 则则65. 02pFd对于矩形和梯形螺纹，对于矩形和梯形螺纹，h=0.5p（螺纹工作（螺纹工作高度高度/螺距）螺距）, 则则设计公式设计公式第一项第二项第二项Power Screw系数系数 的值（螺母高度的值（螺母高度/螺纹中径）：螺纹中径）：可

10、根据螺母结构选定，可根据螺母结构选定，整体式螺母，磨损后间隙不能调整，取整体式螺母，磨损后间隙不能调整，取 =1.22.5;剖分式螺母剖分式螺母: =2.53.5;对于传动精度较高时对于传动精度较高时,允许允许 =4由于旋合各圈受力不均由于旋合各圈受力不均, 应使应使Z 10计算出计算出d2后后, 应选为标准值应选为标准值, 螺纹的其它参数根据螺纹的其它参数根据d2 按标准按标准选取。选取。第一项第二项第二项Power Screw2.螺纹牙强度计算螺纹牙根部危险剖面的弯曲强度条件为：剖面 -的剪切强度条件为：将螺母一圈螺纹沿螺纹大径处展开，即可视为一悬壁梁，每圈螺纹承受的平均压力F/z作用在中

11、径d2的圆周上。 bZdFMPabbZbdFhbdhZF36222第一项第二项第二项Power Screw式中式中: d-螺母螺纹大径，螺母螺纹大径，mm h -螺纹牙的工作高度，螺纹牙的工作高度，mm b -螺纹牙根部厚度，螺纹牙根部厚度，mm 、 b-螺母材料的许用剪切应力螺母材料的许用剪切应力 和许用弯曲应力，和许用弯曲应力，MPa第一项第二项第二项Power Screw螺杆工作时同时受轴面压力（拉力）Q与扭矩T的作用，截面受拉（压）应力与扭剪应力的复合作用按弯扭复合强度条件计算第四强度理论 22223( )3() TQTAW3.螺杆强度计算)16(3)4(231221dTdF式中式中:

12、d1 -螺杆螺纹小径螺杆螺纹小径,mm -螺杆材料许用应力螺杆材料许用应力 F-螺杆所受轴向力螺杆所受轴向力, N T-螺杆所受扭矩螺杆所受扭矩, N.mm2)tan(2dFT第一项第二项第二项Power ScrewQc-螺杆稳定的临界载荷螺杆稳定的临界载荷Qc与螺杆材料及长径比与螺杆材料及长径比(柔度柔度) 有关有关14llid第一项第二项第二项Power Screw对于不淬火钢螺杆对于不淬火钢螺杆:当当 90 时时22)( lEIFc当当 90 时时400013. 01340212dFc对于对于 40的螺杆不用校核的螺杆不用校核当当 85 时时(欧拉公式欧拉公式) 22)( lEIFc对于

13、淬火钢螺杆对于淬火钢螺杆:当当 4 第一项第二项第二项Power Screw5 、螺纹副自锁条件校核、螺纹副自锁条件校核f arctan6、螺纹副传力效率、螺纹副传力效率tantanv当轴向载荷与运动方向相反时，取当轴向载荷与运动方向相反时，取+号号第一项第二项第二项Power Screw7 、螺旋传动刚度计算、螺旋传动刚度计算针对高精度螺旋传动，如坐标镗床、齿轮磨床等针对高精度螺旋传动，如坐标镗床、齿轮磨床等每个导程变形量每个导程变形量: d d=d dF+d dTd dF-轴向载荷使每个螺轴向载荷使每个螺纹导程产生得变形量纹导程产生得变形量d dT-转矩使每个螺纹转矩使每个螺纹导程产生得变形量导程产生得变形量单位长度变形量单位长度变形量: D D=d/ d/s8、临界转速刚度校核、临界转速刚度校核cr0.8nn针对高速旋转螺旋针对高速旋转螺旋螺杆计算长度；螺杆计算长度；螺杆螺纹小径；螺杆螺纹小径；长度系数长度系数第一项第二项第二项Power Screw(1) 在下列四种具有相同公称直径和螺距，并采用相同配对材料的传动螺旋副中，传动效率最高的是 C 。 A. 单线矩形螺旋副 B. 单线梯形螺旋副 C. 双线矩形螺旋副 D. 双线梯形螺旋副(2) 滑动螺旋传动的失效形式多为 D 。螺杆压溃 B. 螺纹牙折断 C.