第五章　螺旋传动设计

机械设计教程第3版机械工业出版社第五章螺旋传动设计第一节概述

第二节螺旋传动设计计算第三节滚动螺旋传动简介

第一节概述

一、圆柱螺纹的基本参数

第一节概述

一、圆柱螺纹的基本参数图5-1圆柱螺纹基本参数1—外螺纹2—内螺纹3—外螺纹牙顶4—螺纹牙侧5—外螺纹牙底6—内螺纹牙顶7—内螺纹牙底第一节概述

二、螺纹的类型螺纹分为圆柱螺纹和圆锥螺纹。按螺纹牙型分为三角形螺纹、梯形螺纹、锯齿形螺纹、圆弧形螺纹和矩形螺纹,如图5-2所示。其中三角形螺纹牙型角α=60°,摩擦因数大,强度高,主要用于连接;梯形、锯齿形、矩形螺纹主要用于传动。圆弧螺纹用于排污设备、水闸闸门的传动螺旋及玻璃器皿的瓶口和起重吊钩的螺旋等;矩形螺纹因牙根强度低,精确制造困难,对中性差,已逐渐被淘汰。根据螺旋线的绕行方向,螺纹分为右旋螺纹和左旋螺纹,如图5-3所示。一般用右旋螺纹(图5-4a),有特殊要求时采用左旋螺纹(图5-4b)。根据螺纹线数,螺纹分为单线螺纹(图5-4a)、双线螺纹(图5-4b)和多线螺纹,如三线螺纹(图5-4c)。此外,按照用途不同还可分为连接螺纹和传动螺纹。连接多用单线螺纹。螺纹标准参见机械设计手册。第一节概述

二、螺纹的类型图5-2螺纹牙型a)三角形b)梯形c)锯齿形d)圆弧形e)矩形图5-3螺纹的旋向a)右旋螺纹

b)左旋螺纹第一节概述

二、螺纹的类型图5-4螺纹的线数a)右旋单线

b)左旋双线

c)右旋三线第一节概述

三、机械制造中常用的螺纹螺纹种类很多,几种常用螺纹的特点和适用场合介绍如下。1.普通螺纹普通螺纹也称一般用途的螺纹,牙型为三角形,它是以原始三角形为60°的等边三角形为基础,在其顶部和底部削去H/8和H/4构成的(图13-1),其中H为原始三角形高度。基本牙型见标准代号GB/T192—2003(等效ISO68),牙型角α=60°,牙侧角β=30°,当量摩擦因数大,自锁性能好,主要用于连接。普通螺纹的基本尺寸见GB/T196—2003,同一公称直径d时,可按螺距大小将螺纹分为粗牙螺纹和细牙螺纹,其中螺距最大的为粗牙螺纹,其余称为细牙螺纹。粗牙螺纹螺距大,直径和螺距的比例适中,螺纹牙强度高,应用广泛;公称直径相同时,细牙螺纹的螺距小,因而小径较大,抗拉强度高,螺旋升角和导程较小,自锁性强,但牙型细小易滑扣,多用于薄壁零件、切制粗牙对强度影响较大的零件,也用于微调机构的调整螺纹。第一节概述

三、机械制造中常用的螺纹2.梯形螺纹牙型为梯形,基本牙型标准代号为GB/T5796.1—2005,牙型角α=30°,牙根强度高,加工工艺性好,形成的螺纹副对中性较好,有较高的传动效率,主要用于传动。3.锯齿形螺纹牙型为不等腰梯形,基本牙型标准代号为GB/T13576.1—2008,牙型角α=33°,工作强度和传动效率均高于梯形螺纹,螺纹副大径处无间隙,对中性好,两牙侧角分别为β=3°和β'=30°,适合单向传力的传动螺旋。第一节概述

四、传动螺纹的选择一般情况下,传动螺纹需要有较大的传动效率(牙侧角要小),有双向传力要求时宜选用梯形螺纹;要求传力大、效率高、只有单向传力时宜选用锯齿形螺纹;在受力不大的调整螺旋中有时也用三角形螺纹;清污设备、水闸阀门宜选用圆弧螺纹。螺纹的旋向一般为右旋,有特殊要求时可采用左旋。螺纹的线数应根据螺旋传动的运动要求、自锁性要求及效率要求予以确定。普通螺纹的精度等级分为精密级、中等级和粗糙级三个级别,精密级用于要求配合性质相对稳定的场合;中等级用于一般情况;粗糙级用于要求不高或加工困难的场合。第二节

螺旋传动设计计算一、螺旋传动的特点1)传动比大。螺旋副中一个组成零件(如螺母)旋转一周,另一个组成零件(如螺杆)只移动一个导程,而螺纹的导程通常可以很小。2)增力作用。在主动件上施加较小的转矩,从动件可获得到较大的轴向推力,即用较小的转矩可得到较大的轴向推力,因此常用于起重机械和夹紧机构(图5-5a、b)。3)传动精度高。当螺纹导程很小时,可以很精确地调整机构的直线运动距离或位置。高精度螺旋传动可用于精密机械和测量仪器(图5-5c),特别适用于一些机构的微调节。4)易实现自锁(滑动螺旋)。选择合适的螺旋升角,螺旋副就有较好的自锁性,用于垂直举起重物的机械或需要在任意位置得到精确定位的水平推力运动机构(机床工作台进给机构)。5)传动平稳,结构简单,噪声小。6)摩擦磨损较大(滑动螺旋),传动效率较低(滑动螺旋),尤其是自锁螺旋其效率通常低于50%。第二节

螺旋传动设计计算二、螺旋传动的运动方式螺杆与螺母的相对运动是确定的,但通过固定不同的构件,可以得到四种不同的螺旋传动运动方式,即螺杆转动螺母移动(图5-5a)、螺母静止螺杆转动并移动(图5-5b、c)、螺母转动螺杆移动(图5-5d)及螺杆静止螺母转动并移动(图5-5e)等。通过附加其他装置,即可得到不同用途的螺旋传动机械。螺旋传动在机床进给机构、起重机械、压力机械、测量仪器、工具、玩具及其他工业装备中有着广泛的应用。第二节

螺旋传动设计计算二、螺旋传动的运动方式图5-5螺旋传动的应用a)桥式起重器b)防风夹轨器c)外径千分尺d)压力机e)铣刀心轴紧固机构1—手轮2—螺杆3—螺母4—防转装置5—刀轴第二节

螺旋传动设计计算三、螺旋传动的类型1.按用途分类螺旋传动分为以下三种基本类型。(1)传力螺旋

以传力为主,如起重螺旋(图5-5a)、夹紧机构螺旋(图5-5b)等。其主要特点是以较小的转矩获得很大的轴向力,能承受较大的轴向载荷,间歇性工作,工作速度不高,通常要求自锁。传力螺旋一般要求自锁,常采用单线螺纹。(2)传导螺旋

以传递运动为主,有时也承受较大的轴向力,能够实现精确的直线移动,如金属切削机床的螺旋进给机构(图5-6)、螺旋压力机等。其特点是:一般需在较长时间内连续工作,工作速度较高,要求具有较高的传动精度或工作速度。对于传动精度要求高的传导螺旋,常采用单线螺纹;对于传动效率高的传导螺旋,多采用多线螺纹,n=2~4。(3)调整螺旋

主要用于调整或固定零部件之间的相对位置,如各种仪器仪表及测量装置中的微调机构,如图5-5c所示。其特点是不经常转动,并在空载下进行。第二节

螺旋传动设计计算三、螺旋传动的类型图5-6车床进给螺旋第二节

螺旋传动设计计算三、螺旋传动的类型2.按摩擦性质分类螺旋传动可分为滑动螺旋、滚动螺旋和静压螺旋。滑动螺旋结构简单,容易制造,易于自锁,但其主要缺点是摩擦阻力大,易磨损,低速时还可能出现爬行现象,传动精度和传动效率较低,尤其是逆行程效率更低,甚至自锁。所以滑动螺旋传动一般只用于将旋转运动转变为直线运动。滚动螺旋和静压螺旋(流体摩擦)的摩擦阻力小,传动精度高,且正反传动均有较高的效率,可用于将直线运动转变为旋转运动,但结构复杂,成本较高。本节主要介绍滑动螺旋的设计计算。第二节

螺旋传动设计计算四、滑动螺旋副的精度和公差国家标准规定梯形螺纹和锯齿形螺纹有中等级和粗糙级两种公差精度。其选用原则是:一般用途采用中等公差精度,对精度要求不高的螺旋采用粗糙公差精度。1.梯形螺纹的公差一般用途的梯形滑动传力螺纹多采用30°牙型角的梯形螺纹,可按国家标准GB/T5796.4—2005《梯形螺纹

第4部分:公差》中的规定选取梯形螺纹的内、外螺纹的公差等级和公差带。对于有严格运动精度要求的梯形螺旋传动,应按JB/T2886—2008《机床梯形丝杠、螺母

技术条件》的规定选取其精度等级。该标准中,根据用途将精度分为3、4、5、6、7、8、9共七个精度等级,其中3级精度最高,依次逐渐降低。2.锯齿形螺纹的公差对于一般用途的锯齿形滑动传力螺纹,可按国家标准GB/T13576.4—2008《锯齿形螺纹

第4部分:公差》中的规定选取其内、外螺纹的公差等级和公差带,设计时可按GB/T13576.4—2008选取。第二节

螺旋传动设计计算四、滑动螺旋副的精度和公差3.螺旋的标注螺旋副标注的内容如下:螺纹代号(梯形螺纹代号Tr,锯齿形螺纹代号B)公称直径×导程(P螺距)螺纹旋向(左旋LH,右旋不标)-螺母/螺杆(丝杠)中径公差带-旋合长度标注示例:公称直径36mm,螺距6mm,内、外螺纹中径公差带7H、7e的左旋梯形螺旋副,其标注为:Tr36×6LH-7H/7e。公称直径36mm,导程12mm(螺距6mm),内、外螺纹中径公差带8H、8e的长旋合长度双线右旋锯齿形螺旋副,其标注为:B36×12(6)-8H/8e-L。第二节

螺旋传动设计计算五、滑动螺旋的结构当螺杆短而粗且垂直布置时,如起重机械、加压装置的传力螺旋,可以利用螺母作为支承。当螺杆细长且水平布置时,如机床的传导螺旋(丝杠)等,应在螺杆两端或中间附加支承,以提高螺杆的工作刚度。螺母的结构有整体式、组合式和对开式等(图5-7)。整体式螺母结构简单,但由磨损而产生的轴向间隙不能补偿,只适合在精度要求较低的螺旋中使用。对于经常双向传动的传导螺旋,为了消除和补偿由磨损产生的轴向间隙,避免反向传动时的空行程,常采用组合式螺母或对开式螺母。第二节

螺旋传动设计计算五、滑动螺旋的结构图5-7螺旋副螺母结构a)整体式

b)组合式

c)对开式1—固定螺钉2—调整螺钉3—调整垫块第二节

螺旋传动设计计算六、传动螺旋(滑动螺旋)受力及失效传动螺旋在机床和螺旋压力机中应用广泛,常用于将旋转运动转换为直线往复运动。图5-6所示为机床进给传动螺旋,刀架固定在螺母上,当螺杆(丝杠)转动时,螺母带动刀架沿丝杠往复运动,完成切削加工的进给。螺旋传动工作时螺杆通常受螺纹力矩T和轴向载荷F的复合作用,在螺杆截面内产生扭转切应力和拉(或压)应力,且螺旋副内部还存在较大的滑动摩擦。其主要失效形式有螺纹牙的磨损、螺纹牙破坏及螺杆的疲劳,当螺杆为受压的细长杆时还可能发生过度变形和失稳。第二节

螺旋传动设计计算七、传动螺旋的设计计算根据工作条件和可能出现的失效形式,应选择不同的计算方法,通常有耐磨性计算、强度计算和稳定性计算。对于传递运动的小功率传导螺旋,传动精度是首要的,主要进行耐磨性计算,尤其是传动精度要求特别高的螺旋,还应考虑拉(压)载荷及扭转载荷引起的导程变化,进行螺杆刚度计算;对于受压的细长杆螺旋(大长径比),除进行耐磨性计算外,还应校核其稳定性;对于受力大、传动精度要求不高的传力螺旋,则以强度计算为主;有自锁性要求时,还应校核自锁性;对于一般的无特殊要求的螺旋传动,则可根据经验参照同类机型直接选用。设计方法为根据抗磨损确定直径,选择螺距,校核螺杆和螺母强度等。第二节

螺旋传动设计计算七、传动螺旋的设计计算

第二节

螺旋传动设计计算七、传动螺旋的设计计算

第二节

螺旋传动设计计算七、传动螺旋的设计计算

第二节

螺旋传动设计计算七、传动螺旋的设计计算图5-8螺母一圈螺纹牙受力第二节

螺旋传动设计计算七、传动螺旋的设计计算

第二节

螺旋传动设计计算七、传动螺旋的设计计算第二节

螺旋传动设计计算七、传动螺旋的设计计算第二节

螺旋传动设计计算八、起重螺旋的设计计算

第二节

螺旋传动设计计算八、起重螺旋的设计计算

第二节

螺旋传动设计计算八、起重螺旋的设计计算图5-9螺母支承和受力a)螺母支承b)螺母螺纹牙受力第二节

螺旋传动设计计算九、滑动螺旋传动的材料和许用应力1.滑动螺旋副的材料螺杆材料应具有较高的强度、较高的耐磨性及良好的加工性能,对于高精度的螺旋传动,其螺杆材料还应有良好的热处理后尺寸稳定性。对于不重要的低精度螺杆,其材料可选用45钢、50钢和Y40Mn钢等,且可以不经热处理;对于重要、转速较高的螺杆,可选用T12、65Mn、40Cr等,且需要热处理;对于精密传动的螺杆,可选用38CrMoAl、CrWMn、9Mn2V等,并且需要热处理。螺母材料除要求有较高的强度外,还应有较好的减摩性(与螺杆配合时摩擦因数小)、较高的耐磨性及抗胶合性。对于轻载低速、手动传动,可选用耐磨铸铁或灰铸铁;对于重载低速滑动螺旋,可选用高强度铸造青铜或铸造黄铜,如ZCuAl10Fe3、ZCuZn25Al6Fe3Mn3;对于轻载中、高速及一般传动,可选用铸造青铜,如ZCuSn10P1等;对于重载调整螺旋,也可选用35钢或球墨铸铁。第二节

螺旋传动设计计算九、滑动螺旋传动的材料和许用应力2.滑动螺旋副材料的许用压强(表5-4)第二节

螺旋传动设计计算九、滑动螺旋传动的材料和许用应力3.滑动螺旋副材料的许用应力(表5-5)第三节滚动螺旋传动简介滚动螺旋传动是指将螺杆和螺母的螺纹制成滚道,在滚道中布置适量的滚动体,螺杆或螺母转动时,滚动体沿滚道滚动,使螺杆和螺母之间的摩擦成为滚动摩擦。这种传动摩擦阻力小,传动效率高达90%以上,在同样载荷的条件下,所需驱动转矩较滑动螺旋传动降低65%~75%;磨损小,寿命长,可以通过调整装置消除轴向间隙,增大轴向刚度,具有较高的传动和定位精度;具有可逆性,即可将旋转运动转变为直线运动,也可将直线运动转变为旋转运动,后者传动效率也可达85%以上;在航空、汽车、机床等制造业中应用较广。但滚动螺旋结构复杂,制造困难,成本较高,近年来由于滚动螺旋的成批生产,成本有所下降,采用滚动螺旋的成套产品逐渐增加;滚动螺旋传动不能自锁,对有自锁要求的场合,必须采用制动装置;另外,承载能力、刚性和抗振性尚低于滑动螺旋。第三节滚动螺旋传动简介一、滚动螺旋传动的结构和类型滚动螺旋的滚动体可以是球,也可以是滚子,分别称为滚珠螺旋和滚子螺旋。但后者制造工艺复杂,应用较少。通常所说的滚动螺旋是指滚珠螺旋。(1)根据滚动体循环方式不同分类两类结构如图5-11所示。1)内循环。螺母上开有侧向孔,孔内装有反向器,将相邻的两螺纹滚道连接起来,滚珠从螺纹滚道进入反向器,再进入相邻螺纹滚道。这种循环方式中,每一圈螺纹有一个反向器,滚珠在本圈内的循环运动称为内循环,如图5-11a所示。2)外循环。在螺母的外圆柱面上制有螺旋形回