丝杆传动工作台设计

武汉大学电子信息学院精密机械课程设计[丝杆传动工作台]学号：200930143031姓名：马建昌专业：测控技术与仪器指导教师：许贤哲一设计要求设计丝杆传动工作台，工作台水平行程20mm，重复精度0.05mm，承重1.5kg，运行速度5mm/s设计内容：确定丝杆传动装置的总体设计方案；选择电动机；计算传动装置的运动参数；丝杆传动的设计计算；轴承、联轴器、润滑、联接件的选择及校核计算；绘制装配工作图及零件工作图；编写设计计算说明书。在设计中完成了以下工作：①丝杆传动装配图1张（A4图纸）；②零件工作图2张；③设计计算说明书1份。二总体设计方案：丝杠传动工作台总体设计方案的内容包括工作台尺寸设计、导轨设计、减速器的选择、联轴器和轴承的选择以及直流电机的选择。2.1工作台的尺寸设计由于所要承受的负载的重量较小，并且导轨的行程比较小，所以根据负载的重量可设计矩形工作台。2.2导轨类型设计由于工作台的运动部件重量和工作载荷不大，故设计滑动直线导轨副，从而减小工作台的摩擦系数，提高运动稳定性。2.3电机的选择根据负载的重量和工作台及零部件的重量较小，所以选用的电机的功率较小，可选用普通的直流电机，结合丝杠的转矩可选择所需的电机。2.4减速器的选择因为工作台的水平行程比较小，丝杠的转速比较小，结合电机的转速较大，需选择传动比较大的减速器，又因为所需功率较小，则可选用同轴圆柱齿轮减速器。2.5联轴器和轴承的选择根据所选用的电机的转轴的尺寸和减速器的蜗轮和蜗杆的尺寸，可以选择合适的联轴器。由于在转动过程中，所受的轴向力比较小，主要承受径向力，所以可选择角接触轴承。三机械结构零部件设计3.1工作台的尺寸设计工作台的相关参数设定为：材料：灰铸铁HT200，密度ρ=7.0g/cm3长度*宽度*厚度：50*60*5=15000mm3工作台质量：m=ρV=7.0*15000*10-6=0.105kgG=1.05N工作台最大载荷：F=15N下图为工作台简图3.2导轨的设计导轨类型的选择为滑动和滚动，在此我们选择滑动三角形导轨。导轨简图如图所示材料：用于导轨的材料，应具有耐磨性好，摩擦因数小，并具有良好的加工和热处理性质。本设计导轨材料应选用HT200，它具有较好的耐磨性，灰铸铁密度为ρ=7.0g/cm3。此灰铸铁导轨的硬度一般为180~200HBW。为了提高导轨表面硬度，采用表明淬火工艺，表面硬度可达55HRC，导轨的耐磨性可提高1~3倍。滑块的材料同样也选为灰铸铁3.3丝杠的设计3.3.1滑动螺纹副的设计传动形式确定滑动螺旋的特点：①结构简单，加工方便；②易于实现逆行程自锁，工作安全可靠；③摩擦阻力大，传动效率低；④容易磨损，轴向刚度较差。滚珠螺旋的特点：①摩擦阻力小，传动效率高；②磨损小、寿命长、工作可靠性好；③具有运动的可逆性，应设防逆动装置；④轴向刚度较高，抗冲击性能较差；⑤结构复杂，加工制造较难；⑥预紧后得到很高的定位精度（约达5um/300㎜）和重复定位精度（可达1~2um）。参照设计要求发现，滑动螺旋和滚动螺旋均可满足要求。拟选定滑动螺旋传动方式。滚动螺旋的工作原理下图所示螺杆转动，螺母移动，如图12-23（a）所示。这种机构的轴向尺寸取决于螺母厚度及行程大小。机构的刚度较大，结构紧凑，适用于工作行程较长的精密加工设备和监测仪器。螺母转动、螺杆移动，如图12-23（b）所示，这种机构的轴向尺寸也取决于螺母厚度和行程的长度，机构所占空间较大，精度较低，结构比较复杂，适用于仪器和设备中的调解机构。螺母固定、螺杆转动并移动，如图12-23©,所示。在这种机构中螺母起支撑作用，由此可消除螺杆与轴承支架可能产生的轴向窜动，容易获得较高的转动精度。其结构比较简单，但轴向尺寸较大（螺杆行程的两倍加上螺母厚度），刚性较差，仅适用于短行程的微动机构。螺杆固定、螺母转动并移动，如12-23（d）所示，采用该结构是螺旋副所需轴向尺寸较小，但难以实现连续转动，精度低，仅用于仪器和设备中的间隙调整和锁紧结构。差动螺旋转动，其原理如图（e）所示。根据设计需要，使丝杆的两端固定，丝杆仅能做旋转运动，这样固定在丝杆上的螺母就可以随着丝杆的旋转而作直线运动，通过滑动螺旋将丝杆的旋转运动转变为螺母的直线运动。因此，只要将螺母与工作台固定在一起，工作台就可以随螺母进行水平直线运动，工作台的运动方向由丝杆的方向所决定，因此工作台只能做一维的直线平移。故采用（a）丝杆转动、螺母移动的滑动螺旋传动方式。螺纹的确定螺纹包括普通螺纹，管螺纹，矩形螺纹，梯形螺纹，30°锯齿形螺纹。其中，矩形螺纹和梯形螺纹用于传力或传导螺旋可供选择。而梯形螺纹相对于矩形螺纹来说工艺性好，牙根强度高，螺纹副对中性好，可以调整间隙。故选择梯形螺纹。螺杆与螺母材料的选择螺杆材料应具有良好的加工性能，一般可选用A5。，Y40Mn，45,50等钢。对于重要传动，要求耐磨性高，需进行热处理，可选用T12,65Mn，40Cr，40WMn或20CrMnTi等钢。对于精密传导螺旋还要求热处理后有较好的尺寸稳定性，可选用9Mn2V，CrWMn，38CrMoA1A等钢。螺母和螺杆配合后应具有较低的摩擦系数和较高的耐磨性，常选用铸造青铜ZQSn10-1，ZQSn6-6-3；重载低速时可选用高强度的铸造青铜ZQA19-4或铸造黄铜ZHA166-6-3-2；重载调整螺旋的螺母可选用35号钢和球墨铸铁；速度低载荷小时也可选用耐磨铸铁。已知工作台运行速度为5mm/s，即3m/min.丝杆传动对材料的磨损极大，为减少设备的维护频率与费用在满足要求的前提下选材要从经济考虑。丝杆相对于螺母难加工且价格昂贵，故丝杆的硬度要高于螺母。综上，螺杆采用钢材料，螺母使用耐磨铸铁常见材料的许用压强【p】螺杆材料螺母材料[p]/Mpa速度范围/(m/min)钢钢青铜钢18~257.5~13低速钢钢铸铁青铜13~1811~18<2.4<3.0钢钢钢淬火钢铸铁耐磨铸铁青铜青铜4~76~87~1010~136~123~18梯形螺纹螺杆直径与螺距标准公称直径d螺距p第一系列第二系列第三系列1012—14———32162018————42—26222824—852—32—40——36—303438421063由表中可选：螺杆直径d=10；螺距p=2；根据螺距确定螺纹基本尺寸螺距p外螺纹内螺纹和外螺纹中径d2内螺纹计算面积Asmm2大径d小径d1大径d’小径d1’2107.5910.5844129.51112.510711411.51314.5121041613.51516.5141431815.51718.5161892017.51920.5182412219.52122.5202992421.52324.5223632623.52526.5244342825.52728.526511取外螺纹大径d=10；小径d1=7.5；中径d2=9；内螺纹大径d’=10.5;小径d1’=8.采用单头右旋螺纹螺母高度H=8mm故螺杆螺纹部分长度L≥L1+H=20+8=28mm在载荷不太大的情况下满足L≤25d1=185.5mm可以取L=30mm。螺纹旋合长度标准如下取中等旋合长度则旋合长度为6mm螺纹公差等级确定为保证梯形螺纹传动的灵活性，必须使内，外螺纹配合后在大径和小径间留有一个保证间隙ac，为此，分别在内外螺纹的牙低上，由基本牙型让出一个大小等于ac的间隙梯形螺纹标准中，对内，外螺纹的大，中，小径分别规定了如下表所示的公差等级：直径公差等级直径公差等级内螺纹小径D14外螺纹中径d2（6）7，8，9外螺纹大径d4外螺纹小径d37，8，9内螺纹中径D27，8，9标准对内螺纹的大径D4.中径D2和小径D1只规定了一种基本偏差H（下偏差）其值为零；对外螺纹中径d2规定了h，e和c三种基本偏差，对大径d和小径d3规定了一种基本偏差h，其中h的基本偏差（上偏差）为零，e和c的基本偏差（上偏差）为负。机床中的传动丝杆和螺母就是采用梯形螺纹。其特点是精度要求高，特别是对螺距公差的要求。按JB/T2886—1992丝杆和螺母的精度等级分为6级，它们是：4，5，6，7，8，9.为保证重复精度达到要求，选择公差等级为4则梯形螺纹副的标记为：Tr30*2—4H/4h梯形螺纹标记如下：Tr30*7—4H—N3.3.2滑动螺纹副的校核（1）导轨摩擦力Fu=u(m1+m2+m3)g=3.13N其中m1=1.5㎏——移动负载；m2=0.105㎏——工作台质量m3=50*8*30*2*u=0.18——导轨与滑块之间的摩擦系数u查下表：常用材料的滑动摩擦系数材料名称静摩擦系数us动摩擦系数u无润滑有润滑无润滑有润滑钢-钢0.150.1~0.120.150.05~0.1钢-青铜0.150.1~0.150.150.1~0.15钢-铸铁0.30.180.05~0.15铸铁-铸铁0.180.150.07~0.12（2）轴向载荷和等效轴向载荷Fm的计算Fxmax=kFx+u(Fz+G)+(m1+m2+m3)a=15.67N移动阻力系数k=1.15;FX——负载移动阻力；Fz=（m2+m3）g=2.73NG=m1g=15Na=5mm/s2F=Fm=15.67N3)螺旋传动耐磨性计算滑动螺旋的磨损与螺纹工作面上的压力、滑动速度、螺纹表面粗糙度以及润滑状态等因素有关。其中最主要的是螺纹工作面上的压力，压力越大螺旋副间越容易形成过度磨损。因此，滑动螺旋的耐磨性计算，主要是限制螺纹工作面上的压力p，使其小于材料的许用压力[p]。p=上式中p---螺纹工作表面实际平均压强 [p]---许用压强（MPa） F---轴向载荷（N）P—螺距（mm） d2---螺纹中径 b---螺母高度（mm） h---螺纹工作高度查表可得h=0.5P，。轴向载荷 F=15.67N 所以螺纹实际压强P=0.277<[p]，显然满足使用要求。(4)螺牙强度计算螺杆强度σp=σs/3~5σs—材料的屈服硬度螺牙强度材料许用切应力ζP许用弯曲应力σBP钢青铜铸铁耐磨铸铁0.6σp30~404040（1~1.2）σp40~6045~5550~60螺母体强度材料许用拉应力σp许用压应力σep青铜铸铁35~4520~3070~8060~80螺杆抗剪强度：τ= τ=0.17Mpa，满足条件。上式中F：螺旋传动轴向载荷d1：外螺纹小径b：螺纹牙底宽度b=0.65pz：旋合圈数旋合长度l=6mm，p=2mm故n=3τP：许用螺杆抗剪强度，30~40Mpa 螺杆抗弯强度：σσB=0.39Mpa，满足条件上式中b：螺牙根部宽度σBP 螺母抗剪强度：τ=τ=0.08Mpa，满足条件。上式中d：内螺纹大径σP螺纹抗弯强度：σσB=0.3上式中σBP（5）自锁计算螺纹升角γ=arctgSπ γ=4°，满足条件。上式中γ:螺纹升角（°）S：螺纹导程（mm）d2:外螺纹中径（mm）ρl：当量摩擦角（°当量摩擦角ρl=arctgfcosαf:螺旋副的摩擦系数α:牙形角（30°） （6）螺杆强度校核 螺杆材料许用应力：σ= ，上式中σ:当量应力T1：转矩d1：外螺纹小径σP计算可得：σ=0.195Mpa，满足条件。（7）螺杆刚度校核轴向载荷使导程产生弹性形变：δ = 上式中F：螺旋传动轴向载荷L：导程（mm）E：螺旋材料弹性模量 E=207000Mpad1：外螺纹小径转矩使导程产生的弹性变形：δ =上式中T1：驱动力矩G：螺旋材料切变模量，G=83000Mpa导程的总弹性变形量：δS=±δ =由于总变形量极小，故可以忽略不计。每米螺纹距离上的弹性变形量δS（δSS）（7）驱动力矩计算 螺纹摩擦力矩 =2.97N·mm 上式中F：螺旋传动轴向载荷ρ'：当量摩擦角（°）Φ:螺纹升角（°）d2:螺纹中径（mm） ②、螺旋传动轴向支承面摩擦力矩=3.94N·mm上式中fs:轴向支承面间摩擦因数（取0.1）D0/d0：支承环面外径/内径（22,8）F：螺旋传动轴向载荷 ③、驱动转矩=6.908N·mm（8）重复精度校核 行程中经过的螺距数n1=30/1.5=20 最大允许误差 查表可知，使用公差等级IT3。 所以将螺纹改为：Tr-10×1.5-3g3h-N3.4滚动轴承的选则与校核选择轴承的类型与多种因素有关，通常根据下列几个因素：①允许空间。②载荷大小和方向。例如既有径向又有轴向联合载荷一般选用角接触球轴承或圆锥滚子轴承，如径向载荷大，轴向载荷小，可选深沟球和外圈都有挡边的圆柱滚子轴承，如同时还存在轴或壳体变形大及安装对中性差，可选用推力调心滚子轴承。③轴承工作转速。④旋转精度。⑤轴承的刚性。⑥轴向游动。由上综合：本设计选用角接触球轴承初选轴承为a=25o的角接触球轴承。（1）径向外载荷Fr：Fr=（m1+m2）g=44.1Nm1=3㎏——移动负载；m2=1.5㎏——工作台质量和四个滑块质量；（2）轴向外载荷Fa：Fa=FXmax=15.84N（3）轴承支反力：R1=R2=R=Fr/2=22.05N（4）轴承派生轴向力：查表得：S1=S2=S=0.7R=15.435N（5）轴承所受轴向载荷：因S1+Fa﹥S2则A2=S2+Fb2=S1+FA=15.435+15.84=31.275A1=S1=15.435N附表：基本尺寸/mm基本额定载荷/KN极线转速/r*min-1安装尺寸/mmdDBCrCor脂油daminDamaxramax102684.922.25190002800012.423.60.32684.752.12190002800012.423.60.33095.822.95180002600015250.63095.582.82180002600015250.6（6）计算轴承所受当量载荷Pr因轴承工作时有冲击，∴查表载荷系数为fp=1.4因A1/R1=0.7>e=0.68A2/R2=1.42>e=0.68且A2>A1∴Pr=P2=fp（xR2+yA1）=1.4(0.41×22.05+0.81×15.435)=1.4(9.225+12.502)=30.42N基本额定动载荷CC=(Prfh/ft)*(60nL,n/106)1/2=983.2NL,h:轴承预期计算寿命，L,h=15000h,Fh：寿命指数，当L,n=15000h时，fh=3.11Ft：温度系数，ft=1.0工作温度/℃<120125150175200ft1.00.950.90.850.80根据基本额定载荷C，查找机械手册表5-5-22，初选7000AC型角接触轴承。基本参数（尺寸）：d=10mmD=26mmB=8a=8.2mm安装尺寸(mm)：da=12.4Da=23.6ras=0.3基本额定动载荷Cr=4.75Kn静载荷Cor=2.12计算寿命LhLh=(106/60n)(ftCr/Pr)fh=6.744×104h∴Lh>L,h=15000h且C<Cr因此，轴承合格。滚动轴承座基本尺寸d=10mm(滚动轴承里轴的直径)d2=15mm（与d相对另一侧宽度）D=26mm（径向最宽外径）A：滚动轴承轴向宽3.5联轴器的选择与校核联轴器一般可分为：刚性联轴器和挠性联轴器刚性联轴器常用的有：凸缘联轴器。特点及应用：结构简单，成本低，无补偿性能，不能缓冲减振，对两轴安装精度要求较高，用于振动很小的工况条件，联接中、高速和刚性不大的且要求对中性较高的两轴。挠性联轴器常用的有：鼓形齿式联轴器、滚子链联轴器、十字轴式万向联轴器和轮胎式联轴器。特点及应用：工作可靠、承载能力大，具备少量补偿性能。与其他类型联轴器相比，尺寸相同时传递转矩最大。但构造复杂、制造困难、成本高、有噪声、不能缓冲减振。由上综合考虑，刚性联轴器的精度较高，成本较低，相反，挠性联轴器具有少量补偿性能，不适用于精度要求较高的场所。所以暂选刚性联轴器中的凸缘联轴器。又知，丝杆公称直径10mm，∴初选YL1型联轴器，YL1式凸缘联轴器其公称转矩Tn=10n·m>TT为丝杆最大转矩∴联轴器选择合格。附表：3.6电机的选择与校核常用的电机有：YR系列（IP23）绕线转子三相异步电动机、YH系列高转差率三相异步电动机、YC系列电容启动异步电动机。YR系列电动机：转子采用绕线型绕组，使电动机能在较小的启动电流下提供较大的转矩，并能在一定范围内调速。冷却方式为IC01，B级绝缘。适用于不含易燃、易爆或腐蚀性气体的场所，如压缩机、卷扬机、拔丝机等。YH系列为Y系列（IP44）：转差率高，启动转矩大，启动电流小，机械特性软，能承受冲击负荷。电动机转子采用高电阻铝合金制造。冷却方式为IC0141，B级绝缘。适用于传动转动惯量较大和冲击负荷以及反转次数较多的金属加工机床。YC系列电动机：其体积小，重量轻，结构简单，运行可靠，维修方便。两个端盖式轴承。E级绝缘，防护等级IP44，冷却方式机座号63以上位IC0141,56以下为IC0041。广泛应用在机械传动设备上，如小型机床，冶金、化工、纺织、医疗器械及日用品电器。其基本参数如下：传动比i=12.5导程L0=2.5mm丝杆直径d=10mm驱动负载质量m=4.5kg丝杆平移速度v=0.005m/s加速度a=0.005m/sμ=0.15g①外负载力计算：Fw=mgf=4.41N惯性负载力：Fj=ma=0.0225N折算到电动机轴上的负载力矩为：Tm=(1/i)·(l0/2π)·(Fw+Fj)=0.00014N·m②折算到电动机轴上的转动惯量：Jm，=(1/i2)·(l0/2π)2·m=4×10-9kg·m③电动机轴的转速：n=i·(v/l0)=1500r/min④电动机的功率计算≈因为重力负载在任何速度下都是相同的，属于在峰值力矩下，以峰值转速不断驱动的负载，则电动机的功率为：Pm≈（1.5～2.5）Tcpnlp/η其中，η=η1*η2*η36*η42*η5=0.64η1丝杆传动效率η2凸缘联轴器传动效率η3滚子轴承传动效率η4精度为8级的齿轮传动效率η5刚性联轴器的传动效率附表：类别传动型式效率η类别传动型式效率η圆柱齿轮传动很好跑和的6级精度和7级精度齿轮传动（稀油润滑）0.98～0.99滑动轴承润滑不良0.948级精度的一半齿轮传动（稀油润滑）0.97润滑正常0.979级精度的齿轮传动（稀油润滑）0.96润滑特好0.98加工齿的开式齿轮传动（干油润滑）0.94～0.96液体摩擦0.99铸造齿的开式齿轮传动0.90～0.93滚动轴承球轴承（稀油润滑）0.99滚子轴承（稀油润滑）0.98联轴器浮动联轴器0.97～0.99丝杠传动滑动丝杠0.3～0.6齿轮联轴器0.99滚动丝杠0.85～0.95弹性联轴器0.99～0.995万向联轴器（a≤30）0.97～0.98万向联轴器（a>30）0.95～0.97梅花接轴0.97～0.98液力联轴器(在设计点)0.95～0.98则Pm=（2×0.00014×2π×25）/0.64=0.069W综上所述，查机械设计手册表17-1-97可得：代号功率/W转速r/min效率/％功率因数COSψ堵转转矩额定转矩堵转电流/A声功率级dB（A）机座铁芯极数4512163000350.900.61652225401.214101500240.850.550.86024163315012403000470.900.51.565226053214251500380.850.551.2702440451.53.7减速器的选择与校核减速器种类繁多，可分为：圆柱齿轮减速器、圆锥、圆锥-圆柱齿轮减速器、蜗杆、齿轮-蜗杆减速器、行星齿轮减速器、摆线针轮减速器、谐波齿轮减速器、三环减速器等。常用的圆柱齿轮减速器又可分为单级、两级、三级。特点及应用：圆柱齿轮减速器两级展开式是两级减速器中最简单的一种。齿轮相对于轴承位置不对称，当轴产生弯曲变形时，载