1.2　螺旋傳動結構設計技巧與禁忌

螺旋傳動主要用來將回轉運動變為直線運動,同時傳遞力和轉矩,也可以用來調整零件的相互位置,有時兼有幾種作用。其應用很廣,如螺旋千斤頂、螺旋絲杠、螺旋壓力機,以及精密儀器中的調整裝置等。

1.2.1　螺旋傳動的類型、特點及基本運動形式

(1)螺旋傳動的類型及特點

① 按用途分　按用途分,螺旋傳動可分為傳力螺旋傳動、傳導螺旋傳動和調整螺旋傳動三種。

a.傳力螺旋傳動　傳力螺旋傳動用以舉起重物或克服很大的軸向載荷,如螺旋千斤頂(圖1?54),能用較小的轉矩產生較大的軸向力以頂起重物。傳力螺旋一般為間歇性工作,速度較低,通常要求自鎖,因工作時間短,不追求高效率。

b.傳導螺旋傳動　傳導螺旋傳動以傳遞運動為主,有時也傳遞動力或承受較大的軸向力,如機床的絲杠。傳導螺旋多在較長時間內連續工作,有時速度也很高,因此要求有較高的效率和精度,一般不要求自鎖。因為傳遞運動常要求有一定的精度,所以像機床絲杠這樣的傳導螺旋,根據機床的精度要求也要有相應的精度,同時還要有一定的剛度。

c.調整螺旋傳動　調整螺旋傳動用以調整或固定零件的相對位置,如機床進給機構中的微調螺旋。調整螺旋一般不在工作載荷下做旋轉運動。調整螺旋屬于精密機械,通常精度較高。

以上三種常用螺旋傳動類型、特點及應用列于表1?5。

② 按摩擦性質分　

按摩擦性質分,螺旋傳動可分為滑動螺旋傳動、滾動螺旋傳動和靜壓螺旋傳動三種。

a.滑動螺旋傳動　滑動螺旋傳動如圖1?55所示,螺旋千斤頂是其典型應用(圖1?54)?；瑒勇菪齻鲃咏Y構簡單、加工方便、易于自鎖,但是摩擦大、效率低(一般為20%~40%)、磨損快,低速時可能爬行,定位精度和軸向剛度較差。

b.滾動螺旋傳動　為了提高效率,將滑動變為滾動,出現了滾動螺旋傳動,如圖1?56所示。滾動螺旋傳動是在螺桿和螺母的接觸表面之間放置許多滾珠,當螺桿或螺母回轉時,滾珠依次沿螺紋滾動,經導路出而復入。圖1?56(a)為外循環式,圖1?56(b)為內循環式。

滾動螺旋傳動與滑動螺旋傳動相比,具有如下特點:摩擦損失小,傳動效率高,一般可達90%以上,為滑動螺旋傳動的3倍;啟動力矩小,且減少振動;可以通過調整消除間隙,因而具有較高的定位精度和軸向剛度,傳動精度較高;磨損小,壽命長,不具有自鎖性,傳動可靠,當用于垂直升降傳動時,需采用防止逆轉裝置;結構、制造工藝較復雜,成本高。

滾動螺旋傳動與滑動螺旋傳動性能、特點及應用對比列于表1?6。

c.靜壓螺旋傳動　為了進一步減小摩擦,又出現了如圖1?57所示的靜壓螺旋傳動。靜壓螺旋傳動是采用靜壓流體潤滑的滑動螺旋,但需要供油系統,因此,造價高、結構復雜。滾動螺旋傳動和靜壓螺旋傳動與滑動螺旋傳動相比,具有摩擦小、效率高(一般為大于90%)、磨損小、定位精度和軸向剛度高等特點。但是,因為其結構復雜、加工不便、造價高,因此常用于重要的傳動。

(2)滑動螺旋傳動的基本運動形式

滑動螺旋傳動把回轉運動變為直線運動的基本運動形式有如下四種。

① 螺桿轉動、螺母移動[圖1?58(a)]。

② 螺母轉動、螺桿移動[圖1?58(b)]。

③ 螺母固定、螺桿轉動并移動[圖1?58(c)]。

④ 螺桿固定、螺母轉動并移動[圖1?58(d)]。

1.2.2　傳力螺旋傳動結構設計技巧與禁忌

(1)螺旋千斤頂結構設計技巧與禁忌

① 螺桿行程限位結構必須可靠　如果螺桿端部的擋圈是為了限制螺桿行程的,其直徑必須足夠大,否則起不到限位作用。如圖1?59(a)所示千斤頂螺桿下端部擋圈太小,當螺桿被旋到最高處時,擋圈起不到阻擋作用,螺桿不能被限位,甚至有可能被旋出螺母,發生危險。正確結構如圖1?59(b)所示,螺桿端部擋圈必須足夠大,才能可靠地將螺桿限位。

② 托杯擋圈大小應適宜　如圖1?60所示的千斤頂螺桿上端的擋圈不可太小,也不可太大。太小[圖1?60(a)]不能可靠擋住托杯,托杯受力時可能翻倒,不安全;如果太大[圖1?60(b)],擋圈將與托杯壁接觸,轉動螺桿時擋圈與托杯摩擦,是錯誤的結構。正確結構如圖1?60(c)所示,螺桿上端部擋圈必須適當,才能可靠工作。

③ 擋圈不能壓住托杯　如圖1?61(a)所示,螺桿上部的擋圈壓住了托杯,當轉動螺桿時,因擋圈壓住了托杯而使托杯也跟著旋轉,不能正常工作。改進后的結構如圖1?61(b)所示,使螺桿的頂部比托杯高一些,讓擋圈壓住螺桿而不與托杯接觸,托杯就不會轉動了。

④ 避免手柄裝不進去　如圖1?62(a)所示,手柄兩邊的手球與手柄桿為一體,直徑比手柄桿大,因此裝不進螺桿的手柄孔。改正后的結構如圖1?62(b)所示,手柄球制造成帶螺釘的可拆結構,就可以順利地裝拆了。

⑤ 底座高度設計禁忌　如圖1?63(a)所示,螺桿與底座的底面距離L太高,因此使底座高度加大、結構龐大、重量增加,且穩定性較差。如圖1?63(b)所示,L=0,則螺桿底部螺釘與地面或機架相碰,由于制造、安裝誤差以及底面條件變化,此結構不能正常工作。設計時L應適當,正確結構如圖1?63(c)所示。

(2)螺旋傳動自鎖條件設計禁忌

有自鎖要求的螺旋傳動設計時一定要滿足自鎖條件,按一般自鎖條件,螺旋升角ψ只要小于當量摩擦角ρ即可,即:ψ≤ρ。但滑動螺旋傳動設計時不能按一般自鎖條件來計算,為了安全起見,必須將量摩擦角減小一度,即應滿足:ψ≤ρ-1°。而取ψ≈ρ是極不可靠的。例如如圖1?64所示的支承轉椅底架上裝有五個行走輪,可任意移動位置,座椅用矩形螺紋鋼質螺桿支承在鋼質螺母上,能任意回轉和升降。其螺桿的螺旋升角ψ=5.64°,而一般螺旋副的當量摩擦角ρ≈5.7°,可見ψ略小于ρ,轉椅處于自鎖的臨界狀態,人坐上去受力后,稍有搖晃,靜摩擦因數變為動摩擦因數,摩擦因數降低很多,導致ψ大于ρ,座椅就會自行下降。改正措施可將中央螺桿的螺旋升角減小到ψ<ρ-1°,例如ψ=4°,則自鎖可靠性較大,人坐上去轉椅就不會下降了。轉椅螺桿螺旋升角ψ的取值與自鎖性的對比見表1?7。

(3)螺桿與螺母相對運動關系設計禁忌

如前所述,螺旋傳動的主要作用是將旋轉運動變為直線運動,其基本傳動形式有四種,如圖1?58所示。圖1?58(b)為螺母轉動、螺桿移動的形式,其運動簡圖可用圖1?65(a)表示。由圖可見,欲實現螺桿的上、下移動,必須使螺桿下端的結構與旁邊的承導件相連,否則,在螺母轉動時螺桿也將隨之一起轉動,不能實現上、下移動。如圖1?65(b)所示的濃密機提升裝置,就屬于此類錯誤的設計。該提升裝置采用了蝸桿傳動,蝸輪1內裝螺母(不能上、下運動),螺桿2下端與連接板3間采用了螺紋連接,而缺少與連接板及主軸4等部件的固定結構,因而當螺母轉動時,螺桿也隨螺母一起轉動,而主軸(耙子)卻不能實現升降。改進措施如圖1?65(c)所示,可在螺桿與連接板之間加一卡板5,這樣即可限制螺桿的旋轉,實現主軸正常上、下升降。

(4)螺桿穩定性設計禁忌

當螺桿較細長且受較大軸向壓力時,可能會側向彎曲而喪失穩定性,所以對此類的螺桿必須作穩定性計算。若失穩時,可加粗螺桿直徑或采用其它防失穩措施,具體內容詳見有關資料。

(5)螺桿與螺母旋合圈數禁忌

由于螺桿與螺母旋合各圈螺紋牙受力不均,而且圈數越多,各圈中的受力越不均勻,因此,設計時應使旋合圈數z≤10,禁忌z>10。

(6)受壓螺旋傳動應盡量避免受偏心載荷

如圖1?66(a)所示游藝機,除做回轉運動外,要求座艙能夠升降,為此采用了螺旋傳動,螺桿回轉,螺母上、下移動,使座艙實現升降運動。使用運行過程中發現螺旋副磨損嚴重,噪聲大,不能正常運轉。分析其原因,除了螺旋副受力過大(近200kN),更重要的是這種游藝機座艙中人體的重力與螺旋副軸線偏離,因而產生彎曲力矩,不但顯著加大了螺旋副的應力,而且使螺桿在螺母中歪斜,引起螺母的邊緣局部磨損。

圖1?66(b)分別采用液壓缸升降,效果比較好。

(7)滾珠螺旋傳動設計禁忌

① 全面綜合考慮確定滾珠螺旋傳動的主要尺寸參數　滾動螺旋傳動與滑動螺旋傳動相比,結構較為復雜,設計時涉及的因素比較多,確定滾珠螺旋傳動的主要參數時,應全面綜合予以考慮。

選擇滾珠螺旋傳動的主要尺寸參數時,可參考表1?8。

② 防止滾珠螺旋傳動逆轉　由于滾珠螺旋傳動是不能自鎖的,因此,為了防止滾珠螺旋傳動在承受載荷的情況下產生逆轉,必須設置防止逆轉的機構。防止逆轉的機構形式很多,例如如圖1?67所示的數控臥式鏜銑床主軸箱進給螺旋防止逆轉機構,當機床工作時,吸力線圈1通電,吸住壓力彈簧2,離合器3脫開。此時電動機通過齒輪傳動帶動蝸桿傳動,從而帶動主軸箱的立向移動。當電動機停止轉動時,吸力線圈也同時斷電,放開彈簧,離合器閉合,使螺桿制動,從而防止了主軸箱因自重而下降。

③ 應使滾珠螺旋傳動的螺母與螺桿同時受拉或受壓　滾珠螺旋傳動當螺母和螺桿一個受拉,一個受壓時[圖1?68(a)、(c)],會引起各扣螺紋受力不均勻。應使螺母和螺桿同時受拉[圖1?68(b)]或同時受壓[圖1?68(d)]。如圖1?68所示四種方案中的螺母與螺桿受力形式及評價見表1?9。

1.2.3　傳導螺旋傳動結構設計技巧與禁忌

(1)影響螺旋傳動精度的因素

如前所述,傳導螺旋以傳遞運動為主,并要求很高的運動精度。影響螺旋傳動精度的因素很多,主要有以下幾點。

① 螺紋參數誤差　螺紋參數誤差主要有:螺距誤差、中徑誤差、牙型半角誤差等。

② 螺桿軸向竄動誤差　螺桿軸肩端面與軸承的止推面不垂直于螺桿軸線,而是有α1和α2偏差。見圖1?69,螺桿轉動時,引起螺桿周期性的軸向竄動誤差Δmax=Dtanαmin,式中,D為螺桿軸肩的直徑;αmin為α1和α2中的較小者。

③ 偏斜誤差　如圖1?70所示,如果螺桿的軸線方向與移動件的運動方向不平行,有一偏斜角ψ,就會發生偏斜誤差Δ。由于ψ一般很小,所以取,因此。

④ 溫度誤差　當螺旋傳動的工作溫度與制造溫度不同時,將引起螺桿長度和螺距的變化。溫度誤差為ΔLt=LwαΔt,式中,Lw為螺桿螺紋部分長度;α為螺桿材料線脹系數;Δt為工作溫度與制造溫度之差。

(2)提高傳動精度的結構

為提高傳動精度,以上各種因素引起的誤差應盡可能減小或消除。為此,可以通過提高螺旋副零件的制造精度來實現,但提高零件的精度會使成本提高。因此可采取某些結構措施來提高其傳動精度。

① 螺距誤差校正裝置　

由于螺桿的螺距誤差是造成螺旋傳動誤差的最主要因素,因此采用螺距誤差校正裝置是提高螺旋傳動精度的有效措施之一。如圖1?71所示為螺距誤差校正原理圖,當螺桿1帶動螺母2移動時,螺母導桿3沿校正尺4的工作面移動。工作面的凹凸外廓使螺母轉動一個附加角度,由此產生的附加位移,恰好能補償螺距誤差所引起的傳動誤差。如圖1?72所示為坐標鏜床螺距誤差校正裝置簡圖。

利用上述的校正原理,也可以校正溫度誤差。只要把校正尺制成直尺,并使其與螺桿軸線傾斜某一角度θ即可。

② 限制螺桿軸向竄動的結構　如圖1?73(a)所示,螺旋傳動的軸承的軸向竄動直接影響到螺旋的軸向竄動,從而使螺旋機構產生運動誤差。因此,對螺旋傳動的軸承應有較高的結構要求。對于受力較小的螺旋,可以用一個鋼球支持在螺旋中心,如圖1?73(b)所示,軸向竄動極小。

③ 減小偏斜誤差的結構　如圖1?74(a)所示螺旋副的移動件與導軌滑板的連接采用了普通平面接觸方式,顯然其運動的靈活性不如圖1?74(b)、(c)中的活動連接,其偏斜誤差及螺旋副中的受力均比圖1?74(b)、(c)的大。通過螺桿端部的球面與滑板在接觸處自由滑動[圖1?74(b]),或中間桿自由偏斜[圖1?74(c)],可減小偏斜誤差,避免螺旋副中產生過大應力。

(3)消除空回的結構

① 徑向調整法　為了消除徑向和軸向間隙以及補償螺紋的磨損,避免反向轉動時的空回行程,可采用一些特殊結構。例如如圖1?75所示的開槽螺母結構,擰動螺釘可以調整螺紋的徑向間隙。但如圖1?75(a)所示的結構不夠好,原因是螺釘固定時,對軸的夾緊力僅限于有切槽的一側,另一側未開槽,剛性大,不易夾緊。改進結構如圖1?75(b)所示,將切槽延伸至孔的另一側,擰緊螺釘時,夾緊力使開槽螺母發生彈性變形,并傳遞到四周,將螺桿牢固地夾緊,從而消除徑向間隙,以消除空回。

② 軸向調整法　如圖1?76(a)、(b)所示為對開螺母結構。擰緊螺釘使螺母變形,左、右兩半部分的螺紋分別壓緊在螺桿螺紋相反的側面上,從而消除了螺桿相對螺母軸向竄動的軸向間隙。如圖1?76(b)所示結構將切槽延伸至孔的另一側,比圖1?76(a)更合理,改進原理與如圖1?75所示結構類似。

(4)精密絲杠的直徑取決于強度與剛度的弱者

人們通常習慣性地認為螺桿、絲杠的尺寸(比如直徑的大小)主要取決于其強度計算,其實并非全部如此,因為很多設計中螺桿和絲杠的尺寸是由剛度條件決定的。直徑的大小應由強度和剛度兩者之間的弱者確定,從下面的算例不難看出絲杠直徑是由剛度決定的。

[例]某精密機床縱向進給螺旋絲杠(螺桿)傳遞的轉矩為T=500N·m,已知其許用切應力[τ]=400MPa,絲杠長度l=1700mm,絲杠在全長上扭角φ不得超過1°,鋼的切變模量G=8×104MPa,試求絲杠直徑。為便于對比,將計算有關內容列于表1?10。

理論分析和經驗均表明,對傳動精度要求較高的機床中,絲杠軸剛度不足產生過大的變形,會嚴重影響機床的加工精度。所以,對這類絲杠軸必須進行精確的剛度計算。

1.2.4　調整螺旋傳動結構設計技巧與禁忌

(1)提高微調螺桿壽命的結構設計

如圖1?77(a)所示為光學精密機械中經常用的微調結構,采用三角形細牙螺紋,螺距t為0.5mm或0.25mm。由于細牙螺紋螺距小、牙細,雖自鎖性好,但不耐磨,容易滑扣,壽命低,即使改換高級材料或提高精度都不適宜,而加大螺距雖提高了耐磨性,但又降低了微調性能。為此,在微調可動部(B)與固定部(A)之間加一彈簧,以便在彈力作用下能嚴格地按照螺桿螺距進給。當然,彈簧不能過硬,否則0.5mm或0.25mm螺距的螺紋牙容易受損。因此,考慮到一般工廠的加工條件,改用較粗的螺桿,但要起到相當于0.5mm、0.25mm螺距的作用,如圖1?77(b)所示,選用兩段螺距的螺桿,相應于原可動部(B)的螺距是1.0mm,而相應于原固定部(A)的螺距是1.5mm,適當組合(調整行程)后,可以得到1.5-1.0=0.5(mm)的進給螺距。同理使用M8×1.25和M6×1.0的螺桿組合,可以得到1.25-1.0=0.25(mm)的進給螺距。

(2)測量用螺旋的螺母扣數不宜太少

因為螺母各扣與螺旋接觸情況不同,對螺旋的螺距誤差引起的運動誤差有均勻化作用。測量螺桿得到的螺桿累積誤差,大于螺桿與螺母裝配后螺桿運動的累積誤差,就是螺母產生的均勻化作用。但螺母扣數少時,均勻化效果差,如圖1?78(a)所示。采用如圖1?78(b)所示的結構較好。

(3)高精度定位螺旋傳動禁忌連帶設備的振動

如圖1?79(a)所示為一臺用激光干涉定位的精密機械,用電動機1,蝸桿傳動2、3,聯軸器4,螺桿5,螺母6,帶動工作臺移動。要求定位精度達到微米級。用光電管采集信號,由計算機閉環控制工作臺移動。電動機放在機座上面,電動機的振動影響了激光干涉系統的正常工作,不能得到有效的信號,使該機械一直不能達到要求。改進后的結構如圖1?79(b)所示,把電動機移至機座以外,用帶傳動7連接電動機和蝸桿,即可正常工作。