機(jī)電裝備設(shè)計(jì)第三章(6學(xué)時(shí)之二)

1、13.4 滾珠螺旋傳動(dòng)3.4.1 工作原理及特點(diǎn)3.4.2 結(jié)構(gòu)(jigu)形式3.4.3 尺寸參數(shù)、型號(hào)及精度3.4.4 滾珠絲杠副支承與聯(lián)接 3.4.5 滾珠絲杠副的選擇與計(jì)算本節(jié)課內(nèi)容(nirng)共四十頁(yè)2 1874年美國(guó)專(zhuān)利記載有滾珠螺旋傳動(dòng)的螺旋壓力機(jī)； 1879年德國(guó)和1906年英國(guó)專(zhuān)利，都介紹過(guò)滾珠螺旋傳動(dòng)設(shè)計(jì)方法； 100年前，我國(guó)已有滾珠螺旋傳動(dòng)記載，其結(jié)構(gòu)形式和現(xiàn)在的基本(jbn)相似，但限于技術(shù)原因，未能造出實(shí)用的滾珠螺旋副； 1940年美國(guó)首先將滾珠螺旋副用于汽車(chē)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)上； 至1943年，精密滾珠螺旋傳動(dòng)用于航空機(jī)械； 滾珠螺旋傳動(dòng)是由滾動(dòng)軸承演化而來(lái)的，在汽車(chē) 航

2、空工業(yè)中最先應(yīng)用。例如日本的“NSK”、“TSUBAKI”公司，意大利的“SKF”公司，都是有名的軸承制造廠，年產(chǎn)滾珠螺旋副均在萬(wàn)套以上； 英國(guó)“Botax”公司，Lucas”航空公司的分廠， 美國(guó)的“Saglnaw”公司(GM)通用汽車(chē)分公司，年產(chǎn)滾珠螺旋別達(dá)數(shù)萬(wàn)之多。 發(fā)展(fzhn)概況共四十頁(yè)3發(fā)展(fzhn)目標(biāo) “高速、高效”成為各廠家追求的目標(biāo)。 直線電動(dòng)機(jī)用于加工中心, 快進(jìn)給速度達(dá)160m/min 以上, 加速度達(dá)4g 以上, 向滾珠絲杠副提出嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。 但直線電動(dòng)機(jī)價(jià)格昂貴、控制系統(tǒng)復(fù)雜、磁鐵吸引金屬切屑、強(qiáng)磁對(duì)人身危害以及發(fā)熱等缺點(diǎn), 在近一段時(shí)間很難得到(d do)普

3、及。 滾珠絲杠副仍是現(xiàn)在高速驅(qū)動(dòng)的最優(yōu)選擇, 國(guó)外大部分高速加工中心仍使用滾珠絲杠副。 為達(dá)到高速驅(qū)動(dòng)目的, 提高電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速(轉(zhuǎn)速達(dá)4000r/min) 使用大導(dǎo)程（導(dǎo)程32mm）滾珠絲杠副, 如日本馬扎克公司在FF660 機(jī)床上使用滾珠絲杠副, 機(jī)床快速移動(dòng)速度達(dá)90m/min, 加速度達(dá)1.5g。 共四十頁(yè)4 采用引進(jìn)韓國(guó)(hn u)生產(chǎn)技術(shù)由天津海特生產(chǎn)的滾珠絲杠螺母副。共四十頁(yè)5 大導(dǎo)程滾珠絲杠副在高速驅(qū)動(dòng)時(shí)主要問(wèn)題: 噪聲、溫升、精度。 噪聲產(chǎn)生的主要原因: 滾珠在循環(huán)回路中的流暢性、滾珠之間的碰撞、滾道的粗糙度、絲杠的彎曲等。 溫升產(chǎn)生的主要原因：由滾珠與絲杠、螺母、反向器之間的摩

4、擦及滾珠之間的摩擦產(chǎn)生的。 采取的措施： 通過(guò)合理的工藝流程(n y li chn), 提高產(chǎn)品的內(nèi)在質(zhì)量; 選取適當(dāng)?shù)臐L珠絲杠副預(yù)緊轉(zhuǎn)矩; 減小滾珠絲杠副的預(yù)緊轉(zhuǎn)矩的變動(dòng)量, 使?jié)L珠絲杠副適應(yīng)高速驅(qū)動(dòng)的要求。共四十頁(yè)63.4 滾珠螺旋(luxun)傳動(dòng) 在“數(shù)控技術(shù)”課程第七章中介紹了“滾珠絲杠的結(jié)構(gòu)”，本節(jié)重點(diǎn)介紹滾珠螺旋傳動(dòng)的特點(diǎn)、預(yù)緊方式、型號(hào)和精度等級(jí)、滾珠絲杠的支承與聯(lián)接、絲杠副的選擇等。3.4.1 特點(diǎn) 滾珠絲杠副可以獲得精確、高效、靈敏、可靠、耐用的效果(xiogu)，在高溫、低溫、高壓、真空、強(qiáng)磁場(chǎng)、無(wú)潤(rùn)滑等工作條件下可實(shí)現(xiàn)可逆運(yùn)動(dòng)，在機(jī)床工業(yè)、航空航天、軍工產(chǎn)品等各個(gè)領(lǐng)域得

5、到廣泛應(yīng)用。共四十頁(yè)7特點(diǎn)(tdin)：（1）傳動(dòng)效率高， 達(dá)8598；（2）運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，低速時(shí)無(wú)爬行；（3）傳動(dòng)可逆和不自鎖性；（4）預(yù)緊后可消除滾珠(gnzh)絲杠副的間隙，提高軸向接觸剛度；（5）定位精度和重復(fù)定位精度高；（6）同步性好；（7）壽命長(zhǎng)，使用可靠、潤(rùn)滑簡(jiǎn)單、維修方便 ，但成本高。共四十頁(yè)83.4.2 結(jié)構(gòu)(jigu)形式 滾珠螺旋傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)形式(xngsh)很多，主要區(qū)別在于滾道截面形狀，滾珠的循環(huán)方式和消除軸向間隙和調(diào)整預(yù)緊力方法等三方面分類(lèi)。 1、按滾道法向截面形狀分 螺紋滾道法向截面形狀：矩形、單圓弧型面和雙圓弧型。共四十頁(yè)9矩形型面：易于制造(zhzo)，接觸應(yīng)力高，

6、承載能力低，只用在軸向載荷小、要求不高的傳動(dòng)；單圓弧滾道型面：成形比較簡(jiǎn)單，而且易于得到較高的加工精度。但接觸角不易控制，它隨初始間隙和軸向力大小而變化，因而其傳動(dòng)效率、承載能力和軸向剛度均不穩(wěn)定；雙圓弧滾道型面：接觸角能保持一定，傳動(dòng)效率、承載能力和軸向剛度較穩(wěn)定，但砂輪成形較復(fù)雜，難獲得較高的精度。 單圓弧型要有一定的徑向間隙，實(shí)際接觸角 45。雙圓弧型的理論接觸角 3845，實(shí)際接觸角隨徑向間隙和載荷而變。共四十頁(yè)102、按滾珠循環(huán)(xnhun)方式分 按滾珠循環(huán)過(guò)程中與絲桿表面的接觸情況，可分內(nèi)循環(huán)與外循環(huán)兩種。1）內(nèi)循環(huán) 滾珠在循環(huán)過(guò)程中始終與絲桿表面保持接觸。 按反向(fn xin

7、)器結(jié)構(gòu)不同，內(nèi)循環(huán)可分為固定式和浮動(dòng)式。固定式 ：螺母1上開(kāi)有側(cè)孔，孔內(nèi)鑲有接通相鄰滾道的反向器3，滾珠2從螺紋滾道進(jìn) 入反向器，反向器引導(dǎo)滾珠，越過(guò)絲杠4的螺紋外徑進(jìn)入相鄰滾道，形成一個(gè)循環(huán)回路。特點(diǎn)：這種反向器為圓形帶凸鍵，不能浮動(dòng)，一個(gè)螺母上裝有24個(gè)均勻分布的反向器(2 4列)，反向器沿螺母圓周方向均勻分布。共四十頁(yè)11 浮動(dòng)式：即反向器為浮動(dòng)式，槽內(nèi)安裝有拱形片簧，外有彈簧片，彈簧的彈力始終給反向器一個(gè)(y )徑向推力，使回珠槽內(nèi)的滾珠始終與絲桿表面保持一定的壓力，使槽內(nèi)滾珠對(duì)反向器起到自定心的作用，浮動(dòng)式反向器可以做到無(wú)間隙有預(yù)緊，剛度較高，通道流暢，摩擦特性好，制造成本較高。（

8、1）回路短，滾珠的數(shù)量少，摩擦損失小，傳動(dòng)效率和傳動(dòng)靈敏度高；（2）螺母徑向和軸向尺寸較小，反向器剛性(n xn)高；（3）工作可靠；（4）精度要求高；（5）反向器加工、裝配、調(diào)試較困難，吸振性能差， 適用于高精度的精密進(jìn)給和輕載系統(tǒng)。內(nèi)循環(huán)的特點(diǎn)：共四十頁(yè)122）外循環(huán) 滾珠在循環(huán)的過(guò)程中，有一段離開(kāi)絲桿滾道型面。 按其結(jié)構(gòu)的不同，外循環(huán)可分為螺旋槽式、插管式和端蓋式。（1）螺旋槽式 在螺母外圓柱面上銑出螺旋凹槽，槽的兩端(lin dun)均有通孔分別與螺旋孔道相切，形成滾珠返回的通道。為便滾珠在通孔中順利地進(jìn)出，在孔口設(shè)有擋球器，以引導(dǎo)滾珠通過(guò)槽上兩孔。 特點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，承載力較高； 成

9、本低。 由于螺旋槽與通孔聯(lián)接處曲率半徑(bnjng)小，滾珠流暢性差，擋球器端部易磨損。 只適用于一般工程機(jī)械。共四十頁(yè)13（2）插管式 用一彎管代替螺旋格式的凹槽，彎管2兩端插入與螺紋滾道相切的孔內(nèi)，彎管兩端部引導(dǎo)滾珠4進(jìn)出彎管，形成一個(gè)循環(huán)回路，再用壓板(y bn)1將彎管固定?？勺龀啥嗳Χ嗔校蕴岣叱休d能力。特點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，管彎可制成滾珠流暢的通道。 由于彎管突出于螺母的外部(wib)，徑向尺寸較大；若用彎管端部作擋球器，容易磨損，可在孔口設(shè)置擋球器以引導(dǎo)滾珠出入通道。 在大導(dǎo)程多頭螺紋中應(yīng)用。 用于高速重載、精密定位系統(tǒng)中。共四十頁(yè)143、按預(yù)緊方式(fngsh)分 在“數(shù)

10、控技術(shù)”中介紹過(guò)， 即消除間隙軸向間隙，避免反向(fn xin)死區(qū)對(duì)加工的影響。1）雙螺母墊片式(D)方法：通過(guò)調(diào)整(或修磨)墊片厚度，使兩螺母產(chǎn)生軸向位移消除軸向間隙的目的。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝卸方便，剛性大，工作可靠，應(yīng)用廣泛。但調(diào)整不方便，不能隨時(shí)調(diào)隙預(yù)緊。共四十頁(yè)152）雙螺母螺紋式(L)方法：調(diào)整端部的圓螺母，使絲杠右螺母沿軸向向右移動(dòng)，產(chǎn)生拉伸預(yù)緊，從而消除間隙。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊，調(diào)整方便(fngbin)，工作可靠，應(yīng)用廣，但預(yù)緊量不容易控制。共四十頁(yè)163）雙螺母齒差式(C)方法：兩個(gè)螺母上切有內(nèi)齒齒輪，齒數(shù)分別為Z1和Z2，Z2與Z1相差1齒，與雙聯(lián)齒輪相嚙合，兩個(gè)螺母向相同方向

11、(fngxing)轉(zhuǎn)動(dòng)，每轉(zhuǎn)動(dòng)一齒，所調(diào)整的軸向位移為特點(diǎn)：能精確地調(diào)整預(yù)緊，但結(jié)構(gòu)尺寸較大，裝配調(diào)整比較困難。用于高精度的傳動(dòng)和定位(dngwi)機(jī)構(gòu)中。共四十頁(yè)174）單螺母變位導(dǎo)程式(B)方法：對(duì)螺母的內(nèi)螺紋進(jìn)行變位來(lái)消除間隙和預(yù)緊。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊簡(jiǎn)單，避免(bmin)雙螺母結(jié)構(gòu)中形位誤差的干涉。5）單螺母增大鋼球直徑式(Z)方法：一般用于雙圓弧形滾道，通過(guò)安裝直徑比正常直徑稍大的滾珠，來(lái)達(dá)到自行消除(xioch)間隙預(yù)緊的目的。 用于軸向尺寸受到限制、預(yù)緊力不大的場(chǎng)合。共四十頁(yè)183.4.3 尺寸參數(shù)(cnsh)、標(biāo)記方法、型號(hào)和精度等級(jí) 有關(guān)(yugun)滾珠絲杠副的尺寸參數(shù)、安裝，

12、均制定了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，見(jiàn)表3-1719所示。 精度等級(jí)分為7級(jí)，按級(jí)別高到低依次為：1、2、3、4、5、7、10。型號(hào)如例共四十頁(yè)193.4.4 滾珠(gnzh)絲杠副的支承與聯(lián)接 高精度、高剛度是進(jìn)給系統(tǒng)正常工作的保證。注意： 選用高精度、高剛度的滾珠(gnzh)絲杠副； 重視滾珠絲杠支承的設(shè)計(jì)； 滾珠絲杠主要承受軸向載荷，除絲杠自重外，一般無(wú)徑向外載荷； 滾珠絲杠軸承的軸向精度和剛度要求較高； 滾珠絲杠轉(zhuǎn)速不高，高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間很短，發(fā)熱不是問(wèn)題； 應(yīng)選用運(yùn)轉(zhuǎn)精度高、軸向剛度高、摩擦力矩小的滾動(dòng)軸承。1、滾動(dòng)軸承的選擇共四十頁(yè)20 60角接觸推力球軸承具有接觸角大、剛度大、承載能力大、啟動(dòng)摩擦(m

13、c)力矩小、靈敏度高、能承受軸向和徑向載荷、安裝簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，應(yīng)用最為廣泛；滾針和推力滾子組合軸承多用于牽引力大、要求剛度高的大型與重型機(jī)床。共四十頁(yè)212、支承(zh chn)形式主要是約束絲杠的軸向竄動(dòng)，其次才是徑向約束。 較短的絲杠或垂直安裝的絲杠，采用單支承形式(一端固定，一端無(wú)支承)； 水平安裝絲杠較長(zhǎng)時(shí)，可以一端固定，一端游動(dòng)； 精密和高精度機(jī)床的滾珠絲杠副，為了(wi le)提高絲杠的拉壓剛度，可以兩端固定； 為了補(bǔ)償熱膨脹和減少絲杠因自重下垂，兩端固定絲杠可進(jìn)行預(yù)拉伸。 滾珠絲杠的支承結(jié)構(gòu)形式，分為四種類(lèi)型。滾珠絲杠副的支承作用共四十頁(yè)22共四十頁(yè)233、聯(lián)軸器共四十頁(yè)243.4

14、.5 滾珠(gnzh)絲杠副的選擇與計(jì)算 目前仍參照滾動(dòng)軸承額定( dng)壽命計(jì)算方法，有1、額定壽命與工作壽命共四十頁(yè)25 實(shí)際使用時(shí)，考慮工作溫度、負(fù)荷性質(zhì)、工作可靠性、制造精度和螺母副的硬度等，應(yīng)將上式修正(xizhng)，修正(xizhng)后的額定壽命計(jì)算公式為，共四十頁(yè)262、當(dāng)量負(fù)荷(fh)及當(dāng)量轉(zhuǎn)速計(jì)算 工作過(guò)程中，當(dāng)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷變化的工況下，必須(bx)折算成當(dāng)量負(fù)荷Fe和當(dāng)量轉(zhuǎn)速ne進(jìn)行壽命計(jì)算。1）變轉(zhuǎn)速和穩(wěn)定載荷工況 當(dāng)量轉(zhuǎn)速為共四十頁(yè)272）變載荷和穩(wěn)定(wndng)轉(zhuǎn)速工況 當(dāng)量載荷為共四十頁(yè)283）變載荷和變轉(zhuǎn)速(zhun s)工況 當(dāng)量載荷為4）載荷和轉(zhuǎn)速(zh

15、un s)按階段變化工況 當(dāng)量載荷為共四十頁(yè)293、滾珠絲杠副的選用 當(dāng)滾珠絲杠副轉(zhuǎn)速n1000rmin時(shí)，按使用壽命選擇基本尺寸，并校核其承載能力是否(sh fu)超過(guò)額定動(dòng)負(fù)荷。且額定( dng)動(dòng)負(fù)荷CaCaj 轉(zhuǎn)速n10 rmin時(shí)，主要失效形式是螺紋滾道或滾珠表面產(chǎn)生過(guò)大的塑性變形。滾珠絲杠副抵抗塑性變形能力用額定靜負(fù)荷表示。 其額定靜負(fù)荷應(yīng)滿足共四十頁(yè)304、臨界壓縮負(fù)荷和臨界轉(zhuǎn)速 對(duì)一端軸向固定受壓縮的滾珠絲杠，應(yīng)進(jìn)行壓桿穩(wěn)定性校核計(jì)算。 在高速下工作的長(zhǎng)絲杠，有可能發(fā)生共振。不發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速稱(chēng)為臨界轉(zhuǎn)速，應(yīng)進(jìn)行校核 。5、系統(tǒng)剛度和固有頻率 拉壓系統(tǒng)剛度影響(yngxing

16、)系統(tǒng)的定位精度和軸向拉壓振動(dòng)固有頻率； 其扭轉(zhuǎn)剛度影響扭轉(zhuǎn)振動(dòng)固有頻率。 承受軸向負(fù)荷的滾珠絲杠副的拉壓系統(tǒng)剛度Ke取決于絲杠本身的拉壓剛度Ks、絲杠副內(nèi)滾珠與滾道的接觸剛度Kc、軸承的接觸剛度KB和螺母座的剛度KH 。共四十頁(yè)311）絲杠在拉壓負(fù)荷下的彈性變形s和剛度(n d)Ks 支承組合形式為FS或FO的絲杠，在軸向負(fù)荷Fa作用下的彈性變形s和拉壓剛度Ks分別為式中 Fa-絲杠的軸向負(fù)荷(N) a-螺母至軸向固定(gdng)處的距離(m) 2）絲杠副內(nèi)滾珠與滾道的接觸剛度Kc 可按滾珠絲杠副的型號(hào)查樣本獲得。 3）軸承的接觸剛度KB 按軸承型號(hào)查樣本獲得，或按有關(guān)公式進(jìn)行近似計(jì)算，可按

17、線性插入法在下列范圍內(nèi)求取。共四十頁(yè)324）螺母座的剛度KH 螺母座的剛度KH可用有限元法進(jìn)行計(jì)算。采取結(jié)構(gòu)措施(cush)提高螺母座剛度，則可忽略其彈性變形。近似計(jì)算中，可取KH=1000 Nm5）絲杠的扭轉(zhuǎn)剛度KT 6）絲杠系統(tǒng)(xtng)軸向拉壓振動(dòng)的固有頻率s 系統(tǒng)軸向拉壓振動(dòng)的固有頻率s為共四十頁(yè)337）絲杠系統(tǒng)(xtng)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的固有頻率T 絲杠系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的固有頻率T為 滾珠絲杠副進(jìn)給系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)力矩，主要用于克服摩擦阻力和產(chǎn)生加速度。 摩擦(mc)力矩用于克服外加負(fù)荷、自重等與密封元件產(chǎn)生的摩擦力。 慣性力矩用于產(chǎn)生加速度，一般按等加速計(jì)算。 共四十頁(yè)346、數(shù)控立銑工作臺(tái)進(jìn)給用共振(gngzhn)絲杠副計(jì)算 共四十頁(yè)357、滾珠(gnzh)絲杠副防護(hù)裝置和密封共四十頁(yè)36螺旋(luxun)鋼帶保護(hù)套共四十頁(yè)37螺旋(luxun)鋼帶保護(hù)套大端法蘭共四十頁(yè)38螺旋(luxun)鋼帶保護(hù)套小端法蘭共四十頁(yè)39絲杠運(yùn)動(dòng)(yndng)防護(hù)-圓筒式橡膠防護(hù)罩共四十頁(yè)內(nèi)容摘要1。（5）定位精度和重復(fù)定位精度高。螺紋滾道法向截面形狀：矩形、