JWB100滚珠丝杠升降机结构设计

摘 要本论文所研究的题目是JWB100滚珠丝杠升降机结构设计。主要是对蜗轮蜗杆、蜗轮丝杠的传动部分进行设计，以丝杠、蜗杆、蜗轮为主要的研究对象，对其工作受力性，材料的强度、刚度、韧性和散热性等进行了分析，并以升降机装置的使用特点及用途出发，确定了以蜗轮蜗杆、蜗轮丝杠两种传动装置为主要传动的设计方案，制定了蜗轮、蜗杆、丝杠之间的结构设计。完成结构设计后，用画图辅助工具Auto CAD绘制了3张A0图纸，清楚地表达了JWB100滚珠丝杠升降机的结构特点和使用性能。设计的蜗轮丝杆升降机即可以单台使用，也可以组合使用。能按一定程序准确地控制调整提升或推进的高度，可以用电动机或其他动力直接带动，也可以手动。它有不同的结构形式和装配形式，该装置可以自锁。广泛应用于机械、冶金、建筑、水利设备等行业，具有结构紧凑、体积小、重量轻、动力源广泛、无噪音、安装方便、使用灵活、功能多、配套形式多、可靠性高、使用寿命长等许多优点。关键词：升降机；丝杠；蜗轮；蜗杆 I AbstractThe paper studies on the topic of JWB100Ball screw elevator design. Mainly on the worm gear, worm gear screw transmission parts of the design, with the lead screw, worm, worm gear as the main research object, its work force, material strength, stiffness, toughness and thermal performance were analyzed, and the lift device characteristics and use, to determine the worm gear, worm screw two transmission devices as the main transmission design, developed a worm gear, worm, screw between the structural design.To complete the structure design, drawing auxiliary tool for drawing Auto CAD 3 A0 drawings, clear expression of the JWB100Ball screw lift structure characteristics and performance.Design of the worm screw lift that can be used in single machine, also can be used in combination. According to certain procedures to accurately control the restructuring to enhance or promote height, can be used to directly drive the motor or other power, and can also manually. It has different forms of structure and form of the assembly, the device can lock. Widely used in machinery, metallurgy, construction, water conservancy facilities and other industries, has the advantages of compact structure, small volume, light weight, wide range of power, no noise, convenient installation, flexible use, multiple functions, supporting form, high reliability, long life and many other advantages.Keywords: Elevator；Screw；Worm；Crane II 目 录摘 要IAbstractII第1章 引言11.1蜗轮丝杆升降机设计概论11.1.1蜗轮丝杆升降机设计概论11.1.2蜗轮丝杆升降机型号、规格及表示方法11.2国内、外现状及发展趋势11.2.1国内现状及发展趋势11.2.2国外现状及发展趋势31.3 本文研究的主要内容4第2章 传动装置总体设计52.1传动方案设计52.2电动机的选择设计52.2.1电动机的选择类型52.2.2确定传动装置效率52.2.3选择电机的型号62.2.4计算传动装置的运动和动力参数7第3章 滚珠丝杠传动的设计93.1滚珠丝杠与滑动丝杠对比93.2滚珠丝杠传动的设计93.2.1滚珠丝杠副的工作原理、特点及结构形式93.2.2滚珠丝杠副的选用及计算103.3螺母的设计183.3.1选取螺母材料183.3.2确定螺母的高度183.3.3确定螺文工作圈数193.3.4螺母的实际高度193.3.5螺母螺纹牙的强度计算193.3.6螺母外径与凸缘的强度计算21第4章 圆弧圆柱蜗杆传动设计244.1 圆弧圆柱蜗杆传动设计概述244.1.1 圆弧圆柱蜗杆传动的特点244.2 圆弧圆柱蜗杆传动的主要参数及其选择244.2.1 圆弧圆柱蜗杆的参数及几何尺寸计算254.3 圆弧圆柱蜗杆传动强度设计264.4 圆弧圆柱蜗杆刚度计算304.5 精度等级公差和表面粗糙度的确定314.6 蜗杆传动的效率324.7 蜗杆传动的润滑334.8 蜗杆传动的的热平衡设计33第5章 滚动轴承的选择和设计365.1蜗杆轴承的选择设计365.2蜗杆轴承的校核36第6章 结论40参考文献41致 谢42 IV第1章 引言1.1蜗轮丝杆升降机设计概论1.1.1蜗轮丝杆升降机设计概论主要由精密滚珠丝杠副和高精度蜗轮蜗杆副组成的JWB滚珠丝杠升降机，应用于速度快，频率高和性能高的装置中。效率高：获得很大的推动力只需很小的驱动源，用滚动摩擦代替滑动摩擦，使升降机的效率得到提高。高速化：在速度上比梯形丝杠有明显的提高，可以运转的轻松和高速。使用寿命长：由于使用的滚珠丝杠质量高，工作寿命可以提高3倍以上。1.1.2蜗轮丝杆升降机型号、规格及表示方法 1、结构形式： 1型丝杆作轴型移动； 2型丝杆作旋转运动、螺母作轴向移动。2、装配形式：A型螺母（或丝杠）向上运动； B型螺母（或丝杠）向下运动。3、丝杆头部形式： 1型结构形式的丝杠头部分为圆柱型、螺纹型、扁头型、法兰型、四种形式； 2型结构形式的丝杆头部分为圆柱型、螺纹型二种形式。1.2国内、外现状及发展趋势1.2.1国内现状及发展趋势滚珠丝杠升降机有着重要的作用在工作和生产中。伴随着社会的发展，滚珠丝杠升降机的类型也在增加，滚珠丝杠升降机分为壁挂式，固定式，自行式，车载式，牵引式1。现在滚珠丝杠升降机正处在高速发展观的状态，并朝着集群化和产业化的方向发展。我国的城市建设在改革开放三十年以来处于高速迅猛的发展，使我国升降机行业发展迅速,在城市的大街小巷已经随处可见作为垂直交通工具的升降机.1978年，党的十一届三中全会决定推动改革开放。最开始我们有独立研发、生产和对升降机的安装发展到通过引进外资建立升降机厂，很多升降机合资企业建立了起来。如：1980年7月4日中国迅达升降机有限公司成立，由瑞士迅达股份有限公司、中国建筑机械总公司、香港怡和迅达（远东）股份有限公司3方合资组建，这是自从在改革开放以来我国的第一家合资企业在机械领域。该公司的建立在中国升降机行相继掀起了引进外资的热潮；1984年12月1日，天津市升降机公司、中国国际信托投资公司与美国奥的斯升降机公司合资组建的天津奥的斯升降机有限公司正式开业2。通过引进外资和共同厂不仅能使城市快速发展对于我国升降机行业的发展也有重要影响。从自1979年至今升降机的产量有了飞速的增长：不仅如此产品的结构也发生了明显的变化：老的直流升降机已被淘汰，交流双速梯、acvv交流调速梯逐渐被vvvf交流变频变压调速升降机所取代，控制系统已在大量采用plc和微电脑控制技术，最高梯速已达到4m/s3；行业出现了翻天覆地的变化：升降机企业的生产条件、员工素质、管理水平有了极大的改善与提高。在党的十一届三中全会上队以经济建设为中心的总方针使我国的科技水平得到提高。由于改革开放的政策促进了大规模的经济建设，使升降机市场和升降机行业得到了迅猛发展。自从升降机企业大量建立，中国升降机行业不停的对管理和技术进行规范。1984年5月，中国建筑机械化协会建筑机械制造协会升降机分会在1984年5月的西安召开，中国升降机协会的前身是升降机三级协会。1986年1月1日，“中国建筑机械化协会建筑机械制造协会升降机分会”更名为“中国建筑机械化协会升降机协会”，发展史上的一个里程碑。因此升降机行业首次有了组织。国家标准GB 7588-87升降机制造与安装安全规范在1987年颁布。与欧洲标准EN81-1升降机制造与安装安全规范（1985年12月修订版）相似。国家标准GB 7588-87升降机制造与安装安全规范对保障升降机的生产和安装有十分重要的意义。行业分析师分析：升降机应用到了各行各业有建筑工地、酒店、企业、工业、市政施工、私家庭院。因此，我国升降机的发展有着光明的前景。升降机在我国进入了高速发展的阶段，并能坚持这样的趋势进行有力的发展。在现如今这种竖立着高楼大厦，建筑施工如此多的社会，大批工厂基础设施项目开工，自动化流水线也大批投入，使升降机的重要作用也凸显出来。我国升降机行业在改革开放后的市场需求强劲带动下逐渐的发展起来。现在国内升降机市场一切向好的方向发展，我国升降机产品几乎满足了各个方面的需要。另外，我国在出口升降机发面也有了重大的进步，升降机的出口类型也各种各样，出口国家从东南亚扩展到非洲、美洲，一些发展国家也成为我国液压升降机的出口国，出口技术含量和附加值也在提高。目前，我国升降机的生产中心主要集中在华东、华北和华南地区。随着升降机产业化优势和集群发展逐渐明显，升降机将向高新技术发展，我国将网络化、信息化、和绿色环保作为升降机发展的趋势，升降机也将采用蓝牙技术。随着我国升降机行业优化升级的效果更加明显，升降机企业销售量在不断攀升，营业额逐年增长，但利润率有所下降，这是行业走向成熟的必然结果4。1.2.2国外现状及发展趋势现在世界上的升降机每年卖出的销售额能达到75亿美元，主要生产国有日本、法国、德国、美国、意大利等。世界顶级公司有10多家，主要集中在北京，日本和欧洲。美国不仅是升降机的主要生产国，也是世界上最大的市场之一，在20世纪60-70年代美国厂家由于德国日本升降机的高速发展和RT、AT产品的兴起导致在世界市场中的主导地位逐步的消弱，从而形成美国、日本和德国三足鼎立之势，最近几年美国的市场活跃，外国厂家都来参与竞争使美国的经济回升。英国制造商的实力也有所增加，特雷克斯升降机公司的崛起既是例证5。特雷克斯升降机公司前身是美国科林升降机厂1995年以来，其通过一系列的兼并活动，已发展成为世界顶级公司之一。日本从20世纪70年代起生产升降机的质量和数量有了明显的提高主要出口到欧美市场，年总产量居世界第一使之成为工程升降机生产大国。自1992年以来，因为日元的升值，亚洲金融危机和日本基建投资下降的影响，每年生产升降机一直处于下降趋势。现在日本市场每年的需求量为3100左右。欧洲各个工业国不仅是工程升降机的出口国，还是重要的进口国。欧洲的市场潜力很大。欧洲最大的市场是德国，其次为法国、意大利、英国等国。在德国AT产品市场份额中，利勃海尔占52%，格鲁夫占 17%，德马泰克占14%，多田野和特雷克斯各占9%和6%左右。升降机行业的生产和制造的流程与汽车极为相似，在汽车行业中，福特、雷诺、通用汽车、宝马、大众梅赛德斯、等大公司都在联合之路上走了很远，这两个行业的世界市场已趋向统一化。如果想要在完善的世界市场中得到市场份额并保持逐步增长，购买竞争对手是捷径，把争夺世界市场的支配地位作为长期目标。在升降机行业，某种意义上，打入世界市场就意味着进入北美、中国（亚洲）和欧洲三大市场。世界顶级公司都对世界市场具有强大影响力，但迄今还没有一家公司在上述三大市场取得主导地位。有4家公司已在两大市场建立了根据地：格鲁夫和特雷克斯在北美与欧洲；多田野在亚洲和欧洲。1.3 本文研究的主要内容研究内容：升降机的最大起升力98KN，起升速度1.750.0151. 升降机传动方案设计2. 滚珠丝杠传动设计3. 圆弧圆柱蜗轮蜗杆传动设计4. 蜗杆轴设计5. 滚动轴承、联轴器、键、润滑和密封形式的设计和选择第2章 传动装置总体设计2.1传动方案设计拟定总传动比：蜗杆头数3， 蜗轮齿数28， 按照设计要求设计单级蜗杆减速器，传动路线为：电机弹性联轴器蜗杆减速器滚珠丝杠升降机。 根据生产设计要求可知，该蜗杆的圆周速度V45m/s，所以该蜗杆减速器采用蜗杆下置式见，采用此布置结构，由于蜗杆在蜗轮的下边，啮合处的冷却和润滑均较好。 单机蜗杆减速器是由滚动轴承、电动机、蜗轮蜗杆传动装置、检查孔、蜗轮轴与定位销这样的附件组成，还有一些其他的标准件。2.2电动机的选择设计2.2.1电动机的选择类型我国80年代替代原来的产品是现在大部分使用的Y系列三相交流异步电动机，这个电动机具有效率高、节约能源、振动幅度小、噪音小以及能够安全的运行等特点，Y系列三相交流异步电动机安装的尺寸和功率等级都符合国家标准，可以广泛的应用于各种机械设备。由于蜗轮丝杠升降机属于起重机械。对于频繁启动、制动和换向的这类机械，宜选用转动惯量小、过载能力强、允许有较大振动和冲击的YZ型或YZR型三相异步电动机6。由于该生产单位采用三相交流电源，可考虑采用Y系列三相异步电动机，即YZ型或YZR型。2.2.2确定传动装置效率式中：蜗杆传动效率 ； 搅油效率 ；滚动轴承效率（一对）； 联轴器效率； -工作机的效率，取2.2.3选择电机的型号1计算升降机的驱动功率 (2-1)式中：P-驱动功率，KW；-起升力，；-传递总效率； -起升速度，2 确定电动机的额定功率电动机的额定功率按下式计算3 确定电动机的转速滚珠丝杠升降机的转速为 (2-2)式中：-起升速度，；-螺杆的导程，mm；-升降机的转速故：电动机的转速为通过查询一些电动机手册寻找符合这一转速的电机，综合考虑总传动比，结构尺寸及成本，选择堵转转矩和最大转矩较大的Y系列（IP44）三相异步电机7。 结论：电动机型号定Y132M2-6为，其技术数据如表2-1： 表2-1 电动机技术数据同步转速 满载转速 额定功率 1000 960 5.52.2.4计算传动装置的运动和动力参数1计算各轴转速电机轴：960蜗杆轴：960丝杆轴：2计算各轴输入功率电动机轴：=5.5蜗杆轴：蜗轮轴： 3计算各轴输入转矩电动机输出转矩 (2-3)1轴（蜗杆轴）：2轴（蜗轮轴）：第3章 滚珠丝杠传动的设计3.1滚珠丝杠与滑动丝杠对比滚珠丝杠是将回转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转运动的理想的产品。滚珠丝杠是工具机和精密机械上最常使用的传动元件，其主要功能是将旋转运动转换成线性运动，或将扭矩转换成轴向反覆作用力，同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点。 1)与滑动丝杠副相比驱动力矩为1/3 2)高精度的保证3)微进给可能4)无侧隙、刚性高5)高速进给可能3.2滚珠丝杠传动的设计3.2.1滚珠丝杠副的工作原理、特点及结构形式1.滚珠丝杠副的工作原理及特点 (1)滚珠丝杠副的工作原理。滚珠丝杠副是在丝杠和螺母之间放入适量的滚珠,使丝杠与螺母之间由滑动摩擦变为滚动摩擦的丝杠传功。滚珠丝杠副在机械传动中的作用,同样是可以将旋转运动变为直线运动。也可以将直线运动变为旋转运动8。 滚珠丝杠副一般是由丝杠1、螺母2、滚珠(钢球)3及滚珠循环返回装置4四个部分组成,如图1所示 。(2)滚珠丝杠副的特点由上述工作原理可知,滚珠丝杠副与滑动丝杠副比较,滚动摩擦代替了滑动摩擦,因此,具有以下特点:摩擦损失小、传动效率高;磨损小、寿命长;轴向刚度高;摩擦阻力小、运动平稳;不能自锁、具有传动的可逆性。2.滚珠丝杠副的结构型式1 ) 螺纹法向截型。螺纹法向截型(或称滚道型面)是指通过滚珠中心的螺旋线的法向平面与丝杠或螺母滚道面的交线的形状。目前,较常用的滚道型面为单圆弧和双圆弧两种。在两种螺纹法向截型中,通过滚珠中心与滚道接触点的连线与螺纹轴线的垂线间的夹角 ,称为接触角。接触角越大,滚珠螺旋传动的承载能力和刚度就越大,传动效率越高。接触角很小时,丝杠能承受的轴向力变小,同时在相同的轴向负荷的作用下,会使得径向力增大,即使挤压滚珠的压力加大,这将会降低丝杠的使用寿命。3.滚珠循环方式(1)外循环。 (2)内循环。3.2.2滚珠丝杠副的选用及计算1.滚珠丝杠副的选用原则对于各种不同载荷、转速和工作状态,滚珠丝杠据使用寿命的大小也是不相同的。滚珠丝杠副有如下选用原则:一是在高速或较高速和定工作载荷的情况下选用滚珠丝杠副；二是在变工作载荷和变转速的情况下选用滚珠丝杠副；三是在承受动载荷的情况下选用滚珠丝杠副；四是按额定静载荷选用滚珠丝杠副。2.滚珠丝杠副的校核计算滚珠丝杠副由于精度要求高,制造比较复杂,所以一般均由专业厂生产,使用者在设计一般以校验为主。一般情况下,滚珠丝杠副的承载能力取决于其抗疲劳能力,故首先应按寿命条件及额定动载荷选择或校核其基本参数,同时检验其载荷是否超过额定静载荷。丝杠的强度、刚度和稳定性也要进行校验。工作台重量=80KG=800N 工件及夹具最大重量=200N 工作台最大行程=950mm工作台导轨的摩擦系数为u=0.1 快速进给速度=4m/min ， 定位精度为20um/300mm,全行程25um,重复定位精度为10um 要求寿命为10000小时（单班制工作十年）。各种切削方式的纵向切削力Fa,速度V和时间比例q及其他见下表表3-1各种切削方式的纵向切削力Fa,速度V和时间比例q切削方式纵向切削力Pxi(N)垂向切削力Pzi(N)进给速度Vi(m/min)工作时间百分比%丝杠轴向载荷(N)丝杠转速r/min强力切削一般切削精切削快速进给200010005000120050020000.60.81410305052200115062010006080100375图3-1 进给用滚珠丝杠装配图1） 确定滚珠丝杠副的导程 ：工作台最高移动速度：电机最高转速；I ：传动比电机与丝杠间为齿轮连接式，i=4（取一级减速齿轮）由上表查得=4m/min， =1500r/min 代入得0.67mm查现代机床设计手册取5mm确定当量转速与当量载荷（1） 各种切削方式下， 丝杠转速 (3-1)由上表查的=0.6, =0.8, =1, =4代入得120，160，200，800各种切削方式下，丝杠轴向载荷：丝杠轴向载荷，：纵向切削力，：垂向切削力由上表得(i=1,2,3,4)分别为2000 N,1000N,500N,0N (i=1,2,3,4)分别为1200N,500N,200N,0N 已知800 N，200 N 代入得 (i=1,2,3,4)分别为2200N，1150N，620N，1000N（2） 当量转速 (3-2)/100+/100+/100+/100数据代入得240r/min（3） 当量载荷 (3-3)带入数据得1057N2） 初选滚珠丝杠副由公式现代机床设计手册（3.724）知 (3-4) 查现代机床设计手册表（3.751）表（3.754）得1，1，1，0.53，=1.3，10000h代入数据可求得13589N=13.58KN3)确定允许的最小螺纹底径（1）估算丝杠允许的最大轴向变形量（1/31/4）重复定位精度 (1/41/5 )定位精度：最大轴向变形量已知重复定位精度10定位精度253，6取两种结果最小值3（2）估算最小螺纹底径丝杠要求预拉伸，取两端固定的支承形式 (3-5)：最小螺纹底径mmL（1.11.2）行程+(1014) 静摩擦力=已知行程950mm，800N, =0.2代入数据得L=1110mm，160N, =9.5mm4）确定滚珠丝杠副得规格代号选内循环浮动式法兰，直筒螺母型垫片预紧形式由计算出的，在现代机床设计手册中选取相应规格的滚珠丝杠副FFZD4005-5 =5, =22000N=13589N5)确定滚珠丝杠副预紧力= 其中2200733N6)行程补偿值与拉伸力（1）行程补偿值C=11.8式中查现代机床设计手册950110，（24）15温差取代入数据得C=32(2)预拉伸力1.95 代入得4807N7）确定滚珠丝杠副支承用得轴承代号，规格（1）轴承所承受得最大轴向载荷480722007007（2）轴承类型两端固定的支承形式，选背对背60角接触推力球轴承（3）轴承内径d略小于40，=，取d30带入数据得2336N（4） 轴承预紧力：预力负荷（5） 按现代机床设计手册选取轴承型号规格当d30mm，预加负荷为：所以送7602030TVP轴承d30，预加负荷为29002336N8)滚珠丝杠副工作图设计(1)丝杠螺纹长度由表查得余程（2）两固定支承距离，丝杠L(3)行程起点离固定支承距离1290，13501410，309）传动系统刚度（1）丝杠抗压刚度1）丝杠最小抗压刚度6.6 (3-6):丝杠底径：固定支承距离代入数据782N/2）丝杠最大抗压刚度 6 .6 (3-7) 代入数据得9000 N/（2）支承轴承组合刚度1）一对预紧轴承的组合刚度 (3-8)：滚珠直径mm， Z：滚珠数：最大轴向工作载荷N 轴承接触角由现代机床设计手册查得7602030TVP轴承是预加载荷得3倍8700N/ =375 N/ 2）支承轴承组合刚度 750 N/3)滚珠丝杠副滚珠和滚道的接触刚度 ：现代机床设计手册上的刚度2150 N/, =2200N, =733N代入数据得1491 N/10）刚度验算及精度选择=3.5，Z17，（1） (3-9)代入前面所算数据得 代入前面所算数据得已知800N, =0.2, =160N:静摩擦力，：静摩擦系数，：正压力（2）验算传动系统刚度；已知反向差值或重复定位精度为103025.6（3）传动系统刚度变化引起得定位误差（），代入5（4）确定精度：任意300mm内行程变动量对系统而言0.8定位精度定位精度为20/30014.3,丝杠精度取为3级12=15003.3螺母的设计3.3.1选取螺母材料螺旋传动常用的材料1ZCuSn10P1,ZCuSn5PbZn5（铸锡青铜）：这类材料耐磨性好，适用于一般传动。2ZCuAl9Fe4Ni4Mn2（铸铝青铜）、ZCuZn25Al6Fe3Mn（铸铝黄铜）： 这类材料耐磨性好，强度高，适用于重载、低速的传动。对于尺寸较大或高速传动，螺母可以采用钢或铸铁制造，内孔浇注青铜或巴氏合金。综上所述螺母材料选用ZCuSn10Pb1（铸锡青铜）。3.3.2确定螺母的高度mm取65mm式中：-螺母的高度，/mm ； d2-螺纹中经，/mm ； =1.13.5，取=1.53.3.3确定螺文工作圈数对于整体螺母，由于磨损后不能调整间隙，为了使受力分布比较均匀，螺纹工作圈数不宜过多，应小于10。 10圆整后取73.3.4螺母的实际高度3.3.5螺母螺纹牙的强度计算螺纹牙多发生剪切和挤压破坏，一般螺母的材料强度低于螺杆因此，需进行螺母螺纹牙剪切强度和弯曲强度计算9。 如图2-3所示，如将一圈螺纹牙沿螺母的大径D展开，则可看作宽度为D的悬臂梁。螺母每圈螺纹所受的平均压力为F / u，并作用在以螺纹中径D2为直径的圆周上，则螺纹牙危险截面aa上的剪切强度条件为：图3-2螺母螺纹圈的受力 (3-10)式中：b-螺纹牙根部的厚度，/mm ；对于梯形螺纹b=0.65P，P为螺纹螺距，/mm。D-螺母螺纹大经，/mm ；-螺母材料的许用切应力，/Mpa ；可取80100MPa ；结论：螺母剪切强度够螺纹牙危险截面aa上的弯曲强度条件为： (3-11) 式中： l弯曲力臂，/mm。l(DD2）/ 2；b 螺母材料的许用弯曲应力，/MPa；可取b100150MPa 。b结论：螺母弯曲强度够3.3.6螺母外径与凸缘的强度计算图3-3螺旋起重器的螺母结构螺母结构如图3-3所示，在起重载荷F作用下，螺母下段悬置部分有拉伸应力，螺母凸缘与底座的接触面上会产生挤压压力，凸缘根部则有弯曲及剪切应力。它们的强度条件计算式分别为：螺母下段悬置部分的抗拉强度条件为： 螺母凸缘的挤压强度条件为： 螺母凸缘根部的弯曲强度条件为： (3-12) 式中： 螺母材料的许用拉伸应力，/MPa。可取0.83b；P螺母材料的许用挤压应力，/MPa。可取p（1.51.7）b则：59.9Mpa0.83150=124.5Mpa结论：螺母抗拉强度够26.5Mpap（1.51.7）b=1.560=90Mpa结论：螺母接触表面的挤压强度够b=120 Mpa结论：螺母凸缘根部的弯曲强度够图3-5丝杆第4章 圆弧圆柱蜗杆传动设计4.1 圆弧圆柱蜗杆传动设计概述圆弧圆柱蜗杆（ZC蜗杆）传动是一种新型的蜗杆传动。实践证明，这种蜗杆传动比普通圆柱蜗杆传动的承载能力大，传动效率高，适用寿命长。因此圆弧圆柱蜗杆传动有逐渐代替普通圆柱蜗杆传动的趋势9。4.1.1 圆弧圆柱蜗杆传动的特点这种蜗杆传动和其他蜗杆传动一样，可以实现交错轴之间的传动，蜗杆能安装在蜗轮的上、下方和侧面。它的主要特点有：1 传动比范围大，可实现1:100的大传动比传动；2 蜗杆与蜗轮的齿廓呈凸凹啮合，接触线与相对滑动速度方向间的夹角大，有利于润滑油膜的形成；3 当蜗杆主动时，啮合效率可达95以上，比普通圆柱传动的啮合效率提高1020；4 传动的中心距难以调整，对于中心距误差的敏感性较强。4.2 圆弧圆柱蜗杆传动的主要参数及其选择 圆弧圆柱蜗杆传动的主要参数有齿形角、变位系数及齿廓圆弧半径1齿形角 依据啮合分析，选取齿形角2变位系数 一般推荐 。代替普通圆柱蜗杆传动时，一般选取 。当传动的转速较高时，应尽量选取较大的变位系数，取。此外，当2时，取；当2时，取。3齿廓圆弧半径 齿廓圆弧半径可按计算。实际应用中，推荐（m为模数）。当=1、2时，取；=3时，；=4时，4.2.1 圆弧圆柱蜗杆的参数及几何尺寸计算齿形角 取模数 m=3.5蜗杆齿厚s 蜗杆齿间宽e 蜗杆轴向齿距 齿廓圆弧半径 齿廓圆弧中心到蜗杆轴线的距离齿廓圆弧中心到蜗杆齿对称线的距离L 齿顶高 齿根高 齿全高 顶隙c 蜗杆齿顶厚度 =2.06mm蜗杆齿根厚度 =4.14mm蜗杆分度圆柱导程角 法面模数 蜗杆法面齿厚 齿廓圆弧半径最小界限值4.3 圆弧圆柱蜗杆传动强度设计1选择材料蜗杆采用42CrMo，要求耐磨性好，故蜗杆螺旋齿面要求淬火。硬度为调质HB241269。蜗轮用ZCuSn10Pb1（铸锡青铜），金属模铸造。2圆弧圆柱蜗杆传动基本几何尺寸计算根据功率=5.5，960，初步确定蜗杆传动的中心距a=63mm初步确定圆弧圆柱蜗杆传动基本几何尺寸中心距 a=63mm传动比 i=283蜗杆分度圆直径d1 蜗轮分度圆直径d2 蜗杆节圆直径 蜗杆齿顶圆直径 蜗轮齿顶圆直径 蜗杆齿根圆直径 蜗轮齿根圆直径 蜗轮顶圆直径 蜗轮宽度B 蜗杆齿宽b1 3 校核蜗轮齿面接触疲劳强度的安全系数 (4-1)式中：-蜗轮齿面接触应力，单位Mpa-蜗轮齿面接触疲劳极限，单位Mpa-最小安全系数见表4-1，选取2.0表4-1 最小安全系数蜗轮的圆周速度 10 10 7.5 5精度等级 5 6 7 8 1.2 1.6 1.8 2.0蜗轮齿面接触应力： （4-2）式中： -蜗轮分度圆上的圆周力，单位N-系数-蜗轮平均齿宽，单位mm-蜗杆齿的齿形系数见表4-2，选取0.618表4-2 蜗杆齿的齿形系数 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 0.695 0.666 0.638 0.618 0.60 0.59 0.583 0.58 0.576 0.575蜗轮齿面接触疲劳极限式中：-蜗轮与蜗杆的配对材料系数，取=7.84-寿命系数，预测寿命6000小时。见表4-3-载荷系数，载荷平稳，取-速度系数，转速不变取见表4-4表4-3 寿命系数 0.75 1.5 3 6 12 24 48 96 190 2.5 2.0 1.6 1.26 1.0 0.8 0.63 0.50 0.40表4-4 速度系数 0.1 0.4 1.0 2.0 4.0 8.0 12 16 24 0.935 0.815 0.666 0.526 0.38 0.268 0.194 0.159 0.108结论：蜗轮齿面接触疲劳强度安全4校核蜗轮齿根弯曲疲劳强度的安全系数 （4-3）式中：-蜗轮齿根应力系数极限值，单位Mpa，取 见表4-4 -蜗轮齿根最大应力系数，单位Mpa （4-4）式中：-蜗轮平均圆（以蜗轮的齿顶圆直径和喉圆直径的平均值为直径所做的圆）上的最大圆周力。-蜗轮齿弧长表4-5 蜗轮齿根应力系数极限值蜗轮齿圈材料 锡青铜 铜铝合金 39.2 18.621结论：蜗轮齿根弯曲疲劳强度安全4.4 圆弧圆柱蜗杆刚度计算蜗杆受力后如产生过多的变形，就会造成轮齿上的载荷集中，影响蜗杆与蜗轮的正确啮合,所以蜗杆还需进行刚度校核。校核蜗杆的刚度时，通常是把蜗杆螺旋部分看作以蜗杆齿根圆直径为直径的轴段，主要是校核蜗杆的弯曲刚度7。其刚度条件为： （4-5）式中：-蜗杆所受的圆周力，单位N；-蜗杆所受的径向力，单位N；-蜗杆材料的弹性模量，单位为Mpa；-蜗杆危险截面的惯性矩，单位为； -蜗杆两端支承间的跨距，单位-许用最大挠度，单位圆周力：径向力：蜗杆两支承间跨距： 危险截面惯性矩：许用最大挠度： 蜗杆轴挠度：结论：蜗杆刚度合格4.5 精度等级公差和表面粗糙度的确定考虑到设计的蜗杆传动是动力传动，属于通用机械减速器，从GB/T100891988圆柱蜗杆、蜗轮精度等级中选择7级精度，侧隙种类为f，标注为8f GB/T100891988，然后从有关手册查得要求的公差项目，及表面粗糙度8。4.6 蜗杆传动的效率闭式蜗杆传动的功率损耗一般包括三部分，即啮合摩擦损耗、轴承摩擦损耗及浸油池中的零件搅油损耗。因此总效率为 (4-6)式中：-啮合摩擦损耗的效率； -轴承摩擦损耗的效率；-溅油损耗时的效率式中：-普通圆柱蜗杆分度圆上的导程角；-当量摩擦角， ，其值根据滑动速度选取。式中：-蜗杆分度圆的圆周速度，单位为m/s；-蜗杆分度圆直径，单位为mm；-蜗杆的转速，单位为r/min。查得当量摩擦角一般取0.964.7 蜗杆传动的润滑润滑对于蜗杆传动来说，具有特别重要的意义。因为当润滑不良时，传动效率将显著降低，并且会带来剧烈的磨损和产生胶合破坏的危险，所以往往采用粘度大的矿物油进行良好的润滑，在润滑油中还常加入添加剂，使其提高抗胶合能力。1 润滑油润滑油的种类很多，需根据蜗杆、蜗轮配对材料和运转条件合理选用。选用L-CKE/P蜗轮蜗杆油10，代号N220，运动粘度（）为198242，闪点不低于2000C2 润滑油粘度及给油方法润滑油粘度及给油方法，一般根据相对滑动速度及载荷类型进行选择。选择油池润滑或喷油润滑。3 润滑油量对于闭式蜗杆传动采用油池润滑时，在搅油损耗不至于过大的情况下，应当有适当的油量。这样不仅有利于动压油膜的形成，而且有助于散热。对于蜗杆下置或蜗杆侧置式的传动，浸油深度应为蜗杆的一个齿高。4.8 蜗杆传动的的热平衡设计蜗杆传动由于效率低，所以工作时发热量大。在闭式传动中，如果产生的热量不能及时散逸，将因油温不断升高而使润滑油稀释，从而增大摩擦损失，甚至发生胶合。所以必须根据单位时间内的发热量等于同时间内的散热量的条件进行热平衡计算，以保证油温稳定地处于规定的范围内10。 由于摩擦损耗的功率为，则产生的热流量为 （4-7）式中：p-蜗杆传递的功率，单位为kw以自然冷却方式，从箱体外壁散发到周围空气去的热流量为 （4-8）式中：-箱体的表面传热系数，可取,当周围空气通风良好时，取S -内表面能被润滑油所飞溅到，而 外表面又可为周围空气所冷却的箱体表面面积，单位为。-油的工作温度，一般限制在60700，最高不应超过800。-周围空气的温度，常温情况可取200。按热平衡条件，可求得在既定工作条件下的油温为工作环境温度按一般情况，油的工作温度限制在700。则在既定条件下，保持正常工作温度所需的散热面积为 图4-1 蜗杆零件图 图4-2 蜗轮零件图第5章 滚动轴承的选择和设计5.1蜗杆轴承的选择设计蜗杆轴采用一端固定一端游动的支撑方案，固定端采用两个角接触球轴承，以承受蜗杆轴向力，按轴径初选7211AC；游动端采用一个深沟球轴承，只承受径向力，按轴径初选6202。5.2蜗杆轴承的校核1轴承的主要性能参数查手册7211AC轴承主要性能参数如下：