蜗轮螺杆升降机的仿真设计论文

I 徐州工业职业技术学院 毕业论文（设计）任务书 课题名称： 蜗轮丝杠升降机的仿真设计 课题性质： 工程设计类 系 名 称： 机械系 专 业： 机械制造 班 级： 指导教师： 学生姓名： II 一、 课题 名称 ： 蜗轮丝杠升降机 的仿真设计 二、 毕业论文（设计）主要内容： 本课题要求根据给定参数先设计出一台蜗轮蜗杆升降机，蜗轮蜗杆升降机是利用蜗轮和蜗杆的大传动比的特点，尽可能的省力完成升降一定重量的机构 。升降机包括蜗轮蜗杆的减速部分和丝杠的升降部分。 要求学生根据参数设计 出 相应的蜗轮蜗杆升降机 各个部位 ，然后用 UG 或 ProE 完成仿真造型，并作出运动仿真和爆炸图 。 三、计划进度： 第 8 周：准备资料，查阅相关资料，完成准备工作； 第 9-10 周：完成机构的方案设计和工作原理设计； 第 11 周：完成整体装配图和主要零部件图所有图纸； 第 12 周：完 成仿真设计和论文初稿； 第 13 周：完成论文； 第 14 周： 论文答辩。 四、毕业论文（设计）结束应提交的材料： 1、图纸（零件图、部件图、装配图） 2、毕业论文 指导教师 教研室主任 年 月 日 年 月 日 I 摘要 本课题要求根据给定参数先设计出一台蜗轮蜗杆升降机， 蜗杆传动机构作 为一种典型的传动机构被广泛应用。 设计原理是电机带动蜗杆转动，利用蜗轮蜗杆的传动，使蜗轮旋转，蜗轮有内梯形螺纹，与丝杆配合，蜗轮旋转带动丝杆做轴向运动。针对蜗轮蜗杆，先确定我所需求的传动比，跟据公式算出蜗轮蜗杆的各个数值，并对其强度，刚度等进行校核。针对丝杆，根据上升的速度，蜗轮的转速，算出螺距，公称直径等。最后还 对其进行仿真设计，利用 PROE 强大的三维建模功能来实现，其 所有模块都是全相关的。这就意味着在产品开发过程中某一处进行的修改，能够扩展到整个设计中，同时自动更新所有的工程文档，包括装配体、设计图纸，以 及制造数据。 关键词 ： 升降机，蜗杆传动，仿真， II Abstract This issue demands according to the given parameters of the first to design a worm lift Worm Drive institutions as a typical drive mechanism has been widely used. Design principle is the motor driven worm rotation, the use of worm gear transmission, so that worm wheel rotation, an inner trapezoidal thread worm, and screw co-rotating lead screw worm axial movement to do. Against the worm, first I need to determine the transmission ratio, calculated with the formula worm, according to various values, and its strength, stiffness etc. Check. For the screw, according to increase in speed, worm gear speed, calculate the pitch, nominal diameter. Finally the design of their simulation, using PROE powerful 3D modeling capabilities to achieve all of its modules are all related. This means that in the product development process of a Department modifications, can be extended to the entire design, while automatically updating all engineering documentation, including assembly, design drawings, and manufacturing data. Key Words:Left, Worm Drive, Simulation III 目录 摘要 Abstract 第一章 绪论 . 1 1.1. 升降机的发展史及种类 . 1 1.2 本课题的研究任务 . 3 第二 章 蜗轮蜗杆的设计 . 5 2.1 蜗轮蜗杆材料的选取 . 5 2.2 蜗轮蜗杆尺寸的确定 . 6 2.3 蜗轮蜗杆参数表 . 9 2.4 校核齿根弯曲疲 劳强度 . 10 2.5 本章小结 . 10 第 三 章 螺纹的传动 . 11 3.1 材料的选取 . 11 3.2 螺纹牙型的选取 . 11 3.3 耐磨性计算 . 12 3.4 验算丝杠自锁情况 . 13 3.5 计算螺杆驱动转矩 . 13 3.6 计算螺杆的强度 . 14 3.7 螺纹牙的强度计算 . 15 3.7.1 螺杆螺纹牙强度校核 . 15 3.8 螺纹牙稳定性的计算 . 15 3.9 传递效率的计算 . 16 3.10 本章小结 . 16 第四章 轴承的选择 . 17 4.1 滚动轴承的选择 . 17 4.2 本章小结 . 18 第五章 箱体的设计 . 19 5.1 箱体尺寸的确定 . 19 5.2 本章小结 . 19 第六章 仿真设计 . 20 6.1 蜗轮的仿真 . 20 6.2 蜗杆的仿真 . 20 6.3 螺杆的仿真 . 21 6.4 箱体的仿真 . 21 6.5 本章小结 . 22 第七章 课题结论 . 24 总结 . 25 参考文献 . 26 IV 致谢 . 27 1 第一章 绪论 1.1. 升降机的发展史及种类 对垂直运送的需求与人类的文明一样久远，最早的升降机使用人力、畜力和水力来提升重量。升降装置直到工业革命前都一直依靠这些基本的动力方式。 1854 年，奥蒂斯把他的试验台设在纽约贸易展览会上。当有了大批观众后，他便跨入升降机，并邀请一位观众割断缆索。升降机仅仅下降了五六厘米。最后，安全升降机停了下来。 到 19 世纪末，升降机常见于办公室和套房公寓 里。电动的和液压的 两种机械装置都用于推动升降厢。 经过上百年的发展，升降机技术已经相当成熟了。 升降机自由升降的特点目前已经广泛运用于市政维修，码头 、物流中心货物运输，建筑装潢等，升降机已经融入了人们的日常生活。 升降机的种类也变得多起来， 土木工程的升降机在土木工程施工中，常用的有钢丝绳或齿轮齿条驱动两种。 1 简易升降机 由钢丝绳驱动，大多用于运送货物。由塔架、吊篮、卷扬机等组成。塔架一般为桁架结构，用缆绳拉住，保持直立。吊篮用型钢焊成，是装载货物的容器。卷扬机固定在地面上，钢丝绳绕过塔架顶部的滑轮与 吊篮连接，牵引吊篮上下运行，操作人员在地面上控制。 2 齿轮齿条驱动升降机 可运送人和货物。主要由塔架、围栏、机厢、驱动装置、控制系统、加节装置、安全装置和起重系统组成。 塔架 由若干标准节段组成的管子桁架结构。为了保证塔架的稳定，每隔一定高度（约 10 15 米）用附着杆与建筑物连接一次。塔架节段上装有齿条和导轨架。 机厢和围栏 机厢是运载人或货物的容器，围栏是围护机厢和塔架的装置，设在塔架的底部。机厢门和围栏门用机械电气互锁。机厢降入围栏时，门自动打开，上升时门自动关闭。以确 保运行安全。围栏底部装有弹簧缓冲装置。使机厢着地时免受 2 冲击，确保停机平稳。 驱动装置 设在机厢内，由电动机、减速器和齿轮齿条组成。减速器输出轴端的齿轮，伸出机厢，与固定在塔架上的齿条啮合，带着机厢上下运行。机厢内设有控制系统，操作人员亦可随机运行。加节装置设在机厢的顶部，是一台手动或机动的小型动臂式起重机。加节时，机厢上升到离塔顶一定距离处，利用起重机把待加标准节段吊到塔顶，就位固定后，即完成加节工序。为了确保升降机的安全运行，设有限速制动装置，行程限位开关，行门保护开关等。 齿轮齿条驱动 的升降机与简易升降机相比，具有高度大，架设速度快，安全可靠，人货两用等特点，在建筑施工，特别是高层建筑施工中，广泛应用。 3 工业中的升降机 按照升降机构的不同分：剪叉式升降机、升缩式升降机、套筒式升降机、升缩臂式升降机、折臂式升降机。 按移动的方法不同分：固定式升降机、拖拉式升降机、自行式升降机、车载式升降机、可驾驶式升降机。 （ 1） 固定式升降机 是一种升降稳定性好，适用范围广的货物举升设备主要用于生产流水线高度差之间货物运送；物料上线、下线；工件装配时调节工件高度；高处给料机送料；大型设备装 配时部件举升；大型机床上料、下料；仓储装卸场所与叉车等搬运车辆配套进行货物快速装卸等。 根据使用要求，可配置附属装置，进行任意组合，如固定式升降机的安全防护装置；电器控制方式；工作平台形式；动力形式等。各种配置的正确选择，可最大限度地发挥升降机的功能，取得最佳的使用效果。 固定式升降机的可选配置有人工液压动力、方便与周边设施搭接的活动翻板、滚动或机动辊道、防止轧脚的安全触条、风琴式安全防护罩、人动或机动旋转工作台、液动翻转工作台、防止升降机下落的安全支撑杆、不锈钢安全护网、电动或液动升降机行走动力系统、 万向滚珠台面。 （ 2） 车载式升降机 车载式升降机是为提高升降机的机动性，将升降机固定在电瓶搬运车或货车上，它接取汽车引擎动力，实现车载式升降机的升降功能。以适应厂区内外的高空作业。 广泛应用于宾馆、大厦、机场、车站、体育场、车间、仓库等场所的高空作业；也可作为临时性的高空照明、广告宣传等。 （ 3） 液压升降机 液压升降机广泛适用于汽车、集装箱、模具制造，木材加工，化工灌装等各 3 类工业企业及生产流水线，满足不同作业高度的升降需求，同时可配装各类台面形式（如滚珠、滚筒、转盘、转向、倾翻、伸缩），配 合各种控制方式（分动、联动、防爆），具有升降平稳准确、频繁启动、载重量大等特点，有效解决工业企业中各类升降作业难点，使生产作业轻松自如。 （ 4） 曲臂式升降机 广泛用于车站、码头、公共建筑等需从事高空作业的行业和领域。具有移动方便、操作简单、作业面大、平衡性能好等特点，在路面不平的情况下，即能四腿同时支撑，也可单腿支撑，便于操作使用 套缸式液压升降机 套缸式液压升降机为多级液压缸直立上升，液压缸高强度的材质和良好的机械性能，塔形梯状护架，使升降台有更高的稳定性。即使身处 20 米高空，也能感受其优 越的平稳性能。 适用场合：厂房、宾馆、大厦、商场、车站、机场、体育场等主要用途：电力线路、照明电器、高架管道等安装维护，高空清洁等单人工作的高空作业 1.2 本课题的研究任务 本设计是蜗轮丝杠升降机 的设计。设计主要针对执行机构的运动展开。为了达到要求的运动精度和生产率，必须要求传动系统具有一定的传动精度并且各传动元件之间应满足一定的关系，以实现各零部件的协调动作。该设计均采用新国标，运用模块化设计，设计内容 主要 包括 蜗轮 蜗杆传动部分、螺纹传动部分和箱体是设计。其主要工作原理是将蜗杆的圆周运动转变为丝杠的轴向运 动。简单地讲是外力驱动蜗杆转动，通过蜗轮蜗杆传动副将传动传递给蜗轮，蜗轮与丝杠旋合，从而带动丝杠做轴向运动。 按照上述的工作原理，从而确定其基本传动简图如图 1-1： 4 图 1-1 升降机原理图 5 第二 章 蜗轮蜗杆的设计 蜗轮蜗杆传动的两轮啮合齿面间为线接触，能获得比交错轴斜齿轮机构更好的啮合效果，传动比和承载能力也更高。 蜗轮蜗杆传动是一种螺旋式传动，传动中主要形式为齿啮合传动，因此传动更为平稳、振动小、噪音低，适合需要稳固状态的机械使用。 蜗轮蜗杆传动机构比其他传动机 构突出的优点在于其自锁功能，蜗轮蜗杆传动机构的蜗杆导程角小于啮合轮齿间当量摩擦角时，蜗轮蜗杆传动机构就会反向自锁，这时只能是蜗杆带动蜗轮，而蜗轮无法带动蜗杆，即可实现对机械的安全保护。 2.1 蜗轮蜗杆材料的选取 蜗杆材料需要具有一定的强度，良好的磨合与耐磨性能。蜗杆一般由碳钢或合金钢制造。常用材料有 40 号、 45 号钢、 15Cr、 20Cr、 40Cr 等，具体可查阅机械设计手册选择，表 2-1 如下： 表 2-1 蜗轮蜗杆常用材料 名称 材料牌号 使用特点 应用范围 蜗杆 20、 15Cr、 20Cr 、 20CrNi 20MnVB、 20SiMnVB 20CrMnTi、 20CrMnMo 渗碳淬火（ 5662HRC）并磨削 用于高速重载传动 45、 40Cr、 40CrNi 35SiMn、 42SiMn、 35CrMo 37SiMn2MoV、 38SiNnMo 淬火（ 4555HRC）并磨削 45 调质处理 用于低速轻载传动 蜗轮 ZCuSn10Pb1 ZCuSn5Pb5Zn5 抗胶合能力强，机械强度低，价格较高 用于滑动速度较大及长期连续工作处 ZCuAl10Fe3 ZCuAl10Fe3Mn2 抗交 合能力差，机械强度高，与其匹配的蜗杆必须表面硬化处理，价格便宜 用于中等滑动速度 ZCuZn38Mn2Pb2 HT150 HT200 机械强度低，冲击韧性差，但加工容易，且价廉 用于低速轻载传动 通过查表 2-1 确定， 蜗杆材料 为 45 号钢， 热处理 为 调质 HBS 220 270， 蜗轮材料 为 HT150，时效处理。且 蜗轮的选择符合梯形螺纹丝杠螺母材料的选择。 6 2.2 蜗轮蜗杆尺寸的确定 1.蜗轮蜗杆理论中心距的确定 其公式为 3 22EHZZa K T 。 1）2T表示 蜗轮所受转矩 计算公式 为3 13229 . 5 5 1 0 PT n ， 式中 2T 表示 蜗轮所受的转矩 ， 1P 表示 蜗轮丝杠升降机的输入功率，1 2 3PP ，其中表示 梯形螺纹效率， 0.3258；表 示 轴承的效率，轴承效率通常为 0.95 0.99 ，取 0.96；3表示 蜗轮蜗杆的传递效率，一般为 0.8 ，故取3 0.8 ， 2P 表示 输出功率，2 sinP FV ，2 78.9PW则 计 算得1 316PW 2n表示 蜗轮转速，23nn（丝杠转速）3 22 co sVn d ， 3n 165 / minr 则 计算得2 1 6 5 / m innr 代入数据计算得2 14632T N m m 2） K 表示载荷系数 AVK K K K ，其中AK为使用系数，可查表 2-2 取其值； K为齿向载荷分布系数，当蜗杆传动在平稳载荷下工作时，载荷分布不均匀现象将由工作表面良好的磨合而得到改善，此时可取 1K；当载荷变化较大，或有冲击、振动时，可取 1 .3 1 .6K ；VK为动载系数，由于蜗杆传动一般较平稳，动载荷要比齿轮传动小的多，故VK值可取定如下：对于精度制造，且蜗轮圆周速度 3/V m s 时，取 1.0 1.1VK ； 3/V m s 时，取 1.1 1.2VK 。 表 2-2 使用系数AK 工作类型 7 载荷性质 均匀、无冲击 不均匀、小冲击 不均匀、大冲击 每小时启动次数 25 25 50 50 启动载荷 小 较大 大 AK 1 1.15 1.2 取 1.0AK ， 1.0K ， 1.0VK ，则 1K 3）EZ表示 弹性影响系数 因选用的是 HT150 蜗轮与 45 号钢蜗杆匹配，故取 160EZ M P a 4） Z表示 接触系数 先假设蜗杆分度圆直径1d与理论中心距 a 的比值为 0.5，查图 2-1，取 2.6Z 图 2-1 蜗轮蜗杆传动的接 触系数 Z 其中 上曲线 ZI 蜗杆（ ZA、 ZN、 ZK 蜗杆亦可近似查用） ， 下曲线 ZC 蜗杆 4） H表示 许用接触应力 表 2-3 无锡青铜、黄铜及铸铁的许用接触应力 H /MPa 蜗轮 材料 蜗杆 材料 滑动速度 Vs(m/s) 0.25 0.5 1 2 3 4 6 8 ZCuAl10Fe3,ZCuAl10Fe3Mn2 钢经淬火 钢经淬火 - - 245 210 225 220 210 180 180 150 160 130 115 95 90 75 ZCuZn38Mn2Pb2 8 HT200,HT150(HB=120150) 渗碳钢 调质或者淬火钢 160 140 130 110 115 90 90 70 - - - - - - - - HT150(HB=120150) 蜗轮的基本许用应力 H ，查表 2-3 取 70H M Pa 寿命循环次数260 hN jn L ， j表示 蜗轮每转中轮齿一侧吃面啮合的次数；hL表示 总工作时数 ， 代入数据计算 得 71 1 .8 8 1 0N ， 寿命系数 8 710HNK N ，表示 0.734HNK 则 H HN HK ， 52H M Pa 理论中心距 a 最终计算得 97.8a mm 表 2-4 蜗轮蜗杆匹配表（部分） 中心距 a /mm 传动比 i 模数 m /mm 蜗杆分度圆直径/mm 蜗杆 头数 蜗轮 齿数 蜗轮变位 系数 100 5.17 7.75 10.25 13.25 15 20.5 26.5 31 41 53 62 70 82 5 5 4 3.15 5 4 3.15 5 4 3.15 2.5 2.5 2 50 50 40 31.5 50 40 31.5 50 40 31.5 45 25 35.5 6 4 4 4 2 2 2 1 1 1 1 1 1 31 31 41 53 30 4 1 53 31 41 53 62 70 82 -0.500 -0.500 -0.500 +0.246 -0.500 -0.500 +0.246 -0.500 -0.500 +0.246 0.000 0.000 +0.125 设计确定传动 比 i=15，应选择与之相近的传动比来确定蜗轮蜗杆的尺寸，故选择如表 2-5 9 表 2-5 蜗轮蜗杆参数 中心距 a /mm 传动比 i 模数 m /mm 蜗杆分度圆直径/mm 蜗杆 头数 蜗轮 齿数 蜗轮变位 系数 100 15 5 50 2 30 -0.500 此时 1 0.5d a 故，以上计算结果可用。 2.3 蜗轮蜗杆参数表 表 2-6 蜗轮蜗杆参数 项目 数据 项目 数据 中心距 a 100 蜗杆分度圆直径 50 蜗杆头数 2 蜗杆齿顶圆直径 60 蜗轮齿数 30 蜗杆齿根圆直径 38 齿形角 20 蜗杆齿顶高 5 模数 m 5 蜗杆齿根高 6 传动比 i 15 蜗杆齿高 11 齿数比 u 15 导 程角 11.31 齿轮变位系数 -0.500 蜗轮分度圆直径 150 蜗杆直径系数 q 10 蜗轮喉圆直径 160 蜗杆轴向齿距 15.7 蜗轮齿根圆直径 138 蜗杆导程 31.4 蜗轮齿顶高 5 蜗轮齿根高 6 蜗轮齿高 6 蜗轮齿宽 90）或开式传动中。因此，对闭式蜗杆传动通常只做弯曲强度的校核，这种计算是必须的。由于蜗轮轮齿的形状较为复杂，离中间平面越远的平行截面上轮齿越厚，故其齿根的弯曲强度高于斜齿轮，但欲精确的计算却很难，通常按照斜齿轮的计算方法近似计算。 校核计算公式为 212667F F STK YYd d m ，式中FSY表示 蜗轮齿形系数，可由蜗轮的当量齿数2 32 c o sV ZZ 及蜗轮的变 位系数2x从表 2-6 中查得。1a rc ta n Z q， Y 螺旋角影响系数， 1 120Y ， 0.90575Y 代入数据计算 得 0 .7 5F M Pa ， F表示 许用应力， FNFFK ，式中：FNK表示 寿命系数， 9 610FNK N， 0.588FNK ， F表示 许用应力，取 25F M Pa 则许用应力 FNFFK ， 1 4 .7F M P a ， 因为0 .7 5F M P a 1 4 . 7F M P a ， 故蜗轮弯曲疲劳强度符合要求。 2.5 本章小结 本章主要是通过计算确定蜗轮蜗杆的材料，数据，并且进行校核，和前一章相似，但它是在前一章的基础上确定的尺寸， 所需设计的蜗轮蜗杆要合理且符合传动需求， 在做蜗轮蜗杆设计的时候 ，最大的问题就是传动比，要从整体考虑，这样要计算的也就相对多一点。最后再进行疲劳强度的校核， 对闭式蜗杆传动通常只做弯曲强度的校核， 这些计算都是必须的。 11 第三 章 螺纹的传动 螺旋 传动是利用螺杆和螺母的螺旋副来实现传动要求的。它主要用于将回转运动转变为直线运动，同时传递运动和动力。 3.1 材料的选取 1.对材质的要求 根据任务书可知，螺杆是在低速、强烈磨损、扭矩不大的工作环境下工作的，因此螺杆必须要耐磨损，寿命长；强度刚度适中；具有良好的切削加工性能；热处理后，残余应力小，热变形小等。 2.常用材料及热处理 目前我国常用的螺杆材料有 45 号钢、 40Cr、氨化钢、 38CrMoAl 等。 1） 45 号钢便宜，加工性能好，但耐磨耐腐蚀性能差。 热处理的方式先调质处理，洛氏硬度达到 220270，再采用高频淬火，硬度达到 4548 根据我所设计的传动需求 ，选择 45 号钢作为螺杆的材料。 3.2 螺纹牙型的选取 螺旋传动按其螺旋副的摩擦性质不同，可分为滑动螺旋、滚动螺旋和静压螺旋。滑动螺旋结构简单，便于制造，易于自锁，但是其主要缺点是摩擦阻力大，传动效率低（一般为 30% 40%），磨损快，传动精度低等。相反，滚动螺旋和静压螺旋的摩擦阻力小，传动效率高（一般为 90%以上），但是结构复杂，特别是静压螺旋还需要供油系统，因此只在高精度、高效率的主要传动中才用。 对于蜗轮丝杠升降机中的传动，用滑动螺旋传动即 可。滑动螺旋传动采用的牙型有矩形、梯形和锯齿形，其中梯形和锯齿形螺纹应用最广。 1.梯形螺纹 螺纹的一种，牙型为等腰梯形，牙型角为 30。内外螺纹以锥面贴紧不易松动。与矩形螺纹相比，传动效率略低，但工艺性好，牙根强度高，对中性好。如用剖分螺母，还可以调整间隙。梯形螺纹是最常用的传动螺纹。我国标准规定 30梯形螺纹代号用 “Tr”及公称直径 螺距表示，左旋螺纹需在尺寸规格之后加注 “LH”，右旋则不注出。例如 Tr366； Tr448LH 等。 另外， 12 其传动效率较低，但自锁能力好，螺纹牙可以双向受力，螺纹牙的强度较高， 并且磨损后可以对其间隙进行补偿，螺纹径向跳动对运动精度的影响不大，车削，铣削，磨削均可加工，且加工精度高，加工工艺性较好，其可以在较差的环境下工作。 2.矩形螺纹 在传动上，矩形螺纹处了效率上略高于梯形螺纹外，其余的几乎没有什么优点，精确制造困难，螺纹副磨损后，间隙难以补偿与修复；对中精度低，牙根强度弱。矩形螺纹比梯形螺纹加工 ,测量方便 , 使用时摩擦力小 ，且其传动效率高，但自锁性能较差，螺纹牙可以双向受力，但螺纹牙的强度较低，且磨损后无法对间隙进行补偿，螺纹径向跳动对运动没有影响。只能车削加工，不能铣削或者 磨削，且加工精度不高，加工也较为困难，多用于较好的环境下工作。 根据任务书分析，该蜗轮丝杠升降机传动效 率要求不高，但螺纹要具有自锁性，并有一定的强度，综合以上考虑和分析，选择梯形螺纹最好。 3.3 耐磨性计算 耐磨性又称耐磨耗性。材料的耐磨损性能，用磨耗量或磨耗指数表示。要先进行耐磨性的计算，得到螺纹磨损失效的数据，才能由此确定螺杆的直径，从而确定螺杆的具体尺寸。计算要用到这样一公式 Fd P 式中 d 表示 螺杆分度圆直 径 ， 表示 梯形螺纹牙侧角， ， F 表示 轴向力， 30000FN ， 表示 整体式螺母取 ，取 ， P 表示 许用压强， 1 3 1 8P M P a ，查表取 16P MPa 表 3-1 滑动螺旋副材料的许用应力 钢 铸铁 2.4 1318 612 47 代人数据计算得到结果 2 4 .4 9 5d m m 选 取梯形螺纹如表 3-2 13 表 3-2 梯形螺纹选取 公称直径 螺距 P 中经 大径 小径 48 8 44 49 40 41 通过计算， PP ，故螺纹选择符号要求。 3.4 验算丝杠自锁情况 根据任务书要求，梯形螺纹丝杠要求具有自锁能力，所以必须对丝杠的自锁情况进行验算。所需用到的公式2a rc ta n Sd 式中 表示 梯形螺纹螺旋升角 ， S 表示 螺纹导程 ， 表示 梯形螺纹牙型角， ， 代入数据计算得到螺纹升角约为 3.312，通常使用值小于这个度数。 2）a r c t a n c o s2vf式中v表示 当量摩擦角 ， f 表示 螺旋副的摩擦系数， 查表 0 .1 2 0 .1 5f ，取 0.13f 表 3-3 滑动螺旋副的摩擦系数 f 螺杆 螺母的材料 摩擦系数 f 钢 青铜 淬火钢 青铜 钢 钢 钢 铸铁 0.080.10 0.060.08 0.110.17 0.120.15 代入数据计算得 7.665v ，由于v，故满足自锁条件。 3.5 计算螺杆驱动转矩 计算螺杆的驱动转矩，主要是为计算螺杆强度服务的，此计算是必须的。所需用到这样一个公式 14 2 t a n ( )2 vdTF 式中 T 表示 蜗杆的驱动转矩 ， 其他参数同上 代入数据计算得 T=334104Nmm 3.6 计算螺杆的强 度 螺杆强度的计算是一种校核计算，主要验证所选择的螺杆（包括材料和尺寸）是否符合要求，该计算是至关重要的。所需公式 2223114 30 . 2FTdd 式中1d表示 外螺纹小径 ， 表示 螺杆所受应力 ， 表示 螺杆材料的许用应力MPa ，查表 3-4， 选取 7 2 1 2 0 M P a 表 3-4 滑动螺旋副材料的许用应力 螺旋副 材料 许 用 应 力（ MPa ） b 螺杆 钢 35s 此处s为材料屈服极限，稳定载荷时，许 用应力取大值。 表 3-5 螺纹常用材料的力学性能 钢号 抗拉强度b 屈服点s 疲劳极限 弯曲 拉压 10 340420 210 160220 120150 Q215 340420 220 Q235 410470 240 170220 120160 35 540 320 220300 170220 45 610 360 250340 190250 15MnVB 10001200 800 40Cr 7501000 650900 320440 200240 30CrMnSi 10801200 900 15 代入数据计算得结果 96.9N/mm mm， 由于 ，故螺杆的强度符合要求。 3.7 螺纹牙的强度计算 3.7.1 螺杆螺纹牙强度校核 1）许用切应力校核 校核公式为 FdbZ ，式中 d 表示 公称直径， d=48， F 表示 轴向力， 30000FN ， b 表示 螺纹牙底宽度， b=0.65P=5.2， Z 表示 旋合全数， 9.67Z ， 表示 螺母材料许用应力，取 40MPa ， 值选择见表 3-4， 代入数据计算得 T 大约为 4MPa， 由于 ，故符合要求。 2）许用弯曲应力校核 校核公式 为 2bbFhd b Z 式中 h 表示 螺纹工作高度 ， b表示 螺母材料的许用弯曲应力，查表 4 5 5 5b M P a ，见表 3-5。其他参数同上。 代入数据计算： 得到结果约为 9.13， 由于 bb ，故符合要求。 3.8 螺纹牙稳定性的计算 细长螺杆在受到较大的轴向压力时候可能会丧失稳定性，其主要与临界载荷、螺杆材料和长度系数有关。所需用到以下公式， CF SF ， 2124801 0 . 0 0 2 4C dF 式中CF表示 临界载荷 ， S 表示 稳定性安全校核系数，取 2.5 4S ， 螺杆的柔度 ， li ， l 表示 螺杆最大工作长度 ， l=100cm， i 表示 螺杆危险界面惯性半径， 1 4di ，故 i=10， 表示 长度系数，查表 3-6，取 16 表 3-6 螺杆的长度系数 端部支承情况 长度系数 两端固定 一端固定，一端不完全固定 一端铰支，一端不完全固定 两端不完全固定 两端铰支 一端固定，一端自由 0.50 0.60 0.70 0.75 1.00 2.00 代入数据计算 得 FC 大约为 464128，符合 FC/FS 的要求，因此螺杆稳定性符合要求。 3.9 传递 效率的计算 传递效率的 计算公式为 ta nta n )v ，式中 表示螺纹传动的效率， 表示梯形螺纹螺旋升角，v表示当量摩擦角，代入数据计算得 32.58% 3.10 本章小结 本章主要是为后续的设计做好准备，对于材料的选取，丝杆自锁情况的验算以及驱动转矩，螺杆的强度，螺纹牙强度的一些计算。并且进 行强度校核、主要通过查表及对照资料确定设计数据，这章在整体的设计中起着领导位置，在构思好后，要有正确且合理的数据才能为后面的设计打好基础。 17 第四章 轴承的选择 4.1 滚动轴承的选择 各种结构类型轴承由于不同的结构特性，可适应于不同的使用条件，通常选择轴承类型时应综合考虑下列各主要因素： 1. 载荷情况 载荷是选择轴承最主要的依据，通常应根据载荷的大小、方向和性质选择轴承。 1）载荷大小一般情况下，滚子轴承由于是线接触，承载能力大，适于承受较大载荷；球轴承由于是点接触，承载能 力小，适用于轻、中等载荷。各种轴承载荷能力一般以额定载荷比表示。 2）载荷方向纯径向力作用，宜选用深沟球轴承、圆柱滚子轴承或滚针轴承，也可考虑选用调心轴承。纯轴向载荷作用，选用推力球轴承或推力滚子轴承。径向载荷和轴向载荷联合作用时，一般选用角接触球轴承或圆锥滚子轴承，这两种轴承随接触角。增大承受轴向载荷能力提高。若径向载荷较大而轴向载荷较小时，也可选用深沟球轴承和内、外圈都有挡边的圆柱滚子轴承。若轴向载荷较大而径向载荷较小时，可选用推力角接触球轴承、推力圆锥滚子轴承。 3）载荷性质有冲击载荷 时，宜选用滚子轴承。 2. 高速性能 一般摩擦力矩小、发热量小的轴承高速性能好。球轴承比滚子轴承有较高的极限转速，故高速时应优先考虑选用球轴承。径向载荷小时，选用深沟球轴承 :径向载荷大时，选用圆柱滚子轴承。对联合载荷，载荷小时，选用角接触球轴承；载荷大时，选用圆锥滚子轴承或圆柱滚子轴承与角接触球轴承组合。在相同内径时，外径越小，滚动体越轻越小，运转时滚动体作用在外圈上的离心力也越小，因此更适于较高转速下工作。在一定条件下，工作转速较高时，宜选用直径系 列为 8， 9， 0， 1 的轴承。保持架的材料与结构对轴承转速影响很大 。实体保持架比冲压保持架允许的转速高。高速重载的轴承需验算其极限转速。 3. 轴向游动性能 一般机械工作时，因机械摩擦或工作介质的关系而使轴发热，从而有热胀冷缩产生。在选择轴承结构类型时，应使其轴有铀向游动的可能性。因此，常在轴的某一端选用一内圈或一外圈无挡边的圆柱滚子轴承或滚针轴承，以适应由于热 18 胀冷缩而引起轴的伸长或缩短。 当轴两端轴承孔同轴性差（制造误差或安装误差所致）或轴的刚度小，变形较大，以及多支点轴，均要求轴承调心性好，这时应选用调心球轴承或调心滚子轴承。 4. 允许的空间 在机械设计中，一般都是先确定轴的尺 寸，然后根据轴的尺寸来确定轴承的尺寸。小轴选用球轴承，大轴选用滚子轴承；在内径尺寸（即轴尺寸）已确定，若径尺寸受限，可选用滚针轴承或直径系列为 8， 9， 0，回的轴承；若宽度尺寸受限，可选用宽度系列为 8， 0 的轴承。 5. 安装与拆卸方便 对于轴承使用寿命一般都难以等同主机使用寿命，在实际使用中轴承作为易损件要经常装拆。因此，在选用轴承结构类型时应要求装拆方便。可分离型的角接触球轴承、圆柱滚子轴承。圆锥滚子轴承、推力轴承和内圈为锥孔、带紧定套或退卸套的调心滚子轴承、调心球轴承等均具有装拆方便性能。 根据以上的选用要求， 选择圆锥滚子轴承。 按照国家标准，选择 30308、 30313 轴承。 4.2 本章小结 本章主要就是对轴承的选择，其实在蜗轮蜗杆确定完后，轴承就已经确定下来，轴承是标准件，选取通过查表选择适合的尺寸就可以，本章对轴承的种类、用途有个概括性的描述，以便了解及选取。本章在整篇论文中起着补充的作用。 19 第五章 箱体的设计 5.1 箱体尺寸的确定 参照蜗轮减速机的箱体设计，蜗轮丝杠升降机箱体尺寸如下： 表 5-1 箱体主要尺寸 底座厚 度 42.45 箱体壁 厚 20 底座长 度 323.45 底座宽 度 240 箱体高 度 250.94 地脚螺 栓 M14 箱盖紧固螺 栓 M10 轴承盖螺 栓 M6 蜗轮最大圆距箱壁距 离 6.2510 注油 塞 M20 5.2 本章小结 通过前面几章螺杆，蜗杆，蜗轮的确定，这一章箱体的设计，形象的说就是设计一个容器把它们放进去 。但是要做到尽量少用材料。同样计算是必不可少的，可以说这一章比较容易，没有复杂的公式供我们计算，要求也相对较低，形状尺寸也没有固定的值，通过简单的运算便可得出。本章在整篇论文中起到囊括的作用。 20 第 六 章 仿真设计 仿真设计是 利用 UG 或 ProE 完成仿真造型，并作出运动仿真和爆炸图。我采用的是利用 ProE 进行仿真设计，在这里我要说明下 ProE 的特点 ： Pro/ENGINEER的所有模块都是全相关的。这就意味着在产品开发过程中某一处进行的修改，能够扩展到整个设计中，同时自动更新所有的工程文档，包括装配体、设计图纸，以及制造数据。全相关性鼓励在开发周期的任一点进行修改，却没有任何损失，并使并行工程成为可能，所以能够使开发后期的一些功能提前发挥其作用。 易于使用：菜单以直观的方式联级出现，提供了逻辑选项和预先选取的最普通选项，同时还 提供了简短的菜单描述和完整的在线帮助，这种形式使得容易学习和使用。 所以我综合自身能力与知识基础，选择了 ProE。 6.1 蜗轮的仿真 按照蜗轮尺寸设计出一个基圆，利用拉伸命令设计出阶台 ，阶台的作用是限制轴承的位置。 选择基圆在草绘界面下按照数据画出渐开线，接着利用拉伸命令做出一个齿，可以利用轴阵列 做出初体，最后从侧面选择一个基准面，按照咽喉母圆半径，画出圆，旋转剪切。 另外蜗轮有 内梯形螺纹 与螺杆配合，根据螺杆的尺寸，先确定内螺纹的尺寸，利用螺纹扫描中的切口功能进行扫描 ，蜗轮仿真如图6-1。 图 6-1 蜗轮的仿真 6.2 蜗杆的仿真 同样用拉伸或者旋转命令按照尺寸设计出一个柱体，在预留的螺纹部分同样是利用螺纹扫描中的切口功能，根据数据代入进行扫描， 键槽是建立在蜗杆最细的那一端，根据配合公差确定键槽，利用拉伸剪切功能可以实现。 蜗杆的仿真 如 21 图 6 -2 所示。 图 6-2 蜗杆的仿真 6.3 螺杆的仿真 对于螺杆，就显得更为简单，就一个圆柱体，所以用拉伸比旋转要方便，其实两者皆可，我比较习惯于用拉伸，因为旋转命令一 不小心就会出现草绘截面不完整的错误命令。圆柱体画好后，同样还是利用螺纹扫描的切口命令进行设计。 螺杆仿真 如图 6-3 图 6-3 螺杆的仿真 6.4 箱体的仿真 对于箱体基本命令都要用到，我做到这里时也是比较头疼，第一，箱体要精确到哪里 ； 第二，要用两个实体组合必然要剪切，这时拉伸剪切命令就极其重要 ；第三，设计的箱体要足够让前面的蜗轮，蜗杆放进去，而且还不能太大，要配合轴承的尺寸，先利用旋转命令做出放蜗轮的那一部分，然后选择界面拉伸出一个放蜗杆的样子，这个按照设计好的尺寸来就行 ，主要是两者之间要有蜗轮与蜗杆配合的空间 ，按照尺寸拉伸剪切就行。最后利用倒角功能 进行倒角 。 箱体仿真 如图 6-4，装配图仿真如图 6-5. 22 图 6-4 箱体的仿真 装配总图 6-5 图 6-5 装配的仿真 6.5 本章小结 本章是利用 PROE 的三维建模功能进行设计，主要介绍各个部分的大概设计方法。拉伸，剪切，旋转，阵列，镜像，螺纹扫描等等，都显示出 PROE 独特的一面。和 UG 比起来，更适合我们。本章在整篇文章算是对前面的一个总结 23 设计，用实体表示出来 ， 以更清晰地方式展现设计的内容 。 24 第七章 课题结论 本设计是蜗轮丝杠升降机 的设计。设计主要针对执行机构的运动展开。为了达到要求的运动精度和生产率，必须要求传动系统具有一