机械传动部件的选择与设计

1、第二节第二节 常用的机械传动部件包括：常用的机械传动部件包括： n螺旋传动螺旋传动 n 齿轮传动齿轮传动 n 同步带传动同步带传动 n 高速带传动高速带传动 n 各种非线性传动等各种非线性传动等 基本功能基本功能 传动机构传动机构 运动的变换运动的变换动力的变换动力的变换 形式形式行程行程方向方向 速度速度 大小大小形式形式 丝杠螺母丝杠螺母 齿轮齿轮 齿轮齿条齿轮齿条 链轮链条链轮链条 带、带轮带、带轮 杠杆机构杠杆机构 凸轮机构凸轮机构 蜗轮蜗杆蜗轮蜗杆 间歇机构间歇机构 应设计和选择传动间隙小、应设计和选择传动间隙小、 精度高、体积小、重量轻、运动精度高、体积小、重量轻、运动 平稳、传递

2、转矩大的传动部件。平稳、传递转矩大的传动部件。 1、精密化、精密化 2、高速化、高速化 3、小型化、轻量化、小型化、轻量化 1、滚珠丝杠副的组成及特点、滚珠丝杠副的组成及特点 （1）组成）组成 螺母螺母滚珠滚珠 丝杠丝杠 螺旋槽螺旋槽 螺旋槽螺旋槽 回路管道回路管道 带螺纹槽的丝杠带螺纹槽的丝杠 带螺纹槽的螺母带螺纹槽的螺母 滚珠滚珠 反向器反向器 优点：优点： 1）传动效率高（）传动效率高（ 0.9) 2）轴向刚度高）轴向刚度高 3）运动平稳，传动精度高）运动平稳，传动精度高 4）磨损小，寿命长）磨损小，寿命长 1）不能自锁）不能自锁 2）结构复杂）结构复杂 （1）螺纹滚道型面的形状及主要尺

3、寸）螺纹滚道型面的形状及主要尺寸 双圆弧型双圆弧型单圆弧型单圆弧型 理想接触角理想接触角 =450 R=1.04rb e=sin (R-rb) 偏偏心心距距 滚滚道道圆圆弧弧半半径径 滚滚珠珠半半径径 接接触触角角 e R rb ，承承载载能能力力，轴轴向向刚刚度度 特点：接触角随轴向载荷的变化而变化特点：接触角随轴向载荷的变化而变化 特点：特点： 角基本保持不变，加工成本高角基本保持不变，加工成本高 v内循环内循环 v外循环外循环 滚珠在循环的过程中始终没有脱离丝杠。滚珠在循环的过程中始终没有脱离丝杠。 丝杠丝杠 螺母螺母 滚珠滚珠 反向器反向器 浮动式反向器的循环浮动式反向器的循环 丝杠丝

4、杠螺母螺母 滚珠滚珠 反向器反向器 l滚珠循环回路短，流畅性好，效率高；滚珠循环回路短，流畅性好，效率高； l螺母的径向尺寸小，螺母的径向尺寸小， 加工困难，装配调加工困难，装配调 整不易；整不易； l适用于高速、高灵敏度、高刚度的精密适用于高速、高灵敏度、高刚度的精密 进给系统。进给系统。 滚珠在循环过程中脱离过丝杠滚珠在循环过程中脱离过丝杠 螺母螺母滚珠滚珠 丝杠丝杠 螺旋槽螺旋槽 螺旋槽螺旋槽 回路管道回路管道 l滚珠循环回路长，流畅性差，效率低；滚珠循环回路长，流畅性差，效率低； l工艺简单，工艺简单，螺母的径向尺寸大，螺母的径向尺寸大， 易于制造；易于制造； l挡珠器刚性差，易磨损。

5、挡珠器刚性差，易磨损。 插管插管 特点：特点： 应用较少，常以单螺母形式用作升应用较少，常以单螺母形式用作升 降传动机构。降传动机构。 盖板盖板 螺母螺母 公称直径公称直径 丝杠大径丝杠大径丝杠小径丝杠小径 滚珠直径滚珠直径 螺母小径螺母小径螺母大径螺母大径 指滚珠与螺纹滚道在理论接触角状态指滚珠与螺纹滚道在理论接触角状态 时包络滚珠球心的圆柱直径，它是滚珠丝时包络滚珠球心的圆柱直径，它是滚珠丝 杠副的特征尺寸。杠副的特征尺寸。 定义：定义： 丝杠相对螺母旋转丝杠相对螺母旋转2弧度弧度 时，螺母上基准点的轴向位移时，螺母上基准点的轴向位移; 导程小导程小精度高精度高承载能力小承载能力小 丝杠相

6、对螺母旋转任意弧度丝杠相对螺母旋转任意弧度 时，螺母上基准点的轴向位移。时，螺母上基准点的轴向位移。 h P x 360 滚珠直径大，则承载能力也大。滚珠直径大，则承载能力也大。 应根据轴承厂提供的尺寸选用应根据轴承厂提供的尺寸选用 N过多，流通不畅，易产生过多，流通不畅，易产生 阻塞；阻塞； N过少，承载能力小，滚珠过少，承载能力小，滚珠 自载加距磨损和变形自载加距磨损和变形 一般取：一般取：N150 由于第一、第二、第三由于第一、第二、第三 圈（或列）分别承受轴向载荷圈（或列）分别承受轴向载荷 的的50%、30%、15%左右，因左右，因 此工作圈（或列）数一般取此工作圈（或列）数一般取:

7、j=2.53.5 （1）精度等级）精度等级 根据根据GB/T17587.3-1998GB/T17587.3-1998（与（与ISO 3408-3ISO 3408-3：19921992 同）标准同）标准：将滚珠丝杠副的精度分成为七个等级：将滚珠丝杠副的精度分成为七个等级 1、2、3、4、5、7、10，1级为最高级为最高 按实际使用要求，在每一精度等级内指定了导程精度的按实际使用要求，在每一精度等级内指定了导程精度的 验收检验项目，未指定的检验项目其导程误差不得低于下一验收检验项目，未指定的检验项目其导程误差不得低于下一 级精度的规定值。级精度的规定值。 公称直径系列（公称直径系列（mm） 6、8

8、、10、12、16、20、25、32、40 公称导程系列（公称导程系列（mm） 1，2，2.5，3，4，5，6，8，10，12. 注意：注意： 尽可能优先选用公称导程为尽可能优先选用公称导程为4、5、 6、8系列的滚珠丝杠螺母副系列的滚珠丝杠螺母副 u数控机床、精密机床和精密仪器等用于开环和数控机床、精密机床和精密仪器等用于开环和 半闭环进给系统，根据定位精度和重复定位精半闭环进给系统，根据定位精度和重复定位精 度的要求可选用度的要求可选用1、2、3级；级； u一般传动可选用一般传动可选用4、5级；级； u全闭环系统可选用全闭环系统可选用2、3、4级。级。 预紧目的：预紧目的： 提高刚度提高刚

9、度 保证反向传动精度保证反向传动精度 轴向间隙调整的目的：轴向间隙调整的目的： （1）双螺母螺纹预紧调整）双螺母螺纹预紧调整法法 锁紧螺母锁紧螺母 调整螺母调整螺母 左螺母左螺母 右螺母右螺母 特点：特点： 结构简单，刚性好，预紧可靠，使用中结构简单，刚性好，预紧可靠，使用中 调整方便，但不能精确定量调整调整方便，但不能精确定量调整 套筒套筒 丝杠丝杠 内齿轮内齿轮 外齿轮外齿轮 可实现定量调整，使用中调整方便；可实现定量调整，使用中调整方便； o L zz zz L 21 21 | 两边齿轮同向旋转一个齿时，螺两边齿轮同向旋转一个齿时，螺 母的轴向位移量为：母的轴向位移量为： 结构简单，刚性

10、高，预紧可靠，结构简单，刚性高，预紧可靠， 但使用中调整不方便但使用中调整不方便 1-1-垫片；垫片； 2-2-螺母螺母 能消除在使用过程中由于磨损或弹性变形产能消除在使用过程中由于磨损或弹性变形产 生的间隙，但结构复杂，轴向刚度低生的间隙，但结构复杂，轴向刚度低 ；适用于；适用于 轻载场合。轻载场合。 结构简单紧凑，但使用中不能调整，制造困难结构简单紧凑，但使用中不能调整，制造困难 采用采用推力轴承推力轴承为主的轴承组为主的轴承组 合来提高轴向刚度合来提高轴向刚度。 特点：特点： 轴向刚度和承载能力低，多用于轻载、低轴向刚度和承载能力低，多用于轻载、低 速的垂直安装丝杠传动系统；当丝杠垂直安

11、装速的垂直安装丝杠传动系统；当丝杠垂直安装 时，必须采用制动装置。时，必须采用制动装置。 （1 1）支承方式）支承方式 特点：特点： 预紧力小，轴承寿命较高，预紧力小，轴承寿命较高， 适用于中速、精度较高的长丝杠传动系统适用于中速、精度较高的长丝杠传动系统 特点：特点： 轴向刚度较高，预紧力大，寿命低轴向刚度较高，预紧力大，寿命低 特点：特点： 适合于高刚度，高速度，高精度的精密丝杠适合于高刚度，高速度，高精度的精密丝杠 传动系统。传动系统。 简易单推简易单推- -单推式支承单推式支承 双推双推-简支支承方式简支支承方式 双推双推-自由式支承自由式支承 双推双推-双推双推 无无 单推单推-单推

12、单推 双推双推-简支简支 有有 低低 高高 低低 高高 双推双推-自由自由 失稳失稳承载能力承载能力刚度刚度支承方式支承方式 因滚珠丝杠传动效率高，无自锁作用，故在垂直安装状因滚珠丝杠传动效率高，无自锁作用，故在垂直安装状 态，必须设置防止因驱动力中断而发生逆传动的自锁、制动态，必须设置防止因驱动力中断而发生逆传动的自锁、制动 或重力平衡装置。常用的制动装置有体积小、重量轻、易于或重力平衡装置。常用的制动装置有体积小、重量轻、易于 安装的超越离合器。安装的超越离合器。 超越离合器超越离合器 1-外圈外圈 ； 2-星轮星轮 ； 3-滚柱：滚柱：4-活销活销 ； 5-弹簧弹簧 电机电机 丝杠丝杠

13、主轴主轴 摩擦离合器摩擦离合器 弹簧弹簧 电磁线圈电磁线圈 铁心铁心 （1）密封）密封 1）丝杠的密封）丝杠的密封 折叠套管折叠套管 伸缩套管伸缩套管 刚带套管刚带套管 非非接接触触式式：迷迷宫宫式式 接接触触式式：毛毛粘粘 一般采用脂润滑或滴油润一般采用脂润滑或滴油润 滑，丝杠高速运转时采用喷雾滑，丝杠高速运转时采用喷雾 润滑。润滑。 （1）滚珠丝杠副结构的选择）滚珠丝杠副结构的选择 根据防尘防护条件以及对调隙及根据防尘防护条件以及对调隙及 预紧的要求，选择适当的结构型式。预紧的要求，选择适当的结构型式。 1）公称直径）公称直径d0 公称直径应根据轴向最大载公称直径应根据轴向最大载 荷按滚珠

14、丝杠副尺寸系列选择；荷按滚珠丝杠副尺寸系列选择； 效效率率承承载载能能力力滚滚珠珠直直径径 b dd 0 30 0 丝丝杠杠工工作作长长度度 d 应按承载能力及传动精度、传动应按承载能力及传动精度、传动 速度选取；速度选取； 要求传动速度快时，可选用较大要求传动速度快时，可选用较大 导程的滚珠丝杠副。导程的滚珠丝杠副。 大，大，承载能力大承载能力大 小，小，传动精度高传动精度高 基本导程的选择原则：基本导程的选择原则： 在满足数控机床加工精在满足数控机床加工精 度的条件下，导程应尽可能度的条件下，导程应尽可能 取大些取大些. 已知条件：已知条件： 最大工作载荷最大工作载荷F（N）或平均工作载荷

15、）或平均工作载荷Fm； 使用寿命使用寿命T； 丝杠的工作长度（或螺母的有效行程）丝杠的工作长度（或螺母的有效行程）L （m）；）； 丝杠的转速丝杠的转速n（平均转速（平均转速nm或最大转速或最大转速nmax） （r/min）；）； 滚道硬度滚道硬度HRC和运转情况。和运转情况。 计算作用于丝杠轴向最大动计算作用于丝杠轴向最大动 载荷载荷Q，然后根据，然后根据Q值选择丝杠副值选择丝杠副 的型号。的型号。 T-使用寿命时间使用寿命时间（h） p普通机械为普通机械为500010000， p数控机床及其它机电一体化设备及仪器装置为数控机床及其它机电一体化设备及仪器装置为15000 p航空机械为航空机械

16、为1000 )( max 3 NPffLQ WH 6 10 60nT L )( max 3 NPffLQ WH 较较大大冲冲击击或或振振动动时时 中中等等冲冲击击时时 平平稳稳或或轻轻度度冲冲击击时时 5 . 25 . 1 5 . 12 . 1 2 . 10 . 1 W f 454 .2 5056.1 5 .5235.1 5511.1 580 .1 HRC HRC HRC HRC HRC f H 当丝杠转速当丝杠转速n10r/min时，时， 以最大静载荷以最大静载荷Q0为设计依据。为设计依据。 )( tg tg 其其摩摩擦擦角角约约等等于于 滚滚动动摩摩擦擦系系数数摩摩擦擦角角，滚滚珠珠丝丝杠

17、杠副副的的 丝丝杠杠螺螺旋旋长长升升角角 10 ,004. 0003. 0 ftg 时时满满足足要要求求当当9 . 0 刚度的验算主要是确定丝杠的变形量刚度的验算主要是确定丝杠的变形量 丝杠的拉伸或压缩变形量丝杠的拉伸或压缩变形量 1 滚珠与螺纹滚道间接触变形滚珠与螺纹滚道间接触变形 2 支承滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形支承滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形 3 滚珠丝杠的扭转变形引起的导程的变化滚珠丝杠的扭转变形引起的导程的变化 量量 4 螺母座及轴承支座的变形螺母座及轴承支座的变形 5 滚珠丝杠副刚度的验算，主滚珠丝杠副刚度的验算，主 要是验算要是验算 1 、 、 2 、 、 3之和不应大之和不

18、应大 于机床精度要求允许变形量的一于机床精度要求允许变形量的一 半，否则，应考虑选用较大直径半，否则，应考虑选用较大直径 的滚珠丝杠副。的滚珠丝杠副。 1 + 2 + 3=机床精度要求机床精度要求 即可认为该丝杠刚度合格。即可认为该丝杠刚度合格。 对已选定尺寸的丝杠在给定的支承对已选定尺寸的丝杠在给定的支承 条件下，承受最大轴向负载时，应验算条件下，承受最大轴向负载时，应验算 其有没有产生纵向弯曲（失稳）的危险。其有没有产生纵向弯曲（失稳）的危险。 2 2 l EIf p Z K 丝丝杠杠的的支支承承方方式式系系数数 ）丝丝杠杠两两端端支支承承距距离离（ 丝丝杠杠小小径径）截截面面惯惯性性矩矩（ ）（钢钢丝丝杠杠材材料料弹弹性性模模量量，对对 Z f cml ddIcmI cmNEE 1 4 1 4 26 ( 64 /106 .20 式中：式中： 丝杠的支承方式丝杠的支承方式 支承方式支承方式fz 双推双推-双推双推4 单推单推-单推单推1 双推双推-简支简支2 双推双推-自由式自由式0.25 nK-许用稳定性安全系数许用稳定性