毕业设计（论文）-货车车底维修小车设计

PAGEV货车车底维修小车设计摘要本课题要求根据给定参数先设计出一台丝杆副升降机，丝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丝杆转动，利用丝杆副的传动，使螺母旋转，螺母有内梯形螺纹，与丝杆配合，螺母旋转带动丝杆做轴向运动。针对丝杆副，先确定我所需求的传动比，跟据公式算出丝杆副的各个数值，并对其强度，刚度等进行校核。针对丝杆，根据上升的速度，螺母的转速，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，丝杆传动，仿真，AbstractThisissuedemandsaccordingtothegivenparametersofthefirsttodesignawormliftWormDriveinstitutionsasatypicaldrivemechanismhasbeenwidelyused.Designprincipleisthemotordrivenwormrotation,theuseofwormgeartransmission,sothatwormwheelrotation,aninnertrapezoidalthreadworm,andscrewco-rotatingleadscrewwormaxialmovementtodo.Againsttheworm,firstIneedtodeterminethetransmissionratio,calculatedwiththeformulaworm,accordingtovariousvalues,anditsstrength,stiffnessetc.Check.Forthescrew,accordingtoincreaseinspeed,wormgearspeed,calculatethepitch,nominaldiameter.Finallythedesignoftheirsimulation,usingPROEpowerful3Dmodelingcapabilitiestoachieveallofitsmodulesareallrelated.ThismeansthatintheproductdevelopmentprocessofaDepartmentmodifications,canbeextendedtotheentiredesign,whileautomaticallyupdatingallengineeringdocumentation,includingassembly,designdrawings,andmanufacturingdata.KeyWords:Left,WormDrive,Simulation目录摘要Abstract第一章绪论 11.1.升降机的发展史及种类 11.2本课题的研究任务 3第二章丝杆副的设计 52.1丝杆副材料的选取 52.2丝杆副尺寸的确定 62.3丝杆副参数表 92.4校核齿根弯曲疲劳强度 102.5本章小结 10第三章螺纹的传动 113.1材料的选取 113.2螺纹牙型的选取 113.3耐磨性计算 123.4验算丝杠自锁情况 133.5计算螺杆驱动转矩 133.6计算螺杆的强度 143.7螺纹牙的强度计算 153.7.1螺杆螺纹牙强度校核 153.8螺纹牙稳定性的计算 153.9传递效率的计算 163.10本章小结 16第四章轴承的选择 174.1滚动轴承的选择 174.2本章小结 18第五章箱体的设计 195.1箱体尺寸的确定 195.2本章小结 19第六章仿真设计 206.1螺母的仿真 206.2丝杆的仿真 206.3螺杆的仿真 216.4箱体的仿真 216.5本章小结 22第七章课题结论 24总结 25参考文献 26致谢 27PAGE8第一章绪论1.1.维修小车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。

①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。

②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。使机厢着地时免受冲击，确保停机平稳。

③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，设计内容主要包括丝杆副传动部分、螺纹传动部分和箱体是设计。其主要工作原理是将丝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丝杆转动，通过丝杆副传动副将传动传递给螺母，螺母与丝杠旋合，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：图1-1升降机原理图

第二章全向轮简介2.1概述在移动机器人应用中，平面内需要三个坐标值来确定唯一状态：其中两个坐标用于确定机器人位置（X，Y），另外一个用于确定机器人的方向（θ）。全方位移动是指移动机构在二维平面上从当前位置向任意方向运动的能力。目前我们所见到的绝大多数的轮式移动机构都不是全方位的，具有全方位运动能力的移动机构可以使机器人更加灵活地运动。当装有全方位机构的移动机器人能够实现完美的运动性能，即能够在当前位置沿着任意方向的路径移动时，称之为全方位移动机器人。另外，全方位移动机构可以对自己所处的位置进行细微的调整，因此在需要精确定位和高精度轨迹跟踪的时候也必须使移动机构具有全方位移动能力。以下为几种常见的全方位移动机构：1、图1-1全轮转向式全方位移动机构。动力通过螺母蜗杆5、锥齿轮2使驱动轮1转动。操舵由螺母蜗杆6、圆柱齿轮4带动轮架旋转而实现，整体共装设转向电机两个，通过离合器的适当转换可以三种移动方式。图1-1全轮转向式2、图1-2正交轮式。正交轮也是一种新型全方位轮结构。它除了可以完成360o任意方向的移动外，还可以同时绕一垂直轴进行自转。这种正交轮由两个各切去一部分球冠的球组成，垂直于被切去球冠并通过球心有一个支撑轴，轴固定在一个框架上，两个球的轴互相垂直，其支撑框架也互相垂直。图1-1全轮转向式图1-3Mecanum轮图1-2正交轮式3、图1-3Mecanum轮即麦克纳姆轮，其为瑞典Mecanum公司的专利。通过将多个（通常是三个或四个）Mecanum轮以一定的方式组合，可使移动机构具备全方位移动功能。美国卡内基·梅隆大学的Muir、Neuman等人研制出的一台具有四个Mecanum轮的全方位移动机器人——URANUS，该机器人可灵活地在地面上自主运动。本文就对这种机构进行探讨。图1-3Mecanum轮图1-2正交轮式全向轮(omniwheels)能够在许多不同的方向移动，左右车轮的小光盘将全力推出，但也将极大的方便横向滑动。这是一个建立完整的驱动器的方法。全轮可以像一个正常的车轮或使用滚轮的辊侧向滚动。其胶辊提供了极大的扣人心弦。它适用於在使用机器人，手推车，转移输送机，货运车，行李。全方位车轮将提供完善的性能，当集成与传统的车轮。例如，您可以使用两种传统的车轮中心车轴和四个全方位前轴和后轴车轮，以建立一个六轮车辆。全方位轮移动和旋转，这是很容易的方向控制和跟踪，并尽可能快地转动。全方位轮无需润滑或现场维护和安装选项是非常简单和稳定。全方位轮通常可以大致可以分为2种类型：一类是单盘的全方位轮，一个是双排的全方位轮。单盘全方位轮的被动辊的单盘，而双板的全方位轮被动辊有两个板块是相互尊重，旋转稍。相比单盘的全方位轮，双板的全方位轮滚筒之间没有死区的优势.[1]2.2全向轮选用48毫米全向轮(omniwheels)Mindstorm的NXT兼容全轮通常被用於工业市场。它被安装在一个固定的位置，这是运动和旋转360度的能力。耐用的建设和无限的可操作性，使这种全方位轮艰苦的环境和工业应用的理想选择。48毫米全向轮是专为地板和倒置的应用，如手动和电动输送带传送系统，饲料导轨，工\o"查看图片"

48毫米全向轮机器人轮子等。它带有一个NXT兼容枢纽的Arduino电机轴的中心枢纽。2.3单个辊子的运动原理Mecanum外形像一个斜齿轮，轮齿是能够转动的鼓形辊子，辊子的轴线与轮的轴线成α角度。辊子有三个自由度，在绕自身转动的同时又能绕车轴转动，还能绕辊子与地面接触点的转动。这使得轮体本身也具备了三个自由度：绕轮轴的转动和沿辊子轴线垂线方向的平动及绕辊子与地面接触点的转动。这样，驱动轮在一个方向上具有主动驱动能力的同时，另外一个方向也具有自由移动（被动移动）的运动特性。轮子的圆周不是由普通的轮胎组成，而是分布了许多小辊子，这些辊子的外廓线与轮子的理论圆周相重合，并且辊子能自由旋转。当电机驱动车轮旋转时，车轮以普通方式沿着垂直于驱动轴的方向前进，同时车轮周边的辊子沿着其各自的轴线自由旋转。图2-1为Mecanum轮的各结构和运动参量。图2-1Mecanum轮运动参量的定义若干个这种车轮适当地组合就可以构成在平面上具有三个自由度（X方向平动、Y方向平动、绕中心垂直轴Z的转动）的全方位移动机构。同时由于这种结构相对复杂，其车轮与地面的有效接触面积小，使得其有效负载能力变小，效率变低，轮缘上的小辊子因受力不好而容易磨损，运动轨迹的精确性也相对降低，但它的优点和设计思路还是可取的。2.4全方位轮协调运动原理图2-2车轮组合图上图为采用全方位移动机构的车轮组合情况，轮中的小斜线表示触地辊子的轴线方向，分左旋和右旋两种。每个全方位轮都由一台直流电机独立驱动，通过四个全方位轮的转速转向适当组合，可以实现机器人在平面上三自由度的全方位移动。由多个全方位轮以一定的方式组成，运动十分灵活。下图为由4个全方位轮组成的机器人底座的受力分析图，其中为轮子滚动时小辊子受到轴向的摩擦力；为小辊子做从动滚动时受到的滚动摩擦力；ω为各轮转动的角速度。图2-3组合三维图由于各轮都独立驱动，故在转动的过程中可以自由地改变方向，正确控制各轮的转向和转速，即可实现全方位移动功能。若使用普通车轮，在此情况下，这种组合只能实现前后的运动，若要转向，则需要加装转向辅助轮作为其从动轮。但对于全方位轮来说，其特点就是能产生一个相对于轮体的轴向分力，通过调整各个轮子的转向和转速，形成一个与地面固定坐标系成一定角度的合力，从而实现了整个轮系的全方位运动。对于上图的四个全方位轮的安装形式，在以上坐标系内，沿X、－X向移动时，四个车转向及转速是相同的；当沿Y、－Y向移动时，同侧两轮相向而动，且四个车轮的转速相同。其它形式的运动，四个车轮根据运动模型中的转换矩阵来求得各个全方位轮的转向及转速。

第三章麦克纳姆轮参数设计作为机器人驱动机构中，关键是全方位轮的设计。Mecanum全方位轮的最大特点是在轮子的圆周上均布了一周小辊子，且小辊子的轴线与轮平面有一定的夹角。因此，全方位轮的几何设计主要有辊子尺寸及轮子整体结构的设计。3.1辊子的几何参数的公式推导图3-1为麦克纳姆轮的小辊子的受力情况，它的轮缘上的小辊子是斜向分布的，一般与轮子轴线呈角。设小辊子所受轴向摩擦力为，径向摩擦力为（由于小辊子滚动起图3-1辊子受力图来后，所受的滚动摩擦一般可以忽略不计，但此处不能忽略，这一点将在下面加以说明），小辊子轴两端所受的径向约束反力分别为、、、。先不考虑，由于小辊子斜向分布，轮子若要产生某一驱动力F，小辊子轴需承受的轴向力。另外，由于结构上的限制，小辊子的直径不可能做得很大，这给小辊子轴上轴承的安装带来了很大的困难，能承受轴向力的向心推力球轴承等都无法使用，而滚针轴承的安装成了大难题，故只好用小型深沟球轴承代替，这使得小辊子较容易损坏，承载能力也有所下降。图3-1辊子受力图由于辊子斜向分布，在垂直于轮子轴的轮子宽度中心的截面上，轮子可以简化为如右所示的轴向截面简化图，并不是一个实质的轮子，由于滚动摩擦力很小，轮子能获得的驱动力将大为减小，故效率降低，承载能力也也有所下降。当全方位轮运转时，由于小辊子斜向布置，当在轮心上加一个转矩时，轮子的滚动方向不是向前而是偏向小辊子轴的方向，即轮子的滚动影响小辊子的滚动；反过来，在轮心上给轮子一个垂直与小辊子轴的推力，使小辊子做纯滚动，则轮子也会向前滚动，总之，轮子的滚动和小辊子的滚动并非相互独立，而是紧密相关，相互影响。若将相对两轮展开，则相当于如下所示的情况：图3-2辊子展开图及轮轴向截面图显然，当轮子滚动时，小辊子并非纯滚动而是相对有滑动。这将造成一些不利影响，如运动不稳定，运动轨迹不准确等。究其最主要根源是在于麦克纳姆轮轮缘上的小辊子是斜向分布的，故其应用也有一定的局限性。假设图3-3中所示的圆柱是全方位轮的理论设计圆柱，曲线AB是轮子滚动时辊子与地面的接触线。曲线AB是等速螺旋线，曲线AB绕直线AB旋转一周就形成了全方位轮辊子的曲面。图3-3辊子生成图图3-3辊子生成图由图3-3可知：γ·R=K·b（3.1）图3-4辊子尺寸其中γ—螺旋线绕Z轴转角（rad）；图3-4辊子尺寸R—辊子轴线所在圆柱面半径（mm）；B—全方位轮宽度（mm）；由于式（3.1）中K=1，所以有：γ=b/R(3.2)图3-4中A、B分别是螺旋线的端点，C是线上任意一点。故三点的坐标分别为：A（R，0，0），B（Rcosγ，Rsinγ，Rγ），C（Rcosθ，Rsinθ，Rθ）·轴线AB的方向矢量：={R(cosγ-1)RsinγRγ} （3.4）的单位方向矢量：==={μ1μ2μ3}（3.5）其中，，，D=由于C是螺旋线上任意一点，所以可得到辊子曲面方程，过程是首先将矢量绕轴矢量旋转一个角度τ后得到矢量：={PPP} （3.6）根据一矢量绕空间一矢量旋转公式得： （3.7）曲线上点C绕轴AB旋转后，得到曲面上点（R+P，P，P）。所以可得到以θ和τ为参数的辊子双参数曲面方程，简单表示如下： （3.8）当θ为常数时，含一个参数τ的方程表示的是一个圆。当τ为常数时，含一个参数θ的方程表示的是辊子的一条母线。全方位轮的一些关键几何参数：辊子最小端半径(mm)；辊子轮廓上任意一点相对于AB的距离δ及其最大值(mm)和最小值(mm)，由前面的推导知道＝，辊子最大半径=；辊子轴线与轮子Z轴的夹角α(rad)；辊子轴线与轮子Z轴的最小距离(mm)；辊子的数目N；辊子的长度l(mm)；轮子的实际宽度(mm)；全方位轮的运动连续性比率系数ε。由于在设计全方位轮时，机器人的整体结构设计决定了全方位轮的轮宽b和轮的外圆柱半径R，所以在设计时，b和R为已知，由此可以得出其他的参数：Smin和α的确定·=··cosα= （3.9），都是单位方向矢量，所以有：cosα==μ3= （3.10）直线AB的方程为：== (3.11)因此有直线上点的坐标为：(3.12)令 (3.13)得到：z0= (3.14)轮廓线上任一点到直线AB的距离S： S= (3.15)将z0代入，得：= (3.16)δ的计算这里的ε定义为全部辊子参与运动的接触线总长与轮子周长的比率，称为运动连续性比率系数。当ε≥1时，就可保证轮子的运动连续性。根据定义，可得到： ε==(γ-2θ0) (3.17)式中θo—辊子端点所对应的θ角(rad)；δ、δmin、δmax的计算图3-5计算图示图3-5计算图示=R(3.18)与δ相对应的x： (3.19)可得： (3.20)设计规定当χ=时，。因此可以有方程：(3.21)利用牛顿迭代法或Matlab计算可求出θ0。3.2辊子的几何参数的设计计算在确定了b,R,l,N后，用MatLab编程计算后（具体程序见附录一），可以得到各设计的辊子外轮廓图形。取b=56,R=56,l=56,N=9,旋转角度为后，绘制的结果为（图中横轴平行于辊子轴）：图3-6辊子轮廓曲线根据结构和尺寸的要求，以及电机的选取，预先决定了轮宽b=73，轮的半径R=56。根据辊子两端轴承选取的尺寸，预先取一个，然后利用Matlab解方程（或Newton迭代法）解出，将代入上式得到初步的值，再根据取定辊子长度的设计值。选取辊子数目时兼顾了运动的连续性和不发生运动干涉，预选取一个N，若ε≥1，则可以通过程序得到辊子的轮廓线，在计算机中模拟，观察辊子是否干涉。如果条件不满足，则需要变换N，直到两个条件都满足。根据参考文献最后选定参数如下（表3-1）：表3-1辊子的关键参数R（mm）B（mm）l（mm）Nδmin（mm）δmax（mm）α(o)Smin（mm）γ(o)θ0（mm）εb’（mm）56735697.9711.4842.9444.5274.6916.871.0240.99

第三章丝杆副的设计丝杆副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。丝杆副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。丝杆副传动机构比其他传动机构突出的优点在于其自锁功能，丝杆副传动机构的丝杆导程角小于啮合轮齿间当量摩擦角时，丝杆副传动机构就会反向自锁，这时只能是丝杆带动螺母，而螺母无法带动丝杆，即可实现对机械的安全保护。3.1丝杆副材料的选取丝杆材料需要具有一定的强度，良好的磨合与耐磨性能。丝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丝杆副常用材料名称材料牌号使用特点应用范围丝杆20、15Cr、20Cr、20CrNi20MnVB、20SiMnVB20CrMnTi、20CrMnMo渗碳淬火（56~62HRC）并磨削用于高速重载传动45、40Cr、40CrNi35SiMn、42SiMn、35CrMo37SiMn2MoV、38SiNnMo淬火（45~55HRC）并磨削45调质处理用于低速轻载传动螺母ZCuSn10Pb1ZCuSn5Pb5Zn5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ZCuAl10Fe3ZCuAl10Fe3Mn2抗交合能力差，机械强度高，与其匹配的丝杆必须表面硬化处理，价格便宜用于中等滑动速度ZCuZn38Mn2Pb2HT150HT200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，丝杆材料为45号钢，热处理为调质HBS220——270，螺母材料为HT150，时效处理。且螺母的选择符合梯形螺纹丝杠螺母材料的选择。3.2丝杆副尺寸的确定1.丝杆副理论中心距的确定其公式为。1）表示螺母所受转矩计算公式为，式中表示螺母所受的转矩，表示螺母丝杠升降机的输入功率，，其中表示梯形螺纹效率，；表示轴承的效率，轴承效率通常为，取；表示丝杆副的传递效率，一般为，故取，表示输出功率，，则计算得表示螺母转速，（丝杠转速），则计算得代入数据计算得2）表示载荷系数，其中为使用系数，可查表2-2取其值；为齿向载荷分布系数，当丝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；当载荷变化较大，或有冲击、振动时，可取；为动载系数，由于丝杆传动一般较平稳，动载荷要比齿轮传动小的多，故值可取定如下：对于精度制造，且螺母圆周速度时，取；时，取。表2-2使用系数工作类型ⅠⅡⅢ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>252550>50启动载荷小较大大11.151.2取，，，则3）表示弹性影响系数因选用的是HT150螺母与45号钢丝杆匹配，故取4）表示接触系数先假设丝杆分度圆直径与理论中心距的比值为0.5，查图2-1，取图2-1丝杆副传动的接触系数其中上曲线——ZI丝杆（ZA、ZN、ZK丝杆亦可近似查用），下曲线——ZC丝杆4）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螺母材料丝杆材料滑动速度Vs(m/s)0.250.5123468ZCuAl10Fe3,ZCuAl10Fe3Mn2钢经淬火钢经淬火渗碳钢调质或者淬火钢--160140245210130110225220115902101809070180150--160130--11595--9075--ZCuZn38Mn2Pb2HT200,HT150(HB=120~150)HT150(HB=120~150)螺母的基本许用应力，查表2-3取寿命循环次数，表示螺母每转中轮齿一侧吃面啮合的次数；表示总工作时数，代入数据计算得，寿命系数，表示则，理论中心距最终计算得表2-4丝杆副匹配表（部分）中心距a/mm传动比i模数m/mm丝杆分度圆直径d1丝杆头数Z螺母齿数Z螺母变位系数x1005.177.7510.2513.251520.526.53141536270825543.15543.155250504031.5504031.5504031.5452535.5644422211111131314153304153314153627082-0.500-0.500-0.500+0.246-0.500-0.500+0.246-0.500-0.500+0.2460.0000.000+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丝杆副的尺寸，故选择如表2-5表2-5丝杆副参数中心距a/mm传动比i模数m/mm丝杆分度圆直径d1丝杆头数Z螺母齿数Z螺母变位系数x10015550230-0.500此时故，以上计算结果可用。3.3丝杆副参数表表2-6丝杆副参数项目数据项目数据中心距a100丝杆分度圆直径d50丝杆头数Z2丝杆齿顶圆直径d60螺母齿数Z30丝杆齿根圆直径d38齿形角20°丝杆齿顶高h5模数m5丝杆齿根高h6传动比i15丝杆齿高h11齿数比u15导程角11.31°齿轮变位系数x-0.500螺母分度圆直径d150丝杆直径系数q10螺母喉圆直径d160丝杆轴向齿距P15.7螺母齿根圆直径d138丝杆导程P31.4螺母齿顶高h5螺母齿根高h6螺母齿高h6螺母齿宽b2<0.75da1，取b2=45mm，螺母最大外圆直径da2max=da2+1.5m=167.5mm，丝杆螺纹部分长L≥3.4校核齿根弯曲疲劳强度螺母轮齿因弯曲不足而失效的情况，多发生在螺母齿数（如Z>90）或开式传动中。因此，对闭式丝杆传动通常只做弯曲强度的校核，这种计算是必须的。由于螺母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，式中表示螺母齿形系数，可由螺母的当量齿数及螺母的变位系数从表2-6中查得。，——螺旋角影响系数，，代入数据计算得，表示许用应力，，式中：表示寿命系数，，，表示许用应力，取则许用应力，，因为，故螺母弯曲疲劳强度符合要求。3.5本章小结本章主要是通过计算确定丝杆副的材料，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，所需设计的丝杆副要合理且符合传动需求，在做丝杆副设计的时候，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，对闭式丝杆传动通常只做弯曲强度的校核，这些计算都是必须的。第四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。4.1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220~270，再采用高频淬火，硬度达到45~48根据我所设计的传动需求，选择45号钢作为螺杆的材料。4.2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。对于螺母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Tr36×6；Tr44×8LH等。另外，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，该螺母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。4.3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式中表示螺杆分度圆直径，表示梯形螺纹牙侧角，，表示轴向力，，表示整体式螺母取，取，表示许用压强，，查表取表3-1滑动螺旋副材料的许用应力钢——铸铁‹2.413~186~124~7代人数据计算得到结果选取梯形螺纹如表3-2表3-2 梯形螺纹选取公称直径d螺距P中经d大径D小径dD48844494041通过计算，，故螺纹选择符号要求。4.4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。所需用到的公式式中表示梯形螺纹螺旋升角，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）式中表示当量摩擦角，表示螺旋副的摩擦系数，查表，取表3-3滑动螺旋副的摩擦系数螺杆——螺母的材料摩擦系数f钢——青铜淬火钢——青铜钢——钢钢——铸铁0.08~0.100.06~0.080.11~0.170.12~0.15代入数据计算得，由于，故满足自锁条件。4.5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式中表示丝杆的驱动转矩，其他参数同上代入数据计算得T=334104N·mm4.6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。所需公式式中表示外螺纹小径，表示螺杆所受应力，表示螺杆材料的许用应力，查表3-4，选取表3-4滑动螺旋副材料的许用应力螺旋副材料许用应力（）螺杆钢此处为材料屈服极限，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屈服点疲劳极限弯曲拉压10340~420210160~220120~150Q215340~420220Q235410~470240170~220120~16035540320220~300170~22045610360250~340190~25015MnVB1000~1200800————40Cr750~1000650~900320~440200~24030CrMnSi1080~1200900————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。4.7螺纹牙的强度计算4.7.1螺杆螺纹牙强度校核1）许用切应力校核校核公式为，式中表示公称直径，d=48，表示轴向力，，表示螺纹牙底宽度，b=0.65P=5.2，表示旋合全数，，表示螺母材料许用应力，取，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式中表示螺纹工作高度，表示螺母材料的许用弯曲应力，查表，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，故符合要求。4.8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，，式中表示临界载荷，表示稳定性安全校核系数，取，——螺杆的柔度，，表示螺杆最大工作长度，l=100cm，表示螺杆危险界面惯性半径，，故i=10，表示长度系数，查表3-6，取表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0.500.600.700.751.002.00代入数据计算得FC大约为464128，符合FC/F>S的要求，因此螺杆稳定性符合要求。4.9传递效率的计算传递效率的计算公式为，式中表示螺纹传动的效率，表示梯形螺纹螺旋升角，表示当量摩擦角，代入数据计算得4.10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。第五章轴承的选择5.1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：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。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。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