1.2　螺旋传动结构设计技巧与禁忌

螺旋传动主要用来将回转运动变为直线运动,同时传递力和转矩,也可以用来调整零件的相互位置,有时兼有几种作用。其应用很广,如螺旋千斤顶、螺旋丝杠、螺旋压力机,以及精密仪器中的调整装置等。

1.2.1　螺旋传动的类型、特点及基本运动形式

(1)螺旋传动的类型及特点

① 按用途分　按用途分,螺旋传动可分为传力螺旋传动、传导螺旋传动和调整螺旋传动三种。

a.传力螺旋传动　传力螺旋传动用以举起重物或克服很大的轴向载荷,如螺旋千斤顶(图1⁃54),能用较小的转矩产生较大的轴向力以顶起重物。传力螺旋一般为间歇性工作,速度较低,通常要求自锁,因工作时间短,不追求高效率。

b.传导螺旋传动　传导螺旋传动以传递运动为主,有时也传递动力或承受较大的轴向力,如机床的丝杠。传导螺旋多在较长时间内连续工作,有时速度也很高,因此要求有较高的效率和精度,一般不要求自锁。因为传递运动常要求有一定的精度,所以像机床丝杠这样的传导螺旋,根据机床的精度要求也要有相应的精度,同时还要有一定的刚度。

c.调整螺旋传动　调整螺旋传动用以调整或固定零件的相对位置,如机床进给机构中的微调螺旋。调整螺旋一般不在工作载荷下做旋转运动。调整螺旋属于精密机械,通常精度较高。

以上三种常用螺旋传动类型、特点及应用列于表1⁃5。

② 按摩擦性质分　

按摩擦性质分,螺旋传动可分为滑动螺旋传动、滚动螺旋传动和静压螺旋传动三种。

a.滑动螺旋传动　滑动螺旋传动如图1⁃55所示,螺旋千斤顶是其典型应用(图1⁃54)。滑动螺旋传动结构简单、加工方便、易于自锁,但是摩擦大、效率低(一般为20%~40%)、磨损快,低速时可能爬行,定位精度和轴向刚度较差。

b.滚动螺旋传动　为了提高效率,将滑动变为滚动,出现了滚动螺旋传动,如图1⁃56所示。滚动螺旋传动是在螺杆和螺母的接触表面之间放置许多滚珠,当螺杆或螺母回转时,滚珠依次沿螺纹滚动,经导路出而复入。图1⁃56(a)为外循环式,图1⁃56(b)为内循环式。

滚动螺旋传动与滑动螺旋传动相比,具有如下特点:摩擦损失小,传动效率高,一般可达90%以上,为滑动螺旋传动的3倍;启动力矩小,且减少振动;可以通过调整消除间隙,因而具有较高的定位精度和轴向刚度,传动精度较高;磨损小,寿命长,不具有自锁性,传动可靠,当用于垂直升降传动时,需采用防止逆转装置;结构、制造工艺较复杂,成本高。

滚动螺旋传动与滑动螺旋传动性能、特点及应用对比列于表1⁃6。

c.静压螺旋传动　为了进一步减小摩擦,又出现了如图1⁃57所示的静压螺旋传动。静压螺旋传动是采用静压流体润滑的滑动螺旋,但需要供油系统,因此,造价高、结构复杂。滚动螺旋传动和静压螺旋传动与滑动螺旋传动相比,具有摩擦小、效率高(一般为大于90%)、磨损小、定位精度和轴向刚度高等特点。但是,因为其结构复杂、加工不便、造价高,因此常用于重要的传动。

(2)滑动螺旋传动的基本运动形式

滑动螺旋传动把回转运动变为直线运动的基本运动形式有如下四种。

① 螺杆转动、螺母移动[图1⁃58(a)]。

② 螺母转动、螺杆移动[图1⁃58(b)]。

③ 螺母固定、螺杆转动并移动[图1⁃58(c)]。

④ 螺杆固定、螺母转动并移动[图1⁃58(d)]。

1.2.2　传力螺旋传动结构设计技巧与禁忌

(1)螺旋千斤顶结构设计技巧与禁忌

① 螺杆行程限位结构必须可靠　如果螺杆端部的挡圈是为了限制螺杆行程的,其直径必须足够大,否则起不到限位作用。如图1⁃59(a)所示千斤顶螺杆下端部挡圈太小,当螺杆被旋到最高处时,挡圈起不到阻挡作用,螺杆不能被限位,甚至有可能被旋出螺母,发生危险。正确结构如图1⁃59(b)所示,螺杆端部挡圈必须足够大,才能可靠地将螺杆限位。

② 托杯挡圈大小应适宜　如图1⁃60所示的千斤顶螺杆上端的挡圈不可太小,也不可太大。太小[图1⁃60(a)]不能可靠挡住托杯,托杯受力时可能翻倒,不安全;如果太大[图1⁃60(b)],挡圈将与托杯壁接触,转动螺杆时挡圈与托杯摩擦,是错误的结构。正确结构如图1⁃60(c)所示,螺杆上端部挡圈必须适当,才能可靠工作。

③ 挡圈不能压住托杯　如图1⁃61(a)所示,螺杆上部的挡圈压住了托杯,当转动螺杆时,因挡圈压住了托杯而使托杯也跟着旋转,不能正常工作。改进后的结构如图1⁃61(b)所示,使螺杆的顶部比托杯高一些,让挡圈压住螺杆而不与托杯接触,托杯就不会转动了。

④ 避免手柄装不进去　如图1⁃62(a)所示,手柄两边的手球与手柄杆为一体,直径比手柄杆大,因此装不进螺杆的手柄孔。改正后的结构如图1⁃62(b)所示,手柄球制造成带螺钉的可拆结构,就可以顺利地装拆了。

⑤ 底座高度设计禁忌　如图1⁃63(a)所示,螺杆与底座的底面距离L太高,因此使底座高度加大、结构庞大、重量增加,且稳定性较差。如图1⁃63(b)所示,L=0,则螺杆底部螺钉与地面或机架相碰,由于制造、安装误差以及底面条件变化,此结构不能正常工作。设计时L应适当,正确结构如图1⁃63(c)所示。

(2)螺旋传动自锁条件设计禁忌

有自锁要求的螺旋传动设计时一定要满足自锁条件,按一般自锁条件,螺旋升角ψ只要小于当量摩擦角ρ即可,即:ψ≤ρ。但滑动螺旋传动设计时不能按一般自锁条件来计算,为了安全起见,必须将量摩擦角减小一度,即应满足:ψ≤ρ-1°。而取ψ≈ρ是极不可靠的。例如如图1⁃64所示的支承转椅底架上装有五个行走轮,可任意移动位置,座椅用矩形螺纹钢质螺杆支承在钢质螺母上,能任意回转和升降。其螺杆的螺旋升角ψ=5.64°,而一般螺旋副的当量摩擦角ρ≈5.7°,可见ψ略小于ρ,转椅处于自锁的临界状态,人坐上去受力后,稍有摇晃,静摩擦因数变为动摩擦因数,摩擦因数降低很多,导致ψ大于ρ,座椅就会自行下降。改正措施可将中央螺杆的螺旋升角减小到ψ<ρ-1°,例如ψ=4°,则自锁可靠性较大,人坐上去转椅就不会下降了。转椅螺杆螺旋升角ψ的取值与自锁性的对比见表1⁃7。

(3)螺杆与螺母相对运动关系设计禁忌

如前所述,螺旋传动的主要作用是将旋转运动变为直线运动,其基本传动形式有四种,如图1⁃58所示。图1⁃58(b)为螺母转动、螺杆移动的形式,其运动简图可用图1⁃65(a)表示。由图可见,欲实现螺杆的上、下移动,必须使螺杆下端的结构与旁边的承导件相连,否则,在螺母转动时螺杆也将随之一起转动,不能实现上、下移动。如图1⁃65(b)所示的浓密机提升装置,就属于此类错误的设计。该提升装置采用了蜗杆传动,蜗轮1内装螺母(不能上、下运动),螺杆2下端与连接板3间采用了螺纹连接,而缺少与连接板及主轴4等部件的固定结构,因而当螺母转动时,螺杆也随螺母一起转动,而主轴(耙子)却不能实现升降。改进措施如图1⁃65(c)所示,可在螺杆与连接板之间加一卡板5,这样即可限制螺杆的旋转,实现主轴正常上、下升降。

(4)螺杆稳定性设计禁忌

当螺杆较细长且受较大轴向压力时,可能会侧向弯曲而丧失稳定性,所以对此类的螺杆必须作稳定性计算。若失稳时,可加粗螺杆直径或采用其它防失稳措施,具体内容详见有关资料。

(5)螺杆与螺母旋合圈数禁忌

由于螺杆与螺母旋合各圈螺纹牙受力不均,而且圈数越多,各圈中的受力越不均匀,因此,设计时应使旋合圈数z≤10,禁忌z>10。

(6)受压螺旋传动应尽量避免受偏心载荷

如图1⁃66(a)所示游艺机,除做回转运动外,要求座舱能够升降,为此采用了螺旋传动,螺杆回转,螺母上、下移动,使座舱实现升降运动。使用运行过程中发现螺旋副磨损严重,噪声大,不能正常运转。分析其原因,除了螺旋副受力过大(近200kN),更重要的是这种游艺机座舱中人体的重力与螺旋副轴线偏离,因而产生弯曲力矩,不但显著加大了螺旋副的应力,而且使螺杆在螺母中歪斜,引起螺母的边缘局部磨损。

图1⁃66(b)分别采用液压缸升降,效果比较好。

(7)滚珠螺旋传动设计禁忌

① 全面综合考虑确定滚珠螺旋传动的主要尺寸参数　滚动螺旋传动与滑动螺旋传动相比,结构较为复杂,设计时涉及的因素比较多,确定滚珠螺旋传动的主要参数时,应全面综合予以考虑。

选择滚珠螺旋传动的主要尺寸参数时,可参考表1⁃8。

② 防止滚珠螺旋传动逆转　由于滚珠螺旋传动是不能自锁的,因此,为了防止滚珠螺旋传动在承受载荷的情况下产生逆转,必须设置防止逆转的机构。防止逆转的机构形式很多,例如如图1⁃67所示的数控卧式镗铣床主轴箱进给螺旋防止逆转机构,当机床工作时,吸力线圈1通电,吸住压力弹簧2,离合器3脱开。此时电动机通过齿轮传动带动蜗杆传动,从而带动主轴箱的立向移动。当电动机停止转动时,吸力线圈也同时断电,放开弹簧,离合器闭合,使螺杆制动,从而防止了主轴箱因自重而下降。

③ 应使滚珠螺旋传动的螺母与螺杆同时受拉或受压　滚珠螺旋传动当螺母和螺杆一个受拉,一个受压时[图1⁃68(a)、(c)],会引起各扣螺纹受力不均匀。应使螺母和螺杆同时受拉[图1⁃68(b)]或同时受压[图1⁃68(d)]。如图1⁃68所示四种方案中的螺母与螺杆受力形式及评价见表1⁃9。

1.2.3　传导螺旋传动结构设计技巧与禁忌

(1)影响螺旋传动精度的因素

如前所述,传导螺旋以传递运动为主,并要求很高的运动精度。影响螺旋传动精度的因素很多,主要有以下几点。

① 螺纹参数误差　螺纹参数误差主要有:螺距误差、中径误差、牙型半角误差等。

② 螺杆轴向窜动误差　螺杆轴肩端面与轴承的止推面不垂直于螺杆轴线,而是有α1和α2偏差。见图1⁃69,螺杆转动时,引起螺杆周期性的轴向窜动误差Δmax=Dtanαmin,式中,D为螺杆轴肩的直径;αmin为α1和α2中的较小者。

③ 偏斜误差　如图1⁃70所示,如果螺杆的轴线方向与移动件的运动方向不平行,有一偏斜角ψ,就会发生偏斜误差Δ。由于ψ一般很小,所以取,因此。

④ 温度误差　当螺旋传动的工作温度与制造温度不同时,将引起螺杆长度和螺距的变化。温度误差为ΔLt=LwαΔt,式中,Lw为螺杆螺纹部分长度;α为螺杆材料线胀系数;Δt为工作温度与制造温度之差。

(2)提高传动精度的结构

为提高传动精度,以上各种因素引起的误差应尽可能减小或消除。为此,可以通过提高螺旋副零件的制造精度来实现,但提高零件的精度会使成本提高。因此可采取某些结构措施来提高其传动精度。

① 螺距误差校正装置　

由于螺杆的螺距误差是造成螺旋传动误差的最主要因素,因此采用螺距误差校正装置是提高螺旋传动精度的有效措施之一。如图1⁃71所示为螺距误差校正原理图,当螺杆1带动螺母2移动时,螺母导杆3沿校正尺4的工作面移动。工作面的凹凸外廓使螺母转动一个附加角度,由此产生的附加位移,恰好能补偿螺距误差所引起的传动误差。如图1⁃72所示为坐标镗床螺距误差校正装置简图。

利用上述的校正原理,也可以校正温度误差。只要把校正尺制成直尺,并使其与螺杆轴线倾斜某一角度θ即可。

② 限制螺杆轴向窜动的结构　如图1⁃73(a)所示,螺旋传动的轴承的轴向窜动直接影响到螺旋的轴向窜动,从而使螺旋机构产生运动误差。因此,对螺旋传动的轴承应有较高的结构要求。对于受力较小的螺旋,可以用一个钢球支持在螺旋中心,如图1⁃73(b)所示,轴向窜动极小。

③ 减小偏斜误差的结构　如图1⁃74(a)所示螺旋副的移动件与导轨滑板的连接采用了普通平面接触方式,显然其运动的灵活性不如图1⁃74(b)、(c)中的活动连接,其偏斜误差及螺旋副中的受力均比图1⁃74(b)、(c)的大。通过螺杆端部的球面与滑板在接触处自由滑动[图1⁃74(b]),或中间杆自由偏斜[图1⁃74(c)],可减小偏斜误差,避免螺旋副中产生过大应力。

(3)消除空回的结构

① 径向调整法　为了消除径向和轴向间隙以及补偿螺纹的磨损,避免反向转动时的空回行程,可采用一些特殊结构。例如如图1⁃75所示的开槽螺母结构,拧动螺钉可以调整螺纹的径向间隙。但如图1⁃75(a)所示的结构不够好,原因是螺钉固定时,对轴的夹紧力仅限于有切槽的一侧,另一侧未开槽,刚性大,不易夹紧。改进结构如图1⁃75(b)所示,将切槽延伸至孔的另一侧,拧紧螺钉时,夹紧力使开槽螺母发生弹性变形,并传递到四周,将螺杆牢固地夹紧,从而消除径向间隙,以消除空回。

② 轴向调整法　如图1⁃76(a)、(b)所示为对开螺母结构。拧紧螺钉使螺母变形,左、右两半部分的螺纹分别压紧在螺杆螺纹相反的侧面上,从而消除了螺杆相对螺母轴向窜动的轴向间隙。如图1⁃76(b)所示结构将切槽延伸至孔的另一侧,比图1⁃76(a)更合理,改进原理与如图1⁃75所示结构类似。

(4)精密丝杠的直径取决于强度与刚度的弱者

人们通常习惯性地认为螺杆、丝杠的尺寸(比如直径的大小)主要取决于其强度计算,其实并非全部如此,因为很多设计中螺杆和丝杠的尺寸是由刚度条件决定的。直径的大小应由强度和刚度两者之间的弱者确定,从下面的算例不难看出丝杠直径是由刚度决定的。

[例]某精密机床纵向进给螺旋丝杠(螺杆)传递的转矩为T=500N·m,已知其许用切应力[τ]=400MPa,丝杠长度l=1700mm,丝杠在全长上扭角φ不得超过1°,钢的切变模量G=8×104MPa,试求丝杠直径。为便于对比,将计算有关内容列于表1⁃10。

理论分析和经验均表明,对传动精度要求较高的机床中,丝杠轴刚度不足产生过大的变形,会严重影响机床的加工精度。所以,对这类丝杠轴必须进行精确的刚度计算。

1.2.4　调整螺旋传动结构设计技巧与禁忌

(1)提高微调螺杆寿命的结构设计

如图1⁃77(a)所示为光学精密机械中经常用的微调结构,采用三角形细牙螺纹,螺距t为0.5mm或0.25mm。由于细牙螺纹螺距小、牙细,虽自锁性好,但不耐磨,容易滑扣,寿命低,即使改换高级材料或提高精度都不适宜,而加大螺距虽提高了耐磨性,但又降低了微调性能。为此,在微调可动部(B)与固定部(A)之间加一弹簧,以便在弹力作用下能严格地按照螺杆螺距进给。当然,弹簧不能过硬,否则0.5mm或0.25mm螺距的螺纹牙容易受损。因此,考虑到一般工厂的加工条件,改用较粗的螺杆,但要起到相当于0.5mm、0.25mm螺距的作用,如图1⁃77(b)所示,选用两段螺距的螺杆,相应于原可动部(B)的螺距是1.0mm,而相应于原固定部(A)的螺距是1.5mm,适当组合(调整行程)后,可以得到1.5-1.0=0.5(mm)的进给螺距。同理使用M8×1.25和M6×1.0的螺杆组合,可以得到1.25-1.0=0.25(mm)的进给螺距。

(2)测量用螺旋的螺母扣数不宜太少

因为螺母各扣与螺旋接触情况不同,对螺旋的螺距误差引起的运动误差有均匀化作用。测量螺杆得到的螺杆累积误差,大于螺杆与螺母装配后螺杆运动的累积误差,就是螺母产生的均匀化作用。但螺母扣数少时,均匀化效果差,如图1⁃78(a)所示。采用如图1⁃78(b)所示的结构较好。

(3)高精度定位螺旋传动禁忌连带设备的振动

如图1⁃79(a)所示为一台用激光干涉定位的精密机械,用电动机1,蜗杆传动2、3,联轴器4,螺杆5,螺母6,带动工作台移动。要求定位精度达到微米级。用光电管采集信号,由计算机闭环控制工作台移动。电动机放在机座上面,电动机的振动影响了激光干涉系统的正常工作,不能得到有效的信号,使该机械一直不能达到要求。改进后的结构如图1⁃79(b)所示,把电动机移至机座以外,用带传动7连接电动机和蜗杆,即可正常工作。