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机械设计第十八章.pptx

机械设计第十八章

孟子73代
2019-03-27 0人阅读 举报 0 0 0 暂无简介

简介:本文档为《机械设计第十八章pptx》,可适用于高等教育领域

第章螺旋传动 螺旋副概述螺旋副是两构件直接接触只有螺旋运动一个自由度而约束其他五个自由度的空间连接形式,两构件的运动副元素为螺旋面,在结构上通常将一个构件设计为细长而另一个很短,分别称为螺杆和螺母,也称丝杠副,有滚动与滑动两种。其中,滚动螺旋副已经专业化生产。本节将介绍螺旋副选型设计计算的基本过程。 螺旋副螺旋副保持两构件间有一个螺旋运动自由度,既相对转动又相对直线移动,但两者呈线性关系,而约束其他运动自由度。实际构成螺旋副的两构件结构是弹性体,实现五个自由度约束需要有如下结构与技术性能要素:)螺旋副元素的几何形状。螺旋副元素一般为形状简单的螺旋面,如阿基米德螺旋面、渐开线螺旋面、正螺面等。螺旋副元素的几何形状不仅要有较好的承载能力和润滑性能,使得两构件间通过螺旋副的元素传递运动和动力,而且要有较好的工艺性。)螺旋副的结构约束。两螺旋副元素几何表面直接接触使其有相对转动与相对直线移动成线性关系,而其他运动自由度需要附加结构约束,如螺旋副结构往往需要有一定的螺纹长度、辅助导向和其他运动副(如转动副和移动副)组合结构。)螺旋副的技术性能。即实际零件材料及其结构(螺纹)组成螺旋副,必须具有足够的强度、刚度与稳定性等。 螺旋副的类型及应用螺旋副按螺旋面的摩擦性质不同,分为滑动螺旋副、滚动螺旋副、静压螺旋副等。)滑动螺旋副结构简单,便于制造,易于自锁。但其主要缺点是摩擦阻力大,传动效率低(一般为~),磨损快,传动精度低等。滑动螺旋副的设计应满足传动功能的要求,如强度、传动精度、耐磨性和效率等。其螺纹牙截面有矩形、梯形、锯齿形等几种,具体形式参照第章螺纹连接。)滚动螺旋副和静压螺旋副的摩擦阻力小,传动效率高(一般为以上),但结构复杂,特别是静压螺旋还需要供油系统。因此,只有在高精度、高效率的重要传动中才宜采用,如数控精密机床、测试装置或自动控制系统中的螺旋传动等。滚珠丝杠副的制造成本主要取决于制造精度和长径比。精度越高、长径比越大,则工艺难度越大,成品合格率越低。所以应合理分析使用要求,并慎重选择滚珠丝杠副的精度。 螺旋副的技术性能设计滑动螺旋副的选型设计过程)根据螺旋传动的已知设计条件,针对应用场合进行空间结构布局,确定丝杠作用负荷大小、行程长度、定位精度、快速移动速度、刚度、预期寿命、使用环境(振动、热)等必要条件。)初选丝杠导程精度。根据丝杠螺纹有效长度、螺纹加工类型选择导程精度。)确定丝杠轴外径及导程。根据丝杠长度、预压等级确定丝杠轴的外径及导程。)确定丝杠轴的安装方法。根据装配工艺及精度等级、工况条件选择丝杠的安装方式。)计算轴向负荷、允许转速。判断是否满足负荷要求,如果不符合要求,则重新选型。)选择螺母型号。)计算轴向刚度、定位精度。如果不符合要求,则重新选型。 螺旋传动设计条件与流程螺旋传动包括三个构件和三个运动副,构成空间运动链,如图所示。如分别固定螺母、丝杠和移动构件作为机架,可得到不同类型的螺旋机构。一般情况下以丝杠为驱动件,而螺母固定为机架或为移动件。图 加工中心X轴子系统与实物图a)X轴子系统机构与结构简图 b)X轴子系统实物图一般而言,螺旋传动主要用于力变换(或传力型)和运动变换(或传递运动型),其特征为:()力变换型(或传力型)螺旋传动 以传递动力为主,要求以较小的转矩产生较大的轴向推力,用以克服工作阻力。这种传力螺旋主要是承受很大的轴向力,工作速度也不高,而且通常需要有自锁能力。由于对精度要求低,可以使用滑动螺旋副提供较大的轴向力,如螺旋压力机等。()运动变换型(或传递运动型)螺旋传动 以传递运动为主,有时也可承受较大的轴向载荷。这种传导螺旋常需在较长时间内连续工作,工作速度较高,要求具有较高的传动精度。对于精度要求高者,可以采用滚动螺旋副作为传动螺旋副,如果精度要求不高,适当降低成本,可以选用滑动螺旋副,如图所示加工中心工作台的X向进给系统。图a所示为加工中心X轴子系统的机构简图,由电动机、螺旋机构、工作台组成。其中部件为联轴器,构件为执行构件工作台,构件为丝杠,构件为机架。M为电动机,R为转动副,P为移动副,H为螺旋副。图b所示为加工中心X轴子系统实物图。该螺旋传动系统由于螺旋副的存在,因此可实现电动机回转运动与工作台直线运动的转换。为阐述螺旋传动的结构与技术性能设计过程,本章以立式加工中心X轴子系统设计要求(表)作为螺旋传动设计条件进行介绍。 螺旋传动设计条件 螺旋传动设计流程依据上述设计条件,进行螺旋机构的整体结构与布局方案设计,建立力学模型,设计计算性能参数,主要包括:驱动部件(电动机的型号参数)、联轴器部件和关键支承与传动部件(轴承、导轨、丝杠的型号参数),以此进行X轴传动系统的总体方案布局与结构方案设计。以立式加工中心的螺旋传动设计为例,其设计流程可分为四个阶段:)设计需求。主要包含功能需求分析、确定设计指标、明确设计条件三部分。X向螺旋副的设计条件与指标见表。)结构规划。螺旋传动的结构规划主要包含螺旋副的选型与结构布置、转动副结构布置、移动副选型与结构布置以及螺旋传动的结构方案设计四部分,详细过程参见节。)技术性能设计。螺旋传动技术性能设计主要包含螺旋传动的力学模型建立与求解、滚动副设计计算、转动副设计计算、移动副设计计算、螺旋传动润滑方式选择等部分,详见节。)技术方案。螺旋传动技术方案主要包含螺旋传动结构与技术性能方案的总体描述、螺旋传动性能计算过程和依据说明两部分。 螺旋传动结构方案规划 螺旋副结构与选型对于滑动螺旋副,需要进行结构设计,即螺杆、螺母结构以及与其他构件的连接结构。螺杆的轴端结构需保证螺母能够正确安装,除非全部使用对开式螺母,否则,完整螺纹的起始端必须从足够高的一段轴端部开始。如螺杆需与其他零件连接,还应制出相应的连接结构。螺母结构大多数为整体式,这种螺母结构简单,加工方便,缺点是磨损后间隙不可调整。螺母通常是通过螺纹连接与其他零件固定的,也可以直接在体积较小的零件上制出。图所示为台虎钳螺旋传动示意图,图所示为卧式车床床鞍螺旋传动示意图。图 台虎钳螺旋传动示意图mdash螺杆 mdash活动钳口 mdash固定钳口 mdash螺母图 卧式车床床鞍螺旋传动示意图mdash床鞍 mdash螺栓 mdash丝杠 mdash开合螺母 转动副结构方案螺旋传动中,由丝杠与机架构成的转动副,其结构形式也有悬臂和简支两种结构,类似于第章齿轮传动中的转动副结构对于较短丝杠,采用悬臂结构,即在一端安装可承受双向轴向力的轴承装置,另一端为自由无约束状态,如图所示丝杠较长时,多采用简支结构,即一端固定,另一端游动的轴承装置,如图所示对于有较高刚度要求的螺旋传动,也可采用双端固定的轴承装置连接,如图所示。图 一端固定,一端自由时丝杠的支承结构方式图 一端固定,另一端游动的支承结构方式图 两端固定的丝杠支承结构方式由于螺旋传动的转动副在丝杠回转运动时承受轴向力,转动副的结构为多轴承组合,兼顾径向和轴向载荷,轴承组合方式与结构也可分为双支点各单向固定、单支点双向固定、两端游动支承三种方式。由于丝杠在回转轴运动后将产生一定的轴向变形量,为了便于装配,同时结合X向螺杆的行程要求,选择一端固定、一端游动的支承方式。 移动副结构方案螺旋传动的移动副具有支承执行构件和导向移动的作用。移动副结构形式在第二篇第章移动副中已作介绍。对于机床进给系统的移动副称为导轨副,有滚动导轨与滑动导轨(矩形、山形等)两种。滚动导轨适用于轻载、高速的工况滑动导轨适合于重载、低速的工况。依据加工中心的载荷和快移速度要求,该移动副选择球滚动导轨结构,如图所示。图 螺旋传动移动副空间结构布局示意图a)滚动导轨结构 b)移动副空间结构布局螺旋传动中的移动副导轨有多种方式,形成不同的移动副结构。但机床进给系统中的移动导轨需要符合机床特点和整体结构规划,有关内容将在第章介绍。如三轴立式加工中心X轴子系统带动工作台沿X轴方向运动,而工件和工作台的重力沿Z轴方向,远大于X轴方向的工作载荷,因此该加工中心的移动副结构形式采用滚动导轨支承Z轴方向,如图b所示。根据该立式加工中心的连接面尺寸,为减小各零件因倾覆力矩产生的变形,增强系统的刚度,提高传动系统稳定性,移动副采用水平共面分布的双导轨四滑块结构形式。 螺旋传动的总体结构方案螺旋进给系统,有单驱动和双驱动两种方式,如图所示。其中图a所示方案的传动部件结构适用于中小型加工中心的传动部件图b所示方案适合于大型加工中心移动部件的传动结构,或精度较高、跨距较大的立式、重型子系统的驱动。由于该机床属于小型加工中心,所以选择图a所示方案。图 螺旋副空间布置示意图a)单丝杠结构布置 b)双丝杠结构布置对于加工中心的X轴子系统,由伺服电动机驱动螺旋传动带动移动构件移动实现X轴进给,综合考虑螺旋副的驱动速度和驱动载荷,该方案中伺服电动机与螺旋传动(丝杠)采用联轴器连接。联轴器有刚性联轴器(无补偿能力)和挠性联轴器(有补偿能力)两大类。结合精度要求,该传动系统需要位移补偿,可以选择挠性联轴器,具体形式及安装方式参见第章。根据上述结构方案规划,立式加工中心的X轴子系统由驱动电动机、联轴器、转动副(轴承)、移动副(导轨)、螺旋副(丝杠螺母)组成,其结构形式与布局方案参见图。 螺旋传动的技术性能设计 螺旋传动的力学模型根据立式加工中心X轴(螺旋传动)结构方案和设计条件(表),以移动副(P副)几何中心为坐标原点,建立X轴螺旋传动子系统力学模型,如图。从图中可知系统外载为作用在工作台(移动构件)上的XYZ三向切削力FXFYFZ和三向弯矩MxMyMz,以及工作台、工件组件重力G。图中XFYFZF代表切削力作用位置,XGYGZG代表工作台与工件组件重心坐标。外载通过移动构件(包含工作台、动导轨、螺母)将载荷作用至机架,同时通过丝杠螺杆将螺母轴向载荷作用在轴承支座上。因此,移动副结合面承受了FYFZ和三向弯矩MxMyMz、重力G及其附加弯矩螺母丝杠副仅承受轴向载荷FX转动副承受轴向载荷FX。图 立式加工中心X轴子系统移动副力学模型a)转动副载荷 b)螺旋副载荷 c)移动副载荷X轴进给系统各运动副载荷如下:)选取移动构件(包含工作台、动导轨、螺母)为分力体,移动副中动导轨载荷如下:)选取移动构件(包含工作台、动导轨、螺母)为分力体,螺旋副中螺母载荷如下:)选取丝杠螺杆和转动副为分力体,转动副载荷如下:根据表已知条件,带入式()、式()、式(),计算出移动副、螺旋副和转动副的载荷,利用式()载荷分配数据,得出各个移动副滑块受力载荷情况,计算结果见表。表 X向螺旋传动系统丝杠与导轨载荷求解结果(单位:N)力符号FYFZFYFZFYFZFYFZFXh数值 滚动螺旋副性能设计依据三轴立式加工中心X向进给系统的结构方案,结合本章节螺旋副技术性能设计流程和表的设计条件,滚动螺旋副的设计步骤和计算结果见表。表 滚珠丝杠螺旋副技术性能设计 转动副技术性能设计结合三轴立式加工中心X向进给系统的结构方案,螺旋传动中的转动副由两轴承组成,应依据丝杠工况载荷计算式()确定轴承额定寿命、预紧、刚度、精度等指标等。参考第章滚动轴承的具体设计流程和技术性能参数,该立式加工中心X轴进给系统中的转动副(双支点单向固定)轴承设计计算结果见表。表 轴承转动副技术性能设计 移动副技术性能设计立式加工中心进给系统中的移动副为滚动导轨,其性能设计需要依据运行工况与载荷情况,如式(),确定滚动导轨的技术参数,包括额定寿命或动载荷、静载荷、快移速度等指标等。参照第章移动副的设计过程和参数计算,计算结果见表。表 移动导轨副技术性能设计 螺旋传动的润滑当使用螺旋传动进行驱动时,为保证各运动副正常运转,必须提供有效的润滑方式。机床中常用润滑方式有脂润滑和油润滑。螺旋传动移动副的润滑示意图如图所示。图 螺旋传动移动副的润滑示意图 螺旋传动的技术方案该立式加工中心X轴进给系统为螺旋传动,包括螺旋副、移动副、转动副和相关零部件以及润滑、密封及其附件等,其技术方案如图所示,其结构和技术性能设计计算内容同第章齿轮传动的技术方案。同时,为了说明上述技术方案图的设计依据和计算过程,包括采用的计算公式、标准、相关数据与资料的来源等,还需要撰写相应的技术性能设计计算报告。图 螺旋传动的总体技术方案图mdash工作台 mdash导轨 mdash伺服电动机 mdash联轴器 mdash轴承 mdash丝杠 mdash螺母 静压螺旋副简介静压螺旋副的工作原理如图所示,压力油经节流器进入内螺纹牙两侧的油腔,然后经回油通路流回油箱。当螺杆不受力时,处于中间位置,此时牙两侧的间隙和油腔压力都相等。当螺杆受轴向力Fa而左移时,间隙h减小,h增大,使牙左侧压力大于右侧,从而产生一平衡Fa的液压力。在图b中,如果每一螺纹牙侧开三个油腔,则当螺杆受径向力Fr而下移时,油腔A侧间隙减小,压力增高,B和C侧间隙增大,压力降低,从而产生一平衡Fr的液压力。类似地,当螺杆受弯曲力矩时,也有平衡能力,可自行画图进行分析。图 静压螺旋传动工作原理图a)受轴向力时 b)受径向力时

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