丝杠的选型及计算

丝杠的选型及计算
3.1丝杠的介绍
3.1.1丝杠螺母机构基本传动形式：
丝杠螺母机构又称螺旋传动机构。

它主要用来将旋转运动变为直线运动或将直线运动变为旋转运动，有以传递能量为主的（如螺旋压力机），也有以传递运动为主的（如工作台的进给丝杠）。

丝杠螺母机构有滑动摩擦和滚动摩擦之分。

滑动丝杠螺母机构结构简单，加工方便，制造成本低，具有自锁功能。

但其摩擦阻力大，传动效率低（30%~40%）。

滚动丝杠螺母机构虽然结构复杂制造成本高。

但其最大优点是摩擦阻力小，传动效率高（92%~98%），因此选用滚动丝杠螺母机构。

根据工作台运动情况，应选择丝杠传动螺母移动的形式，该传动形式需要限制螺母的转动，故需导向装置。

其特点是结构紧凑，丝杠刚性较好，适用于工作行程较大的场合。

3.1.2滚珠丝杠副的组成及特点:
滚珠丝杠副是一种新型螺旋传动机构，其具有螺旋槽的丝杠与螺母之间装有中间传动元件—滚珠。

滚珠丝杠螺母机构由丝杠，螺母，滚珠，和反向器等四部分组成。

当丝杠转动时，带动滚珠沿螺纹滚道滚动，为防止滚珠从滚道端面掉出，在螺母的螺旋槽两端设有滚珠回程引导装置构成滚珠的循环返回通道，从而形成滚珠流动的闭合通路。

滚珠丝杠副与滑动丝杠副相比，除上述优点外，还具有轴向刚度高，运动平稳，传动精度高，不易磨损，使用寿命长等优点。

但由于不能自锁，具有传动的可逆性，在用做升降传动机构时，需要采取制动等措施。

3.1.3滚珠丝杠的结构形式
按照用途和制造工艺的不同,滚珠丝杠副的结构形式很多。

一般,根据钢球的循环形式,消除轴向间隙和调整预紧的方法以及螺纹滚道法向截面形状的不同,将其区分成不同的结构形式进行研究。

1)钢球循环方式
按钢球返回时是否脱离丝杠表面可分为内循环和外循环两大类，见表3-1[1]。

若钢球在循环过程中，始终与丝杠表面保持接触，称内循环；否则，称外循环。

通常，把在同一螺母上所具有的循环回路的数目，称为钢球的列数，常用的有2~4列。

而把每一循环回路中钢球所经过的螺纹滚道圈数（导程数）称为工作圈。

滚珠丝杠副中的间隙对传动精度影响较大。

当精度要求不高时，可采用单螺母，并对丝杠和螺母进行选配，或进行预紧以减小配合间隙。

当精度要求较高时，常采用双螺母，通过调整两个螺母间的轴向位置，以消除轴向间隙，并进行预紧，提高传动的定位精度、重复定位精度及轴向刚度。

预紧力一般约取最大轴向载荷的1/3。

表3-2为几种常用的消除间隙和调整预紧的方式。

螺纹滚道法向截型（或称滚道型面），是指通过滚珠中心的螺旋线的法向平面与丝杠或螺母滚道型面的交线的形状。

3.2丝杠的选型
初步选取丝杠数据见表3-3
L=余量行程工作台l l l ++=L X 方向丝杠的的工作长度计算：
mm
l x 74020420300=++=
Y 方向丝杠的工作长度：
mm
l y 87020500350=++=、
X 方向丝杠的工作载荷:
N
F x 800=
Y 方向丝杠的工作载荷：
N
F y 800=
由于两方向丝杠的公况为，每天开机六小时，每年300个工作日。

工作八年以上，依工作要求和工作条件，初选外循环插管式，预紧采用双螺母型，圆螺母调隙，导珠管凸出式，3级精度，定位滚珠副，丝杠材料：
n
r WM C 钢； 滚道硬度为
58~62HRC ，,55.0,15.3,381.2,4,200Dw r k j mm D mm P mm d s W h =⨯=⨯===螺纹右旋，`393︒=λ型号为CLT-2004-3.5-P3，W
C N C oa a 24700,8850==。

丝杠的传动精度为mm 04.0±
14400h
30068=⨯⨯=h T =14400h
丝杠的转速：
m in /2502r n =
丝杠的工作载荷： F=800N
3.3丝杠的校核 寿命计算：
8850
5810.4<==
F K K K K K C n
L
H F h oe 5810.4<8850
满足寿命要求。

式中 F ――轴向载荷（Ｎ）轴向载荷，取F Ｆ＝8８00N;
h K ――寿命系数寿命系数,
1072.3)500/(3
/1==h h L K h L ――工作寿命,取h L =15000
F K ――载荷系数,取F K =1.2
H K ――动载荷硬度影响系数,取H K =1.0 L K ――短行程系数,取L K =1.0 n K ――转速系数,取n K =0.5107
静载荷条件计算:
24700960`0<==F K K C H F a
满足条件 螺母长度72mm, mm
P h 4=, 余程为 10mm
X 方向螺纹长度
mm
L 7401023004200=⨯++=
取支撑跨矩mm l 7601= 丝杠全长最大为780mm Y 方向螺纹长度: L=500+350+20=870mm 取支撑跨矩:
mm l 8901=
丝杠全长最大为910mm
F —F 支撑方式的丝杠不受压缩力作用，不校核压杆稳定性 丝杠弯曲振动临界转速:
222222
2
2
991030c c cr L d f K eA EI L f n ==
π
查表 73.42=f ，
m
mm D d d w 01714.014.17381.22.1202.102==⨯-=-==0.01714m
m mm L C 6.06002740780102300420==-+++
==600mm=0.6m
min /250min /1.105706.001714
.073.4991022r r n cr >>=⨯
⨯=
预拉深量：取温升
c o 5.3 螺纹深长量:
6.6045um 74.05.31055.26=⨯⨯⨯=⋅∆⋅=-u tu l t a δ=6.6045um 丝杠的全长深长量：
um tu 9615.678.05.31055.26'=⨯⨯⨯=-δ
取预拉伸量：
um 5.4'=δ 预拉伸力：
N N L E
A F t 3800
01.30174
.0101.201714.04
105.411260
'
>
=⨯⨯⨯⨯=
⋅⋅=
-π
δ
所选丝杠预拉伸力满足要求。

3.4丝杠设计中应注意的问题
丝杠由于其精度要求高,制造比较复杂,所以在设计过程中应注意如下问题:
1)受力合理
为了保证定位精度，除考虑丝杠刚度外，还应在结构布置上尽可能使螺母和丝杠同样受拉或受压,以使两者轴向变形方向一致,减少螺母与丝杠之间的导程变形量之差。

此外,滚珠螺旋传动应尽量避免承受径向载荷,以免使丝杠弯曲,若丝杠上有齿轮等产生径向载荷的元件,则应使其尽可能靠近丝杠,螺母所受的倾覆力矩,力求部件移动阻力的合力通过丝杠轴线。

2)防止逆转
滚珠螺旋传动反行程不能自锁,为了使螺旋传动受轴向力后不发生逆转,应设置防止逆转的装置:
①采用本身不能逆传动的电液脉冲马达或步进电动机等驱动元件。

②采用可自锁的蜗杆传动等作中间传动机构。

③采用电磁或液压制动器，或选用本身带制动器的电动机。

④采用能锁住某一方向传动的超越离合器。

3)安全装置
垂直安装的滚珠螺旋传动，容易发生螺母从丝杠螺纹滚道上脱出而造成事故，因此，在设计时应考虑设置防止螺母脱出的安全装置，如限位挡块或安全制动器等。

4)控制升温
设计时应注意时滚珠丝杠传动远离热源，并采用油浴,气冷等方法减小温升,以减少丝杠的热变形；或在安装时对丝杠进行预拉伸,以抵消运行时因发热后引起的丝杠伸长。

5)密封与润滑
为防止尘埃和污物进入螺纹滚道,妨碍钢球运转的流畅性并且加速钢球与滚道的磨损,设计中必须考虑防护设施与密封。

如在螺母两端加密封圈或采用伸缩套,防尘罩等。

此外,还应注意合理润滑,以延长滚珠螺旋传动的使用寿命,保持起优良的传动性能。

一般可用抗高压的高粘度润滑剂进行脂润滑或滴油,浸油,飞溅润滑。

要求高的某些数控机床或特高速运转情况,可用喷雾润滑。

当在高温或其它恶劣条件下时,可用固体润滑剂润滑。