丝杆传动工作台设计.docx
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丝杆传动工作台设计
一设计要求
设计丝杆传开工作台，工作台水平行程20mm重复精度0.05mm承重1.5kg,
运行速度5mm/s
设计内容：
确定丝杆传动装置的总体设计方案；选择电动机；计算传动装置的运动参数；丝杆传动的设计计算；轴承、联轴器、润滑、联接件的选择及校核计算；绘制装配工作图及零件工作图；编写设计计算说明书。
在设计中完成了以下工作：
1丝杆传动装配图1张〔A4图纸〕；
2零件工作图2张；
3设计计算说明书1份。
二总体设计方案：
丝杠传开工作台总体设计方案的内容包括工作台尺寸设计、导轨设计、减速
器的选择、联轴器和轴承的选择以及直流电机的选择。
2.1工作台的尺寸设计
由于所要承受的负载的重量较小，并且导轨的行程比拟小，所以根据负载的重量可设计矩形工作台。
2.2导轨类型设计
由于工作台的运动部件重量和工作载荷不大，故设计滑动直线导轨副，从而减小工作台的摩擦系数，提高运动稳定性。
2.3电机的选择
根据负载的重量和工作台及零部件的重量较小，所以选用的电机的功率较小，可选用普通的直流电机，结合丝杠的转矩可选择所需的电机。
2.4减速器的选择
因为工作台的水平行程比拟小，丝杠的转速比拟小，结合电机的转速较大，需选择传动比拟大的减速器，又因为所需功率较小，那么可选用同轴圆柱齿轮减速器。
2.5联轴器和轴承的选择
根据所选用的电机的转轴的尺寸和减速器的蜗轮和蜗杆的尺寸，可以选择合适的联轴器。
由于在转动过程中，所受的轴向力比拟小，主要承受径向力，所以可选择角接触轴承。
机械结构零部件设计
3.1
工作台的尺寸设计
工作台的相关参数设定为：
材料：
灰铸铁HT200，密度p=7.0g/cm3长度*宽度*厚度：
50*60*5=15000mrh工作台质量：
m=pV=7.0*15000*10-6=0.105kgG=1.05N工作台最大载荷：
F=15N
以下图为工作台简图
3.2导轨的设计
导轨类型的选择为滑动和滚动，在此我们选择滑动三角形导轨。
导轨简图如图所示
90
材料：
用于导轨的材料，应具有耐磨性好，摩擦因数小，并具有良好的加工和热处理性质。
本设计导轨材料应选用HT20Q它具有较好的耐磨性，灰铸铁密度为p=7.0g/cm3。
此灰铸铁导轨的硬度一般为180~200HBWV为了提高导轨外表硬度，采用说明淬火工艺，外表硬度可达55HRC导轨的耐磨性可提高1~3倍。
滑块的材料同样也选为灰铸铁
3.3丝杠的设计
滑动螺纹副的设计
传动形式确定
滑动螺旋的特点：
①结构简单，加工方便；②易于实现逆行程自锁，工作安全可靠；③摩擦阻力大，传动效率低；④容易磨损，轴向刚度较差。
滚珠螺旋的特点：
①摩擦阻力小，传动效率高；②磨损小、寿命长、工作可靠性好；③具有运动的可逆性，应设防逆动装置；④轴向刚度较高，抗冲击性能较差；⑤结构复杂，加工制造较难；⑥预紧后得到很高的定位精度〔约达5um/300伽〕和重复定位精度〔可达1~2um〕。
参照设计要求发现，滑动螺旋和滚动螺旋均可满足要求。
拟选定滑动螺旋传动方式。
滚动螺旋的工作原理以下图所示
螺杆转动，螺母移动，如图12-23〔a〕所示。
这种机构的轴向尺寸取决于螺母厚度及行程大小。
机构的刚度较大，结构紧凑，适用于工作行程较长的精密加工设备和监测仪器。
螺母转动、螺杆移动，如图12-23〔b〕所示，这种机构的轴向尺寸也取决于螺母厚度和行程的长度，机构所占空间较大，精度较低，结构比拟复杂，适用于仪器和设备中的调解机构。
螺母固定、螺杆转动并移动，如图12-23?
所示。
在这种机构中螺母起支撑
作用，由此可消除螺杆与轴承支架可能产生的轴向窜动，容易获得较高的转动精
度。
其结构比拟简单，但轴向尺寸较大〔螺杆行程的两倍加上螺母厚度〕，刚性
较差，仅适用于短行程的微动机构。
螺杆固定、螺母转动并移动，如12-23〔d〕所示，采用该结构是螺旋副所需轴向尺寸较小，但难以实现连续转动，精度低，仅用于仪器和设备中的间隙调整和锁紧结构。
差动螺旋转动，其原理如图〔e〕所示。
根据设计需要，使丝杆的两端固定，丝杆仅能做旋转运动，这样固定在丝杆上的螺母就可以随着丝杆的旋转而作直线运动，通过滑动螺旋将丝杆的旋转运动转变为螺母的直线运动。
因此，只要将螺母与工作台固定在一起，工作台就可以
随螺母进行水平直线运动，工作台的运动方向由丝杆的方向所决定，因此工作台只能做一维的直线平移。
故采用（a）丝杆转动、螺母移动的滑动螺旋传动方式。
螺纹确实定
螺纹包括普通螺纹，管螺纹，矩形螺纹，梯形螺纹，30°锯齿形螺纹。
其中,矩形螺纹和梯形螺纹用于传力或传导螺旋可供选择。
而梯形螺纹相对于矩形螺纹来说工艺性好，牙根强度高，螺纹副对中性好，可以调整间隙。
应选择梯形螺纹。
H=I.S66phl=0.5p-Z^'h=0.5p*jdl=d-2hl*Jd:
=d-2Z^dlM^As=dl1兀4
螺杆与螺母材料的选择
螺杆材料应具有良好的加工性能，一般可选用A5。
，丫40Mn45,50等钢。
对于重要传动，要求耐磨性高，需进行热处理，可选用T12,65Mn，40Cr,40WMn或20CrMnTi等钢。
对于精密传导螺旋还要求热处理后有较好的尺寸稳定性，可选用9Mn2V，CrWMn38CrMoAlA等钢。
螺母和螺杆配合后应具有较低的摩擦系数和较高的耐磨性，常选用铸造青铜
ZQSn10-1,ZQSn6-6-3;重载低速时可选用高强度的铸造青铜ZQA19-4或铸造黄铜ZHA166-6-3-2;重载调整螺旋的螺母可选用35号钢和球墨铸铁；速度低载荷小时也可选用耐磨铸铁。
工作台运行速度为5mm/s即3m/min.
丝杆传动对材料的磨损极大，为减少设备的维护频率与费用在满足要求的前提下选材要从经济考虑。
丝杆相对于螺母难加工且价格昂贵，故丝杆的硬度要高于螺母。
综上，螺杆采用钢材料，螺母使用耐磨铸铁
常见材料的许用压强【p】
螺杆材料
螺母材料
[p]/Mpa
速度范围/（m/min）
钢
青铜
18~25
低速
钢
钢
7.5~13
钢
铸铁
13~18
<2.4
钢
青铜
11~18
<3.0
钢
铸铁
4~7
6~12
钢
耐磨铸铁
6~8
3~18
钢
青铜
7~10
淬火钢
青铜
10~13
梯形螺纹螺杆直径与螺距标准
公称直径d
螺距p
第一系列
第二系列
第三系列
10
一
一
12
14
—
—
3
2
16
18
一
20
一
一
一
4
2
一
22
24
26
28
一
8
5
2
一
一
30
32
一
34
一
36
38
10
6
3
40
一
42
由表中可选：
螺杆直径d=10;
螺距p=2;
根据螺距确定螺纹根本尺寸
螺距
P
外螺纹
内螺纹和外螺纹中
径d2
内螺纹
计算面积
As
mm2
大径
d
小径
d1
大径
d'
小径
d1'
2
10
7.5
9
10.5
8
44
12
9.5
11
12.5
10
71
14
11.5
13
14.5
12
104
16
13.5
15
16.5
14
143
18
15.5
17
18.5
16
189
20
17.5
19
20.5
18
241
22
19.5
21
22.5
20
299
24
21.5
23
24.5
22
363
26
23.5
25
26.5
24
434
28
25.5
27
28.5
26
511
取外螺纹大径d=10;小径d1=7.5;中径d2=9;内螺纹大径d'=10.5;小径d1'=8.采用单头右旋螺纹
螺母高度H=8mm
故螺杆螺纹局部长度L>L1+H=20+8=28mm
在载荷不太大的情况下满足L<25d1=185.5mm
可以取L=30mm
螺纹旋合长度标准如下
根本大径
P
旋音快度
N
L
>
>
>
1.&
U
15
乩6
1L2
2
6
1$
15
3
10
26
28
Z
6
创
24
3
13
32
32
11.2
i
15
43
4S
&
IS
53
53
&
30
85
85
3
12
3G
36
5
21
63
63
6
25
75
75
22.4
45
7
30
85
55
8
御
loa
100
10
42
】25
125
12
50
1&0
150
取中等旋合长度
壬那么旋合长度为
6mm
螺纹公差等级确定
为保证梯形螺纹传动的灵活性，必须使内，外螺纹配合后在大径和小径间留有一个保证间隙ac,为此，分别在内外螺纹的牙低上，由根本牙型让出一个大小等于ac的间隙
梯形螺纹标准中，对内，外螺纹的大，中，小径分别规定了如下表所示的公差等级：
直径
公差等级
直径
公差等级
内螺纹小径D1
4
外螺纹中径d2
（6）7，8，9
外螺纹大径d
4
外螺纹小径d3
7，8，9
内螺纹中径D2
乙8,9
标准对内螺纹的大径D4.中径D2和小径D1只规定了一种根本偏差H〔下偏差〕其值为零；对外螺纹中径d2规定了h，e和c三种根本偏差，对大径d和小径d3规定了一种根本偏差h,其中h的根本偏差〔上偏差〕为零，e和c的根本偏差〔上偏差〕为负。
机床中的传动丝杆和螺母就是采用梯形螺纹。
其特点是精度要求高，特别是对螺距公差的要求。
按JB/T2886—1992丝杆和螺母的精度等级分为6级，它们是：
4,5，6，7，8，9.
那么梯形螺纹副的标记为：
Tr30*2—4H/4h
梯形螺纹标记如下：
Tr30*7—4H—N
滑动螺纹副的校核
（1）导轨摩擦力
Fu=u（m+m+mb）g=3.13N
其中m=1.5kg移动负载；
m=0.105kg工作台质量
二］二50*8*30*2*匸=打刃巻两个滑块质量
u=0.18――导轨与滑块之间的摩擦系数
u查下表：
常用材料的滑动摩擦系数
材料名称
静摩擦系数us
动摩擦系数u
无润滑
有润滑
无润滑
有润滑
钢-钢
0.15
0.1~0.12
0.15
0.05~0.1
钢-青铜
0.15
0.1~0.15
0.15
0.1~0.15
钢-铸铁
0.3
0.18
0.05~0.15
铸铁-铸铁
0.18
0.15
0.07~0.12
（2）轴向载荷和等效轴向载荷Fm的计算
Fxmax=kFx+u（Fz+G）+（口什他+ma）a=15.67N
移动阻力系数k=1.15;
Fx――负载移动阻力；
Fz=（m+ma）g=2.73N
G=mig=15N
a=5mm/s2
F=F=15.67N
3）螺旋传动耐磨性计算
滑动螺旋的磨损与螺纹工作面上的压力、滑动速度、螺纹外表粗糙度以及润滑状态等因素有关。
其中最主要的是螺纹工作面上的压力，压力越大螺旋副间越容易形成过度磨损。
因此，滑动螺旋的耐磨性计算，主要是限制螺纹工作面上的压力P,使其小于材料的许用压力［p］。
FP
P=——?
p]
Fird2hblf」
上式中p---螺纹工作外表实际平均压强亠
[p]---许用压强〔MPa
F---轴向载荷〔N〕
P—螺距〔mr〕i
'!
---螺纹中径〔mr〕i
b---螺母高度〔mm
h---螺纹工作高度
_2
查表可得h=o.5P,[p]二0.8N*mm~。
轴向载荷F=15.67N
所以螺纹实际压强
P=0.277<[p]，显然满足使用要求。
〔4〕螺牙强度计算
螺杆强度
（Tp=（Ts/3~5（Ts—材料的屈服硬度
螺牙强度
材料
许用切应力zP
许用弯曲应力TBP
钢
0.6tp
（1~1.2）Tp
青铜
30~40
40~60
铸铁
40
45~55
耐磨铸铁
40
50~60
螺母体强度
材料
许用拉应力Tp
许用压应力tep
青铜
35~45
70~80
铸铁
20~30
60~80
螺杆抗剪强度：
T«tP
]二0.17Mpa，满足条件。
上式中
F:
螺旋传动轴向载荷
d1:
外螺纹小径
b:
螺纹牙底宽度b=0.65p
z:
旋合圈数旋合长度l=6mm，p=2mm故n=3
:
许用螺杆抗剪强度，30~40Mpa
螺杆抗弯强度：
‘匚一、二
3F（d—dj）
nd1b2n
«%p
ij|j=0.39Mpa,满足条件
上式中
b:
螺牙根部宽度
:
40~60Mpa
F
螺母抗剪强度：
〜：
：
；「了
'=0.08Mpa，满足条件
上式中
d:
内螺纹大径
哪=0.3Mpa，满足条件。
上式中°BP:
40~60Mpa
〔5〕自锁计算
螺纹升角
了二肚匚芝十弋冏通常「…：
V'1
'=4°，满足条件。
上式中
:
螺纹升角〔°〕
S:
螺纹导程〔mm〕d2：
外螺纹中径〔mm〕
:
当量摩擦角〔°〕
f
当量摩擦角P1=arctg
—=10°40’
cos-
2
f:
螺旋副的摩擦系数
:
牙形角〔30°〕
〔6〕螺杆强度校核
J
4F2T2
〔是〕+3〔詠〕-即
上式中
1]:
转矩，Nm，据转矩图确定
di:
外螺纹小径
%：
：
螺杆材料许用应力，为71~118.333Mpa
计算可得：
d=0.195Mpa，满足条件。
〔7〕螺杆刚度校核
轴向载荷使导程产生弹性形变：
FS
SSjr^+lO6—=
上式中
F:
螺旋传动轴向载荷
L:
导程〔mm〕
E:
螺旋材料弹性模量
E=207000Mpadi:
外螺纹小径
转矩使导程产生的弹性变形:
8St=
+106
STiS
2irGIp
+106
16TiS2
ir2GdJ
2
LTL16TL
.
NGE7_二2Ga4
_7
=2.0510mm
上式中
T1:
驱动力矩
G:
螺旋材料切变模量，G=83000Mpa导程的总弹性变形量:
6S二+6Sf+6St二+106+106竽
-f-丁-兀2Gd；-剧
6
=1.3810mm
由于总变形量极小，故可以忽略不计。
每米螺纹距离上的弹性变形量
（7）驱动力矩计算
螺纹摩擦力矩
1
Mtid2Ftan（''）
2
=2.97N•mm
上式中
F:
螺旋传动轴向载荷
p':
当量摩擦角〔°〕
1:
螺纹升角〔°〕
d2：
螺纹中径〔mm〕
2
、螺旋传动轴向支承面摩擦力矩
=3.94N•mm
上式中
fs:
轴向支承面间摩擦因数〔取0.1〕
D0/d0:
支承环面外径/内径〔22,8〕F:
螺旋传动轴向载荷
3、驱动转矩
Mq二Mt1Mt2
=6.908N•mm
〔8〕重复精度校核
行程中经过的螺距数n1=30/1.5=20
最大允许误差-Q=0.05/20=2.5_m
查表可知，使用公差等级IT3。
所以将螺纹改为：
Tr-10X1.5-3g3h-N
3.4滚动轴承的选那么与校核
选择轴承的类型与多种因素有关，通常根据以下几个因素：
1允许空间。
②载荷大小和方向。
例如既有径向又有轴向联合
载荷一般选用角接触球轴承或圆锥滚子轴承，如径向载荷大，轴向载荷小，可选深沟球和外圈都有挡边的圆柱滚子轴承，如同时还存在轴或壳体变形大及安装对中性差，可选用推力调心滚子轴承。
③轴承工作转速。
④旋转精度。
⑤轴承的刚性。
⑥轴向游动。
由上综合：
本设计选用角接触球轴承初选轴承为a=25〕的角接触球轴承。
（1）径向外载荷Fr:
Fr=（m+m2）g=44.1N
m1=3kg——移动负载；
（2）轴向外载荷Fa:
Fa二FXma>=15.84N
（3）轴承支反力：
R1=F2=R=F/2=22.O5N
（4）轴承派生轴向力：
查表得：
S=S=S=0.7R=15.435N
（5）轴承所受轴向载荷：
因S+Fa>S2
那么A二S2+Fb2=Si+Fa=15.435+15.84=31.275
A1=Si=15.435N
附表:
根本尺寸/mm
根本额定
载荷/KN
极线转速
/r*min
安装尺寸/mm
d
D
B
Cr
Cor
脂
油
damin
Damax
ramax
10
26
8
4.92
2.25
19000
28000
12.4
23.6
0.3
26
8
4.75
2.12
19000
28000
12.4
23.6
0.3
30「
9
5.82
2.95:
18000
26000
15
25
0.6
30
9
5.58
2.82
18000
26000
15
25
0.6
（6）计算轴承所受当量载荷Pr
因轴承工作时有冲击，.•.查表载荷系数为fp=1.4
因A/R1=0.7>e=0.68A2/R2=1.42>e=0.68
且A>A二R=R=fp（xR+yAi）=1.4（0.41X22.05+0.81X15.435）
=1.4（9.225+12.502）=30.42N
（7）根本额定动载荷C
61/2
C=（Prfh/ft）*（60nL,n/10）=983.2N
L,h:
轴承预期计算寿命，L,h=15000h,
Fh：
寿命指数，当Ln=15000h时，fh=3.11
Ft:
温度系数，ft=1.0
工作温度/c
<120
125
150
175
200
ft
1.0
0.95
0.9
0.85
0.80
（8）根据根本额定载荷C,查找机械手册表5-5-22，初选
7000AC型角接触轴承。
根本参数（尺寸）：
d=10mm
D=26mm
B=8
a=8.2mm
安装尺寸（mm）:
da=12.4
Da=23.6
r
as=0.3
根本额定动载荷
C=4.75Kn
静载荷Cr=2.12
计算寿命Lh
Lh=（106/60n）（ftG/PJfh=6.744X104h
Lh>Lh=15000h且C因此，轴承合格。
（9）滚动轴承座根本尺寸d=10mm〔衮动轴承里轴的直径〕
d2=15m〔与d相对另一侧宽度〕
D=26mm〔径向最宽外径〕
A:
滚动轴承轴向宽
3.5联轴器的选择与校核
联轴器一般可分为：
刚性联轴器和挠性联轴器
刚性联轴器常用的有：
凸缘联轴器。
特点及应用：
结构简单，本钱低，无补偿性能，不能缓冲减振，两轴安装精度要求较高，用于振动很小的工况条件,联接中、高速和刚性不大的且要求对中性较高的两轴。
挠性联轴器常用的有：
鼓形齿式联轴器、滚子链联轴器、十字轴式万向联轴器和轮胎式联轴器。
特点及应用：
工作可靠、承载能力大，具备少量补偿性能。
与其他类型联轴器相比，尺寸相同时传递转矩最大。
但构造复杂、制造困难、本钱高、有噪声、不能缓冲减振。
由上综合考虑，刚性联轴器的精度较高，本钱较低，相反，挠性联轴器具有少量补偿性能，不适用于精度要求较高的场所。
所以暂选刚性联轴器中的凸缘联轴器。
图J¥匚鳴川缘联釉爲蜡构图
I乙亠半霰牠器，2—懈*釘J尼龙诵當蟀帽
又知，丝杆公称直径10mm,
m>T
二初选YL1型联轴器，YL1式凸缘联轴器其公称转矩Tn=10n・
T为丝杆最大转矩
•'•联轴器选择合格。
附表:
3.6电机的选择与校核
常用的电机有：
YR系列〔IP23〕绕线转子三相异步电动机、YH系列高转差率三相异步电动机、YC系列电容启动异步电动机。
YR系列电动机：
转子采用绕线型绕组，使电动机能在较小的启动电流下提供较大的转矩，并能在一定范围内调速。
冷却方式为IC01，B级绝缘。
适用于不含易燃、易爆或腐蚀性气体的场所，如压缩机、卷扬机、拔丝机等。
YH系列为Y系列〔IP44〕:
转差率高，启动转矩大，启动电流小，机械特性软，能承受冲击负荷。
电动机转子采用高电阻铝合金制造。
冷却方式为IC0141,B级绝缘。
适用于传动转动惯量较大和冲击负荷以及反转次数较多的金属加工机床。
YC系列电动机：
其体积小，重量轻，结构简单，运行可靠，维修方便。
两个端盖式轴承。
E级绝缘，防护等级IP44,冷却方式机座号63以上位IC0141,56以下为IC0041。
广泛应用在机械传动设备上，
如小型机床，冶金、化工、纺织、医疗器械及日用品电器
a=0.15g=9.8N/kg
①外负载力计算：
Fw=mgf=4.41N
惯性负载力：
F二ma=0.0225N
折算到电动机轴上的负载力矩为：
T^（1/i）•（l0/2n）•（Fw+F）=0.00014N•m
2折算到电动机轴上的转动惯量：
22-92
Jm=（1/i）•（l0/2n）•m=4x10kg•m
3电动机轴的转速：
n=i•（v/l0）=1500r/min
4电动机的功率计算〜因为重力负载在任何速度下都是相同的，属
于在峰值力矩下，以峰值转速不断驱动的负载，那么电动机的功率
为：
Pm〜（1.5〜2.5）Tcpnip/n
ni
丝杆传动效率
n2
凸缘联轴器传动效率
n3
滚子轴承传动效率
n4
精度为8级的齿轮传动效率
n5
刚性联轴器的传动效率
附表：
类别
传动型式
效率n
类别
传动型式
效率n
圆
很好跑和的6级精度和7级精度齿轮传动
〔稀油润滑〕
0.98〜
0.99
滑
润滑不良
0.94
柱
8级精度的一半齿轮传动〔稀油润滑〕
0.97
动
润滑正常
0.97
齿
9级精度的齿轮传动〔稀油润滑〕
0.96
轴
润滑特好
0.98
轮
加工齿的开式齿轮传动〔干油润滑〕
0.94〜
0.96
承
液体摩擦
0.99
传
铸造齿的开式齿轮
0.90〜
滚动
球轴承〔稀油润滑〕
0.99
动
传动
0.93
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