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高效重载滑动螺旋副实现途径的分析

文章编号:1004-2539(2007)02-0088-03

高效重载滑动螺旋副实现途径的分析

(广东工业大学, 广东广州 510090) 周先辉 孙友松 魏良模

摘要 提高传动效率和承载能力对螺旋传动具有十分重要的意义。本文详细分析了螺旋传动的工作原理和影响螺旋副传动效率及承载能力的因素,提出了提高滑动螺旋传动效率和承载能力的途径:选用合适的螺旋升角;进行螺旋副材料及其制造工艺和润滑条件的创新;改进螺母结构设计,使螺纹受力均匀。

关键词 滑动螺旋副 传动效率 重载 机械传动

引言

现代成形装备正朝着数字化重载驱动方向迈进。

它以计算机控制交流伺服电机为动力,通过螺旋、曲柄

连杆、肘杆或其他机构将电机的旋转运动转化为滑块

所需的直线运动,工作特性由编程调节。该技术对推

动成形装备的更新换代具有不可限量的影响,近十多

年,工业发达国家将其应用领域从注塑机发展到压铸

机、折弯机、机械压力机、数控回转头压力机、螺旋压力

机等各种成形设备。

螺旋传动在成形装备中具有独特的优势,用于伺

服驱动压力机中不仅可以大大简化传动链,提高效率,

而且能实现等增力比,传动平稳,滑块在工作行程的各

个位置均能实现等公称压力,工作行程不受运动学上

的限制,而且传动效率与螺杆在螺母中的位置无关。

但成形设备中的螺旋副不仅要传递很大的轴向力,而

且要有尽可能高的传动效率。与滚珠螺旋副、静压螺

旋副相比,由于滑动螺旋副结构简单,价格便宜,易于

承受重载及大的冲击载荷,因而在重载设备中占据着

重要的地位。如何实现高效重载传动对成形设备的数

字重载驱动具有非常重要的意义[1],本文通过对螺旋

传动效率的影响因素分析,探讨获得高效、重载滑动螺

旋副的途径。

1 影响螺旋传动效率的因素分析

螺旋传动可以等效为滑块在斜面上的运动形式,

如图1所示。传动效率即在同一时间间隔里输出功与

输入功之比。设螺母承受轴向载荷F,当中径为d0的

丝杠匀速旋转一圈时,螺母升高一个导程L,此时的输

出功W2=F L=F d0tan 。式中, 为公称螺旋升

角,tan =

L

高效重载滑动螺旋副实现途径的分析

d0。根据力学平衡原理,滑块匀速上升时

所需水平拉力P=F tan( +)。式中,为摩擦角,

=arc tan!,!为滑动面摩擦因数。这样,实际输入转矩

T1为

图1 螺旋传动的等效运动学分析

T1=P

d0

2

=

d0

2

F tan( +)(1)

所以,丝杠旋转一圈所需的输入功W1=2 T1=

d0F tan( +)。故螺旋副正向传动效率为

?=W2

W1

=

tan

tan( +)

(2)

对式(2)取导数,有

d?

d =

sin2( +)-sin2

2sin2( +)-cos2

=

4cos(2 +)sin

[sin(2 +)-sin]2

(3)

d?

d

=0,得:当 =

4

-

2

,( [0,

2

])时,螺旋传

动有理论的最大效率

?max=

tan(45!-

2

)

tan(45!+

2

)

(4)

取!=0.08、0.02、0.003,分别用数值分析方法对

式(2)作图,考查各参数对传动效率的影响规律,如图

2所示。可以看出

?螺旋传动能达到的理论最大传动效率受限于

摩擦因数,!值越低,理论?max越高。例如,当!=

88

机械传动 2007年

0.08时,?max =85.2%,!=0.02时?max =96%,而!=0.003(滚动摩擦)时,?ma x 接近100%。

#一定!值下, 越大,效率越高,?( )在特定的 区域内为一急增函数。例如,当!=0.08、 =2!时,?=30%, =12!时,?可上升至71.4%, =20!时,?=80%,但当 再度增大时,?

高效重载滑动螺旋副实现途径的分析

增加缓慢。

图2 螺旋副在不同!值下?? 关系

%!值越小,越容易在小的 下获得很高的?。例如,当!=0.003、 =2!时,?>90%;而当!=0.08、 =37.5!时,传动效率才能达到理论最高效率?max 的90%(?=76.7%)。一般当?>95%的?max 后,虽然随着 的再度增大,?接近理论值?max ,但增加的速度缓慢了。因此,常见滚珠丝杠在设计时 取值一般常在2!~8!范围内,普通重载传动螺旋副的升角多在12!~25!内。

综合以上分析可知,降低摩擦因数可以大大提高重载螺旋副的传动效率,同时,在一定!值下通过合理选用螺旋升角可进一步提高效率,但最大效率受限于摩擦因数。因此,要提高重载螺旋传动的效率,首先必须尽可能地降低滑动面的摩擦因数,同时结合一定!下?( )急增函数特性,在允许的条件下选用较大的 值。由于目前能用作重载滑动螺旋面配对材料的摩擦因数远不能达到滚动摩擦、液体摩擦的程度,因此如何利用!、 对?的影响规律,最大限度地发挥配对材料的性能,对提高重载螺旋副的传动效率具有十分重要的意义。

2 螺旋升角与力能关系

设计螺旋副时,螺旋升角的选取大多参照同类机械或凭借设计经验,具有很大的盲目性。虽然增大螺旋升角可在一定程度上显著提高传动效率,但考虑到力与能量的传送问题,采用过大升角的螺旋副是不合适的。例如对以能量指标衡量作功能力的螺旋压力机,螺旋升角的选取必须同时满足不自锁条件、高效率

高效重载滑动螺旋副实现途径的分析

和必要的能容量

[2]

。螺旋压力机中用能容因数k E 表

示能容量,即螺杆作螺旋运动的动能与其自由下落时动能的比值

k E =v 2v c 2(1+1

2tan 2

)(5)

式中,v 为螺旋运动的旋转速度,v c 为螺杆自由下落时的速度。升角越大时,能容量因数越小,螺杆能够积蓄的转动动能也就越小。一般螺旋压力机中v

v c

&0.5~

1.5,取v

v c

=1,算出k E 值,绘出曲线如图3。从图中看

出,要增大螺杆的能容量,必须减小升角,但这就降低了螺旋机构的传动效率。因而在选择升角时必须考虑到这些矛盾的因素。螺旋压力机中最常用的螺旋升角 &12!30?,当!=0.05时,?=81%,此时k E 也具有较高的数值。

图3 螺杆的效率和能容量

对以传递轴向力为目标的螺旋副,由式(1)可知,螺旋升角的增大将使在相同轴向负荷下的驱动力矩增加,当 =0时,有理论最小驱动力矩T 1min =d 0

2

F tan 。若将驱动力矩的增大倍数表示为

k T =

T 1T 1min =tan ( + )

tan

(6)对式(6)和式(2)用数值方法作图4。由图可知,同一!

时,随着 的增大,驱动相同大小轴向载荷的力矩将增大,当!越小时,这种趋势越显著。因此,当滑动面的摩擦因数降低时,为使传动省力,螺旋升角也应减小,以减小驱动力矩的增大因数。此外,由图4可知,在给定!值下,存在一 区域,在该区域中,螺旋副既有较高的传动效率,驱动力矩增大倍数又不会过大。设计时可针对不同的螺旋副配对材料,综合考虑机械传动效率和驱动能力要求,在该区域中选取合理的 值。

3 降低重载滑动螺旋面摩擦因数的途

由上述分析可知,要显著提高重载滑动螺旋副的

89第31卷 第2期 高效重载滑动螺旋副实现途径的分析

传动效率,首先必须降低滑动螺旋面的摩擦因数,同时,在力能特性允许的条件下,选取合适的螺旋升角。例如,!=0.02时的理论值?max =96%,而 =10!时,?的理论值可达90%,此时的k T 值也较小(<10)。目前重载滑动螺旋副通常采用青铜?淬火钢作配对材料,摩擦因数为0.08~0.10,加之重载下的螺旋面又常处于边界润滑状态,因此,要进一步降低重载滑动螺旋面的摩擦因数,需要选取合适的配对材料及相应的润滑

高效重载滑动螺旋副实现途径的分析

工艺。

图4 不同摩擦因数下k T ? 的变化规律

自润滑减摩材料和工艺的发展为降低重载滑动面的摩擦因数提供了良好的条件。德国SKC3涂层曾在20世纪70年代用于许多重型机床导轨和传动蜗母条上,有效地保证了机床在低速重载下不产生爬行。采用布质酚醛树脂作螺母的630吨副螺杆液压螺旋锤[3],螺旋传动的下行效率比原来提高了15%;机械式汽车举升机上用含油MC 尼龙螺母代替青铜螺母(ZCuSn10Pb)后,有效地减小了摩擦

[4]

;自重近千吨的

大型水轮机采用聚四氟乙烯轴承代替原巴氏合金轴承后,无需辅助油顶系统即可启动。在钢背衬的基体上形成各种粉末冶金材质,然后在表面浸渍各类固体润滑剂的大型和重载轴承已经获得了大量应用,如轧辊万向节轴承、水库闸门轴承等。这些重载工作下的零件不仅具有低摩擦因数,又具有足够的强度和刚度。尤其是纤维缠绕及编织复合材料的发展,为复合材料用于结构件提供了广阔的前景。如纤维缠绕轴承在近年来得到了快速发展,三维编织复合材料以其优异的力学与摩擦学性能在航天工业上已得到了广泛的应用

[5]

。若能将这些技术用于重载滑动螺旋副中,同样

必将获得良好的效果。但与滑动轴承相比,螺旋面的特殊结构和螺纹牙的高应力决定了该途径具有一定的难度。例如,为提高承载能力,用作螺旋副的润滑减摩材料需采用刚度较大的背衬,如玻璃纤维织物背衬或钢背衬;为使之能适用于重载、冲击载荷的工况条件,必须更好地解决材料配对选择、减摩耐磨层与背衬的

结合强度、螺旋面上减摩耐磨层的成形工艺等问题,而目前在此方面所作的研究工作还很少。

除配对材料外,合理的液体润滑方式是另一条非常重要的途径。常见的重载滑动螺旋面上的液体润滑方式主要有浸油润滑、滴油润滑和液压强力润滑等。但由于重载条件下的接触面难以形成油膜,加上采用切削加工方式的螺旋面很难形成合理的润滑油道,因此重载螺旋面是一种典型的边界润滑状态,致使摩擦因数很难降低,螺母磨损非常严重。为改善这种工作状态,除固体减摩润滑技术外,如何对重载螺旋面实施液体润滑,进一步提高摩擦学性能,在设计中占有不可忽视的地位。在选择配对材料及工艺的同时,结合螺旋面润滑油道的成形工艺,如复印成形螺旋面工艺,则较易在螺母的螺旋面上成形各种复杂的润滑油道,实现固液润滑相结合,必将大大降低摩擦因数。

4 提高重载螺母使用寿命的途径

螺旋副中一般螺母的硬度值较低,为易损件。螺母上的各类润滑减摩涂层虽可大大降低摩擦因数,但其厚度是有限的,用作重载螺旋面的配对材料需具有良好的耐磨性能。而材料的耐磨性能受多种因素的影响,其中以相对滑动速度V 和接触压力P 的影响最大,因而在选择配对材料与工艺时需考虑工作PV 值的限制。据文献,采用粉末冶金工艺成形的钢背衬多孔青铜-(PTFE+Pb)复合材料,干摩擦条件下的极限PV 值可达5MPa (m/s 以上[6,7],PTFE 编织复合材料关节轴承干摩擦条件下,承载力为25MPa~135MPa 时,干摩擦因数达0.038~0.061[5]。重载螺旋面上若能形成这类减摩润滑层,则必将大大提高螺母的使用寿命。

机械设计中,滑动螺旋的耐磨性设计计算均以各圈螺纹受压均衡为提前,而工作中的螺旋副受力后各圈螺纹的承载极不均衡

[3]

。螺纹旋合圈数越多,螺牙

间的载荷分布不均匀现象就越显著。尤其在成形设备中,螺旋副工作时不仅传递着很大的轴向力,有的还承受着不规则的交变载荷,这种不均衡受力更为严重。常见重载铜螺母的磨损常发生在螺旋的初始旋入位置。因此结构设计中必须尽可能地使各圈螺纹受力均衡,以降低每扣上的压力。优化螺旋副的结构设计,采用特殊结构的螺母,如三阶梯或锥形螺母,不仅能实现刚度协调,变形均匀,还能适当增大螺旋副的旋合圈数,以减小各圈上的比压,对提高重载螺母的使用寿命同样是一条值得重视的途径。

(下转第93页)

90 机械传动 2007年

切线法的齿根弯曲应力计算公式,其齿根应力为195. 315MPa。说明有限元分析结果比较接近实际的计算结果。

3 结论

冲击电钻在堵转时所产生的冲击载荷对小模数齿轮齿根应力的影响与冲击载荷大小和冲击时间有关,冲击时间越短,产生的动态应力越大,时间越长,其应力越小,最后趋于在静应力作用下的应力值。因而,在冲击载荷作用下齿轮齿根应力的强度计算不能以静强度理论为计算依据。

参考文献

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7 徐步青,佟景伟等.移动载荷下齿根应力的时间历程.机械传动,

2001(3)21~24

8 Sahi r ari kan M A,Bilgin Kaftanoglu.Dynamic load and root s tress analysis of

spur gear.Annals of the CIRP,1989,38(1):171~174

收稿日期:20060224

作者简介:莫海军(1966-),男,广西融安人,讲师,博士研究生

(上接第90页)

5 传动效率与逆传动问题

高效重载滑动螺旋副的设计中,当传动效率大于50%后,需要注意逆传动问题。取 =的极限状态,将其代入式(2)中,有

?=1

2

(1-tan2 )(7)由式(7)知,?( )在 [0,90!]上为递减函数,当 =0时,?取得最大值50%。因此,传动效率大于50%的螺旋副必然不能自锁,在结构设计中均需考虑增加制动装置。

6 结束语

高效传动是机械传动追求的目标,减小摩擦、提高效率、增大承载能力是螺旋传动的发展方向。滑动螺旋副以其独特的优势在重载传动领域有着广泛的应用,数字重载驱动技术的发展为其提出了新的课题。自润滑减摩材料与工艺的发展及其在轴承工业中的应用为高效重载滑动螺旋副的设计提供了有益的借鉴。选用重载下具有优良摩擦学性能的螺旋副配对材料及相应的成形工艺;优化螺旋副的结构设计,降低每扣螺纹上的压力;合理选取螺旋升角是实现高效重载螺旋传动的主要途径。

参考文献

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8 吴宗泽.机械设计.北京:高等教育出版社,2001

收稿日期:20060314 收修改稿日期:20060518

基金项目:广东省自然科学基金项目(020139,04009468)资助

作者简介:周先辉(1973-),女,湖南湘潭人,博士研究生

93

第31卷 第2期 冲击电钻小模数齿轮在冲击载荷作用下的仿真实验

Abstract The precise model of a pair of meshing gears was ob tained in Solid Works.Then by the excellent data exchange interface between Solid Works and ANSYS,the model could be imported into ANSYS and was transferred in to finite element model composed of nodes and ele men ts.Gear )s con tact stress and contact fatigue life was calculated by finite elemen t method (FE M ).It was showed that gear )s contact stress was influenced by friction to some extent.Thus the integration of CAD/CAE was obtained.

Key words: Finite element Contact stress Precise model Gear Studies on the Sim ulation and Fault Discovery of one Displacement -limited Mechanism based on ADAMS The 713th Research Insti tute,CSIC Qiu Qunxian,Zhao Wenshu(83)?????????Abstract This article builds up the si mulation model of one displace men t -limited mechanis m based on ADAMS.By the detailed studies on some parameters affecting the character of pushing on-and-off on it,some useful results are concluded.Followed by the study of fault dis covery ,this article has got some important measures for the mechanis m and applied d urin g the test effectively.As a result,that the mechanis m can )t be pushed off reliable is solved.

Key words: Mechanis m Simulati on Fault ADAMS

Research on How to Achieve the High Efficiency and Heavy Load Sliding Screw Pair

Zhou Xianhui,Sun Yousong,Wei Liangmo(88)??????????????????

??????Abstract Increasing transmission efficiency and load capaci ty are of great significance on spiral trans mission.T he spiral transmission )s op eration pri nciple and the factors which affect the sliding screw pair )s transmission efficiency were analyzed in detail.Approaches on how to i mprove the spiral transmission efficiency and load capacity were sug gested:selecting proper lead angle,innovating screw pair mater ial and their manufacturing processes as well as the lubricating condition,im proving on nut )s structure designing,uniforming the stress of every ci r cle thread.

Key words: Sliding screw pair T ransmission efficiency Heavy

load

Mechanical trans mission

Simulation Experiment of Small Module Gear under Im pact Load

for Impact Drill

Mo Haijun,Hu Qingchun,Duan Fuhai(91)

??Abstract The dynamic stress response of the small module gear is an alyzed under impact load by means of Fini te Element Method.Analyzi ng the tooth root stress of small module gear under di fferent i mpact load and impact time,the curve of dynamic stress in di fferent time is ob tained.In order to compare,the static stress of tooth root under stable load is also analyzed.Key words: Impact drill Small module gear

Impact load Sim

ulation

A Methoed of Calculating C hange Gears for Hobbing Machine based on Microso ft Visual C ++6.0Sun Jie,Wang Jinkai(97)???????????

??????????????Abstract A selective program of change gears for various hobbli ng machines is proposed based on the mathematic theory of the differential change gears.By the program all compositions can be selected quickly when accuracy are given.Because the program has many features such as good transferabili ty and exchangeable parameters easily,using the program,it is very easy to select various change gears.Key words: Helical Gear Change Gear

Program Unitary Prin

ciple of Fraction

Cham fering Process of Gear Tooth Profile Liu Xiaoli(100)???Abstract Chamfering process of gear tooth profile and its function are introduced.By tooth profile chamfer,noise of gear transmission can be reduced.

Key words: Tooth profile chamfering Reducing noise

Study and Development of Transmission System in Tw in Screw Ex truder Wang Li,Liu Xiaoping,Wang Ping,Chen Qishuan(102)?Abstract Based on the develop ment of transmission system of twin screw extruder,the sort and design are introduced.Furthermore,the design and key technique of triple axles transmission system in twin screw extruder are pri marily described.And the works of the paper will play a positive role for designs,studies and applications of transmissi on system of twin screw extruder.

Key words: Twin screw extruder Transmission sys tem Study

Development

4 英文摘要