第三章机电一体化机械设计Word下载.docx
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1、垫片调整法
与错齿调整法基本相同，也采用两薄片齿轮与宽齿轮啮合，只是两薄片斜齿轮之间的错位由两者之间的轴向距离获得。
图3-3中两薄片斜齿轮3、4中间加一垫片2，使薄片斜齿轮3、4的螺旋线错位，齿侧面相应地与宽齿轮1的左右侧面贴紧。
垫片的厚度H与齿侧间隙
的关系为
（3-1）
式中，
为螺旋角。
该方法结构简单，但在使用时往往需要反复测试齿轮的啮合情况，反复调节垫片的厚度才能达到要求，而且齿侧间隙不能自动补偿。
2、轴向压簧调整法
如图3-4所示，该方法是用弹簧3的轴向力来获得薄片斜齿轮1、2之间的错位，使其齿侧面分别紧贴宽齿轮7的齿槽的两侧面。
薄片齿轮1、2用键4套在轴6上。
弹簧3的轴向力用螺母5来调节，其大小必须恰当。
该方法的特点是齿侧间隙可以自动补偿，但轴向尺寸较大，结构不紧凑。
图3-4斜齿薄片齿轮轴向压簧调整
1、2－薄片齿轮3－弹簧4－键5－螺母6－轴7－宽齿轮
三、锥齿轮传动机构
1、轴向压簧调整法
如图3-5所示，在锥齿轮4的传动轴7上装有压簧5，其轴向力大小由螺母6调节。
锥齿轮4在压簧5的作用下可轴向移动，从而消除了其与啮合的锥齿轮1之间的齿侧间隙。
图3-5锥齿轮轴向压簧调整图3-6锥齿轮周向弹簧调整
1、4－锥齿轮2、3－键1－大片锥齿轮2－小片锥齿轮3－锥齿轮
5－压簧6－螺母7－轴4－镶块5－弹簧6－止动螺钉7－凸爪8－槽
2、周向弹簧调整法
如图3-6所示，将与锥齿轮3啮合的齿轮作成大小两片（1、2），在大片锥齿轮1上制有三个周向圆弧槽8，小片锥齿轮2的端面制有三个可伸入槽8的凸爪7。
弹簧5装在槽8中，一端顶在凸爪7上，另一端顶在镶在槽8中的镶块4上。
止动螺钉6装配时用，安装完毕将其卸下，则大小片锥齿轮1、2在弹簧力作用下错齿，从而达到消除间隙的目的。
四、齿轮齿条传动机构
在机电一体化产品中对于大行程传动机构往往采用齿轮齿条传动，因为其刚度、精度和工作性能不会因行程增大而明显降低，但它与其它齿轮传动一样也存在齿侧间隙，应采取消隙措施。
当传动负载小时，可采用双片薄齿轮错齿调整法，使两片薄齿轮的齿侧分别紧贴齿条的齿槽两相应侧面，以消除齿侧间隙。
当传动负载大时，可采用双齿轮调整法。
如图3-7所示，小齿轮1、6分别与齿条7啮合，与小齿轮1、6同轴的大齿轮2、5分别与齿轮3啮合，通过预载装置4向齿轮3上预加负载，使大齿轮2、5同时向两个相反方向转动，从而带动小齿轮l、6转动，其齿便分别紧贴在齿条7上齿槽的左、右侧，消除了齿侧间隙。
图3-7双齿轮调整
1、6－小齿轮2、5－大齿轮3－齿轮4－预载装置7－齿条
第二节滑动螺旋传动
螺旋传动是机电一体化系统中常用的一种传动形式。
它是利用螺杆与螺母的相对运动，将旋转运动变为直线运动，其运动关系为
L=
（3-2）
式中L——螺杆（或螺母）的位移；
Ph——导程；
——螺杆和螺母间的相对转角。
一、滑动螺旋传动的特点
滑动螺旋传动具有传动比大、驱动负载能力强和自锁等特点。
1、降速传动比大
螺杆（或螺母）转动一转，螺母（或螺杆）移动一个螺距（单头螺纹）。
因为螺距一般很小，所以在转角很大的情况下，能获得很小的直线位移量，可以大大缩短机构的传动链，因而螺旋传动结构简单、紧凑，传动精度高，工作平稳。
2、具有增力作用
只要给主动件（螺杆）一个较小的输入转矩，从动件即能得到较大的轴向力输出，因此带负载能力较强。
3、能自锁
当螺旋线升角小于摩擦角时，螺旋传动具有自锁作用。
4、效率低、磨损快
由于螺旋工作面为滑动摩擦，致使其传动效率低（约30％～40％），磨损快，因此不适于高速和大功率传动。
二、滑动螺旋传动的形式及应用
滑动螺旋传动主要有以下两种基本型式。
1、螺母固定，螺杆转动并移动
如图3-8a所示，这种传动型式的螺母本身就起着支承作用，从而简化了结构，消除了螺杆与轴承之间可能产生的轴向窜动，容易获得较高的传动精度。
缺点是所占轴向尺寸较大（螺杆行程的两倍加上螺母高度），刚性较差。
因此仅适用于行程短的情况。
图3-8滑动螺旋传动的基本型式
2、螺杆转动，螺母移动
如图3-8b所示，这种传动型式的特点是结构紧凑（所占轴向尺寸取决于螺母高度及行程大小），刚度较大。
适用于工作行程较长的情况。
图3-9差动螺旋原理
除上述两种基本传动型式外，还有一种螺旋传动——差动螺旋传动。
其原理如图3-9所示。
设螺杆3左、右两段螺纹的旋向相同，且导程分别为Ph1和Ph2。
当螺杆转动
角时，可动螺母2的移动距离为
（3-3）
如果Ph1与Ph2相差很小，则L很小。
因此差动螺旋常用于各种微动装置中。
若螺杆3左、右两段螺纹的旋向相反，则当螺杆转动
（3-4）
可见，此时差动螺旋变成快速移动螺旋，即螺母2相对螺母1快速趋近或离开。
这种螺旋装置用于要求快速夹紧的夹具或锁紧装置中。
三、螺旋副零件与滑板联接结构的确定
螺旋副零件与滑板的联接结构对螺旋副的磨损有直接影响，设计时应注意。
常见的联接结构有下列几种：
图3-10刚性连接结构
1、刚性联接结构图3-10所示为刚性联接结构，这种联接结构的特点是牢固可靠，但当螺杆轴线与滑板运动方向不平行时，螺纹工作面的压力增大，磨损加剧，严重（α、β较大）时还会发生卡住现象，刚性联接结构多用于受力较大的螺旋传动中。
图3-11测量显微镜纵向测微螺旋
2、弹性联接结构图3-11所示的装置中，螺旋传动采用了弹性联接结构。
片簧7的一端在工作台（滑板）8上，另一端套在螺母的锥形销上。
为了消除两者之间的间隙，片簧以一定的预紧力压向螺母（或用螺钉压紧）。
当工作台运动方向与螺杆轴线偏斜α角（图3-10a）时，可以通过片簧变形进行调节。
如果偏斜β角（图3-10b）时，螺母可绕轴线自由转动而不会引起过大的应力。
弹性联接结构适用于受力较小的精密螺旋传动。
3、活动联接结构图3-12所示为活动联接结构的原理图。
恢复力F（一般为弹簧力）使联接部分保持经常接触。
当滑板1的运动方向与螺杆2的轴线不平行时，通过螺杆端部的球面与滑板在接触处自由滑动（图3-12a），或中间杆3自由偏斜（图3-12b），从而可以避免螺旋副中产生过大的应力。
图3-12活动联接结构
四、影响螺旋传动精度的因素及提高传动精度的措施
螺旋传动的传动精度是指螺杆与螺母间实际相对运动保持理论值（公式3-2）的准确程度。
影响螺旋传动精度的因素主要有以下几项：
1、螺纹参数误差
螺纹的各项参数误差中，影响传动精度的主要是螺距误差、中径误差以及牙型半角误差。
（1）螺距误差螺距的实际值与理论值之差称为螺距误差。
螺距误差分为单个螺距误差和螺距累积误差。
单个螺距误差是指螺纹全长上，任意单个实际螺距对基本螺距的偏差的最大代数差，它与螺纹的长度无关。
而螺距累积误差是指在规定的螺纹长度内，任意两同侧螺纹面间实际距离对公称尺寸的偏差的最大代数差，它与螺纹的长度有关。
从式（3-2）可知，螺距误差对传动精度的影响是很明显的。
若把螺旋副展开进行分析，便可清楚地看出：
螺杆的螺距误差无论是螺距累积误差，还是单个螺距误差都将直接影响传动精度。
而螺母的螺距累积误差对传动精度没有影响，它的单个螺距误差也只有当螺杆也有单个螺距误差时才会引起传动误差。
因此在精密螺旋传动中，对螺杆的精度比对螺母的精度要求高一些。
（2）中径误差螺杆和螺母在大径、小径和中径都会有制造误差。
大径和小径处有较大间隙，互不接触，中径是配合尺寸，为了使螺杆和螺母转动灵活和储存润滑油，配合处需要有一定的均匀间隙，因此，对螺杆全长上中径尺寸变动量的公差，应予以控制。
此外，对长径比（系指螺杆全长与螺纹公称直径之比）较大的螺杆，由于其细而长，刚性差、易弯曲，使螺母在螺杆上各段的配合产生偏心，这也会引起螺杆螺距误差，故应控制其中径跳动公差。
（3）牙型半角误差螺纹实际牙型半角与理论牙型半角之差称为牙型半角误差（图3-13）。
当螺纹各牙之间的牙型角有差异（牙型半角误差各不相等）时，将会引起螺距变化，从而影响传动精度。
但是，如果螺纹全长是在一次装刀切削出来的，所以牙型半角误差在螺纹全长上变化不大，对传动精度影响很小。
图3－13牙型半角误差图3－14螺杆轴向串动误差
2、螺杆轴向窜动误差
图3-14所示，若螺杆轴肩的端面与轴承的止推面不垂直于螺杆轴线而有α1和α2的偏差，则当螺杆转动时，将引起螺杆的轴向窜动误差，并转化为螺母位移误差。
螺杆的轴向窜动误差是周期性变化的，以螺杆转动一转为一个循环。
最大的轴向窜动误差为
△max=Dtanαmin（3-5）
式中D——螺杆轴肩的直径；
αmin——α1和α2中较小者，对于图3-14为α2
图3-15偏斜误差
3、偏斜误差
在螺旋传动机构中，如果螺杆的轴线方向与移动件的运动方向不平行，而有一个偏斜角ψ（图3-15）时，就会发生偏斜误差。
设螺杆的总移动量为L，移动件的实际移动量为x，则偏斜误差为
ΔL=L–x=L（1-cosψ）=2Lsin2ψ/2
由于ψ一般很小，sinψ/2≈ψ/2，因此
△L=Lψ2/2（3-6）
由此可见，偏斜角对偏斜误差有很大的影响，对其值应该加以控制。
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发生变化，从而产生传动误差，这种误差称为温度误差，其大小为
ΔLt=LωαΔt（3-7）
式中Lω——螺杆螺纹部分长度；
α——螺杆材料热膨胀系数，对于钢，一般取为11.6×
10-6/°
C
Δt——工作温度与制造温度之差
上面分析了影响螺旋传动精度的各种误差，为了提高传动精度，应尽可能减小或消除这些误差。
为此，可以通过提高螺旋副零件的制造精度来达到，但单纯提高制造精度会使成本提高。
因此，对于传动精度要求较高的精密螺旋传动，除了根据有关标准或具体情况规定合理的制造精度以外，可采取某些结构措施提高其传动精度。
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。
五、消除螺旋传动的空回的方法
当螺旋机构中存在间隙，若螺杆的转动方向改变，螺母不能立即产生反向运动，只有螺杆转动某一角度后才能使螺母开始反向运动，这种现象称为空回。
对于在正反向传动下工作的精密螺旋传动，空回将直接引起传动误差，必须设法予以消除。
消除空回的方法就是在保证螺旋副相对运动要求的前提下消除螺杆与螺母之间的间隙。
下面是几种常见的消除空回的方法。
1、利用单向作用力
在螺旋传动中，利用弹簧产生单向恢复力，使螺杆和螺母螺纹的工作表面保持单面接触，从而消除了另一侧间隙对空回的影响。
这种方法除可消除螺旋副中间隙对空回的影响外，还可消除轴承的轴向间隙和滑板联接处的间隙而产生的空回。
同时，这种结构在螺母上无需开槽或剖分（图3-16），因此螺杆与螺母接触情况较好，有利于提高螺旋副的寿命。
2、利用调整螺母
（1）径向调整法利用不同的结构，使螺母产生径向收缩，以减小螺纹旋合处的间隙，从而减小空回。
图3-16所示为径向调整法的典型示例。
图3-16a是采用开槽螺母结构，拧动螺钉可以调整螺纹间隙。
图3-16b是采用卡簧式螺母结构。
其中主螺母1上铣出纵向槽，拧紧副螺母2时，靠主、副螺母的圆锥面，迫使主螺母径向收缩，以消除螺旋副的间隙。
图3-16c是采用对开螺母结构。
为了便于调整，螺钉和螺母之间装有螺旋弹簧，这样可使压紧力均匀稳定。
为了避免螺母直接压紧在螺杆上而增加摩擦力矩，加速螺纹磨损，可在此结构中装入紧定螺钉以调整其螺纹间隙。
如图3-16d所示。
图3-16螺纹间隙径向调整结构
（2）轴向调整法图3-17为轴向调整法的典型结构示例。
图3-17a为开槽螺母结构。
拧紧螺钉强迫螺母变形，使其左、右两半部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间隙。
图3-17b为刚性双螺母结构。
主螺母1和副螺母2之间用螺纹联接。
联接螺纹的螺距P´
，不等于螺杆螺纹的螺距P，因此当主、副螺母相对转动时，即可消除螺杆相对螺母轴向窜动的间隙。
调整后再用紧定螺钉将其固定。
图3-17c为弹性双螺母结构。
它是利用弹簧的弹力来达到调整的目的。
螺钉3的作用是防止主螺母1和副螺母2的相对转动。
图3-17螺纹间隙轴向调整结构
3、利用塑料螺母消除空回
图3-18所示是用聚乙烯或聚酰胺（尼龙）制作螺母，用金属压圈压紧，利用塑料的弹性能很好地消除螺旋副的间隙。
图3-18塑料螺母结构
第三节滚珠螺旋传动
滚珠螺旋传动是在螺杆和螺母间放入适量的滚珠，使滑动摩擦变为滚动摩擦的螺旋传动。
滚珠螺旋传动是由螺杆、螺母、滚珠和滚珠循环返回装置四部分组成。
如图3-19所示，当螺杆转动时，滚珠沿螺纹滚道滚动。
为了防止滚珠沿滚道面掉出来，螺母上设有滚珠循环返回装置，构成了一个滚珠循环通道，滚珠从滚道的一端滚出后，沿着循环通道返回另一端，重新进入滚道，从而构成一闭合回路。
图3-19滚珠螺旋传动工作原理图
一、滚珠螺旋传动的特点
滚珠螺旋传动除具有螺旋传动的一般特点（降速传动比大及牵引力大）外，与滑动螺旋传动相比较，具有下列特点：
1、运动效率高。
一般可达90﹪以上，约为滑动螺旋传动效率的三倍。
在伺服控制系统中采用滚动螺旋传动，不仅提高传动效率，而且可以减小启动力矩、颤动及滞后时间。
2、运动精度高。
由于摩擦力小，工作时螺杆的热变形小，螺杆尺寸稳定，并且经调整预紧后，可得到无间隙传动，因而具有较高的传动精度，定位精度和轴向刚度。
3、具有传动的可逆性，但不能自锁，用于垂直升降传动时，需附加制动装置。
4、制造工艺复杂，成本较高，但使用寿命长，维护简单。
二、滚珠螺旋传动的结构型式与类型
按用途和制造工艺不同，滚珠螺旋传动的结构型式有多种，它们的主要区别在于螺纹滚道法向截形、滚珠循环方式、消除轴向间隙的调整预紧的方法等三方面。
1、螺纹滚道法向截形
螺纹滚道法向截形是指通过滚珠中心且垂直于滚道螺旋面的平面和滚道表面交线的形状。
常用的截形有两种，单圆弧形（图3-20a）和双圆弧形（图3-20b）。
滚珠与滚道表面在接触点处的公法线与过滚珠中心的螺杆直径线间的夹角β叫接触角。
理想接触角β＝450。
图3-20滚道法向截形示意图
滚道半径rs（或rn）与滚珠直径Dω的比值，称为适应度frs=rs/Dω（或frn=rn/Dω）。
适应度对承载能力的影响较大，一般取frs（或frn）=0.25～0.55。
单圆弧形的特点是砂轮成型比较简单，易于得到较高的精度。
但接触角随着初始间隙和轴向力大小而变化，因此，效率、承载能力和轴向刚度均不够稳定。
而双圆弧形的接触角在工作过程中基本保持不变，效率、承载能力和轴向刚度稳定，并且滚道底部不与滚珠接触，可贮存一定的润滑油和脏物，使磨损减小。
但双圆弧形砂轮修整、加工、检验比较困难。
2、滚珠循环方式
按滚珠在整个循环过程中与螺杆表面的接触情况，滚珠的循环方式可分为内循环和外循环两类。
图3-21内循环
（1）内循环滚珠在循环过程中始终与螺杆保持接触的循环叫内循环（图3-21）。
在螺母1的侧孔内，装有接通相邻滚道的反向器。
借助于反向器上的回珠槽，迫使滚珠2沿滚道滚动一圈后越过螺杆螺纹滚道顶部，重新返回起始的螺纹滚道，构成单圈内循环回路。
在同一个螺母上，具有循环回路的数目称为列数，内循环的列数通常有二—四列（即一个螺母上装有2—4个反向器）。
为了结构紧凑，这些反向器是沿螺母周围均匀分布的，即对应二列、三列、四列的滚珠螺旋的反向器分别沿螺母圆周方向互错1800、1200、900。
反向器的轴向间隔视反向器的型式不同，分别为3Ph/2、4Ph/3、5Ph/4或5Ph/2、7Ph/3、9Ph/4，其中Ph为导程。
滚珠在每一循环中绕经螺纹滚道的圈数称为工作圈数。
内循环的工作圈数是一列只有一圈，因而回路短，滚珠少，滚珠的流畅性好，效率高。
此外，它的径向尺寸小，零件少，装配简单。
内循环的缺点是反向器的回珠槽具有空间曲面，加工较复杂。
（2）外循环滚珠在返回时与螺杆脱离接触的循环称为外循环。
按结构的不同，外循环可分为螺旋槽式、插管式和端盖式三种。
图3-22螺旋槽式外循环
螺旋槽式（图3-22）是直接在螺母1外圆柱面上铣出螺旋线形的凹槽作为滚珠循环通道，凹槽的两端钻出两个通孔分别与螺纹滚道相切，同时用两个挡珠器4引导滚珠3通过该两通孔，用套筒2或螺母座内表面盖住凹槽，从而构成滚珠循环通道。
螺旋槽式结构工艺简单，易于制造，螺母径向尺寸小。
缺点是挡珠器刚度较差，容易磨损。
插管式（图3-23）是用管2代替螺旋槽式中的凹槽，把弯管的两端插入螺母3上与螺纹滚道相切的两个通孔内，外加压板1用螺钉固定，用弯管的端部或其它形式的挡珠器引导滚珠4进出弯管，以构成循环通道。
插管式结构简单，工艺性好，适于批量生产。
缺点是弯管突出在螺母的外部，径向尺寸较大，若用弯管端部作挡珠器，则耐磨性较差。
图3-23插管式外循环图3-24端盖式外循环
端盖式（图3-24）是在螺母1上钻有一个纵向通孔作为滚珠返回通道，螺母两端装有铣出短槽的端盖2，短槽端部与螺纹滚道相切，并引导滚珠返回通道，构成滚珠循环回路。
端盖式的优点是结构紧凑，工艺性好。
缺点是滚珠通过短槽时容易卡住。
3、消除轴向间隙的调整预紧方法
如果滚珠螺旋副中有轴向间隙或在载荷作用下滚珠与滚道接触处有弹性变形，则当螺杆反向转动时，将产生空回误差。
为了消除空回误差，在螺杆上装配两个螺母1和2，调整两个螺母的轴向位置，使两个螺母中的滚珠在承受载荷之前就以一定的压力分别压向螺杆螺纹滚道相反的侧面，使其产生一定的变形（图3-25），从而消除了轴向间隙，也提高了轴向刚度。
常用的调整预紧方法有下列三种。
图3-25双螺母预紧图3-26垫片调隙式
（1）垫片调隙式（图3-26）调整垫片2的厚度Δ，可使螺母1产生轴向移动，以达到消除轴向间隙和预紧的目的。
这种方法结构简单，可靠性高，刚性好。
为了避免调整时拆卸螺母，垫片可制成剖分式。
其缺点是精确调整比较困难，并且当滚道磨损时不能随意调整，除非更换垫圈不可，故适用于一般精度的传动机构。
图3－27螺纹调隙式
（2）螺纹调隙式（图3-27）螺母1的外端有凸缘，螺母3加工有螺纹的外端伸出螺母座外，以两个圆螺母2锁紧。
旋转圆螺母即可调整轴向间隙和预紧。
这种方法的特点是结构紧凑，工作可靠，调整方便。
缺点是不很精确。
键4的作用是防止两个螺母的相对转动。
图3-28齿差调隙式
（3）齿差调隙式如图3-28所示，在螺母1和2的凸缘上切出齿数相差一个齿的外齿轮（z2＝z1+1），把其装入螺母座中分别与具有相应齿数（z1和z2）的内齿轮3和4啮合。
调整时，先取下内齿轮，将两个螺母相对螺母座同方向转动一定的齿数，然后把内齿轮复位固定。
此时，两个螺母之间产生相应的轴向位移，从而达到调整的目的。
当两个螺母按同方向转过一个齿时；
其相对轴向位移为。
（3-8）
式中，Ph为导程。
如果z1=99，z2=100，Ph=8mm，则ΔL=0.8μm。
可见，这种方法的特点是调整精度很高，工作可靠。
但结构复杂，加工工艺和装配性能较差。
三、滚珠螺旋副的精度
滚珠螺旋副的精度包括螺母的行程误差和空回误差。
影响螺旋副精度的因素同滑动螺旋副一样，主要是螺旋副的参数误差、机构误差和受轴向力后滚珠与螺纹滚道面的接触变形和螺杆刚度不足引起的螺纹变形等所产生的动态变形误差。
在JB/T3162.2—19标准中，根据滚珠螺旋副的使用范围和要求分为两个类型，P类定位滚珠螺旋副和T类传动滚珠螺旋副。
分成七个精度等级，即1、2、3、4、5、7和10级，1级精度最高，依次递减。
标准中规定了滚珠螺旋副螺距公差和公称直径变动量的公差，还规定了各精度等级的滚珠螺旋副行程偏差和行程变动量。
滚珠螺旋副由专业厂家生产，具有标准系列。
使用时可根据滚珠螺旋副的负载、速度、行程、精度和寿命等条件进行选型。
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