畢業(yè)設(shè)計(jì)論文電動(dòng)螺旋千斤頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

摘要本設(shè)計(jì)主要是對(duì)電動(dòng)螺旋千斤頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在原有手動(dòng)螺旋千斤頂?shù)幕A(chǔ)上，通過對(duì)螺旋千斤頂了解和學(xué)習(xí)，選擇對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)出一套蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)，利用電機(jī)帶動(dòng)蝸桿，蝸桿蝸輪傳動(dòng)帶動(dòng)絲杠運(yùn)轉(zhuǎn)，由絲杠螺母形成的滑動(dòng)螺旋副運(yùn)動(dòng)將重物頂起，既發(fā)揮了螺旋副的自鎖性的優(yōu)點(diǎn)又可改善勞動(dòng)條件。同時(shí)提高了市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)能力。本設(shè)計(jì)根據(jù)承受載荷，設(shè)計(jì)出絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，根據(jù)絲杠傳動(dòng)的工作速度與螺桿所承受的扭矩，來設(shè)計(jì)蝸桿和蝸輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，得出蝸桿傳動(dòng)扭矩來進(jìn)行電機(jī)的選型，并使用Pro/ENGINEER5.0和AutoCAD三維建模軟件，設(shè)計(jì)零件并進(jìn)行裝配。用SolidWorks進(jìn)行仿真制作。并對(duì)蝸桿模型通過ANSYS軟件進(jìn)行簡(jiǎn)單的有限元分析來完成整個(gè)設(shè)計(jì)。關(guān)鍵字：蝸輪蝸桿；有限元分析；絲杠傳動(dòng)；仿真；三維建模AbstractThedesignismainlyforthestructuraldesignofscrewjacks,screwjacksintheoriginalonthejackscrewthroughunderstandingandlearning,choosetoimproveit,todesignawormgearmechanism,theuseofmotordrivenwormandwormgeardrivescrewoperation,theheavytop,bothplayedaspirallockoftheadvantagesofselfbutalsoimprovepeople'sdeputyoftheworkingconditions.Improvethecompetitivenessofthemarket.Thedesignoftheloadbearingdesignofthescrewdrivemechanismaccordingtotheoperatingspeedofthescrewdrivetorqueofthescrewisexposedtothewormandthewormgearisenoughdesign,drawwormdrivetorqueofthemotortotheselectionanduseAutocadProe5.0andthree-dimensionalmodelingsoftware,designandassemblyofparts.Withsolidworkssimulationproduction.AndasimplewormmodelbyANSYSfiniteelementanalysissoftwaretocompletetheentiredesign.Keywords：Worm;FiniteElement;AnalysisScrewdrive;Simulation;Three-dimensionalmodelingTOC\o"1-3"\u第1章緒論 11.1起重機(jī)械 11.2千斤頂 1 11.4研究目的 11.5設(shè)計(jì)規(guī)格 21.6設(shè)計(jì)原理 21.7使用方法 2第2章絲杠傳動(dòng)的設(shè)計(jì)和計(jì)算 32.1絲杠傳動(dòng) 32.2絲杠傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)及材料 42.2.1絲杠傳動(dòng)的結(jié)構(gòu) 42.2.2絲杠傳動(dòng)中常用材料 42.3絲杠傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 62.3.1耐磨性與自鎖性計(jì)算 62.3.2螺桿的強(qiáng)度計(jì)算 92.3.3螺母螺紋牙的強(qiáng)度計(jì)算 92.3.4螺桿的穩(wěn)定性計(jì)算 10 123.1蝸輪蝸桿傳動(dòng)的特點(diǎn) 123.2蝸桿傳動(dòng)的類型 123.2.1普通圓柱蝸桿傳動(dòng) 123.2.2圓弧圓柱蝸桿傳動(dòng) 123.3蝸輪蝸桿傳動(dòng)的設(shè)計(jì)參數(shù)選擇 123.3.1蝸桿傳動(dòng)選型 123.3.2選擇蝸輪蝸桿材料 123.3.3蝸桿傳動(dòng)設(shè)計(jì) 133.3.4蝸桿與蝸輪的參數(shù)計(jì)算 143.3.5齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核 143.3.6實(shí)際傳動(dòng)效率 153.3.7精度等級(jí) 15 174.1電機(jī)類型選擇 174.2蝸桿力矩計(jì)算 174.3電動(dòng)機(jī)功率計(jì)算 174.4電動(dòng)機(jī)選擇 18 195.1有限元分析 195.2文件的導(dǎo)入 195.3設(shè)置材料常數(shù) 195.4劃分網(wǎng)格 195.6求解計(jì)算 205.7結(jié)論 21 236.1蝸桿的三維建模 236.2蝸輪的三維建模 246.3螺桿的三維建模 256.4螺母的三維建模 266.5千斤頂?shù)难b配 276.6千斤頂?shù)姆抡?27設(shè)計(jì)總結(jié) 29參考文獻(xiàn) 30 31起重機(jī)械是一種通過重復(fù)循環(huán)運(yùn)動(dòng)對(duì)物料進(jìn)行起升的機(jī)械，其運(yùn)動(dòng)形式主要有起動(dòng)、制動(dòng)、正向和反向運(yùn)動(dòng)。起重機(jī)械被廣泛用于工業(yè)以及日常生活中。起重機(jī)械的動(dòng)力來源為電或人力，電力主要用于重型設(shè)備場(chǎng)合，以人力為動(dòng)力來源的主要適用于小型和輕型的起重設(shè)備場(chǎng)合。螺旋千斤頂屬于起重機(jī)械的一種。起重高度小(小于1m)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便，材料堅(jiān)固、運(yùn)動(dòng)可靠性能高，便于攜帶和單人操作。工業(yè)中螺旋千斤頂?shù)墓ぷ鞲叨纫话阍?00mm左右，螺旋副速度為20-60mm/min，最大的起升重量可高達(dá)500t[1]。根據(jù)工作總類分機(jī)械式和液壓式。還有螺旋千斤頂、齒條千斤頂、油壓千斤頂?shù)炔煌ぷ髟淼脑O(shè)備[2]。是一種在工作生活中不可或缺的起重設(shè)備。同時(shí)國外發(fā)展情況：國外在20世紀(jì)40年代初，就出現(xiàn)了千斤頂應(yīng)用在汽車行業(yè)中，此時(shí)的千斤頂為臥式，相對(duì)落后笨重。由于技術(shù)和社會(huì)發(fā)展原因，后來隨著工業(yè)社會(huì)的發(fā)展，在90年代初，被立式千斤頂取代。在90年代后期，陸續(xù)出現(xiàn)充氣式千斤頂和便攜式千斤頂?shù)刃滦驮O(shè)備。開始了千斤頂技術(shù)的迅猛發(fā)展[3]。國內(nèi)發(fā)展情況：我國的千斤頂技術(shù)由于社會(huì)關(guān)系與工業(yè)發(fā)展起步晚等因素，直到80年代后期才接觸到國外初期千斤頂?shù)漠a(chǎn)品。但隨著社會(huì)的飛速發(fā)展和國民經(jīng)濟(jì)水平的提高，在工業(yè)發(fā)展中開始對(duì)千斤頂?shù)绕鹬卦O(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)改造，并且經(jīng)過多年設(shè)計(jì)制造的實(shí)踐，在適用范圍、工業(yè)途徑、材料制作等方面的研究造就了千斤頂技術(shù)的成熟。我國的千斤頂還開始越來越趨向于簡(jiǎn)單化，環(huán)保化和智能化[4]。1.4研究目的設(shè)計(jì)將規(guī)格本設(shè)計(jì)QL20型固定式螺旋千斤頂技術(shù)規(guī)格為：起重量20t；頂起高度180mm；螺桿落下最小高度325mm；自重18Kg。1.6設(shè)計(jì)原理電動(dòng)螺旋千斤頂是在手動(dòng)螺旋千斤頂?shù)幕A(chǔ)上改進(jìn)的，通過微型直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)蝸桿，經(jīng)蝸桿蝸輪傳動(dòng)，同時(shí)由蝸輪與螺桿的花鍵配合，傳遞扭矩與導(dǎo)向，來帶動(dòng)螺桿旋轉(zhuǎn)，形成絲杠傳動(dòng)，從而使重物上升或下降。發(fā)揮了螺旋副的自鎖性的優(yōu)點(diǎn)又大大的改善了勞動(dòng)條件。1.7使用方法1.使用前務(wù)必檢查電動(dòng)螺旋千斤頂?shù)母鞑考?，保證運(yùn)動(dòng)靈活潤(rùn)滑，并預(yù)估起升重物重量和工作高度，切忌超載超程使用。2.啟動(dòng)電機(jī)提升重物，使用點(diǎn)動(dòng)按鈕，將重物提升到理想高度。切忌不可超過紅色警戒線。如需下降時(shí)將電機(jī)點(diǎn)動(dòng)反轉(zhuǎn)按鈕，重物即可開始下降。第2章絲杠傳動(dòng)的設(shè)計(jì)和計(jì)算2.1絲杠傳動(dòng)絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由絲杠和螺母組成，它們是形成滑動(dòng)螺旋副來實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)的。在絲杠與螺母的配合下，呈現(xiàn)絲杠絲杠傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)形式有絲桿傳動(dòng)（螺母固定）和螺母移動(dòng)（絲杠固定）兩種[5]。圖2.1為螺母固定的絲杠傳動(dòng)，在螺旋千斤頂中運(yùn)用較多。圖2.2為絲杠固定螺母?jìng)鲃?dòng)，在機(jī)床的大托板，中托板，小托板中都廣泛運(yùn)用了此種傳動(dòng)。圖2.1螺旋千斤頂圖2.2機(jī)床托板上的進(jìn)給絲杠絲杠傳動(dòng)根據(jù)用途不同，分為三種類型：（1）傳力螺旋副運(yùn)動(dòng)。主要是通過承受較大的軸向力來傳遞動(dòng)力做間歇性工作，在絲杠傳動(dòng)中要求有較好的自鎖能力。（2）傳導(dǎo)螺旋副運(yùn)動(dòng)。主要運(yùn)動(dòng)形式是在高速環(huán)境下傳動(dòng)，會(huì)承受較大的軸向載荷，對(duì)傳動(dòng)精度要求較高。（3）調(diào)整螺旋副運(yùn)動(dòng)。一般用于在檢測(cè)和調(diào)整，該項(xiàng)運(yùn)動(dòng)用來確定零件間的相對(duì)位置，但必須在空載的情況下。絲杠傳動(dòng)根據(jù)運(yùn)動(dòng)副的摩擦性質(zhì)不同，有滑動(dòng)摩擦、滾動(dòng)摩擦和流體摩擦三種形式[6]?；瑒?dòng)摩擦自鎖性好，但運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的摩擦大，傳動(dòng)效率只有30%~40%。但其他兩種傳動(dòng)產(chǎn)生的摩擦就比較小，傳動(dòng)效率高達(dá)90%。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是對(duì)傳動(dòng)條件要求特別高。本次設(shè)計(jì)重點(diǎn)討論絲杠傳動(dòng)中滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)的設(shè)計(jì)和計(jì)算，對(duì)滾動(dòng)螺旋和靜壓螺旋只做簡(jiǎn)單的介紹。2.2絲杠傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)及材料2.2.1絲杠傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)本設(shè)計(jì)中的絲杠傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)主要是指帶有花鍵的螺桿和與本體固定的螺母的結(jié)構(gòu)。絲杠傳動(dòng)中的工作剛度要求與精度要求都要根據(jù)實(shí)際的情況進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于本設(shè)計(jì)中，要求千斤頂進(jìn)行垂直運(yùn)動(dòng)的要求，且運(yùn)動(dòng)高度不是很高的情況下，選擇采用螺母本身與千斤頂本體相結(jié)合作為支承。而螺桿則作為運(yùn)動(dòng)部件，在受到扭矩作用時(shí)，進(jìn)行，螺旋上升運(yùn)動(dòng)，將重物頂起。絲杠傳動(dòng)中的螺母結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)選擇上有整體螺母和剖分螺母等幾種形式。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的整體螺母比較通用，但也存在軸向間隙在傳導(dǎo)磨損中不能補(bǔ)償?shù)碾[患，造成材料的過度浪費(fèi)。因此，此種螺母主要在生產(chǎn)實(shí)際中用于在精度要求較低的絲杠傳動(dòng)中。精度要求較高，且傳動(dòng)效率優(yōu)于整體螺母的傳導(dǎo)螺旋主要用于雙向傳動(dòng)。而剖分螺母則是利用調(diào)整契塊來定期調(diào)整螺旋副的軸向間隙的一種組合形式。在絲杠傳動(dòng)中的螺桿和螺母的螺紋也分連接螺紋和傳動(dòng)螺紋，牙型也是有矩形、等腰三角形、梯形、不等腰梯形和鋸齒形等多種形狀。梯形和鋸齒形螺紋在工業(yè)應(yīng)用中最常用的傳動(dòng)螺紋。矩形螺紋的傳動(dòng)效率比其他螺紋傳動(dòng)效率高，但由于牙型角關(guān)系，容易在牙根處產(chǎn)生應(yīng)力集中，磨損后，牙側(cè)間隙修復(fù)困難。傳動(dòng)精準(zhǔn)度因此也會(huì)下降。而梯形螺紋，牙型為牙型角30°的等腰梯形，牙根部的彎曲強(qiáng)度高，對(duì)中性好。在本次設(shè)計(jì)千斤頂中就選中此種右旋梯形螺紋。2.2.2絲杠傳動(dòng)中常用材料絲杠傳動(dòng)的有螺母和螺桿。螺桿材料對(duì)螺紋牙和軸的強(qiáng)度和耐磨性有較高的要求，而螺母材料在與螺桿材料形成絲杠傳動(dòng)的時(shí)候，在對(duì)螺紋牙的彎曲強(qiáng)度，剪切強(qiáng)度等需要滿足許用強(qiáng)度以外，還要求在傳動(dòng)中的摩擦系數(shù)小，并且在傳動(dòng)接觸部位要有較高的耐磨性。絲杠傳動(dòng)常用的材料見表2.1表2.1螺桿與螺母常用材料本次設(shè)計(jì)中，已知絲杠傳動(dòng)中螺桿的軸向載荷F=200000N，千斤頂起重高度為h=180mm，由于千斤頂在絲杠傳動(dòng)中會(huì)因?yàn)槁菁y磨損而導(dǎo)致失效，因此螺旋千斤頂?shù)慕z杠傳動(dòng)副中螺桿和螺母的材料在耐磨性能、抗歪性能要求都要很高。在本次設(shè)計(jì)中，考慮到承受載重頗高，故對(duì)于自鎖性也有很高的要求。ZcuAL9Fe4Ni4Mn2/mm2取35/mm2。本設(shè)計(jì)電動(dòng)千斤頂螺旋為電動(dòng)低速，由表2.2查得許用壓力：Pp=18~25/mm2，取25/mm2。本設(shè)計(jì)中，根據(jù)表2.1，螺桿材料選45鋼，帶有外螺紋的桿件，下端軸銑為花鍵。整體不做熱處理，性能等級(jí)為6.8，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)表5.8，查閱資料手冊(cè)可得σs=600。根據(jù)表2.4螺桿的=EQ\f(σs,3~5)=80~140/mm2?？紤]主要電動(dòng)驅(qū)動(dòng)以及載重要求，因此2.3絲杠傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算絲杠傳動(dòng)工作時(shí)，主要承受轉(zhuǎn)矩及軸向力的作用，在本設(shè)計(jì)中，主要根據(jù)選擇的螺紋嚙合方式，材料，以及所受的軸向載荷大小，和設(shè)計(jì)的尺寸。來進(jìn)行一系列的校核和驗(yàn)證[7]。2.3.1耐磨性與自鎖性計(jì)算絲杠傳動(dòng)中的磨損與主要是由絲杠所受的載荷、絲杠傳動(dòng)速度、以及嚙合螺紋面粗糙度等因素相關(guān)。根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)可知，螺紋工作面上的耐磨條件為：(2.1)式中：F為絲杠上的軸向力（即起重重物的質(zhì)量）A為絲杠的承壓面積根據(jù)式2.1在校核計(jì)算中的公式，由，代入式（2.1）中可推導(dǎo)出螺紋中徑的計(jì)算公式(2.2)牙型角為矩形、梯形，，則(2.3)牙型角為鋸齒形，，則(2.4)螺母高度H=(2.5)螺紋工作圈數(shù)u=H/P(2.6)螺紋自鎖條件為(2.7)滑動(dòng)螺旋副的材料許用壓力和摩擦系數(shù)見表2.2表2.2滑動(dòng)螺旋副材料的許用壓力[]及摩擦系數(shù)注：表中摩擦系數(shù)起動(dòng)時(shí)取最大值，運(yùn)轉(zhuǎn)中取最小值。首先按照耐磨性，根據(jù)螺紋中徑的設(shè)計(jì)公式：由梯形螺紋，(2.8)F為軸向壓力200000N，取?=2.1，[p]取則可得螺紋中徑d249.377mm由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)第四篇第1章GB/T5796.3—2005梯形螺紋參數(shù)表，可選擇d=55,P=9,d2=50.5,D4=56,d3=45,D1=46的第二系列梯形螺紋，精度選用中等精度。由此得出電動(dòng)螺旋千斤頂?shù)幕瑒?dòng)螺旋傳動(dòng)各個(gè)尺寸為：牙型角α=30°牙側(cè)角β=α/2=15°外螺紋大徑：dd=55mm螺距:PP=9mm牙頂間隙：acp=6——12時(shí)ac=0.5取ac=0.5mm基本牙型高度：H1H1=0.5P=0.5x9=4.5mm外螺紋牙高:h3h3=H1+ac=0.5P+ac=4.5+0.5=5mm內(nèi)螺紋牙高：H4H4=H1+ac=0.5P+ac=4.5+0.5=5mm牙頂高：ZZ=0.25P=0.25x9=2.25mm外螺紋中徑：d2d2=d-2Z=55-4.5=50.5mm內(nèi)螺紋中徑:D2D2=d-2Z=55-4.5=50.5mm外螺紋小徑：d3d3=d-2h3=55-2x5=45mm內(nèi)螺紋小徑：D1D1=d-2H4=55-2x5=45mm內(nèi)螺紋大徑：D4D4=d+2ac=55+2x0.5=56mm牙根部寬度：bb=0.65P=0.65x9=5.85mm螺母高度H:H=?d2mm.名稱表示參數(shù)牙型角α30°牙側(cè)角β15°外螺紋大徑d55mm螺距P9mm牙頂間隙ac0.5mm基本牙型高度H14.5mm外螺紋牙高h(yuǎn)35mm內(nèi)螺紋牙高H45mm牙頂高Z2.25mm外螺紋中徑d250.5mm內(nèi)螺紋中徑D250.5mm外螺紋小徑d345mm內(nèi)螺紋小徑D145mm內(nèi)螺紋大徑D456mm牙根部寬度b5.85mm螺母高度Hmm對(duì)自鎖性進(jìn)行校核：螺紋升角=(2.9)~根據(jù)公式2.18=arctan=arctan（0.09/cos（15°））=5°19′23″(2.10)由上式可知＜?？梢宰枣i。2.3.2螺桿的強(qiáng)度計(jì)算絲杠工作時(shí)承受軸向載荷F的作用，根據(jù)理論力學(xué)的第四強(qiáng)度理論可求出絲杠的危險(xiǎn)截面的計(jì)算應(yīng)力，所要求的強(qiáng)度條件(2.11)或(2.12)螺桿材料的許用應(yīng)力見表2.4。計(jì)算驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩：螺旋副間的摩擦力矩：由機(jī)械設(shè)計(jì)5.4式知T1=d2(2.13)（5°19′23″）=744638.42N·mm絲杠強(qiáng)度計(jì)算：（1）由手冊(cè)查的螺桿許用應(yīng)力可取。（2）根據(jù)表2.3可查得：其中為螺紋小徑45。(2.14)根據(jù)計(jì)算，絲杠強(qiáng)度滿足要求。2.3.3螺母螺紋牙的強(qiáng)度計(jì)算螺紋嚙合接觸危險(xiǎn)截面的剪切強(qiáng)度校核公式為(2.15)螺紋牙根部處的彎曲強(qiáng)度條件為(2.16)D表示螺母螺紋大徑，b表示牙根部厚度(mm)；本設(shè)計(jì)中，可由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)查得，梯形螺紋，。螺母材料的許用彎曲應(yīng)力，MPa，由表2.4查得。[τ]螺母材料的許用切應(yīng)力，MPa，由表2.4查得。其余符號(hào)的意義和單位同前。螺母材料選擇ZcuAL9Fe4Ni4Mn2，查表2.4得：螺母許用彎曲應(yīng)力：，根據(jù)設(shè)計(jì)選擇50Mpa螺母許用剪切應(yīng)力：，根據(jù)設(shè)計(jì)選擇35Mpa表2.4滑動(dòng)螺旋副材料的許用應(yīng)力校核螺母螺紋的彎曲強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度根據(jù)牙寬b=0.65P=5.85mm和牙型高：=4.5mm帶入公式中，得出螺母的彎曲強(qiáng)度(2.17)螺母的剪切強(qiáng)度：(2.18)經(jīng)檢驗(yàn)校核，螺母的彎曲強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度都滿足要求。2.3.4螺桿的穩(wěn)定性計(jì)算螺桿的穩(wěn)定性條件為(2.19)計(jì)算柔度絲杠傳動(dòng)中，查表2.5知，可確定千斤頂長(zhǎng)度系數(shù)μ=2，因工作高度mm；螺桿危險(xiǎn)截面慣性半徑mm。螺桿最大工作長(zhǎng)度為180mm，根據(jù)柔度計(jì)算公式γ===54.2C(2.20)計(jì)算臨界載荷201186.91mm(2.21)因?yàn)?，因?2.22)(2.23)所以穩(wěn)定性滿足要求。表2.5螺桿的長(zhǎng)度系數(shù)μ3.1蝸輪蝸桿傳動(dòng)的特點(diǎn)蝸輪蝸桿傳動(dòng)屬于交錯(cuò)軸傳動(dòng)，本次設(shè)計(jì)使用正交蝸輪蝸桿副，運(yùn)動(dòng)主要由蝸桿驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)蝸輪旋轉(zhuǎn)組成，蝸桿做為主動(dòng)件，蝸輪做為從動(dòng)件，蝸輪蝸桿傳動(dòng)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：（1）傳動(dòng)比大。一般傳動(dòng)比i可以達(dá)到5~80；在分度機(jī)構(gòu)中的傳動(dòng)比更高。（2）在蝸輪蝸桿傳動(dòng)中，造成的沖擊振動(dòng)小，運(yùn)動(dòng)較平穩(wěn)，降噪效果好。（3）能自鎖。蝸桿螺旋升角只要小于嚙合面的當(dāng)量摩擦角時(shí)，蝸桿傳動(dòng)就可以實(shí)現(xiàn)自鎖。以提高傳動(dòng)效率。（4）抗彎性能好。蝸桿和蝸輪的設(shè)計(jì)曲線，保證了它們?cè)趥鬟f運(yùn)動(dòng)和載荷的過程中抗彎性能較高。3.2蝸桿傳動(dòng)的類型蝸桿傳動(dòng)類型有圓柱蝸桿傳動(dòng)，環(huán)面蝸桿傳動(dòng)等多種傳動(dòng)類型。同時(shí)在圓柱蝸桿傳動(dòng)中，由有兩種傳動(dòng)方式。3.2.1普通圓柱蝸桿傳動(dòng)普通圓柱蝸桿傳動(dòng)包括阿基米德蝸桿（ZA蝸桿）；漸開線蝸桿(ZI蝸桿)；法向直廓蝸桿(ZN蝸桿)；錐面包絡(luò)圓柱蝸桿(ZK蝸桿)[8]。本次設(shè)計(jì)，選用蝸桿齒面為漸開螺旋面的漸開線蝸桿，端面齒廓為漸開線。在工業(yè)中應(yīng)用比較廣泛。3.2.2圓弧圓柱蝸桿傳動(dòng)圓弧圓柱蝸桿傳動(dòng)是以線接觸為主要運(yùn)動(dòng)方式的的嚙合傳動(dòng)。效率高達(dá)80%以上。能夠承載較重的載荷。在工業(yè)設(shè)備中越來越普及適用。3.3蝸輪蝸桿傳動(dòng)的設(shè)計(jì)參數(shù)選擇3.3.1蝸桿傳動(dòng)選型查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，由GB/T10085-1988可選用漸開線蝸桿（ZI）。3.3.2選擇蝸輪蝸桿材料在蝸桿傳動(dòng)配合中，由于千斤頂?shù)墓ぷ魉俣戎皇堑退?，因此在低速?chǎng)合選擇45鋼做為蝸桿材料；并且對(duì)蝸桿與蝸輪螺旋嚙合的齒面進(jìn)行熱處理，選擇淬火。使蝸桿齒面硬度要求達(dá)到45～50HRC。而蝸輪材料由于要耐磨和強(qiáng)度要求，選擇鑄錫磷青銅ZCuSn10P1。3.3.3蝸桿傳動(dòng)設(shè)計(jì)根據(jù)蝸輪蝸桿傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)步驟，先由齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)出蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的參數(shù)，再對(duì)蝸輪的齒根進(jìn)行彎曲疲勞強(qiáng)度的校核計(jì)算[9]。(3.1)（1）計(jì)算蝸輪轉(zhuǎn)矩設(shè)計(jì)蝸桿為雙頭，所以=2，設(shè)計(jì)效率=0.8，(3.2)（2）載荷系數(shù)K根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)取載荷分布不均系數(shù)=1，使用系數(shù)=1.15，動(dòng)載荷系數(shù)=1.05則載荷系數(shù)K的計(jì)算為(3.3)（3）彈性影響系數(shù)蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，分別選用鑄錫磷青銅的蝸輪和45鋼蝸桿進(jìn)行嚙合傳動(dòng)，查表可選取=160MPa1/2（4）接觸系數(shù)假定/a=0.35，可以根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)圖11.18查得=2.9。（5）許用接觸應(yīng)力[]根據(jù)蝸輪材料和蝸桿齒面硬度，通過機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表11.7中查得蝸輪的許用接觸應(yīng)力[]′=268MPa。則蝸輪工作的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)(3.3)蝸輪工作的壽命系數(shù)(3.4)(3.5)（6）蝸輪與蝸桿的中心距(3.6)從機(jī)械設(shè)計(jì)課本表3.2蝸桿參數(shù)選擇中，取中心距為180mm，表中對(duì)應(yīng)模數(shù)為5，選取蝸桿分度圓直徑為50mm?？捎?jì)算出直徑與中心距之比/a等于0.332，從機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)圖11.18中可知接觸系數(shù)′=2.7，由此可得：′<=2.9。設(shè)計(jì)無誤。3.3.4蝸桿與蝸輪的參數(shù)計(jì)算（1）蝸桿的參數(shù)計(jì)算分度圓直徑=50mm直徑系數(shù)q=10；由機(jī)械制造手冊(cè)查得，我國規(guī)定的齒高系數(shù)：當(dāng)m大于1，=1，；c=。齒頂圓直徑，=60mm；齒根圓直徑，=37.5mm；分度圓導(dǎo)程角γ=11°18′36″；設(shè)計(jì)為右旋；蝸桿軸向的齒厚=mm。（2）蝸輪的參數(shù)計(jì)算蝸輪齒數(shù)=41；變位系數(shù)；驗(yàn)算傳動(dòng)比i=z2/z1=41/2=20.5，這時(shí)傳動(dòng)比誤差為(20.5-20)/20=0.025=2.5%誤差在允許范圍內(nèi)。蝸輪分度圓直徑蝸輪喉圓直徑蝸輪齒根圓直徑蝸輪咽喉母圓半徑3.3.5齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核(3.7)當(dāng)量齒數(shù)(3.8)螺旋角系數(shù)(3.9)許用彎曲應(yīng)力(3.10)鑄錫磷青銅材料的蝸輪基本許用彎曲應(yīng)力′=56MPa.蝸輪的壽命系數(shù)(3.11)(3.12)(3.13)因此蝸輪計(jì)算的彎曲強(qiáng)度滿足載荷要求。3.3.6實(shí)際傳動(dòng)效率(3.14)已知=18°11′36″，=arctan；根據(jù)相對(duì)滑動(dòng)速度可計(jì)算(3.15)根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)課本表11.18中用插值法查得=0.0218，=1.1517；代入式中得=0.86，大于預(yù)先設(shè)定效率0.8。滿足要求。3.3.7精度等級(jí)蝸輪蝸桿傳動(dòng)是由微型直流電機(jī)作為動(dòng)力源的傳動(dòng)，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)GB/T10089-1988中漸開線蝸桿傳動(dòng)精度中選擇8級(jí)精度。表3.1漸開線蝸桿傳動(dòng)基本尺寸和參數(shù)表3.2使用系數(shù)KA表3.3蝸輪的基本許用彎曲應(yīng)力[σF]4.1電機(jī)類型選擇通過查閱資料可知，一般電動(dòng)螺旋千斤頂?shù)乃欧妱?dòng)機(jī)，有微型直流電動(dòng)機(jī)，微型交流電動(dòng)機(jī)，步進(jìn)電機(jī)等類型可選擇[10]。根據(jù)本設(shè)計(jì)，由于選擇在低速場(chǎng)合。選擇微型直流電機(jī)。微型電動(dòng)機(jī)，是一種體積小、功率小（輸出功率在三百瓦以下），工業(yè)用途廣泛、對(duì)性能和環(huán)境條件要求比較特殊的小型電動(dòng)機(jī)[11]。微型直流電機(jī)是微型電動(dòng)機(jī)的一個(gè)型號(hào)，效率高，直流電機(jī)相對(duì)交流電機(jī)體積比較小。微型直流電機(jī)相對(duì)比較合適對(duì)安裝位置有特殊要求的場(chǎng)合[12]。微型直流電機(jī)還有根據(jù)負(fù)載自動(dòng)變速的特點(diǎn)，根據(jù)速度變化來達(dá)到理想的電機(jī)啟動(dòng)扭矩和自動(dòng)來滿足載荷的要求。因此本設(shè)計(jì)電機(jī)選擇微型直流電動(dòng)機(jī)。4.2蝸桿力矩計(jì)算通過計(jì)算蝸輪上的轉(zhuǎn)矩已知T2=在蝸輪蝸桿設(shè)計(jì)中可得：=2，頭數(shù)為兩頭，根據(jù)式（3.14）計(jì)算的效率η=0.86，則由(4.1)(4.2)(4.3)可得：(4.4)(4.5)因此：蝸桿所承受力矩4.3電動(dòng)機(jī)功率計(jì)算因此根據(jù)上式可得：=0.1566取0.16又由于千斤頂工作速度為60rpm所以蝸輪的工作速度為60rpm根據(jù)蝸桿計(jì)算可知道蝸桿的轉(zhuǎn)速為1200rpm故可知：電機(jī)轉(zhuǎn)速1200r/min根據(jù)式(4.4)可計(jì)算得：則可取=200w故可取200w的電機(jī)。4.4電動(dòng)機(jī)選擇電機(jī)型號(hào)：4GN50K（220GA）微型直流電機(jī)(GA表示中心軸旋轉(zhuǎn))額定電壓：DC220V額定功率：200w空載轉(zhuǎn)速：1500r/min負(fù)載轉(zhuǎn)速：1200r/min額定扭矩：50N·m額定電流：0.1A產(chǎn)品單重：0.2kg外形尺寸：L=90mm5.1有限元分析本次設(shè)計(jì)通過ANSYS軟件，對(duì)于蝸桿進(jìn)行簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析。在建好模型之后，導(dǎo)入ANSYS中，通過對(duì)蝸桿模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)定設(shè)計(jì)的參數(shù)之后，可以計(jì)算出蝸桿在受載荷狀態(tài)下的應(yīng)力分布，以此來分析各支點(diǎn)的受力情況。對(duì)蝸桿的有限元分析用來分析蝸桿在給定扭矩作用下的具體受力情況。主要是蝸桿在受力之后支點(diǎn)的軸向位移、應(yīng)力矢量圖以及應(yīng)力云圖等參數(shù)。5.2文件的導(dǎo)入?yún)?shù)在Proe中建立好蝸桿的三維模型，轉(zhuǎn)存為igs格式的文件，導(dǎo)入到ANSYS中，得到ANSYS中的蝸桿模型。模型如圖5-1所示。圖5.1蝸桿模型5.3設(shè)置材料常數(shù)選擇MainMenu|Preprocessor|MaterialProps|MaterialModel命令選擇材料，蝸桿采用的材料選用45鋼，選擇Structural|Linear|Elastic|Isotropic命令，在對(duì)話框中添加彈性模量、泊松比、材料密度。其物理參數(shù)為：彈性模量EX=210GPa，泊松比PRXY=0.3，質(zhì)量密度為kg/m3。5.4劃分網(wǎng)格在ANSYS上網(wǎng)格劃分方式采用自由劃分網(wǎng)格，選擇MainMenu|Preprocessor|Meshing|Mesh|Volumes|Free命令和MainMenu|Preprocessor|Meshing|SizeControls|SmartSize|Basic功能進(jìn)行細(xì)化。選擇了均布網(wǎng)格。單元選用10節(jié)點(diǎn)，劃分之后形成33417個(gè)單元,49848個(gè)節(jié)點(diǎn),網(wǎng)格圖如圖5.2所示。圖5.2劃分網(wǎng)格圖5.5邊界條件保證蝸桿只有一個(gè)繞軸線旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)。符合實(shí)際的運(yùn)動(dòng)情況。并對(duì)蝸桿模型進(jìn)行位移約束和施加載荷。位移約束：根據(jù)蝸輪蝸桿傳動(dòng)時(shí)的實(shí)際情況，約束軸承安裝部位的兩個(gè)面上的節(jié)點(diǎn)的徑向位移,及其軸承安裝左軸段的面上的節(jié)點(diǎn)的軸向位移。載荷：根據(jù)傳動(dòng)時(shí)的實(shí)際情況，及模型的尺寸，力作用在蝸桿的傳動(dòng)部位,根據(jù)轉(zhuǎn)矩的計(jì)算公式:T=FR,計(jì)算之后,均勻處理,實(shí)際加載在每個(gè)節(jié)點(diǎn)的切向力大小為0.9336N。位移約束及載荷加載的情況如圖5.3所示圖5.3施加載荷圖5.6求解計(jì)算選擇通過ANSYS軟件計(jì)算出接觸齒在法向的應(yīng)力與應(yīng)變，在ANSYS求解結(jié)果中蝸桿所受的力會(huì)根據(jù)各部分的顏色進(jìn)行區(qū)分，每部分顏色相對(duì)應(yīng)的數(shù)值，在圖表下方也可以清晰看出?？砂l(fā)現(xiàn)蝸桿接觸點(diǎn)附近的應(yīng)力與應(yīng)變?yōu)榧t色區(qū)域，紅色區(qū)域最大數(shù)值點(diǎn)蝸桿的嚙合齒上。通過ANSYS求解能得到此點(diǎn)受到的最大應(yīng)力。節(jié)點(diǎn)解的等效應(yīng)力云圖如圖5.4所示，圖5.4等效應(yīng)力云圖同時(shí)等效位移云圖如圖5.5所示，圖5.5等效位移云圖5.7結(jié)論通過對(duì)蝸桿的結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析，最大等效應(yīng)力為93.011Mpa，發(fā)生在約束軸向位移嚙合點(diǎn)的齒面上。最大位移為0.268mm,發(fā)生在蝸輪蝸桿的接觸部位，最小位移為0