丝杠螺母驱动平行四杆升降机构的设计与分析

翟志恒, 葛正浩, 张凯凯, 屈 毅

(1.陕西科技大学机电工程学院， 陕西 西安 710021;2.咸阳西北医疗器械(集团)有限公司， 陕西 咸阳 712000)

0 引 言

丝杠螺母机构是将旋转运动转化为直线运动，并能同时进行能量和力传递的传动装置[1].在牙椅的升降机构中引入丝杠螺母机构，可为牙椅提供平稳的工作速度，有效简化升降机构.将其与平行四杆机构组合，使螺杆的动力端与曲柄一端对接，另一端与机架相连接，可实现两曲柄以相同速度同向转动，并使连杆相对于机架平动，从而带动牙椅椅面实现圆周形升降.其传动过程中，其传动性能平稳，且可获得较大的传动扭矩，机构强度和稳定性易于控制，此外其制造加工简单，成本低廉.

1 升降机构的设计

该升降机构由底板、前支撑架、中座架、中架轴1、中架轴2、摆架、摆杆、摆杆前轴、摆架前轴、驱动电机、丝杠螺母机构、电机转轴、电机下轴、丝杠保持架、丝杠铰接轴等构件组成.底板与前支撑架连接，摆架及摆杆安装在前支撑架与中座架之间，驱动电机通过电机安装座固定在底板上，丝杠螺母机构两端的安装孔分别与电机输出端及丝杠保持架对接.

其基本结构采用平行四边形的四杆机构，其两对边始终分别平行且长度相等，即摆架两端孔距与摆杆两端孔距连线相互平行且孔距相同，前支撑架两个安装孔中心连线与中座架两个安装孔中心连线相互平行且孔距相等.驱动电机作为动力源，通过电机的双向旋转运动将动力通过丝杠螺母机构转化为直线运动，并推动升降机构做圆周升降运动，从而实现机构的预期功能.

2 丝杠螺母传动机构的设计

此升降机构的传动形式为传力螺旋，其主要失效形式是螺旋表面的磨损、螺杆的拉断(受压时丧失稳定)或剪断以及螺纹牙根部的剪断及弯断.设计时常以耐磨性计算和强度计算确定螺旋[2，3]传动的主要尺寸，为此丝杠螺母机构的设计首先需要明确设计要求，并在此基础上进行相关尺寸参数的确定.

图1 升降机构的结构简图 图2 丝杠推程力的力学简图

2.1 升降机构推程力的确定

设最大垂直起重力(即升降机构以上部分的自重和载重的总重力)，Fy=6 000 N，为使此升降机构得到所需的运动方式，由图2的力学简图可知，丝杠螺母沿轴向的推程力F=Fy/sinθ,θ角在20°～60°范围内变化，故可得到在升降机构运动过程中所需的最大推程力F=6 000/sin20°≈17 550 N，取F=18 000 N.

2.2 丝杠尺寸参数的确定

丝杠采用梯形单头螺纹，则螺距p=导程s，升降运动所需速度约在0.1～0.2 m/s内，许用比压为[p]=7～10 N/mm2，取8.5 N/mm2.

2.3 螺母尺寸参数的确定

经查表并推导得螺母尺寸参数：D1=d-2H1=d-p=27，D2=d-2z=d-0.5p=28.5，D4=d+2ac=31，H4=H1+ac=0.5p+ac=2.

图3 丝杠螺母传动机构装配简图

3 丝杠螺母传动机构的验算分析

3.1 丝杠螺母机构的自锁性验算

3.2 丝杠螺母机构的材料选用及强度验算

螺母材料选用青铜ZCuAl10Fe3,查表可知，许用应力[δb]=40～60 N/mm2，可取[δb]=50 N/mm2；许用应力[τ]=30～40 N/mm2，可取[τ]=35 N/mm2.

3.3 丝杠螺母机构的螺纹强度验算

3.4 丝杠螺母机构的稳定性验算

3.5 丝杠螺母机构的效率计算

4 驱动系统的选型

电机的转动通过对螺母施加转动副的形式实现，电机带动螺母做轴向旋转的同时，驱动安装在电机保持架处的丝杠相对于螺母做直线运动.

5 结束语

本文通过计算升降机构的推程力，确定了各传动机构部件的尺寸参数；校核了丝杠螺母机构的自锁性能，并对丝杠的强度性能、螺纹的强度性能、丝杠螺母机构的稳定性进行了验算，从而得到了满足机构要求的丝杠螺母机构；对传动效率的计算为升降机构的设计提出了理论依据，对于驱动系统的选型具有一定的参考价值.

参考文献

[1] 孙 恒，陈作模，葛文杰．机械原理[M]. 北京：高等教育出版社，2006.

[2] 程大先．机械设计手册[M]. 北京：化学工业出版社，1993.

[3] 华大年，华志宏．连杆机构设计与应用创新[M]. 北京：机械工业出版社，2008.

[4] 袁 博. 医疗器械运动学及动力学仿真分析[D]. 北京：北京化工大学硕士学位论文，2004.

[5] 刘 颖. 医用直线加速器治疗床升降机构的运动分析[J].天津：机械设计，2006，(8)：300-302.