1、第11章 螺纹的形成 与螺旋传动,11.1 螺纹的形成原理和类型及其主要参数,11.2 螺旋副的受力分析、效率和自锁,11.3 螺旋传动*,11.1 螺纹的形成原理和类型及其主要参数,螺旋线-将一与水平面倾斜角为的直线绕在圆柱体上，即可形成一条螺旋线。,螺纹-一平面图形沿螺旋线运动，运动时保持该图形通过圆柱体的轴线，就得到螺纹。,螺纹,螺纹的牙型,按螺纹的牙型分,螺纹的分类,按螺纹的旋向分,按回转体的内外表面分,矩形螺纹 三角形螺纹 梯形螺纹 锯齿形螺纹,螺纹的牙型,按螺纹的牙型分,螺纹的分类,按螺纹的旋向分,按回转体的内外表面分,矩形螺纹 三角形螺纹 梯形螺纹 锯齿形螺纹,右旋螺纹,左旋螺纹
2、,按螺纹的牙型分,螺纹的分类,按螺纹的旋向分,按螺旋线的根数分,按回转体的内外表面分,按螺旋的作用分,按母体形状分,矩形螺纹 三角形螺纹 梯形螺纹 锯齿形螺纹,右旋螺纹,左旋螺纹,单线螺纹 多线螺纹,一般: n 4,双线螺纹,单线螺纹,S = 2P,S =P,n线螺纹: S = n P,按螺纹的牙型分,螺纹的分类,按螺纹的旋向分,按回转体的内外表面分,矩形螺纹 三角形螺纹 梯形螺纹 锯齿形螺纹,右旋螺纹,左旋螺纹,外螺纹 内螺纹,(3)中径d2 也是一个假想圆柱的直径，该圆柱的母线上牙型沟槽和凸起宽度相等。,(1)大径d 与外螺纹牙顶(或内螺纹牙底)相重合的假想圆柱体的直径。,(2) 小径 d
3、1 与外螺纹牙底(或内螺纹牙顶)相重合的假想圆柱体的直径。,(4) 螺距P 相邻两牙在中径线上对应两点间的轴向距离。,(5) 导程S,(6) 螺纹升角 中径d2圆柱上，螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面的夹角,(7)牙型角 轴向截面内螺纹牙型相邻两侧边的夹角。牙型侧边与螺纹轴线的垂线间的夹角。,牙侧角 ,S = nP,同一条螺旋线上的相邻两牙在中径线上对应两点间的轴向距P,11.2 螺纹的主要几何参数,(8)接触高度 h 内外螺纹旋合后，接触面的径向高度。,如图所示，在外力（或外力矩）作用下，螺旋副的相对运动，可看作推动滑块沿螺纹表面运动。,11.2 螺旋副的受力分析、效率和自锁,11.2.1
4、 矩形螺纹,如图所示，将矩形螺纹沿中径d2处展开，得一倾斜角为l的斜面，斜面上的滑块代表螺母，螺母与螺杆的相对运动可看成滑块在斜面上的运动。,如图所示，当滑块沿斜面向上等速运动时，所受作用力包括轴向载荷FQ、水平推力F、斜面对滑块的法向反力FN以及摩擦力Ff 。FN与Ff的合力为FR，Ff=fFN，f为摩擦系数，FR与FN的夹角为摩擦角r。,由力FR、F和FQ组成的力多边形封闭图得,转动螺纹所需的转矩为,螺旋副的效率h是指有用功与输入功之比。螺母旋转一周所需的输入功为W1=2pT1，有用功为W2=FQS，其中，S=pd2tanl。,（11-2）,螺旋副的效率为,（11-3）,效率h与螺纹升角l
5、和摩擦角r有关，螺旋线的线数多、升角大，则效率高，反之亦然。 当r一定时，对式（11-3）求极值，可得当升角l40时效率最高。 螺纹升角过大，螺纹制造很困难，而且当l25后，效率增长不明显，因此，通常升角不超过25。,如图11-5b示，当滑块沿斜面等速下滑时，轴向载荷FQ变为驱动滑块等速下滑的驱动力，F为阻碍滑块下滑的支持力，摩擦力Ff的方向与滑块运动方向相反。由FR、F和FQ组成的力多边形封闭图得,（11-5）,此时，螺母反转一周时的输入功为W1=FQS，输出功为W2=Fpd2，则螺旋副的效率为,由式（11-5）可知，当l r时，h 0，说明无论FQ力多大，滑块（即螺母）都不能运动，这种现象
6、称为螺旋副的自锁。h=0表明螺旋副处于临界自锁状态。,l r,因此螺旋副的自锁条件是,设计螺旋副时，对要求正反转自由运动的螺旋副，应避免自锁现象，工程中也可以应用螺旋副的自锁特性，如起重螺旋做成自锁螺旋，可以省去制动装置。,非矩形螺纹是指牙形角a不等于零的螺纹，包括三角形螺纹、梯形螺纹和锯齿形螺纹。如图11-6所示，非矩形螺纹的螺母与螺杆相对运动时，相当于楔形滑块沿楔形槽的斜面移动。,11.2.2 非矩形螺旋副,非矩形螺纹的受力分析与矩形螺纹的受力分析过程一样，而矩形螺纹与非矩形螺纹的不同之处在于，在相同轴向载荷FQ作用下，非矩形螺纹的法向力比矩形螺纹大。,不同螺纹副间的受力,螺母,螺杆,矩形
7、,引入当量摩擦系数fv和当量摩擦角rv来考虑非矩形螺纹法向力的增加量，即用当量摩擦角rv代替式（11-1）至式（11-6）中的r,可相应得到非矩形螺纹，当螺母分别处于等速上升和等速下降时，螺母所需的水平推力F、转动螺母所需转矩T1和螺旋副效率h的计算公式以及螺旋副自锁的条件。,牙形角a越大，螺纹效率越低。三角螺纹自锁性能比矩形螺纹好，静联接螺纹要求自锁，故多采用牙形角大的三角螺纹。传动螺纹要求螺旋副的效率h要高，一般采用牙形角较小的梯形螺纹。,在机械中，有时需要将转动变为直线移动。螺旋传动是实现这种转变经常采用的一种传动。例如机床进给机构中采用螺旋传动实现刀具或工作台的直线进给，又如螺旋压力机
8、和螺旋千斤顶的工作部分的直线运动都是利用螺旋传动来实现的。,11.3 螺旋传动*,（1）传力螺旋：这种传力螺旋主要是承受很大的轴向力，通常为间歇性工作，每次工作时间较短，工作速度不高，而且需要自锁。如螺旋千斤顶,11.3.1 螺旋传动的类型,螺旋传动由螺杆、螺母组成。按其用途可分为：,（2）传导螺旋：以传递运动为主如精密车床的走刀螺杆。,（3）调整螺旋：用于调整并固定零部件之间的相对位置如千分尺中的螺旋。,（1）滑动螺旋：螺旋副作相对运动时产生滑动摩擦的螺旋。,螺旋传动按其摩擦性质又可分为：,（2）滚动螺旋：螺旋副作相对运动时产生滚动摩擦的螺旋。,（3）静压螺旋：将静压原理应用于螺旋传动中,需
9、要供油系统。,图11-9是最简单的滑动螺旋传动。其中螺母3相对支架1可作轴向移动。设螺杆的导程为S，螺距为p，螺纹线数为n ，因此螺母的位移L和螺杆的转角（rad）有如下关系：,11.3.2 滑动螺旋传动,如图所示为一种差动滑动螺旋传动，螺杆2分别与支架1、螺母3组成螺旋副A和B，导程分别为SA和SB，螺母3只能移动不能转动。若左、右两段螺纹的螺旋方向相同，则螺母3的位移L与螺杆2的转角（rad）有如下关系,由式（11-9）可知，若A、B两螺旋副的导程SA和SB相差极小时，则位移L也很小，这种差动滑动螺旋传动广泛应用于各种微动装置中。,若图11-10两段螺纹的螺旋方向相反，则螺杆2的转角与螺母
10、3的位移L之间的关系为,对于硬度不高的螺杆，通常采用45、50钢；对于硬度较高的重要传动，可选用T12、65Mn、40Cr、40WMn、18CrMnTi等，并经热处理获得较高硬度。,对于精密螺杆，要求热处理后有较好的尺寸稳定性，可选用9Mn2V、CrWMn、38CrMoAlA等。,螺母常用材料为青铜和铸铁。要求较高的情况下，可采用ZCuSn10Pb1和ZCuSn5Pb5Zn5；重载低速的情况下，可用无锡青铜ZCuAl9Mn2；轻载低速的情况下，可用耐磨铸铁或铸铁。,滑动螺旋传动的结构，主要是指螺杆和螺母的固定与支承的结构形式。图中所示为螺旋起重器（千斤顶）的结构，螺母5与机架一起静止不动，而螺
11、杆7则既转动又移动，单向传力（外载荷Q向下作用）。,图中所示结构，螺母转动，螺杆移动，单向传力（外载荷Q向上作用）。,三、滚动螺旋传动,在螺旋和螺母之间设有封闭的循环滚道，其间充以滚珠，这样就使螺旋面的滑动摩擦成为滚动摩擦。,组成：螺杆、螺母、滚珠,返回通道,类型：外循环、内循环,不离开螺旋表面，每圈有一个反向器,滚动螺旋传动的优点：,效率高，一般在90%以上；,利用预紧可消除螺杆与螺母之间的轴向间隙，可得到较高的传动精度和轴向刚度；,静、动摩擦力相差极小，起动时无颤动，低速时运动仍很稳定；,工作寿命长；,具有运动可逆性，即在轴向力作用下可由直线移动变为转动；,滚动螺旋传动主要用于对传动精度要
12、求高的场合，如精密机床中的进给机构等。,为了防止机构逆转、需有防逆装置；,滚珠与滚道理论上为点接触，不宜传递大载荷，抗冲击性能较差；,结构较复杂；材料要求较高；,制造较困难。,滚动螺旋传动的缺点：,静压螺旋传动的工作原理如图11-14所示，压力油通过节流阀由内螺纹牙侧面的油腔进入螺纹副的间隙，然后经回油孔（虚线所示）返回油箱。当螺杆不受力时，螺杆的螺纹牙位于螺母螺纹牙的中间位置，处于平衡状态。此时，螺杆螺纹牙的两侧间隙相等，经螺纹牙两侧流出的油的流量相等。因此油腔压力也相等。,四、静压螺旋传动简介,当螺杆受轴向力Fa（图11-14a ）作用而向左移动时，间隙C1减小、C2增大（图11-14c），由于节流阀的作用使牙左侧的压力大于右侧，从而产生一个与Fa大小相等方向相反的平衡反力，从而使螺杆重新处于平衡状态。,当螺杆受径向力Fr作用而下移时，油腔A侧隙减小，B、C侧隙增大（图11-14b），由于节流阀作用使A侧油压增高，B、C侧油压降低，从而产生一个与Fr大小相等方向相反的平衡反力，从而使螺杆重新处于平衡状态。,当螺杆一端受一径向力Fr（图11-14a）的作用形成一倾复力矩时，螺纹副的E和J侧隙减小，D和C侧隙增大，同理由于两处油压的变化产生一个平衡力矩，使螺杆处于平衡状态。因此螺旋副能承受轴向力、径向力和径向力产生的力矩。,
