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1、第十一章 螺纹的形成与螺旋传动,图11-1所示，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。如果用一个平面图形（梯形、三角形或矩形）沿着螺旋线运动，并保持此平面图形始终在通过圆柱轴线的平面内，则此平面图形的轮廓在空间的轨迹便形成螺纹。,11-1 螺纹的形成原理和类型及其主要参数,图11-1 螺纹的形成,根据平面图形的形状，螺纹牙形有矩形（图11-2a）、三角形（图11-2b）、梯形（图11-2c）和锯齿形（图11-2d）等。,根据螺旋线的绕行方向，螺纹分为右旋螺纹（图11-3a）和左旋螺纹（图11-3b）；根据螺旋线的数目，螺纹又可以分为单线螺纹（图11-3a）和双线或以上的多
2、线螺纹(图11-3b、c)。,a） b) c) d) 图11-2 螺纹的牙形,a) b) c) 图11-3 螺纹的旋向,在圆柱体外表面上形成的螺纹称为外螺纹，在圆柱体孔壁上形成的螺纹称为内螺纹（图11-4）。以三角螺纹为例，圆柱普通螺纹有以下主要参数：,图11-4 内、外螺纹,(3)中径d2、D2分别表示螺纹牙宽度和牙槽宽度相等处的圆柱直径。,(1)大径d、D分别表示外、内螺纹的最大直径，为螺纹的公称直径。,(2)小径d1、D1分别表示外、内螺纹的最小直径。,(4)螺距P表示相邻两螺纹牙同侧齿廓之间的轴向距离。,（5）线数n表示螺纹的螺旋线数目。,（6）导程S 表示在同一条螺旋线上相邻两螺纹牙
3、之间的轴向距离，S = nP。,（7）螺纹升角l在中径d2圆柱上螺旋线的切线与螺纹轴线的垂直平面间的夹角，如图11-1示，S=pd2tanl。,（8）牙形角a在螺纹轴向剖面内螺纹牙形两侧边的夹角。,如图11-5a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。如图11-5b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。,11-2 螺旋副的受力分析、效率和自锁,一、矩形螺纹,图11-5 螺纹的受力,a),b),如图11-5b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
4、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（图11-5b）得,F=FQtan(l+r),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（见图11-5b）。因此，螺旋副的效率为,由式（11-3）可知，效率h与螺纹升角l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。但是，螺纹升角过大，螺纹制造
5、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。,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FR、F和FQ组成的力多边形封闭图得,F=FQtan(l-r),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，这种现象称为螺旋副的自锁。h=0表明螺旋副处于临界自锁状态。因此螺旋副的自锁条件是,l r,设计螺旋副时，对要求正反转自由运动的螺旋副，应避免自
6、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。,二、非矩形螺旋副,图 11-6 斜面当量摩擦系数的计算,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（如图11-7示）。,a) 矩形 b)三角形 图11-7 不同螺纹副间的受力,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
7、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，又如螺旋压力机和螺旋千斤顶（图11-8）的工作部分的直线运动都是利用螺旋传动来实现的。,
8、11-3 螺旋传动*,图11-8 螺旋传动机械,（1）传力螺旋：以传递动力为主，一般要求用较小的转矩转动螺杆（或螺母）而使螺母（或螺杆）产生轴向运动和较大的轴向推力。例如螺旋千斤顶等。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。,一、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，要求能在较长的时间内连续工作，工作速度较高，因此，要求较高的传动精度。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，它不经常转动，一般在空载下调整，要求有可靠的自锁性能和精度，用于测量仪器
9、及各种机械的调整装置。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。滑动螺旋结构比较简单，螺母和螺杆的啮合是连续的，工作平稳，易于自锁，这对起重设备，调节装置等很有意义。但螺纹之间摩擦大、磨损大、效率低（一般在0.250.70之间，自锁时效率小于50%）；滑动螺旋不适宜用于高速和大功率传动。,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。滚动螺旋的摩擦阻力小，传动效率高（90%以上），磨损小，精度易保持，但结构复杂，成本高，不能自锁。滚动螺旋主要用于对传动精度要求较高的场合。,（3）静压螺旋：将静压原理应用于螺旋传动中。静压螺
10、旋摩擦阻力小，传动效率高（可达90%以上），但结构复杂，需要供油系统。适用于要求高精度、高效率的重要传动中，如数控、精密机床、测试装置或自动控制系统的螺旋传动中。,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：,二、滑动螺旋传动,图11-9 简单的滑动螺旋传动,图11-10是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,图11-10
11、 差动滑动螺旋传动,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3的位移L之间的关系为,这时，螺母3将获得较大的位移，它能使被联接的两构件快速接近或分开。这种差动滑动螺旋传动常用于要求快速夹紧的夹具或锁紧装置中，例如钢索的拉紧装置，某些螺旋式夹具等。,为了减轻滑动螺旋的摩擦和磨损，螺杆和螺母的材料除应具有足够的强度外，还应具有较好的减摩、耐磨性；由于螺母的加工成本比螺杆低，且更换较容易，因此应使螺母的材料比螺杆的材料软，使工作时所发生的磨损主要在螺母上
12、。,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11-11为螺旋起重器（千斤顶）的结构，螺母5与机架一起静止不动，而螺杆7则既转动又移
13、动，单向传力（外载荷Q向下作用）。图11-12的结构，螺母转动，螺杆移动，单向传力（外载荷Q向上作用）。,图11-11 螺旋起重器,图11-12 螺母转动螺杆移动,滑动螺旋传动虽有很多优点，但传动精度还不够高，低速或微调时可能出现运动不稳定现象，不能满足某些机械的工作要求。为此可采用滚动螺旋传动。如图11-13所示，滚动螺旋传动是在螺杆和螺母的螺纹滚道内连续填装滚珠作为滚动体，使螺杆和螺母间的滑动摩擦变成滚动摩擦。,三、滚动螺旋传动,螺母上有导管或反向器，使滚珠能循环滚动。滚珠的循环方式分为外循环和内循环两种，滚珠在回路过程中离开螺旋表面的称为外循环，（如图11-13a）所示，外循环加工方便，
14、但径向尺寸较大。滚珠在整个循环过程中始终不脱离螺旋表面的称为内循环，如图（11-13b）所示。,图11-13 滚动螺旋传动,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
15、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,图11-14 静压螺旋传动的工作原理,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。,