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1、第第1111章章 螺纹的形成螺纹的形成与螺旋传动与螺旋传动11.1 11.1 螺纹的形成原理和类型及其主要参数螺纹的形成原理和类型及其主要参数11.2 11.2 螺旋副的受力分析、效率和自锁螺旋副的受力分析、效率和自锁11.3 11.3 螺旋传动螺旋传动*11.1螺纹的形成原理和类型及其主要参数螺纹的形成原理和类型及其主要参数d2螺螺旋旋线线-将将一一与与水水平平面面倾倾斜斜角角为为 的的直直线线绕绕在在圆圆柱柱体上，即可形成一条螺旋线。体上，即可形成一条螺旋线。螺螺纹纹-一一平平面面图图形形沿沿螺螺旋旋线线运运动动，运运动动时时保保持持该该图图形通过圆柱体的轴线，就得到螺纹。形通过圆柱体的轴
2、线，就得到螺纹。螺纹螺纹 螺纹的牙型螺纹的牙型矩形螺纹矩形螺纹三角形螺纹三角形螺纹梯形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹锯齿形螺纹1530330按螺纹的牙型分按螺纹的牙型分螺螺纹纹的的分分类类按螺纹的旋向分按螺纹的旋向分按回转体的内外表面分按回转体的内外表面分矩形螺纹矩形螺纹三角形螺纹三角形螺纹梯形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹锯齿形螺纹螺纹的牙型螺纹的牙型矩形螺纹矩形螺纹三角形螺纹三角形螺纹梯形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹锯齿形螺纹1530330按螺纹的牙型分按螺纹的牙型分螺螺纹纹的的分分类类按螺纹的旋向分按螺纹的旋向分按回转体的内外表面分按回转体的内外表面分矩形螺纹矩形螺纹三角形螺纹三角形螺纹梯形螺纹梯形螺纹锯齿形
3、螺纹锯齿形螺纹右旋右旋螺纹螺纹左旋左旋螺纹螺纹按螺纹的牙型分按螺纹的牙型分螺螺纹纹的的分分类类按螺纹的旋向分按螺纹的旋向分按螺旋线的根数分按螺旋线的根数分按回转体的内外表面分按回转体的内外表面分按螺旋的作用分按螺旋的作用分按母体形状分按母体形状分矩形螺纹矩形螺纹三角形螺纹三角形螺纹梯形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹锯齿形螺纹右旋右旋螺纹螺纹左旋左旋螺纹螺纹单线螺纹单线螺纹多线螺纹多线螺纹 一般一般:n4双线螺纹双线螺纹单线螺纹单线螺纹PSS=2PPSPS=Pn线螺纹线螺纹:S=nP按螺纹的牙型分按螺纹的牙型分螺螺纹纹的的分分类类按螺纹的旋向分按螺纹的旋向分按回转体的内外表面分按回转体的内外表面分矩形螺
4、纹矩形螺纹三角形螺纹三角形螺纹梯形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹锯齿形螺纹右旋右旋螺纹螺纹左旋左旋螺纹螺纹外螺纹外螺纹内螺纹内螺纹螺纹副螺纹副外螺纹外螺纹内螺纹内螺纹(3)中径中径d2也是一个假想圆柱的直径，该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。圆柱的母线上牙型沟槽和凸起宽度相等。d1d2d(1)大径大径d与外螺纹牙顶与外螺纹牙顶(或内螺纹牙底或内螺纹牙底)相相重合的假想圆柱体的直径。重合的假想圆柱体的直径。(2)小径小径d1与外螺纹牙底与外螺纹牙底(或内螺纹牙或内螺纹牙顶顶)相重合的假想圆柱体的直径。相重合的假想圆柱体的直径。(4)螺距螺距P相邻两牙在中径线上对应两点相邻两
5、牙在中径线上对应两点间的轴向距离。间的轴向距离。(5)导程导程S(6)螺纹升角螺纹升角中径中径d2圆柱上，螺旋线的切线与垂直于螺纹轴圆柱上，螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面的夹角线的平面的夹角(7)牙型角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。纹轴线的垂线间的夹角。tg=d2nP牙侧角牙侧角d2SS=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P11.2 11.2 螺纹的主要几何参数螺纹的主要几何参数SPP/2P/2(8)接触高度接触高度h内外螺
6、纹旋合后，接触面的径向高度内外螺纹旋合后，接触面的径向高度。h 如图所示，在外力（或外力矩）作用下，螺旋副如图所示，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。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、效率和自锁螺旋副的受力分析、效率和自锁11.2.1矩形螺纹矩形螺纹如图所示，将矩形螺纹沿中径如图所示，将矩形螺纹沿中径d2处展开，得一倾斜处展开，得一倾斜角为角为 的斜面，斜面上的滑块代表螺母，螺母与螺杆的的斜面，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。相对运动可看成滑块在斜面上的运动。如如图图所所示示，当当滑滑
7、块块沿沿斜斜面面向向上上等等速速运运动动时时，所所受受作作用用力力包包括括轴轴向向载载荷荷FQ、水水平平推推力力F、斜斜面面对对滑滑块块的的法法向向反反力力FN以以及及摩摩擦擦力力Ff。FN与与Ff的的合合力力为为FR，Ff=fFN，f为为摩摩擦擦系系数数，FR与与FN的的夹夹角为摩擦角角为摩擦角r r。由力由力FR、F和和FQ组成的力多边形封闭图得组成的力多边形封闭图得F=FQtan(+r r)（11-1）转动螺纹所需的转矩为转动螺纹所需的转矩为 螺旋副的效率螺旋副的效率h h是指有用功与输入功之比。螺母旋是指有用功与输入功之比。螺母旋转一周所需的输入功为转一周所需的输入功为W1=2=2p
8、pT1 1，有用功为有用功为W2=FQ S，其中，其中，S S=p pd2tan。（11-2）螺旋副的效率为螺旋副的效率为（11-3）效率效率h h与螺纹升角与螺纹升角 和摩擦角和摩擦角r r有关，螺旋线的线数有关，螺旋线的线数多、升角大，则效率高，反之亦然。多、升角大，则效率高，反之亦然。当当r r一定时，对式一定时，对式（11-3）求极值，可得当升角）求极值，可得当升角 4040 时效率最高。时效率最高。螺纹升角过大，螺纹制造很困难，而且当螺纹升角过大，螺纹制造很困难，而且当 25 后，效后，效率增长不明显，因此，通常升角不超过率增长不明显，因此，通常升角不超过25。如如图图11-5b示示
9、，当当滑滑块块沿沿斜斜面面等等速速下下滑滑时时，轴轴向向载载荷荷FQ变变为为驱驱动动滑滑块块等等速速下下滑滑的的驱驱动动力力，F为为阻阻碍碍滑滑块块下下滑滑的的支支持持力力，摩摩擦擦力力Ff的的方方向向与与滑滑块块运运动动方方向向相相反反。由由FR、F和和FQ组成的力多边形封闭图得组成的力多边形封闭图得F=FQtan(-r r)（11-4）（11-5）此此时时，螺母反，螺母反转转一周一周时时的的输输入功入功为为W1=FQS，输输出功出功为为W2=Fp pd2，则则螺旋副的效率螺旋副的效率为为由由式式（11-5）可可知知，当当 r r时时，h h 0，说说明明无无论论FQ力力多多大大，滑滑块块（
10、即即螺螺母母）都都不不能能运运动动，这这种种现现象象称称为为螺旋副的自锁。螺旋副的自锁。h h=0表明螺旋副处于临界自锁状态。表明螺旋副处于临界自锁状态。r r 因此螺旋副的自锁条件是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，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，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。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非矩形螺纹是指牙形角a a不等于零的螺纹，包括不等于零的螺纹，包括三角形螺纹、梯形螺纹和锯齿形螺纹。
11、三角形螺纹、梯形螺纹和锯齿形螺纹。如图如图11-6所示，所示，非矩形螺纹的螺母与螺杆相对运动时，相当于楔形滑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。块沿楔形槽的斜面移动。11.2.2非矩形螺旋副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，在相同轴向载荷相同轴向载荷F FQ Q作用下，非矩形螺纹的法向力比矩形螺作用下，非矩形螺纹的法向力比矩形螺纹大。纹大。不同螺纹副间的受力不同螺纹副间的受力螺母螺母螺杆螺杆矩形矩形三角形三角
12、形螺杆螺杆螺母螺母 引入当量摩擦系数引入当量摩擦系数fv和和当量摩擦角当量摩擦角r rv v来考来考虑虑非矩形非矩形螺螺纹纹法向力的增加量，即用当量摩擦角法向力的增加量，即用当量摩擦角r rv v代替式代替式（11-11-1 1）至式至式（11-611-6）中的中的r r 可相可相应应得到非矩形螺得到非矩形螺纹纹，当螺母分，当螺母分别处别处于等速上于等速上升和等速下降升和等速下降时时，螺母所需的水平推力，螺母所需的水平推力F F、转动转动螺母螺母所需所需转转矩矩T T1 1和螺旋副效率和螺旋副效率h h的的计计算公式以及螺旋副自算公式以及螺旋副自锁锁的条件。的条件。牙形角牙形角a a越大，螺纹
13、效率越低。三角螺纹自锁性越大，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形角大的三角螺纹。传动螺纹要求螺旋副的效率h h要高，要高，一般采用牙形角较小的梯形螺纹。一般采用牙形角较小的梯形螺纹。在在机机械械中中，有有时时需需要要将将转转动动变变为为直直线线移移动动。螺螺旋旋传传动动是是实实现现这这种种转转变变经经常常采采用用的的一一种种传传动动。例例如如机机床床进进给给机机构构中中采采用用螺螺旋旋传传动动实实现现刀刀具具或或工工作作台台的的直直线线进进给给，又又如如螺螺旋旋压压
14、力力机机和和螺螺旋旋千千斤斤顶顶的的工工作作部部分分的的直直线线运动都是利用螺旋传动来实现的。运动都是利用螺旋传动来实现的。11.3 11.3 螺旋传动螺旋传动*千斤顶千斤顶压力机压力机（1）传传力力螺螺旋旋：这这种种传传力力螺螺旋旋主主要要是是承承受受很很大大的的轴轴向向力力，通通常常为为间间歇歇性性工工作作，每每次次工工作作时时间间较较短短，工工作作速速度度不高，而且需要自锁。如螺旋千斤顶不高，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的类型螺旋传动由螺杆、螺母组成。按其用途可分为：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
15、杆。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。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滑动螺旋：螺旋副作相对运动时产生滑动摩擦的螺旋。摩擦的螺旋。螺旋传动按其摩擦性质又可分为：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滚动螺旋：螺旋副作相对运动时产生滚动摩擦的螺旋。摩擦的螺旋。（3）静压螺旋：将静压原理应用于螺旋传动中静压螺旋：将静压原理应用于螺旋传动中,需要供油系统。需要供油系统。图图11-9是是最最简简单单的的滑滑动动螺螺旋旋
16、传传动动。其其中中螺螺母母3相相对对支支架架1可可作作轴轴向向移移动动。设设螺螺杆杆的的导导程程为为S，螺螺距距为为p，螺螺纹纹线线数数为为n，因因此此螺螺母母的的位位移移L和和螺螺杆杆的的转转角角（rad）有如下关系：有如下关系：11.3.2滑动螺旋传动滑动螺旋传动123如如图图所所示示为为一一种种差差动动滑滑动动螺螺旋旋传传动动，螺螺杆杆2分分别别与与支支架架1、螺螺母母3组组成成螺螺旋旋副副A和和B，导导程程分分别别为为SA和和SB，螺螺母母3只只能能移移动动不不能能转转动动。若若左左、右右两两段段螺螺纹纹的的螺螺旋旋方方向向相相同同，则则螺螺母母3的的位位移移L与与螺杆螺杆2的转角的转
17、角（rad）有如下关系有如下关系由式（由式（11-9）可知，若）可知，若A、B两螺旋副的导程两螺旋副的导程SA和和SB相差极小时，则位移相差极小时，则位移L也很小，这种差动滑动螺旋传也很小，这种差动滑动螺旋传动广泛应用于各种微动装置中。动广泛应用于各种微动装置中。若若图图11-10两两段段螺螺纹纹的的螺螺旋旋方方向向相相反反，则则螺螺杆杆2的的转角转角 与螺母与螺母3的位移的位移L之间的关系为之间的关系为对于硬度不高的螺杆，通常采用对于硬度不高的螺杆，通常采用45、50钢；对于钢；对于硬度较高的重要传动，可选用硬度较高的重要传动，可选用T12、65Mn、40Cr、40WMn、18CrMnTi等
18、，并经热处理获得较高硬度。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对于精密螺杆，要求热处理后有较好的尺寸稳定性，可选用性，可选用9Mn2V、CrWMn、38CrMoAlA等。等。螺母常用材料为青铜和铸铁。要求较高的情况下，螺母常用材料为青铜和铸铁。要求较高的情况下，可采用可采用ZCuSn10Pb1和和ZCuSn5Pb5Zn5；重载低速的情重载低速的情况下，可用无锡青铜况下，可用无锡青铜ZCuAl9Mn2；轻载低速的情况下，轻载低速的情况下，可用耐磨铸铁或铸铁。可用耐磨铸铁或铸铁。滑动螺旋传动的滑动螺旋传动的结构，主要是指螺杆结构，主要是指螺杆和螺母的固定与支承和螺
19、母的固定与支承的结构形式。图中所的结构形式。图中所示为螺旋起重器（千示为螺旋起重器（千斤顶）的结构，螺母斤顶）的结构，螺母5与机架一起静止不动，与机架一起静止不动，而螺杆而螺杆7则既转动又移则既转动又移动，单向传力（外载动，单向传力（外载荷荷Q向下作用）。向下作用）。987654312图中所示结构，图中所示结构，螺母转动，螺杆移动，螺母转动，螺杆移动，单向传力（外载荷单向传力（外载荷Q向上作用）。向上作用）。87425316外循环外循环内循环内循环螺旋螺旋三、滚动螺旋传动三、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。滑动摩擦滑动摩擦 滚
20、动摩擦滚动摩擦组成：螺杆、组成：螺杆、螺母、滚珠螺母、滚珠返回通道返回通道类型：外循环、内循环类型：外循环、内循环反向器（返回通道）反向器（返回通道）返回通道返回通道返回通道返回通道不离开螺旋表面，每圈有一个反向器滚动螺旋传动的优点：滚动螺旋传动的优点：效率高，一般在效率高，一般在90%以上；以上；利用预紧可消除螺杆与螺母之间的轴向间隙，可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；得到较高的传动精度和轴向刚度；静静、动动摩摩擦擦力力相相差差极极小小，起起动动时时无无颤颤动动，低低速速时运动仍很稳定；时运动仍很稳定；工作寿命长；工作寿命长；具具有有运运动动可可逆逆性
21、性，即即在在轴轴向向力力作作用用下下可可由由直直线线移动变为转动；移动变为转动；滚滚动动螺螺旋旋传传动动主主要要用用于于对对传传动动精精度度要要求求高高的的场场合合，如如精密机床中的进给机构等。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；为了防止机构逆转、需有防逆装置；滚滚珠珠与与滚滚道道理理论论上上为为点点接接触触，不不宜宜传传递递大大载载荷荷，抗冲击性能较差；抗冲击性能较差；结构较复杂；材料要求较高；结构较复杂；材料要求较高；制造较困难。制造较困难。滚动螺旋传动的缺点：滚动螺旋传动的缺点：静静压压螺螺旋旋传传动动的的工工作作原原理理如如图图11-14所所示示，压压力力油油通通过
22、过节节流流阀阀由由内内螺螺纹纹牙牙侧侧面面的的油油腔腔进进入入螺螺纹纹副副的的间间隙隙，然然后后经经回回油油孔孔（虚虚线线所所示示）返返回回油油箱箱。当当螺螺杆杆不不受受力力时时，螺螺杆杆的的螺螺纹纹牙牙位位于于螺螺母母螺螺纹纹牙牙的的中中间间位位置置，处处于于平平衡衡状状态态。此此时时，螺螺杆杆螺螺纹纹牙牙的的两两侧侧间间隙隙相相等等，经经螺螺纹牙两侧流出的油的流量相等。因此油腔压力也相等。纹牙两侧流出的油的流量相等。因此油腔压力也相等。四、静压螺旋传动简介四、静压螺旋传动简介图图11-14静压螺旋传动的工作原理静压螺旋传动的工作原理FaFrFrpr2pr1C1C2CAB(a)(b)(c)当
23、当螺螺杆杆受受轴轴向向力力Fa（图图11-14a）作作用用而而向向左左移移动动时时，间间隙隙C1减减小小、C2增增大大（图图11-14c），由由于于节节流流阀阀的的作作用用使使牙牙左左侧侧的的压压力力大大于于右右侧侧，从从而而产产生生一一个个与与Fa大大小小相相等等方方向向相相反反的的平平衡衡反反力力，从从而而使使螺螺杆杆重重新新处处于于平平衡衡状状态。态。图图11-14静压螺旋传动的工作原理静压螺旋传动的工作原理FaFrFrpr2pr1C1C2CAB(a)(b)(c)当螺杆受径向力当螺杆受径向力Fr作用而下移时，油腔作用而下移时，油腔A侧隙减侧隙减小，小，B、C侧隙增大（图侧隙增大（图11-
24、14b），），由于节流阀作用使由于节流阀作用使A侧油压增高，侧油压增高，B、C侧油压降低，从而产生一个与侧油压降低，从而产生一个与Fr大大小相等方向相反的平衡反力，从而使螺杆重新处于平衡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。状态。图图11-14静压螺旋传动的工作原理静压螺旋传动的工作原理FaFrFrpr2pr1C1C2CAB(a)(b)(c)当螺杆一端受一径向力当螺杆一端受一径向力Fr（图图11-14a）的作用形的作用形成一倾复力矩时，螺纹副的成一倾复力矩时，螺纹副的E和和J侧隙减小，侧隙减小，D和和C侧隙侧隙增大，同理由于两处油压的变化产生一个平衡力矩，使增大，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。和径向力产生的力矩。图图11-14静压螺旋传动的工作原理静压螺旋传动的工作原理FaFrFrpr2pr1C1C2CAB(a)(b)(c)