第九节 螺旋传动
一、螺旋传动的类型和应用
螺旋传动是用螺杆和螺母传递运动和动力的机械传动，主要用于把旋转运动转换成直线运动，将转矩转换成推力。
按相对运动关系，螺旋传动常用的运动形式有以下三种： 1、螺杆原位转动、螺母移动，多用于机床进给机构；
2、螺母固定、螺杆转动和移动，多用于螺旋压力机构中； 3、螺母原位转动、螺杆移动，用于升降装置。
图a螺杆转动，螺母移动 图b 螺母固定，螺杆转、移动 图c 螺母转动，螺杆移动
——主要用来传递运动，通常要求具有较高 的运动精?传导螺旋：? 度，回转?直线运动。例如：机床的 刀架、工? ? 作台等进给机构。?按用途不同分为?
——主要以增力为主，利用螺旋斜面的增力原理，获?传力螺旋：? 得大的轴向力。例如：千斤顶、螺旋压力机等。??调整螺旋：——用于调整并固定零件之间的相对位置。例如：电? 冰箱的地脚螺旋。?? 1、传动螺旋
它以传递动力为主，要求用较小的转矩产生较大的轴向推力。一般为间歇工作，工作速度不高，而且通常要求自锁，如千斤顶(图c)，搬动手柄对螺杆加一个转矩，则螺杆旋转并产生很大轴向力推力以举起重物。左右螺旋提升机构也是一个主要的应用。 2、传导螺旋
它以传递运动为主，常要求具有高的运动精度。一般在较长时间内连续工作，工作速度
也较高。例如用于机床进给机构的传导螺旋，螺杆旋转，推动螺母连同滑板和刀架作直线运动。
机床进给螺旋 带传动用调整螺旋
3、调整螺旋
它用以调整并固定零件或部件之间的相对位置。一般不在工作载荷作用下转动，要求能自锁，有时也要求有很高的精度。例如用于带传动张紧的调整螺旋。在调整带的张紧力时，先松开螺栓，旋转调整螺旋，把滑轨上的电动机推到所需的位置，然后再将螺栓拧紧。
?滑动螺旋：结构简单，加工方便，利于自。锁，但摩擦大???按摩擦性质不同分?滚动螺旋：??，但结构复杂，加工不 便。?静压螺旋：靠外界输入的高压油实现液体静压润滑。??。?
滑动螺旋 滑动螺旋结构简单，便于制造，易于自锁，应用范围较广。但主要缺点是摩擦阻力大，传动效率低（一般为30%~40%)，磨损快，传动精度低。
滚动螺旋 滚动螺旋传动具有传动效率高、启动力矩小、传动灵敏平稳、工作寿命长等优点，故目前在机床、汽车、航空、航天及武器等制造业中应用颇广。缺点是制造工艺比较复杂，特别是长螺杆更难保证热处理及磨削工艺质量，刚性和抗振性能较差。
静压螺旋 为了降低螺旋传动的摩擦，提高传动效率，并增强螺旋传动的刚性和抗振性能，可以将静压原理应用于螺旋传动中，制成静压螺旋。
二、滑动螺旋的结构和材料
1、滑动螺旋的结构
滑动螺旋传动常用的螺纹牙型有矩形、梯形、锯齿形和三角形。其中梯形螺纹应用最广，锯齿形螺纹用于单面受力，矩形螺纹由于工艺性较差，强度较低等原因，应用较少，三角形螺纹在受力不大的调整螺旋等情况有时也采用。螺杆常用右旋螺纹，只在某些特殊的场合，如车床横向进给丝杠，为了符合操作习惯，才采用左旋螺纹。传力螺旋和调整螺旋要求自锁时，应采用单线螺纹。对于传导螺旋，为了提高其传动效率和直线运动的速度，可采用多线（3～4线）螺纹。
滑动螺旋的结构主要是指螺杆、螺母的固定和支承的结构形式。螺旋传动的工作刚度与精度等和支承结构有直接关系。
当螺杆短而粗且垂直布置时，如起重和加压装置的传力螺旋，可以利用螺母本身作为支承(图a,b,c)。当螺杆细长且水平布置时，象机床的丝杆，应在螺杆的两端或中间附加支承，以提高螺杆的工作刚度。对于轴向尺寸较大的螺杆，应考虑采用对接的组合结构代替整体结构，以减少制造工艺上的困难。
螺母的结构除要求满足强度外，还要考虑其他的一些需要。最常用的是整体螺母，这种螺母结构简单，但由于磨损产生的轴向间隙不能补偿，只能用于精度较低的传动螺旋。对于双向传动的传导螺旋，为了消除轴向间隙和补偿旋合螺纹的磨损，避免反向转动时的空行程，可采用一些特殊结构。下面所示的可调螺母螺母，其右半部可通过一圆螺母定期调节，并用另一圆螺母锁紧。 在滑动螺旋传动结构中采用的是组合螺母，松脱螺钉1，通过转动调整螺钉2使楔块3上下运动，同样可消除轴向间隙和补偿旋合螺纹的磨损。图示的对开螺母，转动槽形凸轮，则螺母的上下部分分别上下移动而与螺杆分离，当反转凸轮合紧螺母时，螺纹轴向间隙也能消除（除矩形螺纹外）。
可调螺母图 组合螺母 对开螺母
2、滑动螺旋的材料 失效形式
①磨损——螺纹副之间的磨损，主要是胶合和磨料磨损。是滑动螺旋的最常见的失效形式。螺杆的直径和螺母的高度常有耐磨性要求决定。
②螺杆的断裂——③螺纹牙的断裂—
? 当受力较大时，也可能会产生此类失效。
④螺杆受压失稳——对细长的受压螺杆也可此种失效。 材料
螺旋副的材料要求：除了具有足够的强度外，还要有好的耐磨性。螺杆和螺母配合时摩擦系数要小。
螺杆材料：Ⅰ碳钢，不淬火（正火，调制）。例：45、Q275等。
Ⅱ碳钢、合金钢淬火。例：45、40Cr等。
Ⅲ工具钢淬火。例：T10、T12（碳素工具钢含碳量1％，1.2％）等。 以上两类用于重要的精密丝杠。
注：零件只要是要求硬度高的，则往往要淬火，而淬火后，有变形，为了保证精度必须上磨床，磨削。
##??青铜合金常用铜合金???黄铜螺母材料? ??或铸铁?耐磨铸铁?用于低速、轻载场合???灰铸铁???主要是要求减摩性好。
注意：虽然螺母的材料强度和硬度比螺杆要低。这主要是基于如下设计思想：把磨损集中在螺母（一个件），磨损到一定程度，只更换螺母即可。
?梯形 滑动螺旋常用的螺纹牙形有??矩形
?锯齿形?——结构简单，但磨损后产生轴向间隙，无法调整。?整体螺母： 螺母的结构分为：? ——磨损后，产生轴向间隙可以调整，使间隙消除。?开合螺母：?（剖分螺母）?
三、滑动螺旋传动的设计计算
1、耐磨性计算
由于磨损是最常见的失效形式，所以，设计中首先应该满足耐磨性要求。影响磨损的因素很多，到目前为止，对于磨损计算，尚无完善的方法。但是，我们知道，影响磨损的主要因素是，螺纹工作面上的压强。所以，耐磨性计算主要是限制螺纹工作面的压强，使之不超过许用值。
即： p??p? 条件： p?式中：F—－轴向力
FF???p? A?d2hud2—－螺纹中径
?梯形、矩形：h?0.5ph—－螺纹工作高度 ?
?锯齿形：h?0.75pu—－旋合圈数：u?H H—螺母高度 p?p?——许用压强（见教材P93 表5-12）
（磨损主要发生在螺母上）
设计之前：d2、h、u都是没有确定的。为了设计方便，引入系数：??H?H??d2， d2?u??d2p，将此式代入前页的“条件式”可得 d2?Fp
??h?p?对梯形、矩形螺纹：（h=0.5p） 代入上式得： d2?0.8对锯齿形螺纹：（h=0.75p）
F ??p?d2?0.65?＝1.2～2.5?整体式螺母：Φ的取值?开合式螺母：?＝2.5～3.5??最大时：可取?＝4?F ??p??? ???则螺母厚，Z?。?? 由耐磨性计算，按上式确定出螺纹的中径，并按标准选取标准的公称直径d和螺距p。之后，计算：
?H??d2—－要求圆整? H?（不圆整）（原因如前 所述，是“载荷分布”问题。?Z?p?10? 耐磨性计算中，确定了螺旋的尺寸参数之后，对其他的失效形式进行校核计算。 2、螺杆强度计算
工作中，螺杆受拉（压）和扭（转矩M）的同时作用，可用第四强度理论计算当量应力： 条件为：
?2?3?2????
4F??? F——轴向力 2??d1式中： ? ????M3?0.21d?3、螺纹牙强度
从材料选择可见，螺母材料强度较弱。所以，主要是螺母牙发生破坏。因此，主要是计算螺母牙的强度。 （把螺牙看作是悬臂梁）
F?剪切强度条件： ??????dtZ?1 ?3Fh?弯曲强度条件： 2???b???dt1Z?
4、螺母外径与凸缘的强度计算
对于支撑螺母，需要校核螺母本体的强度。
5、螺杆受压稳定性计算 条件为：
Fcr?2.5~4 F?2EI Fcr?2(?l)式中：Fcr——螺杆的稳定临界载荷
β——长度系数：与两端支座形式有关。（见教材 P96 表5-14） l——为螺杆最大受压长度
5、验算自锁条件
对有自锁要求的螺旋传动：应满足的条件为： Ψ≤?' Ψ——螺纹升角；
?'——当量摩擦角
tg? 'tg(???)螺旋传动的效率：??（可以推出：反向自锁的螺旋传动：η<50％）
四、滚动螺旋传动简介
滚动螺旋可分为滚珠螺旋和滚子螺旋两大类 图示为总循环式滚珠螺旋，在由螺母和螺杆的近似半圆形螺旋凹槽拚合而成的滚道中装有适量的滚珠，并用螺母上制出的通路及导向辅助件构成闭合回路，以备滚珠连续循环。
五、静压螺旋传动简介
在静压螺旋中（下图），螺杆仍为一具有梯形螺纹的普通螺杆，但在螺母每圈螺纹牙两个侧面的中径处，各开有3~4个油腔，压力油通过节流器进入油腔，产生一定的油腔压力。 当螺杆未受载荷时，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。 当螺杆受轴向载荷时，螺杆沿受载方向产生一位移，螺纹牙一侧间隙增大，另一侧间隙减小。由于节流器的调节作用，使间隙减小一侧的油腔压力增高，而另一侧的油腔压力降低。于是两侧油腔便形成压力差，从而使螺杆重新处于平衡状态。
当螺杆承受径向载荷或倾覆力矩时，其工作情况与上述的相同。
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