第11章 螺纹的形成.ppt

v
FN
FN
F
F
FQ FQ
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。
螺母
螺母
螺杆
矩形
FQ a
FN
螺杆

三角形
不同螺纹副间的受力
引入当量摩擦系数fv和当量摩擦角v来考虑非矩形 螺纹法向力的增加量，即用当量摩擦角v代替式（11-1） 至式（11-6）中的
螺纹

螺纹的牙型
30º
15º
30º
3º
矩形螺纹
三角形螺纹 梯形螺纹
锯齿形螺纹
矩形螺纹
按螺纹的牙型分 三角形螺纹 梯形螺纹
螺
锯齿形螺纹
纹 的 按螺纹的旋向分
分
类
按回转体的内外表面分
螺纹的牙型
30º
15º
30º
3º
矩形螺纹
三角形螺纹 梯形螺纹
锯齿形螺纹
矩形螺纹
按螺纹的牙型分
三角形螺纹 梯形螺纹
螺
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。 d2
(2) 小径 d1 与外螺纹牙底(或内螺纹牙顶)
h
相重合的假想圆柱体的直径。
(3)中径d d d d 2 也是一个假想圆柱的直径，该
21
圆柱的母线上牙型沟槽和凸起宽度相等。
(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 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
S =P
S = 2P
按母体形状分
单线螺纹
双线螺纹
矩形螺纹
按螺纹的牙型分
三角形螺纹 梯形螺纹
螺
锯齿形螺纹
纹 的 分
按螺纹的旋向分
右旋螺纹 左旋螺纹
类
按回转体的内外表面分
外螺纹 内螺纹
螺纹副
内螺纹 外螺纹
11.2 螺纹的主要几何参数
P/2 P/2
PS
(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。
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
F=FQtan(-)
（11-4）
此时，螺母反转一周时的输入功为W1=FQS，输出功
fv

f
cos

tan v
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，
Fr
Fr
B
C
Fa
A
(a)
(b)
(c)
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。
Fr
B
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。
11.2.2 非矩形螺旋副
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。
组成：螺杆、螺母、滚珠
滑动摩擦
滚动摩擦
类型：外循环、内循环
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。
返回通道
外循环
返回通道
反向器（返回通道）
返回通道
不离开螺旋表面，每 圈有一个反向器
螺旋
内循环
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；
11.2.1 矩形螺纹 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。
如图所示，将矩形螺纹沿中径d2处展开，得一倾斜
角为的斜面，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。
FN
FR
F
Ff

FQ
d2
v s
FR
FQ
F
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
L (S A S B ) 2
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。
（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, 需要供油系统。
11.3.2 滑动螺旋传动
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：
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
FN
v

荷FQ、水平推力F、斜面 对 滑 块 的 法 向 反 力 FN 以
FR
s
F
及摩擦力Ff 。FN与Ff的 合力为FR，Ff=fFN，f为
Ff FQ d2
摩 擦 系 数 ， FR 与 FN 的 夹
角为摩擦角。
FR
FQ
一般采用牙形角较小的梯形螺纹。
11.3 螺旋传动*
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的工作部分的直线 运动都是利用螺旋传动来实现的。
千斤顶
压力机
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：
F
由力FR、F和FQ组成的力多边形封闭图得
F=FQtan()
（11-1）
转动螺纹所需的转矩为
T1

F d2 2

d2 2
FQ
tan
（11-2）
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=2T1，有用功为W2=FQ×S，
其中，S=d2tan。
2
结构，主要是指螺杆
和螺母的固定与支承
3
的结构形式。图中所
4
示为螺旋起重器（千 斤顶）的结构，螺母5
5 6 7
与机架一起静止不动，
8
而螺杆7则既转动又移
9
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）。
6 13 5 2
8 4
7
三、滚动螺旋传动
2 3
L S np 2 2 1
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
L

(S A
-
SB
)
2
3
B
2A
1
螺旋副的效率为
h
W2 W1

FQd2 tan
FQd2 tan





tan
tan




（11-3）
效率h与螺纹升角和摩擦角有关，螺旋线的线数
多、升角大，则效率高，反之亦然。
当一定时，对式（11-3）求极值，可得当升角40°
时效率最高。
螺纹升角过大，螺纹制造很困难，而且当>25°后，
ψ
((67))牙螺型纹角升角α ψ 的平面的夹角
中径d2圆柱上，螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线
tgψ= πndP2
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 β
S
(8)接触高度 h
内外螺纹旋合后，接触面的径向高度。
ψ
π d2
α ββ
11.2 螺旋副的受力分析、效率和自锁
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；
滚动螺旋传动的缺点： 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。
锯齿形螺纹
纹 的 按螺纹的旋向分
分
右旋螺纹 左旋螺纹
类
按回转体的内外表面分
矩形螺纹
按螺纹的牙型分
三角形螺纹 梯形螺纹
锯齿形螺纹
螺
按螺纹的旋向分
右旋螺纹 左旋螺纹
纹 的
按螺旋线的根数分
单线螺纹 n线螺纹: S = n P 多线螺纹 一般: n ≤ 4
分 类
按回转体的内外表面分
SP
P
SP
按螺旋的作用分
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。
1
滑动螺旋传动的
(a)
(b)
Hale Waihona Puke Baidu
(c)
图11-14 静压螺旋传动的工作原理
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。
Fr
B
Fr C
Fa
A
Fr C
Fa
A
(a)
(b)
(c)
图11-14 静压螺旋传动的工作原理
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。
Fr
Fr
B
C
Fa
A
（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
（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。
螺旋传动按其摩擦性质又可分为：
（1）滑动螺旋：螺旋副作相对运动时产生滑动 摩擦的螺旋。
为W2=Fd2，则螺旋副的效率为
h ' W2 FQ tan - d2 tan -
W1
FQd2 tan
tan
（11-5）
由式（11-5）可知，当 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。
(a)
(b)
(c)
图11-14 静压螺旋传动的工作原理
四、静压螺旋传动简介
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。