第二章 螺旋机构

1,第二章螺旋机构,主要内容：2.1概述2.2螺纹的形成、种类及参数1.3螺旋机构的传动规律1.4螺旋机构的摩擦和效率,2,1.1概述,2。螺旋机构,螺旋机构应用较广，常用的螺旋机构：千斤顶、千分尺、丝杠等。,三种螺旋机构图：,（1）螺杆1转动并移动，螺母2固定,1.组成：螺旋机构的组成：螺母、螺杆、机架,3,（2）螺杆转动，螺母移动,（3）螺杆移动，螺母转动,1.1概述,2。螺旋机构,4,1.1概述,2。螺旋机构,5,2。螺旋机构,2.1概述,2.螺旋机构的功用变换运动方式：移动变转动，转动变移动。图例2-2微小位移量的测量：例1：螺旋千分尺习题图2-7，P26例2：微压计图2-3，P16微调：增力：例如千分尺,6,2.2螺纹的形成、种类及参数,2。螺旋机构,1.螺纹的形成,将底边为d的直角三角形，绕在直径为d、底面与三角形底边共面的圆柱体上，则三角形斜边就在圆柱面上形成螺线。,7,2.2螺纹的形成、种类及参数,2。螺旋机构,螺纹,螺旋线-一动点在一圆柱体的表面上，一边绕轴线等速旋转，同时沿轴向作等速移动的轨迹。,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。,8,2.2螺纹的形成、种类及参数,2。螺旋机构,（2）螺纹的参数,外径（大径）d（D）：与外螺纹牙顶相重合的假想圆柱面直径，亦称公称直径。,内径（小径）d1(D1)：与外螺纹牙底相重合的假想圆柱面直径。,中径d2：在轴向剖面内牙厚与牙间宽相等处的假想圆柱面的直径，d20.5(d+d1)。,螺纹升距S：螺纹旋绕一周升高的距离。,S,螺纹升角：用规定螺纹中径的螺旋线升角代替螺纹升角。,9,2.2螺纹的形成、种类及参数,2。螺旋机构,牙形角：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。三角螺纹：2=60梯形螺纹：2=30矩形螺纹：2=0螺纹旋向：有左旋和右旋之分，右旋最常用。螺纹线数Z：有单线螺纹、双线螺纹、三线螺纹。螺距P：相邻螺纹对应点之间的轴向距离，与升距之间的关系如下：,10,2.2螺纹的形成、种类及参数,2。螺旋机构,11,2。螺旋机构,2.2螺纹的形成、种类及参数,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,12,螺纹的牙型,矩形螺纹,三角形螺纹,梯形螺纹,锯齿形螺纹,15,30,3,30,潘存云教授研制,潘存云教授研制,2.2螺纹的形成、种类及参数,2。螺旋机构,13,锯齿形螺纹,三角形螺纹,矩形螺纹,梯形螺纹,2.2螺纹的形成、种类及参数,2。螺旋机构,14,2.2螺纹的形成、种类及参数,2。螺旋机构,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,15,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:n4,n线螺纹:S=nP,双线螺纹,单线螺纹,S=2P,S=P,2.2螺纹的形成、种类及参数,2。螺旋机构,16,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,外螺纹内螺纹,2.2螺纹的形成、种类及参数,2。螺旋机构,17,外螺纹,潘存云教授研制,潘存云教授研制,2.2螺纹的形成、种类及参数,2。螺旋机构,18,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,外螺纹内螺纹,联接螺纹传动螺纹,螺旋传动,2.2螺纹的形成、种类及参数,2。螺旋机构,19,潘存云教授研制,联接螺纹,传动螺纹,2.2螺纹的形成、种类及参数,2。螺旋机构,20,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,外螺纹内螺纹,联接螺纹传动螺纹,圆柱螺纹圆锥螺纹,2.2螺纹的形成、种类及参数,2。螺旋机构,21,圆柱螺纹,圆锥螺纹,管螺纹,2.2螺纹的形成、种类及参数,2。螺旋机构,22,2.3螺旋机构的传动规律,1.简单螺旋机构指由单一升程（导程）的螺旋副组成的螺旋机构。例1.车床,螺旋副,2。螺旋机构,23,2.3螺旋机构的传动规律,2。螺旋机构,螺杆转动时，螺杆移动的距离为H，由于是线性关系，可以写为：,故有：,24,2.3螺旋机构的传动规律,2。螺旋机构,2.差动螺旋机构由升距不同的多对螺旋副组成的复合螺旋机构。功用：微量调节时，采用差动螺旋机构更为有效。例2.,螺杆1含有两种螺纹：与螺母2（固定不动）组成升距s1的螺纹副；与螺母3（与针阀是一个整体，只能沿导轨移动，不能转动）组成升距S2的螺旋副。,25,2.3螺旋机构的传动规律,2。螺旋机构,螺母2固定，螺杆1转动角时，带动阀芯向左移动距离H1为：与螺母3组成的螺旋运动，螺杆1转动角时，阀芯向右移动距离为H2利用线性叠加原理，有：,26,2.3螺旋机构的传动规律,2。螺旋机构,简单螺旋机构与差动螺旋机构二者相比要实现微调，利用简单螺旋机构，S必须很小，但S受限制，一般最小为0.2mm左右（再小就难以加工了），故利用下式，S1和S2取值相接近时，能有效地实现微调。,27,2.4螺旋机构的摩擦和效率,2。螺旋机构,1.螺旋机构的受力分析,研究螺旋传动时，假定螺杆螺母之间的正压力是作用在平均半径为r0的螺旋线上。如果忽略各圆柱面上螺旋线升角的差异，当将螺旋的螺纹展开后，得连续斜面,滑块A受到下列诸力处于平衡状态：（1）轴向作用力Q（重物及螺母的集中重量），垂直向下；（2）斜面对滑块的反力R法向支反力N及摩擦力F之合力，与铅垂线夹角为+（3）水平力F,28,2.4螺旋机构的摩擦和效率,2。螺旋机构,（1）上行运动时,螺纹副受力分析,29,2.4螺旋机构的摩擦和效率,2。螺旋机构,（2）下行运动时,30,上行运动时，水平力F为驱动力，Q为工作阻力。下行运动时，Q变为驱动力，F则转变为维持Q匀速下滑的水平力，即工作阻力。,2.4螺旋机构的摩擦和效率,2。螺旋机构,31,2.4螺旋机构的摩擦和效率,2。螺旋机构,2.自锁上行：,即,时，F0，F为负值，反向，与题意不符。,当时，表明F无论多大（驱动力）都不能驱动滑块运动，这种现象称为自锁。,上行自锁的条件为：,当时，,下行：,当时，,或为负值，下行时将自锁。,32,2.4螺旋机构的摩擦和效率,2。螺旋机构,一般情况下，不要求上行自锁（因为上行是工作状态，自锁则不能正常工作）。但是下行自锁有其实际的意义。例如：千斤顶举起重物后松手，即不再维持驱动力矩T后，不应自行下降。结论：自锁现象：即驱动力无论多大都不能驱动机构运动的现象。自锁的本质：即驱动力不能克服其自身产生的摩擦阻力。,33,例如：上行运动时F为驱动力；其驱动分力为，摩擦力为,若要自锁，则,即：,有：,2.4螺旋机构的摩擦和效率,2。螺旋机构,34,2.4螺旋机构的摩擦和效率,2。螺旋机构,例如：下行运动时：Q为驱动力；其驱动分力为，摩擦力为,若要自锁：,即,35,2.4螺旋机构的摩擦和效率,2。螺旋机构,自锁现象的特点：（1）摩擦阻力是由驱动力产生的，即驱动力增大的同时，摩擦阻力也相应同时按比例增大。例如上行时，；下行时，（2）与驱动力大小无关。即驱动力无限增大也不能使机构运动；（3）自锁是有方向性的。即对驱动力可能产生的运动方向自锁，即单向自锁。（4）自锁是有条件性的。如等，这就是所谓的自锁条件。应用：螺纹联接：一般都是自锁的，即拧紧后不会在支反力作用下自行松脱；精确定位：千斤顶精确定位的确定，不会再变动了。,36,2.4螺旋机构的摩擦和效率,2。螺旋机构,3.螺旋机构的效率机械效率是指机构的有用功和无用功之比。是衡量机构传动质量、能耗大小的主要指标。,式中：A1-有用功（输出功），机构克服生产阻力所做的功。A2-无用功，摩擦阻力、空气阻力，运动副中的损失等所消耗的功。A-总功，A=A1+A2，驱动力所做的全部功。,37,2.4螺旋机构的摩擦和效率,2。螺旋机构,下面分析一下螺旋机构的效率,上行：螺杆旋转一周，驱动力F做的输入机构总功A,有用功A1是将重物Q升起一个升距S作的功,故效率为：,F,38,2.4螺旋机构的摩擦和效率,2。螺旋机构,分析：由于摩擦的存在，,对于自锁机构有,故,故螺旋机构的效率较低，低于50%对于大功率的传动机构，不宜采用自锁机构，因其传动效率较低。,作业：对于下行时，螺旋机构的效率进行推导,39,2.4螺旋机构的摩擦和效率,2。螺旋机构,分析：决定螺旋机构传动效率的因素：，；,对于大功率（执行机构）或要求灵活性好的机构（如测量机构），力求增加（节省能源），这样可减少信号损失，提高测量精度。因此可以采用滚珠螺旋机构，但它不能设计为自锁的机构（滚动摩擦，较小，不能实现）,40,2.4螺旋机构的摩擦和效率,2。螺旋机构,4.当量摩擦系数前面讲的是矩形螺纹（最简单的一种），对于其他的螺纹（三角形、梯形和锯齿形），引入了当量摩擦系数。下面讲述当量摩擦系数的概念。其他条件相同（Q、f或、相同），比较矩形螺纹和三角形螺纹的受力情况。,41,2.4螺旋机构的摩擦和效率,2。螺旋机构,矩形螺纹,三角形螺纹,正压力,摩擦力,N,N,不同螺纹力的比较,实际上是法向正压力N变了，但在这里认为其不变，只是摩擦系数f变了，摩擦系数增大了。,42,2.4螺旋机构的摩擦和效率,2。螺旋机构,其意义为：以当量摩擦系数,代替了实际摩擦系数,将非平面的问题转化为平面的问题。目前在工程手册中已有,和,其简化过程已计算三角形螺纹P、，自锁条件为例。用,、,代替,、带入相应的矩形螺纹的平面公式计算即可。,的关系式，用时查一下即可。,上行上行下行,43,2.4螺旋机构的摩擦和效率,2。螺旋机构,讨论两种螺纹的用途：,当牙形