第二章螺旋机构

1、Northeastern University1Northeastern University2螺旋机构应用较广，常用的螺旋机构：螺旋机构应用较广，常用的螺旋机构： 千斤顶千斤顶、千分尺千分尺、丝杠丝杠等。等。三种螺旋机构图：三种螺旋机构图：（1 1）螺杆）螺杆1 1转动并移动，螺母转动并移动，螺母2 2固定固定1.组成：组成：螺旋机构螺旋机构的组成：的组成：螺母螺母、螺杆螺杆、机架机架Northeastern University3（2 2）螺杆转动，螺母移动）螺杆转动，螺母移动（3 3）螺杆移动，螺母转动）螺杆移动，螺母转动Northeastern University4Northeast

2、ern University52. 2. 螺旋机构的功用螺旋机构的功用变换运动方式：移动变转动，转动变移动。图例变换运动方式：移动变转动，转动变移动。图例2-22-2微小位移量的测量：微小位移量的测量： 例例1 1：螺旋千分尺：螺旋千分尺 习题图习题图2-72-7，P26P26 例例2 2：微压计：微压计 图图2-32-3，P16P16微调：微调：增力：例如千分尺增力：例如千分尺Northeastern University61. 1. 螺纹的形成螺纹的形成将底边为将底边为 d d的直角三角形，绕在直径为的直角三角形，绕在直径为d d、底面与三角形底、底面与三角形底边共面的圆柱体上，则三角形斜

3、边就在圆柱面上形成螺线。边共面的圆柱体上，则三角形斜边就在圆柱面上形成螺线。Northeastern University7螺纹螺纹d2螺旋线螺旋线- - 一动点在一圆柱体的表面上，一边绕轴线等速旋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。转，同时沿轴向作等速移动的轨迹。螺纹螺纹- - 一平面图形沿螺旋线运动，运动时保持该图形通过圆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。柱体的轴线，就得到螺纹。Northeastern University8（2）螺纹的参数）螺纹的参数外径（大径）外径（大径）d d（D D）： 与外螺纹牙顶相重

4、合的假想圆柱面直径，与外螺纹牙顶相重合的假想圆柱面直径，亦称公称直径。亦称公称直径。内径（小径）内径（小径）d1(D1) d1(D1) ： 与外螺纹牙底相重合的假想圆柱面直径。与外螺纹牙底相重合的假想圆柱面直径。中径中径d2 d2 ： 在轴向剖面内牙厚与牙间宽相等处的假想圆在轴向剖面内牙厚与牙间宽相等处的假想圆柱面的直径，柱面的直径，d20.5(d+d1)d20.5(d+d1)。螺纹升距螺纹升距S S ： 螺纹旋绕一周升高的距离。螺纹旋绕一周升高的距离。S螺纹升角螺纹升角 ： 用规定螺纹中径的螺旋线升角代替螺纹升角。用规定螺纹中径的螺旋线升角代替螺纹升角。2dStgNortheastern U

5、niversity9牙形角牙形角： 轴向截面内螺纹牙型相邻两侧边的夹角。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。牙型侧边与螺纹轴线的垂线间的夹角。 三角螺纹：三角螺纹： 2 =60 梯形螺纹：梯形螺纹：2 =30 矩形螺纹：矩形螺纹：2 =0螺纹旋向螺纹旋向： 有有左旋左旋和和右旋右旋之分，右旋最常用。之分，右旋最常用。螺纹线数螺纹线数Z Z： 有有单线单线螺纹、螺纹、双线双线螺纹、螺纹、三线三线螺纹。螺纹。螺距螺距P 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：相邻螺纹对应点之间的轴向距离，与升距之间的关系如下：ZSP Northeastern

6、University10Northeastern University11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Northeastern University12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潘存云教授研制潘存云教授研制Northeastern University13内螺纹外螺纹Pd1d

7、2d60内螺纹外螺纹Pd1d2d60内螺纹外螺纹Pd1d2d60内螺纹外螺纹Pd1d2d60外螺纹内螺纹Pd1d2d外螺纹内螺纹Pd1d2d外螺纹内螺纹Pd1d2d外螺纹内螺纹Pd1d2d30Pd1d2d外螺纹内螺纹30Pd1d2d外螺纹内螺纹30Pd1d2d外螺纹内螺纹30Pd1d2d外螺纹内螺纹P330内螺纹外螺纹d1d2dP330内螺纹外螺纹d1d2dP330内螺纹外螺纹d1d2dP330内螺纹外螺纹d1d2d锯齿形螺纹三角形螺纹矩形螺纹梯形螺纹Northeastern University14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

8、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螺纹右旋螺纹左旋螺纹左旋螺纹Northeastern University15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螺纹右旋螺纹左旋螺纹左旋螺纹单线螺纹单线螺纹多线螺纹多线螺纹一般

9、一般: n 4: n 4n n线螺纹线螺纹: : S = S = n n P P双线螺纹双线螺纹单线螺纹单线螺纹PSS = 2PPSPS =PNortheastern University16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螺纹右旋螺纹左旋螺纹左旋螺纹单线螺纹单线螺纹多线螺纹多线螺纹外螺纹外螺纹内螺纹内螺纹Northeastern University1

10、7外螺纹外螺纹内螺纹内螺纹潘存云教授研制潘存云教授研制Northeastern University18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螺纹右旋螺纹左旋螺纹左旋螺纹单线螺纹单线螺纹多线螺纹多线螺纹外螺纹外螺纹内螺纹内螺纹联接螺纹联接螺纹传动螺纹传动螺纹螺旋传动螺旋传动Northeastern University19潘存云教授研制联接螺纹联接螺纹传动螺纹

11、传动螺纹Northeastern University20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螺纹右旋螺纹左旋螺纹左旋螺纹单线螺纹单线螺纹多线螺纹多线螺纹外螺纹外螺纹内螺纹内螺纹联接螺纹联接螺纹传动螺纹传动螺纹圆柱螺纹圆柱螺纹圆锥螺纹圆锥螺纹Northeastern University21圆柱螺纹圆柱螺纹圆锥螺纹圆锥螺纹管螺纹管螺纹Northeastern

12、 University221. 1.简单螺旋机构简单螺旋机构 指由单一升程（导程）的螺旋副组成的螺旋机构。指由单一升程（导程）的螺旋副组成的螺旋机构。 例例1. 车床车床螺旋副螺旋副Northeastern University23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：HS2故有：2SHNortheastern University242. 差动螺旋机构差动螺旋机构 由升距不同的多对螺旋副组成的复合螺旋机构。由升距不同的多对螺旋副组成的复合螺旋机构。 功用功用：微量调节时，采用差动螺旋机构更为有效。微量调节时，采用差动螺旋机构更为有效。 例例2.螺杆螺杆1含有两种螺纹：含有

13、两种螺纹： 与螺母与螺母2（固定不动）组成升距（固定不动）组成升距s1的螺纹副；的螺纹副； 与螺母与螺母3（与针阀是一个整体，只能沿导轨移动，不能转动）（与针阀是一个整体，只能沿导轨移动，不能转动） 组成升距组成升距S2的螺旋副。的螺旋副。Northeastern University25螺母螺母2 2固定，螺杆固定，螺杆1 1转动转动 角时，带动阀芯向左移角时，带动阀芯向左移动距离动距离H1H1为：为：与螺母与螺母3 3组成的螺旋运动，螺杆组成的螺旋运动，螺杆1 1转动转动角时，阀芯角时，阀芯向右移动距离为向右移动距离为H2H2利用线性叠加原理，有：利用线性叠加原理，有：211SH222SH

14、2)()22(212121SSSSHHHNortheastern University26简单螺旋机构与差动螺旋机构二者相比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，要实现微调，利用简单螺旋机构，S S必须很小，但必须很小，但S S受受限制，一般最小为限制，一般最小为0.2mm0.2mm左右（再小就难以加工了），左右（再小就难以加工了），故利用下式，故利用下式，S1S1和和S2S2取值相接近取值相接近时，能有效地实现微调。时，能有效地实现微调。2)()22(212121SSSSHHHNortheastern University27r0MRFABQ1. 1. 螺旋机构的

15、受力分析螺旋机构的受力分析FQRABvA2r0p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FNortheastern University28（1 1）上行运动时）上行运动时AQFBRNvAFf=fNQRF)( QtgF螺纹副受力分析螺纹副受力分析Northeastern University29（2 2）下行运动时）下行运动

16、时Ff=fNRNFABQvAQFR)( QtgF)(tgFQNortheastern University30u上行运动时，水平力F为驱动力，Q为工作阻力。u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。Northeastern University312. 2. 自锁自锁 上行：上行： 22即即时，时，F0，F为负值，反向，与题意不符。为负值，反向，与题意不符。u当当 时，时， 表明表明F F无论多大（驱动力）都不能驱动滑无论多大（驱动力）都不能驱动滑块运动块运动，这种现象称为，这种现象称为自锁自锁。2F上行自锁上行自锁的条件为：的条件为：2)( QtgF)(tgF

17、Qu当当 时，时，下行：下行：当当 时，时， Q或为负值，下行时将自锁。或为负值，下行时将自锁。)( QtgFNortheastern University32一般情况下，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）。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）。但是但是下行自锁有其实际的意义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例如：千斤顶举起重物后松手，即不再维持驱动力矩T T后，不应自行下降。后，不应自行下降。结论：结论：自锁现象：自锁现象：即驱动力无论多大都不能驱动机构运动的现象。即驱动力无论多大都不能驱动机构运动的现

18、象。自锁的本质：自锁的本质：即驱动力不能克服其自身产生的摩擦阻力。即驱动力不能克服其自身产生的摩擦阻力。Northeastern University33例如：上行运动时F为驱动力； 其驱动分力为 ，摩擦力为 cosFsinFf cossinFFf)2(tgctgf)2( tgtg若要自锁，则即：有：2Northeastern University34例如：下行运动时：Q为驱动力； 其驱动分力为 ，摩擦力为 cosQfsinQsincosQQfcossinftgtg若要自锁：即 Northeastern University35自锁现象自锁现象的特点：的特点：（1 1）摩擦阻力是由驱动力产生的

19、）摩擦阻力是由驱动力产生的，即驱动力增大的同时，即驱动力增大的同时， 摩擦阻力也相应同时按比例增大。摩擦阻力也相应同时按比例增大。 例如例如 上行时，上行时， ；下行时，；下行时，（2 2）与驱动力大小无关。）与驱动力大小无关。即驱动力无限增大也不能使机构运动；即驱动力无限增大也不能使机构运动；（3 3）自锁是有方向性的。）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。即对驱动力可能产生的运动方向自锁，即单向自锁。（4 4）自锁是有条件性的。）自锁是有条件性的。如如 等，这就是所谓的自锁条件。等，这就是所谓的自锁条件。应用：应用： 螺纹联接螺纹联接：一般都是自锁的，即拧紧后不

20、会在支反力作用下自行松脱；：一般都是自锁的，即拧紧后不会在支反力作用下自行松脱； 精确定位精确定位：千斤顶精确定位的确定，不会再变动了。：千斤顶精确定位的确定，不会再变动了。sinFf sinQf Northeastern University363. 3. 螺旋机构的效率螺旋机构的效率 机械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。量、能耗大小的主要指标。AAAA211式中：式中：A1-A1-有用功（输出功），机构克服生产阻力所做的功。有用功（输出功），机构克服生产阻力所做的功。 A2- A2-无用功，摩擦

21、阻力、空气阻力，运动副中的损失等所消耗的功。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 - A -总功，总功，A=A1+A2A=A1+A2，驱动力所做的全部功。，驱动力所做的全部功。Northeastern University37下面分析一下螺旋机构的效率下面分析一下螺旋机构的效率22)(dtgQdFA21dtgQSQA上行上行：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：221)(dQtgdtgQAA)(tgtgFNortheastern University3810, 05 . 025 . 02)(2tgtgtgtgtg分析

22、：u 由于摩擦的存在，u 对于自锁机构有故故螺旋机构的效率较低，低于螺旋机构的效率较低，低于50%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。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。作业作业：对于下行时，螺旋机构的效率进行推导：对于下行时，螺旋机构的效率进行推导Northeastern University39分析分析：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）Northeastern University404. 4.当量摩擦系数当量摩擦系数 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