机械设计基础之螺旋传动PowerScrew课件

《机械设计（Ⅲ）（零件）》第十章螺旋传动《机械设计（Ⅲ）（零件）》第十章螺旋传动1.螺旋传动结构、原理一、概述螺旋传动特点：结构紧凑，机械增益高；传动平稳、精度高；

易于自锁；磨擦磨损大，效率较低工作原理：通过螺纹结构，将回转运动转化为轴向直线运动，同时传递能量和力；回转运动←→直线运动；转矩←→推（拉）力。

螺母螺杆1.螺旋传动结构、原理一、概述螺旋传动特点：工作原理：螺母螺2.螺旋传动的应用（应用场合）二维数控台原理图2.螺旋传动的应用（应用场合）二维数控台原理图2.螺旋传动的应用螺旋千分尺螺旋测微器的精密螺纹的螺距是0.5mm，可动刻度有50个等分刻度，旋转每个小分度，相当于测微螺杆前进或后退这0.5/50=0.01mm。所以以螺旋测微器可准确到0.01mm。由于还能再估读一位，可读到毫米的千分位，故又名千分尺。2.螺旋传动的应用螺旋千分尺螺旋测微器的精密螺纹的螺距是0.螺旋千斤顶螺旋千斤顶立式加工中心立式加工中心根据用途分类1、传力螺旋

以传递动力为主，要求用较小的转矩产生较大的轴向推力。一般间歇工作，工作速度不高，而且通常要求自锁。2、传导螺旋

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。3、调整螺旋

用以调整并固定零件或部件之间的相对位置。要求能自锁。传力螺纹传导螺纹调整螺纹根据用途分类1、传力螺旋2、传导螺旋3、调整螺旋

按运动形式不同，螺旋传动分为：螺杆转动，螺母移动---最常用的形式如车床中的进给螺旋，龙门刨床横梁的升降装置螺杆转动并移动，螺母固定不动---精度较高，结构尺寸较大，如螺旋起重器，铣床工作台升降机构等螺母转动，螺杆移动---结构尺寸大且较复杂，如平面磨床的垂直进给螺旋等螺母转动并移动，螺杆固定不动---精度较低，如摇臂钻床横臂的升降装置及手动调整机构等按运动形式不同，螺旋传动分为：螺杆转动，螺母移动---最常根据摩擦类型分类滑动摩擦螺旋优点：结构简单、容易制造、传力较大、能够实现自锁要求，应用广泛。

梯形/锯齿形螺纹。缺点：容易磨损、传动效率低静压螺旋流体摩擦，传动效率高>90%滚动摩擦螺旋效率高，可达99％以上，传动精度高，不自锁，运动平稳，寿命长，但结构复杂，成本高，抗冲击性能差，不宜传递大载荷。根据摩擦类型分类滑动摩擦螺旋滚动摩擦螺旋效率高，可达99％以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。滑动摩擦滚动摩擦组成：螺杆、螺母、滚珠类型：外循环、内循环（3-5圈）滚动摩擦螺旋在螺旋和螺母之间设有封闭的循环滚道，其间充以滚珠，这样就使螺三、螺旋传动的运动关系螺母轴向位移：螺母轴向速度：一般螺旋：差动螺旋：（慢移）螺母轴向位移：反向螺旋：（快移）螺母轴向位移：右旋导程PA右旋导程PB单杠钢索调整装置三、螺旋传动的运动关系螺母轴向位移：螺母轴向速度：一般螺旋：螺杆的材料：需经热处理以达到高硬度。一般选择中碳钢，要求有足够的强度，常用35、45号钢;重要螺杆，则常用工具钢T10,T12或合金钢65Mn、40Cr、T12、20CrMnTi等。螺母材料：除要有足够的强度外，还要求在与螺杆配合时摩擦系数小和耐磨。常用材料有铸锡青铜，如ZCuSn10Pb1,ZCuSn5Pb5Zn5重载低速使用强度较高的铸铝铁青铜ZCuAl10Fe3或铸黄铜ZCuZn25Al6Fe3Mn3。低速不重要的螺旋传动也可用耐磨铸铁或灰铸铁。螺旋副需求：强度高、耐磨性、低磨檫系数材料的选取：螺杆的材料：需经热处理以达到高硬度。螺母材料：低速不重要的螺螺旋传动的失效螺旋传动工作时，在承受转矩T的同时，还承受轴向载荷Q。图14-1分别示出了螺旋压力机、螺纹起重器所受的载荷图。

螺旋传动的主要失效形式是螺纹磨损（它与材料、润滑和工作表面的压强有关），其他失效形式是螺纹牙折断或剪断，螺杆断裂，长螺杆受压失稳等。螺旋传动的失效螺旋传动工作时，在承受转矩T的同时，还承受四、滑动螺旋的设计计算滑动螺旋中螺母磨损是最主要的一种失效形式，会引起传动精度下降，空间大，并使强度下降。（反向间隙↑）

磨损的影响因素：工作面的压强，螺纹表面质量，滑动速度和润滑状态所以耐磨性计算主要限制螺纹工作面上压强P要求小于材料的许用比压。①当速度相同时，压强大，磨损量大②润滑油不被挤出，易形成油膜润滑1.耐磨性计算四、滑动螺旋的设计计算滑动螺旋中螺母磨损是最主要的一假想螺纹牙可以展成一长条，设螺旋的轴向载荷为F，螺母旋合高度为H、螺距为p，螺纹旋合圈数为Z=H/p、螺纹工作高度为h、承压面积为A，螺纹工作面上的压强为ps。则螺纹的耐磨性条件为：MPa若按耐磨性条件设计螺纹中径d2时，可引用系数以消去H校核耐磨性假想螺纹牙可以展成一长条，设螺旋的轴向载荷为F，螺母旋合高度对于锯齿形螺纹，h=0.75p,则对于矩形和梯形螺纹，h=0.5p（螺纹工作高度/螺距）,则设计公式对于锯齿形螺纹，h=0.75p,则对于矩形和梯形螺纹，h=系数的值（螺母高度/螺纹中径）：可根据螺母结构选定，整体式螺母，磨损后间隙不能调整，取=1.2~2.5;剖分式螺母:=2.5~3.5;对于传动精度较高时,允许=4由于旋合各圈受力不均,应使Z10计算出d2后,应选为标准值,螺纹的其它参数根据d2

按标准选取。系数的值（螺母高度/螺纹中径）：由于旋合各圈受力不均,应2.螺纹牙强度计算螺纹牙根部危险剖面的弯曲强度条件为：剖面α-α的剪切强度条件为：将螺母一圈螺纹沿螺纹大径处展开，即可视为一悬壁梁，每圈螺纹承受的平均压力F/z作用在中径d2的圆周上。

MPa2.螺纹牙强度计算螺纹牙根部危险剖面的弯曲强度条件为：剖面α式中:

d′--螺母螺纹大径，mm

h--螺纹牙的工作高度，mm

b--螺纹牙根部厚度，mm[]、[]b--螺母材料的许用剪切应力和许用弯曲应力，MPa式中:d′--螺母螺纹大径，mm螺杆工作时同时受轴面压力（拉力）Q与扭矩T的作用，截面受拉（压）应力与扭剪应力的复合作用∴按弯扭复合强度条件计算——第四强度理论

3.螺杆强度计算式中:d1--螺杆螺纹小径,mm[]--螺杆材料许用应力

F--螺杆所受轴向力,N

T--螺杆所受扭矩,N.mm螺杆工作时同时受轴面压力（拉力）Q与扭矩T的作用，截面受拉（Qc--螺杆稳定的临界载荷Qc与螺杆材料及长径比(柔度)有关Qc--螺杆稳定的临界载荷对于不淬火钢螺杆:当>90时当<90时对于<40的螺杆不用校核当λ≥85时(欧拉公式)

对于淬火钢螺杆:当<85时QCQCQCQC对于不淬火钢螺杆:当>90时当<90时对于<44.压杆稳定性计算当螺杆较细长且受较大轴向压力时，可能会双向弯曲而失效，螺杆相当于细杆，螺杆所承受的轴向压力Q小于其临界压力QcnS——螺杆稳定许用安全系数①传导螺旋nS=2.5~4.0；②传力螺旋nS=3.5~5.0；③精密螺杆或水平螺杆nS>4

4.压杆稳定性计算当螺杆较细长且受较大轴向压力时，可能会双向5、螺纹副自锁条件校核6、螺纹副传力效率当轴向载荷与运动方向相反时，取+号5、螺纹副自锁条件校核6、螺纹副传力效率当轴向载荷与运动方7、螺旋传动刚度计算针对高精度螺旋传动，如坐标镗床、齿轮磨床等每个导程变形量:d=dF+dTdF----轴向载荷使每个螺纹导程产生得变形量dT----转矩使每个螺纹导程产生得变形量单位长度变形量:D=d/s8、临界转速刚度校核针对高速旋转螺旋螺杆计算长度；螺杆螺纹小径；长度系数7、螺旋传动刚度计算针对高精度螺旋传动，如坐标镗床、齿轮磨(1)在下列四种具有相同公称直径和螺距，并采用相同配对材料的传动螺旋副中，传动效率最高的是

C。A.单线矩形螺旋副B.单线梯形螺旋副C.双线矩形螺旋副D.双线梯形螺旋副(2)滑动螺旋传动的失效形式多为D。螺杆压溃B.螺纹牙折断C.螺纹牙剪断D.螺纹磨损(3)A一般需要有较高的运动速度和传动效率，因此应采用多线螺纹。A.传导螺旋B.传力螺旋C.调整螺旋D.A、B、C三者(4)传动用螺纹(如梯形螺纹)的牙型斜角(牙侧角)比连接用螺纹(如三角形螺纹)的牙型斜角(牙侧角)小，这主要是为了提高传动效率

。(5)滑动螺旋传动的主要失效形式是螺纹磨损。(T)(6)滑动螺旋传动中螺杆螺纹牙易发生剪切和挤压破坏，应校核螺杆螺纹牙的强度。(F)(1)在下列四种具有相同公称直径和螺距，并采用相同配对材料《机械设计（Ⅲ）（零件）》第十章螺旋传动《机械设计（Ⅲ）（零件）》第十章螺旋传动1.螺旋传动结构、原理一、概述螺旋传动特点：结构紧凑，机械增益高；传动平稳、精度高；

易于自锁；磨擦磨损大，效率较低工作原理：通过螺纹结构，将回转运动转化为轴向直线运动，同时传递能量和力；回转运动←→直线运动；转矩←→推（拉）力。

螺母螺杆1.螺旋传动结构、原理一、概述螺旋传动特点：工作原理：螺母螺2.螺旋传动的应用（应用场合）二维数控台原理图2.螺旋传动的应用（应用场合）二维数控台原理图2.螺旋传动的应用螺旋千分尺螺旋测微器的精密螺纹的螺距是0.5mm，可动刻度有50个等分刻度，旋转每个小分度，相当于测微螺杆前进或后退这0.5/50=0.01mm。所以以螺旋测微器可准确到0.01mm。由于还能再估读一位，可读到毫米的千分位，故又名千分尺。2.螺旋传动的应用螺旋千分尺螺旋测微器的精密螺纹的螺距是0.螺旋千斤顶螺旋千斤顶立式加工中心立式加工中心根据用途分类1、传力螺旋

以传递动力为主，要求用较小的转矩产生较大的轴向推力。一般间歇工作，工作速度不高，而且通常要求自锁。2、传导螺旋

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。3、调整螺旋

用以调整并固定零件或部件之间的相对位置。要求能自锁。传力螺纹传导螺纹调整螺纹根据用途分类1、传力螺旋2、传导螺旋3、调整螺旋

按运动形式不同，螺旋传动分为：螺杆转动，螺母移动---最常用的形式如车床中的进给螺旋，龙门刨床横梁的升降装置螺杆转动并移动，螺母固定不动---精度较高，结构尺寸较大，如螺旋起重器，铣床工作台升降机构等螺母转动，螺杆移动---结构尺寸大且较复杂，如平面磨床的垂直进给螺旋等螺母转动并移动，螺杆固定不动---精度较低，如摇臂钻床横臂的升降装置及手动调整机构等按运动形式不同，螺旋传动分为：螺杆转动，螺母移动---最常根据摩擦类型分类滑动摩擦螺旋优点：结构简单、容易制造、传力较大、能够实现自锁要求，应用广泛。

梯形/锯齿形螺纹。缺点：容易磨损、传动效率低静压螺旋流体摩擦，传动效率高>90%滚动摩擦螺旋效率高，可达99％以上，传动精度高，不自锁，运动平稳，寿命长，但结构复杂，成本高，抗冲击性能差，不宜传递大载荷。根据摩擦类型分类滑动摩擦螺旋滚动摩擦螺旋效率高，可达99％以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。滑动摩擦滚动摩擦组成：螺杆、螺母、滚珠类型：外循环、内循环（3-5圈）滚动摩擦螺旋在螺旋和螺母之间设有封闭的循环滚道，其间充以滚珠，这样就使螺三、螺旋传动的运动关系螺母轴向位移：螺母轴向速度：一般螺旋：差动螺旋：（慢移）螺母轴向位移：反向螺旋：（快移）螺母轴向位移：右旋导程PA右旋导程PB单杠钢索调整装置三、螺旋传动的运动关系螺母轴向位移：螺母轴向速度：一般螺旋：螺杆的材料：需经热处理以达到高硬度。一般选择中碳钢，要求有足够的强度，常用35、45号钢;重要螺杆，则常用工具钢T10,T12或合金钢65Mn、40Cr、T12、20CrMnTi等。螺母材料：除要有足够的强度外，还要求在与螺杆配合时摩擦系数小和耐磨。常用材料有铸锡青铜，如ZCuSn10Pb1,ZCuSn5Pb5Zn5重载低速使用强度较高的铸铝铁青铜ZCuAl10Fe3或铸黄铜ZCuZn25Al6Fe3Mn3。低速不重要的螺旋传动也可用耐磨铸铁或灰铸铁。螺旋副需求：强度高、耐磨性、低磨檫系数材料的选取：螺杆的材料：需经热处理以达到高硬度。螺母材料：低速不重要的螺螺旋传动的失效螺旋传动工作时，在承受转矩T的同时，还承受轴向载荷Q。图14-1分别示出了螺旋压力机、螺纹起重器所受的载荷图。

螺旋传动的主要失效形式是螺纹磨损（它与材料、润滑和工作表面的压强有关），其他失效形式是螺纹牙折断或剪断，螺杆断裂，长螺杆受压失稳等。螺旋传动的失效螺旋传动工作时，在承受转矩T的同时，还承受四、滑动螺旋的设计计算滑动螺旋中螺母磨损是最主要的一种失效形式，会引起传动精度下降，空间大，并使强度下降。（反向间隙↑）

磨损的影响因素：工作面的压强，螺纹表面质量，滑动速度和润滑状态所以耐磨性计算主要限制螺纹工作面上压强P要求小于材料的许用比压。①当速度相同时，压强大，磨损量大②润滑油不被挤出，易形成油膜润滑1.耐磨性计算四、滑动螺旋的设计计算滑动螺旋中螺母磨损是最主要的一假想螺纹牙可以展成一长条，设螺旋的轴向载荷为F，螺母旋合高度为H、螺距为p，螺纹旋合圈数为Z=H/p、螺纹工作高度为h、承压面积为A，螺纹工作面上的压强为ps。则螺纹的耐磨性条件为：MPa若按耐磨性条件设计螺纹中径d2时，可引用系数以消去H校核耐磨性假想螺纹牙可以展成一长条，设螺旋的轴向载荷为F，螺母旋合高度对于锯齿形螺纹，h=0.75p,则对于矩形和梯形螺纹，h=0.5p（螺纹工作高度/螺距）,则设计公式对于锯齿形螺纹，h=0.75p,则对于矩形和梯形螺纹，h=系数的值（螺母高度/螺纹中径）：可根据螺母结构选定，整体式螺母，磨损后间隙不能调整，取=1.2~2.5;剖分式螺母:=2.5~3.5;对于传动精度较高时,允许=4由于旋合各圈受力不均,应使Z10计算出d2后,应选为标准值,螺纹的其它参数根据d2

按标准选取。系数的值（螺母高度/螺纹中径）：由于旋合各圈受力不均,应2.螺纹牙强度计算螺纹牙根部危险剖面的弯曲强度条件为：剖面α-α的剪切强度条件为：将螺母一圈螺纹沿螺纹大径处展开，即可视为一悬壁梁，每圈螺纹承受的平均压力F/z作用在中径d2的圆周上。

MPa2.螺纹牙强度计算螺纹牙根部危险剖面的弯曲强度条件为：剖面α式中:

d′--螺母螺纹大径，mm

h--螺纹牙的工作高度，mm

b--螺纹牙根部厚度，mm[]、[]b--螺母材料的许用剪切应力和许用弯曲应力，MPa式中:d′--螺母螺纹大径，mm螺杆工作时同时受轴面压力（拉力）Q与扭矩T的作用，截面受拉（压）应力与扭剪应力的复合作用∴按弯扭复合强度条件计算——第四强度理论

3.螺杆强度计算式中:d1--螺杆螺纹小径,mm[]--螺杆材料许用应力

F--螺杆所受轴向力,N

T--螺杆所受扭矩,N.mm螺杆工作时同时受轴面压力（拉力）Q与扭矩T的作用，截面受拉（Qc--螺杆稳定的临界载荷Qc与螺杆材料及长径比(柔度)有关Qc--螺杆稳定的临界载荷对于不淬火钢螺杆:当>90时当<90时对于<40的螺杆不用校核当λ≥85时(欧拉公式)

对于淬火钢螺杆:当<85时QCQCQCQC对于不淬火钢螺杆:当>90时当<90时对于<44.压杆稳定性计算当螺杆较细长且受较大轴向压力时，可能会双向弯曲而失效，螺杆相当于细杆，螺杆所承受的轴向压力Q小于其临界压力QcnS——螺杆稳定许用安全系数①传导螺旋nS=2.5~4.0；②传力螺旋nS=3.5~5.0；③精密螺杆或水平螺杆nS>4