任务4.5 螺旋传动的分析与选择

《机械分析与设计基础》

情境4常用机械传动的分析与设计任务4.5螺旋传动的分析与选择1.任务条件

如已知工作台的传动装置，采用的滚珠丝杠传动（滚动螺旋传动），如图4-5-0所示。2.任务要求分析工作台滚珠丝杠传动装置的组成、工作原理和使用，填写表4-5-0。【下达任务】图4-5-0工作台滚珠丝杠传动装置表4-5-0滚珠丝杠分析表结构组成工作原理端部支承方式调整与预紧润滑与密封

【能力目标】

1.学会滑动螺旋传动的分析与选择。2.学会滚动螺旋传动的分析与选择。4

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2.5.1

螺旋传动概述

螺旋传动是精密机械中常用的一种传动形式。它利用螺杆与螺母的相对运动，将旋转运动转化为直线运动，同时传递运动和动力。。

一、螺旋传动的类型

1.传力螺旋传动：主要用来传递轴向力，要求用较小的力矩转动螺杆（或螺母）而使螺母（或螺杆）产生直线移动和较大的轴向力，例如：螺旋千斤顶和螺旋压力机（图4-5-2b）的螺旋等。要求足够的强度。

2.传导螺旋传动：

主要用来传递轴向力，要求具有较高的传动精度，例如车床刀架和进给机构的螺旋（图4-5-2a）等。4.5.0螺旋传动类型与形式（一）按工作性质分类

3.调整螺旋

主要用来调整和固定零件或工件的相互位置，不经常传动，受力也不大，如车床尾座和卡盘头的螺旋等。

（二）按其接触面间摩擦性质分类

1、滑动螺旋传动：

2、滚动螺旋传动：主要介绍滚珠螺旋传动。

3、静压螺旋传动：

（二）按螺旋的结构特点分类

螺旋传动机构可分为单螺旋机构和双螺旋机构。

1.单螺旋机构单螺旋机构由一个螺杆和一个螺母组成。根据螺杆和螺母相对运动的组合情况，单螺旋传动有四种基本传动形式，其运动形式及应用特点见表4-5-1。2.双螺旋机构

双螺旋机构是由一个具有两段螺纹的螺杆和两个螺母组成的两个螺旋副。通常将两个螺母中的一个固定，另一个移动（只能移动不能转动），并以螺杆为转动主动件。双螺旋机构因螺旋副的旋向不同，可以形成差动螺旋机构和复合螺旋机构。单螺旋机构双螺旋机构1-螺杆；2-螺母；3-支架；4-螺母图4-5-3自动定心螺旋机构1-螺杆；2-移动螺母；3-机架图4-5-2差动传动原理4.5.2滑动螺旋传动的分析与选择螺杆螺母机架螺旋副（主动件）（从动件）回转运动直线往复移动直线移动转动？（一）结构与组成一、滑动螺旋传动的结构特点

滑动螺旋传动的本质是螺纹传动，其结构简单，加工方便，制造成本低，具有自锁功能；但其摩擦阻力矩大、传动效率低（30％40％）。常用传动螺纹的类型主要有梯形螺纹、锯齿形螺纹或矩形螺纹，其中梯形螺纹应用最广，锯齿形螺纹用于单面受力。除矩形螺纹外其它已标准化。标准螺纹的基本尺寸可查阅有关标准。（二）螺旋机构的螺纹1.螺旋机构的螺纹的形成

螺旋传动的基础是螺纹，图中有一直径为的圆柱体和一底边长为的直角三角形。若将三角形绕在圆柱体上，并使三角形的底边与圆柱体的底边圆周重合，则三角形的斜边就在圆柱面上形成一条螺旋线。

如果将三角形、矩形和梯形的平面图形沿螺旋线移动，就形成各种类型的螺纹。2.螺纹的五要素（1）牙型（螺纹截面形状）三角形——多用于连接梯形矩形锯齿形——多用于传动（2）线数

单线双线三角形螺纹

多线双线螺纹（3）旋向

左旋右旋（4）直径

1）大径2）小径3）中径（5）螺距P、导程Ph螺距——相邻螺纹牙间的轴向距离导程——同一条螺旋线上相邻螺纹牙间的轴向距离导程=螺距×线数

一对螺纹连接件必须五要素都相同才能旋合在一起双线螺纹螺纹自锁

螺纹升角较小

在传动机构中，“螺纹自锁”的特性能够实现准确可靠的轴向定位。（三）螺纹自锁1。优点：结构简单，制造方便；较小回转力矩

较大轴向力；工作平稳，传动精度高；易于自锁。适用场合：传递功率不大的场合缺点：摩擦损失大,传动效率低（四）滑动螺旋传动的特点1.降速比大：螺杆（或螺母）转动一转，螺母（或螺杆）移动一个螺距（单头螺纹）。因为螺距很小，在很大的转角时才有很小的位移。这样大大地缩短了机构的传动链，因而，结构简单、紧凑，传动精度高，工作平稳。

2.具有力放大作用：给主动件一个小力，从动件上产生大轴向力。3.能自锁：螺旋升角很小时。

4.效率低、磨损快：工作面为滑动，一般为30-40％。不适用于大功率和高速传动。从动的直线移动不平稳（1）螺母固定不动，螺杆回转并作直线运动印刷机上墨斗供墨调节机构二、滑动螺旋传动的应用案例由螺杆和螺母组成的单一螺旋副实现的传动。（一）单螺旋机构（普通螺旋机构）（2）螺杆固定不动，螺母回转并作直线运动从动的直线移动不平稳1-螺杆；2-手柄；3-螺母；4-托盘螺旋千斤顶（3）螺杆轴向固定并旋转，螺母移动作直线运动轴向移动平稳轴向移动平稳输纸机构后吹风的调节（4）螺母轴向固定并回转，螺杆作直线运动四、螺杆和螺母的材料

螺杆的材料要有足够的强度和耐磨性。螺母的材料除了要有足够的强度外，还要求在与螺杆材料相配合时摩擦系数小和耐磨。螺旋传动常用的材料见表4-5-3。

如果将滚珠丝杠沿纵向剖开，可以看到它主要由丝杠7、螺母5、滚珠6、滚珠回流管4、防尘片2等部分组成，其内部结构如图4-5-8所示。

滚珠丝杠是机电一体化系统中一种新型的螺旋传动机构，其结构比滑动螺旋传动复杂，但主体的基本组成也是螺杆和螺母，但习惯上我们把螺杆称为丝杠，又因在具有螺旋槽的丝杠与螺母之间装有中间传动原件—滚珠，故滚动螺旋传动也称为滚珠丝杠传动。4.5.3滚珠螺旋传动一、滚珠丝杠传动的结构1-油孔；2-曲折式防尘片；3-树脂；4-滚珠回流管；5-螺母；6-滚珠；7-丝杆

滚珠丝杠螺母副的组成1.带螺纹槽的丝杠;2.带螺纹槽的螺母3.滚珠;4.反向器

滚珠丝杠机构的工作原理与螺杆和螺母之间的传动原理基本相同。如图所示的滚珠丝杠，丝杠和螺母的螺纹滚道间置有滚珠，当丝杠或螺母转动时，滚珠沿螺纹滚道滚动，则丝杠与螺母之间相对运动时产生滚动摩擦，为防止滚珠从滚道中滚出，在螺母的螺旋槽两端设有回程引导装置（反向器），它们与螺纹滚道形成循环回路，使滚珠在螺母滚道内循环。二、滚珠丝杠工作原理1.优点（1）驱动扭矩小

驱动阻力仅为螺纹丝杠的1/3以下，只需要很小的驱动功率。（2）传动效率高

滚珠丝杠传动系统的传动效率高达92%-98%，为传统的滑动丝杠系统的2-4倍，耗费的能量仅为滑动丝杠的1/3。（3）传动精度高经过淬硬并精磨螺纹滚道后的滚珠丝杠本身具有很高的制造精度，又由于是滚动摩擦，摩擦力小，因此可以获得较高的定位精度和重复定位精度。（4）可微量进给滚珠丝杠传动系统是高副运动机构，在工作中摩擦力小，灵敏度高，启动平稳，不会出现如滑动运动中容易出现的低速蠕动或爬行现象，因此可以精密地控制微量进给。（5）同步性好

由于运动平稳、反应灵敏、无阻碍、无滑移，用几套相同的滚珠丝杠传动系统同时进行传动，可以获得很好的同步效果。（6）高可靠性

与其它传送机械相比，滚珠丝杠传动只需要一般的润滑，有的特殊场合甚至无需润滑便可工作，系统的故障率也很低。（7）使用寿命长滚珠丝杠中螺母和丝杠的硬度均达到HRC58HRC62，滚珠硬度达到HRC62HRC66，而且采用滚动的相对运动形式，几乎在没有磨损的情况下进行，因而可以达到较长的使用寿命，其一般的使用寿命要比滑动丝杠高倍。三、滚珠丝杠传动的特点2.缺点：（1）不能自锁。（2）结构复杂。（3）成本高。四、滚珠丝杠的结构类型（一）螺纹滚道截面形状我国生产的滚珠丝杠副的螺纹滚道有单圆弧型和双圆弧型。滚道型面与滚珠接触点的法线同丝杠轴向的垂线间的夹角，称为接触角，一般为45。，单圆弧型的螺纹滚道的接触角随轴向载荷大小的变化而变化，这主要由轴向载荷所引起的接触变形的大小而定。大时，传动效率、轴向刚度以及承载能力也随之增大。单圆弧型具有加工容易、精度高、价格低等优点，但存在润滑效果稍差和工作中接触角变化等缺点。双圆弧型的接触角不变，润滑效果好，但存在加工和检验麻烦，价格高等缺点。双圆弧型单圆弧型1.单圆弧滚道主要尺寸理想接触角

=450特点：（1）接触角随轴向载荷的变化而变化（2）

由于单圆弧型滚道加工用砂轮成形，故容易得到较高的加工精度。单圆弧型面的滚道圆弧半径R应稍大于滚珠半径。

特点：

角基本保持不变，加工成本高2.双圆弧滚道主要尺寸理想接触角

=450

双圆弧滚道其接触角在工作过程中基本保持不变，故效率、承载能力和轴向刚度比较稳定。滚道底部与滚珠不接触，其空隙可存储一定的润滑油和脏物，以减小摩擦和磨损。但磨削滚道砂轮修正、加工和检验都比较困难。（二）滚珠丝杠的类型

1.按制造方法区分

根据加工制造方法及精度的区别，目前市场上的滚珠丝杠机构主要有以下两种类型：磨制滚珠丝杠和轧制滚珠丝杠。磨制滚珠丝杠是用精密磨削方法加工出来的，精度更高，但制造成本较高，因而价格也更贵。另一种轧制滚珠丝杠（工程上也称为转造滚珠丝杠）是指用精密滚轧成形方法加工制造出来的，精度稍低，但制造成本较低，因而价格也更便宜。在满足使用精度的前提下，应尽可能选用轧制滚珠丝杠，以降低机器制造成本。（1）内循环1）原理：滚珠在循环的过程中始终没有脱离丝杠。

在螺母2的侧面孔内装有接通相邻滚道的反向器4，利用反向器引导滚珠3越过丝杠1的螺纹顶部进入相邻滚道，形成一个循环回路。2.按滚珠循环方式区分

滚珠丝杠机构在工作时，内部的滚珠是以循环滚动的方式运动的，根据滚珠循环方式的不同，可以将滚珠丝杠机构分为以下两种类型：内循环式和外循环式。2）浮动式反向器的循环的简介丝杠螺母滚珠反向器

反向器弧面上加工有圆弧槽，槽内安装碟片4，外有弹簧套2.借助拱形片簧的弹力，始终给反向器一个径向推力，使位于回珠圆弧槽内的滚珠与丝杠3表面保持一定的压力。3）内循环的特点：

◎滚珠循环回路短，流畅性好，效率高；◎螺母的径向尺寸小，加工困难，装配调整不易；◎适用于高速、高灵敏度、高刚度的精密进给系统。（2）外循环

1）原理：滚珠在循环反向时离开丝杠螺纹滚道，在螺母体内或体外作循环运动。2）外循环的特点※滚珠循环回路长，流畅性差，效率低；※工艺简单，螺母的径向尺寸大，易于制造；※挡珠器刚性差，易磨损。①螺旋槽式

在螺母的外表面铣出螺纹凹槽，槽的两端钻出两个与螺纹滚道相切的通孔，螺纹滚道内装入两个档珠器引导滚珠通过,通过这两个通孔，应用套筒盖住凹槽，构成滚珠的循环回路。3）外循环按结构形式分为

螺旋槽式、插管式和端盖式三种。②插管式

用一插管代替螺纹凹槽，弯管的两端插入与螺纹滚道相切的两个内孔，用弯管的端部引导滚珠进入弯管，构成滚珠的循环回路。③端盖式特点：应用较少，常以单螺母形式用作升降传动机构。盖板螺母在螺母体1上钻出纵向孔作为滚珠回程滚道，螺母两端装有两块端盖，滚珠的回程道口就在端盖上。五、滚珠丝杠副的主要尺寸参数公称直径丝杠大径丝杠小径滚珠直径螺母小径螺母大径

滚珠丝杠副的主要尺寸参数如图4-5-15所示，在滚珠丝杠副GB/T17587.2-1998中对公称直径和基本导程已作了规定。1.公称直径do

公称直径指滚珠与螺纹滚道在理论接触角状态时包络滚珠中心的圆柱直径，它是滚珠丝杠副的特征尺寸。其系列尺寸有：6，8，10，12，16，20，25，32，40，50，63，80，100，125，160，200。2.基本导程Ph

基本导程是丝杠相对于螺母转过一周时螺母基准点的轴向位移。系列尺寸：1，2，2.5，3，4，5，6，8，10，12，16，20，25，32，40。基本导程的大小应根据机电一体化系统的精度要求确定。精度要求高时应选取较小的基本导程。尽可能优先选用公称导程为2.5、5、10、20、40系列的滚珠丝杠螺母副。导程小→精度高→承载能力小3.行程λ

行程λ是转动滚珠丝杠或滚珠螺母时，丝杠相对于螺母转过某一任意角度时螺母基准点的轴向位移或滚珠螺母的轴向位移量。

4.滚珠直径db

滚珠直径Dw大，则承载能力也大，应根据轴承厂提供的尺寸选用，一般取Dw≈0.6Ph。此外，还有丝杠螺纹大径d1、小径d2和螺纹全长，螺母螺纹大径和小径等。5.滚珠个数NN过多，流通不畅，易产生阻塞；

N过少，承载能力小，滚珠自载加距磨损和变形。一般取：N<1506.滚珠的工作圈（或列）数j

由于第一、第二、第三圈（或列）分别承受轴向载荷的50%、30%、20%左右，因此工作圈（或列）数一般取:因此，工作圈（或列）数一般取2.5（或23.5（或3）。六、滚珠丝杠副的精度等级及标注方法

1.精度等级根据GB/T17587.3-1998（与ISO3408-3：1992同）标准：将滚珠丝杠副的精度分成为七个等级1、2、3、4、5、7、10，1级为最高

按实际使用要求，在每一精度等级内指定了行程偏差和变动量允差大小。2.标注方法【举例说明】滚珠丝杠规格：R40-10B2-FSV-185-340-0.018R：右旋；40：公称直径40毫米；10：导程10毫米；B2：每列2.5圈滚珠，共2列；F：法兰型螺母；S：单螺母；V：插管式外循环；185：丝杠螺纹部分长度185毫米；340：丝杠总长340毫米；0.018：任意300毫米内的导程误差是0.018毫米。3.尺寸系列（1）公称直径系列（mm）

6、8、10、12、16、20、25、32、40………（2）公称导程系列（mm）

1，2，2.5，3，4，5，6，8，10，12…..

注意：

尽可能优先选用公称导程为4、5、6、8系列的滚珠丝杠螺母副4.推荐采用的精度等级（1）数控机床、精密机床和精密仪器等用于开环和半闭环进给系统，根据定位精度和重复定位精度的要求可选用1、2、3级；（2）一般传动可选用4、5级；（3）全闭环系统可选用2、3、4级。七、滚珠丝杠副支承方式的选择（一）滚珠丝杠的载荷与载荷方向

滚珠螺母是滚珠丝杠机构的核心部件。滚珠丝杠机构在运行时滚珠螺母不能承受径向载荷或扭矩载荷，只能承受沿丝杠轴向方向的载荷，而且要注意使作用在滚珠丝杠副上的轴向载荷通过丝杠轴心，设计时不能将径向负荷、扭矩载荷直接施加到螺母上，否则会大大缩短滚珠丝杠机构的寿命或导致运行不良，因为径向载荷或扭矩载荷会使丝杠发生弯曲，螺母中部分滚珠过载，从而导致传动不平稳、精度下降、寿命急剧缩短。丝杠承受的径向载荷主要是丝杠的自重。

滚珠丝杠机构通常都是与导向部件（例如直线导轨、直线轴承）同时使用的。滚珠丝杠机构只通过滚珠螺母提供负载工作台沿导向方向直线运动所需要的轴向力，而作为负载的工作台及其承受的各种径向载荷、扭矩载荷都由高刚性的导向部件来承受。（二）丝杠端部支承结构

滚珠丝杠机构在使用过程中，丝杠有以下两种基本的支承结构：固定端支撑单元结构和支撑端支撑单元结构。1.固定端支撑单元结构

固定端也称为固定侧，图4-5-17为固定端支撑单元的典型结构。可以看出，固定端支撑单元将轴承座、轴承、轴承外端盖、调整环、锁紧螺母、密封圈等零部件全部集成在一起，在轴承座内采用两只角接触球轴承支承丝杠端部，这种轴承使丝杠在固定端轴向、径向均受约束。装配时用锁紧螺母和轴承外端盖分别将轴承内圈和外圈压紧，并可以调整预压。1.锁紧螺母；2.保护垫片；3.锁紧螺钉；4.轴承外端盖5.轴承座；6.密封圈；7.调整环；8.轴承2.支撑端支撑单元结构

支撑端也称为支撑侧，图4-5-18为支撑端单元的典型结构。可以看出，支撑端结构较简单，仅由轴承座、弹性挡圈、轴承组成，在支座内采用普通向心球轴承支承丝杠端部。由于这种轴承只在径向提供约束，而轴向则是自由的，不施加限制，当丝杠因为热变形而长度有微量伸长时，支撑端就可以作微量的轴向浮动，保证丝杠仍然处于直线状态。1.弹性挡圈；2.轴承座；3.轴承（三）滚珠丝杠机构的端部支撑安装方式

根据使用场合的不同，滚珠丝杠机构两端的支撑结构有4种不同的安装方式：

1.一端固定一端支承。（通常情况下，尽可能采用）

2.两端固定。（通常情况下，尽可能采用）

3.两端支承。

4.一端固定一端自由。

所谓“固定”支承就是指采用一对角接触轴承支承，使丝杠端部在轴向、径向均受约束。所谓“支承”支承也称为简支支承，就是采用深沟球轴承，只在径向提供约束，在轴向则是自由的不施加限制，当丝杠因为热变形而有微量伸长时，丝杠端部可以作微量的轴向浮动。所谓“自由”支承就是指丝杠端部没有支承结构，呈悬空状态。

滚珠丝杠机构最典型、最常用的安装方式，是通常所说的一端固定一端支承安装方式，也就是说丝杠一端采用固定端，另一端采用支撑端。图为其安装结构示意图，左边是固定端，右边是支撑端。适用范围：该方式适用于中等速度、刚度及精度都较高的场合，也适用于长丝杠、卧式丝杠。1.一端固定一端支承

两端固定安装方式就是在丝杠的两端均采用两只角接触球轴承支承，使丝杠在轴向、径向均受约束，分别用锁紧螺母和轴承端盖将轴承内环和外环压紧。图为其安装结构示意图。适用范围：该方式适用于高速回转、高精度而且丝杠长度较大的场合。2.两端固定

两端支承安装方式就是在丝杠两端均采用深沟球轴承支承，两端轴承均只在径向对丝杠施加限制，轴向未限制。图为其安装结构示意图，左边是固定端，右边是自由端。适用范围：该方式结构简单，属于一般的简单安装方式，适用于中等速度、刚度与精度都要求不高的一般场合。3.两端支承

一端固定一端自由安装方式表示丝杠的一端采用固定端支撑单元，另一端则让其悬空，处于自由状态。图为其安装结构示意图。

这种安装方式在固定端同样采用两只角接触球轴承，使丝杠在轴向、径向均受约束，分别用锁紧螺母和轴承端盖将轴承内环和外环压紧。丝杠另一端是完全自由的，不施加任何支承结构。适用范围：该方式结构简单，轴向刚度与临界转速低，丝杠稳定性差，一般只用于丝杠长度较短、转速较低的场合。4.一端固定一端自由（3）采取方法：

目前制造的单螺母式滚珠丝杠副的轴向间隙达0.05，而双螺母式经加预紧力调整后基本上能消除轴向间隙。

常用消除轴向间隙的结构形式有双螺母式和弹簧自动调整式。保证反向传动精度八、滚珠丝杠副轴向间隙的调整与预紧

滚珠丝杠副除了对本身单一方向的传动精度有要求外，对其轴向间隙也有严格要求，以保证其反向传动精度。（1）轴向间隙调整的目的：（2）预紧目的：提高刚度1.双螺母垫片预紧调整法

该形式结构紧凑，工作可靠，调整方便，应用广泛，但不很准确，并且当滚道磨损时不能随意调整，除非更换垫圈。故适用于一般精度的传动机构。1-垫片；2-螺母

如图（a）所示，用螺钉联接的滚珠丝杠两个螺母，中间加垫片。如图（b）所示，用螺栓联接的滚珠丝杠两个螺母的凸缘，并在凸缘间加垫片。调整垫片的厚度使螺母产生微量的轴向位移，以达到消除轴向间隙和产生预紧力的目的。2.双螺母螺纹预紧调整法锁紧螺母调整螺母左螺母右螺母如图所示，滚珠丝杠机构有左、右两个主体螺母；其中，右端螺母3的外端有凸缘；左端螺母4无凸缘但制有螺纹，它伸出套筒外，用两个圆螺母（1和2）固定锁紧，并用键防止两螺母相对转动。通过旋转圆螺母2，可调整消除间隙并产生预紧力，之后再用锁紧螺母1锁紧。该种形式结构紧凑，工作可靠，调整方便，缺点是不很精确。3.双螺母齿差预紧调整法套筒丝杠内齿轮外齿轮如图所示，在两个螺母上，各制有圆柱外齿轮3，分别与内齿圈2啮合，内齿圈用螺钉或定位销固定在套筒1上。调整时，先取下