機械基礎（少學時第3版） 課件 第9單元 螺旋機構(gòu)

第9單元

螺旋機構(gòu)

項目背景

機床是利用刀具對金屬毛坯進行切削加工的一種加工設備，被廣泛用于加工零部件。

圖9-1所示為典型臥式車床的外形結(jié)構(gòu)圖，它由帶動工件按照規(guī)定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的主軸箱、改變被加工螺紋的螺距或進給量的進給箱、帶動刀架一起做直線進給運動的溜板箱、裝夾車刀的刀架、支撐長工件的尾座、床身、底座等組成。為了實現(xiàn)刀具的進給量和車制螺紋等功能，車床在不同箱體中多處采用螺旋機構(gòu)。

圖9-1典型臥式車床的外形結(jié)構(gòu)圖

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螺旋機構(gòu)

螺旋機構(gòu)及其運動分析

螺紋的基本知識綜合項目分析內(nèi)容CONTENTS第9單元螺旋機構(gòu)

知識目標

1.了解螺紋的形成和基本參數(shù)。2.了解螺旋機構(gòu)的工作原理、類型、特點、功用及適應場合。3.了解滾動螺旋機構(gòu)的工作原理、特點及滾珠絲杠的選用。

1.能識別常用螺旋機構(gòu)的類型。2.能分析各種螺旋機構(gòu)的工作特性和結(jié)構(gòu)特點。

能力目標

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螺旋機構(gòu)

素質(zhì)目標

1.培養(yǎng)工程思維與工程安全意識。2.強化國家標準使用的嚴謹性與規(guī)范性。

1.螺紋的基本參數(shù)，會查閱相應的國家標準。2.螺旋傳動的工作原理、特點及功用。3.螺旋機構(gòu)中，螺紋的旋向、螺桿的轉(zhuǎn)向和螺母沿軸線的位移三者關(guān)系。4.滾珠絲桿的選擇。

學習重點和難點9.1螺紋的基本知識9.1.1螺紋的形成及分類1.螺紋的形成

將一底邊長等于πd2的直角三角形繞到直徑為d的圓柱體上，三角形斜邊在圓柱體表面形成的空間曲線稱為螺旋線。

圖9-2螺旋線及其展開圖2.螺紋的分類

（1）按螺紋旋向不同，可分為左旋螺紋和右旋螺紋兩種，常用的是右旋螺紋（圖9-3a、c）。其旋向的判別方法為：將圓柱體直豎，螺旋線左低右高(向右上升)為右旋，反之則為左旋（圖9-3b）。

圖

旋向的判別方法9.1螺紋的基本知識

（2）按螺紋線的線數(shù)不同螺紋分為單線(圖9-3a）

、雙線（圖9-2b）或多線（圖9-3c）

。

單線螺紋：常用于聯(lián)接；

雙線或多線螺紋：主要用于傳動。為制造方便，螺紋的線數(shù)一般不超過4。

9.1螺紋的基本知識圖9-3按線數(shù)分類的螺紋

在圓柱體的表面上形成的螺紋稱為外螺紋，在圓柱體內(nèi)表面上形成的螺紋稱為內(nèi)螺紋。由內(nèi)、外螺紋旋合而成的運動副稱為螺旋副。9.1螺紋的基本知識圖9-4螺紋的主要參數(shù)

3）按螺紋的牙形的不同，可分為三角形螺紋、矩形螺紋、梯形螺紋和鋸齒形螺紋等，表9-1其牙形特點及應用。

9.1螺紋的基本知識

9.1.2螺紋的主要參數(shù)

螺紋的主要參數(shù)如圖9-4所示

（1）大徑(d、D)

螺紋的最大直徑，標準中規(guī)定為螺紋的公稱直徑。外螺紋記為d，內(nèi)螺紋記為D。

（2）小徑(d1、D1)

螺紋的最小直徑，也是螺桿強度計算時的危險截面直徑。外螺紋記為d1，內(nèi)螺紋記為D1。

9.1螺紋的基本知識圖9-4螺紋的主要參數(shù)

（3）中徑(d2、D2)

介于大、小徑圓柱體之間，螺紋的牙厚與牙間寬相等的假想圓柱體的直徑，是確定螺紋幾何參數(shù)和配合性質(zhì)的直徑。外螺紋記為d2，內(nèi)螺紋記為D2。

（4）線數(shù)n：螺紋的螺旋線數(shù)目，可分為單線、雙線、三線（圖9-3）

9.1螺紋的基本知識圖9-3按線數(shù)分類的螺紋

（5）螺距P：螺紋相鄰兩牙在中徑線上對應點之間的軸向距離。

（6）導程Ph：同一條螺旋線上相鄰兩牙在中徑線上對應點之間的軸向距離，Ph=nP

（7）螺旋升角φ：中徑圓柱體上螺旋線的切線與垂直于螺紋軸線的平面之間的夾角，用來表示螺旋線傾斜的程度。

（8）牙型角α：螺紋軸向剖面內(nèi)，螺紋兩側(cè)邊間的夾角α，稱為牙型角。

9.1螺紋的基本知識圖9-4螺紋的主要參數(shù)

（9）牙側(cè)角β：螺紋牙型的側(cè)邊與垂直螺紋軸線的平面間的夾角β，稱為牙側(cè)角。

三角形螺紋α=60o，β=α/2=30o，稱為牙型半角；梯形螺紋α=30o，β=15o；鋸齒形螺紋α=33o，β=3o、30o。

9.1螺紋的基本知識圖9-4螺紋的主要參數(shù)

螺旋傳動是利用螺桿和螺母組成的螺旋副來實現(xiàn)傳動要求的。

它主要用于將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動或?qū)⒅本€運動轉(zhuǎn)變?yōu)榛剞D(zhuǎn)運動，同時傳遞運動或動力。

圖9-5傳力螺旋機構(gòu)9.2螺旋機構(gòu)及其運動分析

9.2.1滑動螺旋機構(gòu)

螺旋機構(gòu)按其運動形式可分為兩類

1.單螺旋機構(gòu)（按其用途的不同可分為）

（1）傳動螺旋機構(gòu)：這種機構(gòu)用于舉起重物或克服大的生產(chǎn)阻力。

9.2螺旋機構(gòu)及其運動分析圖9-5傳力螺旋機構(gòu)

（2）傳導螺旋機構(gòu)

這種機構(gòu)用于傳遞運動，如圖9-6所示為車床進給螺旋機構(gòu)。它常要求具有高的運動精度或工作速度，且能在較長時間內(nèi)連續(xù)工作。它常采用多線螺紋來提高效率。

當螺桿相對于螺母轉(zhuǎn)過角度

φ時，螺桿相對于螺母沿軸線的位移為

式中：Ph—螺桿導程φ—螺母轉(zhuǎn)過角度

圖9-6傳導螺旋

9.2螺旋機構(gòu)及其運動分析

項目9-1

圖9-7中1為可更換螺絲刀頭的螺絲刀，試分析其工作原理。

圖9-9新型螺釘旋具1-更換螺絲刀頭2-螺絲刀夾持器3-螺桿4-空心手柄5-操縱鈕9.2螺旋機構(gòu)及其運動分析

☆

基礎訓練

（1）圖9-8所示為兒童玩具飛翼，當一手握住螺桿1，另一手通過套筒3推動飛翼2（即螺母）時，飛翼就會快速轉(zhuǎn)動而高飛起，請問為什么？

（2）圖9-9所示為一個設計巧妙的煙灰缸，該煙灰缸可以防止放入煙灰缸中煙頭的煙霧擴散，分析其結(jié)構(gòu)特點，解釋其為什么可以實現(xiàn)該功能？

圖9-8兒童玩具飛翼9.2螺旋機構(gòu)及其運動分析圖9-9煙灰缸

2.雙螺旋機構(gòu)

（1）雙螺旋機構(gòu)的組成

螺桿1上有兩段不同導程的螺紋，分別與螺母2、3組成兩個螺旋副，這種螺旋機構(gòu)稱為雙螺旋機構(gòu)，如圖9-10所示。通常將兩個螺母中的一個固定（圖中將螺母3固定），另一個移動（圖中螺母2只能移動不能轉(zhuǎn)動），并以螺桿1為轉(zhuǎn)動原動件。

圖9-10雙螺旋機構(gòu)（A和B為螺旋副）9.2螺旋機構(gòu)及其運動分析

（2）根據(jù)雙螺旋機構(gòu)中兩螺旋副的旋向可分為

1）差動螺旋機構(gòu)

當兩螺旋副中螺紋旋向相同時，該機構(gòu)稱為差動螺旋機構(gòu)。如圖9-11所示的鏜刀微調(diào)機構(gòu)。當兩螺旋副中螺紋旋向相同時，若兩螺旋副導程分別為

PhA、PhB，則移動螺母相對于機架的位移為

圖9-11鏜刀微調(diào)機構(gòu)1－螺桿2－螺母3－鏜桿4－鏜刀

9.2螺旋機構(gòu)及其運動分析

（2）復式螺旋機構(gòu):當兩螺旋副中螺紋旋向相反時，該機構(gòu)稱為復式螺旋機構(gòu)。若兩螺旋副導程分別為PA、PB，則移動螺母的位移為：

螺桿和螺母的材料除要求有足夠的強度、耐磨性外，還要求兩者配合時摩擦系數(shù)小。一般螺桿可選用45鋼、50鋼；重要螺桿（如高精度機床絲杠）可選用

T12、40Cr、65Mn

等，并進行熱處理。常用的螺母材料有鑄造錫青銅

ZCuSn10Pb1或

ZCuSn5Pb5Zn5；低速重載時可選用強度高的鑄造鋁青銅ZCuAl10Fe3Mn2；低速輕載時可選用耐磨鑄鐵。

9.2螺旋機構(gòu)及其運動分析

項目9-2

如圖9-11所示為鏜刀的微調(diào)機構(gòu)。螺母2固定于鏜桿3上。螺桿1與螺母2組成螺旋副A；同時又與螺母4組成螺旋副B。4的末端是鏜刀，它與2組成移動副C。螺旋副A與B旋向相同而導程不同。根據(jù)差動螺旋原理，當轉(zhuǎn)動螺桿1時，鏜刀相對鏜桿作微量的移動，以調(diào)整鏜孔的進刀量。

9.2螺旋機構(gòu)及其運動分析圖9-11鏜刀微調(diào)機構(gòu)1－螺桿2－螺母3－鏜桿4－鏜刀

項目9-3

測量螺旋機構(gòu)是利用螺旋機構(gòu)中螺桿的精確、連續(xù)的位移變化來進行精密測量。如圖9-12所示，千分尺中的螺旋機構(gòu)主要由測微絲杠、固定套筒及微分筒等組成。測微絲杠采用單線螺紋，螺距為0.5mm；若微分筒隨測微絲杠一起旋轉(zhuǎn)1小格，則它在軸向移動的距離為0.5×1/50mm=0.01mm。

9.2螺旋機構(gòu)及其運動分析圖9-12千分尺示意圖

☆基礎能力訓練1）食品罐頭的螺旋蓋為什么采用多線、小螺距的螺紋？2）

根據(jù)復式螺旋原理，說明壓榨機構(gòu)（見圖9-13）

和銑床快速夾緊裝置（見圖9-14）的工作過程。

9.2螺旋機構(gòu)及其運動分析圖9-13壓榨機構(gòu)

圖9-14銑床快速夾緊裝置9.2螺旋機構(gòu)及其運動分析圖

三峽船升機

課程思政案例：大國重器—三峽升船機是三峽水利樞紐的永久通航設施之一，三峽升船機的主要作用是為客輪、貨輪提供快速過壩通道，它與雙線五級船閘聯(lián)合運行，能有效提高樞紐的航運通過能力，保障樞紐通航的質(zhì)量。

三峽升船機過船規(guī)模為3000t級，最大提升總量達1.55萬t，承船箱垂直升降最大高度113m，為世界上最大的“船舶電梯”。

三峽升船機的承船廂采用齒輪齒條爬升平衡重式垂直裝置，從而帶動承船廂上下運動。為確保極端情況下的運行安全，三峽升船機事故保安系統(tǒng)采用螺旋鎖定裝置。請查閱資源，撰寫一篇關(guān)于三峽升船機的螺旋鎖定裝置結(jié)構(gòu)原理的分析報告。

9.2.2滾動螺旋機構(gòu)

滾動螺旋機構(gòu)又稱為滾珠絲杠是將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動用得最廣泛的一種新型理想傳動裝置。滾珠絲杠被廣泛應用于數(shù)控機床的進給機構(gòu)，車輛、轉(zhuǎn)向機構(gòu)等高精度、高效傳動的機械中。

9.2螺旋機構(gòu)及其運動分析圖9-15滾珠絲杠的結(jié)構(gòu)原理示意圖

1.滾動螺旋工作原理

圖9-15是滾珠絲杠傳動的原理圖。在絲杠和螺母上加工有弧形螺旋槽，當把它們套裝在一起時形成螺旋通道。螺母上有滾珠回路管道，將將幾圈螺旋滾道的兩圖9-15滾珠絲杠的結(jié)構(gòu)原理示意圖

端連接起來構(gòu)成封閉的循環(huán)滾道，并在滾道內(nèi)填滿滾珠。當絲杠旋轉(zhuǎn)時，滾珠在滾道內(nèi)既有自轉(zhuǎn)又沿滾道循環(huán)轉(zhuǎn)動，迫使螺母（或絲杠）軸向移動，

9.2螺旋機構(gòu)及其運動分析圖9-15滾珠絲杠的結(jié)構(gòu)原理示意圖

2.滾動螺旋特點

(1)摩擦系數(shù)小，傳動效率高，所需傳動轉(zhuǎn)矩?。?/p>

(2)磨損小，壽命長，精度保持性好；

(3)靈敏度高，傳動平穩(wěn)，不易產(chǎn)生爬行；

(4)絲杠和螺母之間可通過預緊和間隙消除措施提高軸向剛度和反向精度；

(5)運動具有可逆性，既可將回轉(zhuǎn)運動變成直線運動，又可將直線運動變成回轉(zhuǎn)運動。

(6)制造工藝復雜，成本高；

(7)在垂直安裝使不能自鎖，需附加制動機構(gòu)；

(8)承載能力比滑動螺旋機構(gòu)傳動差。

9.2螺旋機構(gòu)及其運動分析圖9-15滾珠絲杠內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

3.滾珠的循環(huán)方式

螺旋副的滾珠循環(huán)方式有兩種：滾珠在循環(huán)過程中有時與絲杠脫離接觸的稱為外循環(huán)；始終與絲杠保持接觸的稱為內(nèi)循環(huán)。

（1）外循環(huán)：滾珠絲杠的螺母旋轉(zhuǎn)槽的兩端由回珠管連接起來，返回的滾珠不與絲杠外圓相接觸，滾珠可以作周而復始的循環(huán)運動，在管道的兩端還能起到擋珠的作用，用以避免滾珠沿滾道滑出