機(jī)械基礎(chǔ)（少學(xué)時(shí)第3版） 課件 第9單元 螺旋機(jī)構(gòu)

第9單元

螺旋機(jī)構(gòu)

項(xiàng)目背景

機(jī)床是利用刀具對(duì)金屬毛坯進(jìn)行切削加工的一種加工設(shè)備，被廣泛用于加工零部件。

圖9-1所示為典型臥式車(chē)床的外形結(jié)構(gòu)圖，它由帶動(dòng)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(jìn)給量的進(jìn)給箱、帶動(dòng)刀架一起做直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的溜板箱、裝夾車(chē)刀的刀架、支撐長(zhǎng)工件的尾座、床身、底座等組成。為了實(shí)現(xiàn)刀具的進(jìn)給量和車(chē)制螺紋等功能，車(chē)床在不同箱體中多處采用螺旋機(jī)構(gòu)。

圖9-1典型臥式車(chē)床的外形結(jié)構(gòu)圖

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螺旋機(jī)構(gòu)

螺旋機(jī)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)分析

螺紋的基本知識(shí)綜合項(xiàng)目分析內(nèi)容CONTENTS第9單元螺旋機(jī)構(gòu)

知識(shí)目標(biāo)

1.了解螺紋的形成和基本參數(shù)。2.了解螺旋機(jī)構(gòu)的工作原理、類型、特點(diǎn)、功用及適應(yīng)場(chǎng)合。3.了解滾動(dòng)螺旋機(jī)構(gòu)的工作原理、特點(diǎn)及滾珠絲杠的選用。

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

能力目標(biāo)

第9單元

螺旋機(jī)構(gòu)

素質(zhì)目標(biāo)

1.培養(yǎng)工程思維與工程安全意識(shí)。2.強(qiáng)化國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)使用的嚴(yán)謹(jǐn)性與規(guī)范性。

1.螺紋的基本參數(shù)，會(huì)查閱相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。2.螺旋傳動(dòng)的工作原理、特點(diǎn)及功用。3.螺旋機(jī)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(xué)習(xí)重點(diǎn)和難點(diǎn)9.1螺紋的基本知識(shí)9.1.1螺紋的形成及分類1.螺紋的形成

將一底邊長(zhǎng)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(kāi)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(shí)

（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(dòng)。為制造方便，螺紋的線數(shù)一般不超過(guò)4。

9.1螺紋的基本知識(shí)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(yùn)動(dòng)副稱為螺旋副。9.1螺紋的基本知識(shí)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(diǎn)及應(yīng)用。

9.1螺紋的基本知識(shí)

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(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)度計(jì)算時(shí)的危險(xiǎn)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(shí)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(shí)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(duì)應(yīng)點(diǎn)之間的軸向距離。

（6）導(dǎo)程Ph：同一條螺旋線上相鄰兩牙在中徑線上對(duì)應(yīng)點(diǎn)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(lái)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(shí)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(shí)圖9-4螺紋的主要參數(shù)

螺旋傳動(dòng)是利用螺桿和螺母組成的螺旋副來(lái)實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)要求的。

它主要用于將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)或?qū)⒅本€運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榛剞D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)傳遞運(yùn)動(dòng)或動(dòng)力。

圖9-5傳力螺旋機(jī)構(gòu)9.2螺旋機(jī)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)分析

9.2.1滑動(dòng)螺旋機(jī)構(gòu)

螺旋機(jī)構(gòu)按其運(yùn)動(dòng)形式可分為兩類

1.單螺旋機(jī)構(gòu)（按其用途的不同可分為）

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

9.2螺旋機(jī)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)分析圖9-5傳力螺旋機(jī)構(gòu)

（2）傳導(dǎo)螺旋機(jī)構(gòu)

這種機(jī)構(gòu)用于傳遞運(yùn)動(dòng)，如圖9-6所示為車(chē)床進(jìn)給螺旋機(jī)構(gòu)。它常要求具有高的運(yùn)動(dòng)精度或工作速度，且能在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)連續(xù)工作。它常采用多線螺紋來(lái)提高效率。

當(dāng)螺桿相對(duì)于螺母轉(zhuǎn)過(guò)角度

φ時(shí)，螺桿相對(duì)于螺母沿軸線的位移為

式中：Ph—螺桿導(dǎo)程φ—螺母轉(zhuǎn)過(guò)角度

圖9-6傳導(dǎo)螺旋

9.2螺旋機(jī)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)分析

項(xiàng)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(jī)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)分析

☆

基礎(chǔ)訓(xùn)練

（1）圖9-8所示為兒童玩具飛翼，當(dāng)一手握住螺桿1，另一手通過(guò)套筒3推動(dòng)飛翼2（即螺母）時(shí)，飛翼就會(huì)快速轉(zhuǎn)動(dòng)而高飛起，請(qǐng)問(wèn)為什么？

（2）圖9-9所示為一個(gè)設(shè)計(jì)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(kuò)散，分析其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，解釋其為什么可以實(shí)現(xiàn)該功能？

圖9-8兒童玩具飛翼9.2螺旋機(jī)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)分析圖9-9煙灰缸

2.雙螺旋機(jī)構(gòu)

（1）雙螺旋機(jī)構(gòu)的組成

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

圖9-10雙螺旋機(jī)構(gòu)（A和B為螺旋副）9.2螺旋機(jī)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)分析

（2）根據(jù)雙螺旋機(jī)構(gòu)中兩螺旋副的旋向可分為

1）差動(dòng)螺旋機(jī)構(gòu)

當(dāng)兩螺旋副中螺紋旋向相同時(shí)，該機(jī)構(gòu)稱為差動(dòng)螺旋機(jī)構(gòu)。如圖9-11所示的鏜刀微調(diào)機(jī)構(gòu)。當(dāng)兩螺旋副中螺紋旋向相同時(shí)，若兩螺旋副導(dǎo)程分別為

PhA、PhB，則移動(dòng)螺母相對(duì)于機(jī)架的位移為

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

9.2螺旋機(jī)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)分析

（2）復(fù)式螺旋機(jī)構(gòu):當(dāng)兩螺旋副中螺紋旋向相反時(shí)，該機(jī)構(gòu)稱為復(fù)式螺旋機(jī)構(gòu)。若兩螺旋副導(dǎo)程分別為PA、PB，則移動(dòng)螺母的位移為：

螺桿和螺母的材料除要求有足夠的強(qiáng)度、耐磨性外，還要求兩者配合時(shí)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(jī)床絲杠）可選用

T12、40Cr、65Mn

等，并進(jìn)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(shí)可選用強(qiáng)度高的鑄造鋁青銅ZCuAl10Fe3Mn2；低速輕載時(shí)可選用耐磨鑄鐵。

9.2螺旋機(jī)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)分析

項(xiàng)目9-2

如圖9-11所示為鏜刀的微調(diào)機(jī)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(shí)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(dòng)副C。螺旋副A與B旋向相同而導(dǎo)程不同。根據(jù)差動(dòng)螺旋原理，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)螺桿1時(shí)，鏜刀相對(duì)鏜桿作微量的移動(dòng)，以調(diào)整鏜孔的進(jìn)刀量。

9.2螺旋機(jī)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)分析圖9-11鏜刀微調(diào)機(jī)構(gòu)1－螺桿2－螺母3－鏜桿4－鏜刀

項(xiàng)目9-3

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

9.2螺旋機(jī)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)分析圖9-12千分尺示意圖

☆基礎(chǔ)能力訓(xùn)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(fù)式螺旋原理，說(shuō)明壓榨機(jī)構(gòu)（見(jiàn)圖9-13）

和銑床快速夾緊裝置（見(jiàn)圖9-14）的工作過(guò)程。

9.2螺旋機(jī)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)分析圖9-13壓榨機(jī)構(gòu)

圖9-14銑床快速夾緊裝置9.2螺旋機(jī)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)分析圖

三峽船升機(jī)

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

三峽升船機(jī)過(guò)船規(guī)模為3000t級(jí)，最大提升總量達(dá)1.55萬(wàn)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(jī)的承船廂采用齒輪齒條爬升平衡重式垂直裝置，從而帶動(dòng)承船廂上下運(yùn)動(dòng)。為確保極端情況下的運(yùn)行安全，三峽升船機(jī)事故保安系統(tǒng)采用螺旋鎖定裝置。請(qǐng)查閱資源，撰寫(xiě)一篇關(guān)于三峽升船機(jī)的螺旋鎖定裝置結(jié)構(gòu)原理的分析報(bào)告。

9.2.2滾動(dòng)螺旋機(jī)構(gòu)

滾動(dòng)螺旋機(jī)構(gòu)又稱為滾珠絲杠是將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)用得最廣泛的一種新型理想傳動(dòng)裝置。滾珠絲杠被廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給機(jī)構(gòu)，車(chē)輛、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)等高精度、高效傳動(dòng)的機(jī)械中。

9.2螺旋機(jī)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)分析圖9-15滾珠絲杠的結(jié)構(gòu)原理示意圖

1.滾動(dòng)螺旋工作原理

圖9-15是滾珠絲杠傳動(dòng)的原理圖。在絲杠和螺母上加工有弧形螺旋槽，當(dāng)把它們套裝在一起時(shí)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(lái)構(gòu)成封閉的循環(huán)滾道，并在滾道內(nèi)填滿滾珠。當(dāng)絲杠旋轉(zhuǎn)時(shí)，滾珠在滾道內(nèi)既有自轉(zhuǎn)又沿滾道循環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)，迫使螺母（或絲杠）軸向移動(dòng)，

9.2螺旋機(jī)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)分析圖9-15滾珠絲杠的結(jié)構(gòu)原理示意圖

2.滾動(dòng)螺旋特點(diǎn)

(1)摩擦系數(shù)小，傳動(dòng)效率高，所需傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩??；

(2)磨損小，壽命長(zhǎng)，精度保持性好；

(3)靈敏度高，傳動(dòng)平穩(wěn)，不易產(chǎn)生爬行；

(4)絲杠和螺母之間可通過(guò)預(yù)緊和間隙消除措施提高軸向剛度和反向精度；

(5)運(yùn)動(dòng)具有可逆性，既可將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成直線運(yùn)動(dòng)，又可將直線運(yùn)動(dòng)變成回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

(6)制造工藝復(fù)雜，成本高；

(7)在垂直安裝使不能自鎖，需附加制動(dòng)機(jī)構(gòu)；

(8)承載能力比滑動(dòng)螺旋機(jī)構(gòu)傳動(dòng)差。

9.2螺旋機(jī)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)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(guò)程中有時(shí)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(lái)，返回的滾珠不與絲杠外圓相接觸，滾珠可以作周而復(fù)始的循環(huán)運(yùn)動(dòng)，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