螺旋传动有哪些特点 _螺旋传动的类型和应用

螺旋传动是利用螺杆和螺母的啮合来传递动力和运动的机械传动。主要用于将旋转运动转换成直线运动，将转矩转换成推力。

螺旋传动

（一）螺旋传动的类型和应用

螺旋传动是利用螺杆和螺母组成的螺旋副来实现传动要求的。它主要用于将回转运动转变为直线运动，同时传递运动和动力。

根据螺杆和螺母的相对运动关系，螺旋传动的常用运动形式，主要有以下两种：图5 – 40a是螺杆转动，螺母移动，多用于机床的进给机构中；图5 – 40b是螺母固定，螺杆转动并移动，多用于螺旋起重器（千斤顶，参看图5-41）或螺旋压力机中。

螺旋传动按其用途不同，可分为以下三种类型：

1)传力螺旋。它以传递动力为主，要求以较小的转矩产生较大的轴向推力，用以克服工件阻力，如各种起重或加压装置的螺旋。这种传力螺旋主要是承受很大的轴向力，一般为间歇性工作，每次的工作时间较短，工作速度也不高，而且通常需有自锁能力。

2)传导螺旋。它以传递运动为主，有时也承受较大的轴向载荷，如机床进给机构的螺旋等。传导螺旋常需在较长的时间内连续工作，工作速度较高…因此要求具有较高的传动精度。

3)调整螺旋。它用以调整、固定零件的相对位置，如机床、仪器及测试装置中的微调机构的螺旋。调整螺旋不经常转动，一般在空载下调整。

螺旋传动按其螺旋副的摩擦性质不同，又可分为滑动螺旋（滑动摩擦）、滚动螺旋（滚动摩擦）和静压螺旋（流体摩擦）。滑动螺旋结构简单，便于制造，易于自锁，但其主要缺点是摩擦阻力大，传动效率低（一般为30qo一40%），磨损快，传动精度低等。相反，滚动螺旋和静压螺旋的摩擦阻力小，传动效率高（一般为90%以上），但结构复杂，特别是静压螺旋还需要供油系统。因此，只有在高精度、高效率的重要传动中才宜采用，如数控、精密机床、测试装置或自动控制系统中的螺旋传动等。

（二）滑动螺旋的结构和材料

1．滑动螺旋的结构

螺旋传动的结构主要是指螺杆、螺母的固定和支承的结构形式。螺旋传动的工作刚度与精度等和支承结构有直接关系，当螺杆短而粗且垂直布置时，如起重及加压装置的传力螺旋，可以利用螺母本身作为支承（图5 – 41）。当螺杆细长且水平布置时，如机床的传导螺旋（丝杠）等，应在螺杆两端或中间附加支承，以提高螺杆的工作刚度。螺杆的支承结构和轴的支承结构基本相同，可参看第十二、十三两章有关内容。此外，对于轴向尺寸较大的螺杆，应采用对接的组合结构代替整体结构，以减少制造工艺上的困难。

螺母的结构有整体螺母、组合螺母和剖分螺母等形式。整体螺母结构简单，但由磨损产生的轴向间隙不能补偿，只适合在精度要求较低的螺旋中使用。对于经常双向传动的传导螺旋，为了消除轴向间隙和补偿旋合螺纹的磨损，避免反向传动时的空行程，常采用组合螺母或剖分螺母。图5 – 42是利用调整楔块来定期调整螺旋副的轴向间隙的一种组合螺母的结构形式。

滑动螺旋采用的螺纹类型有矩形、梯形和锯齿形。其中以梯形和锯齿形螺纹应用最广。螺杆常用右旋螺纹，只有在某些特殊的场合，如车床横向进给丝杠，为了符合操作习惯，才采用左旋螺纹。传力螺旋和调整螺旋要求自锁时，应采用单线螺纹。对于传导螺旋，为了提高其传动效率及直线运动速度，可采用多线螺纹（线数n =3 ~4，甚至多达6）。

2．螺杆和螺母的材料

螺杆材料要有足够的强度和耐磨性。螺母材料除要有足够的强度外，还要求在与螺杆材料配合时摩擦系数小和耐磨。螺旋传动常用的材料见表5-11。

（三）滑动螺旋传动的设计计算

滑动螺旋工作时，主要承受转矩及轴向拉力（或压力）的作用，同时在螺杆和螺母的旋合螺纹间有较大的相对滑动。其失效形式主要是螺纹磨损。因此，滑动螺旋的基本尺寸（即螺杆直径与螺母高度），通常是根据耐磨性条件确定的。对于受力较大的传力螺旋，还应校核螺杆危险截面以及螺母螺纹牙的强度，以防止发生塑性变形或断裂；对于要求自锁的螺杆应校核其自锁性；对于精密的传导螺旋应校核螺杆的刚度（螺杆的直径应根据刚度条件确定），以免受力后由于螺距的变化引起传动精度降低；对于长径比很大的螺杆，应校核其稳定性，以防止螺杆受压后失稳；对于高速的长螺杆还应校核其临界转速，以防止产生过度的横向振动等。在设计时，应根据螺旋传动的类型、工作条件及其失效形式等，选择不同的设计准则，而不必逐项进行校核。

下面主要介绍耐磨性计算和几项常用的校核计算方法。

1．耐磨性计算

滑动螺旋的磨损与螺纹工作面上的压力、滑动速度、螺纹表面粗糙度以及润滑状态等因素有关。其中最主要的是螺纹工作面上的压力，压力越大螺旋副间越容易形成过度磨损。因此，滑动螺旋的耐磨性计算，主要是限制螺纹工作面上的压力p，使其小于材料的许用压力[p]。

如图5 -43所示，假设作用于螺杆的轴向力为F(单位为N)，螺纹的承压面积（指螺纹工作表面投影到垂直于轴向力的平面上的面积）为A（单位为mm2），螺纹中径为d：(单位为mm)，螺纹工作高度为^（单位为mm），螺纹螺距为P(单位为mm)，螺母高度为日（单位为mm），螺纹工作圈数为u=苦，则螺纹工作面上的耐磨性条件为

根据公式算得螺纹中径d：后，应按国家标准选取相应的公称直径d及螺距P。螺纹工作圈数不宜超过10圈。

螺纹几何参数确定后，对于有自锁性要求的螺旋副，还应校核螺旋副是否满足自锁条件，

2)表中摩擦系数起动时取大值，运转中取小值。

2．螺杆的强度计算

受力较大的螺杆需进行强度计算。螺杆工作时承受轴向压力（或拉力），和扭矩r的作用。螺杆危险截面上既有压缩（或拉伸）应力，又有切应力。因此，校核螺杆强度时，应根据第四强度理论求出危险截面的计算应力

3．螺母螺纹牙的强度计算

螺纹牙多发生剪切和挤压破坏，一般螺母的材料强度低于螺杆，故只需校核螺母螺纹牙的强度。

如图5-44所示，如果将一圈螺纹沿螺母的螺纹大径D（单位为mm）处展开，则可看做宽度为丌D的悬臂梁。假设螺母每圈螺纹所承受的平均压力为F，并作用在以螺纹中径D：（单位为mm）为直径的圆周上，则螺纹牙危险截面a-a的剪切强度条件为

当螺杆和螺母的材料相同时，由于螺杆的小径di小于螺母螺纹的大径D，故应校核螺杆螺纹牙的强度。此时，式(5 -48)、式(5—49)中的D应改为d．。

4．螺杆的稳定性计算

对于长径比大的受压螺杆，当轴向压力F大于某一临界值时，螺杆就会突然发生侧向弯曲而丧失其稳定性。因此，在正常情况下，螺杆承受的轴向力F(单位为N)必须小于临界载荷Fcr（单位为N）。

（四）滚动螺旋传动简介

滚动螺旋可分为滚珠螺旋和滚子螺旋两大类。

滚珠螺旋又可分为总循环式（全部滚珠一道循环）和分循环式（滚珠分组循环），还可按循环回路的位置分为内循环（滚珠在螺母体内循环）和外循环（在螺母的圆柱面上开出滚道加盖或另插管子作为滚珠循环回路）。总循环式的内循环滚珠螺旋由图5 -45中的4、5、6等件组成，即在由螺母和螺杆的近似半圆形螺旋凹槽拼合而成的滚道中装入适量的滚珠，并用螺母上制出的通路及导向辅助件构成闭合回路，以备滚珠连续循环。图示的螺母两端支承在机架7的滚动轴承上，是以螺母作为螺旋副的主动件，当外加的转矩驱动齿轮1而带动螺母旋转时，螺杆即作轴向移动。外循环式及分循环式的滚珠螺旋可参看有关资料。

滚子螺旋可分为自转滚子式和行星滚子式，自转式按滚子形状又可分为圆柱滚子（对应矩形螺纹的螺杆）和圆锥滚子（对应梯形螺纹的螺杆）。自转圆锥滚子式滚子螺旋的示意图见图5 -46，即在套筒形螺母内沿螺纹线装上约三圈滚子（可用销轴或滚针支承）代替螺纹牙进行传动。

这种螺旋还可在螺母上开出轴向槽，以便躲过长螺杆（或两段螺杆接头处）的支柱而运行到远处。由于对承载能力及工作寿命的要求不断提高，目前国外滚子螺旋的应用已趋广泛。

滚动螺旋传动具有传动效率高、起动力矩小、传动灵敏平稳、工作寿命长等优点，故目前在机床、汽车、拖拉机、航空、航天及武器等制造业中应用颇广。缺点是制造工艺比较复杂，特别是长螺杆更难保证热处理及磨削工艺质量，刚性及抗振性能较差。

（五）静压螺旋传动简介

为了降低螺旋传动的摩擦，提高传动效率，并增加螺旋传动的刚性及抗振性能，可以将静压原理应用于螺旋传动中，制成静压螺旋。

关于静压原理的基本论述可参看§4 -4。本节只简要介绍静压螺旋的结构和工作情况。

如图5 -47所示，在静压螺旋中，螺杆仍为一具有梯形螺纹的普通螺杆，但在螺母每圈螺纹牙两个侧面的中径处，各开有3—4个油腔，压力油通过节流器进入油腔，产生一定的油腔压力。

当螺杆未受载荷时，螺杆的螺纹牙位于螺母螺纹牙的中间位置，处于平衡状态。此时，螺杆螺纹牙的两侧间隙相等，经螺纹牙两侧流出的油的流量相等。因此，油腔压力也相等。

当螺杆受轴向载荷时，螺杆沿受载方向产生一位移，螺纹牙一侧的间隙减小，另一侧的间隙增大。由于节流器的调节作用，使间隙减小一侧的油腔压力增高；而另一侧的油腔压力降低。于是两侧油腔便形成了压力差，从而使螺杆重新处于平衡状态。

当螺杆承受径向载荷或倾覆力矩时，其工作情况与上述的相同。

按工作特点及用途，螺旋传动可分为传力螺旋、传导螺旋、调整螺旋和螺旋压力机中用螺旋等。

1、传力螺旋：以传递动力为主，它用较小的转矩产生较大的轴向推力，一般为间歇工作，工作速度不高，而且通常要求自锁，例如螺旋压力机和螺旋千斤顶上的螺旋。

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，如机床的进给螺旋（丝杠）。

3、调整螺旋：用于调整并固定零件或部件之间的相对位置，一般不经常转动，要求自锁，有时也要求很高精度，如机器和精密仪表微调机构的螺旋、如车床尾架、卡盘爪的螺旋等。

4、测量螺旋：主要用于测量仪器，如千分尺用螺旋等

按螺纹间摩擦性质，螺旋传动可分为滑动螺旋传动和滚动螺旋传动。

滑动螺旋传动：通常采用梯形螺纹和锯齿形螺纹，其中梯形螺纹应用最广，锯齿形螺纹用于单面受力。矩形螺纹由于工艺性较差、强度较低等原因应用很少;对于受力不大和精密机构的调整螺旋，有时也采用三角螺纹。

滚动螺旋传动：用滚动体在螺纹工作面间实现滚动摩擦的螺旋传动，又称滚珠丝杠传动。滚动体通常为滚珠，也有用滚子的。滚动螺旋传动的摩擦系数、效率、磨损、寿命、抗爬行性能、传动精度和轴向刚度等虽比静压螺旋传动稍差，但远比滑动螺旋传动为好。滚动螺旋传动的效率一般在90％以上。它不自锁，具有传动的可逆性；但结构复杂，制造精度要求高，抗冲击性能差。它已广泛地应用于机床、飞机、船舶和汽车等要求高精度或高效率的场合。滚动螺旋传动的结构型式，按滚珠循环方式分外循环和内循环。