螺旋传动教学课件

螺旋传动教学课件第一章螺纹基础与形成原理螺纹的定义与形成螺纹是通过将特定截面图形沿着圆柱体表面的螺旋线运动而形成的连续凸起和凹槽结构这种空间螺旋线结构使螺纹具备了独特的传动和连接功能螺纹的形成过程可以理解为将具有特定角度的三角形、矩形或其他几何形状的截面，沿着圆柱面上的螺旋线轨迹移动，从而在圆柱面上刻出连续的螺纹牙型主要几何参数运动参数外径d、内径d₁、中径d₂是螺距P、导程S、线数n决定螺螺纹的基本尺寸参数纹的传动特性角度参数螺纹的分类螺纹根据不同的特征可以进行多种分类，每种分类方式都反映了螺纹在实际应用中的不同特点和用途按牙型分类按位置分类按线数分类•三角形螺纹连接用，如普通螺纹•外螺纹在圆柱体外表面•单头螺纹只有一条螺旋线•矩形螺纹传动效率最高•内螺纹在圆柱孔内表面•多头螺纹有多条平行螺旋线•梯形螺纹传动用，强度好按旋向分类多头螺纹可以在相同螺距下获得更大的导•锯齿形螺纹单向受力传动程，提高传动效率•右旋螺纹顺时针旋转前进•圆弧形螺纹管路连接专用•左旋螺纹逆时针旋转前进螺纹剖面示意图螺纹的几何参数是设计和计算的基础图中清晰标注了螺纹的主要尺寸参数外径d代表螺纹的最大直径，内径d₁代表螺纹根部直径，中径d₂是螺纹有效直径，螺距P是相邻两个螺纹牙在轴向的距离外径d螺纹牙顶圆柱面的直径，是螺纹的公称直径内径d₁螺纹牙底圆柱面的直径，决定螺纹的危险截面中径d₂螺纹牙厚度等于槽宽度处的直径，强度计算的基准螺距P沿螺纹轴线方向相邻两牙对应点间的距离螺旋副的自锁条件与传动效率自锁条件传动效率螺旋副具有自锁性是其重要特性之一螺旋传动的效率直接影响能源消耗和发当螺旋升角λ小于等价摩擦角φᵥ时，螺旋热量矩形螺纹的传动效率计算公式副处于自锁状态为自锁条件λ≤φᵥη=tanλ/tanλ+φᵥ其中等价摩擦角φᵥ=影响传动效率的主要因素包括arctanf/cosα/2，f为摩擦系数，α为•螺旋升角λ角度越大效率越高牙型角•摩擦系数f摩擦越小效率越高自锁性使得螺旋传动能够在断电或失去•牙型角α三角形螺纹效率较低动力时保持位置不变，这在起重设备、•润滑条件良好润滑可显著提高效率夹紧装置等应用中至关重要第二章螺纹联接类型与应用螺纹联接是最常用的可拆卸连接方式，具有结构简单、连接可靠、装拆方便等优点根据不同的使用条件和要求，螺纹联接有多种形式，每种形式都有其特定的应用场合和技术特点螺纹联接的基本类型螺纹联接根据结构形式和使用场合的不同，可分为多种基本类型每种类型都有其独特的结构特点和适用范围普通螺栓联接精密螺栓联接最常见的联接形式，螺栓穿过被联接件的通孔，用螺母拧紧结采用铰制孔与螺栓精密配合，能够承受较大的横向载荷螺栓既构简单，装拆方便，主要承受轴向拉力适用于受静载荷或轴向承受预紧力产生的拉应力，又承受横向载荷产生的剪应力多用载荷的场合于重要的结构连接双头螺栓联接螺钉联接螺栓两端均有螺纹，一端拧入被联接件，另一端用螺母拧紧适螺钉直接拧入被联接件的螺纹孔中，不需要螺母结构紧凑，但用于被联接件之一较厚、经常拆卸且不便使用普通螺栓的场合被联接件需要有足够的厚度来加工螺纹孔常用于薄板与厚件的连接特殊螺纹联接地脚螺栓联接吊环螺钉联接用于固定设备到基础上的专用螺栓联接地脚螺栓在混凝土浇筑时预埋或后期化学锚固，承受设备的重量和工作时产生的各种载荷专门用于起吊作业的螺钉，具有圆环形的头部吊环螺钉必须承受起吊时的全部重量，安全系数要求很高地脚螺栓按结构可分为吊环螺钉的特点•直角型地脚螺栓适用于小型设备•材料强度等级高，通常≥

8.8级•弯钩型地脚螺栓抗拉性能好•螺纹连接长度不少于

1.5倍螺栓直径•胀锚地脚螺栓可后期安装•严禁侧向受力，只能垂直起吊•需要定期检查，发现裂纹立即更换螺纹联接件详解螺纹联接系统由多个标准件组成，每个组件都有其特定的功能和规格要求正确选择和使用这些标准件是保证联接质量的关键螺栓类型螺钉种类螺母与垫圈•六角头螺栓最常用，便于扳手操作•圆柱头螺钉内六角驱动，美观整洁•六角螺母标准配件•圆柱头螺栓头部低矮，用于空间受限处•沉头螺钉头部与表面齐平•圆螺母用于圆形空间•双头螺栓两端螺纹，用于厚件连接•一字槽螺钉十字槽驱动方便•弹簧垫圈防松专用•沉头螺栓头部沉入工件表面•紧定螺钉用于轴系定位•平垫圈分散压力螺纹联接件实物展示上图展示了各种常用的螺纹联接件实物从左到右分别为六角头螺栓系列、圆柱头内六角螺钉、各种规格的六角螺母和垫圈、以及弹簧垫圈等防松件这些标准件的正确选用和配合使用，是保证螺纹联接质量和可靠性的基础螺纹联接的预紧与防松原理预紧力的作用机理预紧是螺纹联接中的关键工艺步骤通过对螺栓施加预紧力，可以使被联接件之间产生紧密接触，提高联接的刚性和可靠性预紧力的主要作用包括•增加联接刚性，减少变形•提高抗疲劳性能•防止接触面间的相对滑移•保证密封性能防松措施分类螺纹联接在振动、温度变化等外界因素作用下容易松动，必须采取可靠的防松措施摩擦防松机械防松化学防松弹簧垫圈、锁紧螺母等增加摩擦力止退垫圈、串联钢丝等机械约束螺纹锁固剂形成固化薄膜螺栓预紧力计算公式准确计算和控制预紧力是保证螺纹联接质量的关键技术要求预紧力的大小直接影响联接的可靠性和使用寿命123拧紧力矩法摩擦力矩组成预紧力确定最常用的预紧力控制方法总扭矩由螺纹摩擦和端面摩擦组成根据工作载荷和安全要求确定对于受拉螺栓Q_P=

1.25\sim

2.5\times F对于受剪螺栓Q_P=\frac{

1.3\times F_S}{f\times z}式中T为拧紧力矩N·m，K为扭矩系数式中F为工作拉力，F_S为横向工作载荷，f

0.15~

0.25，Q_P为预紧力N，d为螺栓公为摩擦系数，z为螺栓数目称直径mmT₁为螺纹副摩擦力矩，T₂为螺母端面摩擦力矩第三章螺纹强度计算螺纹联接的强度分析是机械设计中的重要内容通过合理的强度计算，可以确保螺纹联接在预定载荷下安全可靠地工作，避免因强度不足而导致的失效事故螺栓强度计算基础螺栓的强度计算需要根据具体的受力情况和联接类型进行分析不同类型的螺栓联接具有不同的失效模式和计算方法03松螺栓联接强度紧螺栓联接强度铰制孔螺栓强度螺栓仅承受工作载荷，预紧力很小或无预紧力螺栓同时承受预紧力和工作载荷需要考虑预紧螺栓既承受拉应力又承受剪应力，需要按合成应计算时按工作载荷进行强度校核，安全系数较力和工作载荷的叠加效应，计算更为复杂力进行强度校核大总应力\sigma=\frac{Q_P+\Delta F}{A_s}\leq[\合sig成m应a]力\sigma_合=\sqrt{\sigma^2+3\tau^2}\leq[\sigma]拉伸强度条件\sigma=\frac{F}{A_s}\leq[\sigma]螺栓材料与许用应力常用螺栓材料许用应力确定螺栓材料的选择直接影响联接的强度和可靠性根据使用条件选择合适许用应力是强度计算的基准，需要根据材料性能、载荷类型和安全要求的材料等级是设计的重要环节确定对于静载荷性能等级材料抗拉强度σᵦMPa

4.6低碳钢400对于变载荷

5.6低碳钢

5008.8中碳钢调质800式中σ为屈服强度，σ₋₁为疲劳极限，S为安全系数ₛ

10.9合金钢调质1000•重要联接S=3~

512.9合金钢调质1200•一般联接S=

2.5~4•次要联接S=

1.5~3计算实例螺栓预紧力与强度校核M10通过具体的计算实例来掌握螺栓强度计算的完整过程和方法已知条件材料性能计算过程•螺栓规格M10×

1.5•抗拉强度σᵦ=800MPa

1.确定预紧力Q=

1.5×F=12000Nₚ•性能等级

8.8级•屈服强度σ=640MPa

2.工作时总载荷Q=Q+

0.3F=14400Nₛₚ•工作拉力F=8000N•许用应力[σ]=σ/S=640/

2.5=ₛ

3.工作应力σ=Q/A=248MPaₛ256MPa•安全系数S=

2.

54.强度校核σ[σ]✓•螺纹有效面积A=58mm²ₛ螺栓受力分析示意图载荷分析预紧力确定应力计算强度校核螺栓受力分析需要综合考虑预紧力、工作载荷以及各种载荷系数的影响上图展示了螺栓在预紧和工作状态下的受力情况，为强度计算提供了直观的力学模型计算流程图则详细说明了从载荷确定到强度校核的完整计算步骤第四章螺旋传动概述螺旋传动是利用螺旋副将旋转运动转换为直线运动或将旋转力矩转换为轴向力的传动方式它具有传动比大、精度高、结构紧凑等特点，在机械工程中应用十分广泛螺旋传动的类型滑动螺旋传动螺杆与螺母之间采用滑动摩擦的传动方式结构简单，制造成本低，但摩擦损失大，效率相对较低主要特点•结构简单，制造维护方便•传动平稳，噪声小•具有自锁性能•效率较低，一般为25%~50%•发热量大，需要润滑适用于载荷较小、运动速度不高、对效率要求不严格的场合滚动螺旋传动在螺杆与螺母之间加入滚动体（通常是钢球），实现滚动摩擦的传动方式效率高，精度高，但结构复杂，成本较高主要特点•传动效率高，可达85%~95%•精度高，重复定位精度可达μm级•启动力矩小•使用寿命长•无自锁性，需要制动装置滑动螺旋传动特点与应用滑动螺旋传动是最传统的螺旋传动形式，在许多工程应用中仍然发挥着重要作用机械夹紧装置千斤顶与起重装置压力机与成形设备进给传动系统工件夹紧、机械虎钳等应用中，利汽车千斤顶、螺旋起重机等设备在冲压、挤压等成形工艺中，滑动传统机床的手动进给机构中，滑动用滑动螺旋传动的自锁特性，能够中，滑动螺旋传动能够承受很大的螺旋传动能够提供稳定的大压力，螺旋传动操作方便，能够精确控制可靠地保持夹紧力，结构简单可轴向载荷，具有良好的自锁性能传动平稳，适合大载荷工况进给量，成本低廉靠滚动螺旋传动特点与应用滚动螺旋传动代表了螺旋传动技术的最高水平，在现代精密机械中得到广泛应用高精度特性高效率传动重复定位精度可达±

0.001mm，满足精密加工和测量的要求滚珠滚动摩擦使传动效率高达90%以上，减少能源消耗和发热，延长使与丝杠、螺母间的接触变形小，传动刚性高用寿命启动扭矩小，响应速度快高速性能长使用寿命能够在高转速下稳定工作，最高线速度可达60m/min以上适合高在正确润滑和维护条件下，使用寿命可达数万小时滚动接触减少速加工和快速定位的应用要求磨损，维护间隔长典型应用包括数控机床的X、Y、Z轴传动、半导体制造设备、精密测量仪器、医疗设备、航空航天装备等高精度场合螺旋传动的设计要点螺旋传动的设计需要综合考虑多个技术参数和工程要求，以实现最佳的性能匹配载荷能力传动比与导程根据轴向载荷、径向载荷和工作条件选择合适的螺杆直径和螺母结构，确保足够的承载能根据所需的传动比和移动速度确定螺距和导力程导程越大，移动速度越快，但精度相对降低寿命计算考虑载荷大小、工作频率、环境条件等因素，计算预期使用寿命，选择合适的安全系数润滑系统材料选择设计合适的润滑方式和润滑剂类型，保证传动根据工作环境和性能要求选择螺杆和螺母材副的正常工作和延长使用寿命料常用材料包括优质碳钢、合金钢、不锈钢等螺旋传动效率与自锁性分析效率影响因素分析螺旋传动的效率直接影响系统的能耗和发热，是设计中的重要指标主要影响因素螺旋升角λ升角增大时效率提高，但过大会降低自锁性能摩擦系数f良好的润滑可以显著降低摩擦系数，提高效率牙型角α矩形螺纹效率最高，三角形螺纹效率较低表面质量加工精度和表面粗糙度直接影响摩擦特性螺旋传动效率随螺旋升角变化曲线图显示了最佳效率点的自锁性的工程意义存在在实际应用中需要在效率、自锁性和其他性能要求之间找到平衡点自锁性是螺旋传动的重要特性，在许多应用中起关键作用•起重设备中防止载荷自行下降•夹紧装置中保持夹紧状态•定位机构中保持精确位置滚动螺旋传动结构示意滚动螺旋传动的核心是钢球循环系统如图所示，钢球在螺杆和螺母的螺旋槽中滚动，同时通过回珠器实现钢球的循环这种结构使得接触从线接触变为点接触，大大降低了摩擦阻力螺杆精密加工的螺旋槽，表面硬度HRC58-62，保证耐磨性和精度螺母内部加工螺旋槽，与螺杆配合形成钢球滚道钢球高精度轴承钢球，直径公差在微米级回珠器引导钢球循环流动，有管式和盖式两种主要形式螺旋传动的典型应用案例螺旋传动技术在现代工业中应用极为广泛，不同的应用场合对螺旋传动的技术要求也不相同数控机床进给系统1高精度滚珠丝杠用于X、Y、Z轴传动，定位精度可达

0.001mm配合伺服电机实现精密控制，是现代数控机床的核心传动部件要求高精度、高刚性、长寿命2汽车电动助力转向滚珠丝杠将电机的旋转运动转换为转向机构的直线运动，提供转向助力要求响应快、噪声低、可靠性高，工作环境复杂精密测量仪器3三坐标测量机、光学测量设备等使用高精度丝杠实现精确定位要求极高的重复定位精度和稳定性，通常工作在恒温环境中4半导体制造设备晶圆传输、光刻机对准等工序需要纳米级精度的定位使用特殊材料和表面处理的超精密丝杠，在洁净环境中工作螺旋传动故障分析与维护螺旋传动系统在长期使用过程中会出现各种故障，正确的故障诊断和维护保养是保证系统正常运行的关键常见故障类型磨损失效表面磨损导致精度下降、间隙增大、传动不平稳主要原因是润滑不良、载荷过大或异物进入疲劳失效在交变载荷作用下，螺纹根部或钢球接触部位产生疲劳裂纹表现为异响、振动增大卡滞现象传动副卡死或阻力异常增大，可能由于润滑失效、热变形、异物卡住等原因造成维护保养要点定期润滑按照规定周期添加或更换润滑脂，保持良好的润滑状态选用合适粘度和性能的润滑剂清洁防护保持传动副清洁，防止切屑、灰尘等异物进入定期清洗和检查防护罩运行监测定期检测传动精度、温升、振动和噪声等参数，及时发现异常情况预防性维护措施载荷控制避免超载运行，合理安排工作循环，防止冲击载荷环境控制保持适当的工作温度和湿度，避免腐蚀性介质的影响备件管理准备常用备件，建立维护记录，制定更换周期计划课堂小结通过本次课程的学习，我们系统了解了螺旋传动的基础理论和工程应用让我们来回顾一下主要知识点螺纹联接螺纹基础各种联接类型、预紧防松原理和标准件选用螺纹几何参数、分类方法、形成原理和自锁条件强度计算螺栓强度校核方法、材料选择和安全系数确定故障维护常见故障分析、预防措施和维护保养方法螺旋传动滑动与滚动螺旋传动的特点、应用和设计要点螺旋传动作为机械传动的重要形式，在现代工业中发挥着不可替代的作用掌握其基本理论和应用技术，对于机械工程师来说具有重要意义课后思考与练习为了加深对课程内容的理解和掌握，请完成以下思考题和练习这些问题涵盖了理论计算、设计分析和实际应用等多个方面设计计算题1某机床主轴夹紧机构使用M12普通螺栓，夹紧力要求6000N，安全系数取3请计算所需预紧力，选择合适的螺栓材料等级，并校核强度提示考虑夹紧系数、摩擦系数等因素的影响效率分析题2某升降机构采用梯形螺纹传动，螺杆直径40mm，螺距6mm，摩擦系数

0.15分析其传动效率和自锁性能，讨论改进措施提示计算螺旋升角，分析效率与自锁的关系应用实例分析3观察生活中的螺旋传动应用（如汽车千斤顶、机械虎钳、升降椅等），分析其结构特点、工作原理和技术要求，说明优缺点要求绘制简单结构图，分析受力情况提交要求请在下次课前完成计算题，并准备实例分析的讨论计算过程要求步骤清晰，结果保留适当有效数字实例分析要求图文并茂，分析深入谢谢聆听！欢迎提问与讨论课程内容到此结束，希望通过今天的学习，大家对螺旋传动有了全面深入的了解如果有任何疑问或需要进一步讨论的问题，欢迎大家踊跃提问螺旋传动技术在不断发展，新材料、新工艺的应用使其性能持续提升作为未来的工程师，希望大家能够在实践中不断学习和创新，为机械工程技术的发展贡献力量。