5.3 螺旋机构

5.3.1 螺旋机构的组成及工作原理

在机械中，有时需要将转动变为直线移动，同时传递运动和动力。螺旋机构是实现这种转变经常采用的一种机构。螺旋机构主要由螺杆、螺母组成。

螺旋机构按其用途可分为：传力螺旋机构、传导螺旋机构和调整螺旋机构。传力螺旋机构以传递动力为主，一般要求用较小的转矩转动螺杆（或螺母）而使螺母（或螺杆）产生轴向运动和较大的轴向推力。这种传力螺旋主要是承受很大的轴向力，通常为间歇性工作，且每次工作时间较短，工作速度不高，而且需要自锁，用于起重或加压装置中。传导螺旋机构以传递运动为主，一般要求能在较长的时间内连续工作，且工作速度较高，因此，要求较高的传动精度，如精密车床的走刀螺杆。调整螺旋机构用于调整并固定零部件之间的相对位置，如测试装置中的微调螺旋机构，比如千分尺中的螺旋。调整螺旋不经常转动，一般在空载下调整，要求有可靠的自锁性能和精度。

5.3.2 螺旋机构的特点及应用

1．滑动螺旋机构

滑动螺旋结构简单，工作平稳，易于制造，易于自锁，这对起重设备、调节装置等很有意义。但由于螺纹之间摩擦大、磨损大、效率低，不适宜用于高速和大功率传动。

图5.23所示为最简单的滑动螺旋机构，其中螺母3相对机架1可作轴向移动。图中B为螺旋副，导程为PB，A为转动副，C为移动副。设螺杆的导程为S，螺距为p，螺纹线数为n，则螺母的位移L和螺杆的转角φ（rad）有如下关系：

图5.24所示为差动滑动螺旋机构，螺杆2分别与机架1、螺母3组成螺旋副A和B，导程分别为PA和PB，螺母3只能移动不能转动。若左、右两段螺纹的螺旋方向相同，则螺母3的位移L与螺杆2的转角φ（rad）有如下关系：

由式（5-11）可知，当PA、PB相差很小时，螺母的位移会很小。这种含双螺旋副且两螺旋副旋向相同的螺旋机构称为差动螺旋机构，常用于微量调节、测微和分度装置中。图5.25所示为镗床调节镗刀进刀量的差动螺旋机构。

若两螺旋副旋向相反（如图5.24所示），则螺杆2转过角φ时，螺母相对机架的位移为

这时，螺母3将获得较大的位移。这种含双螺旋副且两螺旋副旋向相反的螺旋机构称为复式螺旋机构，它常用于要求快速夹紧的夹具或锁紧装置中，例如钢索的拉紧装置、某些螺旋式夹具等。图5.26所示为车辆连接的复式螺旋机构，它可使车钩E和F较快地靠近或分离。

为了减轻滑动螺旋的摩擦和磨损，螺杆和螺母的材料除应具有足够的强度外，还应具有较好的减摩、耐磨性。由于螺母的加工成本比螺杆低，且更换较容易，因此应使螺母的材料比螺杆的材料软，使工作时所发生的磨损主要在螺母上。对于硬度不高的螺杆，通常采用45、50钢；对于硬度较高的重要传动，可选用T12、65Mn、40Cr、40WMn、18CrMnTi等，并经热处理以获得较高硬度；对于精密螺杆，要求热处理后有较好的尺寸稳定性，可选用9Mn2V、CrWMn、38CrMoAlA等。螺母常用材料为青铜和铸铁，要求较高的情况下，可采用ZCuSn10Pb1和ZCuSn5Pb5Zn5；重载低速的情况下，可用无锡青铜ZCuAl9Mn2；轻载低速的情况下，可用耐磨铸铁或铸铁。

2．滚动螺旋机构

为了提高传递效率和传动精度，降低螺旋传动摩擦，用滚动摩擦代替滑动摩擦，制成滚动螺旋。其特点是：滚动螺旋的摩擦阻力小，传动效率高（90%以上），磨损小，精度易保持，但结构复杂，成本高，不能自锁。滚动螺旋主要用于对传动精度要求较高的场合。

作为滚动体，螺母上有导管或反向器，使滚珠能循环滚动。当螺杆或螺母转动时，滚珠依次沿螺纹滚道滚动，借助于反向器使滚珠不断循环。滚珠的循环方式分为外循环和内循环两种。滚珠在回路过程中离开螺旋表面的称为外循环，如图5.27（a）所示，滚珠在螺母的外表面，经返回通道循环。外循环加工方便，但径向尺寸较大。图5.27（b）所示为内循环，滚珠在整个循环过程中始终不脱离螺旋表面。每一圈螺纹有一反向器，滚珠只在本圈内循环。

3．静压螺旋机构

静压螺旋机构将静压原理应用于螺旋传动中。如图5.28所示，向螺旋副中注入压力油，使螺纹工作面被油膜分开的螺旋，称静压螺旋。这种螺旋摩擦损失小，传动效率高（可达99%以上），工作寿命长，抗振性能好；但结构复杂，需要一套供油装置，仅用于高精度、高效率的重要传动中，如数控、精密机床、测试装置或自动控制系统的螺旋传动中。