第5章螺纹联接与螺旋传动

1、联 接 n联接的目的：便于机器的制造、安装、运输、维 修以及提高劳动生产率。 n机械联接： n 机械动联接：机器工作时，被联接的零（部） 件间可以有相对运动的联接。如机械原理课程中 所讨论的各种运动副； n 机械静联接：机器工作时，被联接的零（部） 件间不允许产生相对运动的联接。在机器制造中， 联接也通常指机械静联接。 n机械静联接： n 可拆联接：如螺纹联接、键联接及销联接等； n 不可拆联接：焊接、铆钉联接、胶接等； 第5章 螺纹联接与螺旋传动 5-1 螺 纹 如用一个三角形K沿螺旋线运 动并使K平面始终通过圆柱体轴线 YY-这样就构成了三角形螺纹。同 样改变平面图形K，可得到矩形、 梯形

2、、锯齿形 一、螺纹的形成 y y K dd L y y K dd L y y K dd L y y K dd L 内 螺 纹 外 螺 纹 P d1 d2 d 60 内 螺 纹 外 螺 纹 P d1 d2 d 60 内 螺 纹 外 螺 纹 P d1 d2 d 60 内 螺 纹 外 螺 纹 P d1 d2 d 60 外 螺 纹 内 螺 纹 P d1 d2 d 外 螺 纹 内 螺 纹 P d1 d2 d 外 螺 纹 内 螺 纹 P d1 d2 d 外 螺 纹 内 螺 纹 P d1 d2 d 30 P d1 d2 d 外 螺 纹 内 螺 纹 30 P d1 d2 d 外 螺 纹 内 螺 纹 30 P

3、d1 d2 d 外 螺 纹 内 螺 纹 30 P d1 d2 d 外 螺 纹 内 螺 纹 P 3 30 内 螺 纹 外 螺 纹 d1 d2 d P 3 30 内 螺 纹 外 螺 纹 d1 d2 d P 3 30 内 螺 纹 外 螺 纹 d1 d2 d P 3 30 内 螺 纹 外 螺 纹 d1 d2 d 锯齿形螺纹 三角形螺纹矩形螺纹 梯形螺纹 按牙型: 三角形螺纹、管螺纹 联接螺纹 矩形、梯形、锯齿形螺纹传动螺纹 按位置： 内螺纹在圆柱孔的内表面形成的螺纹 外螺纹在圆柱孔的外表面形成的螺纹 三角形螺纹： 粗牙螺纹用于紧固件 细牙螺纹同样的公称直径下，螺距最小， 自锁性好，适于薄壁细小零件和冲

4、击变载等 根据螺旋线绕行方向： 左旋如图 右旋常用 根据螺旋线头数： 单头螺纹（n=1）用于联接 双头螺纹（n=2）如图 多线螺纹（n2）用于传动 二、螺纹的类型 1）外径（大径）d（D）与外螺纹牙顶相重合的假想圆柱 面直径，亦称公称直径 2）内径（小径）d1(D1) 与外螺纹牙底相重合的假想圆柱 面直径 3）中径d2 在轴向剖面内牙厚与牙间宽相等处的假想圆柱 面的直径，d20.5(d+d1) 三、螺纹的主要参数 d2 d d1 P d d2 d1 L=nP(n=2) L h d2 d d1 P d d2 d1 L=nP(n=2) L h d2 d d1 P d d2 d1 L=nP(n=2)

5、 L h d2 d d1 P d d2 d1 L=nP(n=2) L h 4）螺 距 P 相邻两牙在中径圆柱面的母线上对应两点间 的轴向距离 5）导程（S）同一螺旋线上相邻两牙在中径圆柱面的母线 上的对应两点间的轴向距离 6）线 数 n 螺纹螺旋线数目，一般为便于制造n4 螺距、导程、线数之间关系：L=nP d2 d d1 P d d2 d1 L=nP(n=2) L h d2 d d1 P d d2 d1 L=nP(n=2) L h d2 d d1 P d d2 d1 L=nP(n=2) L h d2 d d1 P d d2 d1 L=nP(n=2) L h 7）螺旋升角中径圆柱面上螺旋线的切

6、线与垂直于螺旋 线轴线的平面的夹角 8）牙型角 螺纹轴向平面内螺纹牙型两侧边的夹角 9）接触高度h 2 2 / d nP arctgdarctgL d2 d d1 P d d2 d1 L=nP(n=2) L h d2 d d1 P d d2 d1 L=nP(n=2) L h d2 d d1 P d d2 d1 L=nP(n=2) L h d2 d d1 P d d2 d1 L=nP(n=2) L h 52 螺纹联接的类型及螺纹联接件 一、螺纹联接主要类型 1、螺栓联接 a) 普通螺栓联接被联接件不太厚，螺杆带钉头，通孔不 带螺纹，螺杆穿过通孔与螺母配合使 用。装配后孔与杆间有间隙，并在工 作中

7、不许消失，结构简单，装拆方便 ，可多个装拆，应用较广。也称受拉 螺栓连接。 b)铰制孔螺栓联接装配后无间隙，主 要承受横向载荷，也可作定 位用。也称受剪螺栓联接 d l1 d0 a (a)(b) d l1 d0 a (a)(b) d l1 d0 a (a)(b) d l1 d0 a (a)(b) d l1 d0 a (a)(b) d l1 d0 a (a)(b) d l1 d0 a (a)(b) d l1 d0 a (a)(b) 2、双头螺栓联接螺杆两端无钉头，但均有螺纹，装配时 一端旋入被联接件，另一端配以螺母。 适于常拆卸而被联接件之一较厚时。折 装时只需拆螺母，而不将双头螺栓从被 联接件

8、中拧出。 3、螺钉联接适于被联接件之一较 厚（上带螺纹孔），不需 经常装拆，一端有螺钉头， 不需螺母，适于受载较小 情况 (b)(a) d H l2 d l3H l2 l1 (b)(a) d H l2 d l3H l2 l1 (b)(a) d H l2 d l3H l2 l1 (b)(a) d H l2 d l3H l2 l1 特殊联接：地脚螺栓联接 , 吊环螺钉联接 4、紧定螺钉联接拧入后，利用杆末端顶住另一零件表面或 旋入零件相应的缺口中以固定零件的相对 位置。可传递不大的轴向力或扭矩。 (a)(b) (a)(b) (a)(b) (a)(b) 二、螺纹联接件 2）双头螺柱两端带螺纹 A型有

9、退刀槽 B型无退刀槽 1）螺栓 普通螺栓 六角头，小六角头，标准六角 头，大六角头, 内六角 铰制孔螺栓螺纹部分直径较小螺母 r da ds kls kl lg d 1530 辗制末端 e s r da ds kls kl lg d 1530 辗制末端 e s bml b XX ds d 倒角端 倒角端 辗制末端 辗制末端 ds d bml b XX A型 B型 bml b XX ds d 倒角端 倒角端 辗制末端 辗制末端 ds d bml b XX A型 B型 4）紧定螺钉 锥 端适于零件表面硬度较低不常拆卸常合 平 端接触面积大、不伤零件表面，用于顶紧硬度较大 的平面，适于经常拆卸 圆柱

10、端压入轴上凹抗中，适于紧定空心轴上零件的位置 轻材料和金属薄板 3）螺钉 与螺栓区别要求螺纹部分直径较粗;要求全螺纹 n bX dk t l d R n bX dk t l d R l t n d 90 R l t n d 90 R 6）螺母 六角螺母：标准，扁，厚 5）自攻螺钉由螺钉攻出螺纹 e ms d 3015 e ms d 3015 e ms d 3015 e ms d 3015 圆螺母+止退垫圈带有缺口， 应用时带翅垫圈内舌嵌入轴 槽中，外舌嵌入圆螺母的槽 内，螺母即被锁紧 DC1 120 b t H D1 d C45 30 b 30 30 30 30 15 d0 D1 h d1 d

11、2 平垫圈斜垫圈 DC1 120 b t H D1 d C45 30 b 30 30 30 30 15 d0 D1 h d1 d2 平垫圈斜垫圈 DC1 120 b t H D1 d C45 30 b 30 30 30 30 15 d0 D1 h d1 d2 平垫圈斜垫圈 DC1 120 b t H D1 d C45 30 b 30 30 30 30 15 d0 D1 h d1 d2 平垫圈斜垫圈 7）垫圈 DC1 120 b t H D1 d C45 30 b 30 30 30 30 15 d0 D1 h d1 d2 平垫圈斜垫圈 DC1 120 b t H D1 d C45 30 b 30

12、 30 30 30 15 d0 D1 h d1 d2 平垫圈斜垫圈 53 螺纹联接的预紧和防松 一、预紧 预紧目的保持正常工作。如汽缸螺栓联接，有紧密性要 求，防漏气，接触面积要大，靠摩擦力工作，增 大刚性等。 增大刚性增加联接刚度、紧密性和提高防松能力 预紧力QP预先轴向作用力（拉力） 螺纹联接：松联接在装配时不拧紧，只存受外载时才受 到力的作用 紧联接在装配时需拧紧，即在承载时，已预 先受力，预紧力QP 预紧过紧拧紧力QP过大，螺杆静载荷增大、降低本身强度 过松拧紧力QP过小，工作不可靠 dKQT P 一般 K=0.10.3 K拧紧力矩系数 预紧力QP的控制： 测力矩板手测出预紧力矩，如左

13、图 定力矩板手达到固定的拧紧力矩T时，弹簧受 压将自动打滑，如右图 测量预紧前后螺栓伸长量精度较高 二、螺纹防松 1、防松目的 实际工作中，外载荷有振动、变化、材料高温蠕变等会造成 摩擦力减少，螺纹副中正压力在某一瞬间消失、摩擦力为零， 从而使螺纹联接松动，如经反复作用，螺纹联接就会松驰而失 效。因此，必须进行防松，否则会影响正常工作，造成事故 2、防松原理 消除（或限制）螺纹副之间的相对运动，或增大相对运 动的难度。 3、防松办法及措施 上螺母 螺 栓 下螺母 上螺母 螺 栓 下螺母1）摩擦防松 双螺母、弹簧垫圈、尼 龙垫圈、自锁螺母等 弹簧垫圈 自锁螺母螺母一端做成非圆形 收口或开峰后径面

14、收口，螺母拧紧 后收口涨开，利用收口的弹力使旋 合螺纹间压紧 2）机械防松： 开槽螺母与开口销，止动垫片，串联钢丝等 (a )正 确 (b )不 正 确 (a )正 确 (b )不 正 确 (a )正 确 (b )不 正 确 3）破坏螺旋副关系： 端铆、冲点、点焊、粘合 54 单个螺栓联接的强度计算 实质：根据联接的类型、联接的配合情况、载 荷状况进行受力分析，找出螺栓组内受力最大 的螺栓及其所受的力，然后按单个螺栓，按相 应条件进行强度计算。 方法：受力分析确定失效形式建立计算准 则建立强度计算公式。 1普通螺栓联接 受力情况：轴向拉力； 失效形式：断裂 静力断裂：静载荷，且严重过载。 疲劳

15、断裂：变载荷，多数属此，且疲劳断裂常发生在螺 纹根部，即截面面积较小，并有缺口应力集中的部位，有 时也发生在螺栓头与光杆的交接处。 、松螺栓联接 如吊钩螺栓，工作前不拧紧，无QP， 只有工作载荷F起拉伸作用 强度条件为： 4 2 1 d F 4 1 F d 验算用 设计用 d1螺杆危险截面直径（mm） 许用拉应力 N/mm2 (MPa) n S / s材料屈服极限Mpa表4-8 N 安全系数，表4-9 二、紧螺栓联接工作前有预紧力F 工作前拧紧，在拧紧力矩T作用下： 预紧力F产生拉伸应力 螺纹摩擦力矩T1产生剪应力 复合应力状态: 2 1 4 1 d Qp 接第四强度理论： 3 . 13 22

16、 ca 强度条件为： 4 F3 . 1 2 1 d ca 4 F3 . 1 2 1 d ca 式中：QP 预紧力（N） T1 螺纹摩擦力矩，起扭剪作用，又称螺纹扭 矩，N.mm 1.3系数将外载荷提高30%，以考虑螺纹力矩对 螺栓联接强度的影响，这样把拉扭的复合应力 状态简化为纯拉伸来处理，大大简化了计算手 续，故又称简化计算法 强度条件验算公式： 设计公式： F43 . 1 1 d 特点：杆孔间有间隙，靠拧紧的正压 力(QP)产生摩擦力来传递外载荷。 说明：这种联接螺栓直径 大，且在冲击振动变载下 工作极不可靠 R s FmF Rf s FkmzF 为增加可靠性，减小直径，简化结构，提高承载

17、能力 可采用如下减载装置： a)减载销 b)减载套筒 c)减载键 这时螺拴连接只是保证联接，不承受工作载荷，故所需预 紧力较小 螺母未拧紧螺母未拧紧螺母已拧紧螺母已拧紧已承受工作载荷已承受工作载荷 0 F 0 F m b 1 F 1 F F F b m 2 F 2 F 三、紧螺栓联接计算受F和工作拉力F 0 F 2 F F 1 F F 由图可知：F F2 2=F=F1 1+F+F或F F2 2=F=F0 0+ + F F m b m b C C FF F tan tan F CC C F mb b F CC C FF mb b 02 且有：则有： 故 如果螺栓的工作载荷过大，联接会出现缝隙。

18、F1 0 1）静强度：）静强度： 校核式校核式: 或设计式或设计式 : 2）疲劳强度：）疲劳强度： 对于受轴向变载荷的重要连接，除作静强度计算外，对于受轴向变载荷的重要连接，除作静强度计算外， 还应作疲劳强度校核。还应作疲劳强度校核。 工作拉力：工作拉力： 0F（变载荷）（变载荷） 螺栓受力：螺栓受力： F2=F0 2 1 2 4 3 . 1 d F ca 2 1 3 . 14F d F CC C F mb b 0 0 F 2 F F F 1 F 螺栓总拉力的变化 当螺栓只受预紧力F0作用时； 当工作载荷F作用后； 当工作载荷F在(0F)之间变化时，螺栓所受的总拉 力在(F0F2)之间变化，如

19、图示。 疲劳强度校核方法和步骤：疲劳强度校核方法和步骤： 根据螺栓受力的最小、最大值，计算其所受的最小、最大应力根据螺栓受力的最小、最大值，计算其所受的最小、最大应力 （当然不考虑螺纹摩擦力矩的扭转作用）（当然不考虑螺纹摩擦力矩的扭转作用） 确定螺栓的应力幅确定螺栓的应力幅 计算螺栓的安全系数计算螺栓的安全系数(按按 min=C，计算，计算Sca) S K K S a ca min min1 max / maxlim 2 2 2 1 2 max 4 d F 2 1 0 min 4 d F 2 1 minmax 2 2d F CC C mb b a c am min Qp Qp R R R R

20、Lmin d0 2、铰制孔螺栓联接 特点：螺杆与孔间紧密配合，无间隙， 由光杆直接承受挤压和剪切来传 递外载荷R进行工作。主要失效 形式：螺栓杆被剪断、栓杆或孔 壁被压溃。 4 2 0 d R 螺栓的剪切强度条件为： 螺栓与孔壁接触表面的挤压强度条件为： PP ld R min 0 R 横向载荷（N） d0螺杆或孔的直径（mm） Lmin 被联接件中受挤压孔壁的最小长度（mm），如图所示 螺栓许用剪应力，MPa， ， P 螺栓或被联接件中较弱者的许用挤压应力，MPa 铰制孔螺栓能承受较大的横向载荷，但被加工件孔壁加工 精度较高，成本较高 55 螺栓组联接受力分析 工程中螺栓皆成组使用，单个使用

21、极少。因此，必须研究 栓组设计和受力分析。它是单个螺栓计算基础和前提条件。 螺栓组联接受力分析的目的：求出受力最大的螺栓及其所 受的力。便于进行螺栓强度的计算。 1、受轴向载荷螺栓组联接 单个螺栓工作载荷为： F=FQ/Z FQ轴向外载 Z螺栓个数 此外还受F0 ，计算出F2 由F2计算螺栓强度。 2、受横向载荷的螺栓组联接 普 通 螺 栓 受拉伸作用 铰制孔螺栓受横向载荷剪切、挤压作用。 Rf s FkmzF z F F R s m单个螺栓的接合面数。 Kf可靠性系数 3、受横向扭矩螺栓组联接 a)普通螺栓联接 由静平衡条件0T TKTrrr Zf s2 s s1 FFF Z i i Z r

22、 TK rrr KT 1 s f 21s f )( F 则各个螺栓所需的预紧力为 联接件不产生相对滑动的条件为： b)铰制孔螺栓联接组 由变形协调条件可知，各个 螺栓的变形量和受力大小与其中 心到接合面形心的距离成正比 Tr rrr Z i ii Z Z 1 s s 2 2s 1 1s F FFF 由假设板为刚体不变形，工作后仍保持平面，则剪 应变与半径成正比。在材料弹性范围内，应力与应变成正比 ii i r rrr max maxs s max maxs 1 s F F FF Z i i r rT 1 2 max maxs F 4、受倾覆（翻转）力矩螺栓组联接 特点：M在铅直平面内，绕O-O

23、回转， 只能用普通螺栓，取板为受力对象，由 静平衡条件 设单个螺栓工作载荷为Fi MLFLFLF ZZ 2211 max max 1 1 L F L F L F i i t i i L ML F 1 2 max max 螺栓杆不拉断的条件 4 F3 . 1 2 1 max d ca F43 . 1 max 1 d 设计公式 验算公式 右侧不压溃条件（被联接件） F maxPP W M A Z Lm a x Li QpQp p Q1 p2 Q2 M M p1 O O O xx 左侧不开缝的条件 0 F min W M A Z P 实际使用中螺栓组联接所受的载荷是以上四种简单 受力状态的不同组合。

24、计算时只要分别计算出螺栓组在 这些简单受力状态下每个螺栓的工作载荷，然后按向量 叠加起来，便得到每个螺栓的总工作载荷，再对受力最 大的螺栓进行强度计算即可。 56 提高螺栓联接强度的措施 影响联接强度的因素很多，如材料、结构、尺寸、工艺、 螺纹牙间、载荷分布、应力幅度、机械性能，而螺栓联接的强 度又主要取决于螺栓的强度。 一、改善螺纹牙间载荷分布不均状况 Q 工作中螺栓牙抗拉伸长，螺母牙受压 缩短，伸与缩的螺距变化差以紧靠支承面 处第一圈为最大，应变最大，应力最大， 其余各圈依次递减，旋合螺纹间的载荷分 布如图所示。所以采用圈数过多的加厚螺 母，并不能提高联接的强度。 悬置螺母 内斜螺母环槽螺

25、母 钢丝螺套 二、降低螺栓应力幅 1、降低螺栓刚性 F2 b2 b1 Qp Q2 m Qp2 Qp1 F F F1 Q1 可增大螺栓长度，或用腰状杆螺栓、空心螺栓、柔性螺栓联接 A F cc c 2 1 21 1 a 2、提高被联接件刚度 采用高硬度垫片 三、减小应力集中的影响 d r d r 0.51.0 d r2 h r1 r= 0.2dr0.2d r10.15d ; r21.0d ; h0.5d ; 1）加大过渡处圆角(图1) 2）改用退刀槽 3）卸载槽，(图2) 四、避免或减小附加弯曲应力 承压面倾斜承压面倾斜 被联接件变形过大 球面垫片斜垫片凸台沉头座 环腰 五、采用合理的制造工艺

26、1）用挤压法（滚压法）制造螺栓，疲劳强度提高3040% 2）冷作硬化，表层有残余应力（压）、氰化、氮化、喷丸等 可提高疲劳强度 3）热处理后再进行滚压螺纹，效果更佳，强度提高70100 % ，此法具有优质、高产、低消耗功能 4）控制单个螺距误差和螺距累积误差 1. 1. 螺纹连接件的常用材料螺纹连接件的常用材料 低碳钢低碳钢Q215Q215、1010号钢：一般连接号钢：一般连接 中碳钢中碳钢Q235Q235、3535、4545号钢：一般连接号钢：一般连接 低合金钢、合金钢如低合金钢、合金钢如15Cr15Cr、40Cr30CrMnSi40Cr30CrMnSi等：承受振动、冲等：承受振动、冲 击、

27、变载的重要连接击、变载的重要连接 垫片材料垫片材料 ：普通垫片：普通垫片： Q215Q215、 1515、3535号钢；号钢； 弹簧垫片：弹簧垫片：65Mn65Mn。（需热处理）。（需热处理） 5-7 5-7 螺纹连接件的材料及许用应力螺纹连接件的材料及许用应力 性能等级 3 6 46 48 56 5 8 6 8 88 98 109 129 抗拉强度极限 bmin （MPa） 330 400 420 500 520 600 800 900 1040 1220 屈服极限 smin （MPa） 190 240 340 300 420 480 640 720 940 1100 硬 度 （HBS）mi

28、n 90 114 124 147 152 181 240 276 304 366 推荐材料 低 碳 钢 低碳钢或中碳钢 低碳合金钢 或中碳钢淬 火并回火 中碳钢，低 中碳合金钢 淬火并回火 合 金 钢 注：1.性能等级的标记代号含义： “.”前的数字为公称抗拉强度极限b 的 1/100， “.”后的 数字为屈强比的 10 倍，即（a/b）10。 2.规定性能等级的螺栓、螺母在图纸上只注性能等级，不应标出材料牌号。 螺栓、螺钉、螺柱性能等级 （摘自GB30981982）（1988年确认） 螺母 性能 等级 456891012 相配 螺栓 性能 等级 3.6,4.6,4.83.6,4.6, 4.8

29、 5.6, 5.8 6.8 8.88.89.810.912.9 直径 范围 1616所有直径16 16 所有 直径 39 螺母性能等级 （摘自GB3098.21982）（1988年确认） 2许用应力许用应力 =S/S，=S/S 对于钢对于钢 对于铸铁对于铸铁 式中式中 S、B为螺栓材料的屈服极限和强度极限，常为螺栓材料的屈服极限和强度极限，常 用铸铁连接件的用铸铁连接件的B ：200250MPa。 有关的安全系数查表有关的安全系数查表5-10 P S P S P B P S 说明：说明： 由于许用应力的确定与安全系数有关由于许用应力的确定与安全系数有关,而安全系数而安全系数S又与螺又与螺 栓的直径有关。栓的直径有关。 因此因此,用螺栓连接的强度计算公式设计螺纹公称直径时用螺栓连接的强度计算公式设计螺纹公称直径时,安全安全 系数事先未知系数事先未知,故采用试算法故采用试算法 试算法试算法:对于对于d1的试算（因为的试算（因为d1确定后，才能查表确定安全确定后，才能查表确定安全 系数系数S） 初估初估d查表查表5-10确定确定S=S/Sd1查标准确定查标准确定d（d 应与初估应与初估d相符）。相符）。 通常只要最后确定的通常只要最后确定的d在