机械设计 第14章螺纹联接和螺旋传动

1、联接的分类动联接：机器工作时，零部件之间可以有相对 运动。例如：机械原理中，各种运动 副之间的联接。静联接：在机器工作中，不允许零部件之间存 在相对运动的联接。静联接可拆联接：不毁坏联接中的任何一个零件就可拆 开的联接。例如：螺纹联接、键联接。不可拆联接：至少毁坏联接中的一部分才能拆开的 联接。例如：铆接、焊接等。过盈联接第十四 章 螺纹联接和螺旋传动第一节 螺纹联接的主要类型、特点及应用按应用可分：联接螺纹：普通三角形 传动螺纹：梯形；锯齿形； 矩形。按几何参数可分：公英制螺纹；粗细牙螺纹；左右旋螺纹；单线及多线螺纹。螺纹的主要参数 大径d，小径d1，中径d2 线数n，螺距p，导程s=nP

2、升角 l，牙型，牙型角2tandnParc螺纹联接的主要类型1. 螺栓联接：普通螺栓联接 铰制孔用螺栓联接2. 双头螺栓联接3. 螺钉联接4. 紧定螺钉联接其它其它：地脚螺栓联接；吊环螺栓联接； T型槽螺栓联接；1. 螺栓联接：普通螺栓联接：应用广泛 铰制孔用螺栓联接2. 双头螺栓联接：常拆卸3. 螺钉联接：被联接件之一较厚普通螺栓联接 铰制孔用螺栓联接 螺栓联接螺钉联接螺钉拧入深度H: 钢或青铜 Hd 铸铁 H=(1.251.5)d 铝合金 H=(1.5 2.5)d 紧定螺钉联接地脚螺栓 吊环螺栓 T形槽螺栓 其它 螺纹联接第二节 螺纹联接的预紧和防松（二）拧紧力矩与预紧力的关系 T= FL

3、 = T1+T2)(2021vtgFdT202030300231dDdDFfTc0F对M12以下的螺栓，应注意控制预紧力，以防过载拉断。dddDfddvc1 . 117. 0tan7 . 1; 2 . 01 . 09 . 0,23241002对普通螺栓：)231 (2 . 02110dFT）式：代入（)231 ()tan(231220203030021vcddDdDfFTTT 螺纹联接的控制预紧力的方法（三）控制预紧力的方法 控制应力或应变 控制拧紧力臂 控制拧紧力矩应变片（三）控制预紧力的方法 控制拧紧力矩测力矩扳手定力矩扳手#螺纹联接防松的实质在于限制螺旋副的相对转动。以防止联接的松动，影

4、响正常工作。#螺纹联接的防松按工作原理可分为三类（P339表13.2）： 1 1.摩擦防松 2.直接锁住（机械防松） 3.不可拆卸防松（铆冲；粘接； 焊接）#二、螺纹联接的防松1. 摩擦防松弹簧垫圈防松 自锁螺母防松1. 摩擦防松 对顶螺母防松2.机械防松螺栓+开槽螺母+开口销螺栓装配图开槽螺母开口销2.机械防松 止动垫片防松2.机械防松 止动垫片防松2.机械防松 串联钢丝防松正确错误2.机械防松 圆螺母+止动垫片3.不可拆卸防松 焊接 铆冲第三节 螺栓组联接设计 1.被联接件形状应简单对称；2.螺栓布置应受力均等；扳手空间尺寸压力容器的螺栓间距3.布置螺栓应留有合理的间距、边距，方便装配4.

5、同一螺栓组紧固件形状、尺寸、材料应尽量一致； 同一圆周上的螺栓数目为4、6、8等偶数5.避免附加弯曲应力，螺栓头、螺母与被联接件的接触表面均应平整；二 螺栓组联接的受力分析 螺栓联接大多工作之前应预紧，称为紧螺 栓联接；螺栓联接设计计算的一般步骤：螺栓组受力和失效分析 找出受力最大的螺栓；单个螺栓受力和失效分析 单个螺栓强度计算确定螺栓的尺寸（直径、长度）。失效分析：普通螺栓主要为螺纹部分：断裂、磨损滑扣 ；螺栓组和单个螺栓的失效有联系又有区别。 xzyFzFxFyoTzMxMy 螺栓组受力分析将一个零件加以固定，其实质就是约束该零件在空间的六个自由度。 螺栓组所受的载荷可分为四种类型： 横向

6、力： Fx 、FY 轴向力： Fz 翻转力矩： Mx、MY 转矩： Tz （一）受横向力的螺栓组联接 （1）普通螺栓联接 （2）铰制孔用螺栓联接zFF两种情况的工作原理不同！（1）普通螺栓联接 螺栓组受力 单个螺栓受力)514(00fzmFKFFKmfzFss或受力平衡条件：5 . 11 . 1_111_可靠性系数，取接合面数目；表接合面间的摩擦系数，sKmfF0F （二） 受旋转力矩T的螺栓组联接 （1）普通螺栓联接TKrfFrfFrfFfz 02010力矩平衡条件：)5 .13()(1210 ziifzfrfTKrrrfTKF则预紧力：计入可靠性系数（2）铰制孔用螺栓联接zzrFrFrFT

7、 2211力矩平衡：)6 .13(12max22221maxmax ziizrTrrrrTrF受力最大螺栓：)(22221maxmaxnrrrrFT 即：变形量越大，则工作剪力越大 maxmaxiirFrFimaxmaxirrFF （三）受轴向载荷的螺栓组联接单个螺栓的受力：预紧力F0 工作力FzFF?单个螺栓的总拉力： FQ F +F0F0 （四）受翻转力矩的螺栓组联接假定底板为刚体，翻转力矩作用在螺栓组的联接形心受载后绕OO转动仍保持平面在M的作用下，左侧螺栓拉力增大；右侧螺栓拉力减小而地面压力增大失效分析：1.螺栓拉断； 2.底板左侧出现间隙；3.底板右侧压溃。 螺栓所受的工作拉力与距离

8、成正比iillFFmaxmax所以nnlFlFlFM 2211力矩平衡：) 8 .13(1max22221maxmax ziinllMllllMF受力最大螺栓：maxmax332211lFlFlFlF变形条件在翻转力矩作用下，接合面挤压应力分布图 受翻转力矩前，接合面挤压应力分布图 底板受力分析F0WMmaxbAzF0p接合面的强度计算 许用挤压应力，右侧不压溃_0maxpppWMAzF00minWMAzFp左侧不分离AzFppWMmaxb受复合载荷的螺栓组联接横向荷载+轴向载荷+翻转力矩翻转力矩受复合载荷的螺栓组联接横向载荷+旋转力矩受复合载荷的螺栓组联接计算时应求出受力最大螺栓的受力 三、

9、单个螺栓的强度计算 受力分析时可分为：v普通螺栓联接：松螺栓联接 紧螺栓联接v铰制孔用螺栓联接仅受预紧力作用的螺栓受预紧力和工作载荷作用的螺栓紧螺栓（一）松螺栓联接的计算1.受载荷形式轴向拉伸 2.失效形式螺栓拉断 3.计算 ）（校核式：1211421dF）（设计式：131141Fd4.螺栓材料和许用应力5. 查手册确定d，及其它有关尺寸。 (二）只受预紧力作用的螺栓 5 . 042)tan(16)(2210123120dFdddtgdFvv切应力：4210dF拉应力：3 . 1)5 . 0 ( 332222v强度理论：)12.13(43 . 1210dFca校核式)14.13(29. 13

10、. 14:001FFd设计式 例：如图钢板厚度 =16mm 用 两个铰制孔用螺栓固定在机架上，F=5000N，其它尺寸如图。板和机架材料均为Q235。试：（1）分析铰制孔用螺栓的失效形式 ； （2）分析铰制孔用螺栓的受力 （3）按强度设计铰制孔用螺栓的直径 （4）若用普通螺栓，计算螺栓的直径（fc=0.2，Kn=1.1） 解：1.铰制孔用螺栓的失效形式为剪切和挤压失效 ； 2.受力分析：将载荷F向形心O简化后，NmmTNF6105 . 1;5000NFNaTFNFFTF7906750025007500;2500222 204/2211dF）由式（ mmFdMPaSs24.10967906449

11、65 . 22408110得由表3.按剪切强度计算螺栓的直径每个螺栓的受力 按挤压强度校核按挤压强度校核 粗选d=10，d 0=11mm的 六角头铰制孔用螺栓，螺母d=10，H=8。根据机架，板厚及螺母H选用l=100（螺纹部分l3=18） MPadFMPaSpsp9 .591211790619225. 1240min0由式由表选用两个选用两个 M10M10100 GB27100 GB278888六角头铰制孔用螺栓六角头铰制孔用螺栓 。 127018100min由机构确定 4.4.改用普通螺栓每个螺栓的预紧改用普通螺栓每个螺栓的预紧力力NfFKFcn434832 . 079061 . 10 M

12、PaSmmFds12022405 .24120434833 . 143 . 1401其中 选用两个选用两个M30M30（d d1 1=26.21=26.21）的六角螺栓。）的六角螺栓。 小结：受复合载荷螺栓，其合力按向量相小结：受复合载荷螺栓，其合力按向量相加；铰制孔用螺栓比普通螺栓尺寸小很多加；铰制孔用螺栓比普通螺栓尺寸小很多。 (三）受预紧力和工作载荷作的紧螺栓联接通过分析螺栓受力和变形的关系，求出螺栓的 总拉力F = F0+ FF0F0受力和变形关系(只受预紧力F0)F0F0F0F0F0F0F0F0受到外力F作用时，受力和变形关系 受力变形线图受力变形线图受工作载荷后受预紧力将两图合在一

13、起 由图可得：mmmFC0tan被联接件的刚度bbbFC0tan螺栓的刚度FCCCFFFFmbb00螺栓总拉力F=CbF-F=CmFkFCCCFCmbb FCCCFFmbb0由几何关系推出螺栓总拉力F与预紧力 F0 、残余预紧力 F0和工作载荷 F 之间的关系：FCCCF)1 (mbm0b00FCCCFFmbFFF0mbCCCbCk 相对刚度 的选择0F计算螺栓总拉力的两种表达式，视情况选用。FFF0FCCCFFmbb0紧密性1.51.8F 有冲击1.01.5F不稳定0.61.0F载荷稳定0.20.6F 为降低螺栓的受力，提高承载能力应使螺栓的相对刚度 值尽量小些，例如取较硬的垫片，Cm增大,

14、KC减小。 相对刚度相对刚度 可由表13.9选取；mbCCCbCk被连接钢板间所用垫片KC金属垫片或无垫片皮革垫片铜皮石棉垫片橡胶垫片0.20.30.70.80.9螺栓拉伸强度条件：)2031 (3 . 1421dFca)2131 (3 . 141Fd设计公式： 四、铰制孔用螺栓的强度计算v预紧力小，强度计算时可不考虑； v 失效形式：螺栓剪切及侧面压溃；)3.241 (420mdF剪切强度)3.251 (min0ppLdF挤压强度 ；力，表栓或孔壁的许用挤压应螺栓的许用剪应力，螺、度，建议取钉杆与孔壁最小接触长；螺栓的抗剪工作面数目811_;25. 1_0minminpdLLm五、螺纹联接件

15、的材料和许用应力例例1 1、图示螺栓联接中采用两个、图示螺栓联接中采用两个M20M20的螺栓，其许用拉应力的螺栓，其许用拉应力=160MPa =160MPa ，被联接件接合面间的摩擦系数，被联接件接合面间的摩擦系数f=0.2f=0.2，若考虑摩擦传，若考虑摩擦传力的可靠系数力的可靠系数K Kf f=1.2=1.2，计算该联接允许传递的静载荷，计算该联接允许传递的静载荷Q Q？（？（M20M20小小径径d1=17.294d1=17.294）解：螺栓预紧后，接合面所产生解：螺栓预紧后，接合面所产生的最大摩擦力必须大于或等于横的最大摩擦力必须大于或等于横向载荷，假设各螺栓所需预紧力向载荷，假设各螺栓

16、所需预紧力均为均为F F0 0, ,则由平衡条件则由平衡条件 07N.192732 . 1222 . 06 .28910KfmzFQQKfmzFf0f06N.289102 . 5160294.172 . 5dFd3F. 142210210ca例例2 2、试确定图示普通螺栓组联接中受力最大的螺栓所受的力，并计算螺栓直、试确定图示普通螺栓组联接中受力最大的螺栓所受的力，并计算螺栓直径（结合面径（结合面m=1m=1，摩擦系数，摩擦系数f=0.2f=0.2， =160MPa=160MPa，可靠系数，可靠系数K Kf f=1.2=1.2）。）。1)1)将将P P力向螺栓组的对称中心简化力向螺栓组的对称中

17、心简化 ，得一横向力和一个横向力矩，得一横向力和一个横向力矩，做受力图。横向力使每个螺栓受力，做受力图。横向力使每个螺栓受力F1，扭矩扭矩T使每个螺栓受力使每个螺栓受力F2FF1P/z=6000/3=2000NT250P=2506000=1500000NmmF2T/3r=1500000/（3144.3）=3465Nr125/cos30=144.3mm4N.529230cos2F0212221maxFFFF2)计算螺栓直径计算螺栓直径F0fmKfFmax12mm.1816031754.45.22F. 5d01F0KfFmax/f=1.25292.4/0.2=31754.4NM20，d1=17.2

18、94mmM22，d1=19.294mm所以应选择所以应选择M22的螺栓的螺栓3个个例例3 3、图示为一固定在钢制立柱上的铸铁托架。已知：载荷、图示为一固定在钢制立柱上的铸铁托架。已知：载荷P=4800NP=4800N，其作用线与垂直线的夹角，其作用线与垂直线的夹角=50=50，底板高度，底板高度h=340mmh=340mm，宽，宽b=150mmb=150mm，立柱的屈服极限，立柱的屈服极限s=235MPas=235MPa，托架的，托架的抗拉强度极限抗拉强度极限B B=195MPa=195MPa，钢或铸铁零件联接接合面间的摩，钢或铸铁零件联接接合面间的摩擦系数擦系数f=0.15f=0.15，螺栓

19、的相对刚度，螺栓的相对刚度k kc c=0.2=0.2，取可靠性系数是，取可靠性系数是k kf f=1.2=1.2，取螺栓联接的安全系数，取螺栓联接的安全系数sss s=1.5,=1.5,试设计此螺栓组联试设计此螺栓组联接。接。NzFFV919436771NLMLFzii18771401404140105107012max2 (2)(2)螺栓受力分析螺栓受力分析 在工作载荷在工作载荷P P的作用下，螺栓组联接承受以下各力和翻转力的作用下，螺栓组联接承受以下各力和翻转力矩的作用：矩的作用： 轴向力轴向力 F Fv v=Psin=4800sin50=Psin=4800sin50=3677N=367

20、7N 横向力横向力 F FH H=Pcos=4800cos50=Pcos=4800cos50=3085N=3085N 翻转力矩翻转力矩 M=FM=Fv vl60+Fl60+FH H150=1051070N.mm150=1051070N.mm 在轴向力在轴向力F Fv v的作用下，各螺栓所受的工作拉力为的作用下，各螺栓所受的工作拉力为 在翻转力矩在翻转力矩M M的作用下，上面两螺栓受到加载作用，而下面两的作用下，上面两螺栓受到加载作用，而下面两螺栓受到减载作用，故上面的螺栓受力较大，所受载荷为螺栓受到减载作用，故上面的螺栓受力较大，所受载荷为 根据以上分析可见，上面两螺栓所受的轴向工作拉力为根据

21、以上分析可见，上面两螺栓所受的轴向工作拉力为 FF1F2919+18772796NHfVcFkFkzFf)1 (0zFkfFkFVcHf)1 (0N690543677)2 . 01 (15. 030852 . 1在横向力在横向力F FH H的作用下，底板联接接合面可能产生滑移，根据的作用下，底板联接接合面可能产生滑移，根据底板接合面不滑移条件，并考虑轴向力底板接合面不滑移条件，并考虑轴向力FvFv对预紧力的影响，则各对预紧力的影响，则各螺栓所需要的预紧力为螺栓所需要的预紧力为得各螺栓所需要的预紧力为得各螺栓所需要的预紧力为NFKFFc746427962 . 069050mmFd79. 8160

22、74643 . 143 . 141确定螺栓所受的总拉力确定螺栓所受的总拉力F F 确定螺栓直径确定螺栓直径(任选择某一强度级别任选择某一强度级别)选择螺栓强度等级为选择螺栓强度等级为4.6级，可得级，可得s=240MIPa，则螺栓材料的许用应力，则螺栓材料的许用应力= s/ss240/1.5=160Mpa。则得所需的螺栓危险剖面的直径为。则得所需的螺栓危险剖面的直径为故选用故选用4 4个个M12M12，其，其d1=10d1=10.106mm.106mm的的螺栓。螺栓。 例例4：如图扳拧紧力：如图扳拧紧力F=200N，试计算两螺栓所受的力。，试计算两螺栓所受的力。T=850F=850200=17

23、0000NmmFA=FB=F/2=100NFTA=T/（250）=1700NFmax= FA+ FTA=100+1700=1800N 第五节 提高螺栓联接强度的措施1.1改善螺纹牙载荷分布不均的现象第一圈螺纹承担约三分之一的载荷 1.2改善螺纹牙载荷分布不均的现象 图13-20 采用均载螺母 2.减小应力集中 图13.26 3.13.1降低应力幅降低应力幅螺栓的总拉力与螺栓和被联接件螺栓的总拉力与螺栓和被联接件的刚度有关，减小螺栓刚度或增的刚度有关，减小螺栓刚度或增大被联接件刚度都能降低应力幅。大被联接件刚度都能降低应力幅。 3.2降低应力幅腰状杆螺栓和空心螺栓减小螺栓的刚度C Cb b图中汽

24、缸采用密封环密封，增加被联接件的刚度C Cm m 4.避免附加应力结构上： 凸台； 沉头座； 图中 斜面垫圈、球面垫圈 5.采用合理的制造工艺冷镦螺栓头部和滚压螺纹；表面硬化工艺：氮化；氰化；碳氮共渗等处理 第六节 螺旋传动一一.螺旋传动的特点螺旋传动的特点 1.传动比大，能得到较大的轴向推力； 2.精度高，能准确地调整直线运动的距离和 位置； 3.易实现自锁； 4.效率较低，适于中小功率传动 二.螺旋传动的应用承载小，工作时间短，有些要求较高的调整精度，有些要求较高的调整速度。调整螺旋以传递运动为主，要求较高的运动速度和精度，传导螺旋以传递动力为主，受力大，速度低，间歇工作，通常要求自锁。传

25、力螺旋特 点功能 三.螺旋传动的类型螺杆转动并移动，螺母固定：千斤顶螺杆转动，螺母移动：机床进给机构；螺母转动并移动：螺母转动，螺杆移动：防转机构防转机构其它螺旋：其它螺旋：按螺旋副的摩擦可分为：按螺旋副的摩擦可分为：摩擦阻力小，传动效率高，结构复杂，需要专门的液压系统供油。静压螺旋摩擦阻力小，传动效率高，结构复杂，滚动螺旋结构简单，便于制造，易于自锁，摩擦阻力大，效率低，磨损快，滑动螺旋特 点摩擦性质滑动螺旋传动的设计计算 （自学） 1.滑动螺旋的受力及失效分析2.滑动螺旋的材料3.滑动螺旋的设计计算应用举例：镗刀差动螺旋微调结构 .右旋螺距右旋螺距SA=1右旋右旋螺距螺距SB=0.75螺距

26、螺距S SA A=1=1螺距螺距S SB B=0.75=0.75手柄转一圈镗刀移动手柄转一圈镗刀移动S SC C=S=SA A-S-SB B=0.25=0.25设手柄转一圈刻度为设手柄转一圈刻度为100100，镗刀移动精，镗刀移动精度度S=SS=SC C/100=0.25/100=0.0025mm/100=0.25/100=0.0025mm手柄刻度手柄刻度100正、反螺旋快速调整结构右螺旋左螺旋内循环内循环作业13.213.313.413.513.2起重卷筒与大齿轮间用双头螺柱连接，起重钢索拉力起重卷筒与大齿轮间用双头螺柱连接，起重钢索拉力F0=50kN，卷筒，卷筒直径直径D=400mm，8个

27、螺柱均匀分布在直径个螺柱均匀分布在直径D0=500mm圆周上，螺栓性能等圆周上，螺栓性能等级级4.6级，结合面摩擦因子级，结合面摩擦因子f=0.12，可靠度系数，可靠度系数Kf=1.2。试确定双头螺柱的。试确定双头螺柱的直径。直径。解：假设不控制预紧力解：假设不控制预紧力，估计，估计d=M6M16，取，取安全系数安全系数S=3.5。=S/S=240/3.5=68.6MPa1mm.526 .681125002 . 52F. 5d112500N12. 0112502 . 1fmFKF11250N50006250FFF5000N2508108rTFN1020050000T6250N8/500008/

28、FF01maxf0TFmax7T70F再估计再估计d=M30M60，取安全系数，取安全系数S=1.5=S/S=240/1.5=160MPa11mm.341601125002 . 52F. 5d01M36M36，d1=31.67mmd1=31.67mm，M39M39，d1=34.67mmd1=34.67mm所以选择所以选择M39M39，d=39mmd=39mm13.313.3图示气缸盖连接中，已知气缸内压力图示气缸盖连接中，已知气缸内压力p p在在0 02MPa2MPa之间变化，气缸内径之间变化，气缸内径D=500mmD=500mm，螺栓分布在直径，螺栓分布在直径D D0 0=650mm=650

29、mm的圆周上，为保证气密性要求，剩余预紧的圆周上，为保证气密性要求，剩余预紧力力F F0 0=1.8F=1.8F。试设计此螺栓组连接。试设计此螺栓组连接。解：假设不控制预紧力，估计解：假设不控制预紧力，估计d=M6M16，取安全系数，取安全系数S=3.5。取。取4.6级碳钢螺栓级碳钢螺栓,螺栓个数螺栓个数z=D0/4.5d=650/(4.516)28=S/S=240/3.5=68.6MPa每个螺栓所受拉力：每个螺栓所受拉力：Fmax=FFmax=FQ Q/z=(R/z=(R2 2/4)p/z=(250/4)p/z=(2502 2/4)/4)2/2/28=3506.24N28=3506.24NF

30、=F+ F0=2.8F=2.83505.2=9817.4N再估计再估计d=M16M30，取安全系数，取安全系数S=2.8=S/S=240/2.8=86MPa5mm.1568.64 .98172 . 52F. 5d1螺栓个数螺栓个数z=D0/4.5d=650/(4.518) =25.2 取取z=26每个螺栓所受拉力：每个螺栓所受拉力：Fmax=FQ/z=(R2/4)p/z=(2502/4)2/26=3776NF=F+ F0=2.8F=2.83776=10573N3mm.1486105732 . 52F. 5d1M16，d1=13.835mm，M18，d1=15.294mm所以选择所以选择M18，d=18mm的螺栓的螺栓26个个螺栓最小间距：螺栓最小间距：L0=650/（zd）= 650/（2618）= 4.364.5满足要求。满足要求。校核疲劳强度：校核疲劳强度：57MPa. 2294.153776225. 0d2FCCCa221mbbmax25MPa.123.231400.84KSa1T-a13.413.4螺栓组连接的螺栓组连接的3 3种方案如图所示，外载