第五章螺纹连接和螺旋传动PPT课件

1、5.1 螺纹一、螺纹的形成第五章 螺纹连接和螺旋传动第1页/共76页二、螺纹的分类1. 内螺纹和外螺纹2. 按母体分：圆柱螺纹和圆锥螺纹3. 按牙型分：三角形螺纹、矩形、梯形、锯齿形螺纹第2页/共76页4. 按用途分：连接螺纹和传动螺纹5. 按旋向分：左旋螺纹和右旋螺纹第3页/共76页三、常用螺纹的特点与应用第4页/共76页四、普通螺纹的主要参数四、普通螺纹的主要参数 大径d，D小径d1 ，D1中径d2， D2螺距 P牙型角a升角线数n导程S S=nP。22arctanarctandnPdS接触高度h第5页/共76页5.2 螺纹连接的类型和标准连接件一、螺纹连接的基本类型 第6页/共76页第7

2、页/共76页第8页/共76页二、标准螺纹连接件第9页/共76页1、螺栓GB/T 5782-2000标记：螺栓GB/T 5782-2000 M1280第10页/共76页2、双头螺柱GB/T 898-1988标记：螺柱GB/T 898-1988 M1050第11页/共76页3、螺钉GB/T 67-2000标记：螺钉GB/T 67-2000 M520第12页/共76页4、螺母GB/T 6170-2000标记：螺母GB/T 6170-2000 M12第13页/共76页5、垫圈平垫圈GB/T 848-1985标记：垫圈GB/T 93-1987 16弹簧垫圈GB/T 93-1987第14页/共76页5.3

3、 螺纹连接的预紧预紧力：预紧力： 大多数螺纹连接在装配时都需要拧紧，使之在承受工作载荷大多数螺纹连接在装配时都需要拧紧，使之在承受工作载荷之前，预先受之前，预先受到力的作用，这个预加作用力称为预紧力。到力的作用，这个预加作用力称为预紧力。预紧的目的：预紧的目的： 增强连接的可靠性和紧密性，以防止受载后被连接件间出现增强连接的可靠性和紧密性，以防止受载后被连接件间出现缝隙或发生相对移动。缝隙或发生相对移动。 预紧力的确定原则：预紧力的确定原则： 拧紧后螺纹连接件的预紧应力不得超过其材料的屈服极限的拧紧后螺纹连接件的预紧应力不得超过其材料的屈服极限的80%80%。 一、预紧一、预紧第15页/共76

4、页预紧力的控制：预紧力的控制： 利用控制拧紧力矩的方法来控制预紧力的大小。利用控制拧紧力矩的方法来控制预紧力的大小。注意：注意：对于重要的连接，应尽可能不采用直径过小对于重要的连接，应尽可能不采用直径过小( (M12)M12)的螺栓。的螺栓。 预紧力和预紧力矩之间的关系：预紧力和预紧力矩之间的关系： dFT02 . 0通常可采用通常可采用测力矩扳手测力矩扳手或或定力矩扳手定力矩扳手。对于重要的螺栓连接，也可以采用测定螺栓伸长的方法来对于重要的螺栓连接，也可以采用测定螺栓伸长的方法来控制预控制预紧力。紧力。第16页/共76页第17页/共76页第18页/共76页第19页/共76页第20页/共76页

5、防松的根本问题在于防止螺旋副在受载时发生相对转动。防松的根本问题在于防止螺旋副在受载时发生相对转动。 防松的分类：防松的分类：摩擦防松、机械防松、破坏螺旋副运动关系防松。摩擦防松、机械防松、破坏螺旋副运动关系防松。 5.4 螺纹连接的防松第21页/共76页第22页/共76页第23页/共76页5.6 单个螺纹连接的强度计算 对于受拉螺栓，其失效对于受拉螺栓，其失效形式主要是螺纹部分的塑性变形形式主要是螺纹部分的塑性变形和螺杆的疲劳断裂。和螺杆的疲劳断裂。螺栓的失效形式：螺栓的失效形式：对于受剪螺栓，其失效形式可能是螺栓杆被剪断或螺栓对于受剪螺栓，其失效形式可能是螺栓杆被剪断或螺栓杆和孔壁的贴合面

6、被压溃。杆和孔壁的贴合面被压溃。65%20%15%第24页/共76页一、一、松螺栓松螺栓连接强度计算连接强度计算 214dF例：起重吊勾的松螺栓连接例：起重吊勾的松螺栓连接二、紧螺栓连接强度计算二、紧螺栓连接强度计算1. 1. 仅受预紧力的紧螺栓连接仅受预紧力的紧螺栓连接 2. 受轴向载荷的紧螺栓连接受轴向载荷的紧螺栓连接 3. 承受工作剪力的紧螺栓连接承受工作剪力的紧螺栓连接 螺栓连接强度计算的目的：螺栓连接强度计算的目的：是根据强度条件是根据强度条件确定螺栓直径确定螺栓直径，而螺栓和螺母的螺纹牙，而螺栓和螺母的螺纹牙及其他各部分尺寸均按标准选定。及其他各部分尺寸均按标准选定。 第25页/共

7、76页第26页/共76页5 . 0162)tan(312v0ddF螺牙间的摩擦力矩引 起的扭转剪应力： 210ca43 . 1dF强度条件：3 . 1322ca根据第四强度理论， 螺栓在预紧状态下的 计算应力:2104dF预紧力引起的拉应力：1 1仅受预紧力的紧螺栓连接仅受预紧力的紧螺栓连接 第27页/共76页2 2受轴向载荷的紧螺栓连接受轴向载荷的紧螺栓连接螺纹受力变形图第28页/共76页螺栓强度计算螺栓强度计算: : 21243 . 1dFca 213 . 14Fd或或第29页/共76页3 3承受工作剪力的紧螺栓连接承受工作剪力的紧螺栓连接 依靠铰制孔用螺栓抗剪切来承受载荷。螺栓杆与孔壁之

8、间无间隙，接触表面受挤压。在连接结合面处，螺栓杆则受剪切。螺栓杆与孔壁的挤压强度条件为：螺栓杆的剪切强度条件为： ppLdFmin0 204dF第30页/共76页5.5 螺栓组连接的结构设计与受力分析 一、螺栓组连接的结构设计 目的：合理地确定连接接合面的几何形状、螺栓的布置形式，使各螺栓和连接接合面间受力均匀，便于加工与装配。结构设计从以下5个方面进行考虑：1. 1. 连接接合面的几何形状尽量设计为轴对称的简单几连接接合面的几何形状尽量设计为轴对称的简单几何形状。如圆形、矩形、环形等。何形状。如圆形、矩形、环形等。第31页/共76页第32页/共76页对称布置螺栓，让螺栓组的对称中心与连接面的

9、形心重合。对称布置螺栓，让螺栓组的对称中心与连接面的形心重合。对于承受弯矩和转对于承受弯矩和转矩的螺栓连接，应尽矩的螺栓连接，应尽量将螺栓布置在靠近量将螺栓布置在靠近接合面边缘处。接合面边缘处。2. 2. 螺栓的布置应使各螺栓的受力合理螺栓的布置应使各螺栓的受力合理第33页/共76页3. 3. 螺栓的布置应便于装配。螺栓的布置应便于装配。其边距、间距要合理，扳其边距、间距要合理，扳手有必需的活动手有必需的活动空间。空间。4.4.螺栓的数目与布螺栓的数目与布置要便于加工，一置要便于加工，一般取般取4 4、6 6、8 8等偶等偶数。数。第34页/共76页5. 5. 避免螺栓承受附加的弯曲载荷。尽可

10、能让螺栓轴线与螺避免螺栓承受附加的弯曲载荷。尽可能让螺栓轴线与螺母及螺栓头部垂直。必需的时候加凸台、沉头座或用斜面母及螺栓头部垂直。必需的时候加凸台、沉头座或用斜面垫圈。垫圈。第35页/共76页二、螺栓组连接的受力分析受力分析的目的：受力分析的目的：根据连接的结构和受载情况，求出受力最大的螺栓及其所受的力，以便进行螺栓连接的强度计算。受力分析时所作假设：受力分析时所作假设：所有螺栓的材料、直径、长度和预紧力均相同；螺栓组的对称中心与连接接合面的形心重合；受载后连接接合面仍保持为平面。 第36页/共76页FFriOOMTfF0fF0FF受力分析的类型：受力分析的类型： 1.1.横向载荷横向载荷4

11、. 4. 倾覆力矩倾覆力矩2. 2. 转矩转矩3. 3. 轴向载荷轴向载荷第37页/共76页螺纹连接组的设计2 螺纹连接组的设计3 （1）对于普通螺栓连接（图a） ，依靠预紧后接合面间所产生的摩擦 来抵抗横向载荷。1受横向载荷的螺栓组连接FKzifFS0SK或防滑系数(1.11.3)fziFKFS0 21043 . 1dFca根据公式校核螺栓强度。第38页/共76页 （2）对于铰制孔用螺栓连接（图b），依靠螺杆承受剪切和挤压。zFF ppLdFmin0根据挤压强度公式校核螺栓的挤压强度和剪切强度。 204dF根据剪切强度公式第39页/共76页螺纹连接组的设计42受转矩的螺栓组连接TKfrFfr

12、FfrFsz02010 TrFziii1 (1) 普通螺栓，依靠预紧后在接合面间 产生的摩擦力矩来抵抗转矩T。(2)采用铰制孔用螺栓，依靠螺栓承受剪切和挤压来抵抗转矩T。iikrF ZiirTrF12maxmaxziirfTKF1S0iirFrFmaxmaxk比例常数第40页/共76页3受轴向载荷的螺栓组连接每个螺栓所受轴向工作载荷为：zFFFCCCFFmbb02螺栓还承受预紧力 的作用，每个螺栓所承受的总载荷0F2F第41页/共76页螺纹连接组的设计64受倾覆力矩的螺栓组连接作用在底板两侧的合力矩与倾覆力矩M平衡:最大工作载荷：ziLFM1iiZiLMLF12imaxmax受力最大的螺栓强度

13、校核iLFLFimaxmax第42页/共76页螺栓的总拉力：maxmbb02FCCCFF 21243 . 1dFca最后，做螺栓的强度校核：第43页/共76页2. 结合面受压最小处不出现间隙1. 结合面受压最大处不被压碎压应力由两部分组成，第一：由预紧力形成；第二：由弯矩形成。压应力校核第44页/共76页0maxPPWMAzF00minPWMAzF压应力校核：由材料力学知：弯曲应力计算公式：WMWMCCCAzFbmm0P压应力：WMAzF0P第45页/共76页5.7 螺纹连接件的材料与许用应力 一、螺纹连接件材料 . . 螺栓、螺柱、螺钉的性能等级分为螺栓、螺柱、螺钉的性能等级分为1010级：

14、级：3.612.93.612.9例：“3.6” “3” 表示材料的抗拉强度极限为300MPa；“6” 表示屈强比为0.6，屈服极限为180MPa. . 螺母的性能等级分为螺母的性能等级分为 7 7级：级：412 412 例：“4” 表示螺母承受的最小应力为400MPa。1. 螺纹的等级(表5-8，5-9) 第46页/共76页低碳钢：Q215、10号钢；中碳钢：Q235、35号钢、45号钢；2. 适合制造螺纹的材料 一般连接用途：合金钢：如15Cr、40Cr等。冲击、振动、变载荷情况下：等级8.8级以上的螺纹，材料需要热处理特殊用途（防锈、耐高温等）：特种钢、铜合金、铝合金等第47页/共76页二

15、、螺纹连接件的许用应力 1螺纹连接件的许用拉应力 Ss Ss pBpS2螺纹连接件的许用切应力和许用挤压应力 pspS屈服极限（材料发生塑性变形的最小应力）屈服极限（材料发生塑性变形的最小应力）sB强度极限（材料试件被拉断前的最大应力）强度极限（材料试件被拉断前的最大应力）脆性材料以强度极限计算脆性材料以强度极限计算第48页/共76页提高螺纹连接强度的措施影响螺栓强度的因素主要有以下几个方面：改善螺纹牙上载荷分布不均的现象降低影响螺栓疲劳强度的应力幅减小应力集中的影响采用合理的制造工艺5.8 提高螺纹连接强度的措施 应力变化幅度螺纹牙的载荷分配应力集中机械性能及制造工艺第49页/共76页一、降

16、低影响螺栓疲劳强度的应力幅1. 降低螺栓刚度FCCCFmbb第50页/共76页2. 增大被连接件刚度降低螺栓的刚度、增大被连接件刚度剩余预紧力的减小第51页/共76页3. 降低螺栓刚度、增大被连接件刚度，同时增大预紧力有种于改善螺纹连接的紧密性与可靠性。第52页/共76页二、改善螺纹牙上载荷分布不均的现象1/3的载荷集中在旋合螺纹的第一圈上。第8圈以后的螺纹几乎不承受载荷。第53页/共76页1. 采用悬置螺母2. 采用环槽螺母3. 采用钢丝螺套第54页/共76页三、减小应力集中的影响在螺栓横截面积发生变化的部位，有应力集中。采用圆角和卸载结构，以减小应力集中。第55页/共76页四、采用合理的制

17、造工艺冷镦螺栓头部和滚压螺纹冷镦：是在材料不加热的情况下使用压力机将材料镦变形。滚压：利用经过淬硬和精细研磨过的滚轮或滚珠，在常温状态下对 金属表面进行挤压，将表层的凸起部分向下压，凹下部分向 上挤，逐渐将表面微峰压平，修正表面微观几何形状，细化 表面金属组织的方法。喷丸：利用大量快速运动的珠丸打击被加工工件表面，使工件表面 产生冷硬层和压缩余应力。提高零件疲劳强度的工艺方法：第56页/共76页例题：设计螺栓组连接。其中：50,4800NF,150,340mmbmmh第57页/共76页步骤：1. 螺栓组结构设计：（螺栓数与布置形式）2. 螺栓受力分析： 轴向力： 横向力：NFFv3085cos

18、NFFh3677sinhFFvF 倾覆力矩cmNFFMvh1051071516第58页/共76页由倾覆力矩产生的受力最大螺栓所受的载荷：NLMLFzii187714414105107212maxmax受轴向载荷最大的螺栓所受的轴向载荷：NFFFa27961877919maxNzFFha91943677由轴向力作用，各螺栓所受的工作拉力：第59页/共76页NFCCCFFmbb707927962 . 0652002求总拉力F2：vshbmmFKFCCCzFf)(0zFCCCFFhbmm01vsFKFzf1NF65200求预紧力F0：vsFKFzf0 or ？ 第60页/共76页3. 确定螺栓直径：

19、选择螺栓材料Q235、性能等级 4.6，安全系数1.5 mmFd6 . 81601416. 370793 . 143 . 1421查询普通螺纹标准，选取d=12, d1=10.106mm 213 . 14Fd ? SS MPaSS1605 . 1240第61页/共76页4. 校核连接接合面的挤压应力：072. 084. 1minmaxMPaMPappWMFCCCzFAhbmmp)(10minyz2123 3maxhhhbyIWzWMFCCCzFAhbmmp)(10max?PMPaBP1252505 . 05 . 0ppmax第62页/共76页5. 校核预紧力：22211214.804106.1

20、01416. 34240mmdAMPas碳素钢：107 . 06 . 0AFsNF65200NAs8 .115506 . 01所以，预紧力的大小也是满足要求的。第63页/共76页螺旋传动15-9 螺旋传动一、螺旋传动的类型和应用 螺旋传动：螺杆和螺母组成的螺旋副实现传动。运动形式转换：回转运动转变为直线运动，同时传递动力。（一）螺旋传动常见的运动形式有：1. 螺杆转动，螺母移动第64页/共76页3. 螺母固定，螺杆转动并移动2. 螺杆固定，螺母转动并移动第65页/共76页2. 螺旋副摩擦性质分类：1. 传动按其用途分类：传力螺旋（传力为主，低速，起重装置）传导螺旋（传递运动，高速，进给装置）调

21、整螺旋（空载调整，微调装置）静压螺旋（螺母螺纹牙两侧开油腔）滚动螺旋（有特别滚道，有钢球滚动体）滑动螺旋（摩擦阻力大，效率低）(二) 螺旋传动的分类：螺旋起重器第66页/共76页二、滑动螺旋的结构和材料 （一）结构1. 螺杆与螺母的固定与支承形式垂直布置水平布置例：起重器，千斤顶例：车床进给机构当螺杆短且直径较大时，螺母可以作为支承；当螺杆细而长时， 为了提高螺杆的工作刚度，需要增加中间支承或者采用两端支承。第67页/共76页2. 螺母的结构 整体式螺母 剖分式螺母 组合螺母不能调整螺纹间隙，适合于传动精度不高的场合。打开时，螺杆空转；合上时，螺纹旋合，可调隙通过调整楔块来补偿轴向间隙第68页/共76页3. 传动螺纹的选择 螺纹形状矩形、梯形螺纹、锯齿形螺纹 螺旋线数的选择传力和调整螺旋单线（便于自锁和微调）传导螺旋多线（提高传动效率）（二）螺杆与螺母的材料要求有足够的强度、较好的耐磨性。详见P95：表5-11第69页/共76页三、滑动螺旋传动的设计计算 （一）主要失效形式与设计准则1. 失效形式（与连接螺纹的失效区别）2. 设计准则针对磨损