螺纹联接与螺旋传动6

1、第7章 螺纹联接与螺旋传动教学目标1）了解螺纹的类型及主要参数；2）掌握螺纹联接、预紧和防松措施、螺栓组联接的设计；3）掌握提高螺栓联接强度的措施；7.1 螺纹联接的基本知识7.2 螺纹联接的预紧与防松7.3 单个螺栓联接的强度计算7.4 螺栓组联接的结构设计和受力分析7.5 螺纹联接件的材料和许用应力7.6 提高螺栓联接强度的措施7.7 滑动螺旋传动简介7.8 滚动螺旋传动简介第7章 螺纹联接与螺旋传动第7章 螺纹联接与螺旋传动 由于使用、结构、制造、装配、运输等方面的原因，机器中很多零件需要彼此联接。 机械零件之间的联接分为：静联接：动联接：被联接件之间相互完全固定。被联接件之间能产生一定

2、的相对运动。例如：运动副。联接的类型：联接可拆联接不可拆联接螺纹联接键联接、花键联接、销联接弹性环联接等铆接焊接粘接7.1 螺纹联接的基本知识左旋螺纹和右旋螺纹 单线螺纹和多线螺纹 螺纹分为内螺纹和外螺纹，二者共同组成螺纹副用于联接和传动。螺纹的牙型7.1.1 螺纹的类型三角形矩形梯形锯齿形效率低，易自锁, 主要用于联接效率较高, 多用于传动此外，还有 管螺纹： 主要用于管路的联接。左旋右旋7.1.2 螺纹的主要参数大经d小径d1中经d2螺距P导程S升角l牙型角a、牙型斜角b7.1 螺纹联接的基本知识7.1.2 螺纹的主要参数大径d : 是螺纹的螺纹的最大直径 公称直径小径d1 :即螺纹的最小

3、直径 在强度计算中常作为危 险剖 面的计算直径。中径d2: 通过螺纹轴向剖面内牙型上的牙厚和牙槽相等处的假想圆柱面的直径，近似等于螺纹的平均直径. 是确定螺纹几何参数的直径。 线数 n : 螺纹的螺旋线数目。(螺纹头数)螺距P : 相邻两螺纹牙在中径上对应点间的轴向距离。 导程 S : 同一螺旋线上的相邻两牙 在中径线上对应 两点 间 的轴向距离。对于单线螺纹s=p； 对于多线螺纹 s=np。 牙型斜角 :在轴向截面内，螺纹牙型一侧边与螺纹 轴线的 垂线之间的夹角。螺纹升角 ：在中径圆柱面上螺旋线的切线与垂 直于螺纹轴线的平面间的夹角。普通螺纹7.1.3 常用螺纹的特点及应用管螺纹矩形螺纹梯形

4、螺纹锯齿形螺纹7.1 螺纹联接的基本知识1.螺栓联接7.1.4 螺栓联接的基本类型7.1 螺纹联接的基本知识7.1 概述2.双头螺柱联接3. 螺钉联接7.1 螺纹联接的基本知识4. 紧定螺钉联接7.1 螺纹联接的基本知识7.1.5 标准螺纹联接件1.螺栓、螺柱、螺钉联接件7.1 螺纹联接的基本知识2.紧定螺钉、螺母7.1 螺纹联接的基本知识3.垫圈7.1 螺纹联接的基本知识7.2 螺纹联接的预紧和防松7.2.1 螺栓联接的预紧 在零件未受工作载荷前需要将螺母拧紧，使组成联接的所有零件都产生一定的弹性变形（螺栓伸长、被联接件压缩），从而可以有效地保证联接的可靠。这样，各零件在承受工作载荷前就受到

5、了力的作用，这种方式就称为预紧，这个预加的作用力就称为预紧力。预紧的目的： 增强联接的紧密性、可靠性，防止受载后被联接件之间出现间隙或发生相对滑移。 预紧力的大小取决于什么?如何控制？、预紧力过大，会使整个联接的结构尺寸增大；也会使联接在装配时因过载而断裂。、预紧力不足，则又可能导致联接失效，重要的螺栓联接应控制预紧力。拧紧螺母时的力矩和预紧力预紧力由：1）螺纹副的摩擦力矩T1； 2）螺母和钉头与支承面间的摩擦力矩T2组成。 其中： 预紧力； 螺纹升角 螺旋副的当量摩擦角 支承面环形带的外径、内径 螺纹中径； 支承面间的摩擦系数 d:螺纹的公称直径 对于 d (12-64mm)的常用粗牙普通钢

6、螺栓,常用下式估算 T = 0.2 F0 dT = FHL =FH*15d L = 15dF0 = 15dFH/0.2d = 75FH7.2 螺纹联接的预紧和防松 一般螺纹联接在装配的时候都必须拧紧，以增强联接的可靠性、紧密性和防松能力。 对于一般联接，可凭经验来控制预紧力F0的大小，但对于重要的联接就要严格控制其预紧力。T可由测力矩扳手测定!7.2 螺纹联接的预紧和防松7.2.2 螺栓联接的防松 联接中常用的单线普通螺纹和管螺纹在冲击、震动或变载荷的作用下容易产生松脱现象。 螺纹联接放松的根本问题在于要防止螺旋副的相对运动。常用的防松方法:摩擦防松机械防松:其他防松弹簧垫圈对顶螺母尼龙圈锁紧

7、螺母开口销带翅垫片止动垫片常见摩擦防松有：利用垫片、自锁螺母及双螺母等。 常见的机械防松方法：利用开口销、止动垫片及串钢丝绳等。机械防松的方法比较可靠，对于重要的联接要使用机械防松的方法。4）自锁螺母防松 螺母一端制成非圆形收口或开缝后径向收口。当螺母拧紧后，收口胀开，利用收口的弹力使旋合螺纹间压紧。这种防松结构简单、防松可靠，可多次拆装而不降低防松性能。 2、机械防松1）槽形螺母和开口销防松槽形螺母拧紧后，用开口销穿过螺栓尾部小孔和螺母的槽，也可以用普通螺母拧紧后进行配钻销孔。3）止动垫片 螺母拧紧后，将单耳或双耳止动垫圈分别向螺母和被联接件的侧面折弯贴紧，实现防松。如果两个螺栓需要双联锁紧

8、时，可采用双联止动垫片。 4）串联钢丝防松 用低碳钢钢丝穿入各螺钉头部的孔内，将各螺钉串联起来，使其相互制动。这种结构需要注意钢丝穿入的方向，如图所示。 7.3 单个螺栓联接的强度计算 单个螺栓联接的强度计算是螺纹联接设计的基础。 根据联接的的工作情况，可将螺栓按受力形式分为受拉螺栓和受剪螺栓，两者失效形式是不同的。 设计准则：针对具体的失效形式，通过对螺栓的相应部位进行相应强度条件的设计计算（或强度校核）。 螺栓联接的计算主要是确定螺纹小径d1，然后按照标准选定螺纹的公称直径（大经）d等。7.3.1 受拉螺栓联接受拉螺栓的失效形式主要是： ：螺纹部分的塑性变形。螺杆的疲劳断裂。受拉螺栓联接松

9、联接：不预紧的。紧联接：预紧的。7.3.1 受拉螺栓联接7.3 单个螺栓联接的强度计算1.松螺栓联接强度条件：设计公式：式中s为松联接螺栓的许用拉应力（MPa）,查表d1计算出后,再按标准查选螺纹的公称直径。2.紧螺栓联接只受预紧力紧螺栓联接7.3 单个螺栓联接的强度计算螺栓螺纹部分处于拉伸与扭转的符合应力状态。螺栓危险界面上的拉伸应力为螺栓危险界面上的扭转剪切应力为7.3 单个螺栓联接的强度计算 对于常用的单线、三角形螺纹的普通螺栓，取fv=tan jv=0.15，简化处理的t=0.5s，根据第四理论，可求出当量应力se为因此，强度条件为：即设计公式为2.2受横向外载荷的紧螺栓联接 载荷与螺

10、栓轴向垂直，靠被联接件间的摩擦力传递。螺栓受载前需预紧,受载前后受力相同。螺栓内部危险截面上既有轴向预紧力F0形成的拉应力s，又有因螺栓与螺纹牙面间的摩擦力矩T1而形成的扭转剪应力t。受力特点螺栓预紧力考虑连接的可靠性及接合面数目则:式中：f 接合面摩擦系数 m 接合面数 kf 可靠性系数当f=0.15、Kf=1.1、m=1时，可得此结构，要使联接不发生滑动，螺栓要承受7倍于横向外载荷的预紧力。结构笨重、不经济。因此要避免这种结构，而采用新结构。螺栓预紧力设流体压强为p，螺栓数为z，则缸体周围每个螺栓平均承受的轴向工作载荷为 2.3 承受轴向静载荷的紧螺栓联接(广泛而重要)载荷方向与螺栓轴向一

11、致,螺栓受载前需预紧,受载前后受力不同.螺栓内部危险截面上同样既有拉应力s,又有扭转剪应力t.受力特点 虽然，这种螺栓是在受预紧力F0的基础上，又受工作拉力F。但是，螺栓的总拉力 为什么？螺栓联接拧紧后，被联接件受到预紧力F0缩短了1。预紧时受工作载荷后在联接承受轴向工作载荷F时，螺栓的伸长量增加2,即等于被连接件压缩变形的见少量 ，被连接件受到的压缩力减小为-残余预紧力F0螺栓的轴向总拉力：紧螺栓联接应能保证被联接件的接合面不出现缝隙，因此残余预紧力F0应大于零。即12 外载荷我们可以通过对螺栓组的受力分析求得。对于残余预紧力 ，一般按螺栓联接要求或重要程度由经验选取，但必须使 0。在没有资

12、料时，可按下面推荐值选用： =（0.20.6）F 一般联接，工作载荷稳定； =（0.61.0）F 一般载荷，工作载荷不稳定； =（1.51.8）F 要求由密封性的联接； F 地脚螺栓联接 设计中,根据F确定F0计算满足F0所需的F0计算总拉力计算螺栓的强度。强度条件: 设计公式:式中FS为螺栓受载后所受的轴向总拉力(N),通过受载前对螺栓的预紧,和受载后螺栓轴向拉力的分析,可知这里F为单个螺栓的轴向载荷, F0为残余轴向预紧力FS=F+ F0注：式中“ 1.3 ” 考虑的是工作中可能的补充拧紧引起的切应力的影响。 螺栓的相对刚性系数的大小与螺栓及被联接件的材料、尺寸和结构有关，其值在01之间变

13、化，一般可按表选取。如: 金属垫片或无垫片0.2-0.3; 皮革垫片0.7; 铜皮石棉垫片0.8; 橡胶垫片0.9为保证有足够的残余预紧力,就要保证：其中： 称作相对刚度系数； C1为螺栓的刚度，C2为被连接件的刚度7.3 单个螺栓联接强度计算7.3.2 受剪切螺栓联接 受力特点：螺栓受载前后不需预紧，横向载荷靠螺栓杆与螺栓孔壁之间的相互挤压传递。挤压强度条件剪切强度条件7.4 螺栓组联接的结构设计和受力分析7.4.1 螺栓组联接的结构设计螺栓组联接设计的顺序 选布局 定数目 力分析 设计尺寸 设计原则:1.布局要尽量对称分布,栓组中心与形心重合(有利于分度,划线,钻孔),使之受力均匀.7.4

14、 螺栓组联接的结构设计和受力分析要设计成轴对称的几何形状。7.4.1 螺栓组联接的结构设计7.4.1 螺栓组联接的结构设计 2. 受剪螺栓组时,不要在外载作用方向布置8个以 上螺 栓,以免受力太不均匀. 对弯扭作用螺栓组,要适当靠接缝边缘布局,否则受 力不均匀.3.合理的间距,适当边距,以保证扳手空间尺寸.4.各螺栓的直径和材料均应相同.分布在同一圆周上的螺栓数目应取3, 4, 6, 8,12等,以便分度与画线.5.避免螺栓承受偏心载荷7.4 螺栓组联接的结构设计和受力分析螺栓的布置应使螺栓的受力合理7.4 螺栓组联接的结构设计和受力分析螺栓的布置应有合理的间距、边距7.4 螺栓组联接的结构设

15、计和受力分析同一组螺栓联接中各螺栓的直径和材料均应相同7.4 螺栓组联接的结构设计和受力分析避免螺栓承受偏心载荷7.4 螺栓组联接的结构设计和受力分析7.4.2 螺栓组联接的受力分析 螺栓组受力分析的目的是，根据螺栓组联接的结构和受载情况，求出受载最大的螺栓及其受力。受力分析是在作如下假设条件下进行的，即：同组中的各螺栓都受相同的预紧力。螺栓组的对称中心与被联接结合面的形心重合。被联接件为刚体,联接结合面为刚性平面。螺栓的变形在弹性范围内。7.4 螺栓组联接的结构设计和受力分析螺栓组受力可划分为4种典型情况：受横向载荷的螺栓组联接受旋转力矩的螺栓组联接受轴向载荷的螺栓组联接受翻转力矩的螺栓组联

16、接各种复杂受力情况都可看作以上四种情况的不同组合。螺栓组联接的基本受载类型：2受横向载荷FSFS4受翻转力矩OM3受转矩riOT1受轴向载荷FFS2）铰制孔用受剪螺栓连接 通过螺栓组形心时，在前述假设下，各螺栓承受的横向力 相等。 则注：a) 不通过螺栓组形心时，向形心平移后再计算。b) 沿 方向上的受剪螺栓个数不宜过多。1）用普通受拉螺栓连接 靠结合面上的摩擦力承受T 。 保证底板在 T 作用下不转动，须满足F0fr1+ F0fr2+ + F0frn KfT则所需预紧力式中： 摩擦系数 见教材 P91。 Kf 可靠性系数,取1.11.5. ri_-各螺栓轴线至底板中心的距离.O二、受旋转力矩

17、的螺栓组联接2）铰制孔用受剪螺栓 在前述假设下，各螺栓所受的工作剪力 与其中心到底板中心的距离 成正比。底板的静力平衡方程为联立两式求解，得最大工作剪力即O三、受轴向载荷的螺栓组联接 当 通过螺栓组形心时，各螺栓所受的工作载荷 相等。则螺栓个数注：如 不通过螺栓组的形心，应向形心平移后再计算。M 在 M 作用下，底板有绕通过螺栓组形心的轴线 O 转动的趋势。 在前述假设下，各螺栓所受的工作拉力 与其中心到翻转轴线的距离 成正比。即底板的静力平衡方程为联立两式求解，得最大工作拉力四、受翻转力矩的螺栓组联接为防止结合面受压最小处出现间隙，要求：为防止结合面受压最大处被压溃，要求：式中：A结合面的面

18、积（mm2）。W结合面的抗弯截面模量（mm3）。许用挤压应力（Mpa），见表59。注： 实际中，螺栓组往往同时承受两种或两种以上的载荷。例：如图所示的支架受 F 力。 将 F 力分解并向螺栓组形心及结合面平移得：轴向载荷 横向载荷翻转力矩设计中，需要防止如下四种可能的失效形式：上沿开缝；下沿压溃支架下滑； 需要足够大的 。 螺栓拉断； 需要足够大的螺栓直径 。7.5 螺纹联接件的材料和许用应力7.5.1 螺纹联接件的材料其它对螺纹有特殊要求（如防腐、耐高温）时，应选择有特殊性能的材料。一般螺纹联接件常用材料为低碳钢和中碳钢，如Q215、Q235、15、35、45等受冲击、振动和变载荷作用的螺栓

19、可用合金钢，如15Cr、40Cr、30CrMnSi、15CrVB等7.5 螺纹联接件的材料和许用应力螺栓材料的许用拉应力按下式确定: 式中S为安全系数。紧联接螺栓若不控制预紧力，则S大小与螺栓直径和载荷性质有关，此时设计螺栓联接时，常用试算法确定S。即先预估螺栓直径，再与计算出的螺栓直径作比较后，对S作调整和计算。S7.5 螺纹联接件的材料和许用应力7.5.2 螺纹联接的许用应力例1：气缸与气缸盖的螺栓连接中,已知气缸内径D=200mm,气缸内气体的工作压强p=1.2MPa,缸盖与缸体之间用橡胶垫圈密封。若螺栓数目z=10，螺栓分布圆直径D0=260mm，试确定螺栓直径，并检查螺栓间距t及扳手

20、空间是否符合要求。D0pF1、确定每个螺栓所受的轴向工作载荷F2、计算每个螺栓的总拉力根据连接的紧密性要求：取F0=1.8F总拉力：3、确定螺栓的公称直径1）螺栓材料选用35钢，由表7-7查得若装配时不控制预紧力，螺栓安全系数与直径的关系，用试算法。假定螺栓直径d=16mm，查表7-9得：s=3则：2）计算螺栓小直径d1由d1值查手册得螺纹外径d=16mm，为标准值，并与假定相符。标记方法：螺栓GB/T5780 M16L4、检查螺栓间距t查表7.5，当 ，压力容器螺栓间距 螺栓间距的计算结果能满足紧密性要求。5、查有关设计手册，M16的扳手空间 A=48mm，因此能满足要求。75756060F

21、4251243143F/42F/4F/4F/4FTFTFTFTFR1FR4FR3FR2r250例2：矩形钢板用4个螺栓固定在250mm宽的槽钢上，受悬臂载荷F=16KN。试求：1）用铰制孔用螺栓连接，求受载最大的螺栓所受的横向剪力；2）用普通螺栓连接，求螺栓所受的预紧力。设摩擦系数f=0.3，可靠系数Kf=1.1143F/42F/4F/4F/4FTFTFTFTFR1FR4FR3FR2r由下图可知：1、2螺栓受力最大2）用普通螺栓连接螺栓的受力分析同前，螺栓1、2传递的横向载荷最大每个螺栓仅受预紧力，并根据螺栓1或2求预紧力F0因此可得计算结果：普通螺栓连接，螺栓所需预紧力铰制孔用螺栓连接，螺栓

22、1、2受力最大 对不太重要的螺栓连接可凭经验或参照同类结构用类比法选定螺栓直径，不必进行强度计算。 螺栓联接的强度主要取决于螺栓的强度，提高螺栓强度有以下几种措施：1、改善螺纹牙间的载荷分配螺纹牙间载荷分配关系 工作中，螺栓受拉，螺母受压，从而产生螺距差，导致旋合的各圈螺纹牙受载不均。在联接承受轴向载荷作用时，其承受的载荷逐圈递减的。试验证明：约有三分之一的载荷集中在第一圈螺纹上，以后各圈递减，在第八圈以后螺纹几乎不承受载荷。所以希望利用增加螺母厚度来提高联接强度，其效果不大。7.6 提高螺栓联接强度的措施7.6 提高螺栓联接强度的措施 螺栓联接的强度主要取决于螺栓的强度，提高螺栓强度有以下几

23、种措施：改善螺纹牙间的载荷分配内斜螺母环槽螺母悬置螺母螺纹牙间载荷分配关系均载螺母2、减小螺栓的应力变化幅度 F =F+F0 F0= F0+(1-KC)F F =F0+KCF受变载荷作用的螺栓，其应力也在一定的幅度内变动，减小螺栓刚度或增大被联接件刚度等皆可以使螺栓的应力变化幅度减小。均可使 减小。减小措施：增大减小螺栓的应力变化幅度7.6 提高螺栓联接强度的措施 受变载荷作用的螺栓，其应力也在一定的幅度内变动，减小螺栓刚度或增大被联接件刚度等皆可以使螺栓的应力变化幅度减小。减小螺栓刚度的方法a.柔性螺栓b.弹性元件7.6 提高螺栓联接强度的措施增大被联接件刚度的方法a.金属垫片b.密封环减小

24、应力集中7.6 提高螺栓联接强度的措施7.6 提高螺栓联接强度的措施避免附加弯曲应力7.7 滑动螺旋传动简介 螺旋运动是利用由螺杆和螺母组成的螺旋副来实现传动要求的。它主要用于将回转运动转变为直线运动，同时传递运动和动力的场合。7.7.1 螺旋传动的类型传力螺旋传动螺旋调整螺旋 以传递动力为主，以较小的转矩产生较大的轴向力。该传动一般为间歇性工作，工作速度不高，且要求具有自锁性，广泛应用于各种起重或加压装置中。如千斤顶，起重器，压力机等(1)传力螺旋： 以传动运动为主，要求有较高的运动精度，有时也承受较大的轴向力。一般需在较长时间内连续工作，且工作速度较高。如机床刀架进给机构中的螺旋等。(2)

25、 传动螺旋：传动螺旋(3) 调整螺旋 用以调整并固定零件或部件间的相对位置。调整螺旋不经常转动传动，一般在空载下进行调整。如机床、测试装置中微调机构的螺旋等。（1）滑动螺旋：摩擦阻力大、传动效率低、磨损快、运动精度低。但结构简单、制造方便、易于自锁，应用广。（3）静压螺旋：传动效率最高、工作平稳、使用寿命长，但结构复杂，制造精度要求高，需附加一套供油系统。用于高精度、高效率的重要传动。按螺纹副中摩擦性质的不同分为：（2）滚动螺旋：摩擦阻力小、传动效率高、传动平稳、运动精度高，使用寿命长，但结构复杂、制造困难、成本较高。7.7.2 螺旋传动的结构及材料1.螺母结构整体螺母不能调整间隙，只能用在轻载且精度要求较低的场合组合螺母通过拧紧螺钉2驱使锲块3将其两侧螺母拧紧，以便减少间隙，提高传动精度。对开螺母这种螺母便于操作，一般用于车床溜板箱的螺旋传动中 通