《机械设计基础》项目6 螺纹连接

1、机械设计基础项目六 螺纹连接 任务2：螺纹标准件基本认识及螺纹联接的类型和使用，螺纹联接预紧与防松、螺栓组联接的结构设计，螺旋传动机构的组成和类型；重点：螺纹联接的类型和使用;螺栓联接使用及预紧与防松；螺栓组联接的结构设计难点：能够根据被联接件选择螺纹联接的类型；能够正确设计安装螺栓组 滑动摩擦3两个表面粗糙的物体,当其接触表面之间有相对滑动趋势或相对滑动时,彼此作用有阻碍相对滑动的阻力,即滑动摩擦力。摩擦力作用于相互接触处方向与相对滑动的趋势或相对滑动的方向相反它的大小根据主动力作用的不同可以分为三种情况,即静滑动摩擦力,最大静滑动摩擦力和动滑动摩擦力。滑动摩擦4平衡必须考虑摩擦本图应去掉约

2、束一、静滑动摩擦力滑动摩擦5静滑动摩擦力及最大静滑动摩擦力在粗糙的水平面上放置一重为P的物体,该物体在重力P和法向反力FN的作用下处于静止状态。今在该物体上作用一大小可变化的水平拉力F,当拉力F由零值逐渐增加但不很大时,物体仅有相对滑动趋势,但仍保持静止。可见支承面对物体除法向约束力外,还有一个阻碍物体沿水平面向右滑动的切向约束力,此力即静滑动摩擦力,简称静摩擦力滑动摩擦6当主动力达到一定数值时候，物体处于临界平衡状态，摩擦力达到最大值最大静滑动摩擦力简称最大静摩擦力，如果主动力继续增大，物体将失去平衡，开始滑动库仑摩擦定律静滑动摩擦系数，量纲为一，大小由实验确定只与材料和表面情况有关，与接触

3、面积大小无关所以增大摩擦力的途径为：加大正压力,加大摩擦系数滑动摩擦7当摩擦力达到最大时，如果主动力继续增大，物体将失去平衡，开始滑动，接触面仍有阻碍滑动的阻力，称为动滑动摩擦力，简称动摩擦力二、动滑动摩擦力方向：沿接触处的公切线，与相对滑动趋势反向大小动摩擦系数，量纲为一，大小由实验确定对多数材料，通常情况摩擦角和自锁现象8一、摩擦角全约束力物体处于临界平衡状态，全约束力与公法线的夹角叫做摩擦角全约束力和法线间的夹角的正切等于静滑动摩擦系数。当物体滑动趋势的方向改变时，全约束力作用线随之改变，在临界状态下，作用线将划出一个以接触点为顶点的圆锥成为摩擦锥摩擦角和自锁现象9二、自锁现象物体平衡时

4、，静摩擦力不可能超过最大值，全约束力作用线不可能超过摩擦角摩擦角和自锁现象10测定摩擦系数的一种简易方法摩擦角和自锁现象11斜面与螺纹自锁条件斜面自锁条件螺纹自锁条件如果千斤顶螺杆螺母之间摩擦因数为0.1为了保证千斤顶自锁考虑滑动摩擦时物体的平衡问题12考虑滑动摩擦时物体的平衡问题仍为平衡问题，平衡方程照用，求解步骤与前面基本相同。几个新特点画受力图时，必须考虑摩擦力，补充方程严格区分物体处于临界、非临界状态物体平衡时，摩擦力有一定的范围，问题的解也在一个范围内，而不是一个确定值考虑滑动摩擦时物体的平衡问题13例题4-1重物P放在斜面上，它与斜面间的摩擦因数 已知，求物体处于平衡时，水平推力的

5、范围解：使物块有上滑趋势时推力为 画物块受力图,建平衡方程解得:考虑滑动摩擦时物体的平衡问题14例题4-1重物P放在斜面上，它与斜面间的摩擦因数 已知，求物体处于平衡时，水平推力的范围解：使物块有下滑趋势时推力为 画物块受力图,建平衡方程解得:考虑滑动摩擦时物体的平衡问题15为使物块静止如果不计摩擦力，或者摩擦因数为零，平衡时解答是唯一的注意1:哈工大第六版理论力学P114倒数第六行有原则错误应该为注意2:摩擦力方向必须预先准确判定，不能假定考虑滑动摩擦时物体的平衡问题16例题4-2图示凸轮机构，推杆与滑道之间的为摩擦系数 滑道宽度为b，凸轮与推杆接触处的摩擦不计，问a多大时，推杆才不至于被卡

6、住解：取挺杆为研究对象，受力分析如图考虑滑动摩擦时物体的平衡问题17建立平衡方程由前两个方程：考虑滑动摩擦时物体的平衡问题18解:设鼓轮被制动处于平衡状态,对鼓轮例题4-3制动器构造和几何尺寸如图所示，制动块与凸轮表面之间的摩擦因数为 ，求制动鼓轮所需铅直力F。注意:哈工大第六版理论力学P117(b) 式有错误F改为FT考虑滑动摩擦时物体的平衡问题19以闸杆为研究对象第2式得到：考虑滑动摩擦时物体的平衡问题20例题4-4地面上放有均质木箱，已知：(1)当D处为拉力F=1kN时，木箱是否平衡?(2)能保持木箱平衡的最大拉力?解:（1）取木箱为对象，设其处于平衡状态木箱不会滑动木箱不会翻倒考虑滑动

7、摩擦时物体的平衡问题21(2)为求保持木箱平衡的最大拉力，可以分别求出使木箱滑动的临界拉力，使木箱翻倒的临界拉力，二者取最小值，即为所求解得木箱翻倒的条件保持木箱平衡的最大拉力对此题，先解答完(2),自然有(1)滚动摩阻（擦）的概念22静滚动摩阻（擦）滚动摩阻（擦）的概念23滚动摩阻力偶滚动摩阻力偶矩随着主动力F的增加到一定值时，滚子处于临界状态，滚动摩阻力偶矩达到最大值滚动摩阻系数，长度量纲，单位mm滚动摩阻（擦）的概念24滚动摩阻（擦）系数的物理意义滚动摩擦力和滑动摩擦力一般情况下滚动摩阻（擦）的概念25使圆轮滚动比滑动省力的原因某型号车轮半径轮胎作用在混凝土路面上滚动摩擦力远小于滑动摩擦

8、力滚动摩阻（擦）的概念26例题4-5半径为R的滑轮B上作用有力偶，轮上绕有细绳拉住半径为R重量为P的圆柱，已知：求:使系统平衡时，力偶矩MB的最大最小值解：取圆柱为研究对象，圆柱在即将滚动的临界状态下，滚动力偶矩达到最值当绳子的拉力达到最大时，圆柱有向上滚动的趋势当绳子的拉力达到最小时，圆柱有向下滚动的趋势滚动摩阻（擦）的概念27解:（1）取圆柱为研究对象，设圆柱有向下滚动趋势（2）设圆柱有向上滚动趋势系统平衡时滚动摩阻（擦）的概念28例题4-6拖车总重 P，车轮半径R，坡度和滚动摩阻系数已知，其它尺寸如图，牵引力与坡面平行求：拉动拖车最小牵引力解:取整体为研究对象三个方程，七个未知数静摩擦因

9、数没有给出，不能补充如下方程滚动摩阻系数已知滚动摩阻（擦）的概念29取前、后轮为研究对象七个方程联立解得若拖车总重车轮半径滚动摩阻系数在水平路上行驶牵引力为总重的1。一螺纹的主要几何尺寸在机械制图中，我们已经接触过螺纹和螺纹联接件。现在我们就以下图来说明螺纹的主要几何参数，该图是GB192-81标准化的螺纹牙型图。（1）大径d（D）：螺纹的最大直径，在标准中也作公称直径。（2）中径 （ ） 通过螺纹轴向剖面内牙型上的沟槽和凸起宽度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。 （3）小径 （ ）：即螺纹的最小直径，在强度计算中常作为危险剖面的计算直径。（4）螺距

10、：螺纹相邻两牙在中径上对应两点的轴向距离。（5）线数n：螺纹的螺旋线数量，也称螺纹头数。（6）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。 （7）升角 ：中径 圆柱上，螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面的夹角。 对于这些几何参数值的规定，国际上和国内都已经标准化。规定的值不同，就会形成不同的螺纹，需要时可以查阅相关的手册和国家标准。(8)牙型角 ：螺纹牙型两侧边的夹角。(9)螺纹的工作高度h：表示内外螺纹沿径向的接触高度。二螺纹分类 螺纹主要尺寸的不同，其性能、用途也不同。常用的螺纹牙型有普通螺纹、管螺纹、矩形螺 纹、梯形螺纹和矩形螺

11、纹（其中除矩形螺纹外都已经标准化）。1）三角形螺纹（普通螺纹） 牙型角为60 ，可以分为粗牙和细牙，粗牙用于一般联接；与粗牙螺纹相比，细牙由于在相同公称直径时，螺距小，螺纹深度浅，导程和升角也小，自锁性能好，宜用于薄壁零件和微调装置。 2）管螺纹 多用于有紧密性要求的管件联接，牙型角为55，公称直径近似于管子内径，属于细牙三角螺纹。 3）梯形螺纹 牙型角为30，是应用最为广泛的传动螺纹。4）锯齿型螺纹 两侧牙型角分别为3和30，3的一侧用来承受载荷,可得到较高效率；30一侧用来增加牙根强度,适用于单向受载的传动螺纹。5）矩形螺纹 牙型角为0，适于作传动螺纹。 以上5种常见螺纹牙型如下图所示。

12、另外，螺纹可以根据需要制成左旋或右旋（通常螺纹为右旋）。 沿螺纹轴线方向看，螺旋线自下而上向右倾斜为右旋（如图a），向左倾斜为左旋（如图b）。左旋螺纹的标准紧固件通常制有左旋标记。 按制订的螺纹标准不同，现在常见的有米制和英制两大类。我国除管螺纹外，一般采用米制。 要注意：在实际工作中，特别是从事维修行业时要注意一些进口机器中螺纹的单位制。 凡是牙型、大径和螺距符合国家标准的螺纹都称为标准螺纹。除机械制造中常用的标准螺纹外，还有适用于某些特殊行业的专用螺纹标准，在需要的时候可以查阅有关的设计手册。 虽说螺纹并不陌生，但为了从理论的高度来理解和研究螺纹联接，接下来我们就需要对螺纹联接的基本类型和

13、螺纹常用紧固件进行了解。 三、螺纹联接的基本类型和螺纹紧固件一螺纹紧固件 如图所示为典型的螺纹联接方式之一。从图中可以看出，联接必须存在至少两个被联接件。同时具有螺栓、垫片、螺母等零件组成了联接。那么，螺纹紧固件的种类到底有那些呢？ 联接实际上是和人类的发展紧密相连的。随着工业化进程的发展，随着专业化分工的出现，为了提高零件的互换性，标准化势在必行。作为各个行业都不可或缺的重要部分：联接，特别是螺纹联接、螺纹紧固件的类型、规格标准化显得更具重要性。 就目前来讲，螺纹紧固件的品种很多，但是从结构等方面来说，常用的有以下几种。 1螺栓 螺栓是工程上、日常生活中应用最为普遍、广泛的紧固件之一，其形状

14、如图所示。 螺栓的头部有各种不同形状，但是我们最常见的是六角头，为了满足工程上的不同需要，六角头又有标准六角头和小六角头。一般情况下我们使用标准六角头，在空间尺寸受到限制的地方使用小六角头螺栓。但是，小六角头螺栓的支承面积较小，如果用于经常拆卸的场合时，螺栓头的棱角也易于磨圆。2双头螺栓 如图所示。双头螺栓的两端都制有螺纹，两端的螺纹可以相同，也可以不同。其安装方式是一端旋入被联接件的螺纹孔中，另一端用来安装螺母。 3螺钉 螺钉的头部有各种形状，如图所示。为了明确表示螺钉的特点，所以通常以其头部的形状来命名，如：半圆头螺钉、圆柱头螺钉、沉头螺钉和内六角圆柱螺钉等等。螺钉的承载力一般较小。但是注

15、意：在许多情况下，螺栓也可以用作螺钉。4紧定螺钉 常用紧定螺钉如图所示。紧定螺钉主要用于小载荷的情况下。例如，以传递圆周力为主的情况下，防止传动零件的轴向串动等。可以看出：紧定螺钉的工作面是在末端，所以对于重要的紧定螺钉需要淬火硬化后才能满足要求。5螺母 螺母是和螺栓相配套的标准零件，其外形有：六角形、圆形、方形及其它特殊的形状。如图所示。 其厚度有厚的、标准的和扁的，其中以标准的应用最广。 6垫圈 垫圈也是标准件，品种也最多，如图所示。 但是，应用最多、最常见的有平垫和弹簧垫两种。平垫的目的主要是为了增加支承面积，同时对支承面起保护作用。弹簧垫主要是用于防止螺母和其它紧固件的自动松脱。所以凡

16、是有振动的地方又未采取其它防松措施时，原则上都应该加装弹簧垫。四螺纹联接的基本类型 根据所用紧固件和联接方式的不同，螺纹联接可以分为四种基本类型。1）螺栓联接 如图所示的螺栓连接。其主要特点是被联接件上制有通孔，孔与螺栓杆之间可以留有间隙（普通螺栓连接），也可以将螺栓杆上的没有螺纹部分作成与孔的过渡配合联接形式（铰制孔链接）。 普通螺栓联接：由于孔和杆之间留有间隙，可以补偿各孔之间的位置误差，且加工简单，装拆方便，所以得到广泛的应用。通孔的大小不能随意，应该根据装配精度查机械设计手册确定。 铰制孔螺栓联接：多采用基孔制过渡配合，如H7/m6，H7/n6等，螺杆与通孔加工精度高。由于孔与杆之间是

17、过渡配合，具有定位作用，可以承受横向载荷，但是加工成本高。 在选择螺栓时，需要考虑联接的结构尺寸进行。 2）双头螺栓联接 如图所示。从图上可以看出，其主要特点为一个被联接件上制有螺纹孔，其它被联接件上则有通孔。这种联接主要用于被联接件较厚或受到空间位置尺寸限制，而又需要经常拆卸的情况下使用。 这种联接拆卸时，只需要把螺母拧下即可，而螺柱留在原位，以免因多次拆卸使内螺纹损坏（磨损失效）。 其螺柱的拧入深度的取值与被联接件的材料、螺柱的直径有关。3）螺钉联接 如图所示，为以典型的工程螺钉联接形式，其特点是：在一个被联接件上加工有螺纹孔，装配时螺钉直接拧入螺纹孔中，不需要螺母。4）紧定螺钉联接 如图

18、所示，这种联接主要用来固定被联接件的相对位置的。如图中，主要传递扭矩，为了防止轴向串动加设紧定螺钉。当然，也可以传递较小的力或扭矩。五、螺纹联接的预紧和防松 一螺纹联接的预紧 在日常生活中，我们大多数同学都应该拧过螺栓。根据个人的经验知道：当利用螺栓联接时，需要将螺母拧紧，为什么呢？下面我们就从科学的理论与方法来探讨研究这方面的问题。 我们根据日常的生活经验和前面学过的材料力学有关知识知道，任何材料在受到外力作用时，都会产生或多或少的形变，螺栓也不例外。当联接螺栓承受外在拉力时，将会伸长。如果我们在初始时仅将螺母拧上使各个接合面贴合，那么在受到外力作用时，接合面之间将会产生间隙。 所以为了防止

19、这种情况的出现，我们都知道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。 显然，预紧的目的就是：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。 1预紧力控制方法在装配时，预紧力是借助于测力矩扳手或定力矩扳手控制的，如图所示，通过控制拧紧力矩来间接保证预紧力的。 二螺纹联接的防松 机械中联接的失效（松脱），轻者会造成工作不正常，重者要引起严重事故。因此，螺纹联接的防松是工程工作中必须考虑的

20、问题之一。 一般来说，联接螺纹具有一定的自锁性，在静载荷条件下并不会自动松脱。但是，由于联接的工作条件千变万化、各不相同的具体实际场合，不可避免地存在冲击、振动、变载荷作用。在这些工况条件下，螺纹副之间的摩擦力会出现瞬时消失或减小；同时在高温或温度变化比较大的场合，材料会发生蠕变和应力松弛，也会使摩擦力减小。在多次作用下，就会造成联接的逐渐松脱。 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。下面分述如下。 六、螺栓组的结构设计 在工程上，我们可以看到，单独利用一个螺栓来实现联接

21、的情况并不多见，基本上都是由几个螺栓按适当的规律排列起来，共同完成和实现一个联接任务的，这些情况我们称为螺栓组。下面我们就来看一下螺栓组的结构设计的原则和应该注意那些问题。要注意：虽说我们讲的是螺栓组，但这些方法和原则对其它的螺纹联接同样适用。 在长期的工作实践中，人们了解到，如何尽可能地使各个螺栓接近均匀地承担外载，是设计、安装螺栓组的主要问题。合理布置同一组内的螺栓的位置起着关键的作用。通过实践发现，在进行螺栓组结构设计时应该考虑以下七个方面的问题1）螺栓（钉）孔的布置 联接接合面的几何形状通常都设计成轴对称的简单几何形状，同一螺栓组的螺栓布置应力求对称、分布均匀，从设计上首先保证被联接件接合面上受力均匀。如图所示。在布置螺栓时，应该注意：不要在平行于外力的方向成排地布置8个以上的螺栓，以免载荷分布过度不均（当然也不是绝对的）。 2）螺栓