机械设计螺纹连接和螺旋传动

关于机械设计螺纹连接和螺旋传动中国地质大学专用作者：潘存云教授第一页，共八十四页，2022年，8月28日潘存云教授研制潘存云教授研制一、螺纹的形成§5－1螺纹d2螺旋线——一动点在一圆柱体的表面上，一边绕轴线等速旋转，同时沿轴向作等速移动的轨迹。螺纹——一平面图形沿螺旋线运动，运动时保持该图形通过圆柱体的轴线，就得到螺纹。螺纹第二页，共八十四页，2022年，8月28日按螺纹的牙型分螺纹的分类按螺纹的旋向分按螺旋线的根数分按回转体的内外表面分按螺旋的作用分按母体形状分矩形螺纹三角形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹第三页，共八十四页，2022年，8月28日潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制螺纹的牙型潘存云教授研制矩形螺纹三角形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹15º30º3º30º潘存云教授研制潘存云教授研制第四页，共八十四页，2022年，8月28日潘存云教授研制按螺纹的牙型分螺纹的分类按螺纹的旋向分按螺旋线的根数分按回转体的内外表面分按螺旋的作用分按母体形状分矩形螺纹三角形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹右旋螺纹潘存云教授研制左旋螺纹第五页，共八十四页，2022年，8月28日潘存云教授研制潘存云教授研制按螺纹的牙型分螺纹的分类按螺纹的旋向分按螺旋线的根数分按回转体的内外表面分按螺旋的作用分按母体形状分矩形螺纹三角形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹右旋螺纹左旋螺纹单线螺纹多线螺纹一般:n≤4PSS=2PPSPS=Pn线螺纹:S=n

P单线螺纹多线螺纹第六页，共八十四页，2022年，8月28日按螺纹的牙型分螺纹的分类按螺纹的旋向分按螺旋线的根数分按回转体的内外表面分按螺旋的作用分按母体形状分矩形螺纹三角形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹右旋螺纹左旋螺纹单线螺纹多线螺纹外螺纹内螺纹螺纹副第七页，共八十四页，2022年，8月28日潘存云教授研制潘存云教授研制外螺纹内螺纹潘存云教授研制潘存云教授研制第八页，共八十四页，2022年，8月28日按螺纹的牙型分螺纹的分类按螺纹的旋向分按螺旋线的根数分按回转体的内外表面分按螺旋的作用分按母体形状分矩形螺纹三角形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹右旋螺纹左旋螺纹单线螺纹多线螺纹外螺纹内螺纹连接螺纹传动螺纹螺旋传动第九页，共八十四页，2022年，8月28日连接螺纹传动螺纹潘存云教授研制潘存云教授研制第十页，共八十四页，2022年，8月28日按螺纹的牙型分螺纹的分类按螺纹的旋向分按螺旋线的根数分按回转体的内外表面分按螺旋的作用分按母体形状分矩形螺纹三角形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹右旋螺纹左旋螺纹单线螺纹多线螺纹外螺纹内螺纹连接螺纹传动螺纹圆柱螺纹圆锥螺纹第十一页，共八十四页，2022年，8月28日潘存云教授研制圆柱螺纹圆锥螺纹潘存云教授研制潘存云教授研制管螺纹第十二页，共八十四页，2022年，8月28日ψ潘存云教授研制(3)中径d2

也是一个假想圆柱的直径，该圆柱的母线上牙型沟槽和凸起宽度相等。βd1d2d(1)大径d

与外螺纹牙顶(或内螺纹牙底)相重合的假想圆柱体的直径。(2)

小径d1

与外螺纹牙底(或内螺纹牙顶)相重合的假想圆柱体的直径。(4)

螺距P

相邻两牙在中径线上对应两点间的轴向距离。(5)

导程S(6)

螺纹升角ψ

中径d2圆柱上，螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面的夹角(7)牙型角

α

轴向截面内螺纹牙型相邻两侧边的夹角。牙型侧边与螺纹轴线的垂线间的夹角。tanψ=πd2

nP

牙侧角

β

αβψπd2SS=nP同一条螺旋线上的相邻两牙在中径线上对应两点间的轴向距P二、螺纹的主要几何参数SPP/2P/2(8)接触高度

h

内外螺纹旋合后，接触面的径向高度。h圆周长展开长度第十三页，共八十四页，2022年，8月28日

普通螺纹以大径d为公称直径，同一公称直径可以有多种螺距，其中螺距最大的称为粗牙螺纹，其余的统称为细牙螺纹。60˚螺纹的精度等级:A级B级C级公差小，精度最高，用于配合精确，防振动等场合受载较大且经常拆卸，调整或承受变载荷的连接用于一般连接，最常用粗牙螺纹应用最广。细牙螺纹的优点：升角小、小径大、自锁性好、强度高缺点：不耐磨，易滑扣。应用：薄壁零件、受动载荷的连接和微调机构。Pd粗牙dP细牙dP细牙第十四页，共八十四页，2022年，8月28日潘存云教授研制潘存云教授研制梯形螺纹：梯形锯齿形30º3º30º为了减少摩擦和提高效率，这两种螺纹的牙侧角β比三角形螺纹的要小得多。用于剖分螺母时，梯形螺纹可消除因摩擦而产生的间隙，应用较广。锯齿形螺纹的效率比矩形螺纹高，但只适合单向传动。锯齿形螺纹:常用于传动。β=15ºβ=3º

粗牙普通螺纹、细牙普通螺纹和梯形螺纹的基本尺寸见后续各表（或查阅相关机械设计手册）。螺纹的基本尺寸：第十五页，共八十四页，2022年，8月28日§5－2螺纹连接的类型及标准连接件一、

螺纹连接的基本类型螺栓连接基本类型eaal1l1可承受横向载荷。螺纹余留长度l1铰制孔用螺栓静载荷l1>=(0.3~0.5)d;变载荷l1>=0.75d;冲击载荷或弯曲载荷l1≥d;铰制孔用螺栓l1≈d;螺纹伸出长度a=(0.2~0.3)d;螺栓轴线到被连接件边缘的距离e=d+(3~6)mm用于经常拆装易磨损之处。潘存云教授研制潘存云教授研制d潘存云教授研制d孔与螺杆之间留有间隙潘存云教授研制潘存云教授研制第十六页，共八十四页，2022年，8月28日潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制一、

螺纹连接的基本类型螺栓连接基本类型螺钉连接座端拧入深度H，当螺孔材料为：aee双头螺柱连接

连接件厚，允许拆装。钢或青铜H=d;铸铁H=(1.25~1.5)d铝合金H=(1.5~2.5)d螺纹孔深度H1=H+(2~2.5)P;钻孔深度H2=H1+(0.5~1)d;参数l1

、e、a与螺栓相同

l1l1HHH1H1H2H2结构简单，省了螺母，不宜经常拆装，以免损坏螺孔而修复困难。§5－2螺纹连接的类型及标准连接件d第十七页，共八十四页，2022年，8月28日潘存云教授研制一、

螺纹连接的基本类型螺栓连接基本类型螺钉连接双头螺柱连接紧定螺钉连接紧定螺钉§5－2螺纹连接的类型及标准连接件潘存云教授研制第十八页，共八十四页，2022年，8月28日潘存云教授研制潘存云教授研制二、螺纹紧固件螺栓螺纹紧固件螺栓的结构形式LL0d六角头LdL0小六角头第十九页，共八十四页，2022年，8月28日dL0L1LL1

——座端长度L0

——螺母端长度二、螺纹紧固件螺纹紧固件双头螺柱螺栓第二十页，共八十四页，2022年，8月28日二、螺纹紧固件螺纹紧固件末端结构头部结构螺钉、紧定螺钉双头螺柱螺栓第二十一页，共八十四页，2022年，8月28日潘存云教授研制二、螺纹紧固件螺纹紧固件潘存云教授研制地脚螺栓机座、机架固定于地基

潘存云教授研制起吊螺钉机器或大型零、部件的顶盖或外壳，便于起吊

螺钉、紧定螺钉双头螺柱螺栓专用螺纹连接T型螺栓工装设备中第二十二页，共八十四页，2022年，8月28日二、螺纹紧固件螺纹紧固件用于经常拆装易磨损之处。用于尺寸受限制之处。国标罗列有６０余种不同结构的螺母螺母螺钉、紧定螺钉双头螺柱螺栓专用螺纹连接六角螺母六角扁螺母六角厚螺母潘存云教授研制圆螺母第二十三页，共八十四页，2022年，8月28日垫圈平垫圈薄平垫圈A型平垫圈B型平垫圈螺母螺钉、紧定螺钉双头螺柱二、螺纹紧固件螺栓螺纹紧固件斜垫圈弹簧垫圈圆螺母用止动垫圈作用：增加支撑面积以减小压强，避免拧紧螺母擦伤表面、防松。专用螺纹连接第二十四页，共八十四页，2022年，8月28日§5－3螺纹连接的预紧预紧力：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之前，预先受到力的作用，这个预加作用力称为预紧力。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缝隙或发生相对移动。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ss的80%。

一、概述一般螺纹连接在装配时都必须拧紧，这时螺纹连接受到预紧力的作用。对于重要的螺纹连接，应控制其预紧力，因为预紧力的大小对螺纹连接的可靠性，强度和密封均有很大影响。碳素钢螺栓：F0≤(0.6~0.7)σsA1合金钢螺栓：F0≤(0.5~0.6)σsA1A1——危险截面积，A1≈πd21/4第二十五页，共八十四页，2022年，8月28日尼龙圈锁紧螺母连接用三角形螺纹都具有自锁性，在静载荷和工作温度变化不大时，不会自动松脱。但在冲击、振动和变载条件下，预紧力可能在某一瞬时消失，连接仍有可能松动而失效。高温下的螺栓连接，由于温度变形差异等，也可能发生松脱现象（如高压锅），因此设计时必须考虑防松，即防止相对转动。防松的方法1.利用附加摩擦力防松弹簧垫圈对顶螺母§5－4螺纹连接的防松防松——防止螺旋副相对转动。第二十六页，共八十四页，2022年，8月28日开口销与六角开槽螺母串联钢丝2.采用专门防松元件防松圆螺母用止动垫圈潘存云教授研制止动垫圈潘存云教授研制潘存云教授研制第二十七页，共八十四页，2022年，8月28日冲点防松法3.其它方法防松1~1.5P用冲头冲2至3点粘合法防松涂粘合剂第二十八页，共八十四页，2022年，8月28日§5－5螺栓组连接的设计在设计螺栓组连接时，关键是连接的结构设计。它是根据被连接件的结构和连接的用途，确定螺栓数目和分布形式。▲为了便于加工制造和对称布置螺栓，保证连接结合面受力均匀，通常连接接合面的几何形状都设计成一、螺栓组连接的结构设计基本原则：大多数机械中螺栓都是成组使用的。轴对称的简单几何形状

圆形

圆环形

矩形

矩形框

三角形第二十九页，共八十四页，2022年，8月28日潘存云教授研制▲螺栓布置应使各螺栓的受力合理FF(1)对于铰制孔用螺栓连接，不要在平行于工作载荷的方向上成排地布置８个以上的螺栓，以免载荷分布过于不均；潘存云教授研制潘存云教授研制合理不合理(2)当螺栓连接承受弯矩或转矩时，应使螺栓的位置适当靠近连接接合面的边缘，以减少螺栓的受力。第三十页，共八十四页，2022年，8月28日潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制dhD▲螺栓的排列应有合理的间距、边距，以保证扳手空间(3)当同时承受轴向载荷和较大的横向载荷时，采用抗剪零件来承受横向载荷。潘存云教授研制潘存云教授研制60˚CCEE60˚扳手空间的尺寸见有关标准。AB潘存云教授研制第三十一页，共八十四页，2022年，8月28日对于压力容器等紧密性要求较高的重要连接。螺栓的间距不大于下表所推荐的取值。t0潘存云教授研制螺栓间距t0工作压力/MPa7d5d

4.54d3.53dt0/mm≤1.61.6~44~1010~1616~2020~30d▲为了便于在圆周上钻孔时的分度和画线，通常分布在同一圆周上的螺栓数目取成4、6、8等偶数。同一螺栓组中的螺栓的材料、直径、长度应相同第三十二页，共八十四页，2022年，8月28日潘存云教授研制支承面倾斜采用凸台或沉孔结构潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制支承面不平保证被连接件，螺母和螺栓头支承面平整，并与螺栓轴线相互垂直。对于在铸、锻件等的粗糙表面上安装螺栓时，应制成凸台或沉头座。当支承面为倾斜表面时，应采用斜面垫圈等。▲避免螺栓承受附加的弯曲载荷切削加工支承面支承面倾斜潘存云教授研制第三十三页，共八十四页，2022年，8月28日二、螺栓组连接的受力分析受力分析的目的:

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:

(1)所有螺栓的材料、直径、长度和预紧力均相同；(3)受载后连接接合面仍保持为平面。受力分析的类型：(2)螺栓组的对称中心与连接接合面的形心重合；受转矩受横向载荷受轴向载荷受倾覆力矩M第三十四页，共八十四页，2022年，8月28日（1）对于铰制孔用螺栓连接，每个螺栓所受工作剪力为（2）对于普通螺栓连接，按预紧后接合面间所产生的最大摩擦力必须大于或等于横向载荷的要求，有式中z为螺栓数目。

图示为由四个螺栓组成的受横向载荷的螺栓组连接。1．受横向载荷的螺栓组连接Ks为防滑系数，设计中可取Ks=1.1~1.3。潘存云教授研制铰制孔螺栓F∑F∑F∑F∑潘存云教授研制普通螺栓或i接合面数f接合面摩擦系数第三十五页，共八十四页，2022年，8月28日潘存云教授研制TO潘存云教授研制O采用普通螺栓和铰制孔用螺栓组成的螺栓组受转矩时的受力情况是不同的。2．受转矩的螺栓组连接采用普通螺栓，是靠连接预紧后在接合面间产生的摩擦力矩来抵抗转矩T。采用铰制孔用螺栓，是靠螺栓的剪切和螺栓与孔壁的挤压作用来抵抗转矩T。TrmaxFmaxr1fF0fF0r2riFi假设底板受载仍为平面，则螺栓的剪切变形量与距离成正比，F=Kri剪切力与距离r的比值为常数第三十六页，共八十四页，2022年，8月28日潘存云教授研制D3．受轴向载荷的螺栓组连接若作用在螺栓组上轴向总载荷FΣ作用线与螺栓轴线平行，并通过螺栓组的对称中心，则各个螺栓受载相同，每个螺栓所受轴向工作载荷为通常，各个螺栓还承受预紧力F0的作用，当连接要有保证的残余预紧力为F1时，每个螺栓所承受的总载荷F2为F2=F1+FpF∑FF第三十七页，共八十四页，2022年，8月28日潘存云教授研制潘存云教授研制4．受倾覆力矩的螺栓组连接

倾覆力矩M作用在连接接合面的一个对称面内，底板在承受倾覆力矩之前，螺栓已被拧紧并承受预紧力F0且被拉伸，地基有均匀的压缩。在作用M后，接触面绕0-0线转动一个角度，左边的地基被放松，而螺栓被进一步拉伸；右边的螺栓被放松，而地基被进一步压缩。单个螺栓拉力产生的力矩为F1F0

F0

σp

(

F

0引起)F2mσp2(

F1m引起)σp1(

F1引起)LiLmaxOOxxOMMMi=Fi

Li

假设底板受载仍为平面，则螺栓受力与螺栓中心到螺栓组排列中心的距离成正比。螺栓承受的载荷与距离成正比第三十八页，共八十四页，2022年，8月28日潘存云教授研制F1m

强调是基座上的压力Fm

F2m

F1

F

F2

C2

单个螺栓的受力分析Om

力变形Ob

作用在底板两侧的合力矩与倾覆力矩M平衡，即未加倾覆力矩时，工作点在A。∑Mi=0施加倾覆力矩M时，左边的螺栓，工作点移至B1

和C1

右边的螺栓，工作点移至B2

和C2

左边螺栓总拉力增加，右边螺栓总拉力减小。F2

F2m

C1

B2

B1

求得最大工作载荷A

F0

第三十九页，共八十四页，2022年，8月28日螺栓的总拉力为防止接合面受压最大处被压碎或受压最小处出现间隙，要求连接接合面材料的许用挤压应力材料钢铸铁混凝土砖(水泥浆缝)木材[σ]p(MPa)0.8σS(0.4~0.5)σB2.0~3.01.5~2.02.0~4.0直接引用前面的结论第四十页，共八十四页，2022年，8月28日§5－6螺纹连接的强度计算螺栓连接的主要失效形式滑扣

因经常拆装受拉螺栓塑性变形螺纹部分疲劳断裂受剪螺栓剪断压溃螺杆和孔壁的贴合面经常拆卸——轴向变载荷断裂螺栓杆第四十一页，共八十四页，2022年，8月28日潘存云教授研制螺栓与螺母的螺纹牙及其他各部尺寸是根据等强度原则及使用经验规定的。采用标准件时，这些部分都不需要进行强度计算。所以，螺栓连接的计算主要是确定螺纹小径d1，然后按照标准选定螺纹公称直径d及螺距P等。一、松螺栓连接强度计算强度条件式中d1——螺纹小径mm，[σ]——许用应力二、紧螺栓连接强度计算FaFa力除以面积设计公式装配时需要拧紧，在工作状态下可能还需要补充拧紧。1.仅承受预紧力的紧螺栓连接2.承受预紧力和工作拉力的紧螺栓连接3.承受工作剪力的紧螺栓连接装配时不须要拧紧起重吊钩第四十二页，共八十四页，2022年，8月28日螺栓受轴向拉力F0和摩擦力矩T1的双重作用。拉应力1.仅承受预紧力的紧螺栓连接扭转切应力对于M10~M64的普通钢制螺纹，可取：Tanρ’≈f‘=0.17，d2/d1=1.04~1.08,tanρ’≈0.5得：τ≈0.5σ分母为抗剪截面系数计算应力由此可见，对于M10~M64普通螺纹的钢制紧螺栓连接，在拧紧时，虽然同时承受拉伸和扭转的联合作用，但在计算时，可以只考虑拉伸强度计算，并将预紧力增大30%来考虑扭转的影响。强度条件第四十三页，共八十四页，2022年，8月28日当承受横向工作载荷时，预紧力F0导致接合面所产生的摩擦力应大于横向载荷F。C——可靠性系数，常取C=1.1~1.3预紧力F0

f——摩擦系数，对钢与铸铁，取f=0.1~0.15m——结合面数上图m=1,下图m=2若取f=0.15，C=1.2,m=1,则F0

≥8F→螺栓结构尺寸大FFFF/2F/2F0F0F0F0第四十四页，共八十四页，2022年，8月28日潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制FF/2F/2潘存云教授研制D2.受预紧力和工作拉力的紧螺栓连接改进措施：采用键、套筒、销等减载零件承担横向工作载荷。螺栓仅起连接作用设流体压强为p，螺栓数目为Z，则缸体周围每个螺栓的平均载荷为pπD2/4F

=ZpFF第四十五页，共八十四页，2022年，8月28日潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制

预紧状态潘存云教授研制特别注意，螺栓和被连接件的弹性变形，轴向载荷：F2≠

F0+F加预紧力后→螺栓受拉伸长λb→被连接件受压缩短λm加载F

后:螺栓总伸长量增加为总拉力为被连接件压缩量减少为

残余预紧力减少为F1

很显然F1<F0被连接件放松了∆λ+λbλm-∆λF0F0受载变形松弛状态潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制F2F2F2=F+F1F1F1FFλmλb∆λ∆λ

F0F0第四十六页，共八十四页，2022年，8月28日潘存云教授研制潘存云教授研制λb∆λ连接件变形压缩力螺栓变形拉力∆Fb∆Fm螺栓变形力F2F1FF0F0F0λbarctanCbarctanCmλmλm第四十七页，共八十四页，2022年，8月28日力螺栓变形arctanCb潘存云教授研制——螺栓的相对刚度系数F=∆Fb+∆Fm=(Cb+Cm

)∆δCb+CmCbF2=F0+FCb+CmCbF1=F0

–F

1-F1=F0-∆Fm=F0

-Cm

∆δF2=F0

+∆Fb=F0

+Cb

∆δCb+CmF∆λ=FF2∆FbF0∆λ代入得：表5－4螺栓的相对刚度系数垫片类型金属垫片或无垫片皮革铜皮石棉橡胶0.2~0.30.70.80.9Cb+CmCb∆FmF1第四十八页，共八十四页，2022年，8月28日静强度条件重要场合的螺栓连接，还应进行疲劳强度校核。设计公式当工作拉力在0~F之间变化时，螺栓所受总拉力在F0

~F2之间变化。F2

F0

θm

θbF若不考虑摩擦力矩的影响，有第四十九页，共八十四页，2022年，8月28日DI因为σmin=const,应力工作点M落在ODGI区域内，依据疲劳强度理论有其中σ-1tc——螺栓材料的对称循环拉压疲劳极限。疲劳极限σ-1

σ-1tc10160~220120~150Q215170~220120~16035220~300170~22045250~340190~25040Cr320~440240~340材料Ψσ——材料特性系数碳素钢ψσ

=0.1~0.2合金钢ψσ

=0.3~0.3σminσ-1eσ-1σaσmOCAσSGMM’3Kσ

——综合影响系数S

——安全系数见下页螺栓的最大应力计算安全系数σ-1弯曲循环疲劳极限第五十页，共八十四页，2022年，8月28日潘存云教授研制潘存云教授研制

这种连接是利用铰制孔用螺栓抗剪切来承受载荷的。螺栓杆与孔壁之间无间隙，接触表面受挤压。在连接接合面处，螺栓杆则受剪切。3．承受工作剪力的紧螺栓连接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F——螺栓所受的工作剪力，单位为N；Lmin铰制孔用螺栓FFd0设计时应使Lmin≥1.25d0d0——螺栓剪切面的直径（可取螺栓孔直径），单位为mm；Lmin——螺栓杆与孔壁挤压面的最小高度，单位为mm。螺栓或孔壁材料的许用挤压应力许用切应力第五十一页，共八十四页，2022年，8月28日§5－7螺栓的材料和许用应力一、螺纹连接件材料国家标准规定了螺纹联接件的性能等级。螺栓、螺柱、螺钉的性能等级分为10级，螺母的性能等级分为7级。螺纹联接件的材料与许用应力3.64.64.85.6586.88.89.810.912.9作为标准零件，螺纹连接件是按其性能等级选用的。对于一定性能等级的螺纹连接件应具备一定的强度极限。第五十二页，共八十四页，2022年，8月28日中国地质大学专用作者：潘存云教授特殊用途(防磁、导电):特殊钢、铜合金、铝合金等。螺栓、螺柱、螺钉的性能等级分为10级。普通垫圈：Q235、15、35弹簧垫圈：65Mn

常用的螺纹联接件材料为Q215、Q235、35、45等碳素钢。当强度要求高时，还可采用合金钢，如15Cr、40Cr等。第五十三页，共八十四页，2022年，8月28日选用原则：一般用途：通常选用4.8级左右的螺栓，重要场合：要选用高的性能等级，如在压力容器中常采用8.8级的螺栓。螺母的性能等级分为7级。456891012第五十四页，共八十四页，2022年，8月28日二、螺纹连接件的许用应力

螺纹连接件的许用应力与载荷性质(静、变载荷)、装配情况(松、紧连接)、材料、结构尺寸有关。许用拉应力许用切应力和挤压应力被连接件为钢被连接件为铸铁Sτ,Sp——安全系数，其取值详见下页表。屈服极限第五十五页，共八十四页，2022年，8月28日潘存云教授研制螺栓连接的安全系数S

碳素钢5~44~2.52.5~2碳素钢12.5~8.58.58.5~12.5M6~M16M16~M30M30~M60M16~M16M16~M30M30~M60不控制预紧力的计算控制预紧力的计算受载类型静载荷变载荷松螺栓连接1.2~1.7合金钢5.7~55~3.43.4~3合金钢10~6.86.86.8~101.2~1.51.2~1.5(Sa=2.5~4)钢：Sτ=2.5，Sp=1.25钢：Sτ=3.5~5，Sp=1.5铸铁：Sp=2.0~2.5铸铁：Sp=2.5~3铰制孔用螺栓连接受轴向及横向载荷的普通螺栓连接紧螺栓连接第五十六页，共八十四页，2022年，8月28日§5－8提高螺栓连接强度的措施承受轴向变载荷时，螺栓的损坏形式：疲劳断裂容易断裂部位：一、降低影响螺栓疲劳强度的应力幅。轴向工作载荷F的变化范围0~FCb+CmCbF0~F0+F总拉伸载荷的F2变化范围

螺栓刚度

Cb

↓

或

被连接件刚度Cm

↑→F2变化范围∆F↓提高螺栓连接强度的措施有哪些呢？

以螺栓连接为例，螺栓连接的强度主要取决于螺栓的强度，因此，提高螺栓的强度，将大大提高连接系统的可靠性。2、改善螺纹牙上载荷分布不均的现象。1、降低影响螺栓疲劳强度的应力幅。3、减小应力集中的影响。4、采用合理的制造工艺。第五十七页，共八十四页，2022年，8月28日潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制F0

θm

θb措施一：降低螺栓刚度（

C’b<Cb,θ’b

<θb

）措施二：提高被连接件刚度（C’m

>Cm,θ’m

>θm

）

措施三：综合措施（

C’b

<Cb,C’m

>Cm,F’0

>F0

）∆FFF1

F2

F’2F’∆Fθ’m

F’1θ’

bF’0θm

虽然F’=F∆F’<∆F强调残余预紧力减小但有∆F’<∆F强调残余预紧力减小F’=FF’=F，F’1

=F1∆F’<∆F前两种措施会导致残余预紧力减小，使密封性能降低。为保证可靠工作，可适当增大预紧力。F’2F’

∆F’F’1

θ’b

F0

θm

θb∆FFF1

F2

F’F’1∆F’F0

θb∆FFF1

F2

θm

第五十八页，共八十四页，2022年，8月28日dd潘存云教授研制0.8d0.7d采用柔性结构：加弹性元件、或采用柔性螺栓。2.有密封要求时，采用金属薄垫片3.或者采用O形密封圈宜采取措施:因密封采用软垫片将降低被连接件的刚度，这时可采用刚度较大的金属垫片或密封环腰状杆螺栓与空心螺栓软垫片密封密封环密封第五十九页，共八十四页，2022年，8月28日潘存云教授研制普通螺母二、改善螺纹牙间的载荷分布措施:采用均载螺母加厚螺母不能提高连接强度！螺栓杆螺母体螺栓杆螺母体螺栓杆FaF5/2F4/2F3/2F2/2F1/2F5/2F4/2F3/2F2/2F1/2潘存云教授研制螺母体螺栓杆FF=F1+F2+F3+F4+F5F1>F2>F3>F4>F510圈以后，螺母牙几乎不承受载荷。螺栓杆F潘存云教授研制螺栓杆F螺母体均载螺母均载原理螺母和螺杆均为拉伸变形，有助于减小两者螺距变化，使受载均匀。加厚螺母第六十页，共八十四页，2022年，8月28日潘存云教授研制10~15˚悬置螺母环槽螺母内斜螺母10~15˚内斜与环槽螺母均载原理相同螺母也受拉内斜螺母因力的作用点外移可使载荷较大的头几圈螺纹牙容易变形，使载荷上移而改善载荷分布不均。均载元件悬置螺母环槽螺母内斜螺母内斜螺与环槽螺母都是改变螺母旋合部分的变形性质，使之和螺栓变形性质相同，均为拉伸变形，从而使螺纹牙上载荷分布趋于均匀；钢丝螺套加工复杂，仅限于用在重要场合或大型连接。第六十一页，共八十四页，2022年，8月28日潘存云教授研制采用凸台或沉孔结构潘存云教授研制潘存云教授研制三、减小应力集中1.增大过渡圆角2.切制卸载槽r四、避免或减小附加应力3.卸载过渡结构要从结构、制造与装配精度采取措施。潘存云教授研制支承面不平切削加工支承面潘存云教授研制第六十二页，共八十四页，2022年，8月28日五、采用特殊制造工艺冷镦螺栓头部、滚压螺纹螺栓疲劳强度提高30%到40%表面处理：氰化、氮化也能提高疲劳强度。球面垫圈采用球面垫圈和腰环螺栓可以保证螺栓的装配精度。潘存云教授研制腰环螺栓潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制第六十三页，共八十四页，2022年，8月28日一、螺旋传动的类型和应用调整螺旋静压螺旋类型运动形式有§5－9螺旋传动螺母固定，螺杆转动并移动螺旋传动是利用螺杆和螺母组成的螺旋副来实现传动的。作用：回转运动直线运动，同时传递动力。螺杆转动，螺母移动

刀架

按用途分传力螺旋传导螺旋滑动螺旋滚动螺旋按摩擦性质分传递动力传递运动,要求精度高调整零件相对位置应用实例为车床刀架溜板第六十四页，共八十四页，2022年，8月28日潘存云教授研制潘存云教授研制调整螺旋调整螺旋第六十五页，共八十四页，2022年，8月28日机床的进给机构潘存云教授研制应用实例:

机床的进给机构、起重设备（千斤顶）、锻压机械(压力机)、测量仪器（千分尺）、、夹具、玩具、机器人及其他工业装备中。潘存云教授研制第六十六页，共八十四页，2022年，8月28日应用实例

起重设备（千斤顶）锻压机械(压力机)潘存云教授研制潘存云教授研制第六十七页，共八十四页，2022年，8月28日应用实例

工件夹紧装置(锯床)潘存云教授研制潘存云教授研制第六十八页，共八十四页，2022年，8月28日应用实例

潘存云教授研制钳工虎钳潘存云教授研制千分尺第六十九页，共八十四页，2022年，8月28日整体螺母组合螺母剖分螺母螺母结构潘存云教授研制组合螺母潘存云教授研制调整楔快固定螺钉调整螺钉二、滑动螺旋的结构和材料

滑动螺旋的结构主要是指螺杆、螺母的固定和支承的结构形式。螺旋传动的工作刚度与精度等和支承结构有直接关系。1.结构潘存云教授研制剖分螺母第七十页，共八十四页，2022年，8月28日潘存云教授研制螺旋副材料要求：足够的强度、耐磨性、摩擦因子小2.滑动螺旋的材料螺杆材料:Q257、45、50钢，或T12、40Cr、65Mn螺母材料:ZCuSn10P1、ZCuSn5Pb5Zn5、ZCuAl10Fe3.螺杆-螺母材料滑动速度m/min许用压力/MPa摩擦因子低速18~25≤311~186~127~10>151~2

淬火钢－青铜

钢－青铜

钢－铸铁

钢－钢

6~1210~130.06~0.08

<2.413~18

6~124~7

低速7.5~130.11~0.170.08~0.1

0.12~0.15

滑动螺旋副材料的许用压力[p]及摩擦因子

第七十一页，共八十四页，2022年，8月28日潘存云教授研制三、滑动螺旋传动的设计计算承受载荷:

转矩、轴向力设计准则：按耐磨损确定直径，选择螺距校核螺杆、螺母强度等。主要失效形式:

螺牙的磨损滑动螺旋副材料的许用应力许用应力/MPa螺旋副材料螺杆钢

[σＳ]/(3~5)螺母青铜

40~6030~40铸铁

45~5540钢

(0.1~0.2)[σ]0.6[σ][σ][σb][τ]注：1)σs

为材料的屈服极限；

2)载荷稳定时，许用应力取大值。第七十二页，共八十四页，2022年，8月28日对螺旋传动的要求:

强度足够,耐磨,摩擦因子小.螺杆材料:Q257、45、50钢，或T12、40Cr、65Mn螺母材料:ZCuSn10P1、ZCuSn5Pb5Zn5、

ZCuAl10Fe3。失效形式:磨损通常先由耐磨性条件，计算螺杆直径和螺母高度，再参照标准确定螺旋各主要参数，而后对可能发生的其它失效一一校核。耐磨性计算校核公式：影响磨损的原因很多，目前还没有完善的计算方法，通常是限制螺纹接触处的压强。p=≤[p]

πd2hzFaFa为轴向力；z为参加接触的螺纹圈数；d2为螺纹中径；h为螺纹的工作高度；[p]为许用压强。速度v<12m/min4~77~1010~13低速，如人力驱动等10~1815~25-----

螺旋副的许用压强许用压强配对材料钢对铸铁钢对青铜淬火钢对青铜第七十三页，共八十四页，2022年，8月28日潘存云教授研制螺杆α许用压强螺母设计方法和步骤1．耐磨性计算

滑动螺旋的耐磨性计算，主要是限制螺纹工作面上的压力，其强度条件：令φ=H/d2

，又因为h=0.5P－矩形、梯形螺纹的工作高度

h=0.75P－锯齿形螺纹的工作高度。代入上式得螺纹中径的计算公式：校核公式：p=πd2huFF——轴向力；=≤[p]πd2hHFP显然有：

u=H/Pu——螺纹工作圈数d2——螺纹中径；h——螺纹的工作高度;H——螺母高度;hPHD2d2P——螺距;F/uF第七十四页，共八十四页，2022年，8月28日锯齿形螺纹φ[p]Fd2

≥0.65φ=1.2~2.5整体式螺母2.5~3.5剖分式螺母一般取u≤10梯形螺纹φ[p]Fd2

≥0.8φ值越大，螺母越厚，螺纹工作圈数越多。依据计算出的螺纹中径，按螺纹标准选择合适的直径和螺距。验算若不满足要求，则增大螺距。对有自锁性要求的螺旋传动，应校核自锁条件：螺纹中径的计算公式第七十五页，共八十四页，2022年，8月28日2．螺杆的强度计算

对于受力比较大的螺杆，需根据第四强度理论求出危险截面的计算应力螺杆的强度条件式中，F为螺杆所受的轴向压力（或拉力），T为螺杆所受的扭矩对碳素钢,[σ]=50~80MPa第七十六页，共八十四页，2022年，8月28日潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制3．螺母螺牙的强度计算螺牙上的平均压力为F/u剪切强度条件πDπD2aaF/uπDaaπDπD2aaF/u（1）考虑螺旋副摩擦力矩的作用，螺母悬置部分危险截面b—b的拉伸强度条件：其危险截面a–a

的弯曲强度条件在螺旋起重器螺母的设计计算中，除了进行耐磨性计算与螺纹牙的强度计算外，还要进行螺母下段与螺母凸缘的强度计算，螺母凸缘与底座的接触面上产生挤压应力；凸缘根部受到弯曲和剪切作用；螺母下段承受拉力和螺旋副摩擦力矩的作用。4．螺母外径与凸缘的强度计算FbbbbD3D第七十七页，共八十四页，2022年，8月28日潘存云教授研制（2）凸缘与底座接触表面挤压强度条件：（3）凸缘根部弯曲强度条件：5．螺杆的稳定性计算对于长径比较大的受压螺杆，需要校核压杆的稳定性，要求螺杆的工作压