第五章螺纹联接和螺旋传动

第五章螺纹连接和螺旋传动中国矿业大学机电工程学院螺纹联接螺纹连接工程应用飞机机翼汽车轮胎化工管道机床锁紧螺母发动机汽缸螺纹联接螺纹连接学习要求：1)了解螺纹连接的基本知识，如螺纹种类、主要参数、应用特点，螺纹连接的类型、结构特点及防松方法等；2）掌握在各种载荷情况下，螺栓组受力分析，确定单个螺栓的最大工作载荷，合理进行螺栓组结构设计；3）掌握普通螺栓、配合螺栓的强度计算方法，了解提高螺栓连接强度的措施;4)了解螺旋传动的类型与应用,掌握滑动螺旋传动的设计计算.本节课研讨的问题1、螺纹的主要类型有哪些？主要用途是什么？

表征螺纹的基本参数主要有哪几个？2、螺纹连接的主要类型有哪几种？普通螺栓连

接与配合螺栓连接、双头螺柱连接与螺钉连接

有何区别？其螺栓(纹)孔的加工有何特点？3、螺纹连接为什么要预紧？如何控制预紧力？4、螺纹连接防松的原理是什么？常用的防松方

法有哪些？试举例说明？螺纹联接螺纹的形成§5-1

螺纹螺纹的主要类型有哪些？螺纹的主要用途是什么？螺纹联接按位置：外螺纹——在圆柱（锥）体的外表面形成的螺纹内螺纹——在圆柱（锥）孔的内表面形成的螺纹一、螺纹类型按牙型：三角形螺纹、管螺纹——连接螺纹矩形、梯形、锯齿形螺纹——传动螺纹螺纹联接三角形矩形梯形锯齿形螺纹联接根据螺纹线数：单线螺纹（n=1）；双线螺纹（n=2）；多线螺纹（n≥2）

——用于连接

——用于传动

根据螺旋线绕行方向：右旋左旋螺纹联接二、螺纹的主要参数1）大径d（D）——与外螺纹牙顶相重合的假想圆柱面直径，亦称公称直径2）小径d1(D1)——与外螺纹牙底相重合的假想圆柱面直径3）中径d2——在轴向剖面内牙厚与牙间宽相等处的假想圆柱面的直径，d2≈0.5（d+d1）

表征螺纹的基本参数主要有哪几个？螺纹联接4）螺距P——相邻两牙在中径圆柱面的母线上对应两点间的轴向距离5）导程Ph——同一螺旋线上相邻两牙在中径圆柱面的母线上的对应两点间的轴向距离6）线数n——螺纹螺旋线数目，一般为便于制造n≤4

螺距、导程、线数之间关系：Ph=nP

tan=Ph/d2=nP/d2

参数、P、Ph、n、d2之间的关系：（5-1）7）螺纹升角

——中径圆柱面上螺旋线的切线与垂直于螺旋线轴线的平面的夹角螺纹联接8）牙型角

——螺纹轴向平面内螺纹牙型两侧边的夹角9）接触高度h——内外螺纹旋合后的接触面的径向高度螺纹联接

查设计手册

P111

国标：GB/T193-2003螺纹联接螺旋副的自锁条件为：螺旋副的传动效率为：克服轴向力Q匀速上升所需的圆周力：当量摩擦角当量摩擦系数问题:自锁时的效率？机械原理知识：螺纹联接§5-2

螺纹连接的主要类型1、螺栓连接a)

普通螺栓连接

——被连接件不太厚，螺杆带钉头，通孔不带螺纹，螺杆穿过通孔与螺母配合使用。装配后孔与杆间有间隙，并在工作中不许消失，结构简单，装拆方便，可多个装拆，应用较广。螺纹连接的主要类型有哪几种？螺纹联接b)配合螺栓连接——装配后无间隙，主要承受横向载荷，也可作定位用，采用基孔制配合铰制孔用螺栓连接。普通螺栓连接与配合螺栓连接有何区别？其螺栓孔的加工方法有何不同？螺纹联接2、双头螺柱连接

螺杆两端无钉头，但均有螺纹，装配时一端旋入被连接件，另一端配以螺母。适于常拆卸而被连接件之一较厚时。折装时只需拆螺母，而不将双头螺柱从被连接件中拧出。螺纹联接3、螺钉连接适于被连接件之一较厚（上带螺纹孔），不需经常装拆，一端有螺钉头，不需螺母，适于受载较小情况。双头螺柱连接与螺钉连接有何区别？其螺纹孔的加工有何特点？螺纹联接4、紧定螺钉连接

拧入后，利用末端顶住另一零件表面或旋入零件相应的缺口中以固定零件的相对位置，可传递不大的轴向力或扭矩。螺纹联接特殊结构螺纹连接地脚螺栓连接吊环螺钉连接T型槽螺栓连接常用标准螺纹连接件见手册P118~P134螺纹联接§5-3螺纹连接的预紧一、螺纹连接的预紧在装配时需拧紧，即在承载时，已预先受预紧力F0预紧目的——增强连接的可靠性和紧密性，防止受载后被连接件间出现缝隙或发生相对移动。

F0F0螺纹连接为什么要预紧？如何控制预紧力？螺纹联接拧紧力矩T=T1+T2

其中：T1——螺旋副间的摩擦阻力矩；

T2——螺母环形端面与被连接件间的摩擦阻力矩。对于M10~M64的螺栓二、预紧力与拧紧力矩（5-3）（5-6）（5-7）螺纹联接三、预紧力F0的控制

碳素钢螺栓：F0

（0.6～０.7）sA1

合金钢螺栓：F0

（0.5～０.6）sA1

测力矩板手—测出预紧力矩。测力矩扳手A1=d12/4（5-2）图5-8预紧力不得超过其材料屈服极限的80%！螺纹联接定力矩扳手图5-9定力矩板手—达到固定的拧紧力矩T时，弹簧受压将自动打滑测量预紧前后螺栓伸长量，精度较高。螺纹联接§5-4螺纹连接的防松实际工作中，外载荷有振动、变化、材料高温蠕变等会造成摩擦力减少，螺纹副中正压力在某一瞬间消失、摩擦力为零，从而使螺纹连接松动，如经反复作用，螺纹连接就会松驰而失效。因此，必须进行防松，否则会影响正常工作，造成事故。

二、防松原理防止螺旋副在受载时发生相对转动，或增大相对运动的难度。

三、防松方法及措施（见表5-3）

防松的方法，按其工作原理分为摩擦防松、机械防松和破坏螺旋副运动关系放松（也称为永久防松）。

一、防松目的螺纹连接防松的原理是什么？常用的防松方法有哪些？试举例说明？螺纹联接

摩擦防松(轴向压紧)对顶螺母

弹簧垫圈（手册P133）

锁紧垫圈

螺纹联接摩擦防松(径向压紧)非金属嵌件锁紧螺母

扣紧螺母

自锁螺母

螺纹联接机械防松开槽螺母与开口销

圆螺母

双耳

串联钢丝

单耳

注意方向！

螺纹联接永久防松铆焊

粘

螺纹联接§5-5螺栓组连接的设计工程中螺栓皆成组使用，极少单个使用。螺栓组连接设计的顺序——选布局、定数目、力分析、设计尺寸。

一、螺栓组结构设计原则

1、尽量对称分布，圆周偶数布置，螺栓组中心与连接结合面形心重合（有利于分度、划线、钻孔），以受力均匀。螺纹联接2、受剪螺栓组（配合螺栓连接）时，不要在外载作用方向布置8个上，以免螺栓受力太不均匀，受弯矩或扭矩作用的螺栓组，要适当靠接缝边缘布局，减少螺栓受力。3、合理间距，适当边距，以利扳手装拆（见表5-4及手册）。螺纹联接二、螺栓组连接的受力分析

目的——求受力最大载荷的螺栓

前提（假设）：

①被连接件为刚性不变形，只有地基变形;②各螺栓材料、尺寸、预紧力均相同;③受力后螺栓材料变形在弹性范围内;④接合面形心与螺栓组形心重合，受力后其接缝面仍保持平面。问题1.普通螺栓组连接中受横向

载荷时螺栓的受力特点？如何

计算F0？受转矩时如何计算？问题2.普通螺栓

组连接中受轴

向载荷时螺栓的受力特点？

总拉力F2计算

特点？受转矩

时如何计算？螺纹联接1、配合螺栓组连接（1）连接受载为横向力F

设螺栓个数为z，则每个螺栓受到的工作剪力为：

（5-9）横向布置不要超过8个螺栓！螺纹联接（2）连接受载为旋转力矩T

设z个螺栓到旋转中心之距r1,r2,…ri,…rz，每个螺栓受到的工作剪力为F1,F2,…Fi,…Fz

：

变形协调条件：

力矩平衡条件：

剪力Fi（变形）与距离ri成正比（5-14）螺纹联接2、普通螺栓组连接（1）连接受载为横向力F

接合面不滑移条件：（5-10）f

—接合面的摩擦系数；i

—接合面数；Ks

—防滑系数，Ks=1.1~1.3。螺纹联接（2）连接受载为旋转力矩T

接合面不滑移条件：（5-11）f

—接合面的摩擦系数；ri—第i个螺栓的轴线到螺栓组对称中心O的距离；Ks

—防滑系数，Ks=1.1~1.3。螺纹联接（3）连接受载为轴向力F

单个螺栓工作载荷为：

F=F/z

F

——

轴向外载荷

z——

螺栓个数

（5-15）螺栓杆受的总拉力F2=F

?F2=F+F0

?螺纹联接（4）连接受载为倾覆力矩M

特点：M在铅直平面内，绕O-O回转，只能用普通螺栓连接，取板为受力对象，由静力平衡条件：

和变形协调条件：拉力压力有

（5-18）螺纹联接被联接件挤压应力计算

为了防止被连接件结合面受压最大处被压碎或受压最小处出现间隙，应该检查受载后底板结合面压应力的最大值不超过允许值，最小值不小于零，即有

拉力压力（5-22）（5-23）

其中：A为接合面的有效面积；W为接合面的有效抗弯截面系数；[p]为底板接合面的许用挤压应力，查表5-6。实例分析：习题5-4、5-5、5-6机械设计总论第五章实例分析1图5-49底板螺栓组连接1’2’122’21’1

x

bM=Fx•h

-Fy•

l题5-4解:机械设计总论第五章实例分析2图5-50龙门起重机导轨托架

x题5-5解:

采用铰制孔用螺栓。因为托架所受的载荷有较大变动，铰制孔用螺栓连接能精确固定被连接件的相对位置，并能承受横向载荷，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位移，而普通螺栓连接靠结合面产生的摩擦力矩来抵抗转矩，连接不牢靠。T=R•300=

6000kN•

mmFi=R/8=2.5kNR=

20kNFj=Tcos45/(875)=7.07kNF=F2i+F2j+2FiFjcos45=9kN机械设计总论第五章实例分析3FMFi=10NFj=20NFMFi=10NFjM=25060=15000Nm图5-51螺栓的两种布置形式Fmax=33.6N

已知一个托架的边板用6个螺栓与相邻的机架相连接。托架受一与边板螺栓组的垂直对称轴线相平行，距离为250mm，大小为60kN的载荷作用。现有如图所示的两种螺栓布置形式，设采用配合螺栓连接，试问哪一种布置形式所用的螺栓直径最小？为什么？F=60kN题5-6解:螺纹联接一、松螺栓连接强度计算§5-6螺栓连接的强度计算螺纹连接的强度计算准则

受拉螺栓:主要破坏形式是螺栓杆螺纹部分发生疲劳断裂,设计准则为保证螺栓的静力或疲劳拉伸强度。

受剪螺栓：主要破坏形式是螺栓杆和孔壁的贴合面上出现压溃或螺栓杆被剪断，设计准则为保证连接的挤压强度和螺栓的剪切强度。（5-24）（5-25）

如吊钩结构中的普通螺栓连接，工作前不拧紧，无预紧力，只有工作载荷F

起拉伸作用。螺栓小径的设计：问题1.受拉螺栓的主要破坏形式是什么？发生

在什么部位？还可能有哪些失效？螺纹联接

1.仅承受预紧力F0（普通螺栓连接）预紧力F0

→产生拉伸应力σ螺纹摩擦力矩T1

→产生切应力τ

二、紧螺栓连接强度计算（5-26）（5-27）（5-28）

当紧螺栓连接受载为横向力F或旋转力矩T

时，螺栓只受到预紧力F0的作用，此时，螺栓杆截面处于拉伸和扭转的复合应力状态下。问题2.紧螺栓连接在只承受预紧力F0时

的强度条件计算特点是什么？螺纹联接根据第四强度理论：∴强度条件为：（5-29）（5-30）螺栓小径的设计：mm螺纹联接①工作特点：工作前拧紧，有F0；工作后加上工作载荷F

工作前、工作中载荷变化②工作原理：靠螺杆拉伸强度传递外载F③解决问题：

a)保证安全可靠的工作，F0=？

b)工作时螺栓总载荷，F2=？

当紧螺栓连接受载为轴向力F

或倾覆力矩M

时，螺栓既受到预紧力F0的作用又受到工作拉力F的作用，此时，螺栓杆截面也处于拉伸和扭转的复合应力状态下。

2.既受预紧力F0又受工作拉力F（普通螺栓连接）问题3.

紧螺栓连接既承受预紧力F0，又受工作拉力F时，螺栓承受的总拉力F2应如何计算？螺纹联接④分析受力变形:预紧前无F0预紧力

F0工作时F+F1工作失效

F1<0图5-25单个紧螺栓连接受力变形图变形协调条件：

b=m=螺纹联接⑤作图----受力变形线图变形力变形力F0

bF0

ma)螺栓受力变形线图b)被连接件受力变形图bm螺栓的刚度:Cb=F0/b=tanb被连接件的刚度:Cm=F0/m=tanm（5-32）问题4.螺栓刚度Cb和被连接件刚度Cm的是

什么含义？相对刚度Cb/(Cb+Cm)对螺

栓连接的承载能力有何影响？只受预紧拉力F0螺纹联接力变形力

b

mF0ΔΔFF2F1F图5-26单个紧螺栓连接受力变形线图承受工作拉力F后的受力及变形关系螺纹联接螺栓刚度：

由图示可得:（5-31）

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。被联接件刚度：

m

（5-33）螺纹联接

对残余预紧力F1的要求:为保证受载后接合面联接的紧密性应使F1>0。有密封要求的连接：F1=（1.5~1.8）F一般联接：F1=（0.6~1.0）F

工作载荷不稳定时

F1=（0.2~0.6）F

工作载荷稳定时地脚螺栓连接：F1

FF1的取法:（5-35）螺栓拉伸强度条件：（5-36）螺栓小径的设计：为什么有1.3？螺纹联接

若工作载荷F为变载荷,还需进行螺栓的疲劳强度精确校核

图5-27承受轴向变载荷的紧螺栓连接min=4F0/(d12)=C(5-39)(5-38)(5-37)螺纹联接3、承受挤压和工作剪力F（配合螺栓连接）失效形式：螺栓杆和孔壁间可能发生压溃或被剪断螺栓的剪切强度条件为：螺栓与孔壁接触表面的挤压强度条件为：

（5-40）（5-41）

d0——螺杆或孔的直径mmLmin——被联接件中受挤压孔壁的最小长度mmi

——

螺栓抗剪面数图5-28承受工作剪力的紧螺栓连接螺纹联接§5-7螺栓连接件材料及许用应力一、螺纹连接件的材料钢材:Q215,10,Q235,35,45,15Cr,40Cr,35CrMnSi等螺母、螺栓强度级别(查表5-8,表5-9)：

1）根据机械性能分级并以数字表示螺纹连接件的强度级别;2）所依据机械性能为抗拉强度极限σB和屈服极限σS螺栓级别:

带点数字表示，点前数字为点后数字为螺母级别:

注意：螺母的强度级别b不低于相配螺栓的强度级别，螺母的

硬度稍低于螺栓的硬度（均低于20~40HBS）问题5.螺栓的性能等级是如何表示的？

它与螺栓材料的B和s有何关系？螺纹联接二、螺栓连接件的许用应力S、S、Sp—螺纹连接安全系数查表5-10（5-42）（5-43）（5-44）（5-45）总结

螺纹连接设计思路：

螺栓组结构设计（布局、数目）→螺栓组受力分析（载荷类型、状态、形式）→求单个螺栓的最大工作载荷（判断哪个最大）→按最大载荷的单个螺栓设计（求d1—选标准）→全组采用同样尺寸螺栓连接件（互换的目的）。螺纹联接实例分析

图5-40所示为一固定在钢制立柱上的铸铁托架，已知总载荷F=4800N，其作用线与垂直线的夹角＝50，底板高h=340mm，宽b=150mm，试设计此螺栓组连接。

解:见教材P92hb220280K160150FK图5-40托架底板螺栓组连接问题1螺栓组受力分析如何？问题2单个螺栓受力状态如何？问题3如何求单个螺栓的F0和F2

？螺纹联接布置习题pD2D1F<7d题5-8、题5-9、题5-10（z=12、无垫片、螺栓6.8、变载荷）题5-10图本节课研讨的问题1、提高螺栓连接强度的措施有哪些？每种措施

可举出1-2个实例。2、滑动螺旋、滚动螺旋和静压螺旋的本质区别是什么？各有何特点？3、滑动螺旋的主要失效形式是什么？一般应进行哪些强度校核计算？4、螺旋起重器的设计步骤是什么？螺纹联接1、降低影响螺栓疲劳强度的应力幅1)降低螺栓刚度§5-8提高螺栓连接强度的措施螺纹联接2)增大被联接件刚度螺纹联接3)同时使用cb↓,cm↑同时适当增加F0螺纹联接特殊结构螺栓

弹性元件

密封圈结构

刚性垫片

螺纹联接2、改善螺纹牙上载荷分布不均的现象悬置螺母

内斜螺母

环槽螺母

弹性螺套

螺纹联接3、避免附加弯曲应力，减小应力集中的影响球面垫圈

斜面垫圈

腰环螺栓

表面凸台

沉头座

螺纹联接4、采用合理的制造工艺方法1）用挤压法（滚压法）制造螺栓，疲劳强度提高30~40%;2）采用氰化、氮化、喷丸等处理可提高疲劳强度;3）热处理后再进行滚压螺纹，强度提高70~100%.螺纹联接5、采用减载装置剪切销剪切套剪切键螺纹联接§5-9

螺旋传动1、螺旋传动的应用千斤顶拆卸器管口钳台钳螺旋压力机圆规二维数控台举出几种螺旋传动的应用实例螺纹联接螺旋传动2、螺旋传动的类型

1)按用途分：

(1)传力螺旋——举重器、千斤顶、加压螺旋特点：低速、间歇工作，传递轴向力大、自锁

(2)传导螺旋——机床进给机构：传递运动和动力特点：速度高、连续工作、精度高

(3)调整螺旋——机床、仪器及测试装置中的微调螺旋特点：是受力较小且不经常转动

螺纹联接螺旋传动2)按摩擦性质分(1)滑动螺旋传动——摩擦性质为滑动摩擦。构造简单、传动比大，承载能力高，加工方便、传动平稳、工作可靠、易于自锁。缺点：磨损快、寿命短，摩擦损耗大，传动效率低（30~40%）传动精度低。滑动螺旋、滚动螺旋和静压螺旋的

本质区别是什么？各有何特点？螺纹联接图5-42螺旋起重器螺纹联接螺旋传动(2)滚动螺旋传动——滚动摩擦性质。滚动螺旋传动是在具有圆弧形螺旋槽的螺杆和螺母之间连续装填若干滚动体，当传动工作时，滚动体沿螺纹滚道滚动并形成循环。按循环方式有：内循环、外循环两种。

螺纹联接螺旋传动特点：传动效率高（可达90%），起动力矩小，传动灵活平稳，工作寿命长，正逆运动效率相同，可实现逆传动。缺点：不自锁，需附加自锁装置，抗振性差，结构复杂，制造工艺要求高，成本较高。

螺纹联接螺旋传动(3)静压螺旋传动——液体摩擦性质。靠外部液压系统提供压力油，压力油进入螺杆与螺母螺纹间的油缸，促使螺杆、螺母螺纹牙间产生压力油膜而分隔开。

螺纹联接螺旋传动特点：摩擦系数小，效率高，工作稳定，磨损小，寿命长。螺母结构复杂（需密封），需一稳压供油系统、成本较高。适用于精密机床中进给和分度机构。螺纹联接设计实例题5-11:设计简单千斤顶图5-42千斤顶

已知千斤顶的起重量为40000N，起重高度为200mm,试设计螺杆和螺母的主要尺寸并画装配图（3号图纸、说明书）。螺旋起重器的设计步骤是什么？螺纹联接螺旋传动设计3、滑动螺旋传动的设计

1）滑动螺旋的结构传动螺纹：矩形螺纹、梯形螺纹、锯齿形螺纹；

螺母结构：整体螺母结构、组合螺母结构、剖分螺母结构、开合螺母结构。滑动螺旋的主要失效形式是什么？一般应进行哪些强度校核计算？螺纹联接螺旋传动设计

2）螺杆和螺母的材料

螺杆材料要求有足够的强度和耐磨性；螺母材料除要有足够的强度外，还要求在与螺杆材料配合时摩擦系数小和耐磨。螺旋传动常用的材料见表5-11螺旋副材料牌号应用范围螺杆螺母Q235、Q275、45、5040Cr、65Mn、T12、40WMn、20CrMnTi9Mn2V、CrWMn、38CrMoAlZCuSn10Pl、ZCuSn5Pb5Zn5（铸锡青铜）ZCuAl9Fe4Ni4Mn2（铸铝青铜）ZCuZn25Al6Fe3Mn3（铸铝黄铜）

材料不经热处理，适用于经常运动，受力不大，转速较低的传动

材料需经热处理，以提高其耐磨性，适用于重载、转速较高的重要传动

材料需经热处理，以提高其尺寸的稳定性，适用于精密传导螺旋传动

材料耐磨性好，适用于一般传动

材料耐磨性好，强度高，适用于重载、低速的传动。对于尺寸较大或高速传动，螺母可采用钢或铸铁制造，内孔浇注青铜或巴氏合金螺纹联接螺旋传动设计

3）滑动螺旋传动的设计计算（1）耐磨性计算

p=F/A=F/d2hu

=FP/d2hH[p]N/mm2

令=H/d2

，则

设计计算：mm

对于矩形、梯形螺纹和30锯齿形螺纹分别以h=0.5P和h=0.75P代入即可。（5-46）（5-47）式中螺纹工作圈数u=H/P，H为螺母高度；高径比对整体螺母取1.2~2.5，剖分螺母和兼作支承的螺母取2.5~3.5。螺纹联接螺旋传动设计（3）螺杆的强度计算