第5章 螺纹联接和螺旋传动

第五章

螺纹连接与螺旋传动§1概述一、联接分类1、按运动关系分静联接：只固定，无相对运动。如螺纹联接、普通平键联接。动联接：彼此有相对运动。如花键、螺旋传动等。——运动副2、按传载原理分靠摩擦力（力闭合）：如受拉螺栓、过盈联接。非摩擦（形闭合）：靠联接零件的相互嵌合传载，如平键。材料锁合联接：利用附加材料分子间作用，如粘接、焊接。3、按拆开时是否损坏零件分可拆联接：如螺纹联接（最广泛的可拆联接）。不可拆联接：如焊接、铆接等。二、螺纹基本知识①直径大径d：公称直径。M20→d=20mm小径d1：螺纹的最小直径。中径d2：齿厚=齿槽宽处直径，几何计算用。一般取：d2=(d+d1)/2④螺距p②线数n：n=1时用于联接；n＞1时用于传动；n↑→η↑，但为便于制造n≤4③牙形角α：螺纹牙两侧面夹角。1、螺纹的主要参数2、螺纹的类型右旋左旋螺纹位置：内螺纹——螺母；外螺纹——螺钉。旋向判定：顺着轴线方向看，可见侧左边高则为左旋，右边高则为右旋。螺纹旋向：左旋螺纹，右旋螺纹（常用）。思考：⑥中径升角λ：⑤导程s：s=np联接：效率低、自锁性好。传动：效率高、自锁性差。螺纹牙形：三角形、矩形、梯形、锯齿形等30°3°30°60°三角形梯形锯齿形矩形单线，用于联接双线或多线，常用于传动粗牙：一般情况下使用。细牙：d相同，p小，λ小，牙浅，自锁性好，但不耐磨，易滑扣。∴用于变载荷场合。∴联接螺纹：一般为单线、粗牙、右旋的三角螺纹。螺纹线数：单线（联接）；多线（传动）。§2螺纹联接的主要类型、材料一、主要类型（注意各图的画法）1、螺栓联接受拉——普通螺栓普通螺栓：无需在被联件上加工螺纹孔，装拆方便，用于两被联件均不太厚的场合。受剪——铰制孔螺栓铰制孔螺栓：除起联接作用外，还起定位作用。2、双头螺柱联接

用于有一联接件较厚，并经常装拆的场合，拆卸时只需拧下螺母即可。3、螺钉联接用于有一联接件较厚，且不需经常装拆的场合。4、紧定螺钉联接螺钉末端顶住另一零件的表面或相应凹坑，以固定两个零件的相互位置，并可传递不大的力或力矩。5、地脚螺栓联接6、T型槽螺栓联接7、吊环螺钉二、性能等级1、螺栓等：十个性能等级，如：3.6、4.6、4.8、……性能等级材料性能如：6.8σBmin/100=6σBmin=600MPa10(σsmin/σBmin)=8σsmin=480MPa或σsmin=(6×8)×10=480MPa低碳钢或中碳钢2、螺母：七个等级，与螺栓性能相配。（自学）螺栓

标准联接件螺钉标准联接件紧定螺钉标准联接件紧定螺钉标准联接件垫圈标准联接件垫圈标准联接件自攻螺钉标准联接件自攻螺钉标准联接件标准联接件圆螺母与止动垫片止动垫圈和圆螺母标准联接件六角螺母标准联接件六角螺母标准联接件异形螺母标准联接件§3螺栓联接的拧紧与防松一、拧紧受载之前拧紧螺母预紧力F’预紧↑联接刚度↑防松能力↑紧密性1、拧紧力矩T=？螺母支承面间的摩擦阻力矩以螺母分析：T=T1+T2螺纹副间的摩擦力矩——螺纹副间有效圆周力（rf——支承面摩擦半径）∴kt——拧紧力矩系数，一般取kt=0.22、控制T的方法T↑F↑拉断、滑扣T↓不能满足工作要求控制T的大小一般情况凭经验，拧紧即可。方法：测量螺栓伸长量：σμ（大型螺栓联接）定力矩扳手测力矩扳手冲击扳手测力矩扳手采用测力矩扳手或定力矩扳手控制预紧力，准确性较差，也不适用与大型的螺栓联接。为此，可以采用测量螺栓伸长量的方法来控制预紧力。测量螺栓伸长量3、严格控制预紧力时d≮M12~M16标准扳手长度L=15d，若拧紧力为F，则：T=FL=15dF=0.2F’d→F’=75F若F=200N，则F’=15000N。→小于M12，则易拉断。二、防松1、螺纹联接按自锁条件设计：

ψ≤ρv。∴

静载下不会自行松脱。2、松动原因冲击、振动、变载荷下温度变化较大时螺旋副摩擦力Ff减小或瞬时消失松动对顶螺母3、防松方法——防止螺旋副相对转动。按防松原理不同，分为三类：a）摩擦防松自锁螺母弹簧垫圈开口方向：斜向右下方弹性增压尖端抵住开口销与槽形螺母b）机械防松（直接锁住）正确不正确注意金属丝穿入方向串联金属丝c）破坏螺纹副关系不可拆联接胶接冲点焊住§4单个螺栓联接的受力分析和强度计算螺栓联接受拉螺栓受剪螺栓松联接：不拧紧，无预紧力F’，仅受工作载荷F紧联接：需拧紧仅受预紧力F’同时受预紧力F’和工作载荷F一、受拉螺栓联接对于受拉螺栓，其失效形式主要是螺纹部分的塑性变形和螺杆的疲劳断裂。危险截面面积由计算直径dc确定：dc=d1-H/6，H≈0.866p；其中：d1、p分别为螺纹小径和螺距。1、松联接如：起重滑轮螺栓仅受轴向工作拉力F——失效：拉断强度条件：MPa

——校核式式中：dc——危险截面计算直径[σ]——许用应力，[σ]=σs／[Ss]，见表2.4（P52）。mm——设计式查手册，选螺栓2、紧联接2.1只受预紧力F’的紧联接外载荷FR——对螺栓为横向力——靠摩擦力传递a.FR作用下，板不滑移：FR≤Ff，而Ff—→F’。b.按F’计算：F’为螺栓轴向负荷—→拉应力c.拧紧过程中，在T1作用下螺栓受扭—→产生τT对钢制M10~M68螺栓：τT≈0.5σ。d.危险截面上受复合应力（σ、τT）作用—→强度准则螺栓为塑性材料—→第四强度理论——校核式即：1.3意义：紧联接时，将拉应力增大30%以考虑拧紧力矩的影响。mm

——设计式2.2受剪螺栓联接1、失效形式：剪断、接触表面压溃。2、螺栓剪切强度条件d——杆抗剪面直径m——抗剪面数目[τ]——许用剪应力2.3受预紧力F’和轴向工作载荷F的紧螺栓联接a、未拧状态b、拧紧状态F’c、工作状态F变形受力过程：无变形—→F’

—→δ1δ2—→+F—→δ1+Δδ1δ2-Δδ2变形协调条件：Δδ1=Δδ2=Δδ3、挤压强度条件h——对象受压高度；[σp]——许用挤压应力各力定义1、预紧力F’（拧紧螺母后，作用在螺栓上的拉力和被联件上压力）2、螺栓工作拉力F0

—→总拉力3、工作载荷F（对螺栓联接施加的外载荷）4、F”剩余预紧力。（P49）思考：图b中，F0=？图c中，F0=F+F’？静力平衡条件：

F0=F+F”即：螺栓总拉力等于工作载荷与剩余预紧力之和。■

上述过程还可通过力——变形图表示螺栓刚度：被联件刚度：在合并图中：∴——检查F”的大小——求总拉力即：螺栓总拉力等于预紧力加上部分工作载荷。由于两图合并讨论：1、——螺栓相对刚度系数当F、F’一定时，∴为↓螺栓受力—→选择不同垫片↓—→应使2、：不出现缝隙。(由验算)同理，考虑扭转作用，强度条件为：——校核式mm——设计式若工作载荷为变载荷：当工作载荷在F1~F2变化时，螺栓总拉力在F01~F02之间变化变载荷下螺栓失效：Fa作用下的疲劳拉断Fa——拉力变幅：∴应力幅：即：变载荷下螺栓，应力幅越小，疲劳强度越高。§5螺栓组联接的受力分析一、思路联接结构形式、外载荷类型—→螺栓受力—→找出受载最大螺栓—→按单个螺栓联接的计算方法计算二、基本假定1、各螺栓刚度相同；2、各螺栓预紧力F0相同；3、变形在弹性范围内；4、被联件为刚体；特点：载荷与螺栓轴线平行，并通过螺栓组对称中心。—→各螺栓组平均受载：螺栓还受F’

—→F

—→工作条件：F”>02、受横向载荷的螺栓组联接三、四种典型受载情况时的受力分析1、受轴向载荷的螺栓组联接（1）特点：横向载荷作用线与螺栓轴线垂直，并通过螺栓组对称中心。（2）承载方式：形闭合：受剪螺栓（靠杆的剪切与挤压承载）力闭合：受拉螺栓（由F0在结合面产生的摩擦力承载）（3）受力分析a、受拉螺栓工作条件：按仅受F0的紧联接计算。式中：f——结合面的摩擦系数；z——螺栓个数；

i——结合面数目，图中i=2；ks——可靠系数（防滑系数），ks=1.1~1.5；b、受剪螺栓假定每个螺栓受载相同，则工作条件：剪切计算挤压计算3、受旋转力矩T的螺栓组联接特点：在转矩T作用下，底板有绕螺栓组形心轴线O-O旋转的趋势。横向力受拉螺栓受剪螺栓摩擦力承载，各螺栓处产生相等的摩擦力（1）受拉螺栓联接工作条件：（2）受剪螺栓联接靠剪切和挤压承载，各螺栓在T作用下受横向力Fs。问题：Fs1=Fs2=…=Fsz？即Fsi与ri成正比：或工作条件：

Fs1r1+Fs2r2+…+Fszrz=T变形协调条件：底板视为刚体，ri↑—→剪切变形量↑—→Fsi↑代入工作条件中：4、受翻转力矩M（倾覆力矩）的螺栓组联接特点：在M作用下，底板有绕螺栓组形心轴翻转的趋势。作用M前：各螺栓受相同F0作用M后：左侧：F拉(不均匀)，右侧：F压(不均匀)→F0↓工作条件：变形协调条件：其它条件：附加校核讨论：设计时，如何布置螺栓更合理？——远离对称中心Ri↑→Fmax↓实际应用可转化为上述四种状态的不同组合：分别计算迭加横向载荷和旋转力矩轴向载荷和翻转力矩强度计算左侧不出现缝隙右侧边缘不压溃例题如图所示为一固定在钢制立柱上的铸铁托架,已知总载荷FΣ=4800N,其作用线与垂直线的夹角α=50°,底板高h=340mm,宽b=150mm,试设计此螺栓组联接。[解]

1.螺栓组结构设计采用如图所示的结构,螺栓数z=4,对称布置。2.螺栓受力分析1）在总载荷FΣ的作用下,螺栓组联接承受以下各力和倾覆力矩的作用:

轴向力（FΣ的水平分力FΣh,作用于螺栓组中心,水平向右）

FΣh=FΣsinα=4800N·sin50°=3677N

横向力(FΣ的垂直分力FΣv,作用于接合面,垂直向下)

FΣv=FΣcosα=4800N·cos50°=3085N

倾覆力矩(顺时针方向)

M=FΣh×16+FΣv×15=105107N·cm2）在轴向力FΣh的作用下,各螺栓所受的工作拉力为

Fa=FΣh/z=3677/4=919N

3）在倾覆力矩M的作用下,上面两螺栓受到加载作用,而下面两螺栓受到减载作用,故上面的螺栓受力较大,所受的载荷按式(5-31)确定故上面的螺栓所受的轴向工作载荷为

F=Fa+Fmax=919N+1877N=2796N4）在横向力FΣv的作用下,底板联接接合面可能产生滑移,根据底板接合面不滑移的条件由表5-5查得接合面间的摩擦系数f=0.16,并取

=0.2,则

=1-

=0.8,取防滑系数K=1.2,则各螺栓所需要的预紧力为5）上面每个螺栓所受的总拉力F2按式(5-34)求得

F2=F0+()F=6520N+0.2×2796N=7079N3.确定螺栓直径

选择螺栓材料为Q235、性能等级为4.6的螺栓,由表5-8查得材料屈服极限σS=240MPa,由表5-10查得安全系数S=1.5,故螺栓材料的许用应力

[σ]=σS/S=240/

1.5

MPa=160MPa。根据式(5-36)求得螺栓危险截面的直径（螺纹小径d1）为按粗牙普通螺纹标准(GB/T196—2003),选用螺纹公称直径

d=12mm(螺纹小径d1=10.106mm>8.6mm)。4.

校核螺栓组联接接合面的工作能力1）联接接合面下端的挤压应力不超过许用值,以防止接合面压碎。参考式(5-22),有

由表5-6查得[σp]=0.5σB=0.5×250MPa=125MPa>>1.84MPa,故联接接合面下端不致压碎。2）联接接合面上端应保持一定的残余预紧力,以防止托架受力时接合面间产生间隙,即σpmin>0,参考式(5-23),有故接合面上端受压最小处不会产生间隙。5.校核螺栓所需的预紧力是否合适

参考式(5-2),对碳素钢螺栓,要求

F0≤(0.6～0.7)σSA1已知σS=240MPa,A1=πd12/4=π×10.1062/4mm2=80.214mm2,取预紧力下限即

0.6σSA1=0.6×240×80.214N=11550.8N要求的预紧力F0=6520N,小于上值,故满足要求。确定螺栓的公称直径后,螺栓的类型、长度、精度以及相应的螺母、垫圈等结构尺寸,可根据底板厚度、螺栓在立柱上的固定方法及防松装置等全面考虑后定出,此处从略。§6螺栓组结构设计要点1、结合面几何形状力求简单（矩、圆、三角），且螺栓组的对称中心与结合面形心重合，结合面受力均匀。3、