哈尔滨工程大学机械设计课件3螺纹联接及螺旋传动

第三章螺纹联接与螺旋传动3-1概述3-2螺纹3-3螺纹联接类型和标准联接件一、螺纹基础知识二、常用螺纹的类型、特点和应用三、螺纹副的受力、效率和自锁一、联接的作用二、联接的分类一、螺纹联接的类型二、标准联接件3-4螺纹联接的预紧和防松目录3-5螺纹联接的设计计算一、设计步骤二、受力分析与强度计算三、螺栓组联接的结构设计四、螺栓联接件的材料与许用应力五、提高螺栓联接强度的措施目录3-6螺旋传动一、联接的作用零件构件部件机器联接联接联接二、联接的分类1、动联接：被联接零件可相对运动—运动副2、静联接：被联接零件无相对运动—构件（1）可拆联接：螺纹、键、销、成型联接（2）不可拆联接：铆接、焊接、胶结（3）过盈配合：温差法装入—可拆压如法装入—不可拆3-1概述3-2螺纹一、螺纹联接的基础知识1、螺旋线与螺纹（1）定义：动点绕定轴匀速圆周运动，并沿轴线方向匀速上升，动点轨迹为螺旋线。一、螺纹联接的基础知识（2）直观：直角三角形斜边与圆柱体表面的交线2、螺纹分类（1）螺纹位置：内、外螺纹（2）母体形状：圆柱、圆锥螺纹（3）牙型：三角形、矩形、梯形、矩齿形（4）旋向：左、右3-2螺纹联接3、普通螺纹的主要参数一、螺纹联接的基础知识β大径d－公称直径（查标准）小径d1－计算直径（强度计算）中径d2－几何直径（几何计算）螺距P－相邻螺牙对应点间轴向距离线数n－螺纹螺旋线的数目导程S－同一螺线相邻螺牙对应点间的轴向距离S=nP升角ψ－螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面间的夹角牙型角α－螺纹轴截面内，牙型两侧边的夹角牙侧角β－螺纹轴截面内，牙型侧边与横截面的夹角工作高度h－内外螺纹旋合后的接触面的径向高度3-2螺纹联接二、常用螺纹的种类、特点和应用二、常用螺纹的种类、特点和应用1、联接螺纹：要求自锁—三角形螺纹（1）普通螺纹（α=60°）

粗牙：常用的联接螺纹细牙：用于薄壁件或密封处普通螺纹管螺纹（2）管螺纹（α=55°）（英制）—一般管路联接圆柱：螺纹中线与管轴线平行牙顶圆角，旋合后无隙，密封性好圆锥：螺纹中线与管子轴线不平行，自密封性好3-2螺纹联接二、常用螺纹的种类、特点和应用2、传动螺纹：要求效率高（1）矩形螺纹（α=0°）

效率高，牙根强度差，磨损难补偿（2）梯形螺纹（α=30°）效率较高，牙根强度高，对中好，磨损后用剖分螺母补偿间隙—常用（3）锯齿形螺纹（β工=3°、β非工=30°）兼备矩形、梯形螺纹的优点，非工作面牙根圆角大，强度高矩形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹三角形矩形梯形矩齿形三、矩形螺纹（牙型角α=00）螺纹副的受力、效率与自锁使滑块等速运动所需要的水平力等速上升：F=Fatan(ψ+ρ)等速上升所需力矩：T=Fd2/2=Fatan(ψ+ρ)d2/23-2螺纹联接三、螺纹副的受力、效率与自锁Fa螺纹副中，螺母所受到的轴向载荷Fa是沿螺纹各圈分布的，为便于分析，用集中载荷Fa代替，并设Fa作用于中径d2圆周的一点上。这样，当螺母相对于螺杆等速旋转时，可看作为一滑块(螺母)沿着以螺纹中径d2展开，斜度为螺纹升角ψ的斜面上等速滑动。1、受力分析匀速拧紧螺母时，相当于以水平力推力F推动滑块沿斜面等速向上滑动。设法向反力为Fn，则摩擦力为fFn，f为摩擦系数，ρ为摩擦角，ρ=arctanf。由于滑块沿斜面上升时，摩擦力向下，故总反力FR与Fa的的夹角为ψ+ρ。由力的平衡条件可知，FR、F和Fa三力组成力封闭三角形，由图可得：等速下降：F=Fatan(ψ—ρ)等速下降所需力矩：T=Fd2/2=Fatan(ψ—ρ)d2/22、螺纹的自锁螺母等速松退时的受力分析：此时相当于滑块沿斜面等速下滑，由力的封闭三角形，得：若ψ≤ρ，则F≤0，这时必须加一反向作用力F才会使滑块下滑，若不加外力，则不论Fa有多大，滑块也不会下滑，这种现象叫"自锁"。自锁条件：ψ≤ρ3-2螺纹联接三、螺纹副的受力、效率与自锁3、螺旋副的效率螺旋副效率为有效功W2与输入功W1之比。螺母在力矩T作用下转动一周时，输入功W1=2лT，此时升举重物所作的有效功W2=Fa

S；故螺旋副的效率为：令f'=f/cosβ称当量摩擦系数。与当量摩擦系数对应的摩擦角称为当量摩擦角，用ρ/表示。拧紧螺母时所需的水平推力及转矩：由于矩形螺纹与非矩形螺纹的运动关系相同，将ρ/代替ρ后可得：3-2螺纹联接三、螺纹副的受力、效率与自锁4、非矩形螺纹螺纹的牙型角α≠0时的螺纹为非矩形螺纹，如教材图3—5b所示。非矩形螺纹的螺杆和螺母相对转动时，可看成楔形滑块沿楔形斜面移动；平面时法向反力FN=Fa;平面时摩擦力Ff=fFN=fFa;楔形面时法向反力FN=Fa/cosβ；楔形面摩擦力Ff

=fFN

=fFa/cosβ;使滑块等速运动所需要的水平力等速上升：F=Fatan(ψ+ρ/)等速上升所需力矩：T=Fd2/2=Fatan(ψ+ρ/)d2/2等速下降：F=Fatan(ψ-ρ/)等速下降所需力矩：T=Fd2/2=Fatan(ψ-ρ/)d2/2自锁条件：ψ≤ρ/效率为：由于三角形螺纹的β=α/2=300；梯形螺纹β=α/2=150；锯齿形螺纹β=30；矩形螺纹β=00，所以各种螺纹的当量摩擦系数之间有如下关系：f/三角＞f/梯形＞f/锯齿＞f/矩形可见，三角形螺纹的f/大，自锁性能好，且牙根强度高，故常用于联接。梯形、锯齿形及矩形螺纹，多用于传动。3-2螺纹联接三、螺纹副的受力、效率与自锁3-2螺纹联接三、螺纹副的受力、效率与自锁3-3螺纹联接的类型与标准联接件一、螺纹联接类型1、螺栓联接—被联件较薄、易做成通孔处，可经常拆卸。（1）普通螺栓：被联件孔与螺栓杆有间隙，可承受横向、轴向外载、应用最广（2）铰制孔用螺栓：被联件孔与螺栓杆基孔制过渡配合，承受横向外载普通螺栓铰制孔用螺栓杆孔间隙过渡配合面螺栓联接螺栓联接螺栓联接：两被联接零件较薄，可做成通孔场合3-3螺纹联接的类型与标准联接件2、双头螺柱联接被联件之一较厚、不易做成通孔，需经常拆卸处3-3螺纹联接的类型与标准联接件3、螺钉联接被联件之一较厚、不易做成通孔，不需经常拆卸处3-3螺纹联接的类型与标准联接件4、紧定螺钉联接：固定两零件相对位置，可传不大转矩平端紧定螺钉锥端紧定螺钉3-3螺纹联接的类型与标准联接件特殊联接：地脚螺栓联接,吊环螺钉联接3-3螺纹联接的类型与标准联接件二、标准联接件1、螺纹联接件均为标准件，设计中根据需要按工程尺寸选用2、螺纹联接件等级GB3103.1-82规定：螺纹联接件分A、B、C三级A级：精密配合，防振场合B级：受载较大，常拆卸调整、变载场合C级：一般联接3-4螺纹联接的预紧与防松一、预紧—工作前拧紧1、目的：增加螺纹联接刚度、紧密性和防松能力2、要求：装配时控制预紧力在规定范围内（3）测螺栓伸长量3、预紧力控制方法（1）定力矩扳手（2）测力矩扳手一、预紧3-4螺纹联接的预紧与防松一、预紧扳手拧紧力矩——T=F·L,拧紧时螺母：T=T1+T2T——拧紧力矩T1——螺纹摩擦阻力矩T2——螺母端环形面与被联接件间的摩擦力矩F—作用于手柄上的力，L——力臂

由于直径过小的螺栓，容易在拧紧时过载拉断，所以对于重要的联接不宜小于M122)(21dtgFT/0+=-)(31202030302dDdDFfT0c-=

\)](32)([2120203030221dDdDftgdFTTTc/0--++=+=d0.2FT0=15Ld=75FF0=3-4螺纹联接的预紧与防松二、防松1、目的：防止螺杆与螺母相对转动3、防松方法2、原因：设计条件下ψ≤ρ/，静载、恒温条件不会松脱变载、振动、温差大引起螺牙间摩擦力瞬时消失—松脱（1）摩擦防松—利用辅助元件（结构）防止螺纹副间摩擦力消失a、弹簧垫圈b、双螺母防松c、椭圆口自锁螺母d、横向切口螺母二、防松3-4螺纹联接的预紧与防松（2）机械防松—利用防松元件约束螺纹副相对运动-冲击、变载场合止动垫片开口销与开槽螺母二、防松3-4螺纹联接的预紧与防松（2）机械防松—利用防松元件约束螺纹副相对运动-冲击、变载场合圆螺母止动垫片二、防松3-4螺纹联接的预紧与防松（3）破坏螺纹副防松—防松可靠，冲击振动大、重要联接冲点法：冲坏螺纹副二、防松端焊法：端部焊死粘结法：拧紧时涂胶3-5螺纹联接的设计计算一、设计计算内容与步骤1、结构设计：确定螺栓布置形式、数量2、受力分析：确定螺栓组中受力最大螺栓和所受最大力3、强度计算：按受力最大螺栓确定整组螺栓直径一、设计计算步骤二、受力分析与强度计算（一）普通螺栓联接传递轴向外力1、只受工作载荷作用的螺栓联接（工作前不预紧，例：起重吊钩）Fa2或拉断）失效形式：螺栓塑变（1aF）受力分析：（;;MPa][aNF工作载荷螺栓许用应力--s][4

321adF）设计准则：（£=sps3-5螺纹联接的设计计算2、只受预紧力的螺栓联接（工作前预紧，工作中受力不变，例：普通设备盖板）二、受力分析与强度计算（1）受力分析合成应力：（2）失效形式：螺栓塑变或拉断注：受拉、剪应力复合作用的螺栓，可按受纯拉伸处理,将拉应力加大30%计入剪应力的影响。3-5螺纹联接的设计计算3、受预紧力F0和工作载荷FE作用的螺栓联接（例：气缸螺栓）（2）受力分析工作载荷FE螺栓受载被联接件受载预紧状态FE作用前预紧拉力F0预紧压力F0工作状态FE作用后(拉力增加)总载荷

Fa(压力下降)残余预紧力FR二、受力分析与强度计算Faδb0δc0△δF0F0F0FaFRFE3-5螺纹联接的设计计算a.总载荷Fa=?;残余预紧力FR=？载荷螺栓变形被联接件变形变形关系预紧状态F0作用下伸长δb0压缩δc0δb0≠δc0工作状态F0、FE共同作用伸长δb0+Δδ压缩δc0-ΔδΔδ=Δδ由图得总载荷:二、受力分析与强度计算变形力δb0∆δ∆Fb∆FcFaFRFEF0δC03-5螺纹联接的设计计算b.△Fb=？由图知:

螺栓刚度:被联接件刚度：二、受力分析与强度计算变形力δb0∆δ∆Fb∆FcFaFRFEF0δC03-5螺纹联接的设计计算结论：为减小螺栓总载荷，被联接件刚度不宜太小；（3）失效形式：a:被联件结合面出缝隙；b:螺栓塑变或被拉断二、受力分析与强度计算cbEabbcFFFkkkkk+=Þ+<<0

1；时，当acbbbcFFkkkkk»Þ+>>0

0；时，当讨论：kcbbEakkFFF+µ0

；、、kEREcbbbaFFFkkFFFF+=++=D+=00总载荷：3-5螺纹联接的设计计算（4）设计准则：a:保证被联件结合面不出缝隙二、受力分析与强度计算3-5螺纹联接的设计计算b:保证螺栓不拉断或塑变I:FE为静载荷（考虑工作时需要补充拧紧，应计入螺纹力矩的影响）II:FE为变载荷（按应力幅校核螺杆疲劳强度）二、受力分析与强度计算3-5螺纹联接的设计计算（二）普通螺栓传递横向外力（1）工作原理：结合面摩擦力平衡横向外力

二、受力分析与强度计算（2）受力分析：螺栓受预紧拉力：F0

被联件受预紧压力：F0（3）失效形式：（1）螺栓塑变、拉断

（2）被联件相对滑移（4）设计准则：（1）螺栓不塑变、不拉断（只受预紧力）（2）被联接件不相对滑移注：普螺联接传横向力，螺栓受拉装拆放便，但所需螺栓直径大，冲击、振动时摩擦传力不可靠。讨论:若f=0.2,z=1,m=1,C

=1.2,则

F0=C

F/zm

f=6F

1）普通螺栓靠摩擦力抵抗横向工作载荷，要求保持比较大的预紧力，会使螺栓结构尺寸增加。2）若要采用普通螺栓，靠利用减载键、销或减载套筒。3-5螺纹联接的设计计算二、受力分析与强度计算3-5螺纹联接的设计计算（三）普通螺栓传递扭矩1、工作原理：摩擦传扭矩二、受力分析与强度计算2、受力分析：螺栓受预紧拉力：F

0被联件受预紧压力：F03、失效形式：（1）螺栓塑变、拉断

（2）被联件相对滑移（转动）4、设计准则：（1）螺栓不塑变、不拉断（只受预紧力）普螺传递力矩fF03-5螺纹联接的设计计算二、受力分析与强度计算（2）被联接件不相对滑动（转动）保证不滑动，单个螺栓所需预紧力普螺传递力矩fF03-5螺纹联接的设计计算（四）铰制孔螺栓传递横向外力1、工作原理：杆孔挤压、螺杆受剪传递横向力二、受力分析与强度计算2、失效形式：（1）杆孔结合面压溃

（2）螺杆剪断3、设计准则：（1）杆孔不压溃（2）螺杆不剪断螺杆受挤压最小接触高度螺栓个数螺杆直径螺栓组成受的总横向外力式中：[δ10----zdF[p许用挤压应力]-s许用剪应力]-t铰制孔螺拴传递横向力δ1d03-5螺纹联接的设计计算（五）铰制孔螺栓传递扭矩1、工作原理：杆孔挤压、螺杆受剪传递扭矩二、受力分析与强度计算2、失效形式：（1）杆孔结合面压溃

（2）螺杆剪断3、受力分析：（1）距回转中心最远螺栓受力最大（2）螺栓所受最大力铰制孔螺拴传递扭矩3-5螺纹联接的设计计算4、设计准则：二、受力分析与强度计算（1）杆孔不压溃（2）螺杆不剪断][zδ10maxppdFss£=4][

20maxtZpt£=dF3-5螺纹联接的设计计算(六)普通螺栓组承受倾覆力矩二、受力分析与强度计算1、基本假定（1）螺栓、地基为弹性体；（2）M作用在z-z平面内，机座在M作用下绕O-O转动（3）机座刚性较大，变形后与地基的接触面仍为平面2、受力分析

螺栓地基左侧螺栓右侧螺栓左侧右侧预紧状态拉拉压压工作状态↑↑↓↓地基受力FR引起F1c引起螺栓受力3-5螺纹联接的设计计算2、受力分析二、受力分析与强度计算FaFEFRF0F1cFcF2cObOcB2B1C1C2A3-5螺纹联接的设计计算2、受力分析二、受力分析与强度计算(2)代入(1)力平衡条件变形协调条件(2)

maxmaxmaxmaxEiEiEiEiFLLFLFLF=Þ=(1)

1MLFziiEi=å=倾覆力矩个螺栓至翻转中心之距第心之距受力最大螺栓至翻转中式中：---MiLLi

max3-5螺纹联接的设计计算左侧螺栓所受最大力：二、受力分析与强度计算右侧螺栓所受最小力：3、失效形式（1）螺栓被拉断（2）机座与地基的接合面被压溃或出缝隙FaFEFRF0F1cFcF2cObOcB2B1C1C2A3-5螺纹联接的设计计算4、设计准则二、受力分析与强度计算（1）保证螺栓不塑变、不被拉断（2）左侧不出缝隙（3）右侧不被压溃3-5螺纹联接的设计计算三、螺栓组联接的结构设计螺栓组联接结构设计的主要目的：合理地确定联接接合面的几何形状和螺栓的布置形式，力求各螺栓和联接接合面间受力均匀，便于加工和装配。（1）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，如圆形、环形、矩形、框形、三角形等。不但利于加工制造，更便于对称布置螺栓，使栓组的对称中心与联接结合面的几何形心重合，保证联接接合面受力均匀。（2）螺栓的布置应使各螺栓的受力合理。对于铰制孔用螺栓联接，不要在平行于工作载荷的方向上成排地布置八个以上的螺栓，以免在和分布过于不均。当螺栓联接承受弯矩或转矩时，应使螺栓的位置适当靠近联接接合面边缘，以减小螺栓的受力。如果同时承受轴向载荷和较大的横向载荷，应采用销、套筒、键等抗剪零件来承受横向载荷，以减小螺栓的预紧力及其结构尺寸。3-5螺纹联接的设计计算三、螺栓组联接的结构设计3-5螺纹联接的设计计算三、螺栓组联接的结构设计（3）螺栓的排列应有合理的间距、边距。布置螺栓时，各螺栓轴线以及螺栓轴线和机体壁间的最小距离，应根据扳手所需活动空间的大小来决定。（4）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2，3，4、6、8等偶数。3-5螺纹联接的设计计算三、螺栓组联接的结构设计（5）避免螺栓承受附加的弯曲载荷。除了在结构上设法保证载荷不偏心外，还应在工艺上保证被联接件、螺母和螺栓头部的支承面平整，并与螺栓轴线相垂直。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。3-5螺纹联接的设计计算四、螺纹联接件的材料性能与许用应力四、螺纹联接件的材料性能与许用应力1、螺纹联接件的材料与性能等级（1）常用材料：碳钢：Q215-A、Q235-A、35、45—一般联接合金钢：15Cr、20Cr、30CrMnSi等—重要联接（2）螺栓、螺母材料性能等级（表3-9、3-10）a、螺栓材料性能等级：3.6、4.6、4.8、5.6、5.8、6.8、8.8、9.8、10.9、12.9b、螺母的性能等级：4，5，6，8，9，10，12

螺母性能等级表示可与该螺母相配最高性能等级螺栓抗拉强度的1/100

3-5螺纹联接的设计计算2、螺纹联接件的许用应力四、螺纹联接件的材料性能与许用应力（1）许用应力影响因素：载荷性质：静、变载荷材料质量：性能等级结构尺寸：尺寸系数装配质量：载荷控制准确性（2）许用应力安全系数普通螺栓联接许用应力与安全系数螺栓受载情况静载变载许用应力按最大应力参看式（1-22）控制预紧力时的安全系数s1.2~1.51.2~1.5S=2.5~4S][s/ss=3-5螺纹联接的设计计算（2）许用应力与安全系数四、螺纹联接件的材料性能与许用应力铰制孔螺栓联接许用应力与安全系数载荷性质材料螺杆剪切杆孔挤压许用应力安全系数Sτ许用应力安全系数Sp静载钢2.51.25铸铁2~2.5变载钢3.5~51.5铸铁][sτs/st=SP[sp/]ss=b[Psp/]ss=SP[sp/]ss=2.5~3][sτs/st=[Psp/]sbs=3-5螺纹联接的设计计算五、提高螺栓联接强度的措施五、提高螺栓联接强度的措施1、改善螺纹牙间的载荷分配螺牙间变形不协调，导致牙间载荷分配不均普通螺栓损坏情况统计如图Fa3-5螺纹联接的设计计算（1）均载螺母五、提高螺栓联接强度的措施悬置螺母螺母体、螺栓均受拉内斜螺母环槽螺母3-5螺纹联接的设计计算（2）钢丝螺套五、提高螺栓联接强度的措施2、减小螺栓中应力幅3-5螺纹联接的设计计算降低螺栓刚度kb措施：五、提高螺栓联接强度的措施①采用柔性螺栓：增加螺栓长度、减小螺栓光杆部分的直径、采用空心螺栓杆②在螺母下安装弹性元件3-5螺纹联接的设计计算提高被联接件刚度kc措施：五、提高螺栓联接强度的措施①采用刚度大的垫片②用密封环代替密封软垫片3-5螺纹联接的设计计算3、减小螺栓本身应力集中图五、提高螺栓联接强度的措施a加大圆角b卸荷槽b卸载过渡结构3-5螺纹联接的设计计算4、避免或减少附加应力五、提高螺栓联接强度的措施(保证螺母支撑面平整、螺栓孔正)螺栓的附加应力避免附加弯应力的措施3-5螺纹联接的设计计算5、采用合理制造工艺五、提高螺栓联接强度的措施冷墩头部、滚压螺纹有利于提高螺栓疲劳强度1）用挤压法（滚压法）制造螺栓，疲劳强度提高30~40%2）冷作硬化，表层有残余应力（压）、氰化、氮化、喷丸等可提高疲劳强度3）热处理后再进行滚压螺纹，效果更佳，强度提高70~100%，此法具有优质、高产、低消耗功能4）控制单个螺距误差和螺距累积误差螺旋传动是利用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变为直线运动将直线运动变为回转运动，同时传递运动或动力。

传动形式：a)螺杆转螺母移b)螺杆又转又移（螺母固定）——用得多c)螺母转螺杆移d)螺母又转又移（螺杆固定）——用得少

3-6螺旋传动一、螺旋传动的类型和特点螺旋传动按其用途，受力情况不同，可分为以下三种类型:1）传力螺旋——举重器、千斤顶、加压螺旋用途：传递动力，以小转矩产生大轴向力，要求自锁特点：低速、间歇工作，传递轴向力大、自锁2）传导螺旋——机床进给丝杠用途：传递运动，