机械设计 课件 第3章螺纹连接与螺旋传动

第3章螺纹连接与螺旋传动Chapter3ScrewJoints3.1螺纹的形成和主要参数3.2螺纹连接的基本类型和螺纹紧固件3.3螺纹连接的拧紧和防松3.4螺栓连接的强度计算3.5螺栓组连接的受力分析3.6提高螺栓连接强度的措施3.7螺旋传动3.1螺纹的形成和主要参数3.1.1螺纹的形成Chapter3ScrewJointsChapter3ScrewJoints连接：效率低、自锁性好。传动：效率高、自锁性差。30°3°30°60°三角形梯形锯齿形矩形单线，用于连接粗牙：一般情况下使用。细牙：d相同，p小，

小，牙浅，自锁性好，但不耐磨，易滑扣。∴用于变载荷场合。螺纹牙形：三角形、梯形、锯齿形、矩形等

Chapter3ScrewJoints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。思考：螺纹旋向：左旋螺纹；右旋螺纹（常用）左旋右旋右旋左旋n=1n=2Chapter3ScrewJoints螺纹线数（头数）：

单线（用于连接）；多线（用于传动）。

Chapter3ScrewJoints3.1.2螺纹的主要参数2.螺距

p1.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

一般取：d2=(d+d1)/23.

导程Pb：Pb=np4.

螺旋线导程角：5.牙形角

：螺纹牙两侧面夹角6.牙形斜角

：对于对称牙型：

=

/2

Chapter3ScrewJoints3.2螺纹连接的基本类型和螺纹紧固件3.2.1螺纹连接的基本类型（注意各结构图的画法）1、螺栓连接受拉——普通螺栓普通螺栓：无需在被连件上加工螺纹孔，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：除起连接作用外，还起定位作用。Chapter3ScrewJoints3、双头螺柱连接

用于有一连接件较厚，并经常装拆的场合，拆卸时只需拧下螺母即可。2、螺钉连接

用于有一连接件较厚，且不需经常装拆的场合。Chapter3ScrewJoints4、紧定螺钉连接

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。3.2.2螺纹紧固件常用的螺纹紧固件有螺栓、螺钉、双头螺柱、螺母、垫圈等。Chapter3ScrewJointsChapter3ScrewJoints1、螺栓、螺柱、螺钉：9个性能等级，如：4.6、4.8、5.6……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：7个等级，与螺栓性能相配。（见表3.1）3.2.3

螺纹紧固件的材料和性能等级（见表3.1）3.3螺纹连接的拧紧和防松拧紧的目的、实质及预紧力F

受载之前拧紧螺母预紧力F

预紧↑连接刚度↑防松能力↑紧密性螺母支承面间的摩擦阻力矩拧紧力矩：T=T1+T2螺纹副间的摩擦力矩Chapter3ScrewJoints3.3.1螺纹连接的拧紧1.拧紧力矩——螺纹副间有效圆周力Chapter3ScrewJoints∴kt——拧紧力矩系数，一般取kt=0.22、拧紧力矩的控制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（大型螺栓连接）定力矩扳手测力矩扳手Chapter3ScrewJoints按防松原理不同，分为三类：1.利用附加摩擦力防松Chapter3ScrewJoints弹簧垫圈开口方向：斜向右下方3.3.2螺纹连接的防松对顶螺母Chapter3ScrewJoints尼龙圈锁紧螺母2.采用专门防松原件防松开口销与槽形螺母Chapter3ScrewJoints带翅防松垫圈和圆螺母止动垫片正确不正确注意钢丝串绕方向串联钢丝Chapter3ScrewJoints3.永久性防松胶接冲点焊住Chapter3ScrewJoints3.4螺栓连接的强度计算螺栓连接受拉螺栓受剪螺栓松连接：不拧紧，无预紧力F’，仅受工作载荷F紧连接：需拧紧仅受预紧力F’同时受预紧力F’和工作载荷F3.4.1受拉螺栓连接的强度计算对于受拉螺栓，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。Chapter3ScrewJoints1.受拉松螺栓连接如：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：d1——危险截面计算直径[σ]——许用应力，[σ]=σs／[S]，见表3.2。mm——设计式查手册，选螺栓Chapter3ScrewJoints2.只受预紧力F’的紧螺栓连接外载荷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。Chapter3ScrewJoints

——校核式即：1.3意义：紧连接时，将拉应力增大30%以考虑拧紧力矩的影响。mm

——设计式3.受预紧力F’和轴向拉伸载荷F的紧螺栓连接a、未拧状态b、拧紧状态F’c、工作状态F变形受力过程：Chapter3ScrewJointsδ2F’

—→δ1—→+F—→δ1+Δδ1δ2-Δδ2变形协调条件：Δδ1=Δδ2=Δδ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连件上压力）2、螺栓总拉力F0

3、工作载荷F（外载荷）4、F”残余预紧力。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Chapter3ScrewJoints螺栓刚度：被连件刚度：在合并图中：∴——检查F”的大小即：螺栓总拉力等于预紧力加上部分工作载荷。由于两图合并Chapter3ScrewJoints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)(P32)同理，考虑扭转作用，强度条件为：——校核式mm——设计式Chapter3ScrewJointsChapter3ScrewJoints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：螺栓许用应力幅（表3.2）降低C1或增大C2，疲劳强度提高。1、失效形式：3、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，表3.32、挤压强度条件h——对象受压高度；[σp]——许用挤压应力，表3.3，取弱者计算。Chapter3ScrewJoints3.4.2受剪螺栓连接的强度计算压溃、剪断。3.5螺栓组连接的受力分析思路：连接结构形式、外载荷类型—→螺栓受力—→找出受载最大螺栓—→按单个螺栓连接的计算方法计算1.受轴向载荷的螺栓组连接Chapter3ScrewJoints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：F=FQ/z螺栓还受F’

—→F0

—→

对有紧密性要求的压力容器、气缸盖等：螺栓间距应满足表3.4中的值承载方式：受剪螺栓（靠杆的剪切与挤压承载）受拉螺栓（由F’在结合面产生的摩擦力承载）（1）采用受拉螺栓工作条件：按仅受F’的紧连接计算。式中：μs——

结合面的摩擦系数；

z——

螺栓个数；

m——

结合面数目，图中m=2；

kf——可靠系数（防滑系数），kf=1.1~1.5。Chapter3ScrewJoints2.受横向载荷的螺栓组连接（2）采用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Chapter3ScrewJoints3.受旋转力矩T的螺栓组连接特点：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）受拉螺栓连接工作条件：（2）受剪螺栓连接

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↑Chapter3ScrewJoints代入工作条件中，得：4.受翻转力矩M的螺栓组连接特点：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F’作用M后：左侧：F拉(不均匀)，右侧：F压(不均匀)→F’↓Chapter3ScrewJoints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Chapter3ScrewJointsChapter3ScrewJoints例3.1~例3.4Chapter3ScrewJointsChapter3ScrewJointsChapter3ScrewJoints作业：3.4①；3.71）；3.8；3.93.6提高螺栓连接强度的措施工作时，螺栓受拉，p↑螺母受压，p↓两者产生螺距差1.使载荷在螺纹各圈均匀分布第一圈Δp最大，受力最大，第8~10圈后几乎不受力Chapter3ScrewJoints→各圈受载不均办法：采用受拉螺母、螺母的螺纹切制出很小的锥度2.减小螺栓刚度或增大被连接件刚度σmax

一定时：σa↓—→疲劳强度↑当F、F”不变时：↓c1

或↑c2。1）降低螺栓刚度c1

1<

1‘Chapter3ScrewJoints措施：

1）采用细长螺栓

2）采用柔性螺栓措施：不宜采用刚度小的垫片。2）提高被连件刚度c2

2>

2‘Chapter3ScrewJoints3.减轻应力集中收尾：退刀槽；增大牙根处过渡圆角半径。（较差）（较好）4.减小附加弯曲应力螺纹孔不正、被连接件表面不平、发生变形等。引起附加弯曲应力因素：Chapter3ScrewJoints措施：垫圈、凸台、沉孔等。思考：采用凸台、沉孔的目的？Chapter3ScrewJoints（1）传力螺旋1.按用途分螺旋起重器（千斤顶）3.7.1螺旋传动的分类3.7螺旋传动螺旋压力机（2）传导螺旋（3）调整螺旋螺旋传动分类-按摩擦性质分2.按摩擦性质分（1）滑动螺旋传动：构造简单、承载能力高、加工方便、工作可靠、易于自锁。缺点是：传动效率低（30~40%）、磨损快、寿命短，低速时有爬行现象（滑移），摩擦损耗大，传动精度低。（2）滚动螺旋传动：螺纹幅之间的摩擦性质为滚动摩擦。按循环方式有：内循环、外循环两种。Chapter3ScrewJoints（3）静压螺旋传动：螺纹副之间的摩擦性质为液体摩擦，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、螺母的螺纹牙间产生压力油膜而分隔开Chapter3ScrewJoints3.7.2滑动螺旋的结构和材料1.滑动螺旋的结构（1）支撑结构螺杆长径比小时：直接用螺母支承螺杆，如千斤顶；螺杆长径比大时，且水平布置：在两端与中间附加支承，以提高螺杆刚度，如机床丝杠。Chapter3ScrewJoints1—托杯2—螺钉3—手柄4—挡环5—螺母6—紧定螺钉7—螺杆8—底座

9—挡板（2）螺母结构

整体式：结构简单，但磨损后精度较差。剖分式：磨损后可补偿间隙、精度较高。组合式：适于双向传动，可提高传动精度消除空回误差。Chapter3ScrewJoints滑动螺旋的齿形常用梯形和锯齿形螺旋副的材料Chapter3ScrewJoints滑动螺旋的材料选择除考虑有一定的强度外，还要求螺杆螺母配对后摩擦系数小、耐磨性好。

(表3.5)2.滑动螺旋副的材料bπd2滑动螺旋传动的设计计算3.7.3滑动螺旋的设计计算1.耐磨性设计计算(螺母牙为研究对象)主要的失效形式：磨损→传动精度下降，并使强度下降影响磨损的因素：工作面的比压、螺纹表面质量，滑动速度和润滑状态等螺纹的工作高度