螺纹副受力分析

7-1 7-1 螺纹螺纹7-2 7-2 螺纹副受力分析、效率和自锁螺纹副受力分析、效率和自锁7-3 7-3 螺纹联接与螺纹联接件螺纹联接与螺纹联接件7-4 7-4 螺纹联接的强度计算螺纹联接的强度计算7-5 7-5 螺纹联接的结构设计及应注意的问题螺纹联接的结构设计及应注意的问题7-6 7-6 螺旋传动螺旋传动7-7 7-7 轴毂联接轴毂联接（一）教学要求（一）教学要求（二）教学的重点与难点（二）教学的重点与难点1 1、螺纹联接类型及防松原理，紧螺栓联接的强度计算、螺纹联接类型及防松原理，紧螺栓联接的强度计算2 2、螺栓组联接的设计与受力分析、螺栓组联接的设计与受力分析（三）教学内容（三）教学内容小结小结1 1、掌握螺纹联接类型及防松方法，松、紧螺栓联接强度计算、掌握螺纹联接类型及防松方法，松、紧螺栓联接强度计算2 2、掌握螺栓组设计方法，了解提高螺纹联接强度的常用措施和螺旋传、掌握螺栓组设计方法，了解提高螺纹联接强度的常用措施和螺旋传动的设计动的设计第七章 联 接静联接静联接动联接动联接运动副运动副可拆联接：可拆联接：螺纹联接、键联接、销联接等螺纹联接、键联接、销联接等不可拆联接：不可拆联接：铆接、焊接、胶接等铆接、焊接、胶接等联接联接过盈联接：过盈联接：属于可拆或不可拆联接，过盈量小属于可拆或不可拆联接，过盈量小时为可拆联接，过盈量大时为不可拆联接。时为可拆联接，过盈量大时为不可拆联接。应用：为使机器制造、安装、调整、维修和运输等应用：为使机器制造、安装、调整、维修和运输等7-1 螺纹螺纹 如用一个平面图形（如三角形）沿螺旋线运动并使平面始如用一个平面图形（如三角形）沿螺旋线运动并使平面始终通过圆柱体轴线，这样就构成了三角形螺纹。同样改变终通过圆柱体轴线，这样就构成了三角形螺纹。同样改变平面图形平面图形K K，同样可得到矩形、梯形、锯齿形、圆弧形，同样可得到矩形、梯形、锯齿形、圆弧形（管螺纹）（管螺纹）（一）形成（一）形成 把一锐角为把一锐角为的直角三角形绕到一直径为的直角三角形绕到一直径为d d2 2的圆柱体的圆柱体上，绕时底边与圆柱底边重合，则斜边就在圆柱体上上，绕时底边与圆柱底边重合，则斜边就在圆柱体上形成一条空间螺旋线。形成一条空间螺旋线。螺旋线的数目（线数）：螺旋线的数目（线数）：单线、多线单线、多线一、螺纹的形成和种类一、螺纹的形成和种类 1、螺纹（按牙型）：、螺纹（按牙型）：三角形（普通螺纹）、管螺纹三角形（普通螺纹）、管螺纹联接螺纹（精密传动）、联接螺纹（精密传动）、矩形螺纹，梯形螺纹，锯齿形螺纹矩形螺纹，梯形螺纹，锯齿形螺纹传动螺纹传动螺纹 2、螺纹（按位置）：、螺纹（按位置）：内螺纹内螺纹在圆柱孔的内表面形成的螺纹；在圆柱孔的内表面形成的螺纹；外螺纹外螺纹在圆柱孔的外表面形成的螺纹；在圆柱孔的外表面形成的螺纹；(1)轴线垂直放，右边高轴线垂直放，右边高右旋右旋 左左边高边高左旋左旋(2)右手右手旋，前进旋，前进右旋右旋 左手左手旋，前进旋，前进左旋左旋螺纹旋向判断：螺纹旋向判断：旋向旋向(螺旋线方向螺旋线方向)：常用右旋，特殊要求：常用右旋，特殊要求时用左旋。时用左旋。（二）螺纹的种类（二）螺纹的种类 三角形螺纹：三角形螺纹：粗牙螺纹粗牙螺纹用于紧固件（一般联接）；用于紧固件（一般联接）；细牙螺纹细牙螺纹同样的公称直径同样的公称直径d d下，下，P P小，自锁性好，适于薄小，自锁性好，适于薄壁细小零件和冲击变载等情况；壁细小零件和冲击变载等情况；根据螺旋线头数：根据螺旋线头数：单头螺纹（单头螺纹（n=1n=1）用于联接用于联接 双头螺纹（双头螺纹（n=2n=2）多线螺纹（多线螺纹（n2n2）用于传动用于传动（三）特点（三）特点1、大径、大径d、D：最大直径最大直径公称直径公称直径2、小径、小径d1、D1：外螺纹的危险剖面直径外螺纹的危险剖面直径 强度直径强度直径3、中径、中径d2、D2：假想直径，牙型沟槽宽与假想直径，牙型沟槽宽与牙的宽度相等牙的宽度相等 计算直径计算直径4、螺距、螺距P：相邻两牙轴向距离相邻两牙轴向距离5、导程、导程S：同一条螺纹线的相邻两牙间的同一条螺纹线的相邻两牙间的轴向距离，轴向距离，S=nP6、升角、升角：螺纹与其轴线的垂直平面所成的夹角螺纹与其轴线的垂直平面所成的夹角7、牙型角、牙型角a a：螺纹两侧边的夹角螺纹两侧边的夹角螺纹轴向平面内螺纹牙型两侧边的夹角。如矩螺纹轴向平面内螺纹牙型两侧边的夹角。如矩形螺纹的牙型角形螺纹的牙型角=0，三角形螺纹的牙型角，三角形螺纹的牙型角=60，梯形螺纹的牙型角，梯形螺纹的牙型角=30。二、螺纹的主要参数二、螺纹的主要参数分析使滑块等速运动所需要的水平力：分析使滑块等速运动所需要的水平力：等速上升：等速上升：平衡条件：平衡条件：水平推力：水平推力：等速下滑：等速下滑：平衡条件：平衡条件：水平阻力：水平阻力：一、斜面摩擦一、斜面摩擦自锁条件：自锁条件：当当 r r时，时，Ft 0，原工作阻力，原工作阻力Ft反向作用；作为驱动力时，反向作用；作为驱动力时，滑块才能移动滑块才能移动0RFFt0RFFt)tan(r r FFt设：设：F F为轴向载荷，为轴向载荷，F Ft t水平推力，水平推力，F F摩擦力，摩擦力，R R总反力，升角总反力，升角，摩擦角，摩擦角。)tan(r r FFt(7-2)(7-4)72 螺纹副受力分析、效率和自锁螺纹副受力分析、效率和自锁 螺旋副（螺母与螺杆）的相对运动螺旋副（螺母与螺杆）的相对运动 滑块沿斜面运动滑块沿斜面运动 假设：假设：1)载荷分布在中线上载荷分布在中线上;2)单面产生摩擦力单面产生摩擦力螺旋升角：螺旋升角：22=dPndStan拧紧力：拧紧力：)tan(r r FFt)tan(2222r r FddFTt拧紧力矩：拧紧力矩：防松力防松力)tan(r r FFt)tan(2222r r FddFTt防松力矩防松力矩自锁条件：自锁条件：螺纹副效率：螺纹副效率：)tan(/tan/+=221dFSFWWt（7-3）螺母均速上升时螺母均速上升时r r （7-6）当摩擦角当摩擦角一定时，升角一定时，升角越小，效率越低，越自越小，效率越低，越自锁。锁。应用：单线螺纹升角小，易于自锁，多用于联接；应用：单线螺纹升角小，易于自锁，多用于联接；多线螺纹升角大，效率高，多用于传动。多线螺纹升角大，效率高，多用于传动。二、二、矩形螺纹矩形螺纹非矩形螺纹是指非矩形螺纹是指(牙型角牙型角)0)0的三角形螺纹、梯形螺纹和的三角形螺纹、梯形螺纹和锯齿形螺纹。锯齿形螺纹。螺杆和螺母相对转动时，矩形螺纹相当于平滑块沿斜面移动，螺杆和螺母相对转动时，矩形螺纹相当于平滑块沿斜面移动，而非矩形螺纹则为楔形滑块沿楔形斜面移动。而非矩形螺纹则为楔形滑块沿楔形斜面移动。由楔形面产生的摩擦因数为为当量摩擦因素，其相当的当量由楔形面产生的摩擦因数为为当量摩擦因素，其相当的当量摩擦角为摩擦角为rcosarctgarctgvr r )tan(/tan/12vWWr r 拧紧力矩：拧紧力矩：螺纹副效率：螺纹副效率：自锁条件自锁条件:)tan(2222 r r FddFTt（7-8）（7-9）（7-10）三、非矩形螺纹三、非矩形螺纹（一）螺栓联接（一）螺栓联接 普通螺栓联接普通螺栓联接 铰制孔螺栓联接铰制孔螺栓联接（二）双头螺栓联接（二）双头螺栓联接（三）螺钉联接（三）螺钉联接（四）紧定螺钉联接（四）紧定螺钉联接（五）其它联接及联接件（五）其它联接及联接件73 螺纹联接与螺纹联接件螺纹联接与螺纹联接件普通螺栓联接普通螺栓联接特点：特点：孔与杆间有间隙、被联孔与杆间有间隙、被联接件上无需切制螺纹、装接件上无需切制螺纹、装拆方便拆方便.适用场合：适用场合：经常装拆的一般场经常装拆的一般场合合.铰制孔螺栓联接铰制孔螺栓联接特点：特点：孔与杆间无间隙孔与杆间无间隙,被联被联接件上无需切制螺纹、装接件上无需切制螺纹、装拆方便拆方便适用场合：适用场合：承受横向载荷的承受横向载荷的场合场合.六角头：小六角头，标准六六角头：小六角头，标准六角头，大六角头角头，大六角头 圆柱头（内六角）圆柱头（内六角）螺纹联接件：螺纹联接件：（一）螺栓联接（一）螺栓联接双头螺栓联接双头螺栓联接特点：特点：螺杆两端无钉头，但均有螺纹，装配时一端旋入被螺杆两端无钉头，但均有螺纹，装配时一端旋入被联接件，另一端配以螺母。联接件，另一端配以螺母。适用场合：适用场合：用于被联接件之一较厚、经常装拆的场合用于被联接件之一较厚、经常装拆的场合A A型型有退刀槽有退刀槽B B型型无退刀槽无退刀槽旋入端长度也各有不同。旋入端长度也各有不同。螺纹联接件：螺纹联接件：（二）双头螺栓联接（二）双头螺栓联接螺钉联接螺钉联接特点：被联接件之一较厚（带螺纹孔），一端有螺钉头，不需螺母。特点：被联接件之一较厚（带螺纹孔），一端有螺钉头，不需螺母。适用场合：适用场合：被联接件之一较厚，受载较小且不常装拆的场合被联接件之一较厚，受载较小且不常装拆的场合螺钉种类繁多螺钉种类繁多按头部形状按头部形状 半圆头半圆头平圆头平圆头六角头六角头圆柱头圆柱头沉头沉头 与螺栓区别与螺栓区别 要求全螺纹要求全螺纹 要求螺纹部分直径较粗要求螺纹部分直径较粗 螺纹联接件：螺纹联接件：（三）螺钉联接（三）螺钉联接特点：利用杆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特点：利用杆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。的相对位置。适用场合：多用于轴上零件的固定，传递较小的力。适用场合：多用于轴上零件的固定，传递较小的力。锥端螺钉锥端螺钉平端螺钉平端螺钉圆柱端螺钉圆柱端螺钉按头部形状按头部形状 螺纹联接件：螺纹联接件：（五）（五）其它联接及联接件其它联接及联接件 地脚螺栓联接、吊环螺钉联接、地脚螺栓联接、吊环螺钉联接、T形槽螺栓联接形槽螺栓联接（四）紧定螺钉联接（四）紧定螺钉联接一、一、普通螺栓联接普通螺栓联接 二、二、铰制孔用螺栓联接铰制孔用螺栓联接 三、三、螺栓联接的许用应力螺栓联接的许用应力74螺纹联接的强度计算螺纹联接的强度计算 设计式设计式:41 Fd 214dFAF 校核式校核式:式中：式中：d1螺杆危险截面直径（螺杆危险截面直径（mm）、）、许用拉应力许用拉应力 N/mm2(MPa)一、普通螺栓联接一、普通螺栓联接（一）（一）松螺栓联接强度设计松螺栓联接强度设计 校核式校核式:拧紧力矩拧紧力矩T T剪应力剪应力预紧拉力预紧拉力F 拉应力拉应力5.0 3.1)5.0(332222 4/3.121 dF1.341 Fd v设计式设计式:（二）（二）紧螺栓联接强度设计紧螺栓联接强度设计(1)仅受预紧力的紧螺栓联接仅受预紧力的紧螺栓联接 须根据静力平衡方程和变形须根据静力平衡方程和变形协调条件求解协调条件求解FFF+0螺母已拧紧，有预紧力螺母已拧紧，有预紧力FF拉伸作用，但尚未受工作载荷。其拉伸作用，但尚未受工作载荷。其伸长变形量为伸长变形量为11；被联接件则受到压力；被联接件则受到压力FF的作用，其压缩的作用，其压缩变形量为变形量为22。工作时，再承受工作载荷工作时，再承受工作载荷F F 此时，螺栓所受的总拉力此时，螺栓所受的总拉力:(2)受预紧力和轴向工作载荷的紧螺栓联接受预紧力和轴向工作载荷的紧螺栓联接受载荷形式受载荷形式拧紧过程中拧紧过程中:轴向拉伸轴向拉伸F、扭力、扭力T4/3.1210 dFx1.3401 Fd 设计式设计式:FFF 0螺栓同时受轴向工作载荷螺栓同时受轴向工作载荷F F和剩余和剩余预紧力预紧力F F的作用后的总拉应力：的作用后的总拉应力：（7-167-16）（7-177-17）（7-187-18）受预紧力和轴向工作载荷的紧螺栓联接受预紧力和轴向工作载荷的紧螺栓联接所以螺栓的强度条件为：所以螺栓的强度条件为：校核式校核式:受横向载荷的铰制孔螺栓联接：受横向载荷的铰制孔螺栓联接：挤压强度：挤压强度：剪切强度：剪切强度：psRphZdF 42 sRdZmF（7-207-20）（7-197-19）二、铰制孔用螺栓联接二、铰制孔用螺栓联接 材料：材料：一般用途：一般用途：低碳钢或中碳钢低碳钢或中碳钢(3545及及Q235Q275)重要联接：重要联接：合金钢合金钢（40Cr、30CrMnSi）国标国标(GB/T 3098.12000)规定螺栓按材料的力学性能分出十规定螺栓按材料的力学性能分出十个等级：个等级：3.6,4.6,4.8,5.6,5.8,6.8,8.8,9.8,10.9,12.9 规则：规则：小数点前数字表示小数点前数字表示 b/100,小数点后数字表示小数点后数字表示10 S/b 如：如：5.8级：表示级：表示 b=500MPa，S=400MPa 许用应力：许用应力：表表7-3三、螺栓联接的许用应力三、螺栓联接的许用应力a a）联接接合面应平整，几何形状应对称、简单；）联接接合面应平整，几何形状应对称、简单；b b）螺纹联接数目尽量取偶数；）螺纹联接数目尽量取偶数；c c）各螺纹联接的受力应合理；）各螺纹联接的受力应合理；d d）保证扳手空间；）保证扳手空间；e e）保证被联接零件的位置精度）保证被联接零件的位置精度二、螺纹联接的防松二、螺纹联接的防松7-5 螺纹联接的结构设计及应注意的问题螺纹联接的结构设计及应注意的问题一、螺纹联接的布置一、螺纹联接的布置 静载荷：静载荷：r rv(自锁自锁)+预紧后摩擦力预紧后摩擦力防止松动防止松动 动载荷：动载荷：摩擦力减小、消失摩擦力减小、消失不可靠不可靠 螺纹联接防松的实质在于限制螺旋副的相对转动螺纹联接防松的实质在于限制螺旋副的相对转动 螺纹联接防松的方法按工作原理可分为螺纹联接防松的方法按工作原理可分为:（1）摩擦防松）摩擦防松（2）机械防松）机械防松（3）其它：破坏螺纹副关系（铆冲、粘接、焊接）其它：破坏螺纹副关系（铆冲、粘接、焊接）二、螺纹联接的防松二、螺纹联接的防松用于传动的螺纹：梯形、锯齿形、矩形用于传动的螺纹：梯形、锯齿形、矩形多线（要求高效率）多线（要求高效率）传递动力传递动力调整零件间相对位置调整零件间相对位置将回转运动将回转运动直线运动直线运动传导传导传力传力调整调整螺旋副传动：螺旋副传动：（一）按用途（一）按用途传导传导螺旋螺旋传递运动为主传递运动为主,高的运动精度高的运动精度传力传力螺旋螺旋传力为主传力为主,以小以小TT大的轴向力大的轴向力F F调整调整螺旋螺旋调整零件间相对位置调整零件间相对位置细牙细牙M M（二）按摩擦性质（二）按摩擦性质滑动滑动螺旋螺旋=0.3=0.30.40.4，简单、精度低、传动平稳、易于自锁，简单、精度低、传动平稳、易于自锁滚动滚动螺旋螺旋0.9 0.9，结构复杂、高精度、高效、不自锁，结构复杂、高精度、高效、不自锁76 螺旋传动螺旋传动一、螺旋传动的类型、特点与应用一、螺旋传动的类型、特点与应用二、滑动螺旋的设计计算二、滑动螺旋的设计计算1、耐磨性计算、耐磨性计算2、自锁性验算、自锁性验算3、螺杆的强度校核、螺杆的强度校核4、螺纹牙强度校核、螺纹牙强度校核滑动螺旋中磨损是最主要的一种失效形式。滑动螺旋中磨损是最主要的一种失效形式。耐磨性计算主要限制螺纹工作面上工作压强耐磨性计算主要限制螺纹工作面上工作压强P P要求小于螺要求小于螺纹副许用压强。纹副许用压强。校核公式为：校核公式为：=2p zhdFp 式中：式中：h-h-工作高（梯形，矩形工作高（梯形，矩形-h=0.5P-h=0.5P）z z螺纹工作圈数，螺纹工作圈数，z=H/P,z=H/P,H H螺母厚度螺母厚度 一般一般z10,z10,以免载荷不均以免载荷不均（7-217-21）2 2、自锁性验算、自锁性验算自锁条件为：自锁条件为：23)-(7 ：螺螺纹纹副副升升角角1、耐磨性计算、耐磨性计算)25-7(DbzF=螺杆的受力类似紧螺栓（压力和扭矩），校核危险（牙根）螺杆的受力类似紧螺栓（压力和扭矩），校核危险（牙根）截面的强度截面的强度 WTdFTca222122)(3+)4(=3+=（7-247-24）螺母螺纹牙强度螺母螺纹牙强度一般螺母材料强度低于螺杆，所以螺纹一般螺母材料强度低于螺杆，所以螺纹牙弯曲强度仅对螺母进行。牙弯曲强度仅对螺母进行。4 4、螺纹牙强度校核、螺纹牙强度校核（2 2）螺纹牙（根部）螺纹牙（根部a aa a处）的弯曲强度条件为：处）的弯曲强度条件为：（1 1）螺纹牙（根部）螺纹牙（根部a aa a处）的剪切强度条件为：处）的剪切强度条件为：26)-(7 3=62=22bbzDbFhDbhzF3、螺杆的强度校核、螺杆的强度校核轴与毂联接：轴上零件（如齿轮、带轮等）与轴联接在一轴与毂联接：轴上零件（如齿轮、带轮等）与轴联接在一起。其功能主要用于实现轴与轴上零件的周向固定，并传起。其功能主要用于实现轴与轴上零件的周向固定，并传递转矩。递转矩。联接方式有：联接方式有：77 轴与毂联接轴与毂联接一、键联接一、键联接二、销联接二、销联接三、成型联接三、成型联接四、过盈联接四、过盈联接 成型联接：利用非圆剖面的轴与毂孔构成的联接。成型联接：利用非圆剖面的轴与毂孔构成的联接。型面联接：轴和毂孔有柱形的和圆锥形的。型面联接：轴和毂孔有柱形的和圆锥形的。特点：特点：成型联接的类型：成型联接的类型：三、成型联接三、成型联接没有应力集中源，对中性好，承载能力强，装拆方没有应力集中源，对中性好，承载能力强，装拆方便；但加工不方便，需用专用设备，应用较少。便；但加工不方便，需用专用设备，应用较少。工作原理工作原理:过盈联接的特点与应用过盈联接的特点与应用 结构简单，对中性好，轴上不开槽、孔，对轴的削弱小，结构简单，对中性好，轴上不开槽、孔，对轴的削弱小，承载能力高，在冲击、振动载荷下也能可靠工作；承载能力高，在冲击、振动载荷下也能可靠工作；但对配合面要求高，装配不便。但对配合面要求高，装配不便。四、过盈联接四、过盈联接利用包容件与被包容件的径向变形使配合面间产生很大利用包容件与被包容件的径向变形使配合面间产生很大压力，从而靠摩擦力来传递载荷。压力，从而靠摩擦力来传递载荷。1、螺纹的形成和螺纹的种类、特点；、螺纹的形成和螺纹的种类、特点；2、螺纹的主要参数、失效形式；、螺纹的主要参数、失效形式；3、螺旋传动的类型、特点与应用；、螺旋传动的类型、特点与应用；4、键联接、销联接、成型联接、过盈联接强、键联接、销联接、成型联接、过盈联接强度计算度计算小结小结:作业：作业：P94679