螺纹连接和螺旋传动.ppt

第五章 螺纹连接和螺旋传动 5-1 螺纹 5-2 螺纹连接的类型和标准连接件 5-3 螺纹连接的预紧 5-4 螺纹连接的防松 5-5 螺栓组连接的设计 5-6 单个螺栓连接的强度计算 5-7 提高螺栓连接强度的措施 5-8 螺旋传动 刀具在圆柱或圆锥面 工件表面作螺旋运动时 所产生的螺旋体 。 5-1 螺 纹 螺纹的形成 : 5-1 螺 纹 螺纹的形成 : 车螺纹 刀具在圆柱或圆锥面 工件表面作螺旋运动时 所产生的螺旋体 。 开始 5-1 螺 纹 一、分类方式 二、常用类型 三、主要参数 按结构分： 内螺纹 外螺纹 共同组成螺旋副 一、分类形式 ： 1、按 结 构 一、分类形式 ： 1、按 结 构 2、按所起作用 按所起作用分： 连接螺纹 传动螺纹 一、分类形式 ： 1、按 结 构 2、按所起作用 3、按 螺 距 4、按国家标准 按螺距分： （以每英寸牙数来表示） 米制螺纹 英制螺纹 （管螺纹保留英制） 按国家标准分： 标准螺纹 非标准螺纹 一、分类形式 ： 1、按 结 构 2、按所起作用 3、按 螺 距 4、按国家标准 5、按母体的形状 按母体的形状： 圆柱螺纹 圆锥螺纹 一、分类形式 ： 1、按 结 构 2、按所起作用 3、按 螺 距 4、按国家标准 5、按母体的形状 6、按螺纹的旋向 按螺纹的旋向分： 右旋 左 旋 (常用 ) 一、分类形式 ： 1、按 结 构 2、按所起作用 3、按 螺 距 4、按国家标准 5、按母体的形状 6、按螺纹的旋向 7、按螺纹的牙型 按螺纹的牙型分： 三角形 梯形 锯齿形 矩形 其他特殊形状 一、分类形式 ： 1、按 结 构 2、按所起作用 3、按 螺 距 4、按国家标准 5、按母体的形状 6、按螺纹的旋向 7、按螺纹的牙型 8、按螺旋线数目 按螺旋线数目分： 单线 双线 多线 (多用于连接 ) (多用于传动 ) 60 30 普通螺纹 : 米制三角形螺纹 牙型角 =60 牙型斜角 =/2=30 粗牙 细牙 细牙用于薄壁和细小零件上或承受 变载、冲击、振动的连接。 一般用粗牙螺纹 55 管螺纹： 一种用于管件连接的紧密螺纹， 最常用的是圆柱管螺纹。 通用的管螺纹是英制细牙三角 形螺纹，牙型角 =55 。 常用的螺纹类型，主要有： 1、普通螺纹 二、常用类型 : 矩形螺纹： 其牙型多为正方形 ， = =0 ， 故 fv较小 ， 高 。 缺点： 精制困难，内、外螺纹对 中性差，牙根强度较低。 梯形螺纹： 30 牙型角 =30 ，工艺性好， 牙根强度高，对中性好。 多用于螺旋传动。 锯齿形螺纹： 3 30 工作面的牙型斜角 =3 ， 非工作面的牙型斜角 =30 。 对中性好，用于单向受 力的传力螺旋。 2、管螺纹 4、梯形螺纹 3、矩形螺纹 5、锯齿形螺纹 螺纹的类型与特点 2 大径 d即螺纹的 公称直径 。 M16,是指螺纹大径是 16mm 升角 y的计算式为： 22 a r c t a na r c t a n dnPdS y 小径 d1常用于联接的 强度计算 。 导程 S螺纹上任一点沿同一条螺旋线转一周所 移动的轴向距离， S=nP。单线螺纹 S P 中径 d2常用于确定螺纹的几何参数。 螺距 P螺纹相邻两个牙型上对应点间的轴向距离。 牙型角 a 螺纹轴向截面内，螺纹牙型两侧边的夹角 升角 y与旋向 螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线 的平面间的夹角。 螺纹有左旋和右旋之分 。 线数 n螺纹的 螺旋线数目，有单线、双线和多线 。 单线自锁好，双线效率高。 线数多，升角大，自锁性 差，传动效率高。 接触高度 h旋合后接触面的径向高度。 三、主要参数 5-2 螺纹连接的类型和标准连接件 使用螺纹和螺纹连接件来实现的连接称为螺纹连接。 一、类型、特点及应用场合 1、螺栓连接 2、双头螺柱连接 3、螺钉连接 4、紧定螺钉连接 5、特殊结构的连接 螺栓连接为分两种： 、普通螺栓连接 、铰制孔用螺栓连接 1、螺栓连接： 普通螺栓连接 和 铰制孔螺栓连接 铰制孔螺栓连接 铰制孔螺栓连接的被连接件同螺栓杆之间采用过渡配 合，连接同时还能起到精确的定位作用，并能承受横向载 荷。对孔的加工精度要求高，两孔一般需要配做。 2、双头螺柱连接： 用于因结构限制不能用螺栓连 接而又需要经常拆卸的场合。 双头螺柱连接的装配分解 双头螺柱连接的装配分解： 3、螺钉连接： 不用螺母，直接拧入被连接件 的螺纹孔中。多用于受力不大或不 需经常拆装的场合。 螺钉连接的装配分解 螺钉连接的装配分解： 4、紧定螺钉连接： 旋入一零件的螺纹孔中，用螺 钉末端顶住另一零件的表面或顶入 相应的凹坑，以固定两零件的相对 位置。 可用于传递不大的力或转矩 。 (结构图 ) 5、特殊结构的连接： T型槽螺栓连接 地脚螺栓连接 吊环螺钉连接 吊环 地脚螺栓 T型槽螺栓 二、标准螺纹连接件： 在机械制造中常见的螺纹连接件： 螺栓 、 双头螺栓 、 螺钉 、 螺母 、 垫圈等均已标准化 。 六角头螺 栓及螺母 双头螺柱 螺 钉 六角头扁螺母 圆螺母 平垫圈 斜垫圈 弹簧垫圈 薄平垫圈 圆螺母用止动垫圈 5-3 螺纹连接的预紧 绝大多数螺纹连接在装配时都必须拧紧，使连接在 承受工作载荷之前，预先受到力的作用。 螺纹连接的预紧 一、预紧的目的 0F 二、预紧力的推荐值 三、拧紧力矩与预紧力的关系 一、预紧的目的： 3、在接合面间产生正压力，当连接件受横载时，保持连 接件间不产生相对滑移。 4、对受拉螺纹连接，可提高螺栓的疲劳强度； 对受剪螺纹连接，有利于增大连接中的摩擦力。 实践证明 ： 适当地选用较大的预紧力对螺纹连接的可靠性及连 接件的疲劳强度有利。 1、防止连接在工作中松动。 2、确保连接在受载后，仍能使结合面具有足够的紧密性。 如 气缸盖、管路凸缘 的连接等。 二、预紧力的要求： 通常规定： 拧紧后螺纹连接件的预紧应力 材料的屈服极限的 70%。 1、一般连接用的钢制螺栓连接的预紧力： 碳素钢螺栓： 合金钢螺栓： 10 )7.06.0( AF S 10 )6.05.0( AF S 螺栓危险截面的面积， 4/2 11 dA 1A 2、重要或特殊的螺栓连接，预紧力数值应在图上注明，装 配时严格控制。 3、受变载荷的螺栓连接的预紧力应比受静载荷的大。 控制预紧力的工具 测力矩扳手、定力矩扳手。 测力矩扳手、定力矩扳手： 数显力矩扳手 手动测力矩扳手 中空液压扭矩扳手 测力矩扳手实物： 定力矩扳手原理 数显定力矩扳手 电动定力矩扳手，用在 装配生产线上或批量快速 安装工作中。 三、拧紧力矩与预紧力 由机械原理可知 : 21 TTT 2 201 dtgFT v y 2 0 2 0 3 0 3 0 02 3 1 dD dDFfT e 拧紧力矩 T 螺旋副间的摩擦阻矩 1T 螺母端面与支承面的阻力矩 2T 拧紧力矩包括： 对于 10 64的粗牙普通螺纹 的钢制螺栓，经推导可得： dFT 02.0 根据上式，已知拧紧力矩，即可 求得预紧力的大小。 LFT dFdF 152.0 0 FF 750 dFT 02.0 根据此式，已知拧紧力矩，即可 求得预紧力的大小。 例： 用六角扳手拧紧螺栓，板手力臂长为 15d，用力大小为，求螺栓中产生的 预紧力是多大？ 解： 拧紧力矩： 由以上可知，当力臂长为螺栓直径的 15倍时，预紧力是所加外 力的 75倍。因此，对于重要的连接，为防止螺栓被拧断，应采用 不小于 12的螺栓。 一、螺纹连接的自动松脱 1、螺纹连接的自锁 2、自动松脱的条件 3、自动松脱的危害 4、防松的任务 5-4 螺纹连接的防松 1、螺纹连接的自锁： 当螺纹升角小于或等于螺纹副间的当量摩擦角时，螺 纹副具有自锁能力 。 vy )1.0(475 vv f vy 即 ： 实验证明 ： 有润滑的一般三角形螺纹副间的当量摩擦角 为保证自锁，一般取螺纹升角 401 303 标准的螺纹连接件的升角则取为 2、自动松脱的条件： （ 1）、 （ 2）、 螺纹连 接 振动、冲击或变载荷 螺纹副及支承面间的 摩擦力可能瞬时消失 多次重复 松动、松开 螺栓和被连接件的材料 高温或温度变化大 蠕变和应力松弛 预紧力和摩擦 力逐渐减小 失效 失效 轻者会造成工作不正常，重 者会引起严重事故。 4、防松的任务 3、自动松脱的危害 防松的根本问题，在于防 止螺母相对于螺杆转动。 二、防松方法： 1、摩擦防松 2、机械防松 3、永久止动 防松的根本任务是防止螺旋副发生相对转动。 根据这一原理，防松的方法可分为三类 ： 1、摩擦防松： 原理 : 设法使螺纹副间，总有一定的防止螺纹副相对转动 的摩擦阻力矩 。 （ 1）双螺母（对顶螺母）防松 （ 2）弹簧垫圈防松 （ 3）自锁螺母防松 (即保证在任何情况下，螺纹副间都存在着正压力 ) 防松方法： （ 1）、双螺母（对顶螺母）防松： 用双螺母防松在载荷剧烈变化时，仍不十分可靠。 对顶螺母 （ 2）、弹簧垫圈防松： 注意： 垫圈的开口方向 从左上往右下斜。 弹簧垫圈 （ 3）、自锁螺母防松： 自锁螺母 2、机械防松 : 原理 : 利用便于更换且价廉的制动元件限制螺纹副相对转动。 （ 1）、开口销与槽形螺母防松 （ 2）、止动垫圈防松 （ 3）、串连钢丝防松 等 防松方法 ： （ 1）、开口销与槽形螺母： 开口销与槽形螺母 （ 2）、止动垫圈防松： 止 动 垫 圈 （ 3）、串连钢丝防松： 注意： 钢丝穿入方向与拧紧方向 3、永久止动： 该法可靠、简单，但连接变成不可拆。 只有在装配后不再拆开的情况下使用。 此外，还有 粘合法防松 。在螺纹旋合表面涂以液体密封 胶（比如厌氧性粘合剂），拧紧螺母，当粘合剂硬化后，螺 纹副即紧密粘合，防松效果良好。 5-5 螺栓组连接的设计 一、设计准则 二、结构设计 三、螺栓组连接的受力分析 绝大多数情况下，螺纹连接件都成组使用，其中以螺栓 组连接最具有典型性。 一、设计准则 : 对于重要的连接，根据强度条件校核； 对一般的螺栓连接，用类比法确定螺纹连接的结构尺寸。 如受力不均，按受力最大的螺栓进行强度计算，确定螺 纹连接的结构尺寸。 根据连接用途和被连接件结构 选定螺栓数目和布置形式 根据连接的工作载荷 分析各螺栓受力 二、结构设计 : 目的 结构设计应考虑的问题： （ 1）连接接合面的几何形状应对称。 合理确定结合面的几何形状、螺栓的布置形式，力求 各螺栓和连接结合面受力均匀，便于加工装配。 （ 2）螺纹连接数目尽量取偶数。 （ 3）各螺纹连接的受力应合理。 （ 4）螺栓排列应有合理间距、边距。 （ 5）连接的支撑平面应平整。 （ 6）保证被连接零件的位置精度。 （ 7）合理考虑防松装置。 连接接合面的几何形状应对称 螺纹连接数目尽量取偶数： 各螺纹连接的受力应合理 : 、铰制孔用螺栓连接，不能在平行于工作载荷的方向上，成排布置 8个以 上的螺栓，以免载荷分布过于不均匀。 、螺栓连接在承受弯矩或转矩时，螺栓位置应适当靠近接合面的边缘， 以减小螺栓的受力。 、同时承受轴向载荷和较大横向载荷时，应采用销、键、套筒来承受轴 向载荷，以减小预紧力和结构尺寸 。 应保证螺纹连接拧紧时有足够的扳手空间 ,具体尺寸可从 手册中查得。 螺栓排列应有合理的间距、边距： 连接的支撑面应平整 : (1)、同组中的各螺栓都受相同的预紧力。 (2)、螺栓组的对称中心与被连接结合面的形心重合 。 (3)、被连接件为刚体 ,连接结合面为刚性平面。 (4)、螺栓的变形在弹性范围内。 三、螺栓组连接的受力分析 : 目的： 根据连接的结构和受载情况，求出受载最大的螺栓 及其 受力 ，以便进行螺栓连接的强度计算。 螺栓组连接的受力分析是在 假设条件 下进行的。 预紧力、 工作拉力 或剪力 受力分析： （ 1）、受轴向载荷的螺栓组连接 （ 2）、连接受横向载荷 （ 3）、受扭矩作用的螺栓组连接 （ 4）、连接受倾覆力矩 （ 5）、组合受力情况 可划分为 5种典型情况 ： （ 1）、受轴向载荷的螺栓组连接： 受轴向总载荷 作用 的汽缸盖螺栓组连接 。 F 计算： 认为各螺栓平均受载 ， 则每个螺栓所受的轴向 工作载荷 ： ZFF / F F 螺栓组对称中心 Z个螺栓均匀布置 （ 2）、连接受横向载荷： F F FF 载荷 的作用线与螺栓轴线相垂直，且通过螺栓组对称中心 。 F 、用普通螺栓组连接时： 靠连接预紧后被连接件间接合面产生的摩擦力来平衡 ： F 平衡条件： FKiZFf S0 iZf FK F S 0 用普通螺栓连接 用铰制孔用螺栓连接 （ 2）、连接受横向载荷： F F FF 载荷 的作用线与螺栓轴线相垂直，且通过螺栓组对称中心 。 F 平衡条件： 用普通螺栓连接 用铰制孔用螺栓连接 、用铰制孔用螺栓组连接时： 靠螺杆受剪切与挤压来承担，忽略摩擦力的影响。则每个螺栓 承受的工作载荷为： F Z F F （ 3）、受扭矩作用的螺栓组连接： 、用普通螺栓组连接： 、用铰制孔用螺栓组连接： 为防止底板转动，可以采用以下两种方式： 扭矩 T作用于接合面内，在 T作用下，底板将绕通过螺栓组 对称中心 O， 并与结合面相垂直 的轴线转动。 、采用普通螺栓组连接时： 连接所受的工作扭矩靠接合面 间的摩擦阻力矩来平衡。 设各螺栓均受同样的预紧力 F0。 力矩平衡条件 ： TKrfFrfFrfF SZ 02010 即： TKrfF S Z i i 1 0 Z i i S rf TK F 1 0 、采用铰制孔用螺栓连接时： 力矩平衡条件： TrFrFrF ZZ 2211 即： TrF Z i ii 1 各螺栓所受的工作剪力与力臂 ri成正比。 m a x m a x r F r F i i m a x m a x r FrF ii 连接承受工作扭矩时，各螺 栓受剪切和挤压作用 。 TrrF Z i i 1 m a x 2 m a x z i ir rT F 1 2 m a x m a x （ 4）、连接受倾覆力矩： 假设： 与底板相连的被连接件 (地基 )及 螺栓是弹性体，有一定的弹性。 分析： 设各螺栓均受同样的预紧力 F0。 看图 地基被放松，螺栓 被进一步拉长 地基被进一步压缩，螺栓被放松 变形量均与螺栓轴线到轴线 O-O的距离成正比。 为阻止底板倾覆，有 ： MLFLFLF ZZ 2211 即： MLF Z i ii 1 各螺栓拉伸刚度相同 各螺栓的 工作拉力 与离 轴线 O-O的距离成正比。 即： m a x m a x 2 2 1 1 L F L F L F L F i i MLF Z i ii 1 Z i iL LM F 1 2 m a x m a x 为防止结合面受压最大处被压碎或受压最小处出现间隙， 要求： 0m a xP PWMAzF 00m i nP WMAzF 、结合面最右端的最大挤压应力及强度条件： 、结合面最左端的最小挤压应力及保证 结合面不分离的条件 ： 每个螺栓所受的预紧力 连接的螺栓数目 接合面的有效面积 接合面的有效抗弯截面系数 接合面的许用挤压应力 0F Z A W P （ 5）、组合受力情况： 实际连接中 ， 螺栓组所受的工作载荷常常是以上四 种简单状态的不同组合 。 一般： 按轴向载荷及倾覆力矩来决定螺栓上的工作载荷 按横向载荷与扭矩来决定作用于连接的预紧力 螺栓的总载荷 5-6 单个螺栓连接的强度计算 螺栓组连接 分析受力 受力最大螺栓的工作载荷 强度计算 轴向力 横向力 强度计算就按此两种情况进行分析和计算 螺栓公称直径 标准螺栓 一、单个螺栓连接失效形式 二、单个螺栓连接设计准则 三、单个螺栓连接强度计算 四、螺纹连接件的材料及许用应力 一、单个螺栓连接的失效形式： 主要指螺纹连接件的失效 。 受拉螺栓： 螺纹部分的塑性变形和断裂。 受剪螺栓 ： 螺栓杆被剪断或螺栓杆和孔壁的贴合面被压溃。 65%20%15% 在螺栓头与螺杆交接处 光杆与螺纹部分交接处 螺母支承面起第一或第二圈螺纹处 静载荷 变载荷 螺栓的疲劳断裂。 二、单个螺栓连接的设计准则： 针对失效形式，对螺栓的相应部位进行强度计算。 受拉螺栓： 受剪螺栓： 保证螺栓的静力拉伸强度或疲劳拉伸强度 。 保证连接的挤压强度和螺栓的剪切强度。 三、单个螺栓连接强度计算： 根据强度条件确定螺栓直径。 连接的类型 连接的装配 载荷的状态 螺栓受力 相应强度条件 危险截面直径 (或校核强度 ) 螺纹小径 1、松螺栓连接强度计算 2、紧螺栓连接强度计算 1、松螺栓连接强度计算： 起重吊钩： 4/211 dA F 装配时，螺母不需要拧紧，也就是说承载前， 螺栓杆不受力。 承受载荷 危险剖面 螺纹的小径 F 拉伸强度条件 ： 2 14 d F ca 校核式 设计式 Fd 4 1 钢制螺栓 S S / 许用拉应力 2、紧螺栓连接强度计算 装配时，螺母需要拧紧 (即承载前，螺栓受预紧力 )。 (1)、仅受预紧力的紧螺栓连接 (2)、受轴向载荷的紧螺栓连接 (3)、受横向载荷的紧螺栓连接 螺栓处于拉伸和扭转的复合应力状态下 。 螺母拧紧 螺栓受 0F 拉伸应力 螺纹摩擦力矩 1T 扭转剪应力 拧紧力矩 T 0F 0F (1)、仅受预紧力的紧螺栓连接 T 1T 强度计算： 、预紧力 作用 0F 、摩擦力矩 作用 1T 2 1 0 4 d F 拉伸应力 螺旋副摩擦力矩 VtgdFT y 2 201 材料力学 TW T1 螺纹内径为危险截面 16/3 1dW T 抗扭截面模量 取 ： 17.0 Vtg 08.104.1 12 dd 05.0ytg 5.0 扭转剪应力 2 1 0 4 d F 5.0 第四强度理论 3.15.033 2222 ca 仅受预紧力的紧螺栓连接，按纯拉伸计算，将所受的拉力增大 30%， 以考虑扭转的影响 。 拉伸强度条件： 2 1 03.143.1 d F ca 校核式 设计式 01 43.1 Fd (2)、受轴向载荷的紧螺栓连接： 、承受轴向静载荷的紧螺栓连接的强度计算 、承受轴向变载荷的紧螺栓连接的强度计算 、承受轴向静载荷的紧螺栓连接的强度计算 失效形式： 螺杆被拉断或产生过度的塑性变形。 设计准则： 保证螺栓的静力拉伸强度。 、确定螺栓上的总拉力 、残余预紧力的确定 、螺杆中的计算应力及强度条件 强度计算： a)、螺母未拧紧 b)、螺母已拧紧 c)、加上工作载荷 单个紧螺栓连接受力变形分解： 、确定螺栓上的总拉力 受力变形图 ： 力与变形的比 ： 常数 bb b CtgF 0 常数 mm m CtgF 0 bC 被连接件刚度 螺栓杆伸长量 b 被连接件压缩量 m 螺栓连接在 作用下： 0F 螺栓杆刚度 mC 合成受力变形图： 承受工作载荷 ： F 螺杆继续伸长增量 总伸长量 b 2F 相应的总拉力 相应的拉力增量 F 被连接件被放松，压缩量 m mm 被连接件压力由 减少到 0F 1F 1F 残余预紧力 螺栓受到的总拉力： FFFFF 012 (通常保持在规定的大小 ) 01 F 、残余预紧力 的确定 ： 1F 一般紧固连接 重要的或有密封要求的连接 F无变化时 F有变化时 F1（ 0.2 0.6） F F1（ 0.6 1.0） F F1（ 1.5 1.8） F (压力容器及其它 紧密联接 ) 不大重要的螺栓连接 F10.25F 地脚螺栓连接 F1F 由图中几何关系可得： m b m b C C tg tg FF F 代入式 FFF 02 FCC CFFFF mb m 021 mb b CC C 螺栓相对刚度 FCC CF mb b FCC CFF mb b 02 总拉力 残余预紧力 所需预紧力 FCC CFFFF mb m 120 、螺栓中的总拉力及强度条件： 1、已知残余预紧力和工 作拉力，求总拉力 （式 5-29） 2、保证残余预紧力 应加的预紧力 ）式 315( 3、已知预紧力和工作 拉力，求总拉力 ）式 325( 拉力计算小结 FFF 12 FCC CFF mb m 10 FCC CFF mb b 02 4、残余预紧力的大小，决定了密封性能，根据被连接对象对密封性 能的要求来确定。 关于螺栓联接的相对刚度： mb b CC C 1、相对刚度的大小与螺栓和被联接件的结构、材料、垫片等有关。 2、被联接件的刚度 Cm越大，相对刚度越小，总拉力增加的少。 3、螺栓的刚度 Cb小，总拉力增加的少，有利于提高螺栓的承载能力。 （细长，中空） 相对刚度的值可从手册中查取。 常用（ P84）：金属垫 0.2-0.3；皮革垫 0.7；铜皮石棉垫 0.8；橡胶垫 0.9。 FCC CFF mb b 02 螺栓联接的相对刚度大小，决定了总 拉力的增加量，影响联接的强度 4/3.1 2 1 2 ca d F 强度条件： 43.1 2 1 Fd 设计式： （式 5-33） （式 5-34） 强度计算： 承受轴向静载荷的紧螺栓连接，在求得总拉力后，按紧螺 栓连接强度计算式，用总拉力代替预紧力进行强度计算。 、承受轴向变载荷的紧螺栓连接的强度计算： 失效形式： 设计准则： 先按最大载荷作静载强度估算，参考计算结果估取所需的标 准螺栓直径，然后校核其疲劳强度。 受力分析： 主要是螺杆的疲劳断裂 。 工作变载荷在 0 F间变化时，螺杆所受的总拉力在 F0 F2之间变化 。 螺杆中的应力变化规律属于 的情况。 C min 强度计算： 螺栓危险剖面的应力为： 应力幅： 2 12 1 2 1 02m i nm a x 2 4 2 4 22 d F CC C d F d FF mb b a 2 1 2 m a x 4 d F 2 1 0 m i n 4 d F ； 按第三章中的 情况，计算安全系数，强度条件为： C min SK KS a ca m i n m i n1 2 2 y y 3、承受横向载荷的紧螺栓连接的强度计算： 、用普通螺栓连接： F F 保证被连接件不滑移的条件为： FiFf 0 if FF 0 螺栓仅受预紧力 F0及拧紧力矩 M的作用 fid F d F ca 2 1 2 1 0 3.14 4 3.1 校核式 接合面数 接合面间的摩擦系数 i f 接合面间的摩擦系数 f 干燥的铸铁对铸铁、铸铁对钢、钢对钢 铸 铁 对 砖 料 或 铸 铁 对 木 料 0.15 0.2 f 0.4 0.5 f 问题： 大大增加螺栓连接的结构尺寸 减 载 措 施 ： 1,2.0 if若 ， 则 ： FF 50 F F 、用铰制孔用螺栓连接： 承受横向载荷 F时 螺杆与孔壁接触表面受挤压 分析： 接缝处螺杆横剖面受剪切 预紧力很小，强度计算时忽略不计 。 螺杆的抗剪强度条件： 螺杆与孔壁接触面抗挤压强度条件： 2 02 0 4 4 d F d F A F pp Ld F m i n0 螺杆或钉孔的直径 受挤压孔壁最小长度 0m i n 25.1 dL 0d minL （ 0.2 0.3） S 最弱材料的许用抗挤压 应力 P 四、螺纹连接件的材料及许用应力： 国家标准规定了螺纹连接件的性能等级。螺栓、螺柱、螺钉的性能等级 分为 10级，螺母的性能等级分为 7级。在一般用途的设计中，通常选用 4.8级 左右的螺栓，在重要的或有特殊要求设计中的螺纹连接件，要选用高的性能 等级，如在压力容器中常采用 8.8级的螺栓。 1、螺纹连接件材料 : 2、螺纹连接件的许用应力 : (1)螺纹连接件的许用拉应力 (2)螺纹连接件的许用剪应力和许用挤压应力 (3)螺纹连接件的安全系数 S s S s P sP S （被连接件为钢 ） P BP S （被连接件为铸铁 ） 5-7 提高螺栓连接强度的措施 一、降低影响螺栓疲劳强度的变应力因素 二、改善螺纹牙上载荷分布不均的现象 三、避免螺纹连接产生附加应力 四、减小应力集中影响 五、采用合理的制造工艺，以提高螺栓的抗疲劳功能 根据 提高承载能力 和 降低负担 两个途径提出 影响螺栓强度因素 结构 制造 装配 材料 等 涉及 螺纹牙载荷分配 应力集中 附加应力 材料机械性能 等 提高强度措施： 一、降低影响螺栓疲劳强度的变应力因素： 1、增大预紧力 2、降低螺栓的刚度 3、增大被连接件的刚度 FCC CFF mb b 02 改变连接的有关参数，可在 其它条件不变的情况下相对地 或绝对地提高连接的强度。 可以采取的措施有： 4、 以上三种措施协调使用 1、增大预紧力 ： 0F 分析 ： 0F 00 FF F 不变 00 F F F F 作用： 使螺杆中的应力变化特性相对地趋近于静应力 缺点 ： 由于最大载荷增大，故降低了螺栓的静力强度 。 0F FCC CFFFF mb b 0102 由公式可证： bC 降低 2F 降低 反映到变形线图： bC 降低 bb tgC bb F 减小 改善螺栓的抗疲劳性能和静力强度 。 作用： 缺点： 降低了残余预紧力 ,即降低了连接的可靠性和接缝的紧密性 。 2、降低螺栓的刚度 ： bC 3、增大被连接件的刚度 : mC FCC CFFFF mb b 0102 同理： mC 增大 2F 降低 反映到变形线图： mC 增大 mm tgC mm F 减小 即：改善了螺栓的抗疲劳性能和静力强度 。 缺点：降低了残余预紧力 ,即降低了连接的可靠性和接缝的紧密性 。 4、三种措施协调使用： 00 FF bb CC mm CC 具体措施： 减小螺栓的刚度 适当地增大螺栓的长度 采用柔性螺栓 在螺母下面装上弹性元件 增大被连接件刚性 改进结构 采用刚性较大的垫片 对需保持紧密性的连接，采用密封环 保证足够预紧力 减 小 螺 栓 的 刚 度： 密 封 环 增大被连接件刚性： 软垫片刚度小 金属直接接触，加大 被连接件刚度 二、改善螺纹牙上载荷分布不均的现象 ： 轴向总载荷通过螺纹牙面相接触传递 。 旋合螺纹间的载荷分布 载荷分布： 旋合螺纹的变形示意图 传力的第一圈 螺距变化差 螺纹牙的变形 2F 采取措施： （ 1）、尽可能地将螺母设计成也是受拉伸的。 原则 减小螺栓与螺母二者承载时螺距的变化差。 环槽螺母 悬置螺母 ( 均 载 螺 母) （ 2）、减小受力大的牙的受力面： 在螺母的螺栓旋入端的几圈螺纹处制出倒角 ， 使螺栓 螺纹牙支承面或受力部位由上而下逐渐外移 ， 这样就使螺 栓下面的螺纹牙在载荷作用下易于变形 ， 载荷容易向上传 递 ， 使之分布较均匀 。 内斜螺母： 环槽内斜螺母 综 合 以 上 两 种 形 式 ： （ 3）、采用钢丝螺套： 具有一定的弹性，可以起到均载，减振的作用。 三、避免螺纹连接产生附加应力： 从结构、制造、装配等方面采取措施： 斜垫圈 由于制造和装配的误差，或由于不正确的设计而在螺栓中产 生的附加弯曲应力，严重降低螺栓的强度。 球面垫圈 腰杆螺栓连接 四、减小应力集中影响： 螺杆上的螺纹（特别是螺纹的收尾）螺栓头到螺杆的过渡处和 螺栓的剖面变化处等，都要产生应力集中。 采用较大的 过渡圆角半径 和 减载结构。 卸载过渡结构 卸载槽 加大圆角 措施 ： 在设计制造和装配时可能会因螺纹连接产生附加弯曲应力，严 重降低螺栓的强度。 五、采用合理制造工艺，提高螺栓的抗疲劳功能： 螺栓的疲劳强度随直径的增大而降低。 合理选用不同规格的螺栓。 在工艺上采用氮化、氰化、喷丸等 冷镦与滚压加工螺栓中的金属流线 实践证明： M20、 M45和 M72的螺栓的疲劳极限 之比约为 2.5： 1.5： 1 采用时，也应结合经济问题一并考虑，以免浪费 。 受轴向变载荷的连接： 用数目较多的细长螺栓，比用具 有同样总横剖面面积，但数目少而短 粗的螺栓更有利。 5-8 螺旋传动 一、组成、类型及应用 二、滑动螺旋的结构与材料 三、滑动螺旋传动的设计计算 一、组成、作用、类型及运动形式 2、作用： 主要用来把旋转运动变换为直线运动，也可将直线运动变 换为旋转运动。 转变时传递能量、力或运动，或调整零件相对位置，有时 还兼有几种作用。 1、组成： 螺旋传动由 螺杆 和 螺母 组成 丝杠 （ 1）、按用途分 （ 2）、按结构分 3、类型： 传导螺旋 调整螺旋 传力螺旋 滑动螺旋 滚动螺旋 静压螺旋 以传递动力为主，要求以较小的转矩产生较大的轴向 推力来克服阻力。 如 螺旋千斤顶 。 传力螺旋： 千斤顶结构示意图： 以传递运动为主，有时承受较大的轴向载荷。工作连 续且时间长，速度高，要求具有较高的传动精度。 如 机床丝杠的进给机构 。 传导螺旋： 车床的进给螺旋结构示意图： 主要用以传递运动，要求 具有较高的传动精度或工作速度， 且能在较长时间内连续工作。 对于要求传动精度高的，常采用单线螺旋，而对于要求传动 效率高的，则采用升角较大的多线螺旋。 以调整零件的相对位置为主，不经常传动，一般空载 下调整。 如 车床的尾座螺旋 。 调整螺旋： 这种机构中一般以螺杆为主动件，作回转运动；螺母为从动件， 作直线移动。 差协螺旋机构 复式螺旋机构 螺旋副常采用梯形螺纹、锯齿形螺纹或三角形螺纹。结构简单、 加工方便、易于自锁，但传动效率低（一般为 30% 40%），磨损快。 滑动螺旋： 螺杆（或螺母）回转时，钢球沿螺旋滚道滚动并带动螺母（或螺 杆）作直线运动。 特点：摩擦阻力小、传动效率高、运动灵敏度高、磨损小、精度易 于保持，但结构复杂、成本高。 滚动螺旋： 常用于数控和伺服系统等要求高的设备中。螺纹副中注入压力油而 形成油膜，螺母与螺杆的螺纹工作表面被油膜分开。 特点 :摩擦阻力小、起动功率小、传动效率高、工作寿命长；但螺 母结构复杂，且需一套压力稳定、温度恒定、过滤要求高的供油系统。 静压螺旋： 4、运动形式： 螺杆回转 , 螺母作直线运动。 螺母回转，螺杆作直线运动。 螺母固定，螺杆回转并作直线运动。 螺旋压力机 机床进给机构 螺旋起重机 二、滑动螺旋的结构与材料： 1、 结构： 螺杆短、粗且垂直布置时，可以螺母为支撑。 螺杆细长且水平布置时，在螺杆两端或中间附加支承。 螺杆轴向尺寸较大时，可用对接组合结构代替整体结构。 （ 1）、螺杆： （ 2）、螺母的结构有 : 主要指螺杆、螺母的固定和支承的结构形式。 整体螺母 组合螺母 剖分螺母等 经常用于双向传动的传导螺旋 适合精度较低的螺旋 固定螺钉 调整螺钉 调整楔快 组合螺母： 利用调整楔块来定期调整螺旋副的轴向间隙 。 固定螺钉 调整螺钉 调整楔块 剖分螺母： 转动槽形凸轮，则螺母的上下部分分别上下移动而与螺杆 分离，当反转凸轮合紧螺母时，螺纹轴向间隙也能消除 螺母 凸轮 2、 材料： 螺母的材料除了要有足够的强度外，还要求在与螺杆材 料相配合时摩擦系数小和耐磨 。 滑动螺旋的材料 螺杆的材料要有足够的强度和耐磨性。 三、滑动螺旋传动的设计计算： 1、失效形式 2、设计准则 3、耐磨性计算 4、螺杆的强度计算 5、自锁性校核 6、螺母螺纹牙的强度计算 7、螺杆的稳定性计算 受力较大的传力螺旋 常用的滑动螺旋 螺纹磨损 塑性变形或断裂 2、设计准则： （ 1） 、 滑动螺旋的基本尺寸 （ 即螺杆的直径与螺母的高度 ） ， 由耐磨 性要求决定； （ 2） 、 传力较大时 ， 应校核螺杆螺纹部分或其他危险部位及螺母或螺 杆螺纹牙的强度； （ 3） 、 要求螺杆有自锁时 ， 应校验螺纹副的自锁条件； （ 4） 、 要求运动精确时 ， 应校验螺杆的刚度 ， 其直径往往由刚度要求 决定； （ 5） 、 对于长径比很大的螺杆 ， 除进行耐磨性计算外 ， 还应该校核其稳 定性； （ 6） 、 对于高速的长螺杆 ， 应检验其临界转速 。 根据具体情况 ， 选择不 同的计算准则 ， 不必逐项全面计算 。 无多大要求的螺旋 ， 则可根 据经验或参照同类机械而直接选用 。 3、耐磨性计算： 校核螺纹在轴向力作用下，螺纹工作面上的压力是 否超过材料的许用压力。 螺纹工作面的耐磨性条件： 目的： 总轴向力： F(N) 总受力面积： A(mm2) 螺母高度： H(mm) 螺纹中径： d2(mm) 螺纹螺距： P(mm) 参数： 校核式 p hHd FP hud F A Fp 22 螺旋副受力 螺纹工作圈数 P Hu p 材料的许用压力， MPa p 螺纹工作面上的压力 ， MPa 螺纹工作高度： h(mm) 为设计计算方便，令 2/dH ph FPd 2 故得： 设计式 公式分析 phHdFPhud FAFp 22 ph FPd 2 设计式 公式分析： 矩形、梯形螺纹的 h=0.5P，锯齿形螺纹的 h=0.75P。 对矩形、梯形螺纹，则： p Fd 8.02 p Fd 8.02 对锯齿形螺纹，则： ph FPd 2 设计式 公式分析： =1.2 4 愈大，螺纹圈数愈多，载荷分布愈不均匀。 对于整体螺母，磨损后间隙不能调整时，取 =1.2 2.5； 对于剖分螺母，间隙能够调整，取 =2.5 3.5； 传动精度较高、要求寿命较长时，允许取 =4 。 考虑到螺纹各圈载荷分布不均，旋合圈数 u10 。 2d P d 根据中径可从标准上查得大径和螺距 4、螺杆的强度计算 ： 螺杆的危险剖面既有拉伸应力，又有剪切力。 根据第四强度理论，得螺杆螺纹部分的强度校核式为： 22 22 33 T ca W T A F 式中： 螺杆螺纹段危险截面面积 ， ； 螺杆螺纹小径 ， ； 螺杆螺纹段的抗扭截面系数 ， ， ； 螺杆所受的扭矩 ， ； 螺杆材料的许用应力 ， MPa。 2 14 dA A 1d TW T 31 , 4 mm dAW T mm mNtgdFT v ，)(2 2 受力很大的螺杆 5、自锁性校核： vv a r c t g f fa r c t g y c o s 式中 ： 螺纹升角； 摩擦系数； 螺旋副的当量摩擦系数。 y f vf 对有自锁要求的螺旋副，应校核螺旋副是否满足自锁条件。 6、螺母螺纹牙的强度计算 ： 由于螺母的材料强度一般比螺杆的低，所以螺纹牙的剪切 和弯曲破坏多发生在螺母 ， 故通常只须计算螺母螺纹牙的强度。 如图： 将一圈螺纹牙沿螺纹大径 D展开。 (相当于是宽为 D 的悬臂梁 ) 假定： 螺母每圈螺纹承受平均压力 平均压力作用在螺纹中径 D2的圆周上 。 uF / 强度计算： 危险剖面 a-a上剪切强度条件： D b uF 危险剖面 a-a上弯曲强度条件 ： bb uDbFh 23式中： 螺纹牙根部宽度 ， mm。 螺纹材料的许用剪切应力 ， 。 螺母材料的许用弯曲应力 ， 。 b b MPa MPa 注意 ： 当螺杆与螺母材料相同时，只需校核 螺杆螺纹牙强度。将公式中的 D改为 d1。 7、螺杆的稳定性计算： 长径比大的受压螺杆，可能出现失稳，需演算其稳定性。 根据材料力学，压杆稳定性校核公式： s cr sc SF FS 式中： SSC 螺杆稳定性的计算安全性系数； SS 螺杆稳定性安全系数 ; 传力螺旋 SS=3.5 5.0 传导螺旋 ， SS=2.5 4.0 精密螺 杆或水平螺杆 ， SS4 FCr 螺杆的临界载荷 ,N。 根据螺杆柔度 选不同公式。 S 螺杆的柔度 (长细比 ) ： 1/4 dls S 螺杆工作长度； 螺杆的长度系数； 螺杆螺纹部分内径。 l 1d 式中： S 不同时 FCr的选用公式 对淬火钢螺杆： 、 时 ， ； 、 时， 。 85S 85 Nl EIF cr ,2 2 NdF cr ,40002.01 490 2 1 2 对未淬火钢螺杆： 、 当 时 ， ； 、当 时，一般不需进行稳定性校核。 90 40 Nl EIF C ,2 2 S 不同时 FCr的选用公式 I 式中： 螺杆的危险截面惯性矩 ， ， ； 材料的抗压弹性模量，对钢 ： ； E 64 4 1dI 4mm aMPE 51006.2