机械原理与设计第四章-螺纹联接与螺旋传动.ppt

1、制作 杨德勇电电 子子 教教 案案机械工业出版社主编 马履中 谢俊 尹小琴（下册）（下册）第四章第四章 螺纹联接与螺旋传动螺纹联接与螺旋传动第一节第一节 螺螺 纹纹第二节第二节 螺纹联接的基本类型螺纹联接的基本类型第三节第三节 单个螺纹联接的强度计算单个螺纹联接的强度计算第四节第四节 螺栓组联接的设计螺栓组联接的设计第五节第五节 提高螺纹联接强度的措施提高螺纹联接强度的措施第六节第六节 螺旋传动螺旋传动为便于机器的制造、安装、使用、运输和维修等原因，机器中广泛使用各种联接。连连接接可拆联接：可拆联接：不需毁坏联接中的任何一个零件 就可拆开的联接。例如：螺纹联接、键联接。不可拆联接：不可拆联接：

2、至少毁坏联接中的一部分才能 拆开的联接。例如：铆接、焊接等。第一节第一节 螺螺 纹纹一、螺纹的类型和应用一、螺纹的类型和应用按牙型分类：普通螺纹、管螺纹联接 梯形、矩形、锯齿形螺纹传动螺纹分为：外螺纹和内螺纹，内螺纹和外螺纹组成螺纹副。按旋向分类：左旋、右旋常用螺纹有米制和英制之分，我国除管螺纹保留英制外，都采用米制螺纹。二、螺纹的主要参数二、螺纹的主要参数（1）大径（公称直径）大径（公称直径）d(D)（2）小径）小径 d1(D1)（3）中径）中径 d2(D2)（4）线数）线数 n（5）螺距）螺距P（6）导程导程 S，S=nP（7）螺纹升角螺纹升角 （8）牙型角）牙型角22SnPtgdd 单线

3、螺纹自锁性好，多用于联接；多线螺纹传动效率高，多用于传动。通常 n4（9）接触高度）接触高度 h第二节第二节 螺纹联接的基本类型螺纹联接的基本类型一一、螺纹联接的基本类型、螺纹联接的基本类型（1）螺栓联接：通常用于被联接件不太厚且两端均有装配空间的场合，结构简单，装拆方便，应用广泛。（2）双头螺柱联接：被联接件之一很厚不便加工成通孔，需经常拆卸的场合。（3）螺钉联接：被联接件不便加工成通孔，不经常拆卸的场合。（4）紧定螺钉联接：固定两个被联接件的相对位置，传递较小的力或转矩I.普通螺栓联接II.铰制孔螺栓联接锥端紧定螺钉平端紧定螺钉地脚螺栓联接T型槽螺栓联接吊环螺栓联接其它特殊结构的螺纹联接其

4、它特殊结构的螺纹联接 二、螺纹联接的预紧及控制二、螺纹联接的预紧及控制机械设备中螺纹联接在承受工作载荷之前，装配时一般均需要拧紧，称为预紧，此时螺栓受到的轴向拉力称为预紧力F0。（1）拧紧力矩T与预紧力的关系预紧目的：增加联接的刚性，提高联接的紧密性，可防止联接的松动。特别是对有紧密性要求的螺纹联接，如气缸盖、管路法兰、齿轮箱等。图2-4-3 螺旋副的拧紧12=+T TT210v=tan(+)2dTF 33002c022001=3DdTf FDd螺旋副间的摩擦力矩为螺母与支承面间的摩擦力矩为330002vc220012=tan()23DdTF dfDd整理得 00.2TF d对于一定公称直径d

5、的螺栓，当要求的预紧力F0已知时，即可按上式确定拧紧力矩T。控制拧紧力通常采用测力矩扳手或定力矩扳手，通过控制拧紧力矩来控制预紧力。三、螺纹联接的防松三、螺纹联接的防松螺纹联接件螺纹升角小于螺旋副的当量摩擦角，具有自锁性。在静载荷和温度变化不大时，联接螺纹不会自动松脱。但在冲击、振动或变载荷作用下，或在高温或温度变化较大时，联接中的预紧力和摩擦力会减小或瞬时消失，联接仍有可能松动或脱落，因此，设计时必须采取有效的防松措施。防松的关键就是防止螺旋副间的相对转动。常用的防松措施很多，就其工作原理不同，可分为以下三大类，见表2-4-2。第三节第三节 单个螺纹联接的强度计算单个螺纹联接的强度计算工程中

6、大多数螺纹联接为成组使用，但单个螺纹联接的强度计算是螺栓组联接设计的基础。普通螺栓联接、双头螺柱联接、螺钉联接强度计算的方法基本相同，故仅讨论螺栓联接的强度计算方法。普通螺栓联接 主要是设计或校核螺纹小径(危险截面)；铰制孔螺栓联接 设计或校核螺栓杆无螺纹部分的截面直径，再按照标准选定螺纹大径（公称直径）。一、松螺栓联接一、松螺栓联接 螺纹联接在安装时不需拧紧的为松螺栓联接，在承受工作载荷之前螺栓不受力。工作时螺栓承受轴向工作载荷F作用。失效形式为螺栓杆的拉断，故螺栓的强度条件为 4121dFca41Fd 或求出d1后，应按螺纹标准选取螺纹公称直径d。二、紧螺栓联接二、紧螺栓联接 紧螺栓联接在

7、装配时螺母已经拧紧，在拧紧力矩作用下，螺栓受到预紧力F0的作用。根据工作时受到的工作载荷不同，紧螺栓联接的强度计算又可分为两种情况：（一）受横向工作载荷（一）受横向工作载荷 1、普通螺栓联接 由于预紧力F0 的作用，联接在接合面上产生摩擦力平衡横向工作载荷F。螺栓工作时仅承受预紧力的作用，且预紧力在联接承受工作载荷后仍保持不变。图2-4-7 受横向载荷的普通螺栓联接由接合面不产生滑移的条件，预紧力F0满足f0K FFmf式中 F横向工作载荷（N）；F0预紧力（N）；f接合面间摩擦因数，见表2-4-3；m单个螺栓联接的接合面数；Kf可靠性系数，通常取1.11.3。在拧紧力矩作用下，螺栓受预紧力F

8、0的拉伸而产生拉伸应力外，同时受螺旋副摩擦力矩T1的扭转而产生扭转切应力，故强度计算时应综合考虑拉应力和扭转切应力的作用。螺栓危险截面处拉应力为21041dF螺栓危险截面的扭转切应力为21012312014)tan(2162)tan(dFddddFWTvvT对M10M64普通螺纹的钢制螺栓，tan=0.05，tanv=0.17代入得到 0.5。211.04 1.08dd由第四强度理论计算，得到螺栓的强度条件为 3.1322ca即 210413.1dFca设计式为 3.1401Fd通过求出d1后应按螺纹标准选取公称直径。2 2、铰制孔用螺栓联接、铰制孔用螺栓联接 受横向工作载荷的铰制孔螺栓联接在

9、接合面处螺栓杆受剪切，螺栓杆与孔壁间无间隙，接触面受挤压。因此主要失效形式是螺栓杆被剪断和螺栓杆与孔壁的接触面被压溃。螺栓的剪切强度条件 螺栓杆或孔壁的挤压强度条件图2-4-9 受横向载荷的铰制孔螺栓连20 4Fmdpp0Fd L式中 F横向工作载荷（N）；d0螺栓受剪面直径（mm）；m单个螺栓的抗剪面数目；螺栓的许用切应力（MPa），参见表2-4-8；p螺栓或孔壁较弱材料的许用挤压应力（MPa），参见表2-4-8；L螺栓杆与孔壁间挤压面的最小长度（mm），L=min(L1，L2)。（二）受轴向工作载荷（二）受轴向工作载荷单个螺栓承受轴向载荷作用前后的受力和变形情况如图2-4-10所示。螺母拧

10、紧时，螺栓在预紧力F0的作用下产生拉伸变形，伸长了b；被联接件产生压缩变形，压缩了m。承受轴向载荷时，螺栓所受拉力由F0增加到F2（螺栓总拉力），螺栓伸长量增加。同时，被联接件随着螺栓的伸长而被放松，其压缩量随之减小，故被联接件的压缩力由F0减小到F1（残余预紧力）。1、受力分析、受力分析为保证联接的紧密性，防止联接受载后接合面间产生缝隙，应保证F1 0。推荐值见表2-4-4。螺栓联接的受力与变形关系可以用线图表示，如图2-4-11所示。由螺栓的静力平衡条件知，螺栓所受的总拉力F2 F2=F+F1螺栓的预紧力F0与残余预紧力F1、总拉力F2的关系，可由图中的几何关系可得 mmmbbbCFCFt

11、antan00螺栓的总拉力FCCCFFmbb02螺栓相对刚度 相对刚度值在01之间变动，大小与螺栓、螺母、垫片和被联接件的结构、尺寸、工作载荷的作用位置等因素有关，可通过计算或实验确定。一般设计时，推荐数据见表2-4-5。螺栓刚度 被联接件刚度 20FFF bbmmtantanFCFFCbbmCFFCC螺纹联接受轴向工作载荷作用后，螺栓杆上受到总拉力F2。考虑扭转切应力的影响，故螺栓危险截面的强度条件为 43.1212dFca设计式为 213.14Fd同样，求出d1后应按螺纹标准选取公称直径d。为了减小螺栓的受力，提高螺栓联接的承载能力，应使相对刚度值尽可能小些。2、受轴向静载荷时螺栓联接的强

12、度计算、受轴向静载荷时螺栓联接的强度计算当轴向工作载荷在0F之间变化时，螺栓总拉力在F0和F2之间变化。承受变载荷的螺栓联接多为疲劳失效，而影响疲劳失效的主要因素是应力幅。若不考虑螺纹摩擦力矩的扭转作用，则危险截面的最大和最小拉应力（此时满足min为常数）分别为 212max4dF210min4dF螺栓联接的疲劳强度条件 3、受轴向变载荷时螺栓联接的强度计算、受轴向变载荷时螺栓联接的强度计算maxminbaa2bm122CFCCd螺栓的许用应力幅a可按表2-4-6计算 三、螺纹联接件的材料及许用应力三、螺纹联接件的材料及许用应力（一）螺纹联接件的材料 螺纹联接件按材料的力学性能分出十个等级，当

13、螺栓和螺母配套成组合件时，两者的力学性能应符合表2-4-7，即为同等级。螺栓、螺钉性能等级3.64.64.85.65.86.88.88.89.810.912.9公称抗拉强度/MPa30040050060080090010001200最小屈服应力/MPa1802403203004004806407209001080最大维氏硬度HV250320335360380435相配合螺母性能等级4或55689101245螺纹规格范围M16M16bsM16M16M39M39M39M16M39M39表2-4-7 螺栓、螺钉和螺母的性能等级（摘自GB/T3098.2-2000）（二）螺纹联接件的许用应力 螺纹联接

14、件的许用应力受材料性能、热处理工艺、结构尺寸、载荷性能和装配等因素的影响，设计时可参阅表2-4-8。第四节第四节 螺栓组联接的设计螺栓组联接的设计在工程实际中，螺纹联接通常都是成组使用的，即由两个或两个以上螺栓组成联接称为螺栓组联接。设计螺栓组联接时，通常先进行结构设计，然后进行螺栓组的受力分析，其目的是找出受力最大的螺栓，并求出其所受力的大小和方向，再按照单个螺栓进行强度计算。一、螺栓组联接的结构设计一、螺栓组联接的结构设计 1、形状简单，受力合理、形状简单，受力合理 尽量设计成轴对称的简单几何形状（图2-4-13），联接组的几何形心与联接接合面的形心重合，以便均匀受载。2、圆周上便于分度，

15、简化工艺、圆周上便于分度，简化工艺 同一圆周上螺栓的数目尽量取偶数 3、尽量减少加工面，提高加工效率、尽量减少加工面，提高加工效率4、各螺栓受力应合理、各螺栓受力应合理 布置时应使联接螺栓尽量远离其回转中心或者对称轴线 5、螺栓的排列应有合理的间距和边距、螺栓的排列应有合理的间距和边距 注意留有装拆螺栓所要求的扳手空间 6、其它、其它 避免螺栓受到附加载荷、便于安装 等为简化计算，假设：所有螺栓的尺寸规格和预紧力均相同；螺栓组的几何形心与联接接合面的几何中心重合；被联接件为刚体；螺栓的变形均在弹性范围内。二、螺栓组联接的受力分析与计算二、螺栓组联接的受力分析与计算 （一）受横向载荷的螺栓组联接

16、横向载荷的作用线与螺栓轴线垂直，并通过螺栓组的几何形心。在横向总载荷FR的作用下，每个螺栓所承担的工作载荷是均等的。每个螺栓联接所受的横向工作载荷为zFFR（二）受轴向载荷的螺栓组联接图图2-4-19 受轴向载荷的螺栓组联接受轴向载荷的螺栓组联接轴向载荷作FA用线与螺栓轴线平行，并通过螺栓组形心。计算时各螺栓平均受载，则每个螺栓所受轴向工作载荷F AFFz（三）受转矩的螺栓组联接转矩T作用在联接接合面内，联接有绕螺栓组形心O转动的趋势。如图2-4-20所示 1、普通螺栓组联接、普通螺栓组联接靠接合面间产生的摩擦力矩来抵承受矩T。根据作用在底板上的力矩平衡及联接强度的条件，应有 TKrfFrfF

17、rfFfz02010.故各螺栓所需的预紧力为 ziifZfrfTkrrrfTKF1210).(2、铰制孔螺栓组联接、铰制孔螺栓组联接在转矩T作用下，各螺栓受到剪切和挤压作用，各螺栓的工作载荷的作用线垂直于螺栓轴线到螺栓组形心O的连线ri。根据底板的力矩平衡条件得设rmax为受最大剪力Fmax的螺栓轴线到形心O的距离，则 i i1ziFrT12izmax12izmax=12FFFFFizrrrrr，螺栓所受的最大工作剪力 ziizrTrrrrTrF12max2221max.2图2-4-21受倾覆力矩的螺栓组联接（四）受倾覆力矩的螺栓组联接倾覆力矩M作用在通过xx轴并垂直于联接接合面的对称平面内。

18、在M的作用下，被联接件有绕对称轴线OO翻转的趋势，对称轴线左侧各螺栓所受的轴向力加大，接合面上的压力减小，对称轴线右侧各螺栓的预紧力减小，接合面上的压力增大。由底板静力平衡条件得 ii1ziFLM根据螺栓变形协调条件得12izmax12izmax=,1,2,FFFFFizLLLLL可得螺栓所受的最大工作载荷为maxmaxmax222212i1=zziMLMLFLLLL承受倾覆力矩的螺栓组联接，一方面要求螺栓有足够的强度，还应进行接合面工作能力的计算。保证联接接合面最小受压处不出现间隙（左侧）的条件为0pminppmax0zFMAW保证联接接合面最大受压处不压溃（右侧）的条件为0pmaxppma

19、xpzFMAW 求出最大工作载荷Fmax后，可求出螺栓总拉力F2，进行螺栓联接的抗拉强度校核或设计计算。实际工程中螺栓组受力多为以上四种单一受载状态的不同组合。实际工程中螺栓组受力多为以上四种单一受载状态的不同组合。因此，进行受力分析时，先将载荷进行简化和分解，按单一受载状因此，进行受力分析时，先将载荷进行简化和分解，按单一受载状况分别求得每个螺栓的受载，再按力的合成原理求出受力最大的螺况分别求得每个螺栓的受载，再按力的合成原理求出受力最大的螺栓的载荷，最后进行单个螺栓联接的强度计算。栓的载荷，最后进行单个螺栓联接的强度计算。第五节第五节 提高螺纹联接强度的措施提高螺纹联接强度的措施 影响螺纹

20、联接强度的因素涉及到联接的材料、尺寸、结构以及制造和装配工艺等。为提高螺纹联接的强度，从以下几方面考虑。一、降低应力幅一、降低应力幅螺栓的最大应力一定时，应力幅越小，疲劳强度越高。当工作载荷和残余预紧力不变，减少螺栓刚度或增大被联接件刚度都能减小应力幅（图2-4-22a和b），但同时应适当增大预紧力。减少螺栓的刚度同时增大被联接件刚度，则应力幅减小更明显（图2-4-22c）。减小螺栓刚度的措施：柔性螺栓、安装弹性元件 柔性螺栓安装弹性元件增大被联接件的刚度：采用刚度较大的金属垫片和密封环。二、改善螺纹牙受力不均匀二、改善螺纹牙受力不均匀旋合圈数越多，受力不均匀程度也越显著。因此，采用加高螺母对

21、提高螺栓强度并没有多少作用。为了使螺纹牙受力比较均匀，采用悬置螺母、环槽螺母和内斜螺母等（图2-4-26），或采用钢丝螺套。螺栓附加应力主要指由偏载荷引起的弯曲应力。为此要求螺纹孔轴线与联接中各承压面垂直，如常采用凸台、沉孔等结构（图2-4-16a b）。对有些特殊的结构可以采用球面垫片或者斜垫片（图2-4-16 c d）。三、减小附加应力的作用三、减小附加应力的作用 四、减轻应力集中四、减轻应力集中 螺纹的牙根和收尾、螺栓头部与栓杆交接处都有应力集中，特别是在旋合螺纹的牙根处。适当加大过渡圆角半径（图2-4-29a），采用卸载槽（图2-4-29b）和卸载过渡结构（图2-4-29c），螺纹收尾

22、部分改用退刀槽，螺母承压面以内的螺杆有余留螺纹等。五、改善制造工艺五、改善制造工艺 在工艺上采用冷镦螺栓头部和辗制螺纹，采用碳氮共渗、渗氮、喷丸等处理都能提高螺栓疲劳强度。图2-4-30 冷镦螺栓头部和辗制螺纹第六节第六节 螺旋传动螺旋传动利用螺杆和螺母组成的螺旋副实现传动要求，传递运动和力，或调整零件间的相对位置，广泛应用于螺旋千斤顶、螺旋压力机、机床的进给螺旋、工业机器人的滚珠丝杠等。一、螺旋传动的类型、特点和应用一、螺旋传动的类型、特点和应用（一）螺旋传动的类型、特点 根据螺杆与螺母的相对运动关系，螺旋传动的运动形式有：（1）螺杆转动，螺母作直线运动（图2-4-33a）。（2）螺母转动，

23、螺杆作直线移动（图2-4-33b）。（3）螺母固定，螺杆转动并往复移动（图2-4-33c）。（4）螺杆固定，螺母旋转并沿直线移动（图2-4-33d）。（二）螺旋传动的应用（1）传力螺旋 如螺旋千斤顶、螺旋压力机、台钳等（2）传导螺旋 如金属切削机床进给机构（3）调整螺旋 如机床、仪器及测试装置中的微调机构 根据螺旋副摩擦情况不同，螺旋传动分（1）滑动螺旋传动（滑动摩擦）（2）滚动螺旋传动（滚动摩擦）（3）静压螺旋传动(流体摩擦)二、滑动螺旋传动的设计二、滑动螺旋传动的设计 （一）滑动螺旋传动的失效形式及材料选择 滑动螺旋受轴向拉(压)力和摩擦力矩，产生拉(压)应力和扭转切应力的联合作用。由于螺

24、旋副之间有较大的滑动摩擦，故磨损是其主要失效形式。设计时，应根据螺旋传动的类型、工作条件及其失效形式等，应分别作螺旋副的耐磨性计算、螺杆的拉扭合成强度计算、螺母螺纹牙的剪切和弯曲强度计算及压杆稳定性计算，若有自锁性要求时还应校核其自锁条件。螺旋传动中螺杆材料应具有高强度和良好的加工性，螺母材料有足够的强度、较低的摩擦系数和较好的耐磨性。螺杆一般用钢制造，螺母常用青铜等耐磨材料制造。选择螺旋传动材料时可参考表2-4-11。图2-4-34 螺旋副的受力（二）滑动螺旋传动的设计1、螺旋副耐磨性计算、螺旋副耐磨性计算滑动螺旋螺纹工作面上单位压力(压强)愈大，滑动速度愈大，其磨损越严重。耐磨性计算限制螺

25、纹工作面上的压力p作条件性计算。设轴向力为F，螺纹的承压面积为A，螺纹中径为d2，螺纹工作高度为h，螺纹螺距为P，螺母高度为H，螺纹工作圈数为z，则螺纹工作面的压力p为 phzdFp2令=H/d2(H为螺母高度)，H=zP，可得 phFPd22、自锁性验算、自锁性验算 vvarctanarctancosff对有自锁性要求的螺旋副，应校核其自锁条件，即3、强度计算、强度计算1）螺杆强度计算螺杆工作时承受轴向力和扭矩的作用，按第四强度理论进行强度计算，即 2222caT33 FTAW2）螺纹牙强度计算图2-4-35螺纹牙的强度计算螺纹牙多发生剪切和弯曲破坏，而螺母材料的强度一般低于螺杆，所以只需校

26、核螺母螺纹牙的强度。螺纹沿螺母的螺纹大径D处展开可看作为宽度为D的悬臂梁。螺纹牙(根部a-a处)的剪切强度条件为 DbzF螺纹牙(根部a-a处)的弯曲强度条件为bb23FhDb z4、螺杆稳定性计算、螺杆稳定性计算 对长径比大的受压螺杆，当轴向力F大于某一临界值时，需对其进行稳定性验算。cc FSSF5、螺杆刚度计算、螺杆刚度计算 对高精度的螺旋传动，应进行刚度计算以满足工作要求。螺纹导程的变形量 F214FSFSEAEd2T24p1162STSTSGIGdFT=6、螺杆临界转速计算、螺杆临界转速计算高速旋转的螺旋，应使其最高转速n小于临界转速nc，一般保证n0.8nc。22ac13c302EInml7、螺旋副效率计算、螺旋副效率计算vtantan()主要内容主要内容 要求要求1、了解螺纹的基本参数，掌握常用螺纹联接的种类、特性及其应用。2、了解螺纹联接预紧、防松的目的和控制方法。3、熟练掌握单个螺纹联接的强度计算，掌握螺栓联接的受力-变形图。了解螺纹联接件的常用材料、强度级别和许用应力确定。4、熟练掌握螺栓组联接的受力分析。5、正确进行螺栓组联接的结构设计。6、了解提高螺纹联接强度的主要措施。7、了解螺旋传动的种类和滑动螺旋传动的主要失效形式及其设计准则。