機械課件Ch05

1、第五章 螺紋聯(lián)接與螺旋傳動5-1 螺紋5-2 螺紋聯(lián)接的類型與標準聯(lián)接件5-3 螺紋聯(lián)接的預緊5-6 螺紋聯(lián)接組的設(shè)計5-5 螺紋聯(lián)接的強度計算5-8 提高螺紋聯(lián)接強度的措施5-7 螺紋聯(lián)接件的材料與許用應力5-9 螺旋傳動5-4 螺紋聯(lián)接的防松螺紋的類型與特點1螺紋有外螺紋與內(nèi)螺紋之分，它們共同組成螺旋副。螺紋聯(lián)接用螺紋的當量摩擦角較大，有利于實現(xiàn)可靠聯(lián)接；傳動用螺紋的當量摩擦角較小，有利于提高傳動的效率。螺紋按工作性質(zhì)分為聯(lián)接用螺紋和傳動用螺紋。一、螺紋的分類 螺紋的類型與特點2二、普通螺紋的主要參數(shù)大徑d即螺紋的公稱直徑。小徑d1常用于聯(lián)接的強度計算。中徑d2常用于聯(lián)接的幾何計算。螺距P

2、螺紋相鄰兩個牙型上對應點間的 軸向距離。牙型角a螺紋軸向截面內(nèi)，螺紋牙型兩 側(cè)邊的夾角。升角y螺旋線的切線與垂直于螺紋軸線 的平面間的夾角。線數(shù)n螺紋的螺旋線數(shù)目。導程S螺紋上任一點沿同一條螺旋線轉(zhuǎn) 一周所移動的軸向距離，S=nP。升角y的計算式為：22arctanarctandnPdSy 螺紋聯(lián)接類型與標準件1螺紋聯(lián)接的類型與標準聯(lián)接件一、螺紋聯(lián)接的基本類型 除上述聯(lián)接的基本類型外，在機器中，還有一些特殊結(jié)構(gòu)的螺紋聯(lián)接。如：T型槽螺栓聯(lián)接、吊環(huán)螺釘聯(lián)接和地腳螺栓聯(lián)接等。說明聯(lián)接類型與標準件2螺紋聯(lián)接的類型與標準聯(lián)接件二、標準螺紋聯(lián)接件 螺紋聯(lián)接的類型很多，在機械制造中常見的螺紋聯(lián)接件的結(jié)構(gòu)型

3、式和尺寸都已經(jīng)標準化，設(shè)計時可以根據(jù)有關(guān)標準選用。 虛擬現(xiàn)實中的螺紋聯(lián)接件 利用控制擰緊力矩的方法來控制預緊力的大小。通?？刹捎脺y力矩扳手或定力矩扳手，對于重要的螺栓聯(lián)接，也可以采用測定螺栓伸長的方法來控制預緊力。紋聯(lián)接的預緊螺紋聯(lián)接的預緊 大多數(shù)螺紋聯(lián)接在裝配時都需要擰緊，使之在承受工作載荷之前，預先受到力的作用，這個預加作用力稱為預緊力。 增強聯(lián)接的可靠性和緊密性，以防止受載后被聯(lián)接件間出現(xiàn)縫隙或發(fā)生相對移動。 注意：對于重要的聯(lián)接，應盡可能不采用直徑過小(M12)的螺栓。預緊力限制 擰緊后螺紋聯(lián)接件的預緊應力不得超過其材料的屈服極限ss的80%。v 預緊力：v 預緊的目的：v 預緊力的確

4、定原則：v 預緊力的控制：v 預緊力和預緊力矩之間的關(guān)系：dFT02 . 0詳細推導 螺紋聯(lián)接的防松螺紋聯(lián)接的防松 螺紋聯(lián)接一般都能滿足自鎖條件不會自動松脫。但在沖擊、振動或變載荷作用下，或在高溫或溫度變化較大的情況下，螺紋聯(lián)接中的預緊力和摩擦力會逐漸減小或可能瞬時消失，導致聯(lián)接失效。防松的根本問題在于防止螺旋副相對轉(zhuǎn)動。按工作原理的不同，防松方法分為摩擦防松、機械防松等。此外還有一些特殊的防松方法，例如鉚間涂膠防松等。 螺紋聯(lián)接的強度計算1螺紋聯(lián)接的強度計算 螺栓聯(lián)接的強度計算主要與聯(lián)接的裝配情況（預緊或不預緊）、外載荷的性質(zhì)和材料性能等有關(guān)。 螺栓聯(lián)接強度計算的目的是根據(jù)強度條件確定螺栓直

5、徑，而螺栓和螺母的螺紋牙及其他各部分尺寸均按標準選定。一、松螺栓聯(lián)接強度計算二、緊螺栓聯(lián)接強度計算1僅受預緊力的緊螺栓聯(lián)接 2受軸向載荷的緊螺栓聯(lián)接3承受工作剪力的緊螺栓聯(lián)接 聯(lián)接的失效形式：主要是指螺紋聯(lián)接件的失效。對于受拉螺栓，其失效形式主要是螺紋部分的塑性變形和螺桿的疲勞斷裂。對于受剪螺栓，其失效形式可能是螺栓桿被剪斷或螺栓桿和孔壁的貼合面被壓潰。詳細推導65%20%15% ss4/21dF 螺紋聯(lián)接的強度計算2 螺紋聯(lián)接的強度計算1僅受預緊力的緊螺栓聯(lián)接2104dFs預緊力引起的拉應力：sy5 . 0162)tan(312v0ddF螺牙間的摩擦力矩引起的扭轉(zhuǎn)剪應力： ss210ca43

6、 . 1dF強度條件：當聯(lián)接承受較大的橫向載荷F時，由于要求F0Ff（f=0.2），即F05F ，因而需要大幅度地增加螺栓直徑。為減小螺栓直徑的增加，可采用減載措施。說明sss3 . 1322ca根據(jù)第四強度理論，螺栓在預緊狀態(tài)下的計算應力:F0F0FF 螺紋聯(lián)接的強度計算3螺紋聯(lián)接的強度計算2受軸向載荷的緊螺栓聯(lián)接FDDp 螺栓預緊力F0后，在工作拉力F 的作用下，螺栓的總拉力F2 = ?FFF12 ss4/3 . 1212cadFFCCCFFmbb02這時螺栓的總拉力為： 為使工作載荷作用后，聯(lián)接結(jié)合面間有殘余預緊力F1存在，要求螺栓聯(lián)接的預緊力F0為：FCCCFFmbm10靜強度條件：式

7、中F1為殘余預緊力，為保證聯(lián)接的緊密性，應使 F1 0，一般根據(jù)聯(lián)接的性質(zhì)確定F1的大小。式中：mbbCCC為螺栓的相對剛度，其取值范圍為 01。詳細分析疲勞強度校核 螺紋聯(lián)接的強度計算4螺紋聯(lián)接的強度計算3承受工作剪力的緊螺栓聯(lián)接 這種聯(lián)接是利用鉸制孔用螺栓抗剪切來承受載荷的。螺栓桿與孔壁之間無間隙，接觸表面受擠壓。在聯(lián)接結(jié)合面處，螺栓桿則受剪切。螺栓桿與孔壁的擠壓強度條件為：螺栓桿的剪切強度條件為：式中：F螺栓所受的工作剪力，單位為N；d0螺栓剪切面的直徑（可取螺栓孔直徑），單位為mm；Lmin螺栓桿與孔壁擠壓面的最小高度，單位為mm；設(shè)計時應使Lmin1.25d0Pmin0PssLdF

8、204dFFFd0Lmin 螺紋聯(lián)接組的設(shè)計1螺栓組聯(lián)接的設(shè)計 在設(shè)計螺栓組聯(lián)接時，關(guān)鍵是聯(lián)接的結(jié)構(gòu)設(shè)計。它是根據(jù)被聯(lián)接件的結(jié)構(gòu)和聯(lián)接的用途，確定螺栓數(shù)目和分布形式。v為了便于加工制造和對稱布置螺栓，保證聯(lián)接結(jié)合面受力均勻，通常聯(lián)接結(jié)合面的幾何形狀都設(shè)計成軸對稱的簡單幾何形狀。v螺栓布置應使各螺栓的受力合理。v螺栓的排列應有合理的間距、邊距。v 為了便于在圓周上鉆孔時的分度和畫線，通常分布在同一圓周上的螺栓數(shù)目取成4、6、8等偶數(shù)。v避免螺栓承受附加的彎曲載荷。說明說明說明一、螺栓組聯(lián)接的結(jié)構(gòu)設(shè)計 各螺栓之間的距離大小既要保證聯(lián)接的可靠性又要考慮裝拆方便，還應留有足夠的扳手空間。大多數(shù)機械中螺

9、栓都是成組使用的。 螺紋聯(lián)接組的設(shè)計2螺栓組聯(lián)接的設(shè)計1受橫向載荷2受轉(zhuǎn)矩3受軸向載荷4受傾覆力矩 受力分析的目的：根據(jù)聯(lián)接的結(jié)構(gòu)和受載情況，求出受力最大的螺栓 及其所受的力，以便進行螺栓聯(lián)接的強度計算。 受力分析時所作假設(shè)：所有螺栓的材料、直徑、長度和預緊力均相同； 受載后聯(lián)接接合面仍保持為平面。 受力分析的類型：二、螺栓組聯(lián)接的受力分析螺栓組的對稱中心與聯(lián)接接合面的形心重合； FFriOOMTfF0fF0FF螺紋聯(lián)接組的設(shè)計3 （1）對于鉸制孔用螺栓聯(lián)接（圖b），每個螺栓所受工作剪力為： （2）對于普通螺栓聯(lián)接（圖a） ，按預緊后接合面間所產(chǎn)生的最大摩擦力必須大于或等于橫向載荷的要求，有：

10、 式中：z為螺栓數(shù)目。 圖示為由四個螺栓組成的受橫向載荷的螺栓組聯(lián)接。1受橫向載荷的螺栓組聯(lián)接zFFFKzifFS0fziFKFS0或螺栓組聯(lián)接的設(shè)計 Ks為防滑系數(shù)，設(shè)計中可取Ks =1.11.3。FFFFb)a)螺紋聯(lián)接組的設(shè)計4 采用普通螺栓和鉸制孔用螺栓組成的螺栓組受轉(zhuǎn)矩時的受力情況是不同的。2受轉(zhuǎn)矩的螺栓組聯(lián)接TKfrFfrFfrFsz02010 TrFziii1 采用普通螺栓，是靠聯(lián)接預緊后在接合面間產(chǎn)生的摩擦力矩來抵抗轉(zhuǎn)矩T。 采用鉸制孔用螺栓，是靠螺栓的剪切和螺栓與孔壁的擠壓作用來抵抗轉(zhuǎn)矩T。iirFrFmaxmaxZiirTrF12maxmaxziirfTKF1S0螺栓組聯(lián)接

11、的設(shè)計 螺紋聯(lián)接組的設(shè)計5螺栓組聯(lián)接的設(shè)計3受軸向載荷的螺栓組聯(lián)接 若作用在螺栓組上軸向總載荷F作用線與螺栓軸線平行，并通過螺栓組的對稱中心，則各個螺栓受載相同，每個螺栓所受軸向工作載荷為： 通常，各個螺栓還承受預緊力F0的作用，當聯(lián)接要有保證的殘余預緊力為F1時，每個螺栓所承受的總載荷F2為。zFFF2 = F1 + F 螺紋聯(lián)接組的設(shè)計6螺栓組聯(lián)接的設(shè)計4受傾覆力矩的螺栓組聯(lián)接 傾覆力矩 M 作用在聯(lián)接接合面的一個對稱面內(nèi)，底板在承受傾覆力矩之前，螺栓已擰緊并承受預緊力F0。 作用在底板兩側(cè)的合力矩與傾覆力矩M平衡，即： 由此可以求出最大工作載荷：ziLFM1iiZiLMLF12imaxm

12、ax 螺紋聯(lián)接組的設(shè)計7螺栓組聯(lián)接的設(shè)計0maxPPWMAzFss00minPWMAzFs螺栓的總拉力：maxmbb02FCCCFF 為防止結(jié)合面受壓最大處被壓碎或受壓最小處出現(xiàn)間隙，要求： 底板受傾覆力矩后，在軸線 O-O 左側(cè)，螺栓與地基的工作點分別移至B1 和C1 ，兩者作用在底板上的合力為F。 受傾覆力矩的底板螺栓組聯(lián)接的受力過程可用右圖表示。 在軸線O-O 右側(cè)，螺栓與地基的工作點分別移至B2 和C2 ，兩者作用在底板上的合力為 Fm 。在傾覆力矩作用前，螺栓和地基的工作點都處于A點。 提高螺紋聯(lián)接強度的措施提高螺紋聯(lián)接強度的措施以螺栓聯(lián)接為例，螺栓聯(lián)接的強度主要取決于螺栓的強度，因

13、此，提高螺栓的強度，將大大提高聯(lián)接系統(tǒng)的可靠性。影響螺栓強度的因素主要有以下幾個方面，或從以下幾個方面提高螺栓強度。改善螺紋牙上載荷分布不均的現(xiàn)象降低影響螺栓疲勞強度的應力幅減小應力集中的影響采用合理的制造工藝 分析分析分析國家標準規(guī)定了螺紋聯(lián)接件的性能等級。螺栓、螺柱、螺釘?shù)男阅艿燃壏譃?0級，螺母的性能等級分為 7級。在一般用途的設(shè)計中，通常選用4.8級左右的螺栓，在重要的或有特殊要求設(shè)計中的螺紋聯(lián)接件，要選用高的性能等級，如在壓力容器中常采用8.8級的螺栓。螺紋聯(lián)接件的材料與許用應力螺紋聯(lián)接件的材料與許用應力一、螺紋聯(lián)接件材料常用的螺紋聯(lián)接件材料為Q215、Q235、35、45等碳素鋼。

14、當強度要求高時，還可采用合金鋼，如15Cr、40Cr等。性能等級二、螺紋聯(lián)接件的許用應力1螺紋聯(lián)接件的許用拉應力2螺紋聯(lián)接件的許用剪應力和許用擠壓應力3螺紋聯(lián)接件的安全系數(shù)說明SssssSsPsPSss（被聯(lián)接件為鋼）PBPSss（被聯(lián)接件為鑄鐵） 螺旋傳動1螺旋傳動一、螺旋傳動的類型和應用傳力螺旋傳導螺旋 調(diào)整螺旋螺旋傳動按其螺旋副摩擦性質(zhì)的不同，又可分為：說明滑動螺旋 滾動螺旋 靜壓螺旋說明 螺旋傳動是利用螺桿和螺母組成的螺旋副來實現(xiàn)傳動的。它主要用于將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動，同時傳遞動力。螺旋傳動按其用途不同，可分為以下三種類型: 螺旋機構(gòu)在機床的進給機構(gòu)、起重設(shè)備、鍛壓機械、測量儀器、

15、工具、夾具、玩具及其他工業(yè)裝備中有著廣泛的應用。 螺旋傳動常見的運動形式有：螺桿轉(zhuǎn)動，螺母移動或螺母固定，螺桿轉(zhuǎn)動并移動。 螺旋傳動2螺旋傳動二、滑動螺旋的結(jié)構(gòu)和材料1滑動螺旋的結(jié)構(gòu)整體螺母組合螺母剖分螺母螺母結(jié)構(gòu): 滑動螺旋的結(jié)構(gòu)主要是指螺桿、螺母的固定和支承的結(jié)構(gòu)形式。螺旋傳動的工作剛度與精度等和支承結(jié)構(gòu)有直接關(guān)系。固定螺釘調(diào)整螺釘調(diào)整楔快 螺桿的材料要有足夠的強度和耐磨性。螺母的材料除了要有足夠的強度外，還要求在與螺桿材料相配合時摩擦系數(shù)小和耐磨。2滑動螺旋的材料說明 螺旋傳動3螺旋傳動三、滑動螺旋傳動的設(shè)計計算主要失效形式: 螺牙的磨損 設(shè)計準則：按抗磨損確定直徑，選擇螺距； 校核螺桿

16、、螺母強度等。設(shè)計方法和步驟：1耐磨性計算 滑動螺旋的耐磨性計算，主要是限制螺紋工作面上的壓力，其強度條件：22phHdFPhudFp設(shè)計公式：令2dH則得：2phFPd5 . 32 . 1一般值越大，螺母越厚，螺紋工作圈數(shù)越多。式中:Ph5 . 030鋸齒形螺紋Ph75.0矩形和梯形螺紋螺紋工作高度 螺旋傳動4螺旋傳動2122122)4343dTFdca（ssssca 依據(jù)計算出的螺紋中徑，按螺紋標準選擇合適的直徑和螺距。驗算：10PHu若不滿足要求，則增大螺距。對有自鎖性要求的螺旋傳動，應校核自鎖條件：vy2螺桿的強度計算 對于受力比較大的螺桿，需根據(jù)第四強度理論求出危險截面的計算應力：螺桿的強度條件：vvffarctancosarctan式中，F(xiàn)為螺桿所受的軸