機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)第9章 螺紋連接

1、螺紋的類型及主要參數(shù)螺紋副的受分分析、效率和自鎖螺紋聯(lián)接的基本類型螺紋聯(lián)接的預(yù)緊與防松單個(gè)螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算提高螺栓聯(lián)接強(qiáng)度的措施2被聯(lián)接件的相互位置固定，工作時(shí)不能變化如：蝸輪的齒圈與輪心 連接：joint利用不同方式把機(jī)械零件聯(lián)成一體的技術(shù) 可拆連接靜連接動(dòng)連接被聯(lián)接件的相互位置工作時(shí)可按需要變化如：變速箱中滑移齒輪與軸 不可拆連接螺紋連接、鍵連接、銷連接焊接、鉚接、粘接分類： 39-1 9-1 螺紋（螺紋（thread)thread)一、螺紋的形成及主要參數(shù)一、螺紋的形成及主要參數(shù) 將一直角邊水平的直角三角形繞在一豎直放置的圓柱體上，則三角形的斜邊就形成一條螺旋線。 取圖中右上角的任一平

2、面圖形，使它沿著螺旋線運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)時(shí)保持該圖形通過圓柱的軸線，則該圖形的軌跡就是螺紋。 4d d ( (D D) )： 螺紋大徑，螺紋大徑，公稱直徑公稱直徑d d1 1( ( D D1 1) )：螺紋小徑：螺紋小徑d d2 2 ( ( D D2 2) )：螺紋中徑：螺紋中徑n n：螺旋線數(shù)目：螺旋線數(shù)目p p：螺距：螺距S S：導(dǎo)程，：導(dǎo)程，S S = = npnp：螺紋升角：螺紋升角( ( 中徑中徑d d2 2 圓周上圓周上) ) h h：螺牙工作高度，：螺牙工作高度，接觸面的徑向高度接觸面的徑向高度 ：牙型角：牙型角 連接螺紋連接螺紋 n n =1=1 危險(xiǎn)截面計(jì)算直徑危險(xiǎn)截面計(jì)算直徑S S

3、 = = npnp22tanSnpdd ：牙側(cè)角：牙側(cè)角 5牙牙型型三角形三角形矩矩 形形鋸齒形鋸齒形梯梯 形形普通螺紋普通螺紋管管 螺螺 紋紋 管路連接管路連接一般連接一般連接傳遞運(yùn)動(dòng)或傳力傳遞運(yùn)動(dòng)或傳力( (效率高效率高) )牙頂較大圓角，旋合牙頂較大圓角，旋合后無徑向間隙，英制后無徑向間隙，英制細(xì)牙螺紋細(xì)牙螺紋粗牙螺紋粗牙螺紋細(xì)牙螺紋細(xì)牙螺紋 薄壁零件或微調(diào)裝置薄壁零件或微調(diào)裝置6螺紋旋向：螺紋旋向： 常用右旋常用右旋，特殊要求時(shí)用左旋，特殊要求時(shí)用左旋粗牙螺紋粗牙螺紋 =0=0 =3=3 = =1515 =30=30 四種螺紋的牙側(cè)角：四種螺紋的牙側(cè)角：同一：同一d d 下螺距下螺距

4、p p 最大的螺紋最大的螺紋 同一同一d d 下螺距下螺距 p p 小的螺紋小的螺紋 粗牙、細(xì)牙螺紋標(biāo)記示例：粗牙、細(xì)牙螺紋標(biāo)記示例：M12M12細(xì)牙螺紋：細(xì)牙螺紋：M12M121.51.5、 M12M121.251.25 粗牙粗牙細(xì)牙細(xì)牙( (要標(biāo)出螺距要標(biāo)出螺距) )，用于一般連接，用于一般連接 強(qiáng)度高、自鎖性好強(qiáng)度高、自鎖性好 用于薄壁或微調(diào)機(jī)械中用于薄壁或微調(diào)機(jī)械中 7二、螺紋的分類二、螺紋的分類 按照螺旋線的按照螺旋線的旋向旋向，螺紋分為，螺紋分為左旋和右旋螺紋左旋和右旋螺紋。機(jī)。機(jī)械制造中一般采用右旋螺紋。械制造中一般采用右旋螺紋。 按照按照螺旋線的數(shù)目螺旋線的數(shù)目，螺紋還分為，螺

5、紋還分為單線單線螺紋和等距排螺紋和等距排列的列的多線多線螺紋。為了制造方便，螺紋的線數(shù)一般不超過螺紋。為了制造方便，螺紋的線數(shù)一般不超過4 4。 螺紋有螺紋有內(nèi)螺紋和外螺紋內(nèi)螺紋和外螺紋之分，兩者旋合組成螺旋副之分，兩者旋合組成螺旋副或稱螺紋副?；蚍Q螺紋副。 按照按照母體形狀母體形狀，螺紋分為，螺紋分為圓柱螺紋圓柱螺紋和和圓錐螺紋圓錐螺紋。 用于聯(lián)接的螺紋稱為用于聯(lián)接的螺紋稱為聯(lián)接螺紋聯(lián)接螺紋；用于傳動(dòng)的螺紋稱；用于傳動(dòng)的螺紋稱為為傳動(dòng)螺紋傳動(dòng)螺紋，相應(yīng)的傳動(dòng)稱為螺旋傳動(dòng)。，相應(yīng)的傳動(dòng)稱為螺旋傳動(dòng)。8螺旋線方向及螺紋軸向力的判定螺旋線方向及螺紋軸向力的判定一、螺旋線方向的判定一、螺旋線方向的判

6、定 左(右)手自然展開成掌，使拇指與螺紋軸線平行，若左手四個(gè)指頭的指向與螺紋牙走向一致，則螺紋為左旋螺紋；則螺紋為右旋螺紋。(見右圖中左旋螺紋的判定)二、螺紋軸向力的判定二、螺紋軸向力的判定 在螺母固定的情況下，旋動(dòng)螺桿時(shí)，螺桿將沿軸線方向前進(jìn)或后退，這說明螺桿受到了一個(gè)沿運(yùn)動(dòng)方向的作用這說明螺桿受到了一個(gè)沿運(yùn)動(dòng)方向的作用力。力。該作用力方向的判定方法是對(duì)左、右旋螺紋分別采用左、右手定則。具體做法如下：拇指伸直，其余四指握拳，令四指彎曲方向與螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)方向一致，拇指的指向即是螺桿前進(jìn)的方向。9-2 9-2 螺紋副受力分析、效率和自鎖螺紋副受力分析、效率和自鎖分析兩個(gè)工程實(shí)例：分析兩個(gè)工程實(shí)例：用

7、千斤頂提升重物時(shí)，如何計(jì)算手柄上的水平推力用千斤頂提升重物時(shí)，如何計(jì)算手柄上的水平推力F FT T？螺紋連接擰緊螺母螺紋連接擰緊螺母用千斤頂提升重物用千斤頂提升重物FFFTF擰緊螺母時(shí)，若忽略螺母與支撐面間的摩擦力矩，如何計(jì)擰緊螺母時(shí)，若忽略螺母與支撐面間的摩擦力矩，如何計(jì)算扳手的擰緊力矩算扳手的擰緊力矩T T？10FdTF 22螺旋副的相對(duì)運(yùn)動(dòng)可近似看作螺旋副的相對(duì)運(yùn)動(dòng)可近似看作 作用在中徑的水平推力作用在中徑的水平推力F F 推動(dòng)重物沿螺紋表推動(dòng)重物沿螺紋表面的勻速運(yùn)動(dòng)面的勻速運(yùn)動(dòng)在水平推力在水平推力F F 作用下，重物沿斜面的勻作用下，重物沿斜面的勻速運(yùn)動(dòng)速運(yùn)動(dòng) 如果求出假想的水平驅(qū)動(dòng)力

8、如果求出假想的水平驅(qū)動(dòng)力F F，則驅(qū)動(dòng)力矩，則驅(qū)動(dòng)力矩T T 為：為：FaFpd2s 11摩擦角摩擦角： = arctan = arctan f ff f 為摩擦系數(shù)為摩擦系數(shù)水平驅(qū)動(dòng)力：水平驅(qū)動(dòng)力：驅(qū)動(dòng)力矩：驅(qū)動(dòng)力矩：即為摩擦副間的阻力矩即為摩擦副間的阻力矩當(dāng)升角較大，重物要?jiǎng)蛩傧禄瑫r(shí)：當(dāng)升角較大，重物要?jiǎng)蛩傧禄瑫r(shí)： 重物要?jiǎng)蛩偕仙龝r(shí)：重物要?jiǎng)蛩偕仙龝r(shí)：水平驅(qū)動(dòng)力：水平驅(qū)動(dòng)力：驅(qū)動(dòng)力矩：驅(qū)動(dòng)力矩：12 Rv FaNfNF139-2 9-2 螺紋副受力分析、效率和自鎖螺紋副受力分析、效率和自鎖輸入功：輸入功： W1 = 2 TW2 = Fa S輸出功：輸出功：重物上升時(shí)：重物上升時(shí)：= 2 t

9、an(+)Fad22=21WW= Fa d2tantan tan( +)=效效 率：率：tan=Sd2如何提高螺旋副間的效率？如何提高螺旋副間的效率？重物下降時(shí)：tan( )tan=14當(dāng)量摩擦角當(dāng)量摩擦角：法向力增加為：法向力增加為：摩擦力增加為：摩擦力增加為：a/cosNF a/cosfF 引入引入當(dāng)量摩擦系數(shù)當(dāng)量摩擦系數(shù)v/cosff v v = arctan = arctan f fv v把力的增加看作是摩擦系數(shù)的增加把力的增加看作是摩擦系數(shù)的增加NfNv FaFNR 15用 fv f，用 v F F = = F Fa atan(tan( r rv v ）T Ttan(tan( v v

10、 ) )=F=Fa ad d2 22 2tan tan tan(tan( + +v v ) )= =tan(tan(v v) )tantan= =v v16螺螺旋旋千千斤斤頂頂不同場(chǎng)合螺旋副，自鎖和效率要求不同不同場(chǎng)合螺旋副，自鎖和效率要求不同連接螺紋，必須具有自鎖性連接螺紋，必須具有自鎖性對(duì)于某些傳力螺旋，要求自鎖對(duì)于某些傳力螺旋，要求自鎖對(duì)于傳遞運(yùn)動(dòng)的螺旋副，要求效率高，不需自鎖對(duì)于傳遞運(yùn)動(dòng)的螺旋副，要求效率高，不需自鎖如：車床絲杠與刀架螺旋副如：車床絲杠與刀架螺旋副179-3 9-3 螺紋聯(lián)接的基本類型螺紋聯(lián)接的基本類型189-3 9-3 螺紋聯(lián)接的基本類型螺紋聯(lián)接的基本類型19聯(lián)接零件

11、標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)接零件標(biāo)準(zhǔn) 螺紋緊固件的品種很多，包括：螺栓、雙頭螺柱、螺釘、緊定螺釘、螺母、墊圈，大都已標(biāo)準(zhǔn)化，它是一種商品性零件，經(jīng)合理選擇其規(guī)格、型號(hào)后，可直接到五金商店購(gòu)買。 例：螺栓 M12100 GB5782-86 名稱：六角頭螺栓 公稱直徑：12mm 公稱長(zhǎng)度：100209-4 9-4 螺紋聯(lián)接的預(yù)緊和放松螺紋聯(lián)接的預(yù)緊和放松TF預(yù)緊目的：預(yù)緊目的：增強(qiáng)連接可靠性，使接合面具有足增強(qiáng)連接可靠性，使接合面具有足夠的緊密性或承受橫向工作載荷夠的緊密性或承受橫向工作載荷如何控制如何控制F F？一般連接無需控制，擰緊程度一般連接無需控制，擰緊程度由經(jīng)驗(yàn)決定由經(jīng)驗(yàn)決定重要連接，需重要連接，需控制擰緊

12、力矩控制擰緊力矩T T 的大小的大小T = T1+T2v2tan()2dF cff F r )N.mm(2.0dF 219-4 9-4 螺紋聯(lián)接的預(yù)緊和放松螺紋聯(lián)接的預(yù)緊和放松二、螺紋聯(lián)接的放松二、螺紋聯(lián)接的放松 聯(lián)接用的三角形螺紋都具有自鎖性，在靜載荷和工作溫度變化不大時(shí)不會(huì)自動(dòng)松脫。 但是在沖擊、振動(dòng)和變載的作用下，預(yù)緊力可能在某一瞬間消失，聯(lián)接仍有可能松脫。高溫的螺紋聯(lián)接，由于溫度變形差異等原因，也可能發(fā)生松脫現(xiàn)象，因此設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮防松。螺紋聯(lián)接防松的根本問題在于防止螺紋副的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。22沖頭法、粘合法沖頭法、粘合法彈簧墊圈彈簧墊圈對(duì)頂螺母對(duì)頂螺母鎖緊螺母鎖緊螺母開口銷與槽形螺母開口銷

13、與槽形螺母止動(dòng)墊圈止動(dòng)墊圈串聯(lián)金屬絲串聯(lián)金屬絲2324 合理確定螺栓的間距和邊距，保證足夠的扳手空間合理確定螺栓的間距和邊距，保證足夠的扳手空間 合理布置螺栓，使其受載減小合理布置螺栓，使其受載減小受旋轉(zhuǎn)或翻轉(zhuǎn)力矩作用受旋轉(zhuǎn)或翻轉(zhuǎn)力矩作用時(shí)，盡量將螺栓遠(yuǎn)離接時(shí)，盡量將螺栓遠(yuǎn)離接合面對(duì)稱軸布置合面對(duì)稱軸布置嚴(yán)格密封：嚴(yán)格密封：t t 2.52.5d d ；一般：；一般： t t (5(58)8)d d T Tt tt t25 支承面應(yīng)光潔、平整，并與軸線垂直，避免螺栓受附支承面應(yīng)光潔、平整，并與軸線垂直，避免螺栓受附加彎矩作用加彎矩作用269-5 螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算一、聯(lián)接螺栓

14、的一、聯(lián)接螺栓的失效和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則失效和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 雙頭螺柱連接、螺釘連接與螺栓連接類似雙頭螺柱連接、螺釘連接與螺栓連接類似27螺栓連接的受載情況：螺栓連接的受載情況：普通螺栓普通螺栓鉸制孔螺栓鉸制孔螺栓用于軸向或橫向工作載荷用于軸向或橫向工作載荷用于軸向工作載荷用于軸向工作載荷R RR RR RR RF FF F松螺栓松螺栓緊螺栓緊螺栓用于橫向工作載荷用于橫向工作載荷28裝配時(shí)不擰緊，無預(yù)緊力裝配時(shí)不擰緊，無預(yù)緊力 FF=FA 2141dF mm41 Fd 二、普通松螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算二、普通松螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算29三、普通緊螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算三、普通緊螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算 1. 1. 受橫向載荷的

15、普通螺栓連接受橫向載荷的普通螺栓連接 裝配時(shí)要擰緊，載荷作用前，螺栓裝配時(shí)要擰緊，載荷作用前，螺栓已受預(yù)緊力已受預(yù)緊力 F F但在但在擰緊螺母過程中擰緊螺母過程中，螺栓受螺栓受 F F和和 T T1 1 的聯(lián)合作用的聯(lián)合作用應(yīng)用第四強(qiáng)度理論把拉應(yīng)力和扭剪應(yīng)力合并成當(dāng)量拉應(yīng)力應(yīng)用第四強(qiáng)度理論把拉應(yīng)力和扭剪應(yīng)力合并成當(dāng)量拉應(yīng)力 靠摩擦力承受靠摩擦力承受R R此連接如何承受橫向載荷的？此連接如何承受橫向載荷的？螺栓桿受橫向剪切和擠壓?jiǎn)幔柯菟U受橫向剪切和擠壓?jiǎn)幔?只受拉力作用只受拉力作用拉、扭聯(lián)合作用下的強(qiáng)度問題拉、扭聯(lián)合作用下的強(qiáng)度問題RFFFFRFFT1T30FA 4/21dF T T1 1 引

16、起的引起的扭剪應(yīng)力扭剪應(yīng)力：131/16Td v231tan()2/16dFd 對(duì)于對(duì)于M10M10M68M68的的螺紋取平均近似螺紋取平均近似值：值：0.50.5 F F引起的引起的拉應(yīng)力拉應(yīng)力：v22112tan()/ 4dFdd 3122ca3 22)5 . 0(3 MPa4/3 . 13 . 121ca dF 3 . 1 mm141.3 Fd 普通螺栓聯(lián)接承受橫向載荷時(shí)，螺栓可按純拉伸強(qiáng)度計(jì)算，普通螺栓聯(lián)接承受橫向載荷時(shí)，螺栓可按純拉伸強(qiáng)度計(jì)算，但需將拉伸應(yīng)力增大但需將拉伸應(yīng)力增大30%30%，以考慮扭剪應(yīng)力的影響，以考慮扭剪應(yīng)力的影響 32FRCCRFf m mRFFFFRFF33m

17、fFR/zCCRFf mz /R z3 . 141 Fd34用普通螺栓連接承受橫向載荷時(shí)，螺栓的尺寸較大，怎么辦？用普通螺栓連接承受橫向載荷時(shí)，螺栓的尺寸較大，怎么辦？ 改進(jìn)措施：改進(jìn)措施： 采用無間隙的鉸制孔螺栓采用無間隙的鉸制孔螺栓 采用鍵、套筒、銷承擔(dān)橫向工作載荷采用鍵、套筒、銷承擔(dān)橫向工作載荷R R 而螺栓僅起連接作用而螺栓僅起連接作用 35F F0 0 = = F F+ + F F? ?2. 2. 受軸向工作載荷的普通螺栓連接受軸向工作載荷的普通螺栓連接力力變形圖變形圖36力力變形量變形量FF12變形量變形量力F121 12 2372112T F0 = F + F未擰緊未擰緊FFFF

18、F0F0FFFF1 = 2 = 螺栓總拉力螺栓總拉力剩余預(yù)緊力剩余預(yù)緊力軸向外載荷軸向外載荷F FF38力力變形12FF0FF1F 2F bcFFFFFKK cbcKFFFKK bbcKFFKK FFF 0F1 = -F=F+F-FF2=F-F剩余預(yù)緊力F021MPa/ 4Fd mm3 . 1401 Fd 考慮扭剪應(yīng)力的影響，故乘以系數(shù)考慮扭剪應(yīng)力的影響，故乘以系數(shù)1.31.3！ MPa4/3 . 13 . 1210ca dF40212CFFFCC 在一般計(jì)算中，可先根據(jù)聯(lián)接的工作要求規(guī)定殘余預(yù)緊力F”，其次由式求出總拉伸載荷F0，然后計(jì)算螺栓強(qiáng)度。41練練 習(xí)習(xí)n圖示為一普通螺栓聯(lián)接，預(yù)緊后

19、的受力圖示為一普通螺栓聯(lián)接，預(yù)緊后的受力變形圖已知。如果預(yù)緊力為變形圖已知。如果預(yù)緊力為500N500N，然后承受軸向拉伸工作載荷然后承受軸向拉伸工作載荷500N500N，問此，問此時(shí)螺栓及被連接件受載各為多少？時(shí)螺栓及被連接件受載各為多少？500N螺栓螺栓被連接件被連接件3060變形量變形量力力42R R直接作用在螺栓上直接作用在螺栓上 使螺栓桿受使螺栓桿受剪切剪切和和擠壓擠壓 此類螺栓預(yù)緊力小，計(jì)算時(shí)忽略此類螺栓預(yù)緊力小，計(jì)算時(shí)忽略 強(qiáng)度條件：強(qiáng)度條件： 20 MPa/4Rm d d d 0 0 ：螺栓桿受剪面直徑：螺栓桿受剪面直徑, ,即為光桿直徑即為光桿直徑鉸制孔用螺栓鉸制孔用螺栓 d

20、 d0 0 d dm m ：接合面對(duì)數(shù)：接合面對(duì)數(shù)MPapmin0p hdRh hminmin：兩方向相比，較小擠壓高度：兩方向相比，較小擠壓高度 設(shè)計(jì)時(shí)，按上述公式分別計(jì)算出設(shè)計(jì)時(shí)，按上述公式分別計(jì)算出 d d0 0 ，取大值，取大值若是螺栓組連接，處理方法同前若是螺栓組連接，處理方法同前439-6 提高螺栓聯(lián)接強(qiáng)度的措施提高螺栓聯(lián)接強(qiáng)度的措施 螺栓聯(lián)接在承受軸向變載荷時(shí)，其損壞形式多為疲勞斷裂，斷裂通常都發(fā)生在應(yīng)力集中較嚴(yán)重之處，如螺母支承平面所在處(旋合的第一圈)、螺紋收尾部和螺栓頭部等。各處失效的大致百分比見圖。以下簡(jiǎn)要說明提高強(qiáng)度的措施。9-6 螺栓組的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)44一、降低螺栓總拉伸

21、載荷的應(yīng)力幅一、降低螺栓總拉伸載荷的應(yīng)力幅 螺栓所受的軸向工作載荷在0F 間變化時(shí)，螺栓總拉伸載荷的變化范圍為 Fmax F min，減小螺栓剛度減小螺栓剛度k kb b 、增大被聯(lián)接件剛度、增大被聯(lián)接件剛度k kc c 都可以減小F0 的變化范圍，從而降低應(yīng)力幅，提高螺栓的疲勞強(qiáng)度。 45二、改善螺紋牙間的載荷分布二、改善螺紋牙間的載荷分布 采用懸置螺母或環(huán)槽螺母，則螺母懸置段與螺桿均為拉伸變形，有助于減少螺母與螺栓桿的螺距變化差，從而使載荷分布均勻。46三、減小應(yīng)力集中三、減小應(yīng)力集中 例如，在鑄件或鍛件等未加工表面上安裝螺栓時(shí)，常采用凸臺(tái)或沉頭座等結(jié)構(gòu)，經(jīng)切削加工后可獲得平整的支承面。四、避免或減小附加應(yīng)力四、避免或減小附加應(yīng)力 如圖所示，增大過渡圓角處的圓角(圖a)、切制卸載槽(圖b、c)都是使螺栓截面變化均勻、減小應(yīng)力集中的有效方法。五、采用合理的制造工藝采用合理的制造工藝47作業(yè)P198 9-10 9-1148課堂練習(xí)1. 起重機(jī)卷筒與大齒輪用8個(gè)普通螺栓連接在一起，已知卷筒直徑D=400mm，螺栓分布圓直徑D0=500mm，結(jié)合面間摩擦系數(shù)f=0.12