機械設(shè)計 課件 第3章螺紋連接與螺旋傳動

第3章螺紋連接與螺旋傳動Chapter3ScrewJoints3.1螺紋的形成和主要參數(shù)3.2螺紋連接的基本類型和螺紋緊固件3.3螺紋連接的擰緊和防松3.4螺栓連接的強度計算3.5螺栓組連接的受力分析3.6提高螺栓連接強度的措施3.7螺旋傳動3.1螺紋的形成和主要參數(shù)3.1.1螺紋的形成Chapter3ScrewJointsChapter3ScrewJoints連接：效率低、自鎖性好。傳動：效率高、自鎖性差。30°3°30°60°三角形梯形鋸齒形矩形單線，用于連接粗牙：一般情況下使用。細牙：d相同，p小，

小，牙淺，自鎖性好，但不耐磨，易滑扣。∴用于變載荷場合。螺紋牙形：三角形、梯形、鋸齒形、矩形等

Chapter3ScrewJoints螺紋位置：

內(nèi)螺紋——螺母；外螺紋——螺釘。旋向判定：順著軸線方向看，可見側(cè)左邊高則為左旋，右邊高則為右旋。思考：螺紋旋向：左旋螺紋；右旋螺紋（常用）左旋右旋右旋左旋n=1n=2Chapter3ScrewJoints螺紋線數(shù)（頭數(shù)）：

單線（用于連接）；多線（用于傳動）。

Chapter3ScrewJoints3.1.2螺紋的主要參數(shù)2.螺距

p1.直徑大徑d：公稱直徑

M20→d=20mm小徑d1：螺紋的最小直徑中徑d2：齒厚=齒槽寬處直徑

一般?。篸2=(d+d1)/23.

導(dǎo)程Pb：Pb=np4.

螺旋線導(dǎo)程角：5.牙形角

：螺紋牙兩側(cè)面夾角6.牙形斜角

：對于對稱牙型：

=

/2

Chapter3ScrewJoints3.2螺紋連接的基本類型和螺紋緊固件3.2.1螺紋連接的基本類型（注意各結(jié)構(gòu)圖的畫法）1、螺栓連接受拉——普通螺栓普通螺栓：無需在被連件上加工螺紋孔，裝拆方便，用于兩被聯(lián)件均不太厚的場合。受剪——鉸制孔螺栓鉸制孔螺栓：除起連接作用外，還起定位作用。Chapter3ScrewJoints3、雙頭螺柱連接

用于有一連接件較厚，并經(jīng)常裝拆的場合，拆卸時只需擰下螺母即可。2、螺釘連接

用于有一連接件較厚，且不需經(jīng)常裝拆的場合。Chapter3ScrewJoints4、緊定螺釘連接

螺釘末端頂住另一零件的表面或相應(yīng)凹坑，以固定兩個零件的相互位置，并可傳遞不大的力或力矩。3.2.2螺紋緊固件常用的螺紋緊固件有螺栓、螺釘、雙頭螺柱、螺母、墊圈等。Chapter3ScrewJointsChapter3ScrewJoints1、螺栓、螺柱、螺釘：9個性能等級，如：4.6、4.8、5.6……性能等級材料性能如：6.8σBmin/100=6σBmin=600MPa10(σsmin/σBmin)=8σsmin=480MPa或σsmin=(6×8)×10=480MPa低碳鋼或中碳鋼2、螺母：7個等級，與螺栓性能相配。（見表3.1）3.2.3

螺紋緊固件的材料和性能等級（見表3.1）3.3螺紋連接的擰緊和防松擰緊的目的、實質(zhì)及預(yù)緊力F

受載之前擰緊螺母預(yù)緊力F

預(yù)緊↑連接剛度↑防松能力↑緊密性螺母支承面間的摩擦阻力矩擰緊力矩：T=T1+T2螺紋副間的摩擦力矩Chapter3ScrewJoints3.3.1螺紋連接的擰緊1.擰緊力矩——螺紋副間有效圓周力Chapter3ScrewJoints∴kt——擰緊力矩系數(shù)，一般取kt=0.22、擰緊力矩的控制T↑F↑拉斷、滑扣T↓不能滿足工作要求控制T的大小一般情況憑經(jīng)驗，擰緊即可。方法：測量螺栓伸長量（大型螺栓連接）定力矩扳手測力矩扳手Chapter3ScrewJoints按防松原理不同，分為三類：1.利用附加摩擦力防松Chapter3ScrewJoints彈簧墊圈開口方向：斜向右下方3.3.2螺紋連接的防松對頂螺母Chapter3ScrewJoints尼龍圈鎖緊螺母2.采用專門防松原件防松開口銷與槽形螺母Chapter3ScrewJoints帶翅防松墊圈和圓螺母止動墊片正確不正確注意鋼絲串繞方向串聯(lián)鋼絲Chapter3ScrewJoints3.永久性防松膠接沖點焊住Chapter3ScrewJoints3.4螺栓連接的強度計算螺栓連接受拉螺栓受剪螺栓松連接：不擰緊，無預(yù)緊力F’，僅受工作載荷F緊連接：需擰緊僅受預(yù)緊力F’同時受預(yù)緊力F’和工作載荷F3.4.1受拉螺栓連接的強度計算對于受拉螺栓，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。Chapter3ScrewJoints1.受拉松螺栓連接如：起重滑輪螺栓僅受軸向工作拉力F——失效：拉斷強度條件：MPa

——校核式式中：d1——危險截面計算直徑[σ]——許用應(yīng)力，[σ]=σs／[S]，見表3.2。mm——設(shè)計式查手冊，選螺栓Chapter3ScrewJoints2.只受預(yù)緊力F’的緊螺栓連接外載荷FR——對螺栓為橫向力——靠摩擦力傳遞a.FR作用下，板不滑移：FR≤Ff，而Ff—→F’。b.按F’計算：F’為螺栓軸向負荷—→拉應(yīng)力c.擰緊過程中，在T1作用下螺栓受扭—→產(chǎn)生τT對鋼制M10~M68螺栓：τT≈0.5σ。d.危險截面上受復(fù)合應(yīng)力（σ、τT）作用→強度準則螺栓為塑性材料→第四強度理論。Chapter3ScrewJoints

——校核式即：1.3意義：緊連接時，將拉應(yīng)力增大30%以考慮擰緊力矩的影響。mm

——設(shè)計式3.受預(yù)緊力F’和軸向拉伸載荷F的緊螺栓連接a、未擰狀態(tài)b、擰緊狀態(tài)F’c、工作狀態(tài)F變形受力過程：Chapter3ScrewJointsδ2F’

—→δ1—→+F—→δ1+Δδ1δ2-Δδ2變形協(xié)調(diào)條件：Δδ1=Δδ2=Δδ各力定義1、預(yù)緊力F’（擰緊螺母后，作用在螺栓上的拉力和被連件上壓力）2、螺栓總拉力F0

3、工作載荷F（外載荷）4、F”殘余預(yù)緊力。思考：圖b中，F(xiàn)0=？圖c中，F(xiàn)0=F+F’？靜力平衡條件：

F0=F+F”即：螺栓總拉力等于工作載荷與剩余預(yù)緊力之和?！?/p>

上述過程還可通過力——變形圖表示Chapter3ScrewJoints螺栓剛度：被連件剛度：在合并圖中：∴——檢查F”的大小即：螺栓總拉力等于預(yù)緊力加上部分工作載荷。由于兩圖合并Chapter3ScrewJoints討論：1、——螺栓相對剛度系數(shù)當F、F’一定時，∴為↓螺栓受力—→選擇不同墊片↓—→應(yīng)使2、：不出現(xiàn)縫隙。(由驗算)(P32)同理，考慮扭轉(zhuǎn)作用，強度條件為：——校核式mm——設(shè)計式Chapter3ScrewJointsChapter3ScrewJoints若工作載荷為變載荷：當工作載荷在F1~F2變化時，螺栓總拉力在F01~F02之間變化變載荷下螺栓失效：Fa作用下的疲勞拉斷Fa——拉力變幅：∴應(yīng)力幅：螺栓許用應(yīng)力幅（表3.2）降低C1或增大C2，疲勞強度提高。1、失效形式：3、剪切強度條件d——桿抗剪面直徑m——抗剪面數(shù)目[τ]——許用剪應(yīng)力，表3.32、擠壓強度條件h——對象受壓高度；[σp]——許用擠壓應(yīng)力，表3.3，取弱者計算。Chapter3ScrewJoints3.4.2受剪螺栓連接的強度計算壓潰、剪斷。3.5螺栓組連接的受力分析思路：連接結(jié)構(gòu)形式、外載荷類型—→螺栓受力—→找出受載最大螺栓—→按單個螺栓連接的計算方法計算1.受軸向載荷的螺栓組連接Chapter3ScrewJoints特點：載荷與螺栓軸線平行，

并通過螺栓組對稱中心。

各螺栓組平均受載：F=FQ/z螺栓還受F’

—→F0

—→

對有緊密性要求的壓力容器、氣缸蓋等：螺栓間距應(yīng)滿足表3.4中的值承載方式：受剪螺栓（靠桿的剪切與擠壓承載）受拉螺栓（由F’在結(jié)合面產(chǎn)生的摩擦力承載）（1）采用受拉螺栓工作條件：按僅受F’的緊連接計算。式中：μs——

結(jié)合面的摩擦系數(shù)；

z——

螺栓個數(shù)；

m——

結(jié)合面數(shù)目，圖中m=2；

kf——可靠系數(shù)（防滑系數(shù)），kf=1.1~1.5。Chapter3ScrewJoints2.受橫向載荷的螺栓組連接（2）采用受剪螺栓假定每個螺栓受載相同，則工作條件：剪切計算擠壓計算Chapter3ScrewJoints3.受旋轉(zhuǎn)力矩T的螺栓組連接特點：在轉(zhuǎn)矩T作用下，底板有繞螺栓組形心軸線O-O旋轉(zhuǎn)的趨勢。橫向力受拉螺栓受剪螺栓摩擦力承載，各螺栓處產(chǎn)生相等的摩擦力（1）受拉螺栓連接工作條件：（2）受剪螺栓連接

靠剪切和擠壓承載，各螺栓在T作用下受橫向力Fs。問題：Fs1=Fs2=…=Fsz

？即Fsi與ri成正比：或工作條件：

Fs1r1+Fs2r2+…+Fszrz=T變形協(xié)調(diào)條件：底板視為剛體，ri↑—→剪切變形量↑—→Fsi↑Chapter3ScrewJoints代入工作條件中，得：4.受翻轉(zhuǎn)力矩M的螺栓組連接特點：在M作用下，底板有繞螺栓組形心軸翻轉(zhuǎn)的趨勢。作用M前：各螺栓受相同F(xiàn)’作用M后：左側(cè)：F拉(不均勻)，右側(cè)：F壓(不均勻)→F’↓Chapter3ScrewJoints工作條件：變形協(xié)調(diào)條件：其它條件：附加校核討論：設(shè)計時，如何布置螺栓更合理？——遠離對稱中心ri↑→Fmax↓實際應(yīng)用可轉(zhuǎn)化為上述四種狀態(tài)的不同組合：分別計算迭加橫向載荷和旋轉(zhuǎn)力矩軸向載荷和翻轉(zhuǎn)力矩強度計算左側(cè)不出現(xiàn)縫隙右側(cè)邊緣不壓潰Chapter3ScrewJointsChapter3ScrewJoints例3.1~例3.4Chapter3ScrewJointsChapter3ScrewJointsChapter3ScrewJoints作業(yè)：3.4①；3.71）；3.8；3.93.6提高螺栓連接強度的措施工作時，螺栓受拉，p↑螺母受壓，p↓兩者產(chǎn)生螺距差1.使載荷在螺紋各圈均勻分布第一圈Δp最大，受力最大，第8~10圈后幾乎不受力Chapter3ScrewJoints→各圈受載不均辦法：采用受拉螺母、螺母的螺紋切制出很小的錐度2.減小螺栓剛度或增大被連接件剛度σmax

一定時：σa↓—→疲勞強度↑當F、F”不變時：↓c1

或↑c2。1）降低螺栓剛度c1

1<

1‘Chapter3ScrewJoints措施：

1）采用細長螺栓

2）采用柔性螺栓措施：不宜采用剛度小的墊片。2）提高被連件剛度c2

2>

2‘Chapter3ScrewJoints3.減輕應(yīng)力集中收尾：退刀槽；增大牙根處過渡圓角半徑。（較差）（較好）4.減小附加彎曲應(yīng)力螺紋孔不正、被連接件表面不平、發(fā)生變形等。引起附加彎曲應(yīng)力因素：Chapter3ScrewJoints措施：墊圈、凸臺、沉孔等。思考：采用凸臺、沉孔的目的？Chapter3ScrewJoints（1）傳力螺旋1.按用途分螺旋起重器（千斤頂）3.7.1螺旋傳動的分類3.7螺旋傳動螺旋壓力機（2）傳導(dǎo)螺旋（3）調(diào)整螺旋螺旋傳動分類-按摩擦性質(zhì)分2.按摩擦性質(zhì)分（1）滑動螺旋傳動：構(gòu)造簡單、承載能力高、加工方便、工作可靠、易于自鎖。缺點是：傳動效率低（30~40%）、磨損快、壽命短，低速時有爬行現(xiàn)象（滑移），摩擦損耗大，傳動精度低。（2）滾動螺旋傳動：螺紋幅之間的摩擦性質(zhì)為滾動摩擦。按循環(huán)方式有：內(nèi)循環(huán)、外循環(huán)兩種。Chapter3ScrewJoints（3）靜壓螺旋傳動：螺紋副之間的摩擦性質(zhì)為液體摩擦，靠外部液壓系統(tǒng)提供壓力油，壓力油進入螺桿與螺母螺紋間的油缸，促使螺桿、螺母的螺紋牙間產(chǎn)生壓力油膜而分隔開Chapter3ScrewJoints3.7.2滑動螺旋的結(jié)構(gòu)和材料1.滑動螺旋的結(jié)構(gòu)（1）支撐結(jié)構(gòu)螺桿長徑比小時：直接用螺母支承螺桿，如千斤頂；螺桿長徑比大時，且水平布置：在兩端與中間附加支承，以提高螺桿剛度，如機床絲杠。Chapter3ScrewJoints1—托杯2—螺釘3—手柄4—擋環(huán)5—螺母6—緊定螺釘7—螺桿8—底座

9—擋板（2）螺母結(jié)構(gòu)

整體式：結(jié)構(gòu)簡單，但磨損后精度較差。剖分式：磨損后可補償間隙、精度較高。組合式：適于雙向傳動，可提高傳動精度消除空回誤差。Chapter3ScrewJoints滑動螺旋的齒形常用梯形和鋸齒形螺旋副的材料Chapter3ScrewJoints滑動螺旋的材料選擇除考慮有一定的強度外，還要求螺桿螺母配對后摩擦系數(shù)小、耐磨性好。

(表3.5)2.滑動螺旋副的材料bπd2滑動螺旋傳動的設(shè)計計算3.7.3滑動螺旋的設(shè)計計算1.耐磨性設(shè)計計算(螺母牙為研究對象)主要的失效形式：磨損→傳動精度下降，并使強度下降影響磨損的因素：工作面的比壓、螺紋表面質(zhì)量，滑動速度和潤滑狀態(tài)等螺紋的工作高度