機(jī)械設(shè)計課件：螺栓聯(lián)接與螺旋傳動

機(jī)械設(shè)計螺紋聯(lián)接和螺旋傳動聯(lián)接的分類動聯(lián)接：機(jī)器工作時，零部件之間可以有相對運動。例如：機(jī)械原理中，各種運動副之間的聯(lián)接。靜聯(lián)接：在機(jī)器工作中，不允許零部件之間存在相對運動的聯(lián)接。靜聯(lián)接可拆聯(lián)接：不須毀壞聯(lián)接中的任何一個零件就可拆開的聯(lián)接。例如：螺紋聯(lián)接、鍵聯(lián)接。不可拆聯(lián)接：至少毀壞聯(lián)接中的一部分才能拆開的聯(lián)接。例如：鉚接、焊接等。過盈聯(lián)接下一頁5.1.1螺紋的主要參數(shù)和常用類型5.1螺紋與螺紋連接d2螺旋線----一動點在一圓柱體的表面上，一邊繞軸線等速旋轉(zhuǎn)，同時沿軸向作等速移動的軌跡。螺紋----一平面圖形沿螺旋線運動，運動時保持該圖形通過圓柱體的軸線，就得到螺紋。螺紋下一頁1、螺紋的形成按螺紋的牙型分螺紋的分類按螺紋的旋向分按螺旋線的根數(shù)分按回轉(zhuǎn)體的內(nèi)外表面分按螺旋的作用分按母體形狀分矩形螺紋三角形螺紋梯形螺紋鋸齒形螺紋下一頁螺紋的牙型矩形螺紋三角形螺紋M梯形螺紋鋸齒形螺紋15o30o3o30o粗牙、細(xì)牙下一頁按螺紋的牙型分螺紋的分類按螺紋的旋向分按螺旋線的根數(shù)分按回轉(zhuǎn)體的內(nèi)外表面分按螺旋的作用分按母體形狀分矩形螺紋三角形螺紋梯形螺紋鋸齒形螺紋右旋螺紋左旋螺紋下一頁按螺紋的牙型分螺紋的分類按螺紋的旋向分按螺旋線的根數(shù)分按回轉(zhuǎn)體的內(nèi)外表面分按螺旋的作用分按母體形狀分矩形螺紋三角形螺紋梯形螺紋鋸齒形螺紋右旋螺紋左旋螺紋單線螺紋多線螺紋外螺紋內(nèi)螺紋螺紋副下一頁見下一頁圖外螺紋內(nèi)螺紋螺紋副下一頁按螺紋的牙型分螺紋的分類按螺紋的旋向分按螺旋線的根數(shù)分按回轉(zhuǎn)體的內(nèi)外表面分按螺旋的作用分按母體形狀分矩形螺紋三角形螺紋梯形螺紋鋸齒形螺紋右旋螺紋左旋螺紋單線螺紋多線螺紋外螺紋內(nèi)螺紋聯(lián)接螺紋傳動螺紋螺旋傳動下一頁見下一頁圖聯(lián)接螺紋傳動螺紋下一頁按螺紋的牙型分螺紋的分類按螺紋的旋向分按螺旋線的根數(shù)分按回轉(zhuǎn)體的內(nèi)外表面分按螺旋的作用分按母體形狀分矩形螺紋三角形螺紋梯形螺紋鋸齒形螺紋右旋螺紋左旋螺紋單線螺紋多線螺紋外螺紋內(nèi)螺紋聯(lián)接螺紋傳動螺紋圓柱螺紋圓錐螺紋下一頁見下一頁圖圓柱螺紋圓錐螺紋管螺紋下一頁(3)中徑d2

也是一個假想圓柱的直徑，該圓柱的母線上牙型溝槽和凸起寬度相等。βd1d2d(1)大徑d

與外螺紋牙頂(或內(nèi)螺紋牙底)相重合的假想圓柱體的直徑。(2)

小徑d1

與外螺紋牙底(或內(nèi)螺紋牙頂)相重合的假想圓柱體的直徑。(4)

螺距P

相鄰兩牙在中徑線上對應(yīng)兩點間的軸向距離。(5)

導(dǎo)程S(6)

螺紋升角ψ

中徑d2圓柱上，螺旋線的切線與垂直于螺紋軸線的平面的夾角(7)牙型角

α

軸向截面內(nèi)螺紋牙型相鄰兩側(cè)邊的夾角。tgψ=πd2

nP

牙側(cè)角

β牙型側(cè)邊與螺紋軸線的垂線間的夾角。

αβψπd2SψS=nP同一條螺旋線上的相鄰兩牙在中徑線上對應(yīng)兩點間的軸向距P二、螺紋的主要幾何參數(shù)SPP/2P/2下一頁1.螺栓聯(lián)接：普通螺栓聯(lián)接鉸制孔用螺栓聯(lián)接2.雙頭螺栓聯(lián)接3.螺釘聯(lián)接4.緊定螺釘聯(lián)接其它：地腳螺栓聯(lián)接；吊環(huán)螺栓聯(lián)接；

T型槽螺栓聯(lián)接；觀看各種螺栓與螺釘下一頁5.1.2螺紋聯(lián)接的類型和標(biāo)準(zhǔn)螺紋連接件1.螺栓聯(lián)接：普通螺栓聯(lián)接：應(yīng)用廣泛鉸制孔用螺栓聯(lián)接2.雙頭螺栓聯(lián)接：常拆卸3.螺釘聯(lián)接：被聯(lián)接件之一較厚普通螺栓與鉸制孔螺栓的連接比較下一頁螺釘聯(lián)接螺釘擰入深度H:

鋼或青銅H≈d

鑄鐵H=(1.25∽1.5)d

鋁合金H=(1.5∽2.5)d下一頁

緊定螺釘聯(lián)接下一頁地腳螺栓

吊環(huán)螺栓T形槽螺栓

其它螺紋聯(lián)接下一頁下一頁5.2螺紋聯(lián)接的預(yù)緊擰緊力矩與預(yù)緊力的關(guān)系

T=FL=T1+T2對M12以下的螺栓，應(yīng)注意控制預(yù)緊力，以防過載拉斷。下一頁

螺紋聯(lián)接的控制預(yù)緊力的方法控制預(yù)緊力的方法控制應(yīng)力或應(yīng)變控制擰緊力臂控制擰緊力矩下一頁控制預(yù)緊力的方法控制擰緊力矩沖擊扳手下一頁螺紋聯(lián)接防松的實質(zhì)在于限制螺旋副的相對轉(zhuǎn)動。以防止聯(lián)接的松動，影響正常工作。螺紋聯(lián)接的防松按工作原理可分為三類（P339表13.2）：

1.摩擦防松

2.直接鎖住（機(jī)械防松）

3.不可拆卸防松（鉚沖；粘接；焊接）#5.3螺紋聯(lián)接的防松下一頁下一頁彈簧墊圈防松自鎖螺母防松1.摩擦防松下一頁摩擦防松對頂螺母防松下一頁2.機(jī)械防松螺栓+開槽螺母+開口銷下一頁開口銷與槽形螺母機(jī)械防松（直接鎖?。┫乱豁摍C(jī)械防松止動墊片防松下一頁機(jī)械防松止動墊片防松下一頁機(jī)械防松串聯(lián)鋼絲防松下一頁機(jī)械防松

圓螺母+止動墊片下一頁下一頁永久防松鉚沖焊接下一頁5.4螺栓組聯(lián)接設(shè)計1、被聯(lián)接件形狀應(yīng)簡單對稱；5.4.1螺栓組聯(lián)接的布置形式圖5.17螺栓組連接接合面常用形式下一頁2.螺栓布置應(yīng)受力均等；圖5.18接合面受彎曲或扭轉(zhuǎn)時螺栓的布置扳手空間尺寸壓力容器的螺栓間距3.布置螺栓應(yīng)留有合理的間距、邊距，方便裝配下一頁下一頁4.同一螺栓組緊固件形狀、尺寸、材料應(yīng)盡量一致；

同一圓周上的螺栓數(shù)目為4、6、8等偶數(shù)5.避免附加彎曲應(yīng)力，螺栓頭、螺母與被聯(lián)接件的接觸表面均應(yīng)平整；下一頁螺栓聯(lián)接大多工作之前應(yīng)預(yù)緊，稱為緊螺栓聯(lián)接；螺栓聯(lián)接設(shè)計計算的一般步驟：螺栓組受力和失效分析找出受力最大的螺栓；單個螺栓受力和失效分析單個螺栓強(qiáng)度計算確定螺栓的尺寸（直徑、長度）。失效分析：普通螺栓主要為螺紋部分：斷裂、磨損滑扣；螺栓組和單個螺栓的失效有聯(lián)系又有區(qū)別。

下一頁5.4.2螺栓組聯(lián)接的受力分析xzyFzFxFyoTzMxMy

螺栓組受力分析將一個零件加以固定，其實質(zhì)就是約束該零件在空間的六個自由度。螺栓組所受的載荷可分為四種類型：橫向力：Fx

、FY

轉(zhuǎn)矩：Tz

軸向力：Fz

翻轉(zhuǎn)力矩：Mx、MY下一頁1.受橫向力的螺栓組聯(lián)接

1）普通螺栓聯(lián)接

2）鉸制孔用螺栓聯(lián)接兩種情況的工作原理不同！下一頁1）普通螺栓聯(lián)接

螺栓組受力

單個螺栓受力下一頁

2.受旋轉(zhuǎn)力矩T的螺栓組聯(lián)接

1）普通螺栓聯(lián)接下一頁2）鉸制孔用螺栓聯(lián)接變形量越大，則工作剪力越大下一頁3.受軸向載荷的螺栓組聯(lián)接單個螺栓的受力：預(yù)緊力F0

工作力F?單個螺栓的總拉力：

FQ

＝＝F+F0F0下一頁

假定底板為剛體，翻轉(zhuǎn)力矩作用在螺栓組的聯(lián)接形心受載后繞O—O轉(zhuǎn)動仍保持平面在M的作用下，左側(cè)螺栓拉力增大；右側(cè)螺栓拉力減小而地面壓力增大失效分析：1.螺栓拉斷；2.底板左側(cè)出現(xiàn)間隙；3.底板右側(cè)壓潰。下一頁4.受翻轉(zhuǎn)力矩的螺栓組聯(lián)接螺栓所受的工作拉力與距離成正比下一頁在翻轉(zhuǎn)力矩作用下，接合面擠壓應(yīng)力分布圖受翻轉(zhuǎn)力矩前，接合面擠壓應(yīng)力分布圖

底板受力分析F0下一頁接合面的強(qiáng)度計算下一頁受復(fù)合載荷的螺栓組聯(lián)接橫向荷載+軸向載荷+翻轉(zhuǎn)力矩下一頁受復(fù)合載荷的螺栓組聯(lián)接橫向載荷+旋轉(zhuǎn)力矩計算時應(yīng)求出受力最大螺栓的受力下一頁5.5螺栓連接的強(qiáng)度計算

受力分析時可分為：普通螺栓聯(lián)接：松螺栓聯(lián)接緊螺栓聯(lián)接僅受預(yù)緊力作用的螺栓受預(yù)緊力和工作載荷作用的螺栓鉸制孔用螺栓聯(lián)接下一頁1.受載荷形式—軸向拉伸

2.失效形式—螺栓拉斷

3.計算4.螺栓材料和許用應(yīng)力5.查手冊確定d，及其它有關(guān)尺寸。下一頁5.5.1松螺栓聯(lián)接的計算5.5.2緊螺栓連接的強(qiáng)度計算

下一頁1.只受預(yù)緊力作用的螺栓σs

——材料屈服極限S——安全系數(shù)下一頁2.鉸制孔用螺栓的強(qiáng)度計算預(yù)緊力小，強(qiáng)度計算時可不考慮；失效形式：螺栓剪切及側(cè)面壓潰；下一頁表5-6表5-8例：如圖鋼板厚度δ=16mm用兩個鉸制孔用螺栓固定在機(jī)架上，F(xiàn)=5000N，其它尺寸如圖。板和機(jī)架材料均為Q235。試：（1）分析鉸制孔用螺栓的失效形式；（2）分析鉸制孔用螺栓的受力（3）按強(qiáng)度設(shè)計鉸制孔用螺栓的直徑（4）若用普通螺栓，計算螺栓的直徑（fc=0.2，Kn=1.1）

3）按剪切強(qiáng)度計算螺栓的直徑每個螺栓的受力下一頁解：1）鉸制孔用螺栓的失效形式為剪切和擠壓失效；2）受力分析：將載荷F向形心O簡化后按擠壓強(qiáng)度校核粗選d=10，d0=11mm的六角頭鉸制孔用螺栓，螺母d=10，H=8。根據(jù)機(jī)架，板厚及螺母H選用l=100（螺紋部分l3=18）選用兩個M10×100GB27—88六角頭鉸制孔用螺栓。

下一頁4）改用普通螺栓每個螺栓的預(yù)緊力選用兩個M24（d1=20.752）的六角螺栓。小結(jié)：受復(fù)合載荷螺栓，其合力按向量相加；鉸制孔用螺栓比普通螺栓尺寸小很多。下一頁FΣ==F0+FF0F03.受預(yù)緊力和工作載荷作用的緊螺栓聯(lián)接通過分析螺栓受力和變形的關(guān)系，求出螺栓的總拉力下一頁受力和變形關(guān)系(只受預(yù)緊力F0)F0F0F0F0F0F0F0F0下一頁受到外力F作用時，受力和變形關(guān)系下一頁受力變形線圖下一頁受工作載荷后受預(yù)緊力將兩圖合在一起受力變形線圖下一頁由圖可得：ΔF=Δλ×C1F-ΔF=Δλ×C2下一頁

由幾何關(guān)系推出螺栓總拉力FΣ與預(yù)緊力F0

、殘余預(yù)緊力F0′和工作載荷F之間的關(guān)系：下一頁

計算螺栓總拉力的兩種表達(dá)式，視情況選用。緊密性1.5~1.8F有沖擊1.0~1.5F不穩(wěn)定0.6~1.0F載荷穩(wěn)定0.2~0.6F下一頁

為降低螺栓的受力，提高承載能力應(yīng)使螺栓的相對剛度值盡量小些，例如取較硬的墊片，C2增大,KC減小。

相對剛度

可由表13.9選??；被連接鋼板間所用墊片KC金屬墊片或無墊片皮革墊片銅皮石棉墊片橡膠墊片0.2~0.30.70.80.9下一頁設(shè)計公式：螺栓拉伸強(qiáng)度條件：σs

——材料屈服極限S——安全系數(shù)下一頁例1、圖示螺栓聯(lián)接中采用兩個M20的螺栓，其許用拉應(yīng)力［σ］=160MPa，被聯(lián)接件接合面間的摩擦系數(shù)fc=0.2，若考慮摩擦傳力的可靠系數(shù)Kf=1.2，計算該聯(lián)接允許傳遞的靜載荷Q？（M20小徑d1=17.294）解：螺栓預(yù)緊后，接合面所產(chǎn)生的最大摩擦力必須大于或等于橫向載荷，假設(shè)各螺栓所需預(yù)緊力均為F0,則由平衡條件

下一頁例2、試確定圖示普通螺栓組聯(lián)接中受力最大的螺栓所受的力，并計算螺栓直徑（結(jié)合面m=1，摩擦系數(shù)fc=0.2，[σ]=160MPa，可靠系數(shù)Kf=1.2）。1)將P力向螺栓組的對稱中心簡化

，得一橫向力和一個橫向力矩，做受力圖。橫向力使每個螺栓受力F1，扭矩T使每個螺栓受力F2FF1＝P/z=6000/3=2000NT＝250P=250×6000=1500000NmmF2＝T/3r=1500000/（3×144.3）=3465Nr＝125/cos30°=144.3mm下一頁2)計算螺栓直徑F0fcm≥KsFmaxF0≥KfFmax/fcm=1.2×5292.4/0.2=31754.4NM20，d1=17.294mmM22，d1=19.294mm所以應(yīng)選擇M22的螺栓3個下一頁例3、圖示為一固定在鋼制立柱上的鑄鐵托架。已知：載荷P=4800N，其作用線與垂直線的夾角α=50°，底板高度h=340mm，寬b=150mm，立柱的屈服極限δs=235MPa，托架的抗拉強(qiáng)度極限δB=195MPa，鋼或鑄鐵零件聯(lián)接接合面間的摩擦系數(shù)f=0.15，螺栓的相對剛度kc=0.2，取可靠性系數(shù)是kf=1.2，取螺栓聯(lián)接的安全系數(shù)[s]s=1.5,試設(shè)計此螺栓組聯(lián)接。下一頁

(2)螺栓受力分析①在工作載荷P的作用下，螺栓組聯(lián)接承受以下各力和翻轉(zhuǎn)力矩的作用：軸向力Fv=Psinα=4800sin50°=3677N

橫向力FH=Pcosα=4800cos50°=3085N

翻轉(zhuǎn)力矩M=Fv×l60+FH×150=1051070N.mm②在軸向力Fv的作用下，各螺栓所受的工作拉力為

③在翻轉(zhuǎn)力矩M的作用下，上面兩螺栓受到加載作用，而下面兩螺栓受到減載作用，故上面的螺栓受力較大，所受載荷為

下一頁根據(jù)以上分析可見，上面兩螺栓所受的軸向工作拉力為F＝F1＋F2＝919+1877＝2796N④在橫向力FH的作用下，底板聯(lián)接接合面可能產(chǎn)生滑移，根據(jù)底板接合面不滑移條件，并考慮軸向力Fv對預(yù)緊力的影響，則各螺栓所需要的預(yù)緊力為得各螺栓所需要的預(yù)緊力為殘余預(yù)緊力下一頁⑤確定螺栓所受的總拉力FΣ

⑥確定螺栓直徑(任選擇某一強(qiáng)度級別)選擇螺栓強(qiáng)度等級為4.6級，可得δs=240MIPa，則螺栓材料的許用應(yīng)力[δ]=δs/[s]s＝240/1.5=160Mpa。則得所需的螺栓危險剖面的直徑為故選用4個M12，其d1=10.106mm的螺栓。

下一頁例4：如圖扳擰緊力F=200N，試計算兩螺栓所受的力。T=850F==850×200=170000N·mmFmax=FA+FTA==100+1700=1800NFTA=T/（2×50）=1700NFA=FB=F/2=100N設(shè)Kf=1.2,f=0.2,[σ]=160MPa下一頁M12,d1=10.106mmM14,d1=11.835mm所以取M14下一頁5.7提高螺栓聯(lián)接強(qiáng)度的措施1.1改善螺紋牙載荷分布不均的現(xiàn)象第一圈螺紋承擔(dān)約三分之一的載荷下一頁

1.改善螺紋牙載荷分布不均的現(xiàn)象

下一頁圖5-40采用均載螺母

2.減小應(yīng)力集中

下一頁圖5.433.避免附加應(yīng)力

4.改善制造工藝

冷鐓螺栓頭部和滾壓螺紋；表面硬化工藝：氮化；氰化；碳氮共滲等處理；

下一頁5.降低應(yīng)力幅螺栓的總拉力與螺栓和被聯(lián)接件的剛度有關(guān)，減小螺栓剛度或增大被聯(lián)接件剛度都能降低應(yīng)力幅。下一頁下一頁下一頁腰狀桿螺栓和空心螺栓減小螺栓的剛度Cb圖中汽缸采用密封環(huán)密封，增加被聯(lián)接件的剛度Cm5.8

螺旋傳動一.螺旋傳動的特點

1.傳動比大，能得到較大的軸向推力；

2.精度高，能準(zhǔn)確地調(diào)整直線運動的距離和位置；

3.易實現(xiàn)自鎖；

4.效率較低，適于中小功率傳動下一頁螺桿轉(zhuǎn)動并移動，螺母固定：千斤頂螺桿轉(zhuǎn)動，螺母移動：機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)；螺母轉(zhuǎn)動并移動：螺母轉(zhuǎn)動，螺桿移動：下一頁1.螺旋傳動的類型5.8.1螺旋傳動的類型和應(yīng)用

承載小，工作時間短，有些要求較高的調(diào)整精度，有些要求較高的調(diào)整速度。調(diào)整螺旋以傳遞運動為主，要求較高的運動速度和精度，傳導(dǎo)螺旋以傳遞動力為主，受力大，速度低，間歇工作，通常要求自鎖。傳力螺旋特點功能下一頁2.螺旋副的主要用途摩擦阻力小，傳動效率高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要專門的液壓系統(tǒng)供油。靜壓螺旋摩擦阻力小，傳動效率高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，滾動螺旋結(jié)構(gòu)簡單，便于制造，易于自鎖，摩擦阻力大，效率低，磨損快，滑動螺旋特點摩擦性質(zhì)下一頁3.螺旋副的摩擦性質(zhì)下一頁

（自學(xué)）

1.滑動螺旋的受力及失效分析

2.滑動螺旋的材料

3.滑動螺旋的設(shè)計計算

下一頁5.8.2滑動螺旋傳動的設(shè)計計算應(yīng)用舉例：鏜刀差動螺旋微調(diào)結(jié)構(gòu).右旋螺距SA=1右旋螺距SB=0.75螺距SA=1>螺距SB=0.75手柄轉(zhuǎn)一圈鏜刀移動SC=SA-SB=0.25設(shè)手柄轉(zhuǎn)一圈刻度為100，鏜刀移動精度S=SC/100=0.25/100=0.0025mm手柄刻度100下一頁正、反螺旋快速調(diào)整結(jié)構(gòu)下一頁下一頁5.8.3滾動螺旋副-滾珠絲杠下一頁作業(yè)5.155.165.175.185.15圖示氣缸蓋連接中，已知氣缸內(nèi)壓力p在0～2MPa之間變化，氣缸內(nèi)徑D=500mm，螺栓分布在直徑D0=650mm的圓周上，為保證氣密性要求，剩余預(yù)緊力F0′=1.8F。試設(shè)計此螺栓組連接。解：假設(shè)不控制預(yù)緊力，估計d=M6~M16，取安全系數(shù)S=3.5。取4.6級碳鋼螺栓,螺栓個數(shù)z=πD0/4.5d=650π/(4.5×16)≈28[σ]=σS/S=240/3.5=68.6MPa每個螺栓所受拉力：Fmax=FQ/z=(πR2/4)p/z=(2502π/4)×2/28=3506.24NFΣ=F+F0′=2.8F=2.8×3505.2=9817.4N再估計d=M16~M30，取安全系數(shù)S=2.8[σ]=σS/S=240/2.8=86MPa螺栓個數(shù)z=πD0/4.5d=650π/(4.5×18)=25.2取z=265.16起重卷筒與大齒輪間用雙頭螺柱連接，起重鋼索拉力F0=50kN，卷筒直徑D=400mm，8個螺柱均勻分布在直徑D0=500mm圓周上，螺栓性能等級4.6級，結(jié)合面摩擦因子f=0.12，可靠度系數(shù)Kf=1.2。試確定雙頭螺柱的直徑。解：假設(shè)不控制預(yù)緊力，估計d=M6~M16，取安全系數(shù)S=3.5。[σ]=σS/S=240/3.5=68.6MPa再估計d=M30~M60，取安全系數(shù)S=1.5[σ]=σS/S=240/1.5=160MPaM36，d1=31.67mm，M39，d1=34.67mm所以選擇M39，d=39mm每個螺栓所受拉力：Fmax=FQ/z=(πR2/4)p/z=(2502π/4)×2/26=3776NFΣ=F+F0′=2.8F=2.8×3776=10573NM16，d1=13.835mm，M18，d1=15.294mm所以選擇M18，d=18mm的螺栓26個螺栓最小間距：L0=650π/（z×d）==650π/（26×18）=4.36<4.5滿足要求。校核疲勞強(qiáng)度：5.17螺栓組連接的3種方案如圖所示，外載荷FR及尺寸L相同，試分析確定各方案中受力最大螺栓所受力的大小，并指出哪個方案比較好，F(xiàn)=FR/3，T=FRL方案1：FTmax=T/2a=FRL/2a，F(xiàn)max=F+FTmax=FR/3+FRL/2a==（1/3+L/2a）FR方案2：FTmax=