高職《機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)》螺紋連接與螺旋傳動、教案

****職業(yè)技術(shù)學(xué)院教案

第10次課I教學(xué)課型：理論課J實驗課口習(xí)題課口實踐課口技能課口其它口

主要教學(xué)內(nèi)容

7.1螺紋連接的基本知識

7.2螺紋連接的預(yù)緊與防松

重點、難點

1.螺紋及螺紋聯(lián)接及其零件的結(jié)構(gòu)和類型

2.螺紋連接的預(yù)緊和防松

教學(xué)目的要求:

1.了解螺紋聯(lián)接的基本類型以及其間的區(qū)別;

2掌握螺紋聯(lián)接、預(yù)緊和防松措施

教學(xué)方法和教學(xué)手段:

多媒體講授

討論、思考題、作業(yè)：

1.常用螺紋的種類有哪些？各用于什么場合?

2.螺紋的導(dǎo)程和螺距有何區(qū)別？

3.螺紋連接的基本形式有哪幾種？

參考資料：

多媒體材料，網(wǎng)絡(luò)資料

備注

講稿內(nèi)容

7.1螺紋聯(lián)接

1.螺紋的分類

螺紋主要尺寸的不同，其性能、用途也不同。常用的螺紋牙型有普通螺紋、管螺紋、矩

形螺紋、梯形螺紋和矩形螺紋(其中除矩形螺紋外都已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化)。

2.螺紋的主要幾何尺寸

在機(jī)械制圖中，我們已經(jīng)接觸過螺紋和螺紋聯(lián)接件?，F(xiàn)在我們就以圖一來說明螺紋的主

要幾何參數(shù)，該圖是GB19-81標(biāo)準(zhǔn)化的螺紋牙型圖。

圖7-1螺紋的主要幾何參數(shù)

(1)大徑d(D)：螺紋的最大直徑，在

標(biāo)準(zhǔn)中也作公稱直徑。

(2)中徑4(。2)：通過螺紋軸向剖

面內(nèi)牙型上的溝槽和凸起寬度相等處的假

想圓柱面的直徑，近似等于螺紋的平均直

徑，是確定螺紋幾何參數(shù)的直徑。

(3小徑％(。1)：即螺紋的最小直

徑，在強(qiáng)度計算中常作為危險剖面的計算直徑。

(4)螺距0：螺紋相鄰兩牙在中徑上對應(yīng)兩點的軸向距離。

(5)線數(shù)n螺紋的螺旋線數(shù)量，也稱螺紋頭數(shù)。

(6)導(dǎo)程a同一螺旋線上的相鄰兩牙在中徑線上對應(yīng)兩點間的軸向距離。對于單線螺

紋s=R對于多線螺紋s=n?

(7)升角“：中徑圓柱上，螺旋線的切線與垂直于螺紋軸線的平面的夾角。

（8）牙型角a：螺紋牙型兩側(cè)邊的夾角。

（9）螺紋的工作高度h表示內(nèi)外螺紋沿徑向的接觸高度。

對于這些幾何參數(shù)值的規(guī)定，國際上和國內(nèi)都已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化。規(guī)定的值不同，就會形成不

同的螺紋，需要時可以查閱相關(guān)的手冊和國家標(biāo)準(zhǔn)。

3.常用螺紋的特點和應(yīng)用

D三角形螺紋（普通螺紋）

牙型角為6G,可以分為粗牙和細(xì)牙，粗牙

用于一般聯(lián)接；與粗牙螺紋相比，細(xì)牙由于在相

同公稱直徑時，螺距小，螺紋深度淺，導(dǎo)程和升

角也小，自鎖性能好，宜用于薄壁零件和微調(diào)裝

置。

2）管螺紋多用于有緊密性要求的管件聯(lián)

接，牙型角為53,公稱直徑近似于管子內(nèi)徑，屬

于細(xì)牙三角螺紋。

3）梯形螺紋牙型角為30%是應(yīng)用最為廣

泛的傳動螺紋。梯形螂蚊鈿內(nèi)形螂紋矩形螺紋

b＞矩形螺紋梯形"

圖7-2

4）鋸齒型螺紋兩側(cè)牙型角分別為3s和3013s的一側(cè)用來承受載荷，可得到較高效率;

302一側(cè)用來增加牙根強(qiáng)度。適用于單向受載的傳動螺紋。

5）矩形螺紋牙型角為0%適于作傳動螺紋。

以上5種常見螺紋牙型如圖7-2所示。

另外，螺紋可以根據(jù)需要制成左旋或右旋（通常螺紋為

右旋）。

圖7—3沿螺紋軸線方向看，螺旋線自下而上向右傾斜為

右旋（如圖a）,向左傾斜為左旋（如圖b）。左旋螺紋的標(biāo)準(zhǔn)

緊固件通常制有左旋標(biāo)記。

按制訂的螺紋標(biāo)準(zhǔn)不同，現(xiàn)在常見的有米制和英制兩大

類。我國除管螺紋外，一般采用米制。

要注意；在實際工作中，特別是從事維修行業(yè)時要注意

一些進(jìn)口機(jī)器中螺紋的單位制。?)b)

凡是牙型、大徑和螺距符合國家標(biāo)準(zhǔn)的螺紋都稱為簿圖7-3螺紋的旋向

a）右旋螺紋用右手b）左旋螺紋用左手

螺紋。除機(jī)械制造中常用的標(biāo)準(zhǔn)螺紋外，還有適用于某些特圖7-3

殊行業(yè)的專用螺紋標(biāo)準(zhǔn)，在需要的時候可以查閱有關(guān)的設(shè)計手冊。

雖說螺紋并不陌生，但為了從理論的高度來理解和研究螺紋聯(lián)接，接下來我們就需要對

螺紋聯(lián)接的基本類型和螺紋常用緊固件進(jìn)行了解。

4.螺紋聯(lián)接的基本類型和螺紋緊固件

螺紋緊固件

如圖所示為典型的螺紋聯(lián)接方式之一。

從圖中可以看出，聯(lián)接必須存在至少兩個被聯(lián)接件。同時具有螺栓、墊片、螺母等零件

組成了一個聯(lián)接。

那么，螺紋緊固件的種類到底有那些呢？

聯(lián)接實際上是和人類的發(fā)展緊密相連的。隨著工業(yè)化進(jìn)程的發(fā)展，隨著專業(yè)化分工的出

現(xiàn)，為了提高零件的互換性，標(biāo)準(zhǔn)化勢在必行。作為各個行業(yè)都不可或缺的重要部分：聯(lián)接，

特別是螺紋聯(lián)接、螺紋緊固件的類型、規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)化顯得更具重要性。

就目前來講，螺紋緊固件的品種很多，但是從結(jié)構(gòu)等方面來說，常用的有以下幾種。

（1）螺栓

螺栓是工程上、日常生活中L

應(yīng)用最為普遍、廣泛的緊固件之

一,其形狀如圖7T所示。

螺栓的頭部有各種不同形

狀，但是我們最常見的是六角

頭，為了滿足工程上的不同需

要，六角頭又有標(biāo)準(zhǔn)六角頭和小圖8-12?性

大增頭(6)小十與》

六角頭。一般情況下我們使用標(biāo)

準(zhǔn)六角頭，在空間尺寸受到限制的地方使用小六角頭螺栓。但是，小六角頭螺栓的支承面積較

小，如果用于經(jīng)常拆卸的場合時，螺栓頭的棱角也易于磨圓。

(2)雙頭螺栓

如圖所示。雙頭螺

栓的兩端都制有螺紋，

兩端的螺紋可以相同，

也可以不同。其安裝方

式是一端旋入被聯(lián)接件的螺紋孔中，另一端用來安裝螺母。

(3)螺釘

螺釘?shù)念^部有各種形狀，如圖7T所示。為了明確表示螺釘?shù)奶攸c，所以通常以其頭部

的形狀來命名，如：半圓頭螺釘、圓柱頭螺釘、沉頭螺釘和內(nèi)六角圓柱螺釘?shù)鹊取Ｂ葆數(shù)某休d

力一般較小。但是注意：在許多情況下，螺栓也可以用作螺釘。

⑷@壬T

<&)半國頭

W國柱去

⑹Bid-M心頭

內(nèi)六角回柱頭

w>H

圖7-5,釘

(4)緊定螺釘-O-3?尖卡

常用緊定螺釘如圖T所示。緊定螺釘主要用于小載荷的

情況下。例如，以傳遞圓周力為主的情況下，防止傳動零件的

圖7-6緊定螺釘

軸向串動等?？梢钥闯觯壕o定螺釘?shù)墓ぷ髅媸窃谀┒?，所以對于重要的緊定螺釘需要淬火硬化

后才能滿足要求。

（5）螺母

螺母是和螺栓相配套的標(biāo)準(zhǔn)零件，其外形有：六角形、圓形、方形及其它特殊的形狀。

如圖所不。

其厚度有厚

的、標(biāo)準(zhǔn)的和扁

的，其中以標(biāo)準(zhǔn)的卷目吊昌

應(yīng)用最廣。3

圖六怎7-7*母

（6）墊圈

墊圈也是標(biāo)準(zhǔn)件，品種也最多，如圖T所示。

但是，應(yīng)用最多、

最常見的有平墊和彈簧

墊兩種。平墊的目的主

要是為了增加支承面

積，同時對支承面起保

a）光墊圈b）粗墊圈c）彈簧墊圈d）鞍形墊圈e）彈性墊圈￡）止動墊圈g）方斜墊圈

護(hù)作用。彈簧墊主要是

用于防止螺母和其它緊固件的自動松脫。所以凡是有振動的地方又未采取其它防松措施時，原

則上都應(yīng)該加裝彈簧墊。

除了以上兩類墊圈外，還有一些特殊的墊圈，如方斜墊圈、止動墊圈等等。在需要的時

候可查閱設(shè)計手冊。

在選用標(biāo)準(zhǔn)件緊固件時，我們應(yīng)該視具體情況，對連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析比較后合理選擇。

另外，我們需要注意:螺紋緊固件一般分精制和粗制兩種，在機(jī)械工業(yè)中主要選擇使用

精制螺紋。

5.螺紋聯(lián)接的基本類型

根據(jù)所用緊固件和聯(lián)接方式的不同，螺紋聯(lián)接可以分為四種基本類型。

1）螺栓聯(lián)接

如圖I所示的螺栓連接。其主要特點是被聯(lián)接件上制有通孔，孔與螺栓桿之間可以留

有間隙（普通螺栓連接），也可以將螺栓桿上的沒有螺紋部分作成與孔的過渡配合聯(lián)接形式。

普通螺栓聯(lián)

?軟余?長度〃

接：由于孔和桿之

?A><0.S-t>."5Wt

jjMHlfA>-0.754?i

間留有間隙，可以

片其&IK專曲*肯.』Ad，

補(bǔ)償各孔之間的et■孔用?檢，,應(yīng)盡可循小，

?紋伸出長度,?=<0-2^4.Ait

位置誤差，且加工■栓帖也森的距離e--/+<3~6>皿》

簡單，裝拆方便，7-9

>）普通嫖拴聯(lián)接曾■孔用，梯聯(lián)建

所以得到廣泛的

應(yīng)用。通孔的大小不能隨意，應(yīng)該根據(jù)裝配精度查機(jī)械設(shè)計手冊確定。

錢制孔螺栓聯(lián)接：多采用基孔制過渡配合，如HZMiH7/n6等，螺桿與通孔加工精度高。

由于孔與桿之間是過渡配合，具有定位作用，可以承受橫向載荷，但是加工成本高。

在選擇螺栓時，需要考慮聯(lián)接的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行。

2）雙頭螺栓聯(lián)接

如圖萬~10所示。從

度第擰入探按理紈扎的樹舞決定.

圖上可以看出，其主要特

*?，：：?>（1.25-1,SMI

點為一個被聯(lián)接件上制有

?金H-（1.5j-：Z.5Wt

麻紋孔棵度

螺紋孔，其它被聯(lián)接件上W,-H+'（2-2.5>Pi

鉆孔深度H.-Hx+<0.5-lW?

則有通孔。這種聯(lián)接主要;其余尺寸4J■嵬國5-2生

用于被聯(lián)接件較厚或受到圖7-10雙頭■樓聯(lián)接

空間位置尺寸限制，而又

需要經(jīng)常拆卸的情況下使用。

這種聯(lián)接拆卸時，只需要把螺母擰下即可，而螺柱留

在原位，以免因多次拆卸使內(nèi)螺紋損壞（磨損失效）。

其螺柱的擰入深度的取值與被聯(lián)接件的材料、螺柱的

直徑有關(guān)。

3）螺釘聯(lián)接

如圖II所示，為以典型的工程螺釘聯(lián)接形式，其特點是:在一個被聯(lián)接件上加工有螺

紋孔，裝配時螺釘直接擰入螺紋孔中，不需要螺母。

這種聯(lián)接主要用在

空間位置受到限制，而

且聯(lián)接不需要經(jīng)常拆卸

的地方。

比較上面三種聯(lián)接螺打聯(lián)接

方式可以看出，一般情

況使用螺栓聯(lián)接，在空間位置尺寸受到限制時，可以使用雙頭螺栓聯(lián)接，也可以使用螺釘聯(lián)接,

其選擇取決于拆卸的頻繁程度。

4）緊定螺釘聯(lián)接

如圖7—12所示，這

種聯(lián)接主要用來固定被聯(lián)

接件的相對位置的。如圖

中，主要傳遞扭矩，為了

防止軸向串動加設(shè)緊定螺

釘。當(dāng)然，也可以傳遞較

小的力或扭矩。

7.2螺紋聯(lián)接的預(yù)緊與防松

7.2.1螺紋聯(lián)接的預(yù)緊

在日常生活中，我們大多數(shù)同學(xué)都應(yīng)該擰過螺栓。根據(jù)個人的經(jīng)驗知道：當(dāng)利用螺栓聯(lián)

接時,需要將螺母擰緊,為什么呢？下面我們就從科學(xué)的理論與方法來探討研究這方面的問題。

我們根據(jù)日常的生活經(jīng)驗和前面學(xué)過的材料力學(xué)有關(guān)知識知道，任何材料在受到外力作

用時，都會產(chǎn)生或多或少的形變，螺栓也不例外。當(dāng)聯(lián)接螺栓承受外在拉力時，將會伸長。如

果我們在初始時僅將螺母擰上使各個接合面貼合，那么在受到外力作用時，接合面之間將會產(chǎn)

生間隙。所以為了防止這種情況的出現(xiàn)，我們都知道在零件未受工作載荷前需要將螺母擰緊，

使組成聯(lián)接的所有零件都產(chǎn)生一定的彈性變形（螺栓伸長、被聯(lián)接件壓縮），從而可以有效地

保證聯(lián)接的可靠。這樣，各零件在承受工作載荷前就受到了力的作用，這種方式就稱為預(yù)緊,

這個預(yù)加的作用力就稱為預(yù)緊力。

顯然，預(yù)緊的目的就是?.增強(qiáng)聯(lián)接的緊密性、可靠性，防止受載后被聯(lián)接件之間出現(xiàn)間

隙或發(fā)生相對滑移。

經(jīng)驗證明：選用適當(dāng)較大的的預(yù)緊力，對螺栓聯(lián)接的可靠性及螺栓的疲勞強(qiáng)度都是有利

的。但過大的預(yù)緊力會使緊固件在裝配或偶爾過載時斷裂。因此，對于重要的螺栓聯(lián)接，在裝

配時需要控制預(yù)緊力。

對于一般聯(lián)接用的鋼制螺栓，其聯(lián)接預(yù)緊力Qp不超過其材料屈服極限q的8%可以按

下面的推薦的關(guān)系式確定：

碳素鋼螺栓：Qp<(0.6~0.7)qA

合金鋼螺栓：&<(0.5~0.6)44

式中：Ai——為螺栓的危險剖

面面積。

預(yù)緊力的具體數(shù)值應(yīng)該根據(jù)載

荷性質(zhì)、聯(lián)接剛度（后面要講）等

具體的工作條件來確定。對于重要

的螺栓聯(lián)接，應(yīng)在圖紙上作為技術(shù)

條件注明預(yù)緊力矩，以便在裝配時

保證。

1.預(yù)緊力控制方法

在裝配時，預(yù)緊力是借助于測力矩扳手或定力矩扳手控制

的，如圖1314所示，通過控制擰緊力矩來間接保證預(yù)緊

力的。

預(yù)緊力矩有兩部分組成:1）螺紋副的摩擦力矩T1；2）螺

母和釘頭與支承面間的摩擦力矩12。

預(yù)緊力矩的計算公式為：

T=；"20ptan（"+P、,）+1fcQp;匚？

LJA-ZQd0

其中：QP—預(yù)緊力

“----螺紋升角

pv—螺旋副的當(dāng)量摩擦角

D0,d0—支承面環(huán)形帶的外徑、內(nèi)徑

d2—螺紋中徑

fc支承面間的摩擦系數(shù)

對于d為1—6411n的常用粗牙普通鋼制螺栓，上式可近似簡化為：

T=02Qpd

對于只靠經(jīng)驗而不加嚴(yán)格控制預(yù)緊力的重要螺栓，例如壓力容器、輸氣、輸油管道等聯(lián)接

螺栓，不宜采用小于M12?M16的緊固件。

2.預(yù)緊應(yīng)力

預(yù)緊應(yīng)力的計算應(yīng)綜合考慮產(chǎn)生的拉應(yīng)力和摩擦力矩產(chǎn)生的剪應(yīng)力句,故對采用塑

性鋼材制造的普通緊固件，應(yīng)該采用第四強(qiáng)度理論來計算其。o

<Jca=如，+3號~1.3<T(TT=0.5。)

巾*QpQp/N13或

因為CT=—=——，所以：o=-------

An,can.

—dy—d

44}

也即：可以將預(yù)緊力增加3%以考慮扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力的影響。

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第11次課I教學(xué)課型：理論課J實驗課口習(xí)題課口實踐課口技能課口其它口

主要教學(xué)內(nèi)容

7.2螺紋聯(lián)接的預(yù)緊和防松

7.3螺栓組聯(lián)接設(shè)計

7.4螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度計算

7.5提高螺栓強(qiáng)度的措施

重點、難點

1.防松的必要性、基本原理和具體措施

2.提高螺栓聯(lián)接強(qiáng)度的措施

教學(xué)目的要求:

1.了解螺紋聯(lián)接擰緊的目的

2.了解螺紋聯(lián)接防松的必要性以及防松的基本原理

3.掌握提高螺栓聯(lián)接強(qiáng)度的措施

教學(xué)方法和教學(xué)手段:

多媒體講授

討論、思考題、作業(yè)：

1.為什么螺紋連接通常要采用防松措施？常用的放松方法和裝置有哪些?

2.常見螺紋失效有哪幾種形式？失效發(fā)生的部位通常在何處？

參考資料：

多媒體材料，網(wǎng)絡(luò)資料

備注

講稿內(nèi)容

7.2螺紋連接的預(yù)緊與防松

7.2.2螺紋聯(lián)接的防松

機(jī)械中聯(lián)接的失效（松脫），輕者會造成工作不正常，重者要引起嚴(yán)重事故。因此，螺紋

聯(lián)接的防松是工程工作中必須考慮的問題之一。

一般來說，聯(lián)接螺紋具有一定的自鎖性，在

靜載荷條件下并不會自動松脫。但是，由于聯(lián)接

的工作條件是千變?nèi)f化、各不相同的具體實際場

合，都不可避免地存在沖擊、振動、變載荷作用。

在這些工況條件下，螺紋副之間的摩擦力會出現(xiàn)

瞬時消失或減小的現(xiàn)象；同時在高溫或溫度變化

比較大的場合，材料會發(fā)生蠕變和應(yīng)力松弛，也會使摩擦力減小。在多次的作用下，就會造成

聯(lián)接的逐漸松脫。

防松的本質(zhì):就是防止螺紋副的相對轉(zhuǎn)動,也就是螺栓與螺母間的相對轉(zhuǎn)動內(nèi)螺紋與外

螺紋之間）。

常用的防松方法有三尊:摩擦防松、機(jī)械防松和永久防松。

機(jī)械防松和摩擦防松稱為可拆卸防松，而永久防松稱為不可拆卸防松。

常用的永久防松有：點焊、硼接、粘合等。這種方法在拆卸時大多要破壞螺紋緊固件，

無法重復(fù)使用。

常見摩擦防松有：利用墊片、自鎖螺母及雙螺母等。

紋間保持壓緊力和摩擦力，從而實現(xiàn)防松。

2）對頂螺母防松

利用螺母對頂作用使螺栓式中受到附加的拉力和附

加的摩擦力。由于多用一個螺母，并且工作不十分可靠,

目前已經(jīng)和少使用了。

3）彈性圈螺母防松

螺紋旋入處嵌入纖維或尼龍來增加摩擦力。該彈性圈開口銷與六

甭開槽螺母

還起防止液體泄漏的作用。

4）自鎖螺母防松

螺母一端制成非圓形收口或開縫后徑向收口。當(dāng)螺母擰緊

后，收口脹開，利用收口的彈力使旋合螺紋間壓緊。這種防松結(jié)

構(gòu)簡單、防松可靠，可多次拆裝而不降低防松性能。

2.機(jī)械防松

D槽形螺母和開口銷防松

槽形螺母擰緊后，用開口銷穿過螺栓尾

部小孔和螺母的槽，也可以用普通螺母擰緊后

進(jìn)行配鉆銷孔。

2）圓螺母和止動動墊片

使墊圈內(nèi)舌嵌入螺栓（軸）的槽內(nèi)，擰

()

緊螺母后將墊圈外舌之一褶嵌于螺母的一個

槽內(nèi)。槽形螺母和開口銷

3）止動墊片

螺母擰緊后，將單耳或雙耳止

動墊圈分別向螺母和被聯(lián)接件的

側(cè)面折彎貼緊，實現(xiàn)防松。如果兩

個螺栓需要雙聯(lián)鎖緊時，可采用雙

聯(lián)止動墊片。

4）串聯(lián)鋼絲防松

用低碳鋼鋼絲穿沖點中心在螺

d>8mm沖三點

入各螺釘頭部的孔4<8mm沖二點

端面沖點側(cè)面沖點沖點中心在釘頭直徑上

內(nèi)，將各螺釘串聯(lián)起來，使其相互制動。這種結(jié)構(gòu)需要注意鋼絲穿入的方向，如圖所示。

區(qū)沖邊法防松

如圖所示。

4粘合防松

通常采用厭氧膠粘結(jié)劑涂于螺紋旋合表面，擰緊螺母后粘結(jié)

劑能夠自行固化，防松效果良好。

7.6螺栓組的結(jié)構(gòu)設(shè)計

在工程上，我們可以看到，單獨利用一個螺栓來實現(xiàn)聯(lián)接的情況并不多見，基本上都是

由幾個螺栓按適當(dāng)?shù)囊?guī)律排列起來，共同完成和實現(xiàn)一個聯(lián)接任務(wù)的，這些情況我們稱為螺栓

組。下面我們就來看一下螺栓組的結(jié)構(gòu)設(shè)計的原則和應(yīng)該注意那些問題。要注意:雖說我們講

的是螺栓組，但這些方法和原則對其它的螺紋聯(lián)接同樣適用。

在長期的工作實踐中，人們了解到，如何盡可能地使各個螺栓接近均勻地承擔(dān)外載，是

設(shè)計、安裝螺栓組的主要問題。合理布置同一組內(nèi)的螺栓的位置起著關(guān)鍵的作用。通過實踐發(fā)

現(xiàn)，在進(jìn)行螺栓組結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)該考慮以下七個方面的問題。

D螺栓（釘）孔的布置

聯(lián)接接合面的幾何形狀通常都設(shè)計成軸對稱的簡單幾何形狀，同一螺栓組的螺栓布置應(yīng)

力求對稱、分布均勻，從設(shè)計上首先保證被聯(lián)接件接合面上受力均勻。如圖7T5所示。

在布置螺栓時，應(yīng)該注意.?不要在平行于外力的方向成排地布置8個以上的螺栓，以免

載荷分布過度不均（當(dāng)然也不是絕對的）。

2）螺栓排列應(yīng)有合理的釘距、邊距

在布置螺栓時，螺栓中心線與機(jī)體壁、螺栓之間的距離，要依據(jù)扳手所需的活動空間大

小和聯(lián)接的額密封性要求來決定。最小扳手空間尺寸可查閱有關(guān)手冊，也可以根據(jù)經(jīng)驗確定。

一般來講，螺栓中心線到機(jī)體外壁的距離為：

B>y+（1~3）mm（其中D為螺栓六角頭大徑）

螺栓之間的距離一般才

t<（5~8）（/（用于-

的壓力容器）

t~（2.5~4.5）（/（用

于密封性要求高及壓力

p-（1.0~10）MPtz場

合）

t<10c/（用于無

密封要求的場合）

3）螺栓數(shù)量的選擇

分布在同一圓周上的

圖7-15"檢組設(shè)計

額螺栓數(shù)應(yīng)取為34aW缸*螺栓組（4）機(jī)顰螺栓組

&12等易于分度的數(shù)目，以利于劃線鉆孔和加工。當(dāng)然，如果自動化程度較高，也可以采用

其它的分度方法。

④螺栓直徑的選擇

一般是先根據(jù)經(jīng)驗、或類比的方法、或依據(jù)相關(guān)的規(guī)范進(jìn)行選取，然后在進(jìn)行強(qiáng)度的計算。

對于一般聯(lián)接，初選螺栓直徑d時，約可取為被聯(lián)接件的厚度。

5）螺栓規(guī)格的選擇

在通用機(jī)械中，為簡化設(shè)計、制造，對同一螺栓組內(nèi)的螺栓及配套件而言，不管受力的大

小差異，應(yīng)該選擇同樣材料、規(guī)格的同一標(biāo)準(zhǔn)的螺栓，便于采購、管理和裝配。

6）對聯(lián)接支承面的要求

被聯(lián)接件上與螺母或螺栓頭接觸的支承面應(yīng)該平整，并且要求與螺栓軸線垂直，以免引起

偏心載荷而削弱螺栓強(qiáng)度。為便于加工，經(jīng)常將支承面作成凸臺或沉頭（魚眼坑）。

7）其它應(yīng)注意的問題

L一般情況下，螺栓與釘孔之間應(yīng)留有間隙，由于螺栓是標(biāo)準(zhǔn)件，在螺栓選定之后螺栓

的直徑就已經(jīng)確定。所以，必須依照螺栓直徑選擇其釘孔直徑（可以查閱國家標(biāo)準(zhǔn)CB527T5）。

2擰入螺紋深度、螺紋伸出長度、螺孔加工深度、光孔深度等尺寸同樣也可以查閱相關(guān)

的標(biāo)準(zhǔn)或手冊，不能憑空想象。

a螺栓聯(lián)接的預(yù)緊及防松問題的考慮（前面已有詳細(xì)的講述）。

7.7螺紋緊固件的材料與許用應(yīng)力

材料

螺紋緊固件的材料是多種多樣的，以滿足不同行業(yè)不同用途的需要。常用的有：Q215.0235>

Id35和45鋼，對于承受沖擊、振動的，可以采用高強(qiáng)度材料，如15CR40CK30CMSi

等，用作其它特殊用途的可以采用特殊材料，例如不銹鋼等。

國家標(biāo)準(zhǔn)中對材料的使用無硬性的規(guī)定，只有推薦材料。但是，規(guī)定了必須達(dá)到的性能等

級，見表（教材）。

其性能等級有兩部分的數(shù)字所組成，利用小數(shù)點分開。前面的數(shù)字表示公稱抗拉強(qiáng)度的

%0；后面的數(shù)字表示屈服強(qiáng)度q或。0.2與公稱抗拉強(qiáng)度。B的比值的10倍。

在機(jī)械設(shè)計中，一般要給出所選擇螺栓的性能等級國標(biāo)號，列于明細(xì)表中，便于統(tǒng)計采購。

螺母的性能等級見表（教材）

二.許用應(yīng)力

1校制孔螺栓聯(lián)接

錢制孔螺栓承受橫向載荷時，許用應(yīng)力可按以下方法選擇。

許用剪應(yīng)力：[7]=二（靜載荷）

2.5

或⑺二"（變載荷）

3.5-5

許用擠壓應(yīng)力：=旦（靜載荷，被聯(lián)接件為鋼）

或（靜載荷，被聯(lián)接件為鑄鐵）

p2~2.5

變載荷時，要在以上結(jié)果的基礎(chǔ)上乘以Q~Q&

2普通螺栓聯(lián)接

對于普通螺栓聯(lián)接，受橫向載荷和軸向載荷時的許用應(yīng)力，當(dāng)控制預(yù)緊力時可取為

［。］=—%—;不控制預(yù)緊力時，螺栓的許用應(yīng)力可以用下式求得:

11.2-1.5

S為安全系數(shù)，可以根據(jù)其公稱直徑在（教材）中選擇。

7.3螺紋聯(lián)接的強(qiáng)度計算

螺栓組的結(jié)構(gòu)設(shè)計完成之后，對于重要的螺栓連接都應(yīng)該進(jìn)行強(qiáng)度計算。螺紋連接的主

要失效形式有三類:1）拉斷；2）剪斷；3）對于校制孔聯(lián)接出現(xiàn)孔或螺栓擠壓變形。一般來

說這三類失效形式是不會同時發(fā)生的。

進(jìn)行螺栓聯(lián)接強(qiáng)度計算的第一步就是進(jìn)行載荷分析，確定其中受載最大的螺栓及載荷大

小，然后根據(jù)失效可能的發(fā)生形式選擇不同的方法進(jìn)行計算。

在軸向載荷的作用下，螺栓的失效形式為螺栓拉斷。根據(jù)統(tǒng)計分析，在靜載荷條件下，

除少數(shù)由于嚴(yán)重過載失效外，螺栓聯(lián)接很少發(fā)生破壞，但在變載荷條件下，螺栓則易發(fā)生疲勞

斷裂。如圖16所示顯示了疲勞斷裂常發(fā)生的部位及

約】5%約20%約65%

所占的比例。因此，螺栓聯(lián)接強(qiáng)度計算的目的，主要

是依據(jù)載荷的性質(zhì)、聯(lián)接的類型來確定螺栓所受的力，

然后按相應(yīng)的強(qiáng)度條件計算螺紋小徑或校核其強(qiáng)度。圖7-16受拉竦栓斷裂部位的統(tǒng)計

一.松螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度計算

松螺栓聯(lián)接，螺母、螺栓和被聯(lián)接件不需

要擰緊，在承受工作載荷前，聯(lián)接螺栓是不受

力的，典型的結(jié)構(gòu)如圖17所示的起重機(jī)吊

鉤。

該螺栓聯(lián)接在外載荷F作用下其強(qiáng)度條

件式為：

FI4F

CT=-——<［CT］或42

式中：d1——螺紋的小徑（mm）

［刃=皂

［C7］——許用拉應(yīng)力（MPa）,且

（7——材料的屈服極限;

S——安全系數(shù)

安全系數(shù)需要根據(jù)具體情況，參照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計規(guī)范進(jìn)行。

二.緊螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度計算

這種裝配，螺栓將承受預(yù)緊力和工作載荷的雙重作用。而工作載荷的作用方式有：橫向

載荷和軸向載荷兩種。

D承受橫向載荷作用時的強(qiáng)度計算

同樣的承受橫向載荷，螺栓聯(lián)接的方式又有兩類：普通螺栓聯(lián)接和校制螺栓聯(lián)接。

對于這兩類聯(lián)接方式，其對應(yīng)的失效方式是不同的。對于普通螺栓聯(lián)接來說，如果兩聯(lián)

接接合面間發(fā)生相對滑移

即被視為失效；而較制孔聯(lián)

接是依靠螺栓受擠壓的強(qiáng)

度決定的。

對于普通螺紋聯(lián)接，如

圖7T8所示,強(qiáng)度的計算

準(zhǔn)則為：預(yù)緊力在接合面所

（?）?通?桂聯(lián)揍（6）校制孔用餐檢聯(lián)接

產(chǎn)生的摩擦力必須足以阻

止被聯(lián)接件間的相對滑移。

設(shè)螺栓組中各螺栓所承擔(dān)的載荷是均等的，則強(qiáng)度關(guān)系式可以表示為:

fQZi>KF^或Q>K蕓

psp

螺栓桿的計算應(yīng)力為三［日

冗,2

—4Ui'

式中：—每個螺栓所受的預(yù)緊力；

z，i—螺栓組中的螺栓數(shù)目及接合面數(shù)；

f——接合面間的摩擦系數(shù)（根據(jù)材質(zhì)的不同而變化）;

Ks—可靠性系數(shù)，一般可取防=1.1~1.3;

區(qū)—外載總和。

我們知道，了一般較小，遠(yuǎn)小于1,這時的Qp需

要很大才能滿足要求，勢必要增加螺栓直徑。為避免這

種缺陷，可以采用如圖—8所示的減載裝置結(jié)構(gòu)，利用

鍵、套筒或銷來承受橫向工作的載荷，使得螺栓只用來

-18減載裝置

保證聯(lián)接，而不再承受工作載荷，因此預(yù)緊力不需要很

大。

這種裝置的聯(lián)接強(qiáng)度是

按減載零件（鍵、套筒或銷）Q,

的剪切、擠壓強(qiáng)度條件進(jìn)行計

算。

此外為簡化結(jié)構(gòu)，還可以

采用較制孔用螺栓聯(lián)接，如圖

7T9所示。因為螺栓桿與孔壁圖7-19受橫向載荷的螺栓聯(lián)接

<?）普通*性聯(lián)接校同孔用爆栓聯(lián)揉

之間沒有間隙，當(dāng)承受橫向載

荷時，接觸表面受擠壓，在聯(lián)接接合面處，螺栓桿則承受剪切。因此應(yīng)該對螺栓桿與孔壁配合

面的擠壓強(qiáng)度和釘桿橫剖面的抗剪切強(qiáng)度進(jìn)行驗算。強(qiáng)度驗算式為：

F

T=-------<[r]

2

-4d0

式中：do—釘桿與孔壁配合部分的直徑；

Lmin——為釘桿與被聯(lián)接件孔壁受擠壓面的最小高度，按具體要求選取，一般

Anin-1-25（/0o

2）承受軸向載荷時的強(qiáng)度計算

受軸向載荷的額緊螺栓聯(lián)接是工程上使用最多的一種聯(lián)接方式。這時，必須同時考慮預(yù)

緊力和外載力對聯(lián)接的綜和影響。如凰上迦示為螺栓聯(lián)接的預(yù)緊和工作的全過程中螺栓與

被聯(lián)接件受力變形過程的結(jié)構(gòu)示意圖（注意：為了說明問題，圖中的尺寸有些夸張）。

當(dāng)螺栓未擰緊時，螺栓和被聯(lián)接件都處于自然狀態(tài)。當(dāng)施加預(yù)緊力后，螺母擰緊，螺

栓桿對應(yīng)于Qp伸長4,被聯(lián)接件在Qp的作用下產(chǎn)生壓縮變形量為4“。當(dāng)聯(lián)接上作用有外

載F時，螺栓桿將繼續(xù)伸長，其增量為八4，被聯(lián)接件因壓力減小而產(chǎn)生部分彈性恢復(fù)，其

壓縮變形的恢復(fù)量也應(yīng)該等于八幾，此時被聯(lián)接件上的殘余壓力稱為殘余預(yù)緊力，用表示。

由圖可以看出，螺栓桿上所受的總拉力Q可用下面的關(guān)系式表示:

Q=Qp+A/

或Q=Qp+F

可以看出，螺栓桿和被聯(lián)接件的

變形是彼此相關(guān)的，作用在螺栓上的

總拉力Q并不等于預(yù)緊力和外載力之

和，這一點計算中要特別注意。

外載荷我們可以通過對螺栓組的

（a）

受力分析求得。對于殘余預(yù)緊力圖7-20單個緊祟栓聯(lián)接受力變形圖

*母未擰緊<*）?????⑷外?帶作用后

一般按螺栓聯(lián)接要求或重要程度由經(jīng)

驗選取，都必須使。0>0。在沒有資料時,可按下面推薦值選用:

Q'p=（0.2-0.6）F一般聯(lián)接，工作載荷穩(wěn)定；

Qp=（0.6-1.0）F一般載荷，工作載荷不穩(wěn)定；

Q'p=（1.5-1.8）F要求由密封性的聯(lián)接；

Qp>F地腳螺栓聯(lián)接

由圖1H21的幾何關(guān)系得到關(guān)系式：

%=tan%=Cb；牛=tan%=Cm

我們把。匕、C,“分別稱為螺栓和被聯(lián)接件的剛度，即產(chǎn)生單位變形所需力的大小。一旦

材料和結(jié)構(gòu)確定后，。、。加可視為常數(shù)。

同樣，由幾何關(guān)系可導(dǎo)出下面的關(guān)系式:

F-AF=A2tan^=A2-C

AF=AA?tanOh-AA-Cbm7m

所以得到："=幺，故：AF=—一F

F7CmCb+Cm

從而可以得到：。=。0+——--F

p

cb+cm

為保證有足夠的殘余預(yù)緊力Q,p,就要保證：

C

QP=Q?+(F-SF)=QP+-^—F

十。加

cc

其中：一」稱作螺栓的相對剛度；一J稱作被聯(lián)接件的相對剛度。

Cb+CmCb+Cm

常數(shù)一^—的值是通過試驗獲得的，可以參閱（教材）。

Cb+Cm

由式好——/可以看出，當(dāng)時，外載施加在螺栓上的載荷A歹將很小。

「I「。III

b'°機(jī)

在其它條件不變的情況下，Q、將減小。所以，在一般聯(lián)接件中采用較硬的金屬墊片以減

小螺栓直徑。而密封性要求較高時，采用軟金屬作墊片。

我們知道，理論計算和工程實際是有差別的，為了保證可靠預(yù)緊，在求得Q以后，考慮

到其它因素（如扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力等）的影響，應(yīng)將◎曾加3%

所以:a—叫

7.9提高螺栓聯(lián)接強(qiáng)度的措施智

螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度主要取決于螺栓強(qiáng)度，而影響螺栓強(qiáng)

度的因素有許多。那么如何提高螺栓聯(lián)接強(qiáng)度呢?

--降低影響螺栓疲勞強(qiáng)度的應(yīng)力幅

D隨著外載在—F之間的變化，螺栓總拉力將在Q和

圖7-20腰狀桿螺栓和空心螺栓

之間變化，其變動幅度為△/，而AF=3

1-F,

g+Gm

顯然隨著Qp的增加，在AF不變

的條件下，絲AF會下降，就可以

QP

使螺栓承受的變應(yīng)力相對減小，載

荷趨于平穩(wěn)。所以，適當(dāng)增大預(yù)緊

力可以減小變應(yīng)力對強(qiáng)度的影響。

2）由AF=—邑一F可

Cb+Cm

知，江與螺栓和被聯(lián)接件的剛度有關(guān),增大。加或減小6都可以使AF減小，也可以減小變

應(yīng)力對強(qiáng)度的影響。為達(dá)此目的，可以：（D改變螺栓的長度或形狀，如圖II所示，以降

低螺栓的剛度；（2）利用一定的方法提高C”，例如圖T1所示，采用剛度較大的金屬墊片

或采用密封圈進(jìn)行密封。

改善螺紋牙間的載荷分布不均現(xiàn)象

在聯(lián)接承受軸向載荷作用時，在整個螺紋長度上，其承受的載荷是不同的，而是逐圈遞減

的。試驗證明:約有三分之一的載荷集中在第一圈螺紋上，以后各圈遞減，在第八圈以后螺紋

幾乎不承受載荷，如圖7—22和圖7—23所示。所以希望利用增加螺母厚度來提高聯(lián)接強(qiáng)度，其

效果不大。

改善載荷不均勻的措施，原則上是

減小螺栓與螺母二者承受載荷時螺距的

變化差，盡可能使螺紋各圈承受載荷接

近均等。常用的方法有：1）將螺母設(shè)計

成受拉伸的；2）在螺母的旋入端最初螺

紋上制出倒角，如圖T43）采用均

圖7-23均載螺母

載鋼絲套，利用鋼絲螺_

（TTI

套的膨脹作用起到均載,（

的作用。

三.避免或減小附加應(yīng)

附加應(yīng)力是指由于圖7-25大圜角和卸載結(jié)構(gòu).

（a）加大圓角S）卸赧槽卸載過渡結(jié)構(gòu)

制造、裝配或不正確設(shè)計而在螺栓中產(chǎn)生的額附加彎曲應(yīng)力。為此，聯(lián)接的支承面必須進(jìn)行加

工，設(shè)計時常將支承面設(shè)計成單個凸臺錦（huo）平或采用沉頭座（又稱魚眼坑），保證設(shè)計、

制造、安裝時螺栓軸線與被聯(lián)接件的接合面垂直，如圖T5

四.減小應(yīng)力集中的影響

我們已經(jīng)知道應(yīng)力集中是十分有害的。曾經(jīng)看到一根直徑大約60Ctan的軸由于應(yīng)力集中而

產(chǎn)生斷裂的情況。螺栓的斷裂也最容易在應(yīng)力集中處產(chǎn)生。為了減少應(yīng)力集中，可以采用如圖

10~48所示的卸載結(jié)構(gòu)。

五.采用合理的制造工藝

采用合理的制造工藝方法，也可以提高螺

栓的疲勞強(qiáng)度，例如采用冷墩、滾壓或利用氮

化和氧化的熱處理工藝，可以極大地提高螺栓

的疲勞強(qiáng)度（滾壓大約可以提高3-4%如

果經(jīng)過熱處理再滾壓甚至可以提高大約7-

103。

至此，螺栓聯(lián)接的內(nèi)容我們就講解完畢，

那么我們在實際工作中應(yīng)如何利用這些知識合理的金屬流線

呢？下面我們就來看書上給我們提供的例題。

例：（略）

在聯(lián)接中，除了螺紋聯(lián)接外，還有一些無法利用螺栓來實現(xiàn)聯(lián)接的場合，例如安裝在軸上

的零件（齒輪、鏈輪、帶輪等），這種聯(lián)接（輪轂與軸）統(tǒng)稱為軸轂聯(lián)接，其主要方式有鍵聯(lián)

接、花鍵聯(lián)接、無鍵聯(lián)接等等。接下來我們就開始逐步進(jìn)行介紹。

****職業(yè)技術(shù)學(xué)院教案

第12次課|教學(xué)課型：理論課J實驗課口習(xí)題課口實踐課口技能課口其它口

主要教學(xué)內(nèi)容

7.6螺旋傳動

重點、難點

1.掌握普通螺旋傳動的分類及旋進(jìn)方向的判定。

教學(xué)目的要求：

1、了解螺旋傳動的分類；

2、掌握普通螺旋傳動的分類及旋進(jìn)方向的判定;

3、理解普通螺旋傳動移動距離的計算；

4、了解螺旋傳動的優(yōu)、缺點；

教學(xué)方法和教學(xué)手段:

多媒體講授

討論、思考題、作業(yè):

參考資料：

多媒體材料，網(wǎng)絡(luò)資料

備

講稿內(nèi)容

注

7.61螺旋傳動的特點及分類

一螺旋傳動的特點

1作用

利用螺旋副來傳遞運(yùn)動和動力，將主動件的回轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)閺膭蛹闹本€運(yùn)動。

2特點

結(jié)構(gòu)簡單、平穩(wěn)、承載能力大、傳動精度高，摩擦大、傳動效率低。

3類型

普通螺旋傳動

差動螺旋傳動

滾珠螺旋傳動

二分類

《一）按使用要求不同可分為

1?傳力螺旋

2傳導(dǎo)螺旋

3調(diào)整螺旋

圖7-26如■傳：切的荒中

（二）按螺桿與螺母相對運(yùn)動方式分類

L螺母固定不動，螺桿回轉(zhuǎn)并作直線運(yùn)動（千斤頂）

2螺桿固定不動，螺母回轉(zhuǎn)并作直線運(yùn)動（機(jī)床絲杠）

a螺桿回轉(zhuǎn)，螺母作直線運(yùn)動（很少應(yīng)用）

4螺母回轉(zhuǎn)，螺桿作直線運(yùn)動（很少應(yīng)用）

（三）按摩擦性質(zhì)分類

滑動螺旋、滾動螺旋、靜壓螺旋

7.a2螺旋傳動的設(shè)計

耐磨性計算

滑動螺旋的磨損與螺紋工作面上的壓力、滑動速度、螺紋表面粗糙度以及潤滑狀態(tài)等因素有關(guān)。

其中最主要的是螺紋工作面上的壓力，壓力越大螺旋副間越容易形成過度磨損。因此，滑動螺旋的耐

磨性計算，主要是限制螺紋工作面上的壓力U使其小于材料的許用壓力

如圖片46所示，假設(shè)作用于螺桿的軸向力為Q（N,螺紋的承壓面積（指螺紋工作表面投影到垂

直于軸向力的平面上的面積）為A（nrf）,螺紋中徑為小（mri,螺紋工作高度為H（rm）,螺紋螺

距為P（nri,螺母高度為D（nni,螺紋工件圈數(shù)為LFH/PO則螺紋工作面上的耐磨性條件為

QQQPrn

P——=--------=----------<\_p\MPa

A7id2hu7id2hH(7-1)

上式可作為校核計算用。為了導(dǎo)出設(shè)計計算式，令。田/4,則珪力,代入式（5-43）引

整理后可得

4>QP

成。［夕］

(7-2)

對于矩形和梯形螺紋，仁Q5R則

d>0,8

2祝夕］

(T)

對于3(r鋸齒形螺紋。仁Q75R則

d>0.65

2機(jī)。］

(f

螺母高度比力A式中：回為材料的許用壓力，m見表5-15力值一般取L人35對于整

體螺母，由于磨損后不能凋整間隙，為使受力分布比較均勻，螺紋工作圈數(shù)不宜過多，故取力=L打

25對于剖分螺母和兼作支承的螺母，可取小NA35只有傳動精度較高；載荷較大，要求壽命較

長時，才允許取。=1

根據(jù)公式算得螺紋中徑&后，應(yīng)按國家標(biāo)準(zhǔn)選取相應(yīng)的公稱直徑d及螺距R螺紋工作圈數(shù)不宜

超過10圈。

螺旋副受力

表：滑動螺旋副材料的許用壓力［P］

螺桿一螺母的材料滑動速度許用壓力

鋼一青銅低速18-25

W301H8

成127-10

>15L2

淬火鋼一青銅成1210-13

<2413-18

鋼一鑄鐵

成124-7

注：表中數(shù)值適用于卜4的情況。當(dāng)也＜25時，同值可提高20%；若為剖分螺母時則回值

應(yīng)降低1%20%。

螺紋幾何參數(shù)確定后、對于有自鎖性要求的螺旋副，還應(yīng)校校螺旋副是否滿足自鎖條件，即

少V%=arctg=arct或

式中；w為螺紋升角；&為螺旋副的當(dāng)量摩擦系數(shù)；f為摩擦系數(shù).見下表。

表：滑動螺旋副的摩擦系數(shù)f

螺桿一螺母的材料摩擦系數(shù)f

鋼一青銅Q0Ol10

淬火鋼一青銅Q0O08

鋼一鋼Q1O17

鋼一鑄鐵0.15

注：起動時取大值.運(yùn)轉(zhuǎn)中取小值。

螺桿的強(qiáng)度計算

受力較大的螺桿需進(jìn)行強(qiáng)度計算。螺桿工作時承受軸向壓力（或拉力）"口扭矩T的作用。螺桿

危險截面上既有壓縮（或拉伸）應(yīng)力；又有切應(yīng)力。因此；核核螺桿強(qiáng)度時，應(yīng)根據(jù)第四強(qiáng)度理論求

出危險截面的計算應(yīng)力。的其強(qiáng)度條件為

或

式中:

A-螺桿螺紋段的危險截面面積。

A=7"：，機(jī)加2

Ml螺桿螺紋段的抗扭截面系數(shù)，

1.di3

W———-=A—^mm

T164

di—螺桿螺紋小徑，W

戶螺桿所受的扭矩，

T=QtgB+%)?加

［。］—螺桿材料的許用應(yīng)力，NPa見下表

滑動螺旋副材料的許用應(yīng)力