第5章 螺紋聯(lián)接與螺旋傳動(dòng)

1、教 案授課時(shí)間2007年 10 月 18 日 星期 四 第 1、2 節(jié)2007年 10 月 22日 星期 一 第 1、2 節(jié)2007年 10月 25日 星期 四 第 1、2 節(jié)授課內(nèi)容概要§5-1 螺紋§5-2 螺紋聯(lián)接的類型和標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)接件§5-3 螺紋聯(lián)接的預(yù)緊§5-4 螺紋聯(lián)接的防松§5-5 螺紋聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算§5-6 螺紋組聯(lián)接的設(shè)計(jì)§5-7 螺紋聯(lián)接的材料及許用應(yīng)力§5-8 提高螺紋聯(lián)接強(qiáng)度的措施§5-9 螺旋傳動(dòng)目的要求1、 掌握螺紋和螺紋聯(lián)接的基本知識(shí)，單個(gè)螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算理論與方法；2、 了

2、解各種螺紋聯(lián)接標(biāo)準(zhǔn)件的常用材料及強(qiáng)度級(jí)別，預(yù)緊的目的，滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算的基本知識(shí)； 3、 理解防松的目的和防松的原理，控制預(yù)緊力的方法，扳手?jǐn)Q緊力矩和由此產(chǎn)生的預(yù)緊力的關(guān)系，各種防松裝置及其應(yīng)用，提高螺紋聯(lián)接強(qiáng)度的各種措施，螺栓組聯(lián)接的四種典型受力狀態(tài)(軸向力、橫向力、旋轉(zhuǎn)力矩和傾覆力矩)下的受力分析，螺栓組聯(lián)接的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理。 重點(diǎn)1、 螺紋聯(lián)接的類型；2、 單個(gè)螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算；3、 螺栓組受力分析及強(qiáng)度計(jì)算；4、 提高螺紋聯(lián)接強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)和工藝措施。難點(diǎn)1、 單個(gè)螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算；2、 螺栓組受力分析及強(qiáng)度計(jì)算；作業(yè)布置選擇與填空：5-15分析與思考：5-8，9，1017設(shè)計(jì)計(jì)算：

3、5-2124結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析：5-26習(xí)題5-4、5、7、8、9、10本章（節(jié)）參考書1 吳宗澤機(jī)械設(shè)計(jì)(第一版)高等教育出版社，2001年7月2 邱宣懷機(jī)械設(shè)計(jì)(第四版)高等教育出版社，1997年7月3 彭文生機(jī)械設(shè)計(jì)(第二版)華中科技大學(xué)出版社，2000年3月4 李育錫主編，機(jī)械設(shè)計(jì)作業(yè)集（1）（2）(第二版) 北京：高等教育出版社，20015 彭文生、黃華梁主編，機(jī)械設(shè)計(jì)教學(xué)指南(第一版)北京：高等教育出版社，20036 吳宗澤，黃純穎主編，機(jī)械設(shè)計(jì)習(xí)題集(第三版) 北京：高等教育出版社，20027 濮良貴、紀(jì)名剛主編，機(jī)械設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)指南(第四版)北京：高等教育出版社，20018 周開勤機(jī)械

4、零件手冊(cè)(第四版)高等教育出版社，1994年教學(xué)方法課堂講授和多媒體演示主要教具多媒體、機(jī)械設(shè)計(jì)教具備注授 課 過 程 及 內(nèi) 容備 注第五章 螺紋聯(lián)接和螺旋傳動(dòng)§51 螺紋（一） 螺紋的類型和應(yīng)用 （重點(diǎn)內(nèi)容）結(jié)合表51圖，講解常用螺紋類型、特點(diǎn)和應(yīng)用；適當(dāng)補(bǔ)充介紹一下自攻螺釘。（二） 螺紋的主要參數(shù)大徑螺紋的最大直徑，公稱尺寸小徑螺紋的最小直徑，強(qiáng)度計(jì)算時(shí)作為危險(xiǎn)截面的計(jì)算直徑中徑假想的平均直徑，確定螺紋幾何參數(shù)和配合性質(zhì)的直徑螺紋線數(shù)螺紋的螺旋線數(shù)目螺紋旋向左旋、右旋螺距P螺紋相鄰兩個(gè)牙型上對(duì)應(yīng)點(diǎn)間的軸向距離；導(dǎo)程S螺紋上任一點(diǎn)沿同一條螺旋線轉(zhuǎn)一周所移動(dòng)的軸向距離，S=nP；螺

5、紋升角按螺紋中徑d 2處計(jì)算；牙型角螺紋軸向截面內(nèi)，螺紋牙型兩側(cè)邊的夾角；（新）接觸高度h內(nèi)外螺紋旋合后的接觸面的徑向高度。（新）§52 螺紋聯(lián)接的類型和標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)接件 （以自學(xué)為主）重點(diǎn)提示：普通螺栓（受拉螺栓） 結(jié)構(gòu)、受力狀況不同 鉸制孔螺栓（受剪螺栓） 設(shè)計(jì)計(jì)算也將不同§53螺紋聯(lián)接的預(yù)緊 （以自學(xué)為主）·預(yù)緊目的：防止聯(lián)接松弛，失效！螺栓擰緊后，螺栓受拉，受預(yù)緊力F0 。·預(yù)緊力F0不能過大，螺栓會(huì)拉斷，應(yīng)控制擰緊力矩T 。碳鋼螺栓：合金鋼螺栓： ·擰緊力矩T = T1 + T2 T1：螺旋副摩擦力矩； T2：螺母與支撐面間摩擦力矩； ，T

6、=FL，F(xiàn) 為擰緊力200N， L=15d， 15000N，這個(gè)預(yù)緊力擰M12螺栓，可能會(huì)擰斷。·重要聯(lián)接不能用小螺栓，應(yīng)大于M12。·螺栓預(yù)緊后，其應(yīng)力狀態(tài)為拉扭聯(lián)合作用。§54螺紋聯(lián)接的防松 p68 （以自學(xué)為主）防松的根本問題在于防止螺旋副相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。按工作原理的不同，防松方法分為：摩擦防松：機(jī)械防松。（結(jié)合圖簡(jiǎn)單講解常用的摩擦放松和機(jī)械放松方法）§55 螺紋聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算 （重點(diǎn)內(nèi)容）（一）螺紋聯(lián)接的失效形式和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 聯(lián)接的失效形式：主要是指螺紋聯(lián)接件的失效。受拉螺栓主要失效形式：螺紋部分的塑性變形和螺桿的疲勞斷裂。受剪螺栓主要失效形式：螺栓桿被

7、剪斷或螺栓桿和孔壁的貼合面被壓潰。設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：受拉螺栓 受剪螺栓 ；螺紋聯(lián)接的設(shè)計(jì)過程 : 根據(jù)聯(lián)接的功能和結(jié)構(gòu)要求-螺栓組設(shè)計(jì)-受力分析-受力最大的單個(gè)螺栓強(qiáng)度計(jì)算-按標(biāo)準(zhǔn)選擇螺栓、螺母、墊圈及防松裝置。（二）松螺栓聯(lián)接強(qiáng)度計(jì)算松螺栓聯(lián)接，螺母不擰緊，無預(yù)緊力。螺栓只受軸向工作拉力。 -校核公式（58） -設(shè)計(jì)公式（59）（三） 緊螺栓聯(lián)接強(qiáng)度計(jì)算 （重點(diǎn)內(nèi)容）1 僅承受預(yù)緊力F0（僅受橫向載荷）的緊螺栓聯(lián)接 圖513螺栓受力：預(yù)緊力（拉伸力）F0 拉應(yīng)力；擰緊力矩T 扭應(yīng)力 ·由第四強(qiáng)度理論 ·強(qiáng)度計(jì)算公式 ，·螺栓預(yù)緊后，其應(yīng)力狀態(tài)為拉扭聯(lián)合作用。注意：緊螺栓

8、聯(lián)接時(shí)，如用普通螺栓，則螺栓中不僅受拉應(yīng)力，還因擰緊時(shí)螺栓桿受扭而產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力。按第四強(qiáng)度理論計(jì)算復(fù)合應(yīng)力，應(yīng)用中可按承受拉力1.3F0進(jìn)行抗拉強(qiáng)度計(jì)算。 -校核公式 （514） 由于普通螺栓是靠擰緊后產(chǎn)生的摩擦力承受橫向載荷，擰緊力須很大，而且摩擦因數(shù)不穩(wěn)定，聯(lián)接不可靠。 措施一：如圖514采用減載零件 措施二：如圖518采用鉸制孔螺栓 P762 承受預(yù)緊力 F0 和工作拉力 F 的緊螺栓聯(lián)接圖515 解釋擰緊、加載過程中，螺栓及被聯(lián)接零件的受力變形狀況圖516 要求掌握彈性聯(lián)接圖的畫法、各參量的物理意義、導(dǎo)出關(guān)系：·螺栓剛度 Cb = ， ·被聯(lián)接件剛度Cm = ，由

9、圖，F(xiàn)2 = F1 + F ， F2 = F0 + F， F=tgb， F F= tgm， ， ·螺栓的總拉力F2為： ，·螺栓的殘余預(yù)緊力F1為：· 為螺栓的相對(duì)剛度，墊片越軟，剛度Cm越小，相對(duì)剛度越大。采用橡膠墊片相對(duì)剛度為0.9，金屬墊片為0.2。·螺栓的相對(duì)剛度小，螺栓受力降低，提高螺栓聯(lián)接的承載能力。·強(qiáng)度計(jì)算公式： ，·螺栓應(yīng)力狀態(tài)為拉扭聯(lián)合作用。·聯(lián)接設(shè)計(jì)：a. 根據(jù)載荷計(jì)算工作拉力F； b. 根據(jù)聯(lián)接要求選取殘余預(yù)緊力F1；c. 計(jì)算螺栓總拉力F2=F+F1；d. 強(qiáng)度計(jì)算。對(duì)變載荷，當(dāng)工作拉力在 0F 之

10、間變化時(shí)，螺栓的總拉力將在F0F2之間變化，如圖517， 由： ， ； 則應(yīng)力幅為：·對(duì)于承受軸向變載荷的重要螺栓，還應(yīng)作疲勞強(qiáng)度校核。 保持不變。，·與的區(qū)別3 承受工作剪力（橫向載荷）的緊螺栓聯(lián)接此乃受剪螺栓（即鉸制孔螺栓），螺栓桿與孔壁間無間隙，螺栓桿受剪切和擠壓作用。失效形式為剪斷和壓潰。按擠壓和剪切強(qiáng)度條件計(jì)算擠壓強(qiáng)度條件： （521）剪切強(qiáng)度條件： （522）§56 螺栓組聯(lián)接的設(shè)計(jì) （重點(diǎn)內(nèi)容）（一） 螺栓組聯(lián)接的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) （結(jié)合圖例講解）1 聯(lián)接的接合面通常設(shè)計(jì)成軸對(duì)稱的簡(jiǎn)單幾何形狀。2 螺栓的布置應(yīng)使各螺栓受力合理。即應(yīng)使普通螺栓受拉力，鉸制孔螺

11、栓受剪力；各螺栓受力盡可能小且均勻。3 螺栓的排列應(yīng)有合理的間距、邊距。4 分布在同一圓周上的螺栓數(shù)目，應(yīng)取成4、6、8等偶數(shù)。5 同一螺栓組中的螺栓，其直徑、長(zhǎng)度、材料等應(yīng)用相同的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)格。6 避免螺栓承受附加的彎曲載荷。7 合理選擇螺栓組的防松裝置。（二） 螺栓組聯(lián)接的受力分析目的：找出螺栓組中受力最大的螺栓，并計(jì)算其值，爾后對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算1 受橫向載荷 F 的螺栓組聯(lián)接注意：此時(shí)，可用鉸制孔螺栓靠螺栓桿受剪和擠壓抵抗橫向載荷也可用普通螺栓靠擰緊形成的接合面間的摩擦力抵抗橫向載荷。 (故：二者的強(qiáng)度條件不同，計(jì)算方法也不同。前者的承載能力遠(yuǎn)高于后者。）應(yīng)用鉸制孔螺栓時(shí)，見圖522 b

12、,每個(gè)螺栓的工作載荷為 （認(rèn)為z個(gè)螺栓均勻分擔(dān)橫向總載荷F ）: (5-23)然后，按式521、522 校核螺栓桿部的擠壓強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度。應(yīng)用普通螺栓時(shí)，見圖522 a ,應(yīng)保證聯(lián)接預(yù)緊后，接合面間所產(chǎn)生的最大摩擦力大于或等于橫向總載荷 ： 或 (5-24)2 受轉(zhuǎn)矩 T 的螺栓組聯(lián)接本質(zhì)上，各螺栓仍是承受橫向載荷，同樣可以采用兩種螺栓。應(yīng)用普通螺栓時(shí)，見圖523 a ,應(yīng)保證聯(lián)接預(yù)緊后，每個(gè)螺栓所產(chǎn)生的摩擦力矩之總和大于或等于螺栓組的轉(zhuǎn)矩T ： (5-25)應(yīng)用鉸制孔螺栓時(shí)，見圖523 b ,因每個(gè)螺栓距回轉(zhuǎn)中心距離不等而使受力不等，若假定底板為剛體，則各螺栓的受力大小Fi與其向徑的大小ri

13、成正比,即， 變形協(xié)調(diào)條件 (5-26)再引入 力矩平衡條件 (5-27)聯(lián)立解式526 、527 得受力最大的螺栓的工作剪力為 (5-28)3 受軸向載荷F的螺栓組聯(lián)接最典型的是液壓缸、氣壓缸的缸體缸蓋螺栓組聯(lián)接。此時(shí)，認(rèn)為作用在缸蓋上的總載荷F平均分配給各螺栓，各螺栓所受的工作載荷為： (5-29)4 受傾覆力矩M的螺栓組聯(lián)接見圖525。未受載前，螺栓組已擰緊，受力情況如圖525 b；加載后，受力情況如圖525 c,變形也是彈性聯(lián)接變形，只是左右兩側(cè)的變形方法相反而已。彈性聯(lián)接圖見圖526力矩平衡條件 M Fi Li (5-30)變變形協(xié)調(diào)條件 Fi F max Li / L max 聯(lián)立

14、解上兩式，得螺栓最大的工作載荷 F max M L max/ Li2 (5-31)同時(shí)，應(yīng)滿足： 不壓潰條件 (5-36) 不離縫條件 (5-37)§57 螺紋聯(lián)接件的材料及許用應(yīng)力 P83 解釋表58、59、510§58 提高螺紋聯(lián)接強(qiáng)度的措施 （重點(diǎn)內(nèi)容）P85必需強(qiáng)調(diào)：計(jì)算的強(qiáng)度不等于實(shí)際的強(qiáng)度。影響螺栓強(qiáng)度的因素很多，大多數(shù)影響因素都未在計(jì)算中考慮，如旋合的各圈螺紋牙的載荷分配、應(yīng)力變化的幅度、應(yīng)力集中的程度、有沒有附加應(yīng)力、材料的力學(xué)性能及制造工藝等，而且目前大多還無法進(jìn)行定量計(jì)算。因此，了解和分析影響螺栓強(qiáng)度的因素，靈活掌握在實(shí)踐中總結(jié)和應(yīng)用的典型結(jié)構(gòu)、技術(shù)措施

15、、工藝方法及各種經(jīng)驗(yàn)尤為重要（對(duì)其他零件也如此）。影響聯(lián)接強(qiáng)度的因素很多，如材料、結(jié)構(gòu)、尺寸、工藝、螺紋牙間、載荷分布、應(yīng)力幅度、機(jī)械性能，而螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度又主要取決于螺栓的強(qiáng)度。（一）降低影響螺栓疲勞強(qiáng)度的應(yīng)力幅（）由前知，有兩種辦法，或同時(shí)使用效果最佳1、降低螺栓剛性作圖法分析即（1）條件：、F、不變，、Q減小，（2）獲得：，抗疲勞強(qiáng)度提高（3）措施：用豎心桿、細(xì)長(zhǎng)桿、柔性螺栓聯(lián)接等。被聯(lián)接件剛性2、增大凸緣剛性：即螺栓聯(lián)接耐疲勞強(qiáng)度1）條件：、F不變，、Q，2）使得：，提高螺栓聯(lián)接耐疲勞強(qiáng)度3）措施：采用高硬度墊片、或直接擰在鑄鐵 被聯(lián)接件表面上，有密封性要求時(shí)采用圖4-31b形式3、同

16、時(shí)使用Cb,Cm:增大凸緣剛性、減小，螺栓剛性，且適當(dāng)增加即同時(shí)m(Cm), b(Cb),則F，a,使螺栓聯(lián)接耐疲勞強(qiáng)度大大提高條件：Q、Q'P、F不變，QP，使得：，增大了螺栓聯(lián)接抗耐勞強(qiáng)度措施：提高被聯(lián)接件剛性Cm，降低螺栓剛性Cb,同時(shí)QP2>QP2理想方法。（二）改善螺紋牙上載荷分布不均的現(xiàn)象工作中螺栓牙要抗拉伸長(zhǎng)，螺母牙受壓縮短，伸與縮的螺距變化差以緊靠支承面處第一圈為最大，應(yīng)變最大，應(yīng)力最大，其余各圈（螺距P）依次遞減，旋合螺紋間的載荷分布按茹可夫斯基試驗(yàn)證明采用圈數(shù)過多的加厚螺母，并不能提高聯(lián)接的強(qiáng)度。辦法：降低剛性，易變形、增加協(xié)調(diào)性，以緩和矛盾a) 懸置螺母強(qiáng)度

17、40%（母也受拉，與螺栓變形協(xié)調(diào)，使載荷分布均勻）b) 環(huán)槽螺母強(qiáng)度30%（螺母接近支承面處受拉）c) 內(nèi)斜螺母強(qiáng)度20%（接觸圈減少，載荷上移）d) （b）(c)結(jié)合螺母強(qiáng)度40%e) 不同材料匹配強(qiáng)度40%（三）減小應(yīng)力集中的影響螺紋牙根、收尾、螺栓頭部與螺栓桿的過渡處等均可能產(chǎn)生應(yīng)力集中。1）加大過渡處圓角， 2）改用退刀槽2040%3）卸載槽， 4）卸載過渡結(jié)構(gòu)。（四）采用合理的制造工藝方法1）用擠壓法（滾壓法）制造螺栓，疲勞強(qiáng)度3040%2）冷作硬化，表層有殘余應(yīng)力（壓）、氰化、氮化、噴丸等。可提高疲勞強(qiáng)度3）熱處理后再進(jìn)行滾壓螺紋，效果更佳，強(qiáng)度70100%，此法具有優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低

18、消耗功能。4）控制單個(gè)螺距誤差和螺距累積誤差。§59 螺旋傳動(dòng)（一）螺旋傳動(dòng)的類型和應(yīng)用1、應(yīng)用 回轉(zhuǎn) 直線 傳遞運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力 不自鎖時(shí)2、傳動(dòng)形式：a) 螺桿轉(zhuǎn)螺母移 b) 螺桿又轉(zhuǎn)又移（螺平固定）用得多c) 螺母轉(zhuǎn)螺桿移 d) 螺母又轉(zhuǎn)又移（螺桿固定）用得少3、螺旋傳動(dòng)類型按用途分三類：1）傳力螺旋舉重器、千斤頂、加壓螺旋。特點(diǎn)：低速、間歇工作，傳遞軸向力大、自鎖2）傳導(dǎo)螺旋機(jī)床進(jìn)給匯杠傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，特點(diǎn)：速度高、連續(xù)工作、精度高3）調(diào)整螺旋機(jī)床、儀器及測(cè)試裝置中的微調(diào)螺旋。其特點(diǎn)是受力較小且不經(jīng)常轉(zhuǎn)動(dòng)螺旋傳動(dòng)按摩擦副的性質(zhì)分：滑動(dòng)螺旋、滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)、靜壓螺旋（二）滑動(dòng)螺旋的結(jié)構(gòu)

19、和材料1、結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)：千斤頂?shù)湫徒Y(jié)構(gòu) 支承結(jié)構(gòu)：a)螺桿長(zhǎng)徑比小時(shí)，直接用螺母支承千斤頂b)螺桿長(zhǎng)徑比大時(shí)，且水平布置，在兩端與中間附加支承，以提高螺桿剛工，如機(jī)床絲杠。螺母結(jié)構(gòu) 整體式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但磨損后精度較差， 部分式磨損后可補(bǔ)償間隙、精度較高， 組合式適合于雙向傳動(dòng)，可提高傳動(dòng)精度，消除空回誤差齒形 矩形 梯形鋸鑿形 常用2、螺桿和螺母的材料注意：要求強(qiáng)度耐磨性，配對(duì)后f小，加工性好螺桿硬度高于螺母（三）滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算1、耐磨性計(jì)算（設(shè)計(jì)）滑動(dòng)螺旋中磨損是最主要的一種失效形式，它會(huì)引起傳動(dòng)精度下降，空間大，并使強(qiáng)度磨損的影響因素：工作面的比壓（主要因素），螺紋表面質(zhì)量，滑動(dòng)速度和潤(rùn)

20、滑狀態(tài)等耐磨性計(jì)算主要限制螺紋工作面上比壓P要求小于材料的許用比壓。為什么？當(dāng)V相同時(shí)，P大，磨損量大潤(rùn)滑油不被擠出的條件，形成油膜潤(rùn)滑耐磨性條件： （Mpa） 垂直于Q方面的接觸投影面積（單圈螺紋）式中：h工作高 梯形，矩形h=0.5P 鋸齒形 h=0.75P P螺距 u螺紋工作圈數(shù)，u=H/P, H螺母厚度 一般u10,以免載荷不均令H=d2 代入得設(shè)計(jì)公式： mm 取標(biāo)準(zhǔn)d 式中 螺母厚度系數(shù) 整體螺母 =1.22.5 剖分式螺母 =2.53.5 高精度螺母 =4P材料許用比壓，表4-16，注意小時(shí)P值可適當(dāng)提高（此時(shí)載荷分布均勻）自鎖性驗(yàn)算對(duì)有自鎖性要求的螺旋副如起重螺旋，火炮高低機(jī)等。自鎖條件為： 螺旋升角， L導(dǎo)程當(dāng)量摩擦角螺紋牙型斜角f螺旋副的滑動(dòng)摩擦系數(shù)2、螺桿的強(qiáng)度計(jì)算螺桿工作時(shí)同時(shí)受軸面壓力（拉力）Q與扭矩T的作用，截面受拉（壓）應(yīng)力與扭剪應(yīng)力的復(fù)合作用，按彎扭（壓扭，拉扭）復(fù)合強(qiáng)度條件計(jì)算第四強(qiáng)