螺紋連接與螺旋傳動(dòng)

1、第七章 螺紋連接與螺旋傳動(dòng) 為了便于機(jī)器的制造、安裝、維修和運(yùn)輸，在機(jī)器和設(shè)備的各零、部件間廣泛采用各種聯(lián)接。聯(lián)接分可拆聯(lián)接和不可拆聯(lián)接兩類(lèi)。不損壞聯(lián)接中的任一零件就可將被聯(lián)接件拆開(kāi)的聯(lián)接稱(chēng)為可拆聯(lián)接，這類(lèi)聯(lián)接經(jīng)多次裝拆仍無(wú)損于使用性能，如螺紋聯(lián)接、鏈聯(lián)接和銷(xiāo)聯(lián)接等。不可拆聯(lián)接是指至少必須毀壞聯(lián)接中的某一部分才能拆開(kāi)的聯(lián)接，如焊接、鉚釘聯(lián)接和粘接等。螺紋聯(lián)接和螺旋傳動(dòng)都是利用具有螺紋的零件進(jìn)行工作的，前者作為緊固聯(lián)接件用，后者則作為傳動(dòng)件用。本章主要討論螺紋聯(lián)接的結(jié)構(gòu)、計(jì)算和設(shè)計(jì)，重點(diǎn)介紹單個(gè)螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算、螺栓組的受力分析及提高螺栓聯(lián)接強(qiáng)度的措施。一、教學(xué)要求1.掌握螺紋連接的基本類(lèi)型、

2、掌握螺紋連接的預(yù)緊和防松；2.掌握單個(gè)螺栓連接的強(qiáng)度計(jì)算；3.了解螺栓組連接的受力分析，能夠根據(jù)已知的條件合理的選擇螺栓連接。二、教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)1.螺栓連接的基本類(lèi)型；2.單個(gè)螺栓連接的強(qiáng)度計(jì)算；3.螺栓組的設(shè)計(jì)計(jì)算是本章的難點(diǎn)。 7.1 螺紋連接的基本知識(shí)7.1.1 螺紋的類(lèi)型按牙型: 三角形螺紋、管螺紋 聯(lián)接螺紋 矩形、梯形、鋸齒形螺紋傳動(dòng)螺紋，如圖7.1按位置： 內(nèi)螺紋在圓柱孔的內(nèi)表面形成的螺紋 外螺紋在圓柱孔的外表面形成的螺紋三角形螺紋： 粗牙螺紋用于緊固件 細(xì)牙螺紋同樣的公稱(chēng)直徑下，螺距最小，自鎖性好，適于薄壁細(xì)小零件和沖擊變載等根據(jù)螺旋線繞行方向： 左旋不常用 右旋常用，如圖7.2

3、根據(jù)螺旋線頭數(shù)： 單頭螺紋（n=1）用于聯(lián)接 雙頭螺紋（n=2）如圖 多線螺紋（n2）用于傳動(dòng) 如圖7.37.1.2 螺紋的主要參數(shù)現(xiàn)以圖7.4所示的圓柱普通螺紋為例說(shuō)明螺紋的主要幾何參數(shù)。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，在有關(guān)螺紋的標(biāo)準(zhǔn)中稱(chēng)為公稱(chēng)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，是螺紋的最小直徑，常作為強(qiáng)度計(jì)算直徑。3、中徑d2 在螺紋的軸向剖面內(nèi)，牙厚和牙槽寬相等處的假想圓柱體的直徑。4、螺距P 螺紋相鄰兩牙在中徑線上對(duì)應(yīng)兩點(diǎn)間的軸向距離。5、導(dǎo)程S 同一條螺旋線上相鄰兩牙在中徑線上對(duì)應(yīng)兩點(diǎn)問(wèn)的軸向距離。設(shè)螺紋線數(shù)為n，則對(duì)

4、于單線螺紋有SP，對(duì)于多線螺紋則有Sn P。如圖73所示。6、升角 在中徑d2的圓柱面上，螺旋線的切線與垂直于螺紋軸線的平面間的夾角，由圖74可得 （7.1）7、牙型角 、牙型斜角 在螺紋的軸向剖面內(nèi)，螺紋牙型相鄰兩側(cè)邊的夾角稱(chēng)為牙型角 。牙型側(cè)邊與螺紋軸線的垂線間的夾角稱(chēng)為牙型斜角 ，對(duì)稱(chēng)牙型的/2，如圖7.1所示。常用螺紋的特點(diǎn)及應(yīng)用1、普通螺紋即米制三角形螺紋，其牙型角60º，螺紋大徑為公稱(chēng)直徑，以mm為單位。同一公稱(chēng)直徑下有多種螺距，其中螺距最大的稱(chēng)為粗牙螺紋，其余的稱(chēng)為細(xì)牙螺紋，如圖7.5所示。普通螺紋的當(dāng)量摩擦系數(shù)較大，白鎖性能好，螺紋牙根的強(qiáng)度高，廣泛應(yīng)用于各種緊固聯(lián)接

5、。一般聯(lián)接多用粗牙螺紋。細(xì)牙螺紋螺距小、升角小、白鎖性能好，但螺牙強(qiáng)度低、耐磨性較差、易滑脫，常用于細(xì)小零件、薄壁零件或受沖擊、振動(dòng)和變載荷的聯(lián)接，還可用于微調(diào)機(jī)構(gòu)的調(diào)整。2、管螺紋管螺紋是英制螺紋，牙型角55º，公稱(chēng)直徑為管子的內(nèi)徑。按螺紋是制作在柱面上還是錐面上，可將管螺紋分為圓柱管螺紋和圓錐管螺紋。前者用于低壓場(chǎng)合，后者適用于高溫、高壓或密封性要求較高的管聯(lián)接。3、矩形螺紋牙型為正方形，牙型角0º。其傳動(dòng)效率最高，但精加工較困難，牙根強(qiáng)度低，且螺旋副磨損后的間隙難以補(bǔ)償使傳動(dòng)精度降低。常用于傳力或傳導(dǎo)螺旋。矩形螺紋未標(biāo)準(zhǔn)化，已逐漸被梯形螺紋所替代。4、梯形螺紋牙型為等

6、腰梯形，牙型角30º。其傳動(dòng)效率略低于矩形螺紋，但工藝性好，牙根強(qiáng)度高，螺旋副對(duì)中性好，可以調(diào)整間隙。廣泛用于傳力或傳導(dǎo)螺旋，如機(jī)床的絲杠、螺旋舉重器等。5、矩齒形螺紋 工作面的牙型斜角為3º，非工作面的牙型斜角為30º。它綜合了矩形螺紋效率高和梯形螺紋牙根強(qiáng)度高的特點(diǎn)，但僅能用于單向受力的傳力螺旋。螺紋連接的基本類(lèi)型合理選擇螺紋連接需要了解螺紋聯(lián)接類(lèi)型的特點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)合。正確選用連接類(lèi)型,熟悉常用連接件的有關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)是設(shè)計(jì)螺紋連接所必須掌握的基本知識(shí)。螺紋連接是由帶螺紋的零件，即螺紋緊固件和被聯(lián)接件組成常用聯(lián)接的基本類(lèi)型：螺栓聯(lián)接 、雙頭螺柱聯(lián)接、 螺釘聯(lián)接 、緊

7、定螺釘聯(lián)接。 表7-1 螺紋連接的基本類(lèi)型7.1.5 標(biāo)準(zhǔn)螺紋連接件常用的有螺栓、雙頭螺柱、螺釘、螺母和墊圈等。 圖7.6 螺栓 圖7.7 雙頭螺柱圖7.8 螺釘、緊定螺釘?shù)念^部和末端圖7.9 螺母7.2 螺紋連接的預(yù)緊與防松螺紋連接的預(yù)緊螺紋聯(lián)接：松聯(lián)接在裝配時(shí)不擰緊，只存受外載時(shí)才受到力的作用 緊聯(lián)接在裝配時(shí)需擰緊，即在承載時(shí)，已預(yù)先受力，預(yù)緊力F0預(yù)緊目的保持正常工作。如汽缸螺栓聯(lián)接，有緊密性要求，防漏氣，接觸面積要大，靠摩擦力工作，增大剛性等。增大剛性增加聯(lián)接剛度、緊密性和提高防松能力預(yù)緊力F0預(yù)先軸向作用力（拉力）預(yù)緊過(guò)緊擰緊力QP過(guò)大，螺桿靜載荷增大、降低本身強(qiáng)度 過(guò)松擰緊力QP過(guò)

8、小，工作不可靠 預(yù)緊力的控制：測(cè)力矩板手測(cè)出預(yù)緊力矩，如圖7.10a定力矩板手達(dá)到固定的擰緊力矩T時(shí)，彈簧受壓將自動(dòng)打滑，如圖7.10b 圖7.10 控制擰緊力矩用的扳手 扳手力矩為 （7-2）式中F。為預(yù)緊力，單位為N；d為螺紋的公稱(chēng)直徑，單位為mm；K為擰緊力矩系數(shù)螺紋連接的防松1、防松目的實(shí)際工作中，外載荷有振動(dòng)、變化、材料高溫蠕變等會(huì)造成摩擦力減少，螺紋副中正壓力在某一瞬間消失、摩擦力為零，從而使螺紋聯(lián)接松動(dòng)，如經(jīng)反復(fù)作用，螺紋聯(lián)接就會(huì)松馳而失效。因此，必須進(jìn)行防松，否則會(huì)影響正常工作，造成事故 2、防松原理消除（或限制）螺紋副之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，或增大相對(duì)運(yùn)動(dòng)的難度。3.防松方法按其工作

9、原理可分為摩擦防松、機(jī)械防松、永久防松和化學(xué)防松4大類(lèi)。常用的防松方法如表7-2所列。7.3 單個(gè)螺栓連接的強(qiáng)度計(jì)算單個(gè)螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算是螺紋聯(lián)接設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。根據(jù)聯(lián)接的工作情況，可將螺栓按受力形式分為受拉螺栓和受剪螺栓。針對(duì)不同零件的不同失效形式，分別擬定其設(shè)計(jì)計(jì)算方法，則失效形式是設(shè)計(jì)計(jì)算的依據(jù)和出發(fā)點(diǎn)。螺栓連接的失效形式和原因 1.失效形式 工程中螺栓聯(lián)接多數(shù)為疲勞失效 受拉螺栓螺栓桿和螺紋可能發(fā)生塑性變形或斷裂受剪螺栓螺栓桿和孔壁間可能發(fā)生壓潰或被剪斷2.失效原因：應(yīng)力集中 應(yīng)力集中促使疲勞裂紋的發(fā)生和發(fā)展過(guò)程3、設(shè)計(jì)計(jì)算準(zhǔn)則與思路受拉螺栓：設(shè)計(jì)準(zhǔn)則為保證螺栓的疲勞拉伸強(qiáng)度和靜強(qiáng)度受剪

10、螺栓：設(shè)計(jì)準(zhǔn)則為保證螺栓的擠壓強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度 表7-2 常用的防松方法7.3.1 受拉螺栓連接1、松螺栓聯(lián)接 這種聯(lián)接在承受工作載荷以前螺栓不擰緊，即不受力，如圖7-11所示的起重吊鉤尾部的松螺接聯(lián)接。螺栓工作時(shí)受軸向力F作用，其強(qiáng)度條件為 （7-3） 式中d1為螺栓危險(xiǎn)截面的直徑(即螺紋的小徑)，單位為mm；為松聯(lián)接的螺栓的許用拉應(yīng)力，單位為MPa由上式可得設(shè)計(jì)公式為 （7-4）計(jì)算得出dl值后再?gòu)挠嘘P(guān)設(shè)計(jì)手冊(cè)中查得螺紋的公稱(chēng)直徑d。 圖7.11 松螺栓連接 2、緊螺栓聯(lián)接只受預(yù)緊力的緊螺栓聯(lián)接 工作前擰緊，在擰緊力矩T作用下：復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)：預(yù)緊力F0 產(chǎn)生拉伸應(yīng)力 螺紋摩擦力矩T1產(chǎn)生剪應(yīng)

11、力 按第四強(qiáng)度理論：強(qiáng)度條件為：設(shè)計(jì)公式為：由此可見(jiàn)，緊聯(lián)接螺栓的強(qiáng)度也可按純拉伸計(jì)算，但考慮螺紋摩擦力矩T的影響，需將預(yù)緊力增大30。 承受橫向外載荷的緊螺栓聯(lián)接主要防止被聯(lián)接件錯(cuò)動(dòng) 特點(diǎn)：桿孔間有間隙，靠擰緊的正壓力(F0)產(chǎn)生摩擦力來(lái)傳遞外載荷，保證聯(lián)接可靠(不產(chǎn)生相對(duì)滑移)的條件為： 若考慮聯(lián)接的可靠性及接合面的數(shù)目，上式可改成 圖7.12 受橫向外載荷的普通螺栓連接 式中FR為橫向外載荷，單位為N；f為接合面間的摩擦系數(shù)，；m為接合面的數(shù)目；Kf 為可靠性系數(shù)，取Kf1.11.3。 強(qiáng)度校核公式為： 設(shè)計(jì)公式為：承受軸向靜載荷的緊螺栓聯(lián)接這種受力形式的緊螺栓聯(lián)接應(yīng)用最廣，也是最重要的

12、一種螺栓聯(lián)接形式。圖7.13所示為氣缸端蓋的螺栓組，其每個(gè)螺栓承受的平均軸向工作載荷為 式中p為缸內(nèi)氣壓；D為缸徑；z為螺栓數(shù) 圖7.13 氣缸蓋螺栓連接 圖7.14 螺栓的受力與變形圖7.14所示為氣缸端蓋螺栓組中一個(gè)螺栓聯(lián)接的受力與變形情況。假定所有零件材料都服從胡克定律，零件中的應(yīng)力沒(méi)有超過(guò)比例極限。圖7.14a所示為螺栓未被擰緊，螺栓與被聯(lián)接件均不受力時(shí)的情況。圖7.14b所示為螺栓被擰緊后，螺栓受預(yù)緊力F0，被聯(lián)接件受預(yù)緊壓力F0的作用而產(chǎn)小壓縮變形1的情況。圖7.14c所示為螺栓受到軸向外載荷(由氣缸內(nèi)壓力而引起的)F作用時(shí)的情況，螺栓被拉伸，變形增量為2，根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件，2即等

13、于被聯(lián)接件壓縮變形的減少量。此時(shí)被聯(lián)接件受到的壓縮力將減小為F0，稱(chēng)為殘余預(yù)緊力。顯然，為了保證被聯(lián)接件間密封可靠，應(yīng)使F0>0，即1>2。此時(shí)螺栓所受的軸向總拉力應(yīng)為其所受的工作載荷F與殘余預(yù)緊力F0之和，即 不同的應(yīng)用場(chǎng)合，對(duì)殘余頸緊力F0有著不同的要求一般可參考以下經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)確定：對(duì)于一般的聯(lián)接，若工作載荷穩(wěn)定，取F0(0.20.6)F，若工作載荷不穩(wěn)定，取F0(0.61.0)F；對(duì)于氣缸、壓力容器等有緊密性要求的螺栓聯(lián)接，取F0(1.51.8)F。當(dāng)選定殘余預(yù)緊力F0后，即可按上式求出螺栓所受的總拉力F，同時(shí)考慮到可能需要補(bǔ)充擰緊及扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力的作用，將增加30，則螺栓危險(xiǎn)截

14、面的拉伸強(qiáng)度條件為 設(shè)計(jì)公式為： 受剪切螺栓連接 圖7.15 受橫向外載荷的餃制孔用螺栓連接特點(diǎn)：螺桿與孔間緊密配合，無(wú)間隙，由光桿直接承受擠壓和剪切來(lái)傳遞外載荷FR進(jìn)行工作。螺栓的剪切強(qiáng)度條件為：螺栓與孔壁接觸表面的擠壓強(qiáng)度條件為：7.4 螺栓組連接的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和受力分析工程中螺栓皆成組使用，單個(gè)使用極少。因此，必須研究栓組設(shè)計(jì)和受力分析。它是單個(gè)螺栓計(jì)算基礎(chǔ)和前提條件。螺栓組連接設(shè)計(jì)的順序選布局、定數(shù)目、力分析、設(shè)計(jì)尺寸。螺栓組連接的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則1、布局要盡量對(duì)稱(chēng)分布，栓組中心與連接結(jié)合面形心重合（有利于分度、劃線、鉆孔），以受力均勻。2、受剪螺栓組（鉸制孔螺栓聯(lián)接）時(shí)，不要在外載作用方向布

15、置8個(gè)以上，螺栓要使其受力均勻，以免受力太不均勻，但彎扭作用螺栓組，要適當(dāng)靠接縫邊緣布局，否則受力太不均。3、合理間距，適當(dāng)邊距，以利于扳手裝拆。4、避免偏心載荷作用 a）被聯(lián)接件支承面不平突起 b）表面與孔不垂直 c）鉤頭螺栓聯(lián)接7.4.2 螺栓組連接的受力分析目的求受力最大載荷的螺栓前提（假設(shè)）：被聯(lián)接件為剛性不變形，只有地基變形。各螺栓材料、尺寸、擰緊力均相同受力后材料變形在彈性范圍內(nèi)接合面形心與螺栓組形心重合，受力后其接縫面仍保持平面1、受橫向載荷的螺栓組聯(lián)接 特點(diǎn)：普通螺栓，鉸制孔用螺栓皆可用，外載垂直于螺栓軸線、防滑普通螺栓受拉伸作用鉸制孔螺栓受橫向載荷剪切、擠壓作用。單個(gè)螺栓所承

16、受的橫向載荷相等 1）普通螺栓連接：每個(gè)螺栓上所受的預(yù)緊力F0為 ，z為連接螺栓的個(gè)數(shù)。其他符號(hào)意義同前。2）鉸制孔用螺栓連接：每個(gè)螺栓所受的橫向工作剪力為2.受旋轉(zhuǎn)力矩的螺栓組連接如圖7.15所示，轉(zhuǎn)矩作用在聯(lián)接接合面內(nèi)，在轉(zhuǎn)矩T的作用下，底板有繞螺栓組幾何中心軸線OO旋轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。 圖7.15 受旋轉(zhuǎn)力矩的螺栓組(1)普通螺栓聯(lián)接如圖7-15a所示，各螺栓所受預(yù)緊力均為F0，由預(yù)緊力產(chǎn)生的摩擦力fF0集中作用在各螺栓的中心處，并垂直于螺栓中心與底板旋轉(zhuǎn)中心的連線，根據(jù)底板的力矩平衡條件得式中f為接合面間的摩擦系數(shù)；ri (i=l，2，n)為各螺栓軸線至底板中心O的距離；Kf為可靠性系數(shù)，取1

17、.11.5。 (2)鉸制孔用螺栓聯(lián)接如圖7-15b所示，在轉(zhuǎn)矩T的作用下各螺栓受到剪切和擠壓作用，各螺栓所受的剪力為FR其方向與該螺栓軸線至底板旋轉(zhuǎn)中心的連線相垂直。假定底板與座體均為剛體，則各螺栓的剪切變形雖與其至底板旋轉(zhuǎn)中心O的距離r成正比。若各螺栓剛度相同，螺栓所受剪力也與此距離成正比，即 （7.17）由底板的力矩平衡條件得 （7.18）聯(lián)立式（7.17）和式（7.18），并根據(jù)反作用力定律 方向相反，可得距離旋轉(zhuǎn)中心O最遠(yuǎn)處的螺栓所受得最大工作剪力為 （7.19）3、受軸向載荷的螺栓組聯(lián)接 圖7.16 受軸向載荷的螺栓組圖7.16所示為氣缸蓋螺栓組聯(lián)接，其載荷FQ的作用線平行于螺栓軸線

18、并通過(guò)螺栓組的對(duì)稱(chēng)中心。假定桿螺栓平均受載，則每個(gè)螺栓所受的軸向上作載荷為 4、受翻轉(zhuǎn)力矩的螺栓組聯(lián)接如圖7.17特點(diǎn)：M在鉛直平面內(nèi)，繞O-O回轉(zhuǎn)，只能用普通螺栓，取板為受力對(duì)象，設(shè)單個(gè)螺栓工作載荷為Fi ，由靜平衡條件 同理由變形協(xié)調(diào)條件：聯(lián)立兩式可得： 圖7.17 受翻轉(zhuǎn)力矩的螺栓組結(jié)合面最小受壓處不出現(xiàn)間隙的條件為：接合面最大受壓處不發(fā)生壓潰得條件為 實(shí)際使用中螺栓組聯(lián)接所受的載荷是以上四種簡(jiǎn)單受力狀態(tài)的不同組合。計(jì)算時(shí)只要分別計(jì)算出螺栓組在這些簡(jiǎn)單受力狀態(tài)下每個(gè)螺栓的工作載荷，然后按向量疊加起來(lái)，便得到每個(gè)螺栓的總工作載荷，再對(duì)受力最大的螺栓進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算即可說(shuō)明：工程中受力情況很復(fù)雜

19、，但均可轉(zhuǎn)化為四種典型情況進(jìn)行解決。 計(jì)算公式在對(duì)稱(chēng)分布情況下推導(dǎo)，但不對(duì)稱(chēng)也可以用 取轉(zhuǎn)軸不同，公式計(jì)算精度不同。 總設(shè)計(jì)思路：螺栓組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（布局、數(shù)目）螺栓組受力分析（載荷類(lèi)型、狀態(tài)、形式）求單個(gè)螺栓的最大工作載荷（判斷哪個(gè)最大）按最大載荷的單個(gè)螺栓設(shè)計(jì)（求d1標(biāo)準(zhǔn)）全組采用同樣尺寸螺栓（互換的目的） 7.5 螺紋連接件的材料和許用應(yīng)力螺栓材料 常用材料為低碳鋼和中碳鋼，如Q215、Q235、15、35、45等。受變載荷、沖擊等重要聯(lián)接可用合金鋼,如20Cr、40Cr、30CrMnSi等。許用應(yīng)力，安全系數(shù)許用應(yīng)力已知：不控制預(yù)緊力F0的緊螺栓聯(lián)接，易過(guò)載。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)取較大的安全系數(shù)?？刂祁A(yù)緊力時(shí)可取較小的安全系數(shù)n。顯然n，與d 有關(guān)。設(shè)計(jì)時(shí)，先假設(shè)d，進(jìn)行試算，選取一安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與估計(jì)直徑相比較，如在原先估計(jì)直徑所屬范圍內(nèi)即可，否則需重新進(jìn)行估算。試算法7.6 提高螺栓連接強(qiáng)度的措施影響連接強(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。 1.改善螺紋牙間的載荷分