螺紋聯(lián)接與螺旋傳動(dòng)

螺紋聯(lián)接與螺旋傳動(dòng)第1頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四聯(lián)接的目的：便于機(jī)器的制造、安裝、運(yùn)輸、維修以及提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。機(jī)械聯(lián)接：機(jī)械動(dòng)聯(lián)接：機(jī)器工作時(shí)，被聯(lián)接的零（部）件間可以有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的聯(lián)接。如機(jī)械原理課程中所討論的各種運(yùn)動(dòng)副；機(jī)械靜聯(lián)接：機(jī)器工作時(shí)，被聯(lián)接的零（部）件間不允許產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的聯(lián)接。在機(jī)器制造中，聯(lián)接也通常指機(jī)械靜聯(lián)接。機(jī)械靜聯(lián)接：可拆聯(lián)接：如螺紋聯(lián)接、鍵聯(lián)接及銷聯(lián)接等；不可拆聯(lián)接：焊接、鉚釘聯(lián)接、膠接等；第2頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四第5章螺紋聯(lián)接與螺旋傳動(dòng)

一、螺紋的形成螺紋——一平面圖形沿螺旋線運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)時(shí)保持該圖形和圓柱體軸線共面，就得到螺紋。螺旋線——一動(dòng)點(diǎn)在一圓柱體的表面上，一邊繞軸線等速旋轉(zhuǎn)，同時(shí)沿軸線做等速移動(dòng)的軌跡。螺紋連接是利用具有螺紋的零件構(gòu)成的可拆式連接第3頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四二、螺紋的結(jié)構(gòu)1.牙頂和牙底凸起部分的頂部稱為牙頂，溝槽部分的底部稱為牙底。2.螺紋端部為了便于加工、裝配以及防止螺紋端部碰傷損壞

第4頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四1.按位置：內(nèi)螺紋——在圓柱體的內(nèi)表面形成的螺紋外螺紋——在圓柱體的外表面形成的螺紋2.按牙型:三角形螺紋(普通螺紋、管螺紋)——用于聯(lián)接螺紋牙型角較大傳動(dòng)效率低矩形、梯形、鋸齒形螺紋——用于傳動(dòng)三角形螺紋：粗牙螺紋——用于一般連接細(xì)牙螺紋——同樣的公稱直徑下，螺距最小，自鎖性好，適于薄壁細(xì)小零件和沖擊變載等3.根據(jù)螺旋線繞行方向：左旋螺紋右旋螺紋旋向判斷:三、螺紋的類型軸線垂直放，右邊高—右旋

左邊高—左旋第5頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四4.根據(jù)螺旋線頭數(shù)：?jiǎn)晤^螺紋（n=1）——用于聯(lián)接雙頭螺紋（n=2）——用于傳動(dòng)多線螺紋（n≥2）——用于傳動(dòng)第6頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四機(jī)械制造常用螺紋第7頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四1）大徑d——與螺紋牙頂相重合的假想圓柱面直徑，亦稱公稱直徑10mm螺絲2）小徑d1——與螺紋牙底相重合的假想圓柱面直徑3）中徑d2——在軸向剖面內(nèi)溝槽與凸起寬相等處的假想圓柱面的直徑，d2≈0.5(d+d1)四、螺紋的主要參數(shù)第8頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四4）螺距P——相鄰兩牙在中徑圓柱面的母線上對(duì)應(yīng)兩點(diǎn)間的軸向距離5）導(dǎo)程（S）——同一螺旋線上相鄰兩牙在中徑圓柱面的母線上的對(duì)應(yīng)兩點(diǎn)間的軸向距離6）線數(shù)n——螺紋螺旋線數(shù)目，一般為便于制造n≤4螺距、導(dǎo)程、線數(shù)之間關(guān)系：S=nP第9頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四7）螺旋升角ψ——中徑圓柱面上螺旋線的切線與垂直于螺旋線軸線的平面的夾角8）牙型角α——螺紋軸向平面內(nèi)螺紋牙型兩側(cè)邊的夾角9）接觸高度h——內(nèi)外螺紋旋合后的接觸面的徑向高度，即螺紋工作高度第10頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四§5—2螺紋聯(lián)接的類型及標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)接件一、螺紋聯(lián)接主要類型1、螺栓聯(lián)接(螺栓一端有螺紋，一端有螺栓頭)a)普通螺栓聯(lián)接——被聯(lián)接件不太厚，通孔不帶螺紋，螺桿穿過通孔與螺母配合使用。裝配后孔與桿間有間隙，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝拆方便，可多個(gè)裝拆，應(yīng)用較廣。也稱受拉螺栓連接。b)鉸制孔螺栓聯(lián)接——裝配后無間隙，孔和螺栓采用基孔制過度配合，主要承受橫向載荷，也可作定位用。也稱受剪螺栓聯(lián)接第11頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四2、雙頭螺栓聯(lián)接——螺桿兩端無釘頭，但均有螺紋，裝配時(shí)一端旋入被聯(lián)接件，另一端配以螺母。適于常拆卸而被聯(lián)接件之一較厚時(shí)。折裝時(shí)只需拆螺母，而不將雙頭螺栓從被聯(lián)接件中擰出。3、螺釘聯(lián)接——適于被聯(lián)接件之一較厚（上帶螺紋孔），不需經(jīng)常裝拆，一端有螺釘頭，不需螺母，適于受載較小情況第12頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四特殊聯(lián)接：地腳螺栓聯(lián)接,吊環(huán)螺釘聯(lián)接4、緊定螺釘聯(lián)接——擰入后，利用桿末端頂住另一零件表面或旋入零件相應(yīng)的缺口中以固定零件的相對(duì)位置?？蓚鬟f不大的軸向力或扭矩。第13頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四二、螺紋聯(lián)接件

2）雙頭螺柱——兩端帶螺紋

A型——有退刀槽B型——無退刀槽1）螺栓普通螺栓——六角頭，小六角頭，標(biāo)準(zhǔn)六角頭，大六角頭,內(nèi)六角鉸制孔螺栓——螺紋部分直徑較小螺母第14頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四4）緊定螺釘錐端——適于零件表面硬度較低不常拆卸常合平端——接觸面積大、不傷零件表面，用于頂緊硬度較大的平面，適于經(jīng)常拆卸圓柱端——壓入軸上凹抗中，適于緊定空心軸上零件的位置輕材料和金屬薄板3）螺釘結(jié)構(gòu)形狀與螺栓類似，但頭部形式更多第15頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四6）螺母六角螺母：標(biāo)準(zhǔn)，扁，厚5）自攻螺釘——由螺釘攻出螺紋圓螺母+止退墊圈——帶有缺口，應(yīng)用時(shí)帶翅墊圈內(nèi)舌嵌入軸槽中，外舌嵌入圓螺母的槽內(nèi)，螺母即被鎖緊第16頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四7）墊圈第17頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四第18頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四§5—3螺紋聯(lián)接的預(yù)緊和防松一、預(yù)緊預(yù)緊目的——增強(qiáng)連接的可靠性和緊密性，防止受載后被連接件間出現(xiàn)縫隙或發(fā)生相對(duì)滑移。預(yù)緊力的確定原則——擰緊后螺紋連接件的預(yù)緊應(yīng)力不得超過其材料的屈服極限σs的80%。碳素鋼螺栓：F0<=(0.6-0.7)σsA1

合金鋼螺栓：F0<=(0.5-0.6)σsA1A1:螺栓危險(xiǎn)截面的面積，A1≈πd12／4預(yù)緊力——絕大多數(shù)螺紋連接在裝配時(shí)通常都要擰緊，使之在承受工作載荷前預(yù)先受到力的作用，這個(gè)預(yù)加作用力稱為預(yù)緊力。預(yù)緊力的控制——利用控制擰緊力矩的方法來控制預(yù)緊力的大小。第19頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四擰緊力矩第20頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四擰緊力矩T：是用以克服螺紋副相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的阻力矩T1和螺母支承面上的摩擦阻力矩T2，它與預(yù)緊力F0間的關(guān)系為：對(duì)于M10~M64的粗牙螺紋sLF標(biāo)準(zhǔn)扳手的長(zhǎng)度L=15d

對(duì)于重要的連接，應(yīng)盡可能不采用直徑過小(＜M12)的螺栓。第21頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四

2.預(yù)緊力的控制方法測(cè)力矩板手——測(cè)出預(yù)緊力矩。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。測(cè)量預(yù)緊前后螺栓伸長(zhǎng)量——精度較高。通常螺紋連接擰緊是憑工人的經(jīng)驗(yàn)來決定的，重要螺栓則必須預(yù)緊力進(jìn)行精確控制。第22頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四三、螺紋防松

1.為什么要防松？靜載荷：ψ<rv(自鎖)+預(yù)緊后摩擦力→防止松動(dòng)動(dòng)載荷：摩擦力減小、消失→不可靠高溫、溫度變化大：材料發(fā)生蠕變、應(yīng)力松弛→摩擦力減小2.防松原理

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、防松辦法及措施

1)摩擦防松主要是使螺紋副中有不隨連接載荷而變的壓力，因而始終有摩擦力矩防止相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。壓力可由螺紋副縱向或橫向壓緊而產(chǎn)生第23頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四對(duì)頂螺母：適用于低速、平穩(wěn)、重載的固定裝置第24頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四彈簧墊圈自鎖螺母——螺母一端做成非圓形收口或開峰后徑面收口，螺母擰緊后收口漲開，利用收口的彈力使旋合螺紋間壓緊第25頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四2）機(jī)械防松：利用便于更換的金屬元件(開槽螺母與開口銷，止動(dòng)墊片，串聯(lián)鋼絲等)約束螺紋副第26頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四3）破壞螺旋副關(guān)系：

把螺紋副轉(zhuǎn)變?yōu)榉锹菁y副，從而排除相對(duì)運(yùn)動(dòng)的可能

端鉚、沖點(diǎn)、點(diǎn)焊、粘合第27頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四普通螺栓連接（受拉螺栓）

鉸制孔螺栓連接（受剪螺栓）

軸向載荷剪切力(橫向載荷)螺栓連接松螺栓連接

緊螺栓連接

螺栓的受力螺栓的失效形式受拉螺栓的失效形式：螺栓桿的塑性變形或斷裂。

其破壞部位及其出現(xiàn)的概率為：螺紋根部(85%)、螺栓頭與光桿的交接處(15%)計(jì)算準(zhǔn)則：保證螺栓的靜力或疲勞拉伸強(qiáng)度受剪螺栓的失效形式：螺栓桿和孔壁間壓潰或螺栓桿被剪斷。計(jì)算準(zhǔn)則：保證連接的擠壓強(qiáng)度和螺栓的剪切強(qiáng)度

§5—3單個(gè)螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算第28頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四螺栓連接的強(qiáng)度計(jì)算步驟：根據(jù)連接類型、連接的裝配情況(預(yù)緊或不預(yù)緊)、載荷狀態(tài)等，確定螺栓的受力按照相應(yīng)的強(qiáng)度條件計(jì)算螺栓危險(xiǎn)截面的直徑或校核其強(qiáng)度按照計(jì)算出來的直徑(小徑)查標(biāo)準(zhǔn)得到螺栓的公稱直徑。第29頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四松螺栓連接如吊鉤螺栓，工作前不擰緊，只有工作載荷F起拉伸作用強(qiáng)度條件為：——驗(yàn)算用

——設(shè)計(jì)用

d1——螺桿危險(xiǎn)截面直徑（mm）[σ]——許用拉應(yīng)力N/mm2(MPa)

計(jì)算出d1后，再按標(biāo)準(zhǔn)查選螺紋的公稱直徑。第30頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四五、緊螺栓聯(lián)接——工作前有預(yù)緊力F’工作前擰緊，在擰緊力矩T作用下：預(yù)緊力F’→產(chǎn)生拉伸應(yīng)力σ螺紋摩擦力矩T1→產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力τ

復(fù)合應(yīng)力狀態(tài):接第四強(qiáng)度理論：

1.僅承受預(yù)緊力的緊螺栓連接載荷傳遞：靠被聯(lián)接件接合面上的摩擦力來傳遞外載FR第31頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四式中：F’

——預(yù)緊力（N）

T1——螺紋摩擦力矩，起扭剪作用，又稱螺紋扭矩，N.mm1.3——系數(shù)將外載荷提高30%，以考慮螺紋力矩對(duì)螺栓聯(lián)接強(qiáng)度的影響，這樣把拉扭的復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)簡(jiǎn)化為純拉伸來處理，大大簡(jiǎn)化了計(jì)算手續(xù)，故又稱簡(jiǎn)化計(jì)算法設(shè)計(jì)公式：

∴強(qiáng)度條件為：第32頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四預(yù)緊力的確定：普通螺栓受橫向載荷F時(shí)，為保證結(jié)合面不發(fā)生滑移，靠結(jié)合面的摩擦力抵抗F預(yù)緊力Fs的大小，根據(jù)接合面不發(fā)生滑移的條件確定當(dāng)f=0.2時(shí)，F(xiàn)S=6F結(jié)論：橫向載荷過大的情況下，不適宜用普通螺栓必須采用普通螺栓時(shí)，應(yīng)配合減載銷、鍵或減載套筒使用減載裝置強(qiáng)度按減載零件的剪切、擠壓強(qiáng)度條件計(jì)算FSFsFFT第33頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四2.承受預(yù)緊力和工作拉力的緊螺栓連接

圖示汽缸蓋螺栓在汽缸工作前先要擰緊，因此螺栓受到預(yù)緊力F0的作用。汽缸工作時(shí)，螺栓還要受到由汽缸內(nèi)部工作壓力引起的工作載荷FE的作用。螺栓所受總拉伸載荷（即總拉力）Fa是否等于F0+FE第34頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四受力變形圖變形協(xié)調(diào)條件:F0≠F+FSF0=F+F’S1bD1DbTFSFSFFF0F0FsFsF’sF’s預(yù)緊FS受載F螺栓被聯(lián)接件拉力FS，伸長(zhǎng)l1壓力FS，壓縮lb拉力F0,伸長(zhǎng)l1+

l1壓力F’S,壓縮lb-lb未預(yù)緊未受力、無變形未受力、無變形FF第35頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四螺栓和被聯(lián)接件的受力變形線圖相對(duì)剛度第36頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四強(qiáng)度條件驗(yàn)算公式：

設(shè)計(jì)公式：

當(dāng)F為變載荷：

第37頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四3.鉸制孔螺栓聯(lián)接特點(diǎn)：螺桿與孔間緊密配合，無間隙，由光桿直接承受擠壓和剪切來傳遞外載荷R進(jìn)行工作。主要失效形式：螺栓桿被剪斷、栓桿或孔壁被壓潰。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：

R——橫向載荷（N）d0——螺桿或孔的直徑（mm）Lmin——被聯(lián)接件中受擠壓孔壁的最小長(zhǎng)度（mm），如圖所示[τ]——螺栓許用剪應(yīng)力，MPa，，——螺栓或被聯(lián)接件中較弱者的許用擠壓應(yīng)力，MPa第38頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四§5-4螺栓組聯(lián)接的設(shè)計(jì)工程中螺栓皆成組使用，單個(gè)使用極少。因此，必須研究螺栓組設(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。螺栓組聯(lián)接設(shè)計(jì)的順序——選布局、定數(shù)目、力分析、設(shè)計(jì)尺寸

螺栓組聯(lián)接受力分析的目的：求出受力最大的螺栓，便于進(jìn)行螺栓強(qiáng)度的計(jì)算校核。一、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則1、布局要盡量對(duì)稱分布，螺栓組中心與聯(lián)接結(jié)合面形心重合（有利于分度、劃線、鉆孔），以受力均勻圓形

圓環(huán)形

矩形

矩形框

三角形

第39頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四2、螺栓的布置應(yīng)使各螺栓受力合理F潘存云教授研制F(1)對(duì)于鉸制孔用螺栓連接，不要在平行于工作載荷的方向上成排地布置８?jìng)€(gè)以上的螺栓，以免載荷分布過于不均(2)當(dāng)螺栓連接承受彎矩或轉(zhuǎn)矩時(shí)，應(yīng)使螺栓的位置適當(dāng)靠近連接接合面的邊緣，以減少螺栓的受力。潘存云教授研制潘存云教授研制不合理合理第40頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四(3)當(dāng)同時(shí)承受軸向載荷和較大的橫向載荷時(shí)，采用抗剪零件來承受橫向載荷，比如減載鍵、減載銷和減載套筒。3.螺栓的排列應(yīng)有合理的間距、邊距，以保證扳手空間4.為了便于在圓周上鉆孔時(shí)的分度和畫線，通常分布在同一圓周上的螺栓數(shù)目取成4、6、8等偶數(shù)。同一螺栓組中的螺栓的材料、直徑、長(zhǎng)度應(yīng)相同第41頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四5、避免承受附加的彎曲載荷a）鑄、鍛件等表面粗糙上安裝螺栓b）支撐面為傾斜時(shí)防偏載措施：a）凸臺(tái)；b）凹坑（沉頭座）；c）斜墊圈槽鋼或工字鋼第42頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四二、螺栓組受力分析

受力分析時(shí)所作假設(shè):(1)所有螺栓的材料、直徑、長(zhǎng)度和預(yù)緊力均相同；(2)螺栓組的對(duì)稱中心與連接接合面的形心重合；(3)受載后連接接合面仍保持為平面。1、受軸向載荷螺栓組聯(lián)接

單個(gè)螺栓工作載荷為：F=P/ZP——軸向外載Z——螺栓個(gè)數(shù)

各螺栓除承受軸向載荷外，還有預(yù)緊力的作用。各螺栓在工作時(shí)受到的總拉力不等于外載荷與預(yù)緊力之和。第43頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四（1）對(duì)于鉸制孔用螺栓連接，每個(gè)螺栓所受工作剪力為（2）對(duì)于普通螺栓連接，按預(yù)緊后接合面間所產(chǎn)生的最大摩擦力必須大于或等于橫向載荷的要求，有式中z為螺栓數(shù)目。2．受橫向載荷的螺栓組連接Ks為防滑系數(shù)，設(shè)計(jì)中可取Ks=1.1～1.3。或i為接合面數(shù)，指參與提供摩擦力的面第44頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四3、受轉(zhuǎn)矩的螺栓組聯(lián)接

a)普通螺栓聯(lián)接

由力矩平衡條件則各個(gè)螺栓所需的預(yù)緊力為∴聯(lián)接件不產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)的條件為：第45頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四b)鉸制孔螺栓聯(lián)接組

由變形協(xié)調(diào)條件可知，各個(gè)螺栓的變形量和受力大小與其中心到接合面形心的距離成正比由假設(shè)——板為剛體不變形，工作后仍保持平面，則剪應(yīng)變與半徑成正比。在材料彈性范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變成正比

由力矩平衡條件第46頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四說明：①工程中受力情況很復(fù)雜，但均可轉(zhuǎn)化為四種典型情況進(jìn)行解決。②計(jì)算公式在對(duì)稱分布情況下推導(dǎo)，但不對(duì)稱也可以用③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）

第47頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四§5-5螺紋連接件材料及許用應(yīng)力一、螺紋連接件的材料第48頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四選用原則：一般用途：通常選用4.8級(jí)左右的螺栓，重要場(chǎng)合：要選用高的性能等級(jí)，