機(jī)械設(shè)計(jì)螺紋連接和螺旋傳動(dòng)

關(guān)于機(jī)械設(shè)計(jì)螺紋連接和螺旋傳動(dòng)中國(guó)地質(zhì)大學(xué)專用作者：潘存云教授潘存云教授研制潘存云教授研制一、螺紋的形成§5－1螺紋d2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)沿軸向作等速移動(dòng)的軌跡。螺紋——一平面圖形沿螺旋線運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)時(shí)保持該圖形通過圓柱體的軸線，就得到螺紋。螺紋第2頁(yè),共84頁(yè)，2024年2月25日，星期天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第3頁(yè),共84頁(yè)，2024年2月25日，星期天潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制螺紋的牙型潘存云教授研制矩形螺紋三角形螺紋梯形螺紋鋸齒形螺紋15o30o3o30o潘存云教授研制潘存云教授研制第4頁(yè),共84頁(yè)，2024年2月25日，星期天潘存云教授研制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潘存云教授研制左旋螺紋第5頁(yè),共84頁(yè)，2024年2月25日，星期天潘存云教授研制潘存云教授研制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一般:n≤4PSS=2PPSPS=Pn線螺紋:S=n

P單線螺紋多線螺紋第6頁(yè),共84頁(yè)，2024年2月25日，星期天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)螺紋螺紋副第7頁(yè),共84頁(yè)，2024年2月25日，星期天潘存云教授研制潘存云教授研制外螺紋內(nèi)螺紋潘存云教授研制潘存云教授研制第8頁(yè),共84頁(yè)，2024年2月25日，星期天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)螺紋連接螺紋傳動(dòng)螺紋螺旋傳動(dòng)第9頁(yè),共84頁(yè)，2024年2月25日，星期天連接螺紋傳動(dòng)螺紋潘存云教授研制潘存云教授研制第10頁(yè),共84頁(yè)，2024年2月25日，星期天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)螺紋連接螺紋傳動(dòng)螺紋圓柱螺紋圓錐螺紋第11頁(yè),共84頁(yè)，2024年2月25日，星期天潘存云教授研制圓柱螺紋圓錐螺紋潘存云教授研制潘存云教授研制管螺紋第12頁(yè),共84頁(yè)，2024年2月25日，星期天ψ潘存云教授研制(3)中徑d2

也是一個(gè)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(duì)應(yīng)兩點(diǎn)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。牙型側(cè)邊與螺紋軸線的垂線間的夾角。tanψ=πd2

nP

牙側(cè)角

β

αβψπd2SS=nP同一條螺旋線上的相鄰兩牙在中徑線上對(duì)應(yīng)兩點(diǎn)間的軸向距P二、螺紋的主要幾何參數(shù)SPP/2P/2(8)接觸高度

h

內(nèi)外螺紋旋合后，接觸面的徑向高度。h圓周長(zhǎng)展開長(zhǎng)度第13頁(yè),共84頁(yè)，2024年2月25日，星期天

普通螺紋以大徑d為公稱直徑，同一公稱直徑可以有多種螺距，其中螺距最大的稱為粗牙螺紋，其余的統(tǒng)稱為細(xì)牙螺紋。60?螺紋的精度等級(jí):A級(jí)B級(jí)C級(jí)公差小，精度最高，用于配合精確，防振動(dòng)等場(chǎng)合受載較大且經(jīng)常拆卸，調(diào)整或承受變載荷的連接用于一般連接，最常用粗牙螺紋應(yīng)用最廣。細(xì)牙螺紋的優(yōu)點(diǎn)：升角小、小徑大、自鎖性好、強(qiáng)度高缺點(diǎn)：不耐磨，易滑扣。應(yīng)用：薄壁零件、受動(dòng)載荷的連接和微調(diào)機(jī)構(gòu)。Pd粗牙dP細(xì)牙dP細(xì)牙第14頁(yè),共84頁(yè)，2024年2月25日，星期天潘存云教授研制潘存云教授研制梯形螺紋：梯形鋸齒形30o3o30o為了減少摩擦和提高效率，這兩種螺紋的牙側(cè)角β比三角形螺紋的要小得多。用于剖分螺母時(shí)，梯形螺紋可消除因摩擦而產(chǎn)生的間隙，應(yīng)用較廣。鋸齒形螺紋的效率比矩形螺紋高，但只適合單向傳動(dòng)。鋸齒形螺紋:常用于傳動(dòng)。β=15oβ=3o

粗牙普通螺紋、細(xì)牙普通螺紋和梯形螺紋的基本尺寸見后續(xù)各表（或查閱相關(guān)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)）。螺紋的基本尺寸：第15頁(yè),共84頁(yè)，2024年2月25日，星期天§5－2螺紋連接的類型及標(biāo)準(zhǔn)連接件一、

螺紋連接的基本類型螺栓連接基本類型eaal1l1可承受橫向載荷。螺紋余留長(zhǎng)度l1鉸制孔用螺栓靜載荷l1>=(0.3~0.5)d;變載荷l1>=0.75d;沖擊載荷或彎曲載荷l1≥d;鉸制孔用螺栓l1≈d;螺紋伸出長(zhǎng)度a=(0.2~0.3)d;螺栓軸線到被連接件邊緣的距離e=d+(3~6)mm用于經(jīng)常拆裝易磨損之處。潘存云教授研制潘存云教授研制d潘存云教授研制d孔與螺桿之間留有間隙潘存云教授研制潘存云教授研制第16頁(yè),共84頁(yè)，2024年2月25日，星期天潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制一、

螺紋連接的基本類型螺栓連接基本類型螺釘連接座端擰入深度H，當(dāng)螺孔材料為：aee雙頭螺柱連接

連接件厚，允許拆裝。鋼或青銅H=d;鑄鐵H=(1.25~1.5)d鋁合金H=(1.5~2.5)d螺紋孔深度H1=H+(2~2.5)P;鉆孔深度H2=H1+(0.5~1)d;參數(shù)l1

、e、a與螺栓相同

l1l1HHH1H1H2H2結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，省了螺母，不宜經(jīng)常拆裝，以免損壞螺孔而修復(fù)困難。§5－2螺紋連接的類型及標(biāo)準(zhǔn)連接件d第17頁(yè),共84頁(yè)，2024年2月25日，星期天潘存云教授研制一、

螺紋連接的基本類型螺栓連接基本類型螺釘連接雙頭螺柱連接緊定螺釘連接緊定螺釘§5－2螺紋連接的類型及標(biāo)準(zhǔn)連接件潘存云教授研制第18頁(yè),共84頁(yè)，2024年2月25日，星期天潘存云教授研制潘存云教授研制二、螺紋緊固件螺栓螺紋緊固件螺栓的結(jié)構(gòu)形式LL0d六角頭LdL0小六角頭第19頁(yè),共84頁(yè)，2024年2月25日，星期天dL0L1LL1

——座端長(zhǎng)度L0

——螺母端長(zhǎng)度二、螺紋緊固件螺紋緊固件雙頭螺柱螺栓第20頁(yè),共84頁(yè)，2024年2月25日，星期天二、螺紋緊固件螺紋緊固件末端結(jié)構(gòu)頭部結(jié)構(gòu)螺釘、緊定螺釘雙頭螺柱螺栓第21頁(yè),共84頁(yè)，2024年2月25日，星期天潘存云教授研制二、螺紋緊固件螺紋緊固件潘存云教授研制地腳螺栓機(jī)座、機(jī)架固定于地基

潘存云教授研制起吊螺釘機(jī)器或大型零、部件的頂蓋或外殼，便于起吊

螺釘、緊定螺釘雙頭螺柱螺栓專用螺紋連接T型螺栓工裝設(shè)備中第22頁(yè),共84頁(yè)，2024年2月25日，星期天二、螺紋緊固件螺紋緊固件用于經(jīng)常拆裝易磨損之處。用于尺寸受限制之處。國(guó)標(biāo)羅列有６０余種不同結(jié)構(gòu)的螺母螺母螺釘、緊定螺釘雙頭螺柱螺栓專用螺紋連接六角螺母六角扁螺母六角厚螺母潘存云教授研制圓螺母第23頁(yè),共84頁(yè)，2024年2月25日，星期天墊圈平墊圈薄平墊圈A型平墊圈B型平墊圈螺母螺釘、緊定螺釘雙頭螺柱二、螺紋緊固件螺栓螺紋緊固件斜墊圈彈簧墊圈圓螺母用止動(dòng)墊圈作用：增加支撐面積以減小壓強(qiáng)，避免擰緊螺母擦傷表面、防松。專用螺紋連接第24頁(yè),共84頁(yè)，2024年2月25日，星期天§5－3螺紋連接的預(yù)緊預(yù)緊力：大多數(shù)螺紋連接在裝配時(shí)都需要擰緊，使之在承受工作載荷之前，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)緊的目的：增強(qiáng)連接的可靠性和緊密性，以防止受載后被連接件間出現(xiàn)縫隙或發(fā)生相對(duì)移動(dòng)。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ss的80%。

一、概述一般螺紋連接在裝配時(shí)都必須擰緊，這時(shí)螺紋連接受到預(yù)緊力的作用。對(duì)于重要的螺紋連接，應(yīng)控制其預(yù)緊力，因?yàn)轭A(yù)緊力的大小對(duì)螺紋連接的可靠性，強(qiáng)度和密封均有很大影響。碳素鋼螺栓：F0≤(0.6~0.7)σsA1合金鋼螺栓：F0≤(0.5~0.6)σsA1A1——危險(xiǎn)截面積，A1≈πd21/4第25頁(yè),共84頁(yè)，2024年2月25日，星期天尼龍圈鎖緊螺母連接用三角形螺紋都具有自鎖性，在靜載荷和工作溫度變化不大時(shí)，不會(huì)自動(dòng)松脫。但在沖擊、振動(dòng)和變載條件下，預(yù)緊力可能在某一瞬時(shí)消失，連接仍有可能松動(dòng)而失效。高溫下的螺栓連接，由于溫度變形差異等，也可能發(fā)生松脫現(xiàn)象（如高壓鍋），因此設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮防松，即防止相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。防松的方法1.利用附加摩擦力防松彈簧墊圈對(duì)頂螺母§5－4螺紋連接的防松防松——防止螺旋副相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。第26頁(yè),共84頁(yè)，2024年2月25日，星期天開口銷與六角開槽螺母串聯(lián)鋼絲2.采用專門防松元件防松圓螺母用止動(dòng)墊圈潘存云教授研制止動(dòng)墊圈潘存云教授研制潘存云教授研制第27頁(yè),共84頁(yè)，2024年2月25日，星期天沖點(diǎn)防松法3.其它方法防松1~1.5P用沖頭沖2至3點(diǎn)粘合法防松涂粘合劑第28頁(yè),共84頁(yè)，2024年2月25日，星期天§5－5螺栓組連接的設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)螺栓組連接時(shí)，關(guān)鍵是連接的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。它是根據(jù)被連接件的結(jié)構(gòu)和連接的用途，確定螺栓數(shù)目和分布形式?！鵀榱吮阌诩庸ぶ圃旌蛯?duì)稱布置螺栓，保證連接結(jié)合面受力均勻，通常連接接合面的幾何形狀都設(shè)計(jì)成一、螺栓組連接的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本原則：大多數(shù)機(jī)械中螺栓都是成組使用的。軸對(duì)稱的簡(jiǎn)單幾何形狀

圓形

圓環(huán)形

矩形

矩形框

三角形第29頁(yè),共84頁(yè)，2024年2月25日，星期天潘存云教授研制▲螺栓布置應(yīng)使各螺栓的受力合理FF(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；潘存云教授研制潘存云教授研制合理不合理(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。第30頁(yè),共84頁(yè)，2024年2月25日，星期天潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制dhD▲螺栓的排列應(yīng)有合理的間距、邊距，以保證扳手空間(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。潘存云教授研制潘存云教授研制60?CCEE60?扳手空間的尺寸見有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。AB潘存云教授研制第31頁(yè),共84頁(yè)，2024年2月25日，星期天對(duì)于壓力容器等緊密性要求較高的重要連接。螺栓的間距不大于下表所推薦的取值。t0潘存云教授研制螺栓間距t0工作壓力/MPa7d5d

4.54d3.53dt0/mm≤1.61.6~44~1010~1616~2020~30d▲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32頁(yè),共84頁(yè)，2024年2月25日，星期天潘存云教授研制支承面傾斜采用凸臺(tái)或沉孔結(jié)構(gòu)潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制支承面不平保證被連接件，螺母和螺栓頭支承面平整，并與螺栓軸線相互垂直。對(duì)于在鑄、鍛件等的粗糙表面上安裝螺栓時(shí)，應(yīng)制成凸臺(tái)或沉頭座。當(dāng)支承面為傾斜表面時(shí)，應(yīng)采用斜面墊圈等?！苊饴菟ǔ惺芨郊拥膹澢d荷切削加工支承面支承面傾斜潘存云教授研制第33頁(yè),共84頁(yè)，2024年2月25日，星期天二、螺栓組連接的受力分析受力分析的目的:

根據(jù)連接的結(jié)構(gòu)和受載情況，求出受力最大的螺栓及其所受的力，以便進(jìn)行螺栓連接的強(qiáng)度計(jì)算。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；(3)受載后連接接合面仍保持為平面。受力分析的類型：(2)螺栓組的對(duì)稱中心與連接接合面的形心重合；受轉(zhuǎn)矩受橫向載荷受軸向載荷受傾覆力矩M第34頁(yè),共84頁(yè)，2024年2月25日，星期天（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。

圖示為由四個(gè)螺栓組成的受橫向載荷的螺栓組連接。1．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。潘存云教授研制鉸制孔螺栓F∑F∑F∑F∑潘存云教授研制普通螺栓或i接合面數(shù)f接合面摩擦系數(shù)第35頁(yè),共84頁(yè)，2024年2月25日，星期天潘存云教授研制TO潘存云教授研制O采用普通螺栓和鉸制孔用螺栓組成的螺栓組受轉(zhuǎn)矩時(shí)的受力情況是不同的。2．受轉(zhuǎn)矩的螺栓組連接采用普通螺栓，是靠連接預(yù)緊后在接合面間產(chǎn)生的摩擦力矩來抵抗轉(zhuǎn)矩T。采用鉸制孔用螺栓，是靠螺栓的剪切和螺栓與孔壁的擠壓作用來抵抗轉(zhuǎn)矩T。TrmaxFmaxr1fF0fF0r2riFi假設(shè)底板受載仍為平面，則螺栓的剪切變形量與距離成正比，F(xiàn)=Kri剪切力與距離r的比值為常數(shù)第36頁(yè),共84頁(yè)，2024年2月25日，星期天潘存云教授研制D3．受軸向載荷的螺栓組連接若作用在螺栓組上軸向總載荷FΣ作用線與螺栓軸線平行，并通過螺栓組的對(duì)稱中心，則各個(gè)螺栓受載相同，每個(gè)螺栓所受軸向工作載荷為通常，各個(gè)螺栓還承受預(yù)緊力F0的作用，當(dāng)連接要有保證的殘余預(yù)緊力為F1時(shí)，每個(gè)螺栓所承受的總載荷F2為F2=F1+FpF∑FF第37頁(yè),共84頁(yè)，2024年2月25日，星期天潘存云教授研制潘存云教授研制4．受傾覆力矩的螺栓組連接

傾覆力矩M作用在連接接合面的一個(gè)對(duì)稱面內(nèi)，底板在承受傾覆力矩之前，螺栓已被擰緊并承受預(yù)緊力F0且被拉伸，地基有均勻的壓縮。在作用M后，接觸面繞0-0線轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，左邊的地基被放松，而螺栓被進(jìn)一步拉伸；右邊的螺栓被放松，而地基被進(jìn)一步壓縮。單個(gè)螺栓拉力產(chǎn)生的力矩為F1F0

F0

σp

(

F

0引起)F2mσp2(

F1m引起)σp1(

F1引起)LiLmaxOOxxOMMMi=Fi

Li

假設(shè)底板受載仍為平面，則螺栓受力與螺栓中心到螺栓組排列中心的距離成正比。螺栓承受的載荷與距離成正比第38頁(yè),共84頁(yè)，2024年2月25日，星期天潘存云教授研制F1m

強(qiáng)調(diào)是基座上的壓力Fm

F2m

F1

F

F2

C2

單個(gè)螺栓的受力分析Om

力變形Ob

作用在底板兩側(cè)的合力矩與傾覆力矩M平衡，即未加傾覆力矩時(shí)，工作點(diǎn)在A?！芃i=0施加傾覆力矩M時(shí)，左邊的螺栓，工作點(diǎn)移至B1

和C1

右邊的螺栓，工作點(diǎn)移至B2

和C2

左邊螺栓總拉力增加，右邊螺栓總拉力減小。F2

F2m

C1

B2

B1

求得最大工作載荷A

F0

第39頁(yè),共84頁(yè)，2024年2月25日，星期天螺栓的總拉力為防止接合面受壓最大處被壓碎或受壓最小處出現(xiàn)間隙，要求連接接合面材料的許用擠壓應(yīng)力材料鋼鑄鐵混凝土磚(水泥漿縫)木材[σ]p(MPa)0.8σS(0.4~0.5)σB2.0~3.01.5~2.02.0~4.0直接引用前面的結(jié)論第40頁(yè),共84頁(yè)，2024年2月25日，星期天§5－6螺紋連接的強(qiáng)度計(jì)算螺栓連接的主要失效形式滑扣

因經(jīng)常拆裝受拉螺栓塑性變形螺紋部分疲勞斷裂受剪螺栓剪斷壓潰螺桿和孔壁的貼合面經(jīng)常拆卸——軸向變載荷斷裂螺栓桿第41頁(yè),共84頁(yè)，2024年2月25日，星期天潘存云教授研制螺栓與螺母的螺紋牙及其他各部尺寸是根據(jù)等強(qiáng)度原則及使用經(jīng)驗(yàn)規(guī)定的。采用標(biāo)準(zhǔn)件時(shí)，這些部分都不需要進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。所以，螺栓連接的計(jì)算主要是確定螺紋小徑d1，然后按照標(biāo)準(zhǔn)選定螺紋公稱直徑d及螺距P等。一、松螺栓連接強(qiáng)度計(jì)算強(qiáng)度條件式中d1——螺紋小徑mm，[σ]——許用應(yīng)力二、緊螺栓連接強(qiáng)度計(jì)算FaFa力除以面積設(shè)計(jì)公式裝配時(shí)需要擰緊，在工作狀態(tài)下可能還需要補(bǔ)充擰緊。1.僅承受預(yù)緊力的緊螺栓連接2.承受預(yù)緊力和工作拉力的緊螺栓連接3.承受工作剪力的緊螺栓連接裝配時(shí)不須要擰緊起重吊鉤第42頁(yè),共84頁(yè)，2024年2月25日，星期天螺栓受軸向拉力F0和摩擦力矩T1的雙重作用。拉應(yīng)力1.僅承受預(yù)緊力的緊螺栓連接扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力對(duì)于M10~M64的普通鋼制螺紋，可?。篢anρ’≈f‘=0.17，d2/d1=1.04~1.08,tanρ’≈0.5得：τ≈0.5σ分母為抗剪截面系數(shù)計(jì)算應(yīng)力由此可見，對(duì)于M10~M64普通螺紋的鋼制緊螺栓連接，在擰緊時(shí)，雖然同時(shí)承受拉伸和扭轉(zhuǎn)的聯(lián)合作用，但在計(jì)算時(shí)，可以只考慮拉伸強(qiáng)度計(jì)算，并將預(yù)緊力增大30%來考慮扭轉(zhuǎn)的影響。強(qiáng)度條件第43頁(yè),共84頁(yè)，2024年2月25日，星期天當(dāng)承受橫向工作載荷時(shí)，預(yù)緊力F0導(dǎo)致接合面所產(chǎn)生的摩擦力應(yīng)大于橫向載荷F。C——可靠性系數(shù)，常取C=1.1~1.3預(yù)緊力F0

f——摩擦系數(shù)，對(duì)鋼與鑄鐵，取f=0.1~0.15m——結(jié)合面數(shù)上圖m=1,下圖m=2若取f=0.15，C=1.2,m=1,則F0

≥8F→螺栓結(jié)構(gòu)尺寸大FFFF/2F/2F0F0F0F0第44頁(yè),共84頁(yè)，2024年2月25日，星期天潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制FF/2F/2潘存云教授研制D2.受預(yù)緊力和工作拉力的緊螺栓連接改進(jìn)措施：采用鍵、套筒、銷等減載零件承擔(dān)橫向工作載荷。螺栓僅起連接作用設(shè)流體壓強(qiáng)為p，螺栓數(shù)目為Z，則缸體周圍每個(gè)螺栓的平均載荷為pπD2/4F

=ZpFF第45頁(yè),共84頁(yè)，2024年2月25日，星期天潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制

預(yù)緊狀態(tài)潘存云教授研制特別注意，螺栓和被連接件的彈性變形，軸向載荷：F2≠

F0+F加預(yù)緊力后→螺栓受拉伸長(zhǎng)λb→被連接件受壓縮短λm加載F

后:螺栓總伸長(zhǎng)量增加為總拉力為被連接件壓縮量減少為

殘余預(yù)緊力減少為F1

很顯然F1<F0被連接件放松了?λ+λbλm-?λF0F0受載變形松弛狀態(tài)潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制F2F2F2=F+F1F1F1FFλmλb?λ?λ

F0F0第46頁(yè),共84頁(yè)，2024年2月25日，星期天潘存云教授研制潘存云教授研制λb?λ連接件變形壓縮力螺栓變形拉力?Fb?Fm螺栓變形力F2F1FF0F0F0λbarctanCbarctanCmλmλm第47頁(yè),共84頁(yè)，2024年2月25日，星期天力螺栓變形arctanCb潘存云教授研制——螺栓的相對(duì)剛度系數(shù)F=?Fb+?Fm=(Cb+Cm

)?δCb+CmCbF2=F0+FCb+CmCbF1=F0

–F

1-F1=F0-?Fm=F0

-Cm

?δF2=F0

+?Fb=F0

+Cb

?δCb+CmF?λ=FF2?FbF0?λ代入得：表5－4螺栓的相對(duì)剛度系數(shù)墊片類型金屬墊片或無墊片皮革銅皮石棉橡膠0.2~0.30.70.80.9Cb+CmCb?FmF1第48頁(yè),共84頁(yè)，2024年2月25日，星期天靜強(qiáng)度條件重要場(chǎng)合的螺栓連接，還應(yīng)進(jìn)行疲勞強(qiáng)度校核。設(shè)計(jì)公式當(dāng)工作拉力在0~F之間變化時(shí)，螺栓所受總拉力在F0

~F2之間變化。F2

F0

θm

θbF若不考慮摩擦力矩的影響，有第49頁(yè),共84頁(yè)，2024年2月25日，星期天DI因?yàn)棣襪in=const,應(yīng)力工作點(diǎn)M落在ODGI區(qū)域內(nèi)，依據(jù)疲勞強(qiáng)度理論有其中σ-1tc——螺栓材料的對(duì)稱循環(huán)拉壓疲勞極限。疲勞極限σ-1

σ-1tc10160~220120~150Q215170~220120~16035220~300170~22045250~340190~25040Cr320~440240~340材料Ψσ——材料特性系數(shù)碳素鋼ψσ

=0.1~0.2合金鋼ψσ

=0.3~0.3σminσ-1eσ-1σaσmOCAσSGMM’3Kσ

——綜合影響系數(shù)S

——安全系數(shù)見下頁(yè)螺栓的最大應(yīng)力計(jì)算安全系數(shù)σ-1彎曲循環(huán)疲勞極限第50頁(yè),共84頁(yè)，2024年2月25日，星期天潘存云教授研制潘存云教授研制

這種連接是利用鉸制孔用螺栓抗剪切來承受載荷的。螺栓桿與孔壁之間無間隙，接觸表面受擠壓。在連接接合面處，螺栓桿則受剪切。3．承受工作剪力的緊螺栓連接螺栓桿與孔壁的擠壓強(qiáng)度條件為螺栓桿的剪切強(qiáng)度條件為F——螺栓所受的工作剪力，單位為N；Lmin鉸制孔用螺栓FFd0設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使Lmin≥1.25d0d0——螺栓剪切面的直徑（可取螺栓孔直徑），單位為mm；Lmin——螺栓桿與孔壁擠壓面的最小高度，單位為mm。螺栓或孔壁材料的許用擠壓應(yīng)力許用切應(yīng)力第51頁(yè),共84頁(yè)，2024年2月25日，星期天§5－7螺栓的材料和許用應(yīng)力一、螺紋連接件材料國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了螺紋聯(lián)接件的性能等級(jí)。螺栓、螺柱、螺釘?shù)男阅艿燃?jí)分為10級(jí)，螺母的性能等級(jí)分為7級(jí)。螺紋聯(lián)接件的材料與許用應(yīng)力3.64.64.85.6586.88.89.810.912.9作為標(biāo)準(zhǔn)零件，螺紋連接件是按其性能等級(jí)選用的。對(duì)于一定性能等級(jí)的螺紋連接件應(yīng)具備一定的強(qiáng)度極限。第52頁(yè),共84頁(yè)，2024年2月25日，星期天中國(guó)地質(zhì)大學(xué)專用作者：潘存云教授特殊用途(防磁、導(dǎo)電):特殊鋼、銅合金、鋁合金等。螺栓、螺柱、螺釘?shù)男阅艿燃?jí)分為10級(jí)。普通墊圈：Q235、15、35彈簧墊圈：65Mn

常用的螺紋聯(lián)接件材料為Q215、Q235、35、45等碳素鋼。當(dāng)強(qiáng)度要求高時(shí)，還可采用合金鋼，如15Cr、40Cr等。第53頁(yè),共84頁(yè)，2024年2月25日，星期天選用原則：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)，如在壓力容器中常采用8.8級(jí)的螺栓。螺母的性能等級(jí)分為7級(jí)。456891012第54頁(yè),共84頁(yè)，2024年2月25日，星期天二、螺紋連接件的許用應(yīng)力

螺紋連接件的許用應(yīng)力與載荷性質(zhì)(靜、變載荷)、裝配情況(松、緊連接)、材料、結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān)。許用拉應(yīng)力許用切應(yīng)力和擠壓應(yīng)力被連接件為鋼被連接件為鑄鐵Sτ,Sp——安全系數(shù)，其取值詳見下頁(yè)表。屈服極限第55頁(yè),共84頁(yè)，2024年2月25日，星期天潘存云教授研制螺栓連接的安全系數(shù)S

碳素鋼5~44~2.52.5~2碳素鋼12.5~8.58.58.5~12.5M6~M16M16~M30M30~M60M16~M16M16~M30M30~M60不控制預(yù)緊力的計(jì)算控制預(yù)緊力的計(jì)算受載類型靜載荷變載荷松螺栓連接1.2~1.7合金鋼5.7~55~3.43.4~3合金鋼10~6.86.86.8~101.2~1.51.2~1.5(Sa=2.5~4)鋼：Sτ=2.5，Sp=1.25鋼：Sτ=3.5~5，Sp=1.5鑄鐵：Sp=2.0~2.5鑄鐵：Sp=2.5~3鉸制孔用螺栓連接受軸向及橫向載荷的普通螺栓連接緊螺栓連接第56頁(yè),共84頁(yè)，2024年2月25日，星期天§5－8提高螺栓連接強(qiáng)度的措施承受軸向變載荷時(shí)，螺栓的損壞形式：疲勞斷裂容易斷裂部位：一、降低影響螺栓疲勞強(qiáng)度的應(yīng)力幅。軸向工作載荷F的變化范圍0~FCb+CmCbF0~F0+F總拉伸載荷的F2變化范圍

螺栓剛度

Cb

↓

或

被連接件剛度Cm

↑→F2變化范圍?F↓提高螺栓連接強(qiáng)度的措施有哪些呢？

以螺栓連接為例，螺栓連接的強(qiáng)度主要取決于螺栓的強(qiáng)度，因此，提高螺栓的強(qiáng)度，將大大提高連接系統(tǒng)的可靠性。2、改善螺紋牙上載荷分布不均的現(xiàn)象。1、降低影響螺栓疲勞強(qiáng)度的應(yīng)力幅。3、減小應(yīng)力集中的影響。4、采用合理的制造工藝。第57頁(yè),共84頁(yè)，2024年2月25日，星期天潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制F0

θm

θb措施一：降低螺栓剛度（

C’b<Cb,θ’b

<θb

）措施二：提高被連接件剛度（C’m

>Cm,θ’m

>θm

）

措施三：綜合措施（

C’b

<Cb,C’m

>Cm,F’0

>F0

）?FFF1

F2

F’2F’?Fθ’m

F’1θ’

bF’0θm

雖然F’=F?F’<?F強(qiáng)調(diào)殘余預(yù)緊力減小但有?F’<?F強(qiáng)調(diào)殘余預(yù)緊力減小F’=FF’=F，F(xiàn)’1

=F1?F’<?F前兩種措施會(huì)導(dǎo)致殘余預(yù)緊力減小，使密封性能降低。為保證可靠工作，可適當(dāng)增大預(yù)緊力。F’2F’

?F’F’1

θ’b

F0

θm

θb?FFF1

F2

F’F’1?F’F0

θb?FFF1

F2

θm

第58頁(yè),共84頁(yè)，2024年2月25日，星期天dd潘存云教授研制0.8d0.7d采用柔性結(jié)構(gòu)：加彈性元件、或采用柔性螺栓。2.有密封要求時(shí)，采用金屬薄墊片3.或者采用O形密封圈宜采取措施:因密封采用軟墊片將降低被連接件的剛度，這時(shí)可采用剛度較大的金屬墊片或密封環(huán)腰狀桿螺栓與空心螺栓軟墊片密封密封環(huán)密封第59頁(yè),共84頁(yè)，2024年2月25日，星期天潘存云教授研制普通螺母二、改善螺紋牙間的載荷分布措施:采用均載螺母加厚螺母不能提高連接強(qiáng)度！螺栓桿螺母體螺栓桿螺母體螺栓桿FaF5/2F4/2F3/2F2/2F1/2F5/2F4/2F3/2F2/2F1/2潘存云教授研制螺母體螺栓桿FF=F1+F2+F3+F4+F5F1>F2>F3>F4>F510圈以后，螺母牙幾乎不承受載荷。螺栓桿F潘存云教授研制螺栓桿F螺母體均載螺母均載原理螺母和螺桿均為拉伸變形，有助于減小兩者螺距變化，使受載均勻。加厚螺母第60頁(yè),共84頁(yè)，2024年2月25日，星期天潘存云教授研制10~15?懸置螺母環(huán)槽螺母內(nèi)斜螺母10~15?內(nèi)斜與環(huán)槽螺母均載原理相同

螺母也受拉內(nèi)斜螺母因力的作用點(diǎn)外移可使載荷較大的頭幾圈螺紋牙容易變形，使載荷上移而改善載荷分布不均。均載元件懸置螺母環(huán)槽螺母內(nèi)斜螺母內(nèi)斜螺與環(huán)槽螺母都是改變螺母旋合部分的變形性質(zhì)，使之和螺栓變形性質(zhì)相同，均為拉伸變形，從而使螺紋牙上載荷分布趨于均勻；鋼絲螺套

加工復(fù)雜，僅限于用在重要場(chǎng)合或大型連接。第61頁(yè),共84頁(yè)，2024年2月25日，星期天潘存云教授研制采用凸臺(tái)或沉孔結(jié)構(gòu)潘存云教授研制潘存云教授研制三、減小應(yīng)力集中1.增大過渡圓角2.切制卸載槽r四、避免或減小附加應(yīng)力3.卸載過渡結(jié)構(gòu)要從結(jié)構(gòu)、制造與裝配精度采取措施。潘存云教授研制支承面不平切削加工支承面潘存云教授研制第62頁(yè),共84頁(yè)，2024年2月25日，星期天五、采用特殊制造工藝?yán)溏吢菟^部、滾壓螺紋螺栓疲勞強(qiáng)度提高30%到40%表面處理：氰化、氮化也能提高疲勞強(qiáng)度。球面墊圈采用球面墊圈和腰環(huán)螺栓可以保證螺栓的裝配精度。潘存云教授研制腰環(huán)螺栓潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制第63頁(yè),共84頁(yè)，2024年2月25日，星期天一、螺旋傳動(dòng)的類型和應(yīng)用調(diào)整螺旋靜壓螺旋類型運(yùn)動(dòng)形式有§5－9螺旋傳動(dòng)螺母固定，螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)并移動(dòng)螺旋傳動(dòng)是利用螺桿和螺母組成的螺旋副來實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)的。作用：回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)直線運(yùn)動(dòng)，同時(shí)傳遞動(dòng)力。螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，螺母移動(dòng)

刀架

按用途分傳力螺旋傳導(dǎo)螺旋滑動(dòng)螺旋滾動(dòng)螺旋按摩擦性質(zhì)分

傳遞動(dòng)力

傳遞運(yùn)動(dòng),要求精度高

調(diào)整零件相對(duì)位置應(yīng)用實(shí)例為車床刀架溜板第64頁(yè),共84頁(yè)，2024年2月25日，星期天潘存云教授研制潘存云教授研制調(diào)整螺旋調(diào)整螺旋第65頁(yè),共84頁(yè)，2024年2月25日，星期天機(jī)床的進(jìn)給機(jī)構(gòu)潘存云教授研制應(yīng)用實(shí)例:

機(jī)床的進(jìn)給機(jī)構(gòu)、起重設(shè)備（千斤頂）、鍛壓機(jī)械(壓力機(jī))、測(cè)量?jī)x器（千分尺）、、夾具、玩具、機(jī)器人及其他工業(yè)裝備中。潘存云教授研制第66頁(yè),共84頁(yè)，2024年2月25日，星期天應(yīng)用實(shí)例

起重設(shè)備（千斤頂）鍛壓機(jī)械(壓力機(jī))潘存云教授研制潘存云教授研制第67頁(yè),共84頁(yè)，2024年2月25日，星期天應(yīng)用實(shí)例

工件夾緊裝置(鋸床)潘存云教授研制潘存云教授研制第68頁(yè),共84頁(yè)，2024年2月25日，星期天應(yīng)用實(shí)例

潘存云教授研制鉗工虎鉗潘存云教授研制千分尺第69頁(yè),共84頁(yè)，2024年2月25日，星期天整體螺母組合螺母剖分螺母螺母結(jié)構(gòu)潘存云教授研制組合螺母潘存云教授研制調(diào)整楔快固定螺釘調(diào)整螺釘二、滑動(dòng)螺旋的結(jié)構(gòu)和材料

滑動(dòng)螺旋的結(jié)構(gòu)主要是指螺桿、螺母的固定和支承的結(jié)構(gòu)形式。螺旋傳動(dòng)的工作剛度與精度等和支承結(jié)構(gòu)有直接關(guān)系。1.結(jié)構(gòu)潘存云教授研制剖分螺母第70頁(yè),共84頁(yè)，2024年2月25日，星期天潘存云教授研制螺旋副材料要求：足夠的強(qiáng)度、耐磨性、摩擦因子小2.滑動(dòng)螺旋的材料螺桿材料:Q257、45、50鋼，或T12、40Cr、65Mn螺母材料:ZCuSn10P1、ZCuSn5Pb5Zn5、ZCuAl10Fe3.螺桿-螺母材料滑動(dòng)速度m/min許用壓力/MPa摩擦因子低速18~25≤311~186~127~10>151~2

淬火鋼－青銅

鋼－青銅

鋼－鑄鐵

鋼－鋼

6~1210~130.06~0.08

<2.413~18

6~124~7

低速7.5~130.11~0.170.08~0.1

0.12~0.15

滑動(dòng)螺旋副材料的許用壓力[p]及摩擦因子

第71頁(yè),共84頁(yè)，2024年2月25日，星期天潘存云教授研制三、滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算承受載荷:

轉(zhuǎn)矩、軸向力設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：按耐磨損確定直徑，選擇螺距校核螺桿、螺母強(qiáng)度等。主要失效形式:

螺牙的磨損滑動(dòng)螺旋副材料的許用應(yīng)力許用應(yīng)力/MPa螺旋副材料螺桿鋼

[σＳ]/(3~5)螺母青銅

40~6030~40鑄鐵

45~5540鋼

(0.1~0.2)[σ]0.6[σ][σ][σb][τ]注：1)σs

為材料的屈服極限；

2)載荷穩(wěn)定時(shí)，許用應(yīng)力取大值。第72頁(yè),共84頁(yè)，2024年2月25日，星期天對(duì)螺旋傳動(dòng)的要求:

強(qiáng)度足夠,耐磨,摩擦因子小.螺桿材料:Q257、45、50鋼，或T12、40Cr、65Mn螺母材料:ZCuSn10P1、ZCuSn5Pb5Zn5、

ZCuAl10Fe3。失效形式:磨損通常先由耐磨性條件，計(jì)算螺桿直徑和螺母高度，再參照標(biāo)準(zhǔn)確定螺旋各主要參數(shù)，而后對(duì)可能發(fā)生的其它失效一一校核。耐磨性計(jì)算校核公式：影響磨損的原因很多，目前還沒有完善的計(jì)算方法，通常是限制螺紋接觸處的壓強(qiáng)。p=≤[p]

πd2hzFaFa為軸向力；z為參加接觸的螺紋圈數(shù)；d2為螺紋中徑；h為螺紋的工作高度；[p]為許用壓強(qiáng)。速度v<12m/min4~77~1010~13低速，如人力驅(qū)動(dòng)等10~1815~25-----

螺旋副的許用壓強(qiáng)許用壓強(qiáng)配對(duì)材料鋼對(duì)鑄鐵鋼對(duì)青銅淬火鋼對(duì)青銅第73頁(yè),共84頁(yè)，2024年2月25日，星期天潘存云教授研制螺桿α許用壓強(qiáng)螺母設(shè)計(jì)方法和步驟1．耐磨性計(jì)算

滑動(dòng)螺旋的耐磨性計(jì)算，主要是限制螺紋工作面上的壓力，其強(qiáng)度條件：令φ=H/d2

，又因?yàn)閔=0.5P－矩形、梯形螺紋的工作高度

h=0.75P－鋸齒形螺紋的工作高度。代入上式得螺紋中徑的計(jì)算公式：校核公式：p=πd2huFF——軸向力；=≤[p]πd2hHFP顯然有：

u=H/Pu——螺紋工作圈數(shù)d2——螺紋中徑；h——螺紋的工作高度;H——螺母高度;hPHD2d2P——螺距;F/uF第74頁(yè),共84頁(yè)，2024年2月25日，星期天鋸齒形螺紋φ[p]Fd2

≥0.65φ=1.2~2.5整體式螺母2.5~3.5剖分式螺母一般取u≤10梯形螺紋φ[p]Fd2

≥0.8φ值越大，螺母越厚，螺紋工作圈數(shù)越多。依據(jù)計(jì)算出的螺紋中徑，按螺紋標(biāo)準(zhǔn)選擇合適的直徑和螺距。驗(yàn)算若不滿足要求，則增大螺距。對(duì)有自鎖性要求的螺旋傳動(dòng)，應(yīng)校核自鎖條件：螺紋中徑的計(jì)算公式第75頁(yè),共84頁(yè)，2024年2月25日，星期天2．螺桿的強(qiáng)度計(jì)算

對(duì)于受力比較大的螺桿，需根據(jù)第四強(qiáng)度理論求出危險(xiǎn)截面的計(jì)算應(yīng)力螺桿的強(qiáng)度條件式中，F(xiàn)為螺桿所受的軸向壓力（或拉力），T為螺桿所受的扭矩對(duì)碳素鋼,[σ]=50~80MPa第76頁(yè),共84頁(yè)，2024年2月25日，星期天潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制3．螺母螺牙的強(qiáng)度計(jì)算螺牙上的平均壓力為F/u剪切強(qiáng)度條件πDπD2aaF/uπDaaπDπD2aaF/u（1）考慮螺旋副摩擦力矩的作用，螺母懸置部分危險(xiǎn)截面b—b的拉伸強(qiáng)度條件：其危險(xiǎn)截面a–a

的彎曲強(qiáng)度條件在螺旋起重器螺母的設(shè)計(jì)計(jì)算中，除了進(jìn)行耐磨性計(jì)算與螺紋牙的強(qiáng)度計(jì)算外，還要進(jìn)行螺母下段與螺母凸緣的強(qiáng)度計(jì)算，螺母凸緣與底座的接觸面上產(chǎn)生擠壓應(yīng)力；凸緣根部受到彎曲和剪切作用；螺母下段承受拉力和螺旋副摩擦力矩的作用。4．螺母外徑與凸緣的強(qiáng)度計(jì)算FbbbbD3D第77頁(yè),共84頁(yè)，2024年2月25日，星期天潘存云教授研制（2）凸緣與底座接觸表面擠壓強(qiáng)度條件：（3）凸緣根部彎曲強(qiáng)度條件：5．螺桿的穩(wěn)定性計(jì)算對(duì)于長(zhǎng)徑比較大的受壓螺桿，需