机械设计基础与项目实践 课件 模块11 螺纹联接的设计

第十一模块

螺纹联接的设计螺纹联接是由螺纹联接件（紧固件）与被联接件构成，是一种应用广泛的可拆联接。螺纹联接具有结构简单、装拆方便、联接可靠等特点。螺纹联接件大部分以标准化，应根据国家标准选用。本模块中，我们要设计冲床传动系统中的螺纹联接。如图11-1所示。图11-1减速器箱体用螺纹联接螺纹联接设计的内容包括——选择螺纹联接的类型、设计螺栓组联接的结构。任务1选择螺纹联接的类型任务2设计螺栓组联接的结构工作任务学习目标掌握常用螺纹联接的类型和应用特点掌握常用螺纹联接件及其选择掌握螺纹联接结构设计要点掌握螺纹联接的防松措施第十一模块

螺纹联接的设计11.0预备知识11.0.1螺纹的形成及类型11.0.2螺纹的主要参数螺纹零件常用于螺纹联接和螺旋传动。螺纹联接要求联接可靠，具有足够的联接强度、刚度和自锁性。螺旋传动除应满足强度要求外，还应具有较高的传动精度和传动效率，要求耐磨性好，寿命长。11.0.1螺纹的形成及类型在圆柱外表面或内表面切出的牙形部分称为螺纹。前者称为外螺纹，后者称为内螺纹。内外螺纹共同组成螺纹副。1.螺纹形成螺纹的形成如图11-2所示，将一直角三角形（底边长为）绕在一圆柱体（直径为d2）上，使三角形底边与圆柱体底面圆周重合，则此三角形斜边在圆柱体表面所形成的空间曲线称为螺旋线。图11-2螺纹的形成11.0.1螺纹的形成及类型2.螺纹类型根据螺纹的牙型，可将螺纹分为三角螺纹、矩形螺纹、梯形螺纹、锯齿形螺纹，三角螺纹用于联接，矩形螺纹、梯形螺纹、锯齿形螺纹用于传动，其特点和应用见表11-1。11.0.1螺纹的形成及类型表11-1常用螺纹的类型、特点和应用螺纹类型牙型图特点和应用三角螺纹普通螺纹普通螺纹的牙型为等边三角形，牙型角α=60º，当量摩擦因数较大，自锁性能好，广泛用于联接。同一公称直径，按螺距大小分粗牙和细牙。粗牙的螺距较大，螺纹牙强度较高，经济性好，其应用最为广泛；细牙的螺距较小，自锁性能比粗牙好，多用于薄壁零件或受变载、冲击和振动的联接及微调机构中。管螺纹管螺纹的牙型为等腰三角形，牙型角α=55º，可分为圆柱管螺纹和圆锥管螺纹，圆柱管螺纹广泛用于低压的水和煤气管道、润滑系统管道、电线管道的联接。圆锥管螺纹分布在1:16的圆锥管壁上，其密封性良好，适用于对密封要求较高的场合，如用作高温、高压系统中管道、阀门等的螺纹联接。11.0.1螺纹的形成及类型表11-1常用螺纹的类型、特点和应用螺纹类型牙型图特点和应用矩形螺纹矩形螺纹的牙型为正方形，牙型角α=0º，传动效率高于其他螺纹，但精确制造困难，螺纹副磨损后的间隙难以补偿或修复，对中精度低，牙根强度弱，应用不多。梯形螺纹梯形螺纹的牙型为等腰梯形，牙型角α=30º，牙根强度高、工艺性好、对中性好，采用剖分螺母时可以调整螺纹副间隙，广泛应用于传动螺纹。锯齿形螺纹锯齿形螺纹的牙型为不等腰梯形，工作面的牙侧角α=3º，非工作面的牙侧角α=30º，具有矩形螺纹传动效率高和梯形螺纹牙根强度高的特点，主要用于单向受力的传力螺旋。11.0.2螺纹的主要参数螺纹副由外螺纹和内螺纹相互旋合组成。现以圆柱螺纹为例介绍螺纹的主要几何参数，见图11-3。（1）大径d。是与外螺纹牙顶或内螺纹牙底相切的假想圆柱面的直径，在标准中定为螺纹的公称直径。（2）小径d1。是与外螺纹牙底或内螺纹牙顶相切的假想圆柱面的直径，在强度计算中常作为螺杆危险截面的计算直径。（3）中径d2。是一个假想圆柱面的直径，该圆柱面的母线通过牙型上沟槽和凸起宽度相等的地方。中径近似于螺纹的平均直径，d2≈（d+d1）/2。中径是确定螺纹几何参数和配合性质的直径。11.0.2螺纹的主要参数螺纹副由外螺纹和内螺纹相互旋合组成。现以圆柱螺纹为例介绍螺纹的主要几何参数，见图11-3。（1）大径d。是与外螺纹牙顶或内螺纹牙底相切的假想圆柱面的直径，在标准中定为螺纹的公称直径。（2）小径d1。是与外螺纹牙底或内螺纹牙顶相切的假想圆柱面的直径，在强度计算中常作为螺杆危险截面的计算直径。（3）中径d2。是一个假想圆柱面的直径，该圆柱面的母线通过牙型上沟槽和凸起宽度相等的地方。中径近似于螺纹的平均直径，d2≈（d+d1）/2。中径是确定螺纹几何参数和配合性质的直径。11.0.2螺纹的主要参数图11-3圆柱普通螺纹的主要参数11.0.2螺纹的主要参数（4）线数n。螺纹的螺旋线数目。沿一根螺旋线形成的螺纹称为单线螺纹；沿两根以上的等距螺旋线形成螺纹称为多线螺纹。常用的联接螺纹要求自锁性，故多用单线螺纹；传动螺纹要求传动效率高，故多用双线或单线螺纹。为了便于制造，一般用线数n≤4。（5）螺距P。螺纹相邻两个牙形上对应点间的轴向距离。（6）导程L。同一条螺旋线上相邻两牙在中径线上对应两点间的轴向距离。单线螺纹L=P；多线螺纹S=nP。（7）螺纹升角λ。在中径圆柱面上，螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面间的夹角。11.0.2螺纹的主要参数（8）牙形角α。螺纹轴相截面内，螺纹牙形两侧边的夹角。（9）牙侧角β。在螺纹牙型上，牙侧与螺纹轴线的垂直平面的夹角。对称牙型的牙侧角β=α/2。（10）接触高度h。在两个相互配合的螺纹的牙型上，牙侧重合部分在垂直于螺纹轴线方向上的距离。常用作螺纹工作高度。此外，根据螺旋线的旋向不同，螺纹分为右旋螺纹和左旋螺纹，一般采用右旋螺纹，左旋螺纹只用于有特殊要求的场合。11.1任务1——选择螺纹联接的类型【任务描述与分析】如图11-1所示，冲床传动系统中的齿轮减速器，其箱体由箱盖和箱座两部分组成，并采用螺纹联接。联接处在箱体的凸缘处，厚度不大。本任务要选择螺纹联接的类型，具体内容包括：1）螺纹联接的基本类型及应用特点；2）常用螺纹联接件及选用。图11-1减速器箱体用螺纹联接【相关知识与技能】

11.1任务1——选择螺纹联接的类型11.1.1螺纹联接的基本类型及应用特点11.1.2常用螺纹联接件及选用11.1.3选择冲床传动系统中螺纹联接的类型11.1.1螺纹联接的基本类型及应用特点

螺纹联接的基本类型包括：螺栓联接、双头螺柱联接、螺钉联接、紧定螺钉联接。各类螺纹联接的结构形式及应用特点见表11-2。表11-2螺纹联接的基本类型类型构造特点及应用螺栓联接被联接件的孔不需切割螺纹，因而不受被联接件材料的限制。普通螺栓联接，被联接件上的孔和螺栓杆之间有间隙，故孔的加工精度可以较低。其结构简单，装拆方便，应用广泛。通常用于被联接件不太厚，且有足够装配空间的情况。铰制孔用螺栓联接。孔和螺栓杆之间常采用基孔制过渡配合，因而，孔的加工精度要求较高。一般用于需螺栓承受横向载荷或需靠螺栓杆精确固定被联接件相对位置的场合。11.1.1螺纹联接的基本类型及应用特点表11-2螺纹联接的基本类型类型构造特点及应用双头螺柱联接这种联接用于被联接之一太厚，且需经常装拆或结构上受到限制不能采用螺栓联接的场合。螺钉联接不用螺母，直接将螺栓(或螺钉)旋入被联接件之一的螺纹孔内而实现联接。也是用于被联接件较厚的场合，但由于常常装拆容易使螺纹孔损坏，所以不宜用于需经常装拆的场合。紧定螺钉联接利用紧定螺钉旋入并穿过一零件，以其末端压紧或嵌入另一零件，用以固定两零件之间的相对位置，并可传递不大的力或扭矩。多用于轴上零件的联接。11.1.2常用螺纹联接件及选用1.螺纹联接件的类型

螺纹联接件的品种很多，大都已标准化，根据使用要求合理选择其规格、型号后即可外购。机械制造中常用的螺纹紧固件的类型很多，除了有螺栓、双头螺柱、螺钉外，还有螺母和垫圈等。常用标准螺纹联接件见下表11-3所示。表11-3常用螺纹联接件螺栓螺柱螺钉11.1.2常用螺纹联接件及选用1.螺纹联接件的类型

螺纹联接件的品种很多，大都已标准化，根据使用要求合理选择其规格、型号后即可外购。机械制造中常用的螺纹紧固件的类型很多，除了有螺栓、双头螺柱、螺钉外，还有螺母和垫圈等。常用标准螺纹联接件见下表11-3所示。表11-3常用螺纹联接件紧定螺钉圆螺母与止动垫圈垫圈11.1.2常用螺纹联接件及选用2.螺纹联接件的材料及等级螺纹紧固件有两类等级，一类是产品等级，另一类是机械性能等级。1）产品等级根据国家标准规定，螺纹紧固件分为三个精度等级，其代号为A、B、C。A级精度最高，用于要求配合精确，防止振动等重要零件的联接；B级精度多用于受载较大且经常装拆或受变载荷的联接；C级精度多用于一般的螺纹联接。2）机械性能等级和材料螺纹紧固件的常用材料为Q215、Q235、10、35和45号钢，对于重要的螺纹紧固件，可采用15Cr、40Cr等。对于特殊用途（如防锈蚀、防磁、导电或耐高温等）的螺纹紧固件，可采用特种钢或铜合金、铝合金等。弹簧垫圈用65Mn制造，并经热处理和表面处理。11.1.2常用螺纹联接件及选用国家标准规定，螺栓、螺柱、螺钉的机械性能等级标记代号由两个数字表示，中间用小数点“.”隔开，小数点前的数字为σb的1/100，(σb为抗拉强度)；小数点后的数字为10×σs/或10×σ02/(σs为屈服点，σ02为屈服强度)。紧定螺钉依靠末端表面起紧定作用，垫圈也是依靠表面起作用，所以国家标准规定它们的机械性能用表面硬度表示。紧定螺钉的机械性能等级代号由字母和数字两部分组成：数字代表最小维氏硬度（HVmin）的1/10；用字母H表示。3.螺纹联接件选用基本原则1）考虑联接部分的结构，受载情况、装拆要求、外观等；2）选用时注意所用螺母的性能等级不能低于与其相配螺栓的性能等级。11.1.3选择冲床传动系统中螺纹联接的类型1.设计要求分析联接处在箱体的凸缘处，厚度不大。且应便于装拆。2.设计步骤设计项目计算及说明结果1、选择螺纹联接的类型联接处在箱体的凸缘处，厚度不大。采用普通螺栓联接2、选用螺纹联接件的类型减速器箱体属于一般的通用机械。采用C级六角头螺栓【任务描述与分析】减速器箱盖与箱座要采用螺栓组联接，以确定结合面的几何形状，螺栓的布置形式，确定螺栓的数目，选用防松装置。本任务要设计螺栓组联接的结构，具体内容包括：1）结构设计时应考虑的几个方面；2）螺纹联接的防松。

11.2任务2——设计螺栓组联接的结构【相关知识与技能】

11.2任务2——设计螺栓组联接的结构11.2.1结构设计时应考虑的几个方面11.2.2螺纹联接的预紧和防松11.2.3设计冲床传动系统中螺纹联接的结构11.2.1结构设计时应考虑的几个方面1、联接接合面应尽量设计成轴对称的简单几何形状，图11-4所示，尽量对称布置，使螺栓组的几何中心与接合面的形心重合，便于加工和装配，接合面受力也比较均匀。图11-4螺纹联接接合面常见形状11.2.1结构设计时应考虑的几个方面2、为便于钳工划线、钻孔，螺栓应布置在同一圆周上，螺栓数目取易等分的数字，如3、4、6、8、12等，同一组螺栓的材料直径和长度应尽量相同，以简化结构和便于装配。3、应有合理的钉距、边距和足够的板手空间，如图11-5所示。图11-5扳手空间11.2.1结构设计时应考虑的几个方面4、被联接件上的支承面应做成凸台或沉头座，以免引起偏心载荷而削弱螺栓的强度，如图11-6所示。图11-6被联接件上的支承面结构a)凸台b)沉头座11.2.2螺纹联接的预紧和防松1.螺纹联接的预紧工程实际中，绝大多数螺纹联接在装配时都必须拧紧，使联接在承受工作载荷前就预先受到预紧力的作用，称为预紧。需预紧的螺纹联接称为紧联接，少数螺纹联接不需要预紧的称为松联接。预紧的目的是为了增强联接的可靠性、紧密性和刚性，提高防松能力，防止受载后被联接件间出现间隙或发生相对位移，对于受变载荷的螺纹联接还可提高其疲劳强度。但过大的预紧力可能会使螺栓在装配时或在工作中偶然过载时被拉断。因此对重要的螺纹联接，为了保证所需的预紧力，又不使联接螺栓过载，在装配时应控制预紧力，通常是利用控制拧紧螺母时的拧紧力矩来控制预紧力的大小。11.2.2螺纹联接的预紧和防松工程实际中，常用指针式扭力扳手或预置式扭力扳手来控制拧紧力矩。如图11-7（a）所示，指针式扭力扳手可由指针直接读出拧紧力矩的数值。如图11-7（b）所示，预置式扭力扳手可利用螺钉调整弹簧的压紧力，预先设置拧紧力矩的大小，当扳手力矩过大时，弹簧被压缩，扳手卡盘与圆柱销之间打滑，从而控制预紧力矩不超过规定值。图11-7指针式扭力扳手或预置式扭力扳手（a）指针式扭力扳手（b）预置式扭力扳手1—扳手卡盘2—圆柱销3—弹簧4—螺钉（a）（b）11.2.2螺纹联接的预紧和防松2.防松方法常用的螺纹联接件都是单线螺纹，自锁性好，在静载荷、工作温度变化不大时，螺纹联接件不会松脱，但在冲击、振动和变载荷作用下，或温度变化较大时，螺纹联接有可能逐渐松脱，引起联接失效，从而影响机器的正常运转，甚至导致严重的事故。因此，设计时必须采取有效的防松措施。防松的目的是在螺纹拧紧后防止螺旋副间再相对运动。按防松装置的工作原理不同可分为摩擦防松、机械防松、永久防松三类，其结构形式、特点和应用见表11-4所示。机械防松是利用金属元件直接约束螺纹联接件防止其相对转动，防松效果比较可靠，适用于受冲击、振动的场合和重要的联接。永久防松常用于装配后不再拆卸的场合。11.2.3