螺旋传动与螺纹联接.ppt

第8章螺旋传动与螺纹联接 第一节螺纹 第二节螺旋传动 第三节螺纹联接 第一节 螺纹 螺纹有外螺纹与内螺纹之分 它们共同组成螺旋副 螺纹按工作性质分为联接用螺纹和传动用螺纹 一 螺纹形成 加工方法 车制内外螺纹 直径小用碾压法 内螺纹先用钻头钻出光孔 然后丝锥攻螺纹 螺旋线 一动点在一圆柱体的表面上 一边绕轴线等速旋转 同时沿轴向作等速移动的轨迹 螺纹 一平面图形沿螺旋线运动 运动时保持该图形通过圆柱体的轴线 就得到螺纹 螺纹 二 螺纹几何参数 3 中径d2 1 大径d 2 小径d1 4 螺距P 5 导程S 6 螺纹升角 7 牙型角 牙侧角 S nP 联接螺纹 三 螺纹牙型特点和应用 传动螺纹 第二节 螺旋传动 一 螺旋传动的类型 特点与应用 1 应用 螺旋传动是利用螺杆和螺母组成的螺旋副来实现传动要求的 它主要用于将回转运动变为直线运动将直线运动变为回转运动 同时传递运动或动力 优点 工作平稳 传动精度高 易于自锁 良好的减速性能 2 特点 缺点 相对滑动大 磨损大 效率低 3 传动形式 a 螺杆转螺母移b 螺杆又转又移 螺母固定 用得多c 螺母转螺杆移d 螺母又转又移 螺杆固定 用得少 按其用途 还可分为传动螺旋 传导螺旋和调整螺旋三种类型 4 分类 千斤顶 1 传动螺旋 它以传递动力为主 要求用较小的转矩产生较大的轴向推力 一般为间歇工作 工作速度不高 而且通常要求自锁 如千斤顶 搬动手柄对螺杆加一个转矩 则螺杆旋转并产生很大轴向力推力以举起重物 2 传导螺旋 它以传递运动为主 常要求具有高的运动精度 一般在较长时间内连续工作 工作速度也较高 例如用于机床进给机构的传导螺旋 螺杆旋转 推动螺母连同滑板和刀架作直线运动 微调镗刀杆 螺杆转 螺杆右移 螺母相对机架右移 若螺杆两段螺纹旋向相反 快速移动 3 调整螺旋它用以调整并固定零件或部件之间的相对位置 用于带传动张紧的调整螺旋 1 滑动螺旋 构造简单 传动比大 承载能力高 加工方便 传动平稳 工作可靠 易于自锁 缺点 磨损快 寿命短 低速时有爬行现象 滑移 摩擦损耗大 传动效率低 30 40 传动精度低 按照摩擦性质分 滑动螺旋滚动螺旋静压螺旋 后两种结构复杂 用于结构复杂 精度高的重要传动中 一般用滑动 2 滚动螺旋传动 摩擦性质为滚动摩擦 滚动螺旋传动是在具有圆弧形螺旋槽的螺杆和螺母之间连续装填若干滚动体 多用钢球 当传动工作时 滚动体沿螺纹滚道滚动并形成循环 按循环方式有 内循环 外循环两种 特点 传动效率高 可达90 起动力矩小 传动灵活平稳 低速不爬行 同步性好 定位精度高 正逆运动效率相同 可实现逆传动 缺点 不自锁 需附加自锁装置 抗振性差 结构复杂 制造工艺要求高 成本较高 3 静压螺旋 液体摩擦 靠外部液压系统提高压力油 压力油进入螺杆与螺母螺纹间的油缸 促使螺杆 螺母 螺纹牙间产生压力油膜而分隔开 特点 摩擦系数小 效率高 工作稳定 无爬行现象 定位精度高 磨损小 寿命长 但螺母结构复杂 需密封 需一稳压供油系统 成本较高 适用于精密机床中进给和分度机构 滚动螺旋 静压螺旋 螺旋传动 二 滑动螺旋传动的工作能力分析 主要失效 螺纹的磨损 耐磨性计算确定 螺杆直径d2 螺母高度H 传力较大时 螺杆强度校核 要求自锁时 螺纹牙强度校核 校核自锁条件 受压细长螺杆 校核稳定性 1 失效形式与计算准则 1 耐磨性计算 螺纹接触处比压 令 设计式 注 3 设计步骤 确定螺母高度 要求螺纹圈数 计算 2 螺杆强度校核 轴向力 螺母材料比螺杆差 校核螺母的螺纹 3 螺纹牙的强度校核 力学模型 将螺母的一圈螺纹牙展开 悬臂梁 螺纹牙受弯 螺纹牙受剪 转矩 为弯曲力臂 第三节 螺纹联接 一 螺纹联接的类型 特点和应用 2 双头螺柱联接 3 螺钉联接 4 紧定螺钉联接 1 螺栓联接 常用的螺纹联接件有 螺栓 双头螺柱 螺钉 螺母和垫片等 这些零件都是标准件 结构 形状 尺寸都制定有国家标准 设计时可根据有关标准选用 常见螺纹联接件 圆螺母带翅垫片 垫圈 六角螺母 紧定螺钉 螺钉 双头螺柱 常见螺纹联接件图 六角头螺栓 1 螺栓联接 在被联接件上开有通孔 被联接件孔中不加工螺纹 结构简单 装拆方便 使用时不受被联接件材料的限制 应用极广 普通螺栓联接 铰制孔用螺栓联接 普通螺栓联接螺栓杆与被联接件孔壁之间有间隙 通孔加工精度低 成本低 应用最广 铰制孔用螺栓联接螺栓杆与被联接件孔壁之间无间隙 孔和螺栓杆多采用基孔制过渡配合 H7 m6 H7 n6 能精确定位 能承受横向载荷被联接件需钻孔 铰孔 成本高 孔与螺杆之间留有间隙 3 螺钉联接被联接件之一为光孔 另一个为螺纹孔 只用螺钉 不用螺母 直接把螺钉拧进被联接件的螺钉中 适用于载荷较轻 且不经常装拆的场合 螺钉联接 双头螺柱联接 2 双头螺柱联接用两头均有螺纹的螺柱和螺母把被联接件联接起来 被联接件之一为光孔 另一个为螺纹孔 适用于被联接件之一厚度很大 而又不宜钻通孔 但又经常拆卸的地方 4 紧定螺钉联接 利用拧入被联接件螺纹孔中的螺钉末端顶住另一零件的表面 以固定零件的相对位置 可传递不大的力或扭矩 其它 地脚螺栓吊环螺栓T形槽螺栓 二 标准螺纹联接件 两端螺纹可相同或不同 螺柱可带退刀槽或制成腰杆 也可制成全螺纹 双头螺柱 二 标准螺纹联接件 螺钉 头部形状有圆头 扁圆头 六角头 圆柱头和沉头等 头部起子槽有一字槽 十字槽和内六角孔等形式 二 标准螺纹联接件 紧定螺钉 端适用于被紧定零件的表面硬度较低或不经常拆卸的场合 平端接触面积大 不伤零件表面 常用于顶紧硬度较大的平面或经常拆卸的场合 圆柱端压入轴上的凹坑中 适用于坚定空心轴上的零件位置 二 标准螺纹联接件 自攻螺钉 头部形状有圆头 平头 半沉头及沉头等 头部起子槽有一字槽 十字槽等形式 末端形状有锥端和平端两种 二 标准螺纹联接件 六角螺母 根据厚度分为标准螺母和薄型螺母两种 制造精度分为A B C三级 分别与相同级别的螺柱配合使用 二 标准螺纹联接件 圆螺母与止动垫圈 圆螺母常与止动垫圈配用 装配时将垫圈内舌插入轴上的槽内 而将垫圈的外舌嵌入圆螺母的槽内 螺母即被锁紧 二 标准螺纹联接件 垫圈 平垫圈分为A级和C级两种 用于同一螺纹直径的垫圈又分为特大 大 普通和小的四种规格 特大垫圈主要在铁木结构上使用 斜垫圈只用于倾斜的支承面上 三 螺纹联接的预紧和防松 1 螺纹联接的预紧拧紧的目的 1 提高联接的紧密性2 防止联接松动3 提高联接件强度 预紧力的控制 测力矩扳手 定力矩扳手 螺纹联接的预紧 定力矩扳手 螺旋副的拧紧力矩 注意 对于重要的联接 应尽可能不采用直径过小 M12 的螺栓 预紧力和预紧力矩之间的关系 弹簧垫圈防松 2 螺纹联接的防松 1 摩擦防松 保证螺纹副间有足够的轴向压力和摩擦力矩 对顶螺母 弹簧垫圈 结构简单 使用方便 限制螺旋副的相对转动 以防止联接的松动 影响正常工作 防松的实质 防松方法 摩擦防松 机械防松 永久防松 自锁螺母防松 对顶螺母防松 2 机械防松 开口销与开槽六角螺母 止动垫圈 串联钢丝 在联接中加入其它机械元件 开口销 止动垫圈 串联铁丝等 适用于冲击振动载荷 重要场合使用 成本高 机械防松 止动垫片防松 机械防松 止动垫片防松 机械防松 串联钢丝防松 机械防松 焊接铆冲 不可拆卸防松 3 永久防松 粘 铆 焊等 四 螺纹副的受力分析 效率和自锁 拧紧螺母时 可看作推动重物沿螺纹表面运动 将螺纹沿中径处展开 滑块代表螺母 螺母和螺杆间的运动可视为滑块在斜面上运动 根据力的平衡条件可得 旋紧螺母时作用在螺纹中径上的水平推力 圆周力 转动螺纹需要的转矩为 若 说明此时无论轴向载荷有多大 滑块 即螺母 都不能沿斜面运动 这种现象称为自锁 滑块沿斜面等速下降时 摩擦力向上 螺旋副的效率 若为三角螺纹 则F f cos Q 为当量摩擦角 为实际摩擦系数 为螺旋副所受的轴向力 1 当f相同 三角形螺纹升角小 当量摩擦系数大 自锁性好 主要用于联接 螺纹牙型角度多为60 55度三角形2 要提高传动效率 应适当提高降低 五螺纹联接的选用计算 螺纹联接中螺栓联接最具典型性 本届主要讨论螺栓组联接 单个螺栓联接的强度计算是螺纹联接设计的基础 螺栓受力 横向受拉 普通螺栓 横向受剪切 铰制孔用螺栓 螺栓杆螺纹部分发生断裂 螺栓杆剪断或者孔壁发生压溃 主要失效方式 实际工程应用中 普通场合 螺栓直径的选择用类比法或经验法重要场合 必须根据强度条件进行选用计算 设计准则 针对具体的失效形式 通过对螺栓的相应部位进行相应强度条件的设计计算 或强度校核 螺栓联接的计算主要是确定螺纹小径d1 然后按照标准选定螺纹的公称直径 大经 d等 其它对螺纹有特殊要求 如防腐 耐高温 时 应选择有特殊性能的材料 一般螺纹联接件常用材料为低碳钢和中碳钢 如Q215 Q235 15 35 45等 受冲击 振动和变载荷作用的螺栓可用合金钢 如15Cr 40Cr 30CrMnSi 15CrVB等 螺纹联接件的材料 一 松螺栓联接强度计算 不受预紧力作用 受外载荷 或 F 工作拉力 单位为N d1 螺栓危险截面的直径 单位为mm 螺栓材料的许用拉应力 单位为MPa 二 紧螺栓联接强度计算 1 仅受预紧力的紧螺栓联接 结合面的摩擦力来承受横向载荷 防止被联接件错动 1 螺栓的当量拉力 螺栓受力 拧紧力矩 螺栓预紧力 当量拉力 联接面间摩擦力 2 保证联接面不滑移的螺栓预紧力 拧紧力矩 预紧力 平衡横向力 3 强度条件 摩擦系数 螺栓数 接合面数 可靠性系数 摩擦力矩引起的剪应力 2 受轴向外载荷的紧螺栓联接 F1为残余预紧力 为保证联接的紧密性 应使F1 0 一般根据联接的性质确定F1的大小 载荷方向与螺栓轴向一致 螺栓受载前需预紧 受载前后受力不同 螺栓内部危险截面上同样既有拉应力s 又有扭转剪应力t 螺栓预紧力F0后 在工作拉力F的作用下 螺栓的总拉力F2 未拧紧 螺栓 被联件 未受力 无变形 未受力 无变形 拧紧后工作前 螺栓 被联件 工作时 螺栓 被联件 再加 总伸长 联接面间受压 总压缩量 对应拉力 或 Q 螺栓危险截面的拉伸强度条件为 对于有密封性要求的联接 一般联接 工作载荷稳定时 工作载荷不稳定时 螺栓所受总拉力Q 工作拉力F 剩余预紧力F1 Q 3 承受工作剪力的紧螺栓联接 这种联接是利用铰制孔用螺栓抗剪切来承受载荷的 螺栓杆与孔壁之间无间隙 接触表面受挤压 在联接结合面处 螺栓杆则受剪切 螺栓杆与孔壁的挤压强度条件为 螺栓杆的剪切强度条件为 式中 F 螺栓所受的工作剪力 单位为N d0 螺栓剪切面的直径 可取螺栓孔直径 单位为mm Lmin 螺栓杆与孔壁挤压面的最小高度 单位为mm 设计时应使Lmin 1 25d0 例题1已知汽缸工作压力p 1 2Mpa 汽缸内径D2 250mm 螺栓数目z 12 采用铜皮石棉垫 试计算汽缸盖螺栓直径 1 汽缸盖受气体压力 P p D2 4 3 14 2502 4 58875 N 2 单个螺栓工作载荷 F P z 58875 12 4906 25 N 3 查表8 11 紧密因数K 2 7 螺栓所受总拉力F 2 7F2 2 7 4906 25 13246 88 N 4 选择螺栓材料 计算需用应力查表8 12 选择Q215 屈服极限ss 220Mpa 有表8 13 安全因数S 1 4 许用应力 s ss S 220 1 4 157 143 Mpa 5确定螺栓小径 查标准 取M16 其d1 13 84 11 81 其公称直径16mm 例2 如图所示 凸缘连轴器 4个材料为Q235的M12螺栓联接 传递转距T 0 9 106N mm 螺栓中心所在圆直径D 150mm 连轴器材料为HT300 b 300MP 凸缘厚h 15mm 分别采用普通螺栓联接和铰制孔 分析螺栓直径选择合适与否 解1 采用普通螺栓联接 1 普通螺栓的主要失效形式为螺纹部分断裂失效 2 螺栓受力分析即每个螺栓的横向工作载荷F 2T D 2 0 9 106 150 12 103 3 普通螺栓联接 靠预紧力产生的摩擦力来传递横向力 其预紧力Q SF mfz 其中结合面m 1 螺栓个数z 4 结合面摩擦系数f 0 15 安全因数S 3 Q SF mfz 24 103 4 确定许用拉应力查表12 13 螺栓材料为Q235的M12 s 240MP S 3 s S 80MP查机械手册 M12螺栓小径d1 10 106mm 1 3 4 24 103 10 1062 388 96 80故强度不足 2 采用铰制孔用螺栓联接 1 铰制孔用螺栓的主要失效形式为剪切和挤压失效 2 螺栓受力分析每个螺栓所受的横向工作载荷F 12 103 s S 240 2 5 96MP b s 300 2 150MP 小结 通过以上两种情况的分析和计算 可以看出 虽然受到的外载荷相同 但由于螺栓联接的类型不同 单个螺栓的受力情况会有很大差异 致使所选螺栓直径相差很大 为了避免采用普通螺栓时螺栓直径太大的缺点 可采用减载装置 来传递横向力 这样所需的预紧力较小 不但减小了螺栓直径 使结构紧凑 而且工作可靠 因此在机械设计中 结构设计的优劣必须给予足够重视 其不同之处在于 普通螺栓联接 靠预紧力产生的摩擦力来传递横向力 4 计算 机械手册查铰制孔用螺栓M12受剪处直径d 13mm 查表8 8螺栓杆与孔壁挤压面最小高度LMIN h l 15 3 12 3 求许用切应力和许用挤压应力 六 螺栓组联接的结构分析 螺纹联接的形式应按被联接件的具体结构及螺纹联接的基本类型确定 1 联接接合面的几何形状通常都设计成轴对称的简单几何形状 如圆形 环形 矩形 框形 三角形等 这样不但便于加工制造 而且便于对称布置螺栓 使螺栓组的对称中心和联接接合面的形心重合 从而保证接合面受力比较均匀 2 螺栓的布置应使各螺栓的受力合理 对于铰制孔用螺栓联接 不要在平行于工作载荷的方向上成排地布置八个以上的螺栓 以免载荷分布过于不均 当螺栓联接承受弯矩或转矩时 应使螺栓的位置适当靠近联接接合面的边缘 以减小螺栓的受力 下图 接合面受弯矩或转矩时螺栓的布置 如果同时承受轴向载荷和较大的横向载荷时 应采用销 套筒 键等抗剪零件来承受横向载荷 以减小螺栓的预紧力及其结构尺寸 承受横载荷的减载零件 3 为了便于在圆周上钻孔时的分度和画线 通常分布在同一圆周上的螺栓数目取成4 6 8等偶数 4 螺栓联接应该保证安装的可能性和拆装方便 螺栓排列的要求 5 螺栓的排列应有合理的间距 边距 最小距离由扳手所需要的活动空间来定 6 避免螺栓承受附加的弯曲载荷 凸台 沉头座 斜面垫圈 复习思考题 1 在常用的螺旋传动中 传动效率最高的螺纹是 A 三角形螺纹B 梯形螺纹C 锯齿形螺纹D 矩形螺纹2 当两个被联接件之一太厚 不宜制成通孔 且联接不需要经常拆卸时 往往采用 A螺栓联接B螺钉联接C双头螺柱联接D紧定螺钉联接 C 螺钉联接 4 常用联接的螺纹是 A三角形螺纹B梯形螺纹C锯齿形螺纹D矩形螺纹5 承受横向载荷的紧螺栓联接 联接中的螺栓受 作用 A剪切B拉伸C剪切和拉伸6 当两个被联接件不厚 通孔 且需要经常拆卸时 往往采用 A螺钉联接B螺栓联接C双头螺柱联接D紧定螺钉联接 9 在螺栓联接的结构设计中 被联接件与螺母和螺栓头接触表面处需要加工 这是为了 A 不致损伤螺栓头和螺母B 增大接触面积 不易松脱C 防止产生附加偏心载荷D 便于装配 7 采用凸台或沉头座作为螺栓头或螺母的支撑面是为了 A 减少预紧力B 减少挤压力C 避免螺栓受弯曲应力D便于放置垫圈8 公制普通螺纹的牙型角为 A 30 B 55 C 60 11 设计螺栓组时常把螺栓布置成轴对称的均匀的几何形状 这主要是为了 A 美观B 受力最小C 联接方便D 接合面受力较均匀12 在确定紧螺栓联接的计算载荷时