机械设计基础.doc

10.1.1 螺纹的形成 螺旋线将一倾斜角为的直线绕在圆柱体上变形成一条螺旋线 。 图 10-1 螺纹的形成螺纹取一平面图形，如图10-1所示，使它沿着螺旋线运动，运动时保持此图形通过圆柱体的轴线，就得到螺纹。10.1.2 螺纹的分类 螺纹有内螺纹和外螺纹之分，两者旋合组成螺旋副或称螺纹副。用于联接的螺纹称为联接螺纹；用于传动的螺纹称为传动螺纹，相应的传动称为螺旋传动。 按照平面图形的形状螺纹分为三角形螺纹，矩形螺纹、梯形螺纹和锯齿形螺纹等，如图10-2所示。图 10-2 螺纹的类型按照螺旋线的旋向螺纹分为左旋螺纹和右旋螺纹。机械制造中一般采用右旋螺纹，有特殊要求时，才采用左旋螺纹。按照螺旋线的数目螺纹分为单线螺纹和等距排列的多线螺纹。为了制造方便，螺纹的线数一般不超过4，如图10-3所示。图 10-3 不同螺旋线数的右旋螺纹按照母体形状螺纹分为圆柱螺纹和圆锥螺纹。10.1.3 螺纹的主要几何参数图 10-4 圆柱螺纹的主要集合参数现以圆柱螺纹为例，说明螺纹的主要几何参数，如图10-4所示。大径d 与外螺纹牙顶（或内螺纹牙底）相重合的假想圆柱体的直径。小径d1 与外螺纹压牙底(或内螺纹牙顶) 相重合的假想圆柱体的直径。中径d2 也是一个假想圆柱的直径，该圆柱的母线上牙型沟槽和凸起宽度相等。螺距P 相邻两牙在中经线上对应两点间的轴向距离。导程S 同一螺纹线上的相邻两牙在中径线上对应两点间的轴向距离。设螺纹线数为n，则 螺纹升角 中径圆柱上，螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面的夹角 牙型角 轴向截面内螺纹牙型相邻两侧边的夹角称为牙型角。牙型侧边与螺纹轴线的垂线间的夹角称为牙侧角。对于对称牙型。10.2.1 矩形螺纹 矩形螺纹是指牙侧角 图a 图 b图 10-5 矩形螺纹的受力分析螺旋副在力矩和轴向载荷作用下的相对运动，可以看成作用在中径的水平力推动滑块（重物）沿螺纹运动，如图10-5a所示。将矩形螺纹沿中径展开可得一斜面（图10-5b），图中为螺纹升角，为轴向载荷，为作用于中径处的水平推力，沿法向反力；为摩擦力，为摩擦系数，为摩擦角。当滑块沿斜面等速上升时，为阻力，为驱动力。因摩擦力向下，故总反力与的夹 角为。得 作用在螺旋副上的相应驱动力矩 当滑块沿斜面等速下滑时，轴向载荷为驱动力，而变为维持滑块等速运动所需的平衡力。 得 作用在螺旋副上的相应驱动力矩 当斜面倾角小于摩擦角时，滑块不能在重力作用下自行下滑，即处于自锁状态，在自锁条件下，必须施加驱动力才能使滑块等速下滑。10.2.2 非矩形螺纹 非矩形螺纹是指牙侧角的三角形螺纹，梯形螺纹和锯齿形螺纹。图 10-6 矩形螺纹与非矩形螺纹的法向力如图10-6所示，若略去螺纹升角的影响，在轴向载荷作用下，非矩形螺纹的法向力比矩形螺纹的大。若把法向力的增加看作摩擦系数的增加，则非矩形螺纹的摩擦阻力可写为 式中当量摩擦系数，即 式中当量摩擦角；为牙侧角。当滑块沿非矩形螺纹等速上升时，可得水平推力 相应的驱动力矩 当滑块沿非矩形螺纹等速下滑时,可得 相应的力矩为 若螺纹升角小于当量摩擦角,则螺旋具有自锁特性，非矩形螺纹的自锁条件可表示为 为了防止螺母在轴向力作用下自动松开，用于联接的紧固螺纹必须满足自锁条件。10.2.3 螺旋副的效率螺旋副的效率是有用功与输入功之比。若按螺旋转动一圈计算，输入功为。此时升举滑块所作的有效功为，故螺旋副的效率为 由上式可知，当量摩擦角一定时，效率只是螺纹升角 的函数。由此可绘出效率曲线。 图 10-7 螺旋副的效率 取，可得当时效率最高。由于过大的螺纹升角制造困难，且效率增高也不显著，所以一般角不大于。10.3.1三角形螺纹三角形螺纹主要有普通螺纹后者和管螺纹。前者多用于紧固联接，后者用于紧密联接。 普通螺纹我国国家标准中，把牙型角的三角形米制螺纹称为普通螺纹，以大径为公称直径。同一公称直径可以有多种螺距的螺纹，其中螺距最大的称为粗牙螺纹，其余都称为细牙螺纹。 图 10-8 普通螺纹细牙螺纹的升角小，小径大，因而自锁性能好，强度高，但不耐磨，易滑扣。它适用于薄壁零件，受动载荷的联接和微调机构。 管螺纹管联接螺纹一般有四种，除了用普通细牙螺纹外，还有三种：非螺纹密封的管螺纹（圆柱管壁，），用螺纹密封的管螺纹（圆锥管壁，）和圆锥管螺纹。管螺纹的公称直径是管子的公称直径。圆锥管螺纹不用填料即能保证紧密性而且旋合迅速，适用于密封要求较高的管路联接中。10.3.2 梯形螺纹和锯齿形螺纹 梯形螺纹和锯齿形螺纹用于传动。为了减少摩擦和提高效率，这两种螺纹的牙侧角都比三角形螺纹的小得多，而且有较大得间隙以便贮存润滑油。梯形螺纹的牙侧角，比矩形螺纹容易切削，当采用剖分螺母时还可以消除因磨损而产生的间隙，因此应用较广。锯齿形螺纹工作面牙侧角，效率比梯形螺纹高，但只适用于承受单方向得轴向载荷。10.4.1 螺纹联接的基本类型螺纹联接有以下四种基本类型：螺栓联接螺栓联接的结构特点是被联接件的孔中不切制螺纹，装拆方便。10-9 螺栓联接 图10-8所示为普通螺栓连接，螺栓与孔之间有间隙。这种联接的优点是加工方便，成本低。应用广泛，图10-9所示为铰制孔用螺栓联接，其螺杆外径与螺栓孔的内径具有同一基本尺寸，并常采用过渡配合。它适用承受垂直轴线的横向载荷。10-10 螺钉联接和双头螺柱联接螺钉联接螺钉直接旋入被联接件的螺纹孔中，省去了螺母。因此结构上比较简单。但这种联接不宜经常拆装，以免被联接件的螺纹孔磨损而修复困难。双头螺柱联接双头螺柱多用于较厚的被联接件或为了结构紧凑而采用盲孔的联接。双头螺柱联接允许多次装拆而不损坏被联接零件。紧定螺钉联接紧定螺钉联接常用来固定两零件的相对位置，并可传递不大的力或转矩。10.4.2 螺纹紧固件螺栓螺栓的头部形状很多，最长用的有六角头和小六角头两种。冷镦工艺生产的小六角头螺栓材质利用率高，生产率高，力学性能高和成本低的等优点，但由于头部尺寸较小，不宜用于装拆频繁，被联接件强度低和易锈蚀的地方。螺栓联接也应用于螺钉联接中。 双头螺柱双头螺柱旋入被联接件螺纹孔的一端称为座端，另一端为螺母端，其公称长度为L. 螺钉，紧定螺钉螺钉，紧定螺钉的头部有内六角头，十字槽头等多种形式，以适应不同的拧紧程度。紧定螺钉末端要求顶住被联接件之一的表面或相应的凹坑，其末端具有平端，锥端，圆尖端等各种形状。 螺母螺母的形状有六角形、圆形等。六角螺母有三种不同厚度，薄螺母用于尺寸受到限制的地方，厚螺母用于经常装拆易于磨损之处。圆螺母常用于轴上零件的轴向固定。 垫圈垫圈的作用是增加被联接件的支承面积以减小接触处的压强（尤其当被联接件材料的强度较差时）和避免拧紧螺母时擦伤被联接件的表面。普通垫圈呈环状。普通用的螺纹紧固件，按制造精度分为粗制、精制两类。粗制的螺纹紧固件多用于建筑，木结构及其它次要场合 ，精制的广泛应用于机器设备中。除个别情况外，螺纹连接在装配时都必须拧紧，这时螺纹连接受到预紧力的作用。对于重要的螺纹联接，应控制其预紧力，因为预紧力的大小对螺纹联接的可靠性，强度和密封性均有很大的影响。10.5.1 拧紧力矩螺纹联接的拧紧力矩T等于克服螺纹副相对传动的阻力矩和螺母支承面上的摩擦阻力矩（图10-11）之和 ，即图 10-11 支承面摩擦阻力矩 式中：为轴向力，对于不承受轴向工作载荷的螺纹，即预紧力；为螺纹中径；为螺母与被联接件支承面之间的摩擦系数，无润滑时可取=0.15；为支承面摩擦半径，其中为螺母支承面的外径，为螺栓孔直径。对于M10M68的粗牙螺纹，若取=0.15可简化为 式中：为螺纹公称直径，；为预紧力，N。值是由螺纹联接的要求来决定的，为了充分发挥螺栓的工作能力和保证预紧可靠，螺栓的预紧应力一般可达材料屈服极限的50%70%。 小直径的螺栓装配时应施加小的拧紧力矩，否则就容易将螺栓杆拉断。对于重要的有强度要求的螺栓联接，如无控制拧紧力矩的措施，不宜采用小于M12的螺栓。通常螺纹联接拧紧的程度是凭人工经验来决定的。为了能保证装配质量，重要的螺纹联接应按计算值控制拧紧力矩。小批量生产时可使用带指针刻度的测力板手。大量生产多采用风扳机，当输出力矩达到所调节的额定值时，离合器便会打滑而自动脱开，并发出响声。10.5.2 螺纹连接的防松联接用的三角形螺纹都具有自锁性，在静载荷和工作度变化不大时不会自动松脱。但在冲击，振动和变载的作用下，预紧力可能在某一瞬间消失，联接仍有可能松脱。高温的螺纹的螺纹联接，由于温度变形差异等原因，也可能发生松脱现象，因此设计时必须考虑防松。螺纹联接防松的根本问题在于防止螺纹副的相对转动。防松的方法很多，下表列出了常用几种防松方法。 表 10-1 常用的防松方法利用附加摩擦力防松弹簧垫圈对顶螺母尼龙圈锁紧螺母弹簧垫圈材料为弹簧钢，装配后垫圈被压平，其反弹力能使螺纹间保持压紧力和摩擦力 利用两螺母的对顶作用使螺栓始终受到附加的拉力和附加的摩擦力。结构简单，可用于低速重载场合。螺母中嵌有尼龙圈，拧上后尼龙圈内孔被胀大，箍紧螺栓采用专门防松元件防松槽形螺母和开口销圆螺母用带翅垫片止动垫片槽形螺母拧紧后，用开口销穿过螺栓尾部小孔和螺母的槽，也可以用普通螺母拧紧后再配钻开口销孔使垫片内翅嵌入螺栓（轴）的槽内，拧紧螺母后将垫片外翅之一折嵌于螺母的一个槽内将垫片折边以固定螺母和被联接件的相对位置其他方法防松冲点法防松 用冲头冲23点粘合法防松用粘合剂涂于螺纹旋合表面，拧紧螺母后粘合剂能自行固化，防松效果良好螺栓的主要失效形式有：（1）螺栓杆拉断；（2）螺纹的压溃和剪断；（3）经常装拆时会因磨损而发生滑扣现象。螺栓与螺母的螺纹牙及其它各部尺寸是根据等强度原则及使用经验规定的。采用标准件时，这些部分都不需要进行强度校核。所以，螺栓联接的主要计算是确定螺纹小径，然后按照标准选定螺纹公称直径（大径）及螺距等。10.6.1 松螺纹联接松螺栓联接装配时不需要把螺母拧紧，在承受工作载荷前，除有关零件的自重外，联接并不受力。当承受轴向工作载荷时，其强度条件为 式中： 螺纹小径，； 许用拉应力，。10.6.2 紧螺纹联接紧螺栓连接装配时需要拧紧，在工作状态下可能还需要补充拧紧。这时螺栓危险截面（即螺纹小径处）除受拉应力外，还受到螺纹力矩所引起的扭切应力故螺栓螺纹部分的强度条件为 式中为螺栓的许用应力，。受横向工作载荷的螺栓强度图 10-12 受横向载荷的螺栓联接如图10-12所示的螺栓联接，承受垂直于螺栓轴线的横向工作载荷F，图中螺栓与孔之间留有间隙。工作时，若结合面内的摩擦力足够大，则被联接件之间不会发生相对滑动。因此螺栓所需的轴向力（即预紧力）应为 式中：为预紧力；C为可靠性系数，通常C=1.11.3；为接合面的数目；为接合面摩擦系数，对于钢或铸铁被联接件可取=0.10.15 。求出值后，可按计算螺栓强度。从式（10-1）来看，当=0.15，C=1.2，=1时，。即预紧力应为横向工作载荷的8倍，所以螺栓联接靠摩擦力来承担横向载荷时，其尺寸是较大的。为了避免上述缺点，可用键，套筒或销承担横向工作载荷时，而螺栓仅起联接作用。也可以采用螺杆与孔之间没有间隙的铰制孔用螺栓来承受横向载荷。这些减载装置中的键，套筒，销和铰制孔用螺栓可接受剪切和受挤压进行强度校核。 图 10-13 减载装置图 10-14 受横向载荷的铰制孔用螺栓受轴向工作载荷的螺栓强度图 10-15 受轴向工作载荷的螺栓强度在图10-15所示的缸体中，设流体压强为，螺栓数为，则缸体周围每个螺栓平均承受的轴向工作载荷。在受轴向工作载荷的螺栓联接中，螺栓实际承受的总拉伸载荷为 式中为 残余预紧力 紧螺栓联接应能保证被联接件的接合面不出现缝隙，因此残余预紧力应大于零，当工作载荷没有变化时，可取=（0.20.6）；当有变化时，=（0.61.0）；对于有紧密性要求的联接，=（1.51.8）。10.7.1 螺栓的材料螺栓的常用材料为Q215,Q235,10,35和45钢，重要和特殊用途的螺纹联接件可采用15Cr，40 Cr，30 CrMnSi等力学性能较高的合金钢。10.7.2 螺栓的许用应力螺纹联接的许用应力见下表。 表 10-2 螺栓联接的许用应力表 10-3 紧螺栓联接的安全系数S（不能严格控制预紧力时）材料静载荷变载荷M6M16M16M30M6M16M16M30碳素钢4332106.56.5合金钢5442.57.655螺栓联接承受轴向变载荷时，其损坏形式多为螺栓杆部分的疲劳断裂，通常都发生在应力集中较严重之处，即螺栓头部，螺纹收尾部和螺母支承平面所在处的螺纹。图 10-16 螺栓的破坏形式以下简要说明影响螺栓强度的因素和提高强度的措施。10.8.1 降低螺栓总拉伸载荷的变化范围螺栓所受的轴向工作载荷在0间变化时，螺栓总拉伸载荷的变化范围 为 ，若减小螺栓刚度或增大被联结件刚度都可以减小的变化范围。这对防止螺栓的疲劳损坏是十分有利的。 为了减小螺栓刚度，可减小螺栓光杆部分直径或采用空心螺杆，有时也可增加螺栓的长度。 被联结件本身的刚度是较大的，但被联结件的接合没面因需要而采用软垫片时将降低其刚度。若采用金属薄垫片或采用O形密封圈作为密封元件，则仍可保持被联结件原来的刚度。10.8.2 改善螺纹牙间的载荷分布采用普通螺母时，轴向载荷在旋合螺纹各圈间的分布是不均匀的。如图10-17a所示,从螺母支撑面算起，第一圈受载荷最大，以后各圈递减。理论分析和实践证明，旋合圈数越多，载荷分布不均匀的程度也越显著，到第8-10圈以后，螺纹几乎不受载荷。所以，采用圈数多的厚螺母，并不能提高联结强度。若采用图10-17b的悬置（受拉）螺母，则螺母锥形悬置段与螺栓杆均为拉伸变形，有助于减少螺母与栓杆的螺距变化差，从而使载荷分布比较均匀。 a) b) c) 图 10-17 改善