第5章螺纹连接和螺旋传动

1、第第五五章章 螺纹螺纹连接和螺旋传动连接和螺旋传动 一、概述一、概述 二、螺纹联接二、螺纹联接 三三、预紧预紧 四、螺纹四、螺纹连接的防松连接的防松 五、螺栓组的结构设计五、螺栓组的结构设计 六、螺栓组的受力分析六、螺栓组的受力分析 七、螺纹连接件的材料与许用应力七、螺纹连接件的材料与许用应力 八、螺旋传动八、螺旋传动 第第五五章章 螺纹螺纹连接和螺旋传动连接和螺旋传动 一、概述一、概述 1、作用 联接：起联接作用的螺纹; 传动：起传动作用的螺纹; 外螺纹 内螺纹 圆柱 圆锥 母体 2、螺纹的形成 刀具做直线运动； 工件做旋转运动； 螺纹线：转动与直线运动； 螺纹牙：某一个形状小面积沿螺旋线运

2、动就形成； 3、螺纹的种类 牙型形状： 三角=30矩形=0 梯形=15 锯齿=30、3 右旋多数用右旋 左旋 旋向 单线螺纹：沿一根螺旋线形成的螺纹； 双线螺纹：沿二根螺旋线形成的螺纹； 多线螺纹：沿三根以上螺旋线形成的螺纹； 线数 常用螺纹的类型见表5-1，P62。 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，故多用双线或三线螺纹。 米制：我国多采用米制螺纹； 英制（管螺纹）； 标准制 4、主要尺寸、参数（看图P64，图5-1） 1）外径d螺纹的最大直径，在标准中定为公称直径； 2）内径d1螺纹的最小直径，在强度计算中常作为螺杆危险截面 的计算直径； 3）中径d2近似

3、等于螺纹的平均直径； 4）螺距t相邻两牙中径线上对应轴线间的距离; 5）导程S同一条螺旋线相邻两牙的轴向距离； 单线：S=t 双线：S=2t 多线：S=nt n头数； 右旋 6）升角：螺旋线与水平线夹角； t t S d2 S d2 7）牙型角 牙型斜角 8）牙的工作高度h 二二、螺纹联接、螺纹联接 1、类型 5-2(a) 螺栓联接 书P65（松配）图 上、下受力 5-2(b)图螺栓联接 书p65（紧配） 左、右受力 图5-2(a)螺杆与孔之间有一定的间隙普通螺栓联接； 图5-2(b) 螺杆与孔之间无间隙，有配合铰制孔螺栓联接； 图5-3(a) 这种联接适用于结构上不能采用螺栓联接的场合，例如

4、被联 接件之一太厚不宜制成通孔，且需要经常拆装时，往往采 用双头螺柱联接； 5图-3(b)这种联接在结构上比双头螺柱联接简单、紧凑。其用途和双 头螺柱联接相似，但如经常拆装时，易使螺纹孔磨损，故 多用于受力不大，或不需要经常拆装的场合。 图5-3(a)双头螺柱联接 书P65 5图-3(b) 螺钉联接 书P65 把轴上零件与轴联接在一起，联接强度不大时： 图5-4（a）拧紧后与轴紧贴，则与轴表面有摩擦力，联接力不大； 图5-4（b）在轴上挖一凹槽，头部有顶尖，比第一个联接力要大些， 不会转动，也不会轴向移动。 图5-4（a）紧定螺钉联接 （平底）书P66 图5-4（b）紧定螺钉联接 （带顶尖）书

5、66 图5-5将机架固定在地基上，坑里放石子、水泥，等干后，对好孔拧 紧后就固定住了。 2、装配形式 普通螺栓联接 孔轴 松配 （受拉应力） 铰制孔螺栓联接 孔=轴 紧配 （受剪应力）从受力来分析 图5-5地脚螺栓联接 书P66 3、安装形式 紧螺栓拧紧；螺母需要拧紧，处于拉伸与扭转复合应力状态下； 松螺栓不拧紧；螺母不需要拧紧，在承受工作载荷之前，螺栓不受 力。例如起重吊钩等；P80 4、螺纹零件 精度等级A、B、C：A级精度最高，通常用C级； 材料热处理 尺寸系列化 标准化 M10100（三角、公称直径、长度） 三三、预紧预紧 绝大多数螺纹联接在装配时都必须拧紧；预紧的目的在于增强 联接的

6、可靠性和紧密性。 预紧力的大小是通过拧紧力矩来控制的。因此，应从理论上找出 预紧力和拧紧力矩之间的关系。 端面摩擦力矩T2 摩擦力矩T1 拧紧力矩T F0 如图所示，由于拧紧力矩T（T=FL）的作用，使螺栓和被联接件 之间产生预紧力 F0 。由机械原理可知，拧紧力矩T等于螺旋副间 的摩擦阻力矩T1和螺母环形端面和被联接件（或垫圈）支撑面间的摩 擦阻力矩T2之和，即： 其中：kt拧紧系数，0.10.3； F0预紧力； d螺栓的公称直径； 对于一定公称直径d的螺栓，当所要求的预紧力 F0已知时，即可 按上式确定扳手的拧紧力矩T。 控制预紧力的方法很多，有以下几种方法： 1、根据经验、伸长、圈数来判

7、断拧紧力的大小； 2、用测力矩扳手、定力矩扳手； 图5-8 测力矩扳手 书P69 图5-9定力矩扳手 书P69 四、螺纹连接的防松 防松的目的：防止螺旋副的相对转动。 按工作原理的不同，防按工作原理的不同，防松方法松方法分为摩擦防松、机械防松等。分为摩擦防松、机械防松等。 1、在常用的螺旋传动中，传动效率最高的螺纹是 。 （1）三角形螺纹；（2）梯形螺纹；（3）锯齿形螺纹；（4）矩 形螺纹； 2、在常用的螺纹联接中，自锁性最好的螺纹是 。 （1）三角形螺纹；（2）梯形螺纹；（3）锯齿形螺纹；（4）矩 形螺纹； 3、当两个被联接件不太厚时，宜采用 。 （1）双头螺柱联接；（2）螺栓联接；（3）螺

8、钉联接；（4）紧 定螺钉联接； 4、当两个被联接件之一太厚，不宜制成通孔，且需要经常拆装时， 往往采用 。 （1）螺栓联接；（2）螺钉联接；（3）双头螺柱联接；（4）紧 定螺钉联接； 4 1 2 3 习题 5、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 装时，往往采用 。 （1）螺栓联接；（2）螺钉联接；（3）双头螺柱联接；（4）紧 定螺钉联接； 6、在拧紧螺栓联接时，控制拧紧力矩有很多方法，例如 。 （1）增加拧紧力；（2）增加扳手力臂；（3）使用测力矩扳手 或定力矩扳手； 7、螺纹联接预紧的目的之一是 。 （1）增强联接的可靠性和紧密性；（2）增加被联接件的刚性； （3）减小

9、螺栓的刚性； 8、有一汽缸盖螺栓联接，若汽缸内气体压力在02Mpa之间循环变 化，则螺栓中的应力变化规律为 。 （1）对称循环变应力；（2）脉动循环变应力；（3）非对称循 环变应力；（4）非稳定循环变应力； 2 3 1 3 在设计螺栓组连接时，关键是连接的结构设计。它是根据 被连接件的结构和连接的用途，确定螺栓数目和分布形式。 v为了便于加工制造和对称布置螺栓，保证连接结合面受力均 匀，通常连接结合面的几何形状都设计成轴对称的简单几何形 状。 v螺栓布置应使各螺栓的受力合理。 v螺栓的排列应有合理的间距、边距。 v 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

10、、8等偶数。 v避免螺栓承受附加的弯曲载荷。 各螺栓之间的距离大小既要保证连接的可靠性又要考虑装 拆方便，还应留有足够的扳手空间。 五、五、螺栓组螺栓组的结构设计的结构设计 六、螺栓组的受力分析六、螺栓组的受力分析 绝大多数情况下，螺栓都是成组使用的，在这一组中，螺栓规格 完全一致。 进行螺栓组受力分析的目的是：求出受力最大的螺栓及其所受的 力。下面针对几种典型的受载情况，分别加以讨论。 1、受轴向载荷的螺栓组联接、受轴向载荷的螺栓组联接 图1为一受轴向总载荷F的汽缸 盖螺栓组联接。F的作用线与螺栓轴 线平行，根据螺栓的静力平衡及变形 协调条件，每个螺栓所受的轴向工作 载荷为： Z螺栓个数；

11、P F=PS 图1 汽缸盖螺栓组联接 2、受横向载荷的螺栓组联接 F0 F F Ff a）松配（普通螺栓联接） 上图所示为一由螺栓组成的受横向载荷的螺栓组联接。横向载荷 的作用线与螺栓轴线垂直，当采用普通螺栓联接时，靠联接预紧后在 结合面间产生的摩擦力来抵抗横向载荷。 对于普通螺栓联接，应保证联接预紧后，结合面间所产生的最大 摩擦力必须大于或等于横向载荷。 假设各螺栓所需要的预紧力均为F0，螺栓数目为z，则其平衡条件 为（靠摩擦力与外载荷平衡）： ks防滑系数，1.11.3; F0 F F Ff i结合面数； B）紧配（铰制孔螺栓联接） F 当采用紧配螺栓联接时，靠螺栓杆受剪切和挤压来抵抗横向

12、载荷。 因此，每个螺栓所受的横向工作剪力为： z螺栓数目； 3、受转矩的螺栓组联接 T r1 r3 r4 r2 Qpf Qpf 松配 T r1 r3 r4 r2 Qpf Qpf 紧配 机架 地基 A）松配 当采用普通螺栓时，靠联接预紧 后在结合面间产生的摩擦力矩来抵抗 转矩T。根据作用在底板上的力矩平 衡的条件得： 由上式可得各螺栓所需的预紧力为： 式中：f结合面的摩擦系数； ri第i个螺栓的轴线到螺栓组 对称中心O的距离； z螺栓数目； ks防滑系数，同前。 b)紧配 当采用紧配螺栓时，在转矩T的作用下，各螺栓受到剪切和挤压作 用，则各螺栓的剪切变形量与各该螺栓轴线到螺栓组对称中心O的距 离

13、成正比。即距螺栓组对称中心O越远，螺栓的剪切变形量越大，其 所受的工作剪力也越大。 如图所示，用ri、rmax分别表示第i个螺栓和受力最大螺栓的轴线到 螺栓组对称中心O的距离；Fi、Fmax分别表示第i个螺栓和受力最大螺 栓的工作剪力，则得： 上式可变形为： 根据作用在底板上的力矩平衡的条件得： 把 代入 联解以上两式，可求得受力最大的螺栓的工作剪力为： 4、受倾覆力矩M 机架 地基 M 在M的作用下，轴线左边的螺 栓将受到工作拉力F，而轴线右边 的螺栓的预紧力将减小。根据底板 的静力平衡条件有： 根据螺栓的变形协调条件得知，各 螺栓的工作拉力也与这个距离成正 比，于是有： 各螺栓的工作拉力即

14、可通过联立以上 两式求出。 在图中左边距底板翻转轴线最远的螺栓1和10的工作拉力最大，为： 一般来说，其他型式的螺栓受力也可这样分析，其中有些还是 上述四种的特例或组合。 总总 结结 螺栓组 单个螺栓 轴向轴向力 松配：轴向力F0 紧配：横向力（假定每个螺栓所受力相同） 松配：轴向力F0 紧配：横向力（单个螺栓所受力是不等的）（rmax） 轴向力 横向力 横向 转矩 对于单个螺栓来讲只受两个方向的载荷 倾覆力矩轴向力（rmax）翻转半径最大的地方; 例题例题1 平行，均匀分布 F 支架 吊环 解： 例题例题2 某钢制吊架用螺栓组固定在水平钢梁上，螺栓组由四个普通 螺栓组成。 吊 架 FQ FQ

15、 M r1 r2 r3 r2 解：找中心线，向中心简化，向联接中心平移。 有两种基本外载荷：轴向力和倾覆力矩，在倾覆力矩作用下，一边受 拉，另一边受力减小，力臂最大处，载荷最大。 例题3 螺栓组联接的的三种方案如图示，试问哪个方案较好？哪种 螺栓布局更合理？ R RR aa a a r = a F1 F2 F1 F2 R F1 T F1-F2 F1 解：(1) a）松配 b）紧配 F1 F2 F1 F2 R T （2）第二种方案 半径为a R F1 F2 F1 F2 Fmax （3）第三种 半径为a，最合理。 同时由三个螺栓来承受转矩T，每个螺栓 F2。 F2是有两个螺栓起作用。用平行四边形法

16、 则，预紧力小。 a) 紧配 横向力比第一种小，要合理一些，所用的 螺栓直径很小。 七、失效分析、计算准则七、失效分析、计算准则 轴向、横向载荷无论受何种形式； 受轴向载荷：断裂、塑性变形 受横向载荷：剪断、压溃 断裂 剪断 压溃 pp 失效 计算准则 对单个螺栓联接而言，其受力的形式不外乎是受轴向力或受横向力。 对于受拉螺栓，其主要破坏形式是螺栓杆螺纹部分发生断裂，因 而其设计准则是保证螺栓的静力拉伸强度；对于受剪螺栓，其主要 破坏形式是螺栓杆和孔壁间压溃或螺栓杆被剪断，其设计准则是保 证联接的挤压强度和螺栓的剪切强度。 八、单个螺栓的受力分析八、单个螺栓的受力分析 1、受轴向载荷 a)松螺

17、栓联接 松螺栓联接装配时，螺母不需要拧紧。在承受工作载荷之前，螺 栓不受力。例如起重吊钩等的螺纹连接均属此类。 图5-22起重吊钩的松螺栓联接 书P80 现以起重吊钩的螺纹联接为例，说明松螺栓联接的强度计算方法。 如图5-22所示，当联接承受工作载荷F时，螺栓所受的工作拉力为F， 则螺栓危险截面的拉伸强度条件为： F（拉应力） 或 式中：d1螺栓危险截面的直径，mm； 螺栓材料的许用应力，Mpa； b)只受预紧力 紧螺栓联接装配时，螺母需要拧紧，在拧紧力矩作用下，螺 栓除受预紧力Qp的拉伸而产生拉伸应力外，还受螺纹摩擦力矩T1的 扭转而产生扭转剪应力，使螺栓处于拉伸与扭转的复合应力状态下。 螺

18、栓危险截面的拉伸应力为： 螺栓危险截面的扭转剪应力为： F0 F0 F F 把参数代入上式后可得： 根据第四强度理论，求出螺栓预紧状态下的计算应力为： 由此可得： 由此可见，紧螺栓联接在拧紧时虽是同时承受拉伸和扭转的联 合作用，但在计算时，可以只按拉伸强度计算，并将所受的拉力 （预紧力）增大30%来考虑扭转的影响。 C）受预紧力和轴向外载 工作载荷 这种紧螺栓联接承受轴向拉伸工作载荷后，由于螺栓和被联接 件的弹性变形，螺栓所受的总拉力并不等于预紧力和工作拉力之和。 应从分析螺栓联接的受力和变形的关系入手，找出螺栓总拉力的大 小。 F D D p 图5-25表示单个螺栓联接在承受轴向拉伸载荷前后

19、的受力及变形 情况。 QpQp m b b m Qp Qp F mb p QFQ 图5-25a是螺母刚好拧到和被联接件相接触，但尚未拧紧。此时， 螺栓和被联接件都不受力，因而也不产生变形。 图5-25b是螺母已拧紧，但尚未承受工作载荷。此时，螺栓受预紧 力Qp的拉伸作用，其伸长量为b。相反，被联接件则在Qp的压缩作用 下，其压缩量为m。 图5-25c是承受工作载荷时的情况。当螺栓承受工作载荷后，因 所受的拉力由Qp增至Q而继续伸长，其伸长量增加，总伸长量为 b+。与此同时，原来被压缩的被联接件，因螺栓伸长而被放松， 其压缩量也随着减小。根据联接的变形协调条件，则被联接件压缩 变形的减小量应等于

20、螺栓拉伸变形的增加量。因而，总压缩量为 m=m。而被联接件的压缩力由Qp减至Qp。Qp称为残余预紧力。 显然，联接受载后，由于预紧力的变化，螺栓的总拉力Q并不等 于预紧力Qp与工作拉力F之和，而等于残余预紧力Qp与工作拉力F之 和。 上述的螺栓和被联接件的受力和变形关系，还可以用线图表示。 图5-26a、b分别表示螺栓和被联接件的受力与变形的关系。由图可见， 在联接尚未承受工作拉力F时，螺栓的拉力和被联接件的压缩力都等 于预紧力Qp。因此，为分析上的方便，可将图5-26a、b，合并成图5- 26c。 力 变形 Qp b b 力 变形 Qp m m 如图5-26d所示，当联接承受工作载荷F时，螺

21、栓的总拉力为Q， 相应的总伸长量b+；被联接件的压缩力等于残余预紧力Qp，相应 的总压缩量为m=m。由图可见，螺栓的总拉力Q等于残余预紧 力Qp与工作拉力F之和，即： 力 变形 Qp b b m m Q F Qp F1 F2 图5-26c单个螺栓联接受力变形线图 螺栓的预紧力Qp与残余预紧力Qp、总拉力Q的关系，可由图5-26 中的几何关系推出。由图5-26可得： 式中Cb、Cm分别表示螺栓和被联接件的刚度。 由图5-26c得，螺栓的总拉力为： 螺栓的残余预紧力为： 为了保证联接的紧密性，以防止联接受载后结合面间产生缝隙， 应使Qp0。推荐采用Qp为： 对于有密封性要求的联接： Qp=（1.5

22、1.8）F； 对于一般联接，工作载荷稳定： Qp=（0.20.6）F； 工作载荷不稳定时： Qp=（0.61.0）F； 对于地脚螺栓联接： Qp F； 设计时，可先根据连接的受载情况，求出螺栓的工作拉力F；再根 据联接的工作要求选取Qp值；然后按式（5-31）计算螺栓的总拉力Q。 求得Q值后即可进行螺栓强度计算。考虑到螺栓在总拉力Q的作用下； 可能需要补充拧紧，故仿前将总拉力增加30%以考虑扭转剪应力的影 响。 于是螺栓危险截面的拉伸强度条件为： 螺栓总拉力为：Q 补充拧紧产生的螺纹摩擦力矩为：T1 Qp下1.3 Q下1.3 这两个不一样 按照第四强度理论： 或 螺纹连接的强度计算4 3承受工

23、作剪力的紧螺栓连接 这种连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。在连接结合面处，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Lmin1.25d0 P min0 P Ld F 2 0 4 d F F F d0 Lmin 习题： 第五章第五章 螺纹零件螺纹零件 一、选择题 8、承受预紧力F的紧螺栓联接在受工作拉力F时，剩余预紧力为F， 其螺栓所受的总拉力F0为 。 （1

24、） ； （2） ； （3） ； （4） ； 9 承受横向载荷或旋转力矩的紧螺栓联接，该联接中的螺栓 。 （1）受剪切作用；（2）受拉伸作用；（3）受剪切和拉伸作用； （4）既可能受剪切又可能受拉伸作用； FFF 0 FFF 0 FFF 0 F CC C FF mb b 0 2 4 10、现有一单个螺栓联接，要求被联接件的结合面不分离，假定螺 栓的刚度Cb与被联接的刚度Cm相等，联接的预紧力为F，现开始对联 接施加轴向载荷，当外载荷达到与预紧力F的大小相等时，则 。 （1）被联接件发生分离，联结失效；（2）被联接件即将发生分离， 联接不可靠；（3）联接可靠，但不能再继续加载；（4）联接可靠， 只

25、要螺栓强度足够，外载荷F还可继续增加到接近预紧力F的两倍； 11、在下列四种具有相同公称直径和螺距并采用相同的配对材料的 传动螺旋副中，传动效率最高的是 。 （1）单线矩形螺纹；（2）单线梯形螺纹；（3）双线矩形螺纹； （4）双线锯齿形螺纹； 12、被联接件受横向载荷作用时，若采用一组普通螺栓联接，则载 荷靠 来传递。 （1）结合面之间的摩擦力；（2）螺栓的剪切和挤压；（3）螺栓的 剪切和被联接件的挤压； 4 3 1 13、设计螺栓组联接时，虽然每个螺栓的受力不一定相等，但对该 组螺栓仍均采用相同的材料、直径和长度，这主要是为了 。 （1）外形美观；（2）购买方便；（3）便于加工和安装； 14

26、、确定紧螺栓联接中拉伸和扭转复合载荷作用下的当量应力时， 通常是按 来进行计算的。 （1）第一强度理论；（2）第二强度理论；（3）第三强度理论； （4）第四强度理论； 15、当采用铰制孔用螺栓联接承受横向载荷时，螺栓杆受到 作用。 （1）弯曲和挤压；（2）拉伸和剪切；（3）剪切和挤压；（4）扭 转和弯曲； 3 4 3 国家标准规定了螺纹连接件的性能等级。螺栓、螺柱、螺钉的性能等级 分为9级，螺母的性能等级分为 7级。在一般用途的设计中，通常选用4.8级 左右的螺栓，在重要的或有特殊要求设计中的螺纹连接件，要选用高的性能 等级，如在压力容器中常采用8.8级的螺栓。 七、螺纹连接件的材料与许用应力

27、 一、螺纹连接件材料 常用的螺纹连接件材料为Q215、Q235、35、45等碳素钢。当强度要求高 时，还可采用合金钢，如15Cr、40Cr等。 二、螺纹连接件的许用应力 1螺纹连接件的许用拉应力 2螺纹连接件的许用剪应力和许用挤压应力 3螺纹连接件的安全系数 螺旋传动1 八、螺旋传动 一、螺旋传动的类型和应用 传力螺旋传导螺旋 调整螺旋 螺旋传动按其螺旋副摩擦性质的不同，又可分为： 滑动螺旋 滚动螺旋 静压螺旋 螺旋传动是利用螺杆和螺母组成的螺旋副来实现传动的。它主要用于 将回转运动转变为直线运动，同时传递动力。 螺旋传动按其用途不同，可分为以下三种类型: 螺旋机构在机床的进给机构、起重设备、锻压机械、测量仪器、工具、 夹具、玩具及其他工业装备中有着广泛的应用。 螺旋传动常见的运动形式有：螺杆转动，螺母移动或螺母固定，螺杆 转动并移动。 *自学自学 5-8 （P88） 提高螺栓联接强度的措施提高螺栓联接强度的