《机械设计基础》教案

1、学习好资料欢迎下载机械设计基础教案桂林航天工业高等专科学校教案首页一、章节：第7章螺纹联接和螺纹传动二、教学内容:7.1 螺纹联接的基本知识7.1.1 螺纹的形成与类型7.1.2螺纹的主要参数7.1.3 常用螺纹的特点及应用7.2 螺纹副的受力，效率和自锁分析7.3 螺纹联接的预紧与防松7.3.1 螺纹联接的基本类型7.3.2标准螺纹联接件7.3.3 螺纹联接的预紧7.3.4螺纹联接的防松7.4 螺栓联接的强度计算7.4.1 松螺栓的强度计算7.3.2受横向载荷紧螺栓联接的强度计算7.4.3 受横向载荷紧螺栓的强度计算7.5 螺纹联接的材料和许用应力7.5.1 螺纹联接件的材料7.5.2螺纹联

2、接的许用应力7.6 提高螺栓联接强度的措施三、课时分配：6学时四、教学目的:1. 了解螺纹联接的基本类型；基本参数、特点及应用:2 .掌握螺纹联接及其标准件的类型、特点和应用。3 .掌握螺纹联接的预紧和防松原理和方法。4 .掌握螺纹联接的预紧和防松原理和方法。5 .掌握螺纹联接松、紧螺栓联接强度计算6 .掌握螺纹联接及其标准件的类型、特点和应用，了解合理布置螺栓位置所考虑的因素、螺栓组布置应遵循的原则。7 . 了解提高螺栓联接强度的措施。五、教学手段与方式：多媒体教学，课堂讲授六、教学重点和难点:1.螺纹的主要参数。2 .螺纹联接的预紧和防松。3 .紧螺栓联接的强度计算和螺纹联接的尺寸选择。七

3、、使用教具：模型八、课后作业：7-1、7-3、7-8、7-10、7-12一部机器通常都是由成百上千个零件所组成的，但这些零件并不是随意罗列在一起的，由于使用、结 构、制造、装配、运输等原因，机器中有许多零件需要按照一定的要求和方式它们联接起来，而构成一个 整体。零件的联接方式有多种：被联接件间相互固定、不能作相对运动的称为静联接。能按一定运动形式作相对运动的称为动联接。如导向平键校链等通常所谓的联接主要是指静联接。静联接的分类见表1。螺纹联接一键联接（平键、花键、楔键）可拆的联接联接一一不可拆的联接销联接弹性环联接-成形联接夹紧联接等焊接钏接粘接一过盈配合在这些联接方式中尤其是以螺纹联接应用最

4、为广泛，各种类型的机器设备中都有这种联接方式，如: 自行车等。螺纹联接的主要特点： 构造简单，形式繁多 联接可靠，具有良好的自锁性能 装拆方便 能够承受较大的载荷，如起重设备中的联接 容易制造：手工一一板牙、丝锥机械一一车制、碾制、铳制、磨制价格低廉，选用方便。标准件 7-1螺纹、螺纹（螺纹的形成）将一倾斜角为 小的直角三角形绕在直径为 d2的圆柱体上，其三角形的斜边，便形成一条螺旋线任取 平面图形，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。单战事较双战螺坡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。按照螺旋线的旋向:螺纹分为左旋螺纹和右旋

5、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:螺纹还分为单线螺纹和多线螺纹，为了制造方便，螺纹的线数一般不超过4。按功能：联接螺纹;传动螺纹，调节螺纹，阻塞螺纹等按标准：公制螺纹,英制螺纹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。按照母体形状，螺纹分为圆柱螺纹和圆锥螺纹。三、螺纹的基本参数：以圆柱螺纹为例,大径d、D中径d2、D2小径di、D1螺距一一P 导程S S = nP螺纹升角牙型角牙型斜角3 （牙侧角）工作高度一一H三、机械制造常用螺纹（一）三角形螺纹主要有：普通螺纹、管螺纹普通三角形螺纹一一多用于紧固联接，a =60。以大径d为公称直

6、径。粗牙一一使用最广，精度等级分为1、2、3细牙一一精度等级分为 1、2、2a、31-用于配合精度要求较高、防止振动等重要联接2-用于受载较大或变载荷的联接3-用于一般联接粗牙与细牙螺纹的比较：在相同直径下，粗牙螺距大，牙的强度高，但有效截面直径小细牙螺距小，牙的强度小，不耐磨，容易滑丝，但螺纹升角小，自锁性能 好，小径大、强度高，多用于不经常拆卸、薄壁零件联接，或受变载荷作 用的联接，以及仪器中用于薇调螺纹。管螺纹一一用于紧密联接。管联接螺纹一般有四种：一一a =60。的普通细牙圆柱管螺纹 a =55的圆柱管螺纹以上两种广泛用于水、煤气、润滑管路等低压系统中 a =60的圆锥管螺纹 a =5

7、5的圆锥管螺纹以上两种用于不用加填料即能保证紧密性而且能够旋合迅速，对紧密性要求较高的高压系统中（二）其他螺纹一一般用于传动1、矩形螺纹3 =00效率高，定心差，强度低，不易切削2、梯形螺纹和锯齿形螺纹：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，而且有较大的间隙 以便贮存润滑油。梯形螺纹的牙侧角 3=15。，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 3=3。，效率比梯形螺纹高，但只适用于承受单方向的轴向载荷。7-2螺旋副的受力分析、效率和自锁、矩形螺纹（3=0）Ob)0螺旋副在力矩和轴向载荷作用下的相对运动，

8、可看成作用在中径的水平力F推动滑块（重物）沿螺纹运动。如图所示。将矩形螺纹沿中径 d2展开可得一斜面，图中为螺纹升角Fa为轴向载荷F为作用于中径处的水平推力Fn为法向反力FFn为摩擦力F为摩擦系数P 为摩擦角。当滑块沿斜面等速上升时：Fa为阻力，F为驱动力。因摩擦力向下，故总反力Fr与Fa的夹角为少+p由力的平衡条件可知，FR F和Fa三力组成力多边形，由图可得作用在螺旋副上的相应驱动力矩T K F * 告 n 尸* 9tg 3 + r当滑块沿斜面等速下滑时:轴向载荷Fa变为驱动力，而 F变为维持滑块等速运动所需的平衡力，由力多边形可得作用在螺旋副上的相应力矩T =兄 ytgQ - p）当滑块

9、沿斜面等速下滑时求出的F值可为正，也可为负。当斜面倾角 少大于摩擦角p时，滑块在重力作用下有向下加速的趋势。这时由式求出的平衡力 F为正,方向如图所示。它阻止滑块加速以便保持等速下滑，故 F是阻力（支持力）当斜面倾角 小小于摩擦角P时，滑块不能在重力作用下自行下滑，即处于自锁状态，这时由式求出的平衡力F为负，其方向与图相反（即 F与运动方向成锐角）F为驱动力。它说明在自锁条件下，必须施加驱动力F才能使滑块等速下滑。、非矩形螺纹 （3 W0）非矩形螺纹是指牙侧角 3寸0的三角形螺纹、梯形螺纹和锯齿形螺纹。由对比图可知,若略去螺纹升角的影响，在轴向载荷b）Fa作用下，非矩形螺纹的法向力比矩形螺纹的

10、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f 一一为当量摩擦系数，即式中p 一一为当量摩擦角；3为牙侧角。因此，f改为f 、p改为p,就可像矩形螺纹那样对非矩形螺纹进行力的分析。当滑块沿非矩形螺纹等速上升时，可得水平椎力F = tg（5 +相应的驱动力矩T =5d 一=红&（3+ A）当滑块沿非矩形螺纹等速下滑时，可得F = 唔（山一”）可得相应的力矩为T = Ft 管博 一 ）与矩形螺纹分析相同，若螺纹升角小小于当量摩擦角P则螺旋具有自锁特性，如不施加驱动力矩，无论轴向驱动力Fa多大，都不能使螺旋副相对运动。考虑到极限情况，非矩形螺纹的 自锁条件 可表示为为了防

11、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。以上分析适用于各种螺旋传动和螺纹联接。归纳起来就是：当轴向载荷为阻力，阻止螺旋副相对运动时：相当于滑块沿斜面等速上升例如车床丝杆走刀时，切削力阻止刀架轴向移动；螺纹联接拧紧螺母时，材料变形的反弹力阻止螺母轴向移动；螺旋千斤顶举升重物时，重力阻止螺杆上升。当轴向载荷为驱动力，与螺旋副相对运动方向一致时：相当于滑块沿斜面等速下滑例如旋松螺母时，材料变形的反弹力与螺母移动方向一致；用螺旋千斤顶降落重物时，重力与下降方向一致。螺旋副的效率：一一是有效功与输人功之比。若按螺旋转动一圈计算，输人功为2兀T,此时升举滑块（重物）所作的有效功为

12、Fa - S,故螺旋副的效率为：_ FaS _ tan ：2 二T tan（：）由上式可知，当量摩擦角 p = arctg f 一定时，效率只是螺纹升角力的函数。由此可绘出效率曲线。.d取1=0,可得当少=45。- p /2时，效率最局。如图所不。d ;：由于过大的螺纹升角制造困难，且效率增高也不显著，所以一般小角不大于25。用于联接的螺纹升角，一般都较小。 7-3螺纹联接的基本类型及预紧和放松、螺纹联接的基本类型1、螺栓联接一一拧紧的螺栓联接称为紧联接，不拧紧的称为松联接。构造简单，装拆方便,特点和应用：无需在被联接件上切制螺纹，使用不受被联接件材料的限制。应用最广。用于可制通孔的场合根据受

13、力状况可分为:1）受拉螺栓联接:制造和装拆方便，应用广泛2）校制孔螺栓联接：螺栓受剪多用于板状件的联接，有时兼起定位作用。2、双头螺柱联接特点和应用：双头螺柱联接座端旋人并紧定在被联接件之一的螺纹孔中，用于被联接件之一较厚或受结构限制而不能用螺栓或希望联接结构较紧凑的场合。3、螺钉联接紧定螺钉联接特点和应用：螺钉联接不用螺母，而且能有光整的外露表面，应用与双头螺柱联接相似，但不宜用于时常装拆的联接，以免损坏被联接件的螺纹孔。4、紧定螺钉联接特点和应用：旋入被联接件之一的螺纹孔中， 其末端顶住另一被联接件的表面或顶入相应的坑中, 以固定两个零件的相互位置，并可传递不大的力或转矩。二、螺纹紧固件

14、标准件螺纹紧固件的品种很多，大都已标准化，其规格、型号均已系列化，可直接到五金商店购买。1 .螺栓螺栓的头部形状很多，最常用的有六角头和小六角头两种。L。2 .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3 .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。4 .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。5 .垫圈垫圈的

15、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，有防松作用的垫圈为弹性垫圈。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，国家标准规定螺纹紧固件按机械性能分级。螺栓、螺柱、螺钉的性能等级分为十级三、螺栓联接的拧紧对于大多数螺纹联接来说，螺纹联接在装配时都必须拧紧，将螺母拧紧一一预紧预紧后产生的拉（压）力称为一一预紧力Fo预紧力的大小的影响：一一拧紧联接能增强联接的刚性、紧密性和防松能力。一一对于受拉螺栓联接，还可提高螺栓的疲劳强度；一一对于受剪螺栓联接，有利于增大联接中的摩擦力。

16、1、拧紧力矩（扳手力矩）一一 T拧紧螺母时，需要克服螺纹副的螺纹力矩T1和螺母的承压面力矩 R因此拧紧力矩T= T i+ T2即：T -T1 T2 -F0dtan（ ： ?） fcF0rf2式中：Fa为轴向力，对于不承受轴向工作载荷的螺纹，Fa= FoD2为螺纹中径fc 为螺母与被联接件支承面之间的摩擦系数，无润滑时可取fc =0. 15;rf 为支承面摩擦半径。rf(dw+ do) /4 ,其中dw为螺母支承面的外径，do为螺栓孔直径。对于M10M68的粗牙螺纹，若取 f = tg P =0.15 , fc = 0. 15,则上式可简化为T = 0.2Fod(N mm)式中：d为螺纹公称直径

17、，mm； Fo为预紧力，NFo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%。2、拧紧力矩的控制拧紧是联接的需要，但拧的过紧也是不适当的。如：用长度为直径15倍的扳手，在20公斤力的作用下，产生的拧紧力是1500 kg。所以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。因此：对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。控制拧紧力矩方法：通常螺纹联接拧紧的程度是凭工人经验来决定的。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。例如：使用测力矩扳手或定力矩扳手

18、捌力咫板F定力期扳手装配时测量螺栓的伸长，规定开始拧紧后的扳动角度或圈数。对于大型联接，还可利用液力来拉伸螺栓，或加热使螺栓伸长到需要的变形量再把螺母拧到与被 联接件相贴合。近年来发展了利用微机通过轴力传感器拾取数据并画出预紧力与所加拧紧力矩对应曲线的方法。由于摩擦系数不稳定和加在扳手上的力难于准确控制，有时可能拧得过紧而使螺栓拧断。因此，对于要求拧紧的强度螺栓联接应严格控制其适度的拧紧力，并不宜用小于M12M16的螺栓。四、螺纹联接的防松在静载荷下，螺纹联接能满足的自锁条件为少V P。螺母、螺栓头部等承压面处的摩擦也有防松作用。但在冲击、振动或变载荷下，或当温度变化大时，联接有可能松动，甚至

19、松开，这就容易发生事故。 所以在设计螺纹联接时，必须考虑防松问题。 松松的根本问题在于防止螺纹副相对转动。具体的防松装置或方法很多，就工作原理来看，可分为 利用摩擦 直接锁住 破坏螺纹副。举例说明见表6.2 。7-4螺栓联接的受力分析和强度计算失效形式静载荷作用下一一螺栓的损坏多为螺纹部分的塑性变形和断裂。变载荷作用下一一螺栓的损坏多为栓杆部分的疲劳断裂。根据统计：发生在从传力算起第一圈旋合螺纹处的约占65%;光杆与螺纹部分交接处的约占20% ;螺栓头与杆交接处的约占15%。如果螺纹精度低或联接时常装拆，很可能发生滑扣现象。计算准则对于受拉螺栓(T W b 对于受剪螺栓 W p ； (T pW

20、 (T p对于受复合应力作用的螺栓一一(Te C1时，F0F;当C2V v C1时，FoF +F相对刚度系数的大小与螺栓和被联接件的材料、结构、尺寸，以及载荷作用位置、垫片因素有关 被联接件为钢铁时，一般可根据垫片材料不同，采用下列数据：金属：0.20.3 ;皮革：0.7 ;铜皮石棉：0.8 ;橡胶：0.9。C)由图d 当载荷F过大时，联接出现缝隙，这是不允许的。显然， F应大于零。以保证联接的 刚性或紧密性。下列数据可供选择 F”时参考： F无变化时：F” = (0. 20. 6) F; F有无变化时：F” = (0. 61. 0) F; 压力容器的紧密联接：F” = ( 1. 51. 8)

21、 F;且应保证密封面的剩预紧压力大于压力容器的工作压力 设计时，通常在求出F后，即可根据联接的工作要求选择F”，然后求出F0,计算螺栓的强度；至于为保证剩预紧力 F”所需的预紧力F,则可由上式求出。 当F和F已知时，可用上式求 Fo。再求F”，以检查是否达到需要值。同理，根据第四强度理论，螺纹部分的强度条件为：4 X 1.3F0 / （兀 dc2） w 5校核式.材料 7-5螺栓的材料和许用应力螺纹紧固件的材料是多种多样的，以满足不同行业不同用途的需要。常用的有:Q21s Q23s 10、35和45钢，对于承受冲击、振动的，可以采用高强度材料，如15Cr、40 Cr、30 CrMnSi等，用作

22、其它特殊用途的可以采用特殊材料，例如不锈钢等。.许用应力1.校制孔螺栓联接较制孔螺栓承受横向载荷时，许用应力可按以下方法选择。许用剪应力:2.5 （静载荷）3.5 5 （变载荷）许用挤压应力:1.25 （静载荷，被联接件为钢）22.5（静载荷，被联接件为铸铁）变载荷时,p要在以上结果的基础上乘以0.70.8 。11.2 1.5 ;2.普通螺栓联接对于普通螺栓联接，受横向载荷和轴向载荷时的许用应力，当控制预紧力时可取为 不控制预紧力时，螺栓的许用应力可以用下式求得:-=S为安全系数，可以根据其公称直径在教材中选择。7-6提高螺栓联接强度的措施一、影响螺栓联接强度的因素影响螺栓强度的因素很多，有材

23、料、结构、尺寸参数、制造和装配工艺等。就其影响而言，涉及到螺纹牙受力分配、附加应力、应力集中、应力幅、材料、机械性能、制造工艺等方面。二、提高螺栓联接强度的措施由于受拉螺栓的损坏多属于疲劳性质，所以提高螺栓联接强度的措施主要 是从降低螺栓的负担（实际应力）和提高其能力（主要是抗疲劳破坏能力）这两方面着手1、降低螺栓总拉伸载荷的变化范围在工作载荷和剩余预紧力不变时减小螺栓刚度或增大被联接件的刚度：使螺栓拉力变化幅减小减小螺栓刚度的措施有： 适当增大螺栓的长度； 部分减小栓杆直径或作成中空的结构一柔性螺栓。柔性螺栓受力时变形量大，吸收能量作用 强，也适于承受冲击和振动； 在螺母下面安装弹性元件（图

24、6.21当工作载荷由被联接件传来时，由于弹性元件的较大变形,也能起到柔性螺栓的效果）增大被联接件的刚度的措施： 不用刚度小的垫片。图 6. 22所示的紧密联接，就以用密封环为佳。国必21 期推卜匍芸弹性元件的冲南封方案的比较2、改善螺纹牙的受力分配原因：由于螺母与螺栓受力后的螺距变化不同，即使是制造和装配精确的螺栓和螺母，传力时其旋合各圈螺纹牙的受力也不是均匀的。螺母与螺栓在旋合的第1圈处的受力为Fo的1/3,（这也是为什么在此处多发生疲劳断裂的原因）参看图示可知箝库及牙鼻力前理形RI和嘉h燃!1M生人分能爆时才的受力受拉螺栓与受压螺母组合，其结果是 螺栓杆拉力自下而上由 F递减为零，并通过螺

25、纹牙传给了螺母； 螺母体压力则自上而下由零递增为F。 螺栓受拉，螺距增大； 而螺母受压，螺距减小。由螺纹牙、栓杆和母体的变形协调条件可知，这种螺纹螺距变化差主要靠旋合各圈螺纹牙的变形来补 偿。由图可知，从传力算起的第一圈螺纹变形最大，因而受力也最大，以后各圈递减。旋合圈数越多，受 力不均匀程度也越显著，到第 810圈以后，螺纹牙几乎不受力。因此，采用加高螺母以增加旋合圈数, 对提高螺栓强度并没有多少作用。措施：为了使螺纹牙受力比较均匀，可用下述方法 改进螺母结构：1）悬置螺母：使母体和栓杆的变形一致，以减少螺距变化差，可提高螺栓疲劳强度达40%;2）内斜螺母：可减小原受力大的螺纹牙的刚度而把力分移到原受力小的牙上，可提高螺栓疲劳强30%。度达20%3）环槽螺母：利用螺母下部受拉且富于弹性可提高螺栓疲劳强度达这些结构特殊的螺母制造费工，只在重要的或大型的联接中使用。-ID-lJirb）内别学时c）拜布许附G息胃堞耳囱6J5世媒丝火受力分配较均时的憔母结构举例改变螺母材料：用软（塑性好）、弹性模量低的材料，例如钢螺栓配用有色金属螺母，则可改善螺纹牙受力分配，提高螺