机械设计第五章

1、xyzxyz、 、 、 、 、xyzxyz、 、 、 、 、CommandButton1螺纹的类型与特点1一、螺纹的分类 5-1螺纹螺纹按位置分类外螺纹内螺纹按工作性质分联接用螺纹传动用螺纹按旋向分右旋(多数)左旋按形状分圆柱圆锥圆锥螺纹梯形螺纹的补偿合螺母开螺母磨损前磨损后二、普通螺纹的主要参数大径d即螺纹的公称直径。小径d1常用于联接的强度计算。中径d2常用于联接的几何计算。螺距P螺纹相邻两个牙型上对应点间的 轴向距离。牙型角a螺纹轴向截面内，螺纹牙型两 侧边的夹角。升角y螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线 的平面间的夹角。线数n螺纹的螺旋线数目。导程S螺纹上任一点沿同一条螺旋线转 一周所移动的

2、轴向距离，S=nP。升角y的计算式为：22arctanarctandnPdSyyS=nPd2展开图联接类型与标准件1一、螺纹联接的基本类型5-2螺纹联接的类型与标准联接件螺纹联接的类型与标准联接件铰孔视频 除上述联接的基本类型外，在机器中，还有一些特殊结构的螺纹联接。如：T型槽螺栓联接、吊环螺钉联接和地脚螺栓联接等。地脚螺栓联接联接类型与标准件2二、标准螺纹联接件 螺纹联接的类型很多，在机械制造中常见的螺纹联接件的结构型式和尺寸都已经标准化，设计时可以根据有关标准选用。 纹联接的预紧 预紧力：大多数螺纹联接在装配时都需要拧紧，使之在承受工作载荷之前，预先受到力的作用。 预紧的目的：增强联接的可

3、靠性和紧密性，以防止受载后被联接件间出现缝隙或发生相对移动。 预紧力的确定原则：拧紧后螺纹联接件的预紧应力不得超过其材料的屈服极限s的80%。 碳钢螺栓 F0(0.6 0.7) sA 合金钢螺栓 F0(0.5 0.6) sAs屈服极限 A 危险截面的面积 5-3螺纹联接的预紧螺纹联接的预紧 预紧力的控制：利用控制拧紧力矩的方法来控制预紧力的大小。通常可采用测力矩扳手或定力矩扳手，对于重要的螺栓联接，也可以采用测定螺栓伸长的方法来控制预紧力。预紧力与预紧力矩之间的关系拧紧力矩螺旋副间的摩擦阻力矩螺母端面的摩擦阻力矩螺纹升角当量摩擦角中径螺母大径螺母小径 M12以下的螺栓，很可能过载拧断，对于重要

4、的联接，应尽可能不采用直径过小(M12)的螺栓。 将数据带入上式00.2TF d一般标准扳手L=15d，T=FLF0=75F设F=200N=75200/(122/4)=133MPa P85螺纹联接的防松必要性 螺纹联接一般都能满足自锁条件不会自动松脱。但在冲击、振动或变载荷作用下，或在高温或温度变化较大的情况下，螺纹联接中的预紧力和摩擦力会逐渐减小或可能瞬时消失，导致联接失效。根本问题 防止螺旋副相对转动方法 摩擦防松、机械防松、铆冲防松、在旋合螺纹间涂胶 5-4螺纹联接的防松螺纹联接的防松螺纹联接组的设计15-5螺栓组联接的设计螺栓组联接的设计一、螺栓组联接的结构设计 大多数机械中螺栓都是成

5、组使用的。在设计螺栓组联接时，关键是联接的结构设计。它是根据被联接件的结构和联接的用途，确定螺栓数目和分布形式。 (1)为了便于加工制造和对称布置螺栓，保证联接结合面受力均匀，通常联接结合面的几何形状都设计成轴对称的简单几何形状。 圆形 圆环形 矩形 矩形框 三角形 (2)螺栓布置应使各螺栓的受力合理。 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个以上的螺栓，以免载荷分布过于不均；当螺栓联接弯距或转距时，应使螺栓的位置适当靠近联接接合面的边缘，以减少螺栓的受力；当同时承受轴向载荷和较大的横向载荷时，采用抗剪零件，如销、套筒、键来承受横向载荷。 (3)布置螺栓时，各螺栓轴线间以及螺

6、栓轴线和机体壁间的最小距离，应根据扳手所需活动空间的大小来决定。扳手空间的尺寸见有关标准。 对于压力容器等紧密性要求较高的重要联接。螺栓的间距不大于下表所推荐的取值。 (4)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。 (5)避免螺栓承受附加的弯曲载荷。球面垫圈螺纹联接组的设计2目的： 根据联接的结构和受载情况，求出受力最大的螺栓及其所受的力，以便进行螺栓联接的强度计算。假设： 所有螺栓的材料、直径、长度和预紧力均相同； 螺栓组的对称中心与联接接合面的形心重合； 受载后联接接合面仍保持为平面。二、螺栓组联接的受力分析 圆环形 矩形 螺纹联接组的设计3

7、 （1）对于铰制孔用螺栓联接（图b），每个螺栓所受工作剪力为： （2）对于普通螺栓联接（图a） ，按预紧后接合面间所产生的最大摩擦力必须大于或等于横向载荷的要求，有： 式中：z为螺栓数目。1受横向载荷的螺栓组联接zFFFKzifFS0fziFKFS0或 Ks为防滑系数，可取KS =1.11.3，i为接合面，图中为2。FFFFb)a)接合面判断i=2i=1i=4螺纹联接组的设计42受转矩的螺栓组联接TKfrFfrFfrFsz02010 普通螺栓是靠联接预紧后在接合面间产生的摩擦力矩来抵抗转矩T。ziirfTKF1S0抵抗转矩的极限值预紧力大于某值时连接可靠TrFziii1 铰制孔用螺栓是靠螺栓的

8、剪切和螺栓与孔壁的挤压作用来抵抗转矩T。iirFrFmaxmaxZiirTrF12maxmaxmaxmaxiiFrFr各螺栓角位移相同，螺栓距离对称中心越远，变形量越大，受力越大螺纹联接组的设计53受轴向载荷的螺栓组联接 若作用在螺栓组上轴向总载荷F作用线与螺栓轴线平行，并通过螺栓组的对称中心，则各个螺栓受载相同，每个螺栓所受轴向工作载荷为： 通常，各个螺栓还承受预紧力F0的作用，当联接要有保证的残余预紧力为F1时，每个螺栓所承受的总载荷F2为。zFFF2 = F1 + F F1和F的关系后面会讲到 螺纹联接组的设计64受倾覆力矩的螺栓组联接螺栓被拉伸地基被放松地基被压缩螺栓被放松螺栓受力变形

9、线地基受力变形线地基初始变形螺栓初始变形螺栓被拉伸地基被放松地基被压缩螺栓被放松ziLFM1iiZiLMLF12imaxmaxmaxmaxiiFFLL距离轴线越远，变形越大，受力越大螺纹联接组的设计700minPWMAzF防止接合面受压最大处被压碎防止受压最小处出现间隙0maxPPWMAzF有效抗弯截面系数接合面许用挤压应力有效接触面积5-6螺纹联接的强度计算螺纹联接的强度计算受拉螺栓失效形式螺纹部分的塑性变形(滑丝)螺杆的疲劳断裂受剪螺栓失效形式螺栓杆被剪断螺栓杆和孔壁的贴合面被压溃可能螺栓表面，也可能孔壁表面螺纹联接的强度计算1强度计算的目的 根据强度条件确定螺栓直径，而螺栓和螺母的螺纹牙

10、及其他各部分尺寸均按标准选定。一、松螺栓联接强度计算 4/21dF许用拉应力螺纹小径 14Fd 设计公式为小径大于某值时连接可靠螺纹联接的强度计算2 1仅受预紧力的紧螺栓联接2104dF预紧力引起的拉应力：y5 . 0162)tan(312v0ddF螺牙间的摩擦力矩引起的扭转剪应力： 210ca43 . 1dF强度条件：3 . 1322ca根据第四强度理论计算应力：F0F0FF二、紧螺栓联接强度计算当联接承受较大的横向载荷F时，由于要求F0Ff（f=0.2），即F05F ，因而需要大幅度地增加螺栓直径。为减小螺栓直径的增加，可采用减载措施。未拧紧已拧紧加载2受轴向载荷的紧螺栓联接FDDp 螺栓

11、预紧力F0后，在工作拉力F 的作用下，螺栓总拉力FFF12式中F1为残余预紧力，为保证联接的紧密性，应使 F10 当螺栓承受工作载荷F后： (1)被联接件的压缩力由预紧力F0，减至残余预紧力F1 (2)螺栓所受的拉力由预紧力F0增加到F2= F+ F1； FCCCFFmbb022010()()bbbmmmFCFCFCFC 消去0021bmbmFFFFCCCC结合F2= F+ F1消去F1，得到螺栓相对刚度(越小越好) 4/3 . 1212cadF静强度条件：加30%以考虑剪切应力的影响 214 1.3Fd 疲劳强度校核：对称疲劳拉压疲劳极限综合影响系数材料常数螺纹联接的强度计算43承受工作剪力

12、的紧螺栓联接 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： F螺栓所受的工作剪力，单位为N； d0螺栓剪切面的直径，单位为mm； Lmin螺栓杆与孔壁挤压面的最小高度，单位为mm；应使Lmin1.25d0Pmin0PLdF 204dFFFd0Lmin螺纹联接件的材料与许用应力一、螺纹联接件材料 5-7螺纹联接件的材料与许用应力螺纹联接件的材料与许用应力常用：低碳钢(Q215、10钢)、中碳钢(Q235、35钢、45钢)冲击、振动或变载荷：低合金钢、合金钢，如15Cr、 40Cr、30CrMnSi等8. 8级及以上

13、的中碳钢、低碳或中碳合金钢：淬火+回火特殊用途(如防锈蚀、防磁、导电或耐高温等)：特种钢或铜合金、铝合金+表面处理(如氧化、镀锌钝化、磷化、镀镉等)普通垫圈：Q235、15钢、35钢弹簧垫圈：65Mn+热处理+表面处理二、螺纹联接件的许用应力2螺纹联接件的许用剪应力和许用挤压应力1螺纹联接件的许用拉应力s SS SPsPS（被联接件为钢）PBPS（被联接件为铸铁）强度极限 屈服极限 ppressure不控制预紧力的计算用普通扳手拧控制预紧力的计算先计算，再用测力扳手拧提高螺纹联接强度的措施 5-8提高螺纹联接强度的措施提高螺纹联接强度的措施(一)降低影响螺栓疲劳强度的应力幅优点：应力幅降低缺点

14、：残余预紧力降低虚线为初始情况实线为改善后情况加撇的为改进后的参数加撇的为改进后的参数残余预紧力不变应力幅降低 为了减小螺栓的刚度，可适当增加螺栓的长度，或采用腰状杆螺栓和空心螺栓，也可在螺母下面安装弹性元件。加撇的为改进后的参数 从增大被连接件刚度的角度来看，采用较软的气缸垫片(a)并不合适，采用刚度较大的金属垫片或密封环较好(b)。(二)改善螺纹牙上载荷分布不均的现象 受载时，螺栓拉伸，螺距增大，螺母压缩，螺距减小。螺纹螺距的变化差第一圈最大，以后各圈递减。约有1/3的载荷集中在第一圈上，第八圈以后的螺纹牙几乎不承受载荷。牙圈数过多的加厚螺母并不能提高连接的强度。悬置螺母和环槽螺母都是全部

15、或局部改变螺母旋合部分的变形性质，使之变为拉伸变形，使螺纹牙上载荷分布趋于均匀； 内斜螺母可使载荷较大的头几圈螺纹牙容易变形，使载荷上移而改善载荷分布不均。(三)减小应力集中的影响 在螺栓上的螺纹、螺栓头和螺栓杆的过渡处以及螺栓横截面突变处等应力集中较大处卸荷结构。 为了避免螺纹联接产生附加弯曲应力，可以采取球面垫圈等措施来达到。(四)采用合理的制造工艺方法工艺：冷镦螺栓头部和滚压螺纹，可显著提高疲劳强度。原因：不切断材料纤维，金属流线的走向合理，有冷作硬 化的效果，表层留有残余压应力。优点：材料利用率高、生产效率高和制造成本低。表面处理：氮化、氰化、喷丸车螺纹攻螺纹滚螺纹搓螺纹氰是碳和氮两种

16、元素的化合物，结构式NC-CN例题 图5-40所示为一固定在钢制立柱上的铸铁托架，已知总载荷 =4800N，其作用线与垂直线的夹角=50，底板高h=340mm，宽b=150mm，试设计此螺栓组连接。F1.螺栓组结构设计采用如图所示的结构，螺栓数=4，对称布置。2.螺栓受力分析 1)在总载荷的作用下，螺栓组连接承受以下各力和倾覆力矩的作用：轴向力(水平分力，作用于螺栓组中心，水平向右)横向力(垂直分力F，作用于接合面，垂直向下)倾覆力矩(顺时针方向)2)在轴向力的作用下，各螺栓所受的工作拉力为 3)在倾覆力矩M的作用下，上面两螺栓受到加载作用，而下面两螺栓受到减载作用，上面的螺栓受力较大，所受的

17、载荷按式(5-18)确定故上面的螺栓所受的轴向工作载荷为4)在横向力的作用下，底板连接接合面可能产生滑移，根据底板接合面不滑移的条件由表5-5查得接合面间的摩擦系数 f=0.16，并取bbm0.2CCCmbm0.8CCC取防滑系数Ks=1.2，则各螺栓所需要的预紧力为（P84）残余预紧力P83 5-235)上面每个螺栓所受的总拉力F2按式(5-34)求得:3.确定螺栓直径 选择螺栓材料为Q235、性能等级为4.6的螺栓，由表5-8查得材料屈服极限=240MPa，由表5-10查得安全系数S=1.5故螺栓材料的许用应力根据式(5-36)求得螺栓危险截面的直径(螺纹小径d1)为按粗牙普通螺纹标准(G

18、B/T 196-2003 )，选用螺纹公称直径d=12mm(螺纹小径d1=10.106 mm8.6 mm)4.校核螺栓组连接接合面的工作能力1、连接接合面下端的挤压应力不超过许用值，以防止接合面压碎。参考式(5-22)，有大径螺距中径小径国标340150W抗弯截面系数由表5-6查得2)连接接合面上端应保持一定的残余预紧力，以防止托架受力时接合面间产生间隙5.校核螺栓所需的预紧力是否合适要求的预紧力F0=6520 N，小于上值，故满足要求。书上为B=250，应该为400MPa(一)螺旋传动的类型和应用 作用：回转运动直线运动，同时传递动力。 运动形式：螺杆转动，螺母移动；螺母固定，螺杆转动并移动

19、。5-8螺旋传动螺旋传动调整螺旋 静压螺旋类型按用途分传力螺旋传导螺旋滑动螺旋滚动螺旋按摩擦性质分：传递动力 ：传递运动,要求精度高：调整相对位置：阻力大、效率低、易自锁：阻力小、效率高、难自锁：效率高、需供油传力螺旋视频传导螺纹(传导运动为主、也可传力、精度要求高)千分尺千分尺 调整螺纹螺旋传动2二、滑动螺旋的结构和材料1滑动螺旋的结构 主要是指螺杆、螺母的固定和支承的结构形式。螺旋传动的工作刚度与精度和支承结构有直接关系。整体螺母剖分螺母组合螺母固定螺钉调整螺钉调整楔快螺纹类型：矩形、梯形和锯齿形。以梯形和锯齿形应用最 广。螺杆常用右旋螺纹。单线螺纹：要求自锁时多线螺纹：高效率，线数为34

20、，甚至多达6 螺杆的材料要有足够的强度和耐磨性。螺母的材料除了要有足够的强度外，还要求在与螺杆材料相配合时摩擦系数小和耐磨。2滑动螺旋的材料Z铸 Q青铜 H黄铜 Sn锡(三)滑动螺旋传动的设计计算 主要失效形式：螺牙的磨损 设计准则：按耐磨损确定直径、选择螺距、校核螺杆螺母强度等 1耐磨性计算22222 (/2/2)(/2/2) / FFpAdhdhH PFPpd hH设 带入上式2Hd2 FPdhp 矩形、梯形螺纹20.8 Fdp0.5hP30锯齿形螺纹0.75hP20.65 Fdp矩形、梯形螺纹20.8 Fdp30锯齿形螺纹20.65 Fdpp为材料的许用压力整体螺母： =1.2-2.5（

21、磨损后不能调整间隙，为使受力分布比较均匀，螺纹工作圈数不宜过多）剖分螺母和兼作支承的螺母：=2.5-3.5传动精度较高、载荷较大要求寿命较长：=4 根据公式算得螺纹中径d2后，应按国家标准选取相应的公称直径d及螺距P。螺纹工圈数不宜超过10圈。 有自锁性要求，还应校核自锁条件螺纹升角当量摩擦角摩擦系数牙侧角当量摩擦系数 2Hd螺旋传动42122122)4343dTFdca（ca2螺杆的强度计算 对于受力比较大的螺杆，需根据第四强度理论求出危险截面的计算应力： 螺杆的强度条件： F为螺杆所受轴向压力（或拉力），T为螺杆所受扭矩2tan(2vdTF）1A3螺母螺纹牙的强度计算 螺母的材料强度螺杆只

22、需校核螺母 将一圈螺纹沿大径D展开，可看做宽度为D的悬臂梁。假设每圈螺纹所承受的平均压力为F/u，作用在以螺纹中径D2为直径的圆周上。 螺纹牙危险截面a-a的剪切强度条件F/u D D2aa/ F uFDbDbuHuP矩形b=0.5P梯形b=0.65P30锯齿b=0.75P圈数弯曲强度条件分别为：6b2buDbFl弯曲力臂22DDl4螺杆的稳定性计算 对于长径比较大的受压螺杆，需要校核压杆的稳定性，要求螺杆的工作压力F要小于临界载荷FcrscrscSFFSsS445 . 255 . 3传力螺旋传导螺旋精密螺杆或水平安装为螺杆的长度系数，由下表确定。2cr2()EIFl4164dI l 为螺杆的

23、工作长度，当螺杆两端支承时，l 取两支点间的距离；当螺杆一端以螺母支承时，l 取从螺母中部到另一支点上的距离。临界载荷（截面惯性距）(1)采用滑动支承时，以轴承长度l0与直径d0的比值来确定： l0 / d0 3 为固定支承。(3) 若以剖分螺母作为支承时，可作为不完全固定支承。(2) 以整体螺母作为支承时，仍按上述方法确定。但取 l0=H (4) 若采用滚动轴承支承，且有径向约束时，可作为铰支；有径向和轴向约束时，可作为固定支承。四、滚动螺旋简介 优点：传动效率高、启动力矩小、传动灵敏、平稳、工作 寿命长等缺点：制造工艺比较复杂，特别是长螺杆更难保证热处理 及磨削工艺质量，刚性及抗振性能较差

24、(五)静压螺旋传动简介 在螺母每圈螺纹牙两个侧面的中径处，各开有3-4个油腔，压力油通过节流器进入油腔，产生一定的油腔压力。 未受载荷，螺杆的螺纹牙位于中间位置，经螺纹牙两侧流出的油量相等，油腔压力也相等。 当轴向载荷时，牙一侧的间隙减小，另一侧间隙增大。由节流器调节，使间隙减小一侧的油腔压力增高，而另一侧的油腔压力降低，从而使螺杆重新处于平衡状态。讨论：螺纹的效率22tan/ 2tan=tan()/ 2tan()vvFdFd理论力矩实际力矩NFtanNvFvFtan()vF有摩擦的情况无摩擦的情况NFFtanF22arctanarctanSnPddarctan/cosvfn cosv =0，效率最高=3，效率略低=15，效率最低cosv 讨论：螺纹的自锁性2arctanarctancosvnPfd2cosnPfdn自锁性变差5-6 已知一个托架的边板用6个螺栓与相邻的机架相连接。托架受一与边板螺栓组的垂直对称轴线相平行、距离为250 mm、大小为60 kN的载荷作用。现有图5-51所示的两种螺栓布置形式，设采用铰制孔用螺栓连接，试问哪一种布置形式所用的螺栓直径较小?为什么?横向力F=60000N力矩T=600000