机械设计课件：螺栓联接与螺旋传动

机械设计螺纹联接和螺旋传动联接的分类动联接：机器工作时，零部件之间可以有相对运动。例如：机械原理中，各种运动副之间的联接。静联接：在机器工作中，不允许零部件之间存在相对运动的联接。静联接可拆联接：不须毁坏联接中的任何一个零件就可拆开的联接。例如：螺纹联接、键联接。不可拆联接：至少毁坏联接中的一部分才能拆开的联接。例如：铆接、焊接等。过盈联接下一页5.1.1螺纹的主要参数和常用类型5.1螺纹与螺纹连接d2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。螺纹下一页1、螺纹的形成按螺纹的牙型分螺纹的分类按螺纹的旋向分按螺旋线的根数分按回转体的内外表面分按螺旋的作用分按母体形状分矩形螺纹三角形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹下一页螺纹的牙型矩形螺纹三角形螺纹M梯形螺纹锯齿形螺纹15º30º3º30º粗牙、细牙下一页按螺纹的牙型分螺纹的分类按螺纹的旋向分按螺旋线的根数分按回转体的内外表面分按螺旋的作用分按母体形状分矩形螺纹三角形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹右旋螺纹左旋螺纹下一页按螺纹的牙型分螺纹的分类按螺纹的旋向分按螺旋线的根数分按回转体的内外表面分按螺旋的作用分按母体形状分矩形螺纹三角形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹右旋螺纹左旋螺纹单线螺纹多线螺纹外螺纹内螺纹螺纹副下一页见下一页图外螺纹内螺纹螺纹副下一页按螺纹的牙型分螺纹的分类按螺纹的旋向分按螺旋线的根数分按回转体的内外表面分按螺旋的作用分按母体形状分矩形螺纹三角形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹右旋螺纹左旋螺纹单线螺纹多线螺纹外螺纹内螺纹联接螺纹传动螺纹螺旋传动下一页见下一页图联接螺纹传动螺纹下一页按螺纹的牙型分螺纹的分类按螺纹的旋向分按螺旋线的根数分按回转体的内外表面分按螺旋的作用分按母体形状分矩形螺纹三角形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹右旋螺纹左旋螺纹单线螺纹多线螺纹外螺纹内螺纹联接螺纹传动螺纹圆柱螺纹圆锥螺纹下一页见下一页图圆柱螺纹圆锥螺纹管螺纹下一页(3)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。βd1d2d(1)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。(2)

小径d1

与外螺纹牙底(或内螺纹牙顶)相重合的假想圆柱体的直径。(4)

螺距P

相邻两牙在中径线上对应两点间的轴向距离。(5)

导程S(6)

螺纹升角ψ

中径d2圆柱上，螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面的夹角(7)牙型角

α

轴向截面内螺纹牙型相邻两侧边的夹角。tgψ=πd2

nP

牙侧角

β牙型侧边与螺纹轴线的垂线间的夹角。

αβψπd2SψS=nP同一条螺旋线上的相邻两牙在中径线上对应两点间的轴向距P二、螺纹的主要几何参数SPP/2P/2下一页1.螺栓联接：普通螺栓联接铰制孔用螺栓联接2.双头螺栓联接3.螺钉联接4.紧定螺钉联接其它：地脚螺栓联接；吊环螺栓联接；

T型槽螺栓联接；观看各种螺栓与螺钉下一页5.1.2螺纹联接的类型和标准螺纹连接件1.螺栓联接：普通螺栓联接：应用广泛铰制孔用螺栓联接2.双头螺栓联接：常拆卸3.螺钉联接：被联接件之一较厚普通螺栓与铰制孔螺栓的连接比较下一页螺钉联接螺钉拧入深度H:

钢或青铜H≈d

铸铁H=(1.25∽1.5)d

铝合金H=(1.5∽2.5)d下一页

紧定螺钉联接下一页地脚螺栓

吊环螺栓T形槽螺栓

其它螺纹联接下一页下一页5.2螺纹联接的预紧拧紧力矩与预紧力的关系

T=FL=T1+T2对M12以下的螺栓，应注意控制预紧力，以防过载拉断。下一页

螺纹联接的控制预紧力的方法控制预紧力的方法控制应力或应变控制拧紧力臂控制拧紧力矩下一页控制预紧力的方法控制拧紧力矩冲击扳手下一页螺纹联接防松的实质在于限制螺旋副的相对转动。以防止联接的松动，影响正常工作。螺纹联接的防松按工作原理可分为三类（P339表13.2）：

1.摩擦防松

2.直接锁住（机械防松）

3.不可拆卸防松（铆冲；粘接；焊接）#5.3螺纹联接的防松下一页下一页弹簧垫圈防松自锁螺母防松1.摩擦防松下一页摩擦防松对顶螺母防松下一页2.机械防松螺栓+开槽螺母+开口销下一页开口销与槽形螺母机械防松（直接锁住）下一页机械防松止动垫片防松下一页机械防松止动垫片防松下一页机械防松串联钢丝防松下一页机械防松

圆螺母+止动垫片下一页下一页永久防松铆冲焊接下一页5.4螺栓组联接设计1、被联接件形状应简单对称；5.4.1螺栓组联接的布置形式图5.17螺栓组连接接合面常用形式下一页2.螺栓布置应受力均等；图5.18接合面受弯曲或扭转时螺栓的布置扳手空间尺寸压力容器的螺栓间距3.布置螺栓应留有合理的间距、边距，方便装配下一页下一页4.同一螺栓组紧固件形状、尺寸、材料应尽量一致；

同一圆周上的螺栓数目为4、6、8等偶数5.避免附加弯曲应力，螺栓头、螺母与被联接件的接触表面均应平整；下一页螺栓联接大多工作之前应预紧，称为紧螺栓联接；螺栓联接设计计算的一般步骤：螺栓组受力和失效分析找出受力最大的螺栓；单个螺栓受力和失效分析单个螺栓强度计算确定螺栓的尺寸（直径、长度）。失效分析：普通螺栓主要为螺纹部分：断裂、磨损滑扣；螺栓组和单个螺栓的失效有联系又有区别。

下一页5.4.2螺栓组联接的受力分析xzyFzFxFyoTzMxMy

螺栓组受力分析将一个零件加以固定，其实质就是约束该零件在空间的六个自由度。螺栓组所受的载荷可分为四种类型：横向力：Fx

、FY

转矩：Tz

轴向力：Fz

翻转力矩：Mx、MY下一页1.受横向力的螺栓组联接

1）普通螺栓联接

2）铰制孔用螺栓联接两种情况的工作原理不同！下一页1）普通螺栓联接

螺栓组受力

单个螺栓受力下一页

2.受旋转力矩T的螺栓组联接

1）普通螺栓联接下一页2）铰制孔用螺栓联接变形量越大，则工作剪力越大下一页3.受轴向载荷的螺栓组联接单个螺栓的受力：预紧力F0

工作力F?单个螺栓的总拉力：

FQ

＝＝F+F0F0下一页

假定底板为刚体，翻转力矩作用在螺栓组的联接形心受载后绕O—O转动仍保持平面在M的作用下，左侧螺栓拉力增大；右侧螺栓拉力减小而地面压力增大失效分析：1.螺栓拉断；2.底板左侧出现间隙；3.底板右侧压溃。下一页4.受翻转力矩的螺栓组联接螺栓所受的工作拉力与距离成正比下一页在翻转力矩作用下，接合面挤压应力分布图受翻转力矩前，接合面挤压应力分布图

底板受力分析F0下一页接合面的强度计算下一页受复合载荷的螺栓组联接横向荷载+轴向载荷+翻转力矩下一页受复合载荷的螺栓组联接横向载荷+旋转力矩计算时应求出受力最大螺栓的受力下一页5.5螺栓连接的强度计算

受力分析时可分为：普通螺栓联接：松螺栓联接紧螺栓联接仅受预紧力作用的螺栓受预紧力和工作载荷作用的螺栓铰制孔用螺栓联接下一页1.受载荷形式—轴向拉伸

2.失效形式—螺栓拉断

3.计算4.螺栓材料和许用应力5.查手册确定d，及其它有关尺寸。下一页5.5.1松螺栓联接的计算5.5.2紧螺栓连接的强度计算

下一页1.只受预紧力作用的螺栓σs

——材料屈服极限S——安全系数下一页2.铰制孔用螺栓的强度计算预紧力小，强度计算时可不考虑；失效形式：螺栓剪切及侧面压溃；下一页表5-6表5-8例：如图钢板厚度δ=16mm用两个铰制孔用螺栓固定在机架上，F=5000N，其它尺寸如图。板和机架材料均为Q235。试：（1）分析铰制孔用螺栓的失效形式；（2）分析铰制孔用螺栓的受力（3）按强度设计铰制孔用螺栓的直径（4）若用普通螺栓，计算螺栓的直径（fc=0.2，Kn=1.1）

3）按剪切强度计算螺栓的直径每个螺栓的受力下一页解：1）铰制孔用螺栓的失效形式为剪切和挤压失效；2）受力分析：将载荷F向形心O简化后按挤压强度校核粗选d=10，d0=11mm的六角头铰制孔用螺栓，螺母d=10，H=8。根据机架，板厚及螺母H选用l=100（螺纹部分l3=18）选用两个M10×100GB27—88六角头铰制孔用螺栓。

下一页4）改用普通螺栓每个螺栓的预紧力选用两个M24（d1=20.752）的六角螺栓。小结：受复合载荷螺栓，其合力按向量相加；铰制孔用螺栓比普通螺栓尺寸小很多。下一页FΣ==F0+FF0F03.受预紧力和工作载荷作用的紧螺栓联接通过分析螺栓受力和变形的关系，求出螺栓的总拉力下一页受力和变形关系(只受预紧力F0)F0F0F0F0F0F0F0F0下一页受到外力F作用时，受力和变形关系下一页受力变形线图下一页受工作载荷后受预紧力将两图合在一起受力变形线图下一页由图可得：ΔF=Δλ×C1F-ΔF=Δλ×C2下一页

由几何关系推出螺栓总拉力FΣ与预紧力F0

、残余预紧力F0′和工作载荷F之间的关系：下一页

计算螺栓总拉力的两种表达式，视情况选用。紧密性1.5~1.8F有冲击1.0~1.5F不稳定0.6~1.0F载荷稳定0.2~0.6F下一页

为降低螺栓的受力，提高承载能力应使螺栓的相对刚度值尽量小些，例如取较硬的垫片，C2增大,KC减小。

相对刚度

可由表13.9选取；被连接钢板间所用垫片KC金属垫片或无垫片皮革垫片铜皮石棉垫片橡胶垫片0.2~0.30.70.80.9下一页设计公式：螺栓拉伸强度条件：σs

——材料屈服极限S——安全系数下一页例1、图示螺栓联接中采用两个M20的螺栓，其许用拉应力［σ］=160MPa，被联接件接合面间的摩擦系数fc=0.2，若考虑摩擦传力的可靠系数Kf=1.2，计算该联接允许传递的静载荷Q？（M20小径d1=17.294）解：螺栓预紧后，接合面所产生的最大摩擦力必须大于或等于横向载荷，假设各螺栓所需预紧力均为F0,则由平衡条件

下一页例2、试确定图示普通螺栓组联接中受力最大的螺栓所受的力，并计算螺栓直径（结合面m=1，摩擦系数fc=0.2，[σ]=160MPa，可靠系数Kf=1.2）。1)将P力向螺栓组的对称中心简化

，得一横向力和一个横向力矩，做受力图。横向力使每个螺栓受力F1，扭矩T使每个螺栓受力F2FF1＝P/z=6000/3=2000NT＝250P=250×6000=1500000NmmF2＝T/3r=1500000/（3×144.3）=3465Nr＝125/cos30°=144.3mm下一页2)计算螺栓直径F0fcm≥KsFmaxF0≥KfFmax/fcm=1.2×5292.4/0.2=31754.4NM20，d1=17.294mmM22，d1=19.294mm所以应选择M22的螺栓3个下一页例3、图示为一固定在钢制立柱上的铸铁托架。已知：载荷P=4800N，其作用线与垂直线的夹角α=50°，底板高度h=340mm，宽b=150mm，立柱的屈服极限δs=235MPa，托架的抗拉强度极限δB=195MPa，钢或铸铁零件联接接合面间的摩擦系数f=0.15，螺栓的相对刚度kc=0.2，取可靠性系数是kf=1.2，取螺栓联接的安全系数[s]s=1.5,试设计此螺栓组联接。下一页

(2)螺栓受力分析①在工作载荷P的作用下，螺栓组联接承受以下各力和翻转力矩的作用：轴向力Fv=Psinα=4800sin50°=3677N

横向力FH=Pcosα=4800cos50°=3085N

翻转力矩M=Fv×l60+FH×150=1051070N.mm②在轴向力Fv的作用下，各螺栓所受的工作拉力为

③在翻转力矩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，故上面的螺栓受力较大，所受载荷为

下一页根据以上分析可见，上面两螺栓所受的轴向工作拉力为F＝F1＋F2＝919+1877＝2796N④在横向力FH的作用下，底板联接接合面可能产生滑移，根据底板接合面不滑移条件，并考虑轴向力Fv对预紧力的影响，则各螺栓所需要的预紧力为得各螺栓所需要的预紧力为残余预紧力下一页⑤确定螺栓所受的总拉力FΣ

⑥确定螺栓直径(任选择某一强度级别)选择螺栓强度等级为4.6级，可得δs=240MIPa，则螺栓材料的许用应力[δ]=δs/[s]s＝240/1.5=160Mpa。则得所需的螺栓危险剖面的直径为故选用4个M12，其d1=10.106mm的螺栓。

下一页例4：如图扳拧紧力F=200N，试计算两螺栓所受的力。T=850F==850×200=170000N·mmFmax=FA+FTA==100+1700=1800NFTA=T/（2×50）=1700NFA=FB=F/2=100N设Kf=1.2,f=0.2,[σ]=160MPa下一页M12,d1=10.106mmM14,d1=11.835mm所以取M14下一页5.7提高螺栓联接强度的措施1.1改善螺纹牙载荷分布不均的现象第一圈螺纹承担约三分之一的载荷下一页

1.改善螺纹牙载荷分布不均的现象

下一页图5-40采用均载螺母

2.减小应力集中

下一页图5.433.避免附加应力

4.改善制造工艺

冷镦螺栓头部和滚压螺纹；表面硬化工艺：氮化；氰化；碳氮共渗等处理；

下一页5.降低应力幅螺栓的总拉力与螺栓和被联接件的刚度有关，减小螺栓刚度或增大被联接件刚度都能降低应力幅。下一页下一页下一页腰状杆螺栓和空心螺栓减小螺栓的刚度Cb图中汽缸采用密封环密封，增加被联接件的刚度Cm5.8

螺旋传动一.螺旋传动的特点

1.传动比大，能得到较大的轴向推力；

2.精度高，能准确地调整直线运动的距离和位置；

3.易实现自锁；

4.效率较低，适于中小功率传动下一页螺杆转动并移动，螺母固定：千斤顶螺杆转动，螺母移动：机床进给机构；螺母转动并移动：螺母转动，螺杆移动：下一页1.螺旋传动的类型5.8.1螺旋传动的类型和应用

承载小，工作时间短，有些要求较高的调整精度，有些要求较高的调整速度。调整螺旋以传递运动为主，要求较高的运动速度和精度，传导螺旋以传递动力为主，受力大，速度低，间歇工作，通常要求自锁。传力螺旋特点功能下一页2.螺旋副的主要用途摩擦阻力小，传动效率高，结构复杂，需要专门的液压系统供油。静压螺旋摩擦阻力小，传动效率高，结构复杂，滚动螺旋结构简单，便于制造，易于自锁，摩擦阻力大，效率低，磨损快，滑动螺旋特点摩擦性质下一页3.螺旋副的摩擦性质下一页

（自学）

1.滑动螺旋的受力及失效分析

2.滑动螺旋的材料

3.滑动螺旋的设计计算

下一页5.8.2滑动螺旋传动的设计计算应用举例：镗刀差动螺旋微调结构.右旋螺距SA=1右旋螺距SB=0.75螺距SA=1>螺距SB=0.75手柄转一圈镗刀移动SC=SA-SB=0.25设手柄转一圈刻度为100，镗刀移动精度S=SC/100=0.25/100=0.0025mm手柄刻度100下一页正、反螺旋快速调整结构下一页下一页5.8.3滚动螺旋副-滚珠丝杠下一页作业5.155.165.175.185.15图示气缸盖连接中，已知气缸内压力p在0～2MPa之间变化，气缸内径D=500mm，螺栓分布在直径D0=650mm的圆周上，为保证气密性要求，剩余预紧力F0′=1.8F。试设计此螺栓组连接。解：假设不控制预紧力，估计d=M6~M16，取安全系数S=3.5。取4.6级碳钢螺栓,螺栓个数z=πD0/4.5d=650π/(4.5×16)≈28[σ]=σS/S=240/3.5=68.6MPa每个螺栓所受拉力：Fmax=FQ/z=(πR2/4)p/z=(2502π/4)×2/28=3506.24NFΣ=F+F0′=2.8F=2.8×3505.2=9817.4N再估计d=M16~M30，取安全系数S=2.8[σ]=σS/S=240/2.8=86MPa螺栓个数z=πD0/4.5d=650π/(4.5×18)=25.2取z=265.16起重卷筒与大齿轮间用双头螺柱连接，起重钢索拉力F0=50kN，卷筒直径D=400mm，8个螺柱均匀分布在直径D0=500mm圆周上，螺栓性能等级4.6级，结合面摩擦因子f=0.12，可靠度系数Kf=1.2。试确定双头螺柱的直径。解：假设不控制预紧力，估计d=M6~M16，取安全系数S=3.5。[σ]=σS/S=240/3.5=68.6MPa再估计d=M30~M60，取安全系数S=1.5[σ]=σS/S=240/1.5=160MPaM36，d1=31.67mm，M39，d1=34.67mm所以选择M39，d=39mm每个螺栓所受拉力：Fmax=FQ/z=(πR2/4)p/z=(2502π/4)×2/26=3776NFΣ=F+F0′=2.8F=2.8×3776=10573NM16，d1=13.835mm，M18，d1=15.294mm所以选择M18，d=18mm的螺栓26个螺栓最小间距：L0=650π/（z×d）==650π/（26×18）=4.36<4.5满足要求。校核疲劳强度：5.17螺栓组连接的3种方案如图所示，外载荷FR及尺寸L相同，试分析确定各方案中受力最大螺栓所受力的大小，并指出哪个方案比较好，F=FR/3，T=FRL方案1：FTmax=T/2a=FRL/2a，Fmax=F+FTmax=FR/3+FRL/2a==（1/3+L/2a）FR方案2：FTmax=