机械设计基础课件 模块5 螺纹连接与螺旋传动

汇报时间：汇报人：螺纹连接与螺旋传动目录目录01020304学习目标单元5.1螺纹的形成、几何参数与分类单元5.2螺纹连接的基本类型与标准螺纹连接件单元5.3螺纹连接的预紧与防松05单元5.4螺纹连接的强度计算06单元5.5螺纹连接件的材料和许用应力070809单元5.6提高螺纹连接强度的方法单元5.7螺旋传动单元5.8AI应用实训——利用豆包实现螺纹连接强度的快速校核与防松方案推荐实训PART.01学习目标熟悉螺纹的形成、几何参数与分类。螺纹的形成过程涉及工件的回转运动和刀具的轴向移动，据此可分为外螺纹和内螺纹。螺纹的几何参数包括牙型角、牙侧角、牙型高度、公称直径、螺距、导程、线数、螺纹旋合长度、作用中径、螺纹升角等，各参数对螺纹的性能有重要影响。螺纹按标准可分为标准螺纹、特殊螺纹、非标准螺纹；按螺距可分为粗牙螺纹和细牙螺纹；还可按螺旋方向、线数等进行分类。熟悉螺纹几何参数对互换性的影响。螺纹的几何参数如牙型角、螺距、中径等直接影响螺纹的配合精度和互换性，参数的偏差可能导致螺纹无法正常旋合或连接不可靠。掌握螺旋副的受力分析、效率和自锁。螺旋副在工作时会受到轴向力、圆周力和径向力的作用，需进行受力分析以确保其强度和稳定性。螺旋副的效率与螺纹升角、摩擦系数等因素有关，自锁条件则取决于螺纹升角与摩擦角的关系。了解螺纹连接的基本类型与标准螺纹连接件。螺纹连接的基本类型有螺栓连接、双头螺柱连接、螺钉连接及紧定螺钉连接等。常用的标准螺纹连接件包括螺栓、螺钉、紧定螺钉、螺母、垫圈等，各有其结构特点和应用场景。预紧的目的是增强连接的稳固性和紧密性，预紧力的大小需根据工作条件确定，可通过拧紧力矩控制。防松的目的是防止螺纹连接在振动、载荷变化等情况下松动，常用的防松方法有摩擦防松、机械防松、不可拆卸防松等。掌握螺纹连接的强度计算。受拉螺栓连接的强度计算需考虑松螺栓连接和紧螺栓连接两种情况，紧螺栓连接又包括只受预紧力、受横向外载荷、受轴向静载荷等不同受力状态。受剪切螺栓连接主要承受剪切力，需进行剪切强度和挤压强度计算。螺栓组连接的受力分析需考虑不同的载荷类型，如横向载荷、轴向载荷、旋转力矩、翻转力矩等。掌握螺纹连接件的材料和许用应力。螺纹连接件按精度分为A、B、C三个等级，不同等级的精度、应用场景和性能要求不同。许用应力的计算需根据螺栓的受力情况、材料性能等因素确定，安全系数的选取也需考虑工作条件。熟悉提高螺纹连接强度的方法。改善螺纹牙间的载荷分布不均可采用环槽螺母、悬置螺母、内斜螺母等方法。避免附加应力需保证支承面平整、采用辅助元件等。减小应力集中可通过增大过渡圆角、车制卸载槽等方式。降低螺栓总拉力的变化幅度可采取减小螺栓刚度、增加被连接件刚度等措施。了解螺纹连接的预紧与防松。知识目标螺旋传动按螺纹间的摩擦状态可分为滑动螺旋、滚动螺旋、静压螺旋；按用途和受力情况可分为传力螺旋、传导螺旋、调整螺旋。螺旋传动的常用形式有螺杆转动、螺母移动；螺母转动、螺杆移动；螺母固定、螺杆转动和移动；螺杆固定、螺母转动和移动等，还有差动螺旋传动这种特殊形式。熟悉螺旋传动的分类和常用形式。知识目标0102能够根据螺纹连接的工作条件，正确选择螺纹连接件的类型、几何参数及材料，完成基本螺纹连接的选型、设计和校核。综合考虑载荷性质、连接要求、工作环境等因素，选择合适的螺纹连接类型和连接件。根据强度计算结果，确定螺纹的几何参数和材料，确保连接的安全可靠。能使用测力矩扳手或定力矩扳手控制预紧力，根据实际工况选择合适的防松方法，确保螺纹连接的可靠性。掌握预紧力的控制方法，正确使用相关工具。依据工况特点，从多种防松方法中选择最适宜的方案。技能目标具备解决实际工程问题的能力。能够运用所学知识，对螺纹连接件进行合理选型、设计和校核，确保螺纹连接的可靠性和安全性。将理论知识与实际工程应用相结合，分析和解决螺纹连接设计中的具体问题。能够认识到螺纹松动可能带来的安全隐患，增强安全意识，培养责任心和敬业精神。重视螺纹连接的可靠性，树立安全第一的观念，在设计和操作中严谨认真。素质目标PART.02单元5.1螺纹的形成、几何参数与分类工件绕其轴线进行等速回转，是螺纹形成的基础运动之一。刀具沿工件轴线方向进行等速移动，并切入工件一定深度，与工件的回转运动相互配合，共同决定了螺纹的形状和参数。圆柱表面上通过车削工艺形成螺纹的过程涉及工件的回转运动和刀具的轴向移动。外螺纹：当刀具在工件的外表面进行切削时形成，常见于螺栓、螺钉等紧固件上。内螺纹：当刀具在工件的内表面（如孔内）进行切削时形成，通常出现在螺母、管接头等部件中。根据螺纹形成的位置不同，可分为外螺纹和内螺纹。螺纹的形成牙型角是在螺纹牙型上相邻两个牙侧之间的夹角，用α表示，如米制螺纹通常采用60°牙型角，英制螺纹采用55°牙型角。牙侧角是在螺纹牙型上一个牙侧与垂直于螺纹轴线平面间的夹角，用β表示，普通螺纹的公称牙侧角β₁=β₂=30°。牙型高度是从牙顶到牙底在垂直于螺纹轴线方向上的距离，直接关联到螺纹的承载能力和耐磨性。实体牙型有最大实体牙型和最小实体牙型，分别对应最大和最小的材料量。螺纹牙型是沿螺纹轴线进行剖面切割时展现出的螺纹轮廓形状，是螺纹分类和识别的重要依据。螺纹旋合长度是两个配合螺纹的有效螺纹相互接触的轴向长度，用Lₑ表示，其选择影响连接的紧固程度和密封性能。螺纹大径是与内螺纹的牙底或外螺纹牙顶相重合的假想圆柱直径（螺纹的最大直径）。螺纹中径是在大径和小径之间假想的圆柱直径，其母线通过牙型上沟槽宽度和凸起宽度相等的地方。螺纹小径是与外螺纹的牙底或内螺纹的牙顶相重合的假想圆柱直径（螺纹的最小直径）。公称直径是代表螺纹尺寸的重要参数，通常指螺纹大径的基本尺寸。作用中径是在规定的旋合长度内，恰好包容实际螺纹牙侧的一个假想理想螺纹的中径。线数是在圆柱端面上螺纹的数量，用n表示，线数与导程、螺距的关系为Pₕ=nP。螺距是沿螺纹轴线方向上相邻两牙对应点之间的距离，用P表示；导程是螺纹沿同一条螺旋线旋转一周时轴向移动的距离，用Pₕ表示。螺纹升角是在中径圆柱上，螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面的夹角，用ψ表示。螺纹的几何参数按标准分类可分为标准螺纹、特殊螺纹和非标准螺纹。标准螺纹牙型、大径、螺距均严格遵循国家或国际标准，具有极高的互换性，制造成本相对较低。特殊螺纹为满足特定应用场景或设备需求而设计，通常不具有互换性。非标准螺纹既不遵循国家标准也不遵循国际标准，具有高度的灵活性和个性化，但制造成本和难度较高，互换性较差。按螺距分类可分为粗牙螺纹和细牙螺纹。粗牙螺纹在相同大径下螺距最大，牙型宽大，强度和耐磨性较高，适用于承受较大载荷或需要频繁拆卸的场合。细牙螺纹在相同大径下螺距较小，牙型细密，密封性能和自锁能力较好，适用于需要较高密封性、防止松动或承受较小载荷的场合。其他分类方法包括按螺旋方向和按线数分类。按螺旋方向分为右旋螺纹和左旋螺纹，右旋螺纹顺时针旋转旋入，是工程上最常用的类型；左旋螺纹逆时针旋转旋入，可防止松动或误操作。按线数分为单线螺纹和多线螺纹，单线螺纹结构简单，加工方便；多线螺纹传动效率高、承载能力强，但加工难度较大。010203螺纹的分类PART.03单元5.2螺纹连接的基本类型与标准螺纹连接件双头螺柱连接在拆卸时只需旋下螺母，螺柱仍留在螺纹孔中，螺纹孔不易受损，适用于被连接件太厚而又需经常拆装或结构上受限制不能采用螺栓连接的场合。双头螺柱连接是两端都带有螺纹的螺柱，一端紧固在被连接件的螺纹孔中，另一端穿过另一被连接件的孔并用螺母拧紧。紧定螺钉连接是通过将紧定螺钉旋入被连接件的螺纹孔中，其末端顶住另一被连接件的表面或进入该零件上相应的凹坑中实现固定。紧定螺钉连接多用于轴与轴上零件的连接，可传递不大的力或转矩，结构简单、固定可靠。普通螺栓连接的被连接件上设有通孔，螺栓与通孔之间存在间隙。铰制孔螺栓连接要求螺栓与通孔之间采用基孔制过渡配合，适用于承受横向载荷的连接。螺栓连接构造简单、拆装方便、成本较低，不受被连接件材料限制，适用于被连接件不太厚且能从连接两边进行装配的场合。螺栓连接是利用一端带有螺栓头、另一端带有螺纹的螺栓，穿过被连接件的孔并旋上螺母实现连接。螺钉连接主要用于被连接件太厚或结构上受限制不能采用螺栓连接，且不需经常拆装的场合，因为经常拆装易使螺纹损坏。螺钉连接是直接将螺钉的螺纹部分拧进被连接件的螺纹孔中实现连接，无需螺母。螺纹连接的基本类型螺纹的主要参数1.大径d(公称直径)：螺纹最大直径2.小径d1

：螺纹最小的直径：3.中径d2：牙厚等于压槽处直径4.螺距P：螺纹相邻两牙在中径线上对应两点间的轴向距离5.导程S：在同一条螺旋线上，螺纹相邻两牙在中径线上对应两点间的轴向距离导程S=螺距P

×线数螺纹连接的基本类型六角头螺栓应用最广，头部有六角头和小六角头两种，结构特点和应用场景不同。六角头螺栓头部对边宽度、厚度较大，扳手操作空间充足，适用于装拆频繁的场合；小六角头螺栓材料利用率高、性能好，但头部尺寸小，不宜用于装拆频繁或被连接件强度低的场合。螺钉的国家标准代号为GB/T818-2016，头部形状多样，有圆头、扁圆头、六角头、圆柱头等，头部螺丝刀槽有一字槽、内六角和十字槽等形式。内六角螺钉能承受较大的扳拧力矩，连接强度高，可代替六角头螺栓用于要求结构紧凑的场合；十字槽螺钉头部强度高，对中性好，便于自动装配。紧定螺钉的国家标准代号为GB/T71-2018，末端形状有平端、圆柱端和锥端等多种形式。平端接触面积大，不损坏零件表面，常用于紧定硬度较高的平面或经常拆卸的场合；圆柱端压入轴上的凹坑中，适用于固定空心轴上的零件位置；锥端适用于被紧定零件的表面硬度较低或不经常拆卸的场合。其他标准螺纹连接件还包括自攻螺钉、双头螺柱、六角螺母、圆螺母、垫圈等，各有其结构特点和应用。自攻螺钉多用于连接金属薄板、轻合金或塑料零件，可直接攻出螺纹。双头螺柱一端旋入铸铁或非铁金属的螺纹孔中，另一端用于安装螺母固定其他零件。六角螺母有标准螺母和薄螺母两种类型，制造精度分为A、B、C三级，与同级别的螺栓配合使用。圆螺母常与止退垫圈配合使用，用于滚动轴承的轴向固定。垫圈是螺纹连接中不可缺少的附件，起保护支承表面等作用。标准螺纹连接件标准螺纹连接件1.螺栓联接2.双头螺柱联接3.螺钉联接4.紧定螺钉联接PART.04单元5.3螺纹连接的预紧与防松预紧力的数值需根据实际工作条件确定，如载荷性质、连接的刚度等。在装配过程中，预紧力通过拧紧力矩控制，重要的螺纹连接需借助测力矩扳手或定力矩扳手，扳手力矩公式为T=KF₀d，其中K为拧紧力矩系数，F₀为预紧力，d为螺纹的公称直径。螺纹连接预紧的主要目的是防止受载后连接件间出现缝隙或发生相对滑移，增强连接的稳固性和紧密性。螺纹连接的预紧机械防松方法有开口销与槽形螺母、止动垫圈、圆螺母和带翅垫圈、串联钢丝等，通过机械约束防止松动。摩擦防松方法有对顶螺母、弹簧垫圈、自锁螺母等，利用摩擦力防止松动。不可拆卸防松方法有冲点、点焊、黏结等，防松可靠但拆卸后连接不能重复使用。螺栓连接防松的目的是阻止螺纹副的相对转动，通常通过消除或限制相对运动、增加相对运动难度实现。螺纹连接的防松PART.05单元5.4螺纹连接的强度计算松螺栓连接在承受工作载荷前螺栓不拧紧，工作时受轴向力作用，强度条件为σ=F/A=F/(πd₁²/4)≤[σ]，设计公式为d₁≥√(4F/(π[σ]))。其中d₁为螺栓危险截面的直径（螺纹的小径），[σ]为松连接的螺栓的许用拉应力。紧螺栓连接在工作前拧紧，受预紧力和工作载荷作用，根据受力情况不同有不同的强度计算方法。只受预紧力的紧螺栓连接，考虑螺纹摩擦力矩产生的切应力，按第四强度理论，强度条件为σₑ=1.3F₀/(πd₁²/4)≤[σ]，设计公式为d₁≥√(4×1.3F₀/(π[σ]))。受横向外载荷的紧螺栓连接，靠预紧力产生的摩擦力传递外载荷，需保证F₀fm≥KₐF_R，强度计算与只受预紧力的情况类似。受轴向静载荷的紧螺栓连接，螺栓所受总拉力为工作载荷与残余预紧力之和，强度条件考虑总拉力和扭转切应力的影响。受拉螺栓连接剪切强度条件为τ=F_R/(πd₀²/4)≤[τ]，其中d₀为螺栓杆直径。挤压强度条件为σ_p=F_R/(d₀δ)≤[σ_p]，其中δ为螺栓与孔壁的接触长度。受剪切螺栓主要承受剪切力，螺栓杆与孔壁之间可能发生压溃或被剪断，需进行剪切强度和挤压强度计算。受剪切螺栓连接受横向载荷的螺栓组连接，普通螺栓连接通过摩擦力传递载荷，铰制孔用螺栓连接每个螺栓所受横向工作剪力为F_s=F_R/z。受轴向载荷的螺栓组连接，每个螺栓所受轴向工作载荷为F=F_Q/z。受翻转力矩的螺栓组连接，需计算螺栓的工作载荷，并确保接合面不出现间隙和压溃。螺栓组连接的受力状态复杂，可归纳为受横向载荷、轴向载荷、旋转力矩、翻转力矩等基本受力状态。受旋转力矩的螺栓组连接，普通螺栓连接需计算预紧力，铰制孔用螺栓连接需计算各螺栓所受剪力。螺栓组连接的受力分析PART.06单元5.5螺纹连接件的材料和许用应力A级精度螺纹连接件公差最小、精度最高，适用于对配合精度有严格要求、需要防止振动的关键零件连接。B级精度螺纹连接件公差较A级放宽，应用范围广泛，多用于受载较大且经常需要装拆、调整或承受变载荷的场合。C级精度螺纹连接件公差最大、精度较低，但制造成本低、易于加工和安装，广泛应用于一般的螺纹连接场景。螺纹连接件分为A、B、C三个等级，各等级在精度、应用场景及性能要求上不同。螺纹连接件的材料受轴向载荷的紧螺栓连接，许用应力[σ]=σ_s/S，安全系数S根据预紧力控制情况和螺栓材料等选取。能严格控制预紧力时，安全系数S=1.2~1.5；不能严格控制预紧力时，安全系数S按不同情况选取。1铰制孔用螺栓受横向静载荷和变载荷时，许用切应力和挤压许用应力的计算方法不同。受横向静载荷时，剪切许用应力[τ]=σ_s/2.5，挤压许用应力根据被连接件材料选取。受横向变载荷时，剪切许用应力[τ]=σ_s/(3.5~5)，挤压许用应力降低20%~30%。2螺纹连接件的许用应力PART.07单元5.6提高螺纹连接强度的方法普通结构的螺栓与螺母旋合传力时，载荷分布不均，母自支承面上的第一圈螺纹承受总载荷的1/3以上。可采用环槽螺母、悬置螺母、内斜螺母等方法改善载荷分布不均的问题，如环槽螺母使螺母的刚性降低，由受压改为受拉。改善螺纹牙间的载荷分布不均为避免偏心载荷，需保持螺钉头与螺母的支承面平整并与螺母轴线垂直，采用斜垫圈、球面垫圈等辅助元件，或将被连接件的支承面做成凸台、沉孔等形状。螺栓可能因偏心载荷产生附加弯曲应力，如被连接件刚度小、使用钩头螺栓或支承面不平等因素。01避免附加应力增大过渡圆角使应力分布更均匀；车制卸载槽引导应力流向，避开关键部位。应力集中会增大螺纹部分的应力水平，可通过增大过渡圆角、车制卸载槽等方法减小应力集中。

减小应力集中可采用减载装置、使用柔性螺栓、在螺母下装弹性元件、采用垫片或O形密封圈等方法减小螺栓刚度、增加被连接件刚度。螺栓刚度过大或被连接件刚度过小时，螺栓总拉力的变化幅度增大，易发生疲劳破坏。降低螺栓总拉力的变化幅度PART.08单元5.7螺旋传动02滑动螺旋结构简单、制造方便，但摩擦磨损大，精度易下降。滚动螺旋效率高、磨损小、精度保持性好，但结构复杂、制造成本高。静压螺旋高精度、高刚度、抗振性能好，但系统复杂，需液压装置支持。按螺纹间的摩擦状态可分为滑动螺旋、滚动螺旋和静压螺旋。01传力螺旋主要用于传递动力，要求以较小的转矩产生较大的轴向力，具有自锁能力，如螺旋千斤顶。传导螺旋主要用于传递运动，要求较高精度，如金属切削机床的进给丝杠。调整螺旋主要用于调整和固定零件间的相互位置，如轧钢机的轧辊压下螺旋。按用途和受力情况可分为传力螺旋、传导螺旋和调整螺旋。螺旋传动的分类螺母转动、螺杆移动，螺母为原动件旋转，螺杆沿自身轴线方向直线移动，在特定场合有独特优势。Part.02螺杆固定、螺母转动和移动，螺杆固定，螺母同时进行旋转和直线移动，在某些特定应用中具有独特价值。Part.04Part.05Part.01螺母固定、螺杆转动和移动，螺母固定，螺杆同时进行旋转和直线移动，用于需精确控制直线位移和旋转角度的场合。Part.03螺杆转动、螺母移动，螺杆为原动件旋转，螺母沿螺杆轴线方向直线移动，常见于各类螺旋传动装置。差动螺旋传动由螺杆、固定螺母和可动螺母组成，