《机械设计基础》-第5章

5.1螺纹的形成、类型和主参数5.1.1螺纹的形成螺纹的基本几何形状是螺旋线，如图5.1所示，将一直角三角形（底边长为πd2）绕在直径为d2的圆柱体上，同时底边与圆柱体端面圆周线重合，则此三角形的斜边在圆柱体的表面上形成一条螺旋线。在圆柱表面上，用不同形状的车刀沿螺旋线切制出沟槽即形成螺纹。5.1.2螺纹的类型按螺纹加工位置不同，螺纹可分外螺纹和内螺纹。加工在圆柱体外表面上的螺纹称为外螺纹；加工在圆柱体内表面上的螺纹称为内螺纹。内、外螺纹成对使用，由内、外螺纹旋合而成的运动副称为螺纹副。下一页返回5.1螺纹的形成、类型和主参数

按螺纹所起作用的不同，螺纹可分连接螺纹和传动螺纹。起连接作用的螺纹称为连接螺纹，起传递动力作用的螺纹称为传动螺纹。按螺旋线数目的不同，螺纹可分单线螺纹和多线螺纹。在圆柱体上沿一条螺旋线切制的螺纹，称为单线螺纹（如图5.2（a）所示）；在圆柱体上沿二条螺旋线切制的螺纹，称为双线螺纹（如图5.2（b）所示），为了制造的方便，螺纹的线数一般不超过4。单线螺纹主要用于连接，多线螺纹主要用于传递动力。按螺旋线绕行方向的不同，螺纹可分为右旋螺纹和左旋螺纹，如图5.2所示。通常采用右旋螺纹。上一页下一页返回5.1螺纹的形成、类型和主参数

按螺纹牙型角的不同，螺纹可分为三角形（普通）螺纹（图5.3（a））、管螺纹（图5.3（b））、矩形螺纹（图5.3（c））、梯形螺纹（图5.3（d））、锯齿形螺纹（图5.3（e））等，如图5.3所示。三角形（普通）螺纹和管螺纹用于连接，矩形螺纹、梯形螺纹和锯齿形螺纹用于传递动力。按螺纹的制式不同，螺纹可分为公制和英制两类。公制螺纹的螺距以每毫米牙数表示，英制螺纹的螺距以每英寸牙数表示。我国除管螺纹外，多采用公制螺纹。在国际上原来采用英制螺纹的国家也正逐步向公制螺纹的方向过渡。凡是牙型、外径及螺距符合国家标准的螺纹称为标准螺纹。上一页下一页返回5.1螺纹的形成、类型和主参数

5.1.3螺纹的主参数现以图5.4所示的圆柱普通三角形螺纹为例说明螺纹的主要参数。1.大径d（D）它是与外螺纹牙顶或内螺纹牙底相重合的假想圆柱的直径，是螺纹的最大直径，称为大径或公称直径。2.小径d1（D1）它是与外螺纹牙底或内螺纹牙顶相重合的假想圆柱的直径，是螺纹的最小直径，称为小径。上一页下一页返回5.1螺纹的形成、类型和主参数

3.中径d2（D2）螺纹牙厚与牙间宽相等处的假想圆柱的直径，称为中径。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，称为螺距。5.导程L同一条螺旋线上相邻两牙在中径线上对应两点间的轴向距离，称为导程。设螺纹线数为n，则对于单线螺纹有L=P；则对于多线螺纹有L=nP。上一页下一页返回5.1螺纹的形成、类型和主参数

6.牙型角α在螺纹的轴向剖面内，螺纹牙型相邻两侧边的夹角，称为牙型角。

７升角λ在中径d2的圆柱面上，螺纹线的切线与垂直于螺纹轴线的平面间的夹角，称为升角。上一页返回5.3螺纹连接的预紧及防松

5.3.1螺纹连接的预紧螺纹连接在装配时需要拧紧，使螺纹连接在承受工作载荷之前，预先受到力的作用，这个预加作用力称为预紧力。预紧的目的是为了增大连接的紧密性和可靠性。此外，适当地提高预紧力，还能提高螺栓的疲劳强度和防止松动。对于一般的连接，可凭经验控制预紧力F0的大小，但对于重要的连接就要用测力矩扳手（如图5.5所示）严格控制其预紧力。下一页返回5.3螺纹连接的预紧及防松

拧紧时，用扳手施加力矩T，以克服螺纹副中的阻力矩T1和螺母支承面上的摩擦阻力矩T2，故拧紧力矩T为T=T1+T2＝KF0d（5.2）式中，K为拧紧系数，一般K=0.1～0.3，对于M10～M68的粗牙普通螺纹，无润滑时可取K=0.2；F0为预紧力，单位为N；d为螺纹公称直径，单位为mm。对于不控制预紧力的重要的螺栓连接，应采用不小于M12～M16的螺栓，以免装配时拧断。上一页下一页返回5.3螺纹连接的预紧及防松

5.3.2螺纹连接的防松螺纹连接在静载荷作用下或温度不变化时就不会自动松脱。但在冲击、振动、变载荷作用下或温度变化时就可能自动松脱，影响连接的牢固性和紧密性，甚至造成严重事故。所以设计螺纹连接时，应考虑到防松。螺栓连接的防松就是防止螺纹副的相对转动。防松的方法很多，常用的几种防松的方法见表5.3。上一页返回5.4螺栓连接的强度计算

5.4.1普通螺栓连接的强度计算1.松螺栓连接的强度计算起重吊钩的松螺栓连接在装配时不拧紧螺母，如图5.6所示。设当吊钩起吊重物时，螺栓工作时受到的最大轴向载荷为Fa，则螺栓正常工作的强度条件为下一页返回5.4螺栓连接的强度计算

式中，σ为螺栓工作时受到的最大轴向应力，单位为MPa；［σ］为松螺栓连接的许用应力，单位为MPa（见表5.4）；d1为螺纹小径，单位为mm。常用螺栓连接许用应力［σ］及安全系数见表5.4和表5.5。由式（5.3）可得设计公式为上一页下一页返回5.4螺栓连接的强度计算

2.紧螺栓连接的强度计算紧螺栓连接在装配时必须拧紧螺母，螺栓受到预紧力的作用。有的紧螺栓连接只受预紧力的作用，有的则受预紧力的作用和横向或轴向载荷的作用。1）只受预紧力的紧螺栓连接的强度计算这种连接在拧紧螺母时，螺栓受到预紧力作用的同时，还受到拧紧螺母时的摩擦力矩的作用。因此，在紧连接中的螺栓，受到的是拉伸和扭转的组合作用，螺栓所承受的应力是拉伸和扭转切应力的组合应力。上一页下一页返回5.4螺栓连接的强度计算

根据第四强度理论，同时为了计算简便，对于M10～M68普通螺纹的钢制螺栓，考虑扭转对螺栓强度的影响，把螺栓所受的拉力加大30%，即计算载荷为1.3F0，因此，螺栓螺纹部分的强度条件为上一页下一页返回5.4螺栓连接的强度计算

由式（5.5）可得设计公式为式中，σ为螺栓工作时受到的最大轴向应力，单位为MPa；［σ］为紧螺栓连接的许用拉应力，单位为MPa（查表5.4）；d1为螺纹小径，单位为mm；F0为螺栓承受的预紧力，单位为N。上一页下一页返回5.4螺栓连接的强度计算

２）受横向载荷的紧螺栓连接的强度计算如图5.7（a）、图5.7（b）所示，这种连接的螺栓与孔之间有间隙，拧紧螺母后，被连接件由预紧力F0压紧，使被连接件之间产生足够大的摩擦力，以阻止被连接件之间的相对移动。预紧力的大小可根据受横向载荷作用时接合面不发生相对移动的条件确定，也即接合面间产生的最大摩擦力必须大于或等于横向载荷。即上一页下一页返回5.4螺栓连接的强度计算

式中，Ｃ为可靠系数，一般取1.1～1.5；F为横向外载荷，单位为N；z为螺栓数目；f为接合面摩擦系数，可查表5.6；m为接合面的数目。由式（5.8）可知，若取f=0.15，C=1.2，m=1，z=1，则预紧力F0≥＝8F，可见，这种靠摩擦力传递横向载荷的普通螺栓连接，其尺寸是较大的。为了避免上述缺陷，常用减载装置来承担横向工作载荷，而螺栓仅起连接作用。如图5.7（c）所示为接合面内受转矩T作用的普通螺栓连接，工作转矩T是靠摩擦力来传递的。上一页下一页返回5.4螺栓连接的强度计算

若各螺栓的中心线到螺栓组形心距离相等，均为ｒ，则由理论力学可知，预紧力应为式中，C为可靠系数，一般取1.1～1.5；z为螺栓数目；f为接合面摩擦系数，可查表5.6。３）受轴向载荷的紧螺栓连接的强度计算图5.8所示为压力容器的螺栓连接，由于工作前已拧紧螺母，故螺栓受到预紧力的作用，工作时还要受到被连接件传来的工作载荷FE的作用。上一页下一页返回5.4螺栓连接的强度计算

螺栓实际承受的总拉伸载荷Fa与预紧力F0、轴向工作载荷FE及螺栓的刚度、被连接件的刚度有关，可用静力平衡与变形来分析。设图示容器的内径为D，流体的单位压力（压强）为p，连接的螺栓数目为z，则单个螺栓承受轴向工作载荷FE=。螺栓和被连接件在预紧力F0和轴向工作载荷FE作用前后的受力和变形情况如图5.9所示。图5.9（ａ）所示为螺母与被连接件彼此刚好贴合时的情况，此时因螺母未拧紧，故螺栓、被连接件均未受力也无变形。上一页下一页返回5.4螺栓连接的强度计算

图5.9（b）所示为螺母拧紧后，但未承受工作载荷时的情况，这时螺栓在预紧力F0的作用下，拉长了δb0；被连接件在预紧力F0的作用下，缩短了δc0。图5.9（c）所示为连接在预紧后，受到轴向工作载荷FE作用的情况。这时螺栓所受到的轴向拉力由F0增加到Fa，螺杆的长度伸长量增加Δδ，而成为δb0＋Δδ，与此同时，被连接件由于螺杆的伸长量到了一定的弹性恢复，压缩量减少Δδ，而成为δc0－Δδ。与此对应的压力就是残余预紧力FR。上一页下一页返回5.4螺栓连接的强度计算

此时螺栓的总拉伸载荷Fa等于工作载荷FE与残余预紧力FR之和，即Fa=FE＋FR（5.10）紧螺栓连接应能保证被连接件的接合面不产生缝隙，因此，残余预紧力FR应大于零，残余预紧力FR可按下式计算FR=ＫFE总拉伸载荷为Fa＝FE＋ＫFE（5.11）式中，Ｋ为残余预紧系数，其值可查表5.7。上一页下一页返回5.4螺栓连接的强度计算

5.4.2铰制孔螺栓连接的强度计算图5.10所示为铰制孔螺栓连接，这种连接由于螺杆配合部分与通孔采用过渡配合，无间隙，横向载荷直接由螺杆配合部分承受，工作时，螺杆在接合面处承受剪切，螺杆与被连接件孔壁相接触处受挤压，其强度条件为上一页下一页返回5.4螺栓连接的强度计算

式中，d0为螺杆受剪切处的直径，单位为mm；δ为螺杆和被连接件孔壁相接触面受挤压的最小轴向长度，单位为mm；ｍ为螺杆受剪切面的数目；［τ］为螺栓的许用剪切应力，单位为MPa；［σP］为螺栓或孔壁的许用挤压应力，单位为MPa。上一页返回5.5提高螺栓连接强度的措施

5.5.1螺纹连接件的材料螺纹连接件常用的材料有Q215、Q235、35钢和45钢等。承受中等载荷和精密机械中的螺栓可用35钢、45钢；承受重载、高速工况下的螺栓可用合金钢，如40Cr调质钢；特殊用途时，如防腐蚀的化工设备中螺栓可用Cr17Ni2等合金钢；高温下工作时，可用35CrMo（或35CrMoA）；要求导电性好、防腐、防磁、耐高温等特殊的螺栓常用黄铜H62、HPb62防磁、HPb62以及铝合金2B11、2A10等。下一页返回5.5提高螺栓连接强度的措施

5.5.2提高螺栓连接强度的措施1.改善螺纹牙间载荷分布不均匀的现象使用普通螺栓和螺母连接，在传力时其旋合各圈螺纹牙的受力是不均匀的。为了改善螺纹牙间载荷分布不均匀的现象，可采用以下的方法：（１）采用内斜螺母（如图5.11（a）所示），在螺母下端受力大的几圈螺纹处制成10°～15°的斜角。可以把力转移到原受力小的牙上。上一页下一页返回5.5提高螺栓连接强度的措施

（2）采用环槽螺母（如图5.11（b）所示）和悬置螺母（如图5.11（c）所示）。从结构上使螺栓螺母的旋合段均匀受拉，减小螺距变形差，使牙间载荷趋于均匀。2.降低螺栓应力的变化幅度对于受轴向变载荷的紧螺栓连接，应力变化幅度是影响其疲劳强度的重要因素，应力变化幅度越小，疲劳强度越高。减小螺栓的刚度或增加被连接件的刚度，均能使应力变化幅度减小。上一页下一页返回5.5提高螺栓连接强度的措施

减小螺栓刚度的方法有以下几种方法：（1）可在螺母下装弹性元件以降低螺栓刚度，如图5.12所示。（2）适当增大螺栓的长度、减小螺栓光杆直径，如图5.13所示。3.避免承受附加弯曲的应力引起附加弯曲应力的因素很多，除因制造、安装上的误差及被连接件的变形等因素外，螺栓、螺母支承面不平或倾斜，都可能引起附加弯曲的应力。支承面应为加工面，不在斜面上布置螺栓。在工艺上保证被连接件、螺栓头部的支承面应平整，为减少加工面，常将支承面做成凸台、凹坑，如图5.14（a）、图5.14（b）所示。上一页下一页返回5.5提高螺栓连接强度的措施

为了适应特殊的支承面，可采用斜垫圈、球面垫圈，如图5.14（c）、图5.14（d）所示。4.减少应力集中螺纹的牙根与收尾、螺栓头部与螺栓杆交接处都有应力集中，它是产生断裂的危险部位。可以采用较大的圆角半径或在螺纹收尾处留退刀槽等结构，减小应力集中，以提高螺栓的疲劳强度。上一页下一页返回5.5提高螺栓连接强度的措施

5.采用合理的制造工艺制造螺栓采用碾压螺纹时，其螺纹是通过材料的塑性变形而形成的，金属纤维不像车削时那样被切断，其次冷镦头部因冷作硬化而使螺纹表面层留有残余压应力，故螺纹的强度比车削的高。螺栓经过渗氮、液体碳氮共渗、喷丸处理都能提高螺栓的疲劳强度。上一页返回5.6螺栓组连接的结构设计大多数情况下螺栓是成组使用的，因此，合理地布置同一组内螺栓的位置，以使各螺栓受力尽可能均匀，这是螺栓组设计所要解决的主要问题。为了获得合理的结构，螺栓组结构设计时，应考虑以下几个问题：（１）连接接合面的几何形状应与机器的形状相适应，通常设计成轴对称的简单几何形状，如图5.15所示。这样不仅便于制造，而且便于对称分布螺栓，保证接合面的受力均匀。下一页返回5.6螺栓组连接的结构设计

（2）螺栓的分布应使螺栓的受力合理。当螺栓组连接承受弯矩或扭矩时，应使螺栓的位置适当靠近接合面的边缘，以减小螺栓的受力，如图5.15所示；对于铰制孔螺栓连接，应避免在平行于工作载荷方向成排布置8个以上的螺栓。（3）同一螺栓组中螺栓的直径和长度均应相同。分布在同一圆周上的螺栓数目应取成4、6、8等偶数，以便于分度和划线。对于压力容器等紧密性要求高的连接，螺栓的间距t不得大于表5.8推荐的数值。对于一般的连接，螺栓的间距t＝10d。上一页下一页返回5.6螺栓组连接的结构设计

（４）对于同时承受轴向载荷和较大横向载荷的螺栓组连接，为了减小螺栓预紧力和整个连接的结构尺寸，可采用键、圆柱销或套筒等零件作为减载装置，如图5.16所示。（５）螺栓的分布应有合理的间距和边距，以保证连接的紧密性和装配时所需要的扳手空间，如图5.17所示。扳手空间尺寸可查阅有关手册。上一页返回5.7螺旋传动5.7.1螺旋传动的类型1.按用途分螺旋传动按其用途不同，可分为调整螺旋、传导螺旋和传力螺旋三种。１）调整螺旋它用来调整并固定零件的相对位置。如机床、仪器及测试装置中的微调机构的螺旋。调整螺旋不经常转动，一般在空载下调整。如图5.18（a）所示为量具的调整螺旋。下一页返回5.7螺旋传动

２）传导螺旋它以传递运动为主，有时也承受较大的轴向载荷。如机床进给机构（如图5.18（b）所示）的螺旋等。传导螺旋主要在较长的时间内连续工作，工作速度较高，因此，要求具有较高的传动精度。３）传力螺旋它以传递动力为主，要求以较小的转矩传递较大的轴向的推力，如各种起重装置（如图5.18（c）所示）的螺旋。这种传力螺旋主要是承受很大的轴向力，一般为间歇性工作，每次的工作间歇较短，工作速度也不高，而且通常需有自锁能力。上一页下一页返回5.7螺旋传动

2.按螺杆和螺母的相对运动关系分螺旋传动按螺杆和螺母的相对运动关系，可分为以下两种：（1）螺杆转动、螺母移动（如图5.19（a）所示），多用于机床的进给机构中。（2）螺杆转动并移动、螺母固定（如图5.19（b）所示），多用于螺旋起重器或螺旋压力机中。上一页下一页返回5.7螺旋传动

5.7.2滚动螺旋传动滑动螺旋机构的螺旋副由于摩擦阻力大，传动效率低（一般为30％～40％），磨损快，传