《机械设计基础》-第6章

第6章螺纹连接和螺旋传动

在机器的设计和制造中，为了减少制造、安装、维修和运输费用，以及尽可能减轻机器重量、节约贵重金属、降低生产成本和提高劳动生产率，在一部机器中经常可以看到使用了不同的材料来制造不同的零件，然后通过一定的方式和连接手段把这些零件连接成一个整体，来实现预期的性能要求，故在机器和设备的各零、部件间广泛采用各种连接。下一页返回第6章螺纹连接和螺旋传动

连接可分为可拆连接和不可拆连接两类。不损坏连接中的任一零件就可将被连接件拆开的连接称为可拆连接，这类连接可多次拆装仍然无损于使用性能，如螺纹连接、键连接和销连接等。不可拆连接是指至少必须损坏连接中的某一部分才能拆开的连接，如焊接、铆钉连接和黏接等。螺纹边接和螺旋传动都是利用具有螺纹的零件工作的，螺纹连接是作为紧固连接件用，螺旋传动是作为传动使用。本章主要讨论螺纹连接的结构、计算和设计，重点介绍螺栓连接的强度计算、螺栓组的受力分析及提高螺栓连接强度的措施。上一页返回6.1螺纹6.1.1螺纹的分类螺纹有内螺纹和外螺纹两种类型，二者共同组成螺纹副用于连接和传动。螺纹有公制和英制两种，在我国除管螺纹外都采用公制螺纹。螺纹轴向剖面的形状称为螺纹的牙型，常用的螺纹牙型有二角形、矩形、梯形、锯齿形和管螺纹等，如图6-1所示。其中二角形螺纹主要用于连接，其余多用剧专动。下一页返回6.1螺纹(1)二角形螺纹(普通螺纹)

牙型角为60°，可以分为粗牙和细牙，粗牙用于一般连接;与粗牙螺纹相比，细牙由于在相同公称直径时，螺距小，螺纹深度浅，导程和升角也小，自锁性能好，宜用于薄壁零件和微调装置。

(2)管螺纹多用于有紧密性要求的管件连接，牙型角为55°，公称直径近似于管子内径，属于细牙三角形螺纹。下一页返回上一页6.1螺纹(3)梯形螺纹牙型角为30°，是应用最为广泛的传动螺纹。

(4)锯齿形螺纹两侧牙型角分别为3°和30°,3°的一侧用来承受载荷，可得到较高效率;30°的一侧用来增加牙根强度。适用于单向受载的传动螺纹。下一页返回上一页6.1螺纹(5)矩形螺纹牙型角为0°，适于作传动螺纹。以上5种常见螺纹牙型如图6-1所示。按螺纹线绕行方向的不同，螺纹可分为右旋螺纹和左旋螺纹，如图6-2所示。机械制造中常采用右旋螺纹。根据螺纹线的数目，可将螺纹分为单线螺纹和多线螺纹。下一页返回上一页6.1螺纹6.1.2螺纹的主要参数在机械制图中，已经接触过螺纹和螺纹连接件。现在就以图6-3所示来说明螺纹的主要几何参数，该图是GB192-81标准化的螺纹牙型图。

(1)大径d。螺纹的最大直径，在标准中也作公称直径。

(2)中径d2。通过螺纹轴向剖面内牙型上的沟槽和凸起宽度相等处的假想圆柱面的直径，近似等于螺纹的平均直径，是确定螺纹几何参数的直径。下一页返回上一页6.1螺纹(3)小径d1。即螺纹的最小直径，在强度计算中常作为危险剖面的计算直径。

(4)螺距P。螺纹相邻两牙在中径上对应两点的轴向距离。

(5)线数n。螺纹的螺旋线数量，也称螺纹头数。

(6)导程s。同一螺旋线上的相邻两牙在中径线上对应两点间的轴向距离。对于单线螺纹，s=p;对于多线螺纹，s=np。

(7)升角λ。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。下一页返回上一页6.1螺纹(8)牙型角α、牙型角β。在螺纹的轴向剖面内，螺纹牙型两侧边的夹角称为牙型角α。牙型侧边与螺纹轴线的垂线间的夹角称为牙型角β，对称牙型的α=2β。对于这些几何参数值的规定，国际上和国内都已经标准化。规定的值不同，就会形成不同的螺纹，需要时可以查阅相关的手册和国家标准。下一页返回上一页6.1螺纹6.1.3螺纹紧固件螺纹紧固件的品种很多，在机械制造中常见的螺纹连接件有螺栓、双头螺栓、螺钉、紧定螺钉、螺母和垫圈等，这类零件已标准化，设计可根据有关标准选用。

1.螺栓螺栓是工程上、日常生活中应用最为普遍、广泛的紧固件之一，其形状如图6-4所示。下一页返回上一页6.1螺纹

螺栓的头部有各种不同形状，但是最常见的是六角头，为了满足工程上的不同需要，六角头又有标准六角头和小六角头。一般情况下使用标准六角头，在空间尺寸受到限制的地方使用小六角头螺栓。但是，小六角头螺栓的支承面积较小，如果用于经常拆卸的场合时，螺栓头的棱角也易于磨圆。

2.双头螺检如图6-5所示。双头螺栓的两端都制有螺纹，两端的螺纹可以相同，也可以不同。其安装方式是一端旋入被连接件的螺纹孔中，另一端用来安装螺母。下一页返回上一页6.1螺纹3.螺钉螺钉的头部有各种形状，如图6-6所示。为了明确表示螺钉的特点，所以通常以其头部的形状来命名，如半圆头螺钉、圆柱头螺钉、沉头螺钉和内六角圆柱螺钉等。螺钉的承载力一般较小。但是要注意:在许多情况下，螺栓也可以用作螺钉。

4.紧定螺打常用紧定螺钉如图6-7所示。紧定螺钉主要用于小载荷的情况下。例如，在传递圆周力为主的情况下，防止传动零件的轴向串动等。可以看出，紧定螺钉的工作面是在末端，所以对于重要的紧定螺钉需要淬火硬化后才能满足要求。下一页返回上一页6.1螺纹5.螺母螺母是和螺栓相配套的标准零件，其外形有六角形、圆形、方形及其他特殊的形状，如图6-8所示。其厚度有厚的、标准的和扁的，其中以标准的应用最广。下一页返回上一页6.1螺纹6.垫圈垫圈也是标准件，品种也最多，如图6-9所示。但是，应用最多、最常见的有平垫和弹簧垫两种。平垫的目的主要是为了增加支承面积，同时对支承面起保护作用。弹簧垫主要是用于防止螺母和其他紧固件的自动松脱。所以凡是有振动的地方又未采取其他防松措施时，原则上都应该加装弹簧垫。除了以上两类垫圈外，还有一些特殊的垫圈，如防斜垫圈、止动垫圈等。在需要的时候可查阅设计手册。下一页返回上一页6.1螺纹

在选用标准紧固件时，应该视具体情况，对连接结构进行分析比较后合理选择。另外需要注意:螺纹紧固件一般分精制和粗制两种，在机械工业中主要选择使用精制螺纹。下一页返回上一页6.1螺纹6.1.4螺纹连接的基本类型根据所用紧固件和连接方式的不同，螺纹连接可以分为4种基本类型。下一页返回上一页6.1螺纹1.螺检连接

图6-10所示为螺栓连接。其主要特点是被连接件上制有通孔，孔与螺栓杆之间可以留有间隙(普通螺栓连接)，也可以将螺栓杆上的没有螺纹部分作成与孔的过渡配合连接形式。普通螺栓连接:由于孔和杆之间留有间隙，可以补偿各孔之间的位置误差，且加工简单，装拆方便，所以得到广泛的应用。通孔的大小不能随意，应该根据装配精度查机械设计手册确定。下一页返回上一页6.1螺纹

铰制孔螺栓连接:多采用基孔制过渡配合，如H7/m6、H7/n6等，螺杆与通孔加工精度高。由于孔与杆之间是过渡配合，具有定位作用，可以承受横向载荷，但是加工成本高。在选择螺栓时，需要考虑连接的结构尺寸进行。下一页返回上一页6.1螺纹2.双头螺检连接如图6-11所示，其主要特点为一个被连接件上制有螺纹孔，其他被连接件上则有通孔。这种连接主要用于被连接件较厚或受到空间位置尺寸限制，而又需要经常拆卸的情况下使用。这种连接拆卸时，只需要把螺母拧下即可，而螺柱留在原位，以免因多次拆卸使内螺纹损坏(磨损失效)。其螺柱的拧入深度的取值与被连接件的材料、螺柱的直径有关。下一页返回上一页6.1螺纹3.螺钉连接

图6-12所示为典型的工程螺钉连接形式，其特点是:在一个被连接件上加工有螺纹孔，装配时螺钉直接拧入螺纹孔中，不需要螺母。这种连接主要用在空间位置受到限制，而且连接不需要经常拆卸的地方。比较上面3种连接方式可以看出，一般情况使用螺栓连接，在空间位置尺寸受到限制时，可以使用双头螺栓连接，也可以使用螺钉连接，其选择取决于拆卸的频繁程度。下一页返回上一页6.1螺纹4.紧定螺打连接如图6-13所示，这种连接主要用来固定被连接件的相对位置的。主要传递扭矩，为了防止轴向串动加设紧定螺钉。当然，也可以传递较小的力或扭矩。返回上一页6.2螺纹连接的预紧和防松6.2.1螺纹连接的预紧任何材料在受到外力作用时，都会产生或多或少的形变，螺栓也不例外。当连接螺栓承受外在拉力时，将会伸长。如果在初始时仅将螺母拧上使各个接合面贴合，那么在受到外力作用时，接合面之间将会产生间隙。所以为了防止这种情况的出现，在零件未受工作载荷前需要将螺母拧紧，使组成连接的所有零件都产生一定的弹性变形(螺栓伸长、被连接件压缩)，从而可以有效地保证连接的可靠。这样，各零件在承受工作载荷前就受到了力的作用，这种方式就称为预紧，这个预加的作用力就称为预紧力。下一页返回6.2螺纹连接的预紧和防松

显然，预紧的目的就是:增强连接的紧密性、可靠性，防止受载后被连接件之间出现间隙或发生相对滑移。经验证明:选用较大的预紧力，对螺栓连接的可靠性及螺栓的疲劳强度都是有利的。但过大的预紧力会使紧固件在装配或偶尔过载时断裂。因此，对于重要的螺栓连接，在装配时需要控制预紧力。下一页返回上一页6.2螺纹连接的预紧和防松

对于一般连接用的钢制螺栓，其连接预紧力Qp不超过其材料屈服极限σs的80%。可以按下面推荐的关系式确定:

碳素钢螺栓:

合金钢螺栓:式中A1——螺栓的危险剖面面积。预紧力的具体数值应该根据载荷性质、连接刚度(后面要讲)等具体的工作条件来确定。对于重要的螺栓连接，应在图纸上作为技术条件注明预紧力矩，以便在装配时保证精度要求。下一页返回上一页6.2螺纹连接的预紧和防松1.预紧力控制方法在装配时，预紧力是借助于测力矩扳手或定力矩扳手控制的，如图6-14、图6-15所示，通过控制拧紧力矩来间接保证预紧力的。预紧力矩由两部分组成:螺纹副的摩擦力矩Tl}螺母和钉头与支承面间的摩擦力矩T2。下一页返回上一页6.2螺纹连接的预紧和防松

预紧力矩的计算公式为

式中Qp——预紧力;λ——螺纹升角;ρv——螺旋副的当量摩擦角;D0,d0——支承面环形带的外径、内径;d2——螺纹中径;fc——支承面间的摩擦系数。下一页返回上一页6.2螺纹连接的预紧和防松

对于d=10~64mm的常用粗牙普通钢制螺栓，上式可近似简化为

对于只靠经验而不加严格控制预紧力的重要螺栓，如压力容器、输气、输油管道等连接螺栓，不宜采用小于M12~M16的紧固件。下一页返回上一页6.2螺纹连接的预紧和防松2.预紧应力预紧应力的计算应综合考虑QP产生的拉应力和摩擦力矩产生的剪应力，故对采用塑性钢材制造的普通紧固件，应该采用第四强度理论来计算其。

也即可以将预紧力增加30%，以考虑扭转剪应力的影响。下一页返回上一页6.2螺纹连接的预紧和防松6.2.2螺纹连接的防松机械中连接的失效(松脱)，轻者会造成工作不正常，重者要引起严重事故。因此，螺纹连接的防松是工程工作中必须考虑的问题之一。下一页返回上一页6.2螺纹连接的预紧和防松

一般来说，连接螺纹具有一定的自锁性，在静载荷条件下并不会自动松脱。但是，由于连接的工作条件是千变万化、各不相同的具体实际场合，都不可避免地存在冲击、振动、变载荷作用。在这些工况条件下，螺纹副之间的摩擦力会出现瞬时消失或减小的现象;同时在高温或温度变化比较大的场合，材料会发生蠕变和应力松弛，也会使摩擦力减小。在多次的作用下，就会造成连接的逐渐松脱。防松的本质:就是防止螺纹副的相对转动，也就是螺栓与螺母间的相对转动(内螺纹与外螺纹之间)。下一页返回上一页6.2螺纹连接的预紧和防松

常用的防松方法有3种:摩擦防松、机械防松和永久防松。机械防松和摩擦防松称为可拆卸防松，而永久防松称为不可拆卸防松。常用的永久防松有点焊、铆接、黏合等。这种方法在拆卸时大多要破坏螺纹紧固件，无法重复使用。常见摩擦防松方法:利用垫片、自锁螺母及双螺母等。常见的机械防松方法:利用开口销、止动垫片及串钢丝绳等。机械防松的方法比较可靠，对于重要的连接要使用机械防松的方法。下一页返回上一页6.2螺纹连接的预紧和防松

下面分述如下。

1.摩擦防松

(1)弹簧垫圈防松弹簧垫圈材料为弹簧钢，装配后垫圈被压平，其反弹力能使螺纹间保持压紧力和摩擦力，从而实现防松，如图6-16所示。

(2)对顶螺母防松利用螺母对顶作用使螺栓始终受到附加的拉力和附加的摩擦力。由于多用一个螺母，并且工作不十分可靠，目前已经很少使用了，如图6-17所示。下一页返回上一页6.2螺纹连接的预紧和防松(3)弹性圈螺母防松螺纹旋入处嵌入纤维或尼龙来增加摩擦力。该弹性圈还起防止液体泄漏的作用，如图6-18所示。

(4)自锁螺母防松螺母一端制成非圆形收口或开缝后径向收口。当螺母拧紧后，收口胀开，利用收口的弹力使旋合螺纹间压紧。这种防松结构简单，防松可靠，可多次拆装而不降低防松性能，如图6-19所示。下一页返回上一页6.2螺纹连接的预紧和防松2.机械防松

(1)槽形螺母和开口销防松槽形螺母拧紧后，用开口销穿过螺栓尾部小孔和螺母的槽，也可以用普通螺母拧紧后进行配钻销孔，如图6-20所示。

(2)圆螺母和止动垫圈防松使垫圈内舌嵌入螺栓(轴)的槽内，拧紧螺母后将垫圈外舌之一褶嵌于螺母的一个槽内，如图6-21所示。下一页返回上一页6.2螺纹连接的预紧和防松(3)止动垫圈防松螺母拧紧后，将单耳或双耳止动垫圈分别向螺母和被连接件的侧面折弯贴紧，实现防松。如果两个螺栓需要双联锁紧时，可采用双联止动垫圈，如图6-22所示。

(4)串联钢丝防松用低碳钢钢丝穿入各螺钉头部的孔内，将各螺钉串联起来，使其相互制动。这种结构需要注意钢丝穿入的方向，如图6-23所示。下一页返回上一页6.2螺纹连接的预紧和防松3.冲边法防松冲边法防松如图6-24所示。

4.钻合防松通常采用厌氧胶黏接剂涂于螺纹旋合表面，拧紧螺母后黏接剂能够自行固化，防松效果良好，如图6-25所示。返回上一页6.3螺纹连接的强度计算

螺栓组的结构设计完成之后，对于重要的螺栓连接都应该进行强度计算。螺纹连接的主要失效形式有3类:拉断;剪断;对于铰制孔连接出现孔或螺栓挤压变形。一般来说这3类失效形式是不会同时发生的。进行螺栓连接强度计算的第一步就是进行载荷分析，确定其中受载最大的螺栓及载荷大小，然后根据失效可能的发生形式选择不同的方法进行计算。下一页返回6.3螺纹连接的强度计算

在轴向载荷的作用下，螺栓的失效形式为螺栓拉断。根据统计分析，在静载荷条件下，除少数由于严重过载失效外，螺栓连接很少发生破坏，但在变载荷条件下，螺栓则易发生疲劳断裂。图6-26所示显示了疲劳断裂常发生的部位及所占的比例。因此，螺栓连接强度计算的目的，主要是依据载荷的性质、连接的类型来确定螺栓所受的力，然后按相应的强度条件计算螺纹小径或校核其强度。下一页返回上一页6.3螺纹连接的强度计算6.3.1松螺栓连接的强度计算松螺栓连接时，螺母、螺栓和被连接件不需要拧紧，在承受工作载荷前，连接螺栓是不受力的，典型的结构如图6-27所示的起重机吊钩。下一页返回上一页6.3螺纹连接的强度计算

该螺栓连接在外载荷F作用下，其强度条件式为

安全系数需要根据具体情况，参照有关标准和设计规范确定。下一页返回上一页6.3螺纹连接的强度计算6.3.2紧螺栓连接的强度计算这种装配，螺栓将承受预紧力和工作载荷的双重作用。而工作载荷的作用方式有横向载荷和轴向载荷两种。

1.承受横向载荷作用时的强度计算同样的承受横向载荷，螺栓连接的方式又有两类:普通螺栓连接和铰制螺栓连接。下一页返回上一页6.3螺纹连接的强度计算

对于这两类连接方式，其对应的失效方式是不同的。对于普通螺栓连接来说，如果两连接接合面间发生相对滑移即被视为失效;而铰制孔连接是依靠螺栓受挤压的强度决定的。对于普通螺纹连接，如图6-28所示，强度的计算准则为:预紧力在接合面所产生的摩擦力必须足以阻止被连接件间的相对滑移。设螺栓组中各螺栓所承担的载荷是均等的，则强度关系式可以表示为

下一页返回上一页6.3螺纹连接的强度计算

螺栓杆的计算应力为

下一页返回上一页6.3螺纹连接的强度计算

我们知道，这时的QP需要很大才能满足要求，势必要增加螺栓直径。为避免这种缺陷，可以采用如图6-29所示的减载装置结构，利用键、套筒或销来承受横向工作的载荷，使得螺栓只用来保证连接，而不再承受工作载荷，因此预紧力不需要很大。这种装置的连接强度是按减载零件(键、套筒或销)的剪切、挤压强度条件进行计算。下一页返回上一页6.3螺纹连接的强度计算此外为简化结构，还可以采用铰制孔用螺栓连接，如图6-30所示。因为螺栓杆与孔壁之间没有间隙，当承受横向载荷时，接触表面受挤压，在连接接合面处，螺栓杆则承受剪切。因此应该对螺栓杆与孔壁配合面的挤压强度和钉杆横剖面的抗剪切强度进行验算。强度验算式为

下一页返回上一页6.3螺纹连接的强度计算2.承受轴向载荷时的强度计算受轴向载荷的预紧螺栓连接是工程上使用最多的一种连接方式。这时，必须同时考虑预紧力和外载力对连接的综合影响。图6-31所示为螺栓连接的预紧和工作的全过程中螺栓与被连接件受力变形过程的结构示意图(注意:为了说明问题，图中的尺寸有些夸大)。下一页返回上一页6.3螺纹连接的强度计算

当螺栓未拧紧时，螺栓和被连接件都处于自然状态。当施加预紧力Qp后，螺母拧紧，螺栓杆对应于Qp伸长λb

，被连接件在Qp的作用下产生压缩变形量为λm

。当连接上作用有外载F时，螺栓杆将继续伸长，其增量为△λ，被连接件因压力减小而产生部分弹性恢复，其压缩变形的恢复量也应该等于△λ，此时被连接件上的残余压力称为残余预紧力，用Q′p表示。将上面所述的过程用受力与变形关系线图表示出来如图6-32所示。下一页返回上一页6.3螺纹连接的强度计算

由图可以看出，螺栓杆上所受的总拉力Q可用下面的关系式表示:

可以看出，螺栓杆和被连接件的变形是彼此相关的，作用在螺栓上的总拉力Q并不等于预紧力和外载力之和，这一点计算中要特别注意。下一页返回上一页6.3螺纹连接的强度计算

外载荷可以通过对螺栓组的受力分析求得。对于残余预紧力Q′p

，一般按螺栓连接要求或重要程度由经验选取，都必须使Q′p>0。在没有资料时，可按下面推荐值选用:

由图6-32所示的几何关系得到关系式:

下一页返回上一页6.3螺纹连接的强度计算

人们把Cb、Cm分别称为螺栓和被连接件的刚度，即产生单位变形所需力的大小。一旦材料和结构确定后，Cb、Cm可视为常数。同样，由几何关系可导出下面的关系式:

下一页返回上一页6.3螺纹连接的强度计算

为保证有足够的残余预紧力Q′p

，就要保证:

式中

下一页返回上一页6.3螺纹连接的强度计算

由式可以看出，当时，外载施加在螺栓上的载荷△F将很小。在其他条件不变的情况下，Qp、Q′p将减小。所以，在一般连接件中采用较硬的金属垫片以减小螺栓直径。而密封性要求较高时，采用软金属作垫片。下一页返回上一页6.3螺纹连接的强度计算

我们知道，理论计算和工程实际是有差别的，为了保证可靠预紧，在求得Q以后，考虑到其他因素(如扭转剪切应力等)的影响，应将Q增加30%。所以

返回上一页6.4提高螺栓连接强度的措施

螺栓连接的强度主要取决于螺栓强度，而影响螺栓强度的因素有许多。那么如何提高螺栓连接强度呢?1.降低影响螺检疲劳强度的应力幅

(1)由图6-32可以看出，随着外载在0~F之间的变化，螺栓总拉力将在Q和Qp之间变化，其变动幅度为△F，而下一页返回6.4提高螺栓连接强度的措施

以:改变螺栓的长度或形状，如图6-33所示，以降低螺栓的刚度;利用一定的方法提高蛛，例如，图6-34所示，采用刚度较大的金属垫片或采用密封圈进行密封。下一页返回上一页6.4提高螺栓连接强度的措施2.改善螺纹牙间的载荷分布不均现象在连接承受轴向载荷作用时，在整个螺纹长度上，其承受的载荷是不同的，而是逐圈递减的。试验证明:约有1/3的载荷集中在第一圈螺纹上，以后各圈递减，在第8圈以后螺纹几乎不承受载荷，如图6-35和图6-36所示，所以希望利用增加螺母厚度来提高连接强度的效果不大。下一页返回上一页6.4提高螺栓连接强度的措施

改善载荷不均匀的措施，原则上是减小螺栓与螺母二者承受载荷时螺距的变化差，尽可能使螺纹各圈承受载荷接近均等。常用的方法有:将螺母设计成受拉伸的;在螺母的旋入端最初螺纹上制出倒角，如图6-37所示;采用均载钢丝套，利用钢丝螺套的膨胀作用起到均载的作用。下一页返回上一页6.4提高螺栓连接强度的措施3.避免或减小附加应力附加应力是指由于制造、装配或不正确设计而在螺栓中产生的额外附加弯曲应力。为此，连接的支承面必须进行加工，设计时常将支承面设计成单个凸台锪平或采用沉头座(又称鱼眼坑)，保证设计、制造、安装时螺栓轴线与被连接件的接合面垂直，如图6-38所示。下一页返回上一页6.4提高螺栓连接强度的措施4.减小应力集中的影响我们已经知道应力集中是十分有害的。曾经看到一根直径大约600mm的轴由于应力集中而产生断裂的情况。螺栓的断裂也最容易在应力集中处产生。为了减少应力集中，可以采用如图6-39所示的卸载结构。

5.采用合理的制造工艺采用合理的制造工艺方法，也可以提高螺栓的疲劳强度，如采用冷墩、滚压或利用氮化和氰化的热处理工艺，可以极大地提高螺栓的疲劳强度(滚压可以提高30%~40%，如果经过热处理再滚压甚至可以提高70%~100%)。返回上一页6.5螺旋副的受力分析、效率和自锁

为了便于分析，根据牙型角不同常把螺纹分为矩形螺纹和非矩形螺纹两种情况。6.5.1矩形螺纹螺旋副是由外螺纹(螺杆)和内螺纹组成的运动副，经过简化可以看作推动滑块(重物)沿螺纹表面运动(图6-40)。将矩形螺纹沿中径d2处展开，得一倾斜角为λ(即螺纹升角)的斜面，斜面上的滑块代表螺母，螺母和螺杆的相对运动可以看作滑块在斜面上的运动。下一页返回6.5螺旋副的受力分析、效率和自锁

图6-40(b)所示为滑块在斜面上高速上升时的受力图。FQ为轴向载荷，F相当于旋转螺母时作用在螺纹中径上的水平推力，FN为法向反力，摩擦力，f为摩擦系数，FR为FN与Ff的合力，ρ为FR与FN的夹角，称为摩擦角，ρ=arctanf。根据平衡条件作力封闭图，得:

所以，转动螺纹所需的转矩力为：下一页返回上一页6.5螺旋副的受力分析、效率和自锁

螺母旋转一周所需的输入功为:;此时螺母上升一个导程s，其有效功为:。因此螺旋副的效率为

将效率公式绘制成曲线如图6-41所示。可见，当时效率最高，但过大的升角使制造困难，并且由曲线图可以看出:当λ＞25°

之后，效率的增加不明显，所以通常取λ不超过25°。下一页返回上一页6.5螺旋副的受力分析、效率和自锁

当滑块沿斜面等速下降时，摩擦力向上，轴向载荷FQ变成驱动滑块等速下滑的驱动力，F为阻碍滑块下降的支持力，由如图6-42所示的力封闭图可知:

当转动一周时，输入功为W1=FQs，输出功为，此时螺旋副的效率为

下一页返回上一页6.5螺旋副的受力分析、效率和自锁

由公式可知，若，说明此时无论轴向载荷FQ有多大，滑块(即螺母)都不能沿斜面运动，这种现象称为自锁。表明螺旋副处于临界自锁状态。时，其值越小，自锁性越强，需要有足够大的驱动力F才能使螺旋副产生相对运动。所以螺旋副的自锁条件是。下一页返回上一页6.5螺旋副的受力分析、效率和自锁6.5.2非矩形螺纹非矩形螺纹是指牙型角的三角形螺纹、梯形螺纹和锯齿形螺纹等。如果忽略螺纹升角的影响，在相同的轴向载荷FQ的作用下，非矩形螺旋副中的法向力比较大，如图6-43所示。非矩形螺旋副中的摩擦力比矩形螺旋副大，如果把法向力的增加想象成摩擦系数的增加，则非矩形螺旋副的摩擦力为下一页返回上一页6.5螺旋副的受力分析、效率和自锁

同样可以得到以下的关系式:

螺纹力矩螺旋副效率螺旋副自锁条件由此可知，在其他条件相同的情况下，牙型角越大，螺旋副的效率就越低，自锁性能也就越好。所以三角形螺纹多用于紧固连接(利用其自锁性)，其他螺纹用于传动以提高传动效率。返回上一页6.6螺栓组的结构设计

在工程上可以看到，单独利用一个螺栓来实现连接的情况并不多见，基本上都是由几个螺栓按适当的规律排列起来，共同完成和实现一个连接任务的，这些情况称为螺栓组。下面就来看一下螺栓组的结构设计的原则和应该注意哪些问题。要注意:虽说讲的是螺栓组，但这些方法和原则对其他的螺纹连接同样适用。下一页返回6.6螺栓组的结构设计

在长期的工作实践中，人们了解到，如何尽可能地使各个螺栓接近均匀地承担外载，是设计、安装螺栓组的主要问题。合理布置同一组内的螺栓的位置起着关键的作用。通过实践发现，在进行螺栓组结构设计时应该考虑以下7个方面的问题。下一页返回上一页6.6螺栓组的结构设计(1)螺栓(钉)孔的布置连接接合面的几何形状通常都设计成轴对称的简单几何形状，同一螺栓组的螺栓布置应力求对称、分布均匀，从设计上首先保证被连接件接合面上受力均匀，如图6-44所示。在布置螺栓时，应该注意:不要在平行于外力的方向成排地布置8个以上的螺栓，以免载荷分布过度不均(当然也不是绝对的)。下一页返回上一页6.6螺栓组的结构设计(2)螺栓排列应有合理的钉距、边距在布置螺栓时，螺栓中心线与机体壁、螺栓之间的距离，要依据扳手所需的活动空间大小和连接的密封性要求来决定。最小扳手空间尺寸可查阅有关手册，也可以根据经验确定。一般来讲，螺栓中心线到机体外壁的距离为下一页返回上一页6.6螺栓组的结构设计式中D——螺栓六角头大径。螺栓之间的距离一般按照经验公式选择:

下一页返回上一页6.6螺栓组的结构设计(3)螺栓数量的选择分布在同一圆周上的额螺栓数应取为3、4、6、8、12等易于分度的数目，以利于划线钻孔和加工。当然，如果自动化程度较高，也可以采用其他的分度方法。

(4)螺栓直径的选择一般是先根据经验、类比的方法或依据相关的规范进行选取，然后再进行强度的计算。对于一般连接，初选螺栓直径d时，约可取为被连接件的厚度。下一页返回上一页6.6螺栓组的结构设计(5)螺栓规格的选择在通用机械中，为简化设计、制造，对同一螺栓组内的螺栓及配套件而言，不管受力的大小差异，应该选择同样材料、规格的同一标准的螺栓，便于采购、管理和装配。

(6)对连接支承面的要求被连接件上与螺母或螺栓头接触的支承面应该平整，并且要求与螺栓轴线垂直，以免引起偏心载荷而削弱螺栓强度。为便于加工，经常将支承面作成凸台或沉头(鱼眼坑)。下一页返回上一页6.6螺栓组的结构设计(7)其他应注意的问题①一般情况下，螺栓与钉孔之间应留有间隙，由于螺栓是标准件，在螺栓选定之后螺栓的直径就已经确定。所以，必须依照螺栓直径选择其钉孔直径(可以查阅国家标准GB5277-85)。②拧入螺纹深度、螺纹伸出长度、螺孔加工深度、光孔深度等尺寸同样也可以查阅相关的标准或手册，不能凭空想象。③螺栓连接的预紧及防松问题的考虑(前面已有详细的讲述)。返回上一页6.7螺纹紧固件的材料与许用应力6.7.1材料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