华理工机械设计教案04螺纹联接及螺旋传动

课程名称：《机械设计》第5讲次授课题目第四章螺纹联接及螺旋传动4-1螺纹4-2螺纹联接【目的要求】了解螺纹联接的类型、预紧以及防松等基本知识；【重点】螺纹联接的类型；【难点】螺纹联接的预紧以及防松；内容第四章螺纹联接及螺旋传动4-1螺纹一、螺纹的主要参数螺纹分为等主要参数有：

二、常用的螺纹按用途不同分为按牙型不同分为：牙型斜角β自锁性效率加工强度普通螺纹30°易低易高矩形螺纹0°不易高不易低梯形螺纹15°较易较高较易较高矩齿形螺纹3°不易较高较易较高注：目前：除了矩形螺纹尚无标准以外，其它三种均已标准化。使用时，可查阅标准。4-2螺纹联接一、主要联接形式（对照教材上的表讲解）实现螺纹联接，通常有两种方式：1）在被联接件上直接做出，内、外螺纹，把两个被联接件直接拧在一起。2）是利用具有，内、外螺纹的辅助零件（螺纹紧固件）来实现。对于第二种方式，根据辅助零件的不同可以分为四种基本类型：对照教材讲注意：二、螺纹联接的拧紧拧紧的目的：根据装配时是否拧紧分为多数情况下，螺纹联接在装配时需要拧紧，称为“预紧”。预紧使联接中的零件受到的力，称为“预紧力”。预紧力的大小会影响联接的可靠性，强度和密封性。所以对重要的联接应控制预紧力。预紧力的控制通常是通过控制拧紧时所施加的拧紧力矩来实现的。拧紧螺母时，需要克服的摩擦阻力矩由两部分组成：（见教材计算公式）经推导分析得拧紧力矩T=即T＝式中：——螺栓所受预紧力d——螺栓的直径——拧紧力矩系数。≈0.2控制拧紧力矩的常用方法是用测力矩扳手，定力矩扳手来实现。见教材上的图。例如：汽车的生产流水线，用风动的或电动的定力矩扳手拧紧螺栓。所施加的力矩是一个定值。控制预紧力的更精确的方法：通过测量拧紧时螺栓的伸长量来控制。由于摩擦系数不稳定，和加在扳手上的力难于准确控制。对于直径较小的螺栓，有时可能会被拧断。所以，对于重要的联接，不宜采用小于M12~M16的螺栓。三、螺纹联接的防松防松的本质是防止螺纹副的相对转动。螺纹联接虽然在设计上都是满足自锁条件的，但在实际中，由于会遇到冲击、振动，温度变化等因素的影响，使联接也可能出现松动现象。导致机器不能正常工作，甚至发生严重事故。所以设计时，应考虑到防松的问题。以保证连接安全可靠。通常采用的防松措施很多（见教材上的表，对照表讲解）。按工作原理分为（要求最起码记住几种常用的防松方法）＊注：前述内容比较零散，但是都不可缺少。[本讲作业]思考题4－1、4－2、4－3

课程名称：《机械设计》第6讲次授课题目第四章螺纹联接及螺旋传动4-3单个螺栓联接的受力分析和强度计算【目的要求】掌握单个螺栓联接的受力分析和强度计算方法；【重点】单个螺栓联接的受力分析；【难点】单个螺栓联接的强度计算；内容第四章螺纹联接及螺旋传动4-3单个螺栓联接的受力分析和强度计算单个螺栓联接的强度计算是螺栓联接强度计算的基础。螺栓、螺柱、螺钉联接的强度计算基本相同，本节以螺栓联接为代表，分析螺纹连接的强度计算问题。就单个螺栓联接而言，工作中所受的载荷（力）有两种基本形式：下边就按螺栓受力方向不同，分别讨论强度计算方法。一、受剪螺栓（铰制孔螺栓）强度计算（通常可认为不拧紧，不受预紧力）如图所示：工作中螺栓受横向力的作用。其可能失效形式为：（复习：）针对这两种可能的失效进行剪切强度和挤压强度计算。1．螺栓杆的剪切强度（安全）条件为：τ＝式中：m——螺栓受剪面数（如前面图为m＝2）——螺栓杆受剪面直径［τ］——螺栓材料的许用切应力见表5-92．螺栓杆或孔壁的挤压强度（安全）条件式中：h——计算对象的受压高度［］——计算对象的材料许用挤压应力见表5-9＊注意：①计算对象可能是螺栓，也可能是两个被联件之中的一个。②考虑到各零件的材料和受压高度不同，应取乘积最小者为计算对象。二、受拉螺栓（普通螺栓）的强度计算受拉螺栓受拉螺栓的强度计算主要是：确定或验算螺纹危险剖面的尺寸，以保证螺栓杆不破环（即不失效）。至于螺栓的其他部分（如：螺纹牙、螺栓头）以及螺母、垫圈的结构尺寸，是根据等强度条件以及适用经验来设计的。等强度－—就是说：在一个螺栓联接中，如果螺杆不破坏。那其它部分也不会破坏］。除了螺杆以外的其他部分一般无需进行强度计算，可根据螺栓的公称直径从有关标准查取。受拉螺栓工作中又可分为：松螺栓联接的强度计算装配时，不拧紧，不受预紧力。工作中只承受轴向工作拉力F，例如起重吊钩或滑轮。拉伸强度安全条件：→（按计算值去选标准的螺纹直径）式中：——螺纹的小径［σ］—螺栓的许用应力F——所受的轴向拉力紧螺栓联接1．只承受预紧力的紧螺栓联接例如：工作中只承受横向力。靠结合面间的摩擦力承受。摩擦力是由预紧力产生的。安装时已经“预紧”，工作中螺栓也只受的作用。除此之外，拧紧或松开螺栓的瞬间，螺栓还会受到我们施加的螺纹力矩的作用。此时，螺栓杆处于拉、扭复合应力状态。由产生拉应力另外，经过推导计算知道：对于M10～M68的普通螺纹，拧紧螺纹时，有螺纹力矩产生的扭切应力：τ＝0.5σ（）按照第四强度理论：可计算当量应力：则强度（安全）条件为：式中：［σ］——螺栓的许用应力2．受预紧力和轴向工作载荷的螺栓联接安装时预紧，已经受到了，工作中又受到工作拉力F，例如；气缸盖上的螺栓即属此类：这种形式在实际中最常见。虽然螺栓同时受到和F的作用，但是，螺栓实际受到的总拉力＋F。这是为什么？下边就带着这个问题，分析它的受力情况。用三个图表示螺栓预紧后又受F的过程：(a)图是螺母没预紧，各件没受任何力的状态。(b)图是预紧后的状态。螺栓受预紧拉力，相应伸长量为。同时，被联接件受到预紧压力,相应的压缩变形量为。（c）图是在预紧的状态下，又受到了工作拉力F。虽然，螺栓所受总拉力增大了，相应的拉伸变形量也要增大。假设伸长变形的增加量为：△δ。此时，螺栓总变形量为：（＋△δ），此时螺栓的总拉力用表示。同时，随螺栓的伸长，被联接件的压缩变形量会相应减小。减小量虽然就等于螺栓拉伸变形的增加量△δ。此时，被联接件总的压缩变形量为：（－△δ）。相应受到的压力用——称之为“剩余预紧力”。单独分析一个被联接件的受力情况：由于实际中，工作拉力F总是直接作用在被联接件上（如气缸盖）。通过被联接件在作用在螺栓上。显然，被联接件上的三个力F、和处于平衡状态。所以得：＝＋F①即：螺栓的总拉力＝剩余预紧力与工作拉力之和。（又由于：<，所以＝＋F<＋F）下边用载荷变形图分析各力之间的关系：在预紧状态下；只受。给出载荷变形图如图示：当受到作用时，螺栓拉力由→增加为，变形量为（＋△δ）；被联件变形量为：（－△δ），所受压力为：。由图可以看出：式中：——为螺栓的相对刚度系数。其值与螺栓、被联件的材料、结构、尺寸、以及等因素有关。可通过计算或实验求出。（见教材P76表5-4）设计联接时应保证：被联件的结合面不出现间隙。因此，应保证：>0。通常是根据的性质不同，按经验公式确定。（可以见教材P76）＊问题：如果由计算的为负值，说明什么哪？（答：说明结合面出现了间隙。）设计时，确定后，即可按上述经验式选择，然后由＝＋F求，由上述③式可求出保证所需的。根据，计算螺栓的强度，确定螺栓的直径。作用下产生拉应力考虑到特殊情况下，可能需要补充拧紧，拧紧时，相应的螺纹力矩引起扭切应力τ。参照只受预紧力时，的计算。得到：a)（静载下）强度条件为：＊注：式中“1.3”是考虑到工作中可能的“补充拧紧”引起的切应力τ的影响。受变载荷时，则还应计算“疲劳强度”。影响疲劳强度的主要因素是应力幅。由和前边图可知：当工作拉力在0～F之间变化时，中只有部分是变化的。即是在与（）之间变化。则的变化幅为：（）／2。引起的应力幅为σa，b)应力幅强度条件：式中：［］——螺栓的许用应力幅。例：一个压力容器的螺栓连接如图示：容器缸盖与缸体由铸铁制成，凸缘之间用垫片。容器内部压力变化为：0p。若要求容器在工作时保持一定的紧密性（即一定）。分析（垫片）对螺栓疲劳强度和预紧力的影响。当要求一定时，分析对（紧密性）的影响。（1）试判别凸缘之间①不加垫片；②加紫铜垫片；③加橡胶垫片。三种情况下，每个螺栓所需的预紧力相对大小？（2）试判别在上述三种情况下螺栓中产生的应力幅的大小，说明那种情况对螺栓疲劳强度有利？（3）若要求预紧力一，试判别那种情况下对连接的紧密性有利？解：此题应以不变为前提进行分析。（1）要保持一定的紧密性，即要求一定。根据题意通常可以认为工作拉力的最大值也是不变的。这样，总拉力＝＋F也就是（定值）不变的。显然：①所需的最大。③所需的最小。（2）由于，只有部分是变化的，此部分越小，则，对提高螺栓的疲劳强度有利。显然：①的变化幅度最小，最小。③的变化幅度最大，最大。（3）要想在分析中保持不变。首先化出螺栓变形线的平行线。再过“预紧状态点（A）”作被联件的变形线，①、②、③与平行线交点的纵坐标即为对应的。显然：①的最大，紧密性最好；③的最小，紧密性最差。由此例可以看出：三螺纹联接的许用应力螺纹联接件（螺栓、螺柱、螺钉、螺母等）都已标准化。有专门的厂家生产，机械设计中，我们只要按有关标准选用合适的尺寸规格即可。不用自己设计制造。国家标准给螺纹标准件规定了两种等级：螺栓的性能等级用两个数字表示：例如：4.6，例：4.6国家标准还规定：厂家生产时，只要达到要求的性能等级即可，而不必考虑用什么材料，和采用什么加工工艺。螺母的性能等级应与螺栓相同。螺母的性能等级用一个数字表示的大小。例如：①当螺母较大时：4└表示＝400②当螺母较小时，仿照时钟的数字排列＊螺栓、螺钉、螺柱性能等级见表P81（表6-2）式中：S——许用安全系数。确定见教材（P88的表）＊许用应力：在螺纹联接的设计中，由设计者自己根据具体情况确定性能等级。之后可按下式计算许用应力。1）静应力时：2）变应力时：＊其中：≈0.32[本讲作业]习题集4-4、4-5

课程名称：《机械设计》第7讲次授课题目第四章螺纹联接及螺旋传动4-4螺栓组受力分析4-5提高螺栓连接强度的措施4-6螺旋传动【目的要求】掌握提高螺栓联接强度的各种措施；【重点】螺纹联接强度计算、结构设计以及受力分析的方法；【难点】螺纹组联接受力分析；内容第四章螺纹联接及螺旋传动4-4螺栓组受力分析第三节讲的是单个螺栓联接中，螺栓的强度问题，主要是螺栓杆的强度。其中载荷是单个螺栓受到的轴向力或横向力。实际中，螺栓联接往往是成组使用，而成组使用的螺栓联接（螺栓组）中，各个螺栓的受力往往是不一样的。这就需要进行受力分析。主要任务是：分析找出其中受力最大的螺栓及其所受的工作载荷。（以便最大载荷计算螺栓强度）。螺栓组设计中：分析中假设：下边介绍螺栓组几种基本（受力）形式下的受力分析。一、受轴向力FΣ的螺栓组所受轴向力通过螺栓组形心时，各螺栓受的工作载荷相等。即：（Z——螺栓数目）＊注：求出F后，再考虑所受的预紧力，计算→计算螺栓的强度。＊当所受轴向力不通过形心时，应向形心简化后，再计算。

二、受横向力FsΣ的螺栓组1．普通螺栓（受拉）各螺栓只受预紧力，靠接合面间产生的摩擦力来传递载荷通过形心的FsΣ。假设：各螺栓联接接合面的摩擦力相等并集中在螺栓中心处，则根据板的平衡条件得：所需预紧力式中：——接合面的摩擦系数，见教材。m—－接合面的数目Z—－螺栓数—－可靠性系数，考虑摩擦力不稳定性＊注：当Z=1,m=1，取＝0.15，＝1.2时，所需＝8R。可见，这种联接所需的很大。——这是它的主要缺点。2．铰质孔用螺栓（受剪）靠螺栓受剪切和螺栓与孔壁相互挤压传递载荷。一般忽略拧紧产生的摩擦力。假设（在横向力FsΣ通过螺栓组形心的前提下）各螺栓所受的横向工作载荷均相等：为。则＊注意：考虑到由于板是弹性体，所以沿受力（R）方向上，各螺栓所受剪力不均匀。（两端螺栓受剪力比中间的大）。所以，沿载荷方向布置的螺栓数不宜太多。一般不超过6个。如R不通过螺栓组形心，则应先向形心简化后计算。三、受工作转矩T1．普通螺栓：螺栓只受，靠摩擦力承受T。（O是板的旋转中心，亦即转矩T的作用中心）＋＋…＋＝O所需要预紧力：O式中：和（可靠性系数）见前述。2．受剪螺栓（靠螺栓受剪承受转矩T）每个螺栓所受的横向力用表示。与螺栓中心至底板旋转中心的连线垂直。（忽略：预紧力产生的摩擦力）。则根据静力平衡条件得：＋＋…＋＝T①根据螺栓的变形协调条件：螺栓的剪切变形量与其中心至底板旋转中心的距离成成正比，又由于各螺栓所受的剪力也与螺栓中心至底板旋转中心的距离成正比。即：变形协调条件：＝＝…＝②联立①和②可求出，，，…等。其中受力最大的螺栓（图中1，4，5，8）所受的横向（剪）力为：注：联接的设计中，按上述所受最大载荷进行强度计算：例如：联轴器的法兰盖，各螺栓：＝＝…＝，则各螺栓的力：也相等。M四、受翻转力矩M的螺栓组M假设：底板为刚体，基座为弹性体。所受翻转力矩M的轴线用o－o表示。各螺栓中心到o－o轴线的距离用r表示。各螺栓所受工作拉力为轴向力：用、…表示。由静力平衡条件得＋＋…＋＝M①由变形协调条件：各螺栓的拉伸变形量与螺栓中心至底板翻转轴线o－o的距离成正比。又因为刚度相同。由此可推出：各螺栓所受的工作载荷与螺栓中心到翻转轴线距离成正比。即：＝＝…＝②联立①和②可求出，，，…等。其中到o－o轴线最远的螺栓受工作载荷最大：同样，求出最大工作载荷后，再考虑预紧力，求出。进行强度计算。注意：①对图中情况，左侧各螺栓所受工作载荷为轴向拉力。使增大。右侧各螺栓所受工作载荷则为底板在螺栓处所受的压力。反而会使减小。（计算时，应为“负值”。）②位于o－o轴线上的螺栓受工作载荷为0。4-5提高螺栓连接强度的措施分析影响螺栓连接强度的因素，从而提出提高联接强度的措施。这对于螺纹联接的设计也是很重要的。螺纹联接的强度，主要取决于螺栓的强度。影响螺栓强度的因素很多，有材料、结构、尺寸、制造、工艺等。实际设计中，通常主要是以下几个方面考虑来提高联接的强度。一、改善螺纹牙之间的受力分布：对于普通螺母。工作中螺栓受拉，使螺距增大，而螺母受压，其螺距减小。导致螺栓、螺母产生了螺距差。这样，旋合的螺栓和螺母的各圈螺纹牙不能都保持良好的接触，那么，各圈螺纹牙所分担的载荷就不相等。（如教材中图所示）。理论分析和实践都表明：从螺母支撑面算起第一圈受载荷最大。以后各圈依次减小。第10圈后的各圈几乎不受力。［所以采用加厚螺母，增加旋合圈数，对提高连接强度并没有多少作用。］改善措施：（见教材上的图：）设计中，普通螺母圈数不要超过10。采用悬置螺母，环槽螺母，或内斜螺母（改变牙的刚度）。（见教材图）前两者，工作中螺母受拉。与螺栓螺距差减小。采用钢丝螺套—－也可以减轻螺纹牙的受力不均，并可以减轻冲击、振动。这些措施多可以提高螺栓的疲劳强度。二、减小应力幅（可提高疲劳强度）影响疲劳强度的主要因素是变应力中的应力幅，，则越易产生疲劳破坏。，则可以提高疲劳强度。由螺栓总拉力：可以看出，当工作拉力变化时，只会引起（）这一部分是变化的。此部分减小，就可以使。显然：相对刚度越小，则可提高疲劳强度。由此可见：措施为；减小（见教材上的图）增大（见教材上的图）三、减小附加弯曲应力（影响静强度）见教材上的图6-17。此结构会产生附加弯曲应力。为了避免产生附加弯曲应力，可以采用如下措施：（见教材上的图）以上方法可以保持螺母支撑面见有良好的接触。四、适当增大预紧力理论和实践证明，适当增大预紧力，可以提高螺栓的疲劳强度。因此，准确控制预紧力，并保持其不减退是很重要的。五、制造工艺的影响例如；采用輾制螺纹，滚压、氮化、喷丸处理等工艺手法，也都可以提高螺栓的疲劳强度。4-6螺旋传动一、类型、特点：按用途不同分为按摩擦性质不同分特点：（滑动螺旋）本节主要介绍滑动螺旋传动。二、滑动螺旋副的失效和材料1．失效形式，①磨损——螺纹副之间的磨损，主要是胶合和磨料磨损。是滑动螺旋的最常见的失效形式。当受力较大时，也可能会产生此类失效。④螺杆受压失稳——对细长的受压螺杆也可此种失效。2．材料螺旋副的材料要求：除了具有足够的强度以外，还要有好的耐磨性。螺杆和螺母配合时，摩擦系数要小。螺杆材料：1）碳钢，不淬火（正火，调制）。例：、Q275等。2）碳钢、合金钢淬火。例：、40等。3）工具钢淬火。例：T10、T12（碳素工具钢含碳量1％，1.2％）等。以上两类用于重要的精密丝杠。注：只要是要求硬度高的零件，则往往要淬火，而淬火后，有变形，为了保证精度必须进行磨削。螺母材料主要是要求减摩性好。注意：虽然螺母的材料强度和硬度比螺杆要低。这主要是基于如下设计思想：把磨损集中在螺母（一个件），磨损到一定程度，只更换螺母即可。滑动螺旋常用的螺纹牙形有螺母的结构分为：三、滑动螺旋传动的计算1．耐磨性计算由于磨损是最常见的失效形式，所以，设计中首先应该满足耐磨性要求。影响磨损的因素很多，到目前为止，对于磨损计算，尚无完善的方法。但是，我们知道，影响磨损的主要因素是，螺纹工作面上的压强。所以，耐磨性计算主要是限制螺纹工作面的压强，