螺纹连接和传动

1、第五章 螺纹联接和螺旋传动 螺纹：一类型和应用： 1分类： 1）按螺纹位置分： 外螺纹螺纹位于圆柱或圆 锥体的外侧 内螺纹螺纹位于圆柱或圆 锥体的内侧 2）按所起作用分： 联接螺纹用于起联接作用 传动螺纹用于起传动作用 3）按制式分：米制、英制 2类型： 1）普通螺纹： 牙型： 等边三角形。 牙型角：60 如图a） 2）米制锥螺纹： 牙型： 等腰三角形。 牙型角：60 3）管螺纹： 牙型： 等腰三角形。 牙型角：55 4）梯形螺纹： 牙型： 梯 形。 牙型角：30 如图b） 5）矩形螺纹： 牙型： 矩 形。 牙型角：0 6）锯齿形螺纹： 牙型： 锯齿形。 如图c）3应用： 1）起紧固，联接作用

2、 联接螺纹。 2）起传动作用 传动螺纹。注： 常用螺纹的类型、特点和应用，见： P.62.表5-1 螺纹已标准化，其基本尺寸可查有关标准。二螺纹的主要参数： 以图5-1的外螺纹为例. 1大径d： 螺纹的最大直径（外螺纹牙顶所在的圆柱面直径）。 叫公称直径。 2小径d1： 螺纹的最小直径（外螺纹牙底所在的圆柱面直径）。 3中径d2： 螺纹轴剖面内牙沟与牙体等宽处的圆柱面直径。d2(d+d1)/2. 4线数n： 螺纹的螺旋线数目。 单线螺纹： 沿一根螺旋线形成的螺纹。 多线螺纹： 沿多根螺旋线形成的螺纹。 5螺距P： 相邻两螺牙对应点间的轴向距离。 6导程S： 沿同一条螺旋线转一周移动的轴向距离。

3、 S=n*P 7螺纹升角： 中径螺旋线的切线与螺纹横截面间的夹角。 = arctg(S/d2) 8牙型角： 螺纹牙型两侧边的夹角。 牙侧角： 螺纹牙型侧边与螺纹横截面的夹角。 9接触高度h： 螺纹旋合后，内、外螺纹接触面的径向高度。 注：内螺纹参数用大写字母表示。 如：D，D1，D2 管螺纹的公称直径为管子的内径。 螺纹联接的类型和标准联接件：一螺纹联接的基本类型： 1螺纹联接： 1）普通螺栓联接： 被联接件上的通孔与栓杆间有间隙。P.65.图5-2a. 优：通孔加工要求低，装拆方便，应用很广。 2）铰制孔螺栓联接： 孔与栓杆间为基孔制过渡配合。P.65.图5-2b. 优：被联接件的相对位置精

4、确，能承受横向载荷。 缺：孔的加工要求较高。 2双头螺柱联接： P.65.图5-3a 适用：被联接件之一太厚、较软，且需经常装拆处。 3螺钉联接： P.65.图5-3b 适用：被联接件之一太厚、较软，且不经常装拆处。 4紧定螺钉联接： 用拧入零件螺纹孔中的螺钉末端顶住另一零件，达到固定两零 件相对位置，可传递不大的力。 P.66. 图5-4. 5地脚螺栓联接： 用于将机座固定在地基上。 P.66. 图5-5.二标准螺纹联接件： 1联接件： 有螺栓、双头螺栓、螺钉、螺母、垫片等。 P.66. 表5-2. 2联接件精度： 按GB/T 3103.1-1982分A、B、C三级。 A级： 精度最高，用于

5、要求配合精确、防振等重要联接。 B级： 用于受载大，受变载，经常装拆处。 C级： 用于一般联接，常用的标准联接件为C级。 螺纹联接的预紧：一预紧： 1预紧： 在装配时将螺纹联接拧紧。 2目的： 增强联接的可靠性和紧密性。 3预紧力Fo： 预紧时预加在联接上的作用力。推荐值为： 碳素钢螺栓： Fo(0.60.7)S A1 合金钢螺栓： Fo(0.50.6)S A1 A1 螺栓危险截面面积，A1d12/4. d1 一般为螺纹小径。 S 螺栓材料的屈服限。 4Fo的控制： 常用测力矩扳手（P.69.图5-8）或定力矩扳手（P.69.图5-9）. 通过控制拧紧力矩来控制Fo.二拧紧力矩T： 要用T来控

6、制Fo，首先应 定出T与Fo的关系如下：1 螺旋副中的摩擦力矩T1： 2螺母与支承面间的摩擦力矩T2： 3拧紧力矩T： 对M10M64的常用粗牙普通螺纹，式中诸量为： ，d2 螺纹的升角和中径。=14232，d20.9d do，Do 栓孔直径，螺母环面外径。do1.1d ，Do1.5d v 螺纹副当量摩擦角。(f0.10.2) fc 支承面摩擦系数。 fc0.15 于是，得： T = T1+ T20.2 Fod （5-7） 注： 1） 用T控制Fo，易于操作，但不准确。 2） 控制Fo的精确方法是测量螺栓的伸长量。 3） Fo过大可导致： 螺杆拉断 螺纹滑牙。 螺纹联接的防松 1螺纹联接的自锁

7、与松脱： 1）自锁： =14232 v = 6.510.5 一般普通螺纹联接都自锁。 2）松脱： 联接在冲击、振动及变载下会逐渐松脱。 2防松： 防止螺旋副相对转动。 3常用防松方法： 三种： 1）摩擦防松： 双螺母，弹簧垫圈，自锁螺母。 P.71. 表5-3.2）机械防松： 开口锁，止动垫圈，串联钢丝。 P.71. 表5-3. 3）铆冲防松： 将栓端铆死，或在栓杆与螺母旋合缝处打冲。5 螺栓组联接的设计一螺栓组联接的结构设计： 任务： 合理确定接合面的几何形螺栓的布置形式； 目的： 螺栓及接合面受力均匀，加工、装配方便。 使螺栓组对称中心应与接合面形心重合 1接合面应为简几何图形。 如： 圆

8、形，矩形，三角形等。 2螺栓的布置应使各螺栓受力合理。 3螺栓的排列应有合理的间距和边距。 1）边距： 应有足够的扳手空间具体尺寸可查手册。 2）间距： 紧密性要求较高的联接，间距to的推荐值： P.73. 表5-4. 4分布在同一圆周上的螺栓数应取偶数 以便于钻孔时分度和划线。 5避免螺栓受偏心载荷 1）粗糙支承面应制凸台或锪沉孔、 P.74.图5-13 2）倾斜支承面应加斜面垫圈、P.74.图5-14图5-13凸台与锪沉孔 图5-14 斜面垫片二螺栓组的受力分析： 任务： 按联接的结构和受载，定出受力最大的螺栓及其所受的力。 假设： 1）所有螺栓的材料，直径，长度及预紧力都相同。 2）螺栓

9、组对称中心与接合面形心重合。 3）受载后接合面仍为平面。 1受横向载荷的螺栓组： 横向载荷F的作用线垂直螺 栓轴线且通过螺栓组对称中心。 1）铰制孔螺栓联接： 各螺栓所受的横向工作剪力为： F = F/z （5-8） z螺栓数目 2）普通螺栓联接： 为避免相对滑动，必须使预紧后接合面间的最大摩擦力F，即： f 接合面间的摩擦系数。 P.76. 表5-5. i 接合面数（上图 i = 2）。 KS 防滑系数。 KS = 1.11.3 2受转矩的螺栓组： 1）普通螺栓联接： 各螺栓的Fo产生的摩擦力 fFo对形心O的矩之和应大 于T， 即： fFori = fFori KST 图5-17 受转矩的

10、螺栓组联接 或： FoKST/fri （5-10） f 接合面的摩擦系数 ri 第I个螺栓的轴线到螺栓组对称中心O的距离 z 螺栓数目 Ks 防滑系数，Ks=1.11.32）铰制孔螺栓联接： 刚性底板相对转动量，即螺栓的剪切变形量正比于到O点的距离。 Fmax/rmax= Fi/ri 或 Fi= Fmaxri/rmax （5-11）3受轴向载荷的螺栓组： 轴向载荷F的作用线螺栓轴线并通过其对称中心 各螺栓均载， F = F/Z （5-29） 4受倾覆力矩的螺栓组：图5-19 受倾覆力矩的螺栓组联接 a倾覆力矩M作用于通过x-x轴且垂直接合面的平面中，图a） b. 已受Fo，但未受倾覆力矩M作用

11、，图b) 螺栓： 均匀受拉，拉力为Fo 地基： 均匀受压，压强P 底板： 其上Fo的合力与P的合力相等，底板所受的总作用力为零。 c. 已受M作用，底板绕O-O轴向右倾侧，图c) 在O-O轴左侧：螺栓：拉力由Fo增大到F2 地基：挤压应力由P下降为P1，右侧压紧PP2 底板：螺栓的合力地基的合力，总合力为F，方向向下 在O-O轴右侧：螺栓：拉力由Fo减小到F2m 地基：挤压应力由P增大到P2 底板：螺栓的合力地基的合力，总合力Fm方向向上 设：底板为刚体，绕O-O倾转时仍为平面，则： Fmax/Lmax= Fi/Li 或： Fi = FmaxLi/Lmax 1）接合面压应力校核： 以避免地基压

12、碎或接合面出现缝隙， Pmax=P +Pmax zFO/A + M/W P （5-17） Pmin=P -Pmax ZFO/A M/W 0 （5-18） A 接合面的有效面积和有效抗弯截面系数 W 接合面的有效抗弯截面系数 z 螺栓数 P 拉合面材料的许用挤压应力。 P.79. 表5-6. 总述： 对实际中的复杂受力状态，可先简化成上述四种受力的组合；再求出各种受 力下的螺栓的工作载荷；最后将各工作载荷向量加，求出受载最大的螺栓及其所受的力。6 螺纹联接的强度计算： 主要破坏形式： 螺栓的受载情况不同，其破坏形式也不同。 1受拉螺栓： 1）破坏形式： 栓杆螺纹部分被拉断。 2）设计准则： 保证

13、螺栓的静力或疲劳拉伸强度。 2受剪螺栓： 1）破坏： 栓杆或孔壁的压溃。 栓杆被剪断。 2）准则： 保证联接的挤压强度及螺栓的剪切强度。一松螺栓联接强度计算： P.70. 图5-12. 1松螺栓联接： 装配时不拧紧的螺栓联接。（受工作载荷前，螺栓不受力） 2强度计算： 设联接受载时，螺栓承受工作拉力F 1）校核： 2）设计： d1螺栓危险截面直径(mm) 螺栓材料的许用拉应力(MPa)二紧螺栓联接强度计算： 紧螺栓联接： 装配时拧紧的螺栓联接。 1仅受预紧力的紧螺栓联接： 1）预紧力Fo产生的拉应力： 2）螺纹摩擦力矩T1产生的剪应力： 对M10M64螺纹：d2/d11.041.08，tgv0

14、.17，tg0.05 3）计算应力ca： 按四强，预紧状态下的ca为： 扭转的影响可用将增加30%来考虑。 4）受横向载荷F作用： 工作时，靠Fo在接合面间产生的摩擦力抵抗F，且Fo不受横向载荷F的影响。图5-22 承受横向载荷的普通螺栓联接 图5-23a)减载销 图5-23b)减载套筒 强度条件： Fo的要求： Fo F/f f 接合面摩擦系数，若f=0.2，则Fo5F很大。 减载零件： 可在接合面上加销、套筒或键。 P.81. 图5-23. 此时，F由减载件承受，螺栓仅需保证联接，d可明显减小。 2受工作拉力F的紧螺栓联接： 1）受力与变形：图5-24 单个紧螺栓联接的受力变形图 a）螺母

15、刚与被联接件接触，尚未拧紧。不受力，无变形。 b）螺母已拧紧： 螺栓： 受Fo作用，拉伸了b 被联接件： 受压，压缩了m c）受工作拉力F： 螺栓： 拉力Fo增大到F2，进一步伸长。 被联接件： 压力Fo减小到F1，压缩量m减小为（m-）。 由上可见，受F作用后，被联接件中的压紧力由Fo减小为F1，所以螺栓中的拉力不等于Fo+F，而为F2：2）螺栓的总拉力F2： Fo = F1+ F 3）残余预紧力F1： 受工作拉力作用后被联接件间的相互压紧力。 推荐： 有紧密性要求的联接： F1=(1.51.8)F 一般联接： 载荷稳定： F1=(0.20.6)F 变 载： F1=(0.61.0)F 地脚螺

16、栓联接： F1F 4）Fo、F2、F1和F的关系： 设联接在弹性范围内，则受力与变形成线性关系，可用以下线图表示。 图5-25 单个紧螺栓联接的受力变形线图 令： Cb = tgb = Fo/b 螺栓的刚度。 Cm = tgm = FO/m 被联接件的刚度。 则由图： 于是： 注： 叫螺栓的相对刚度，取决于螺栓及被子联接件的尺寸，材料 及垫片等，值在01中，可通过计算或实验确定。 工作载荷在0F中变动时，螺栓总拉力在FoF2中变化，其波动范围与螺 栓的相对刚度有关： a. 大，总拉力的波动大，螺栓受力差。 b. 小，总拉力的波动小，螺栓受力好。 5）强度计算： 设计时，先按受载情况求出F，再按

17、工作要求选定F1，然后求出F2。 校核： （可能需补充拧紧） 设计： 6）疲劳强度校核： 对重要联接（e.g.汽缸盖螺栓），除静强度计算外，尚需疲劳强度校核。 如图5-17所示，工作载荷在0F中变化时，螺栓总拉力在FoF2中变化。图5-26 承受轴向载荷的紧螺栓联接于是： （恒定） 这是min= C的循环变应力，可用3-2中（3-24）式校核。 -1tc 螺栓材料的对称循拉压疲劳极限，MPa P.85. 表5-7. 试件材料特性。 碳 钢： = 0.10.2， 合金钢： = 0.20.3 K 拉压疲强综合影响系数。 见第三章附录。 S 安全系数。 P.87. 表5-10. 3承受工作剪力的紧螺

18、栓联接 采用铰制孔螺栓联接时，剪力F 由栓杆受剪来承受，此时应： 1）螺栓杆与孔壁的挤压强度： 2）螺栓杆剪切强度： F 螺栓受到的工作剪力、N。 图5-27 承受工作剪力的紧螺栓联接 do 螺栓受剪面直径、mm。 Lmin 螺栓杆与孔壁挤压面的最小高度，mm。 P 螺栓杆或孔壁材料的许用挤压应力、MPa。 螺栓材料的许用剪应力、MPa。 螺纹联接件的材料及许用应力一螺纹联接件的材料： 1常用材料： 碳素钢： 低碳钢： Q215，10，15 中碳钢： Q235，35，45。 合金钢： 15Cr，40Cr，30CrMnSi等 2材料的性能等级： P.83. 表5-8. 表5-9. 1）等级： 按

19、GB/T 3098.1-2000 和GB/T 3098.2-2000，共分以下十级： 3.6 4.6 4.8 5.6 5.8 6.8 8.8 9.8 10.9 12.9 2）等级的含义： A小数点前的数字表示B/100（B材料的抗拉强度） B小数点后的数字表示10S/B（S材料的屈服极限） 例：性能等级为6.8级的螺纹联接件的B和S分别为： B/100=6 B=6100=600MPa 10S/B=8 S=8B/10=480MPa 3）注意： 只有重要或有特殊要求的联接件，才允许用高性能等级的材料。二许用应力： 与载荷性质、装配情况、联接件的材料和结构尺寸等有关，可确定如下： 许用拉应力： =S

20、/S 许用剪应力： =S/S 许用挤压应力P： 对钢： P=S/SP 对铸铁： P=B/SP S，B 联接件材料的屈服限和强度限。 p.86. 表5-8. S，S，SP 安全系数。 P.87. 表5-10. 提高螺纹联接强度的措施 自学。一、降低影响螺栓疲劳强度的应力幅 1、分析： 由前述，受拉力F作用的螺栓中的总拉力F2为： 工作载荷在0F中变化时，螺栓总拉力在FoF2中变化，其变化幅值为： 由此可见：F不变，降低 Cb/(Cb+Cm)，就可降低F2的变化幅值，提高螺栓疲强 2、措施：图5-29腰状或空心螺栓 图5-30弹性元件 图5-31气缸密封元件 1）降低Cb： 采用腰状螺杆、空心螺杆，图5-29 安装弹性元件或加大螺杆长度，图5-30 2）增大Cm： 用刚度较大的垫片或密封环，图5-31二改善螺纹牙上载荷分布不均的现象 1、分析：研究表明：1）螺纹联接受载时，外螺纹受拉，螺距增大；内螺纹受压，螺距减小 2）第一圈螺纹受力最大，约占总载荷的1/3，其后迅速减小，第八圈后几乎不受载各圈螺纹受载非常不均 2、措施：图5-34 均载螺母结构1）悬置螺母： 图5-34a)，螺母的旋