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1、第五章 螺纹连接与螺旋传动,5-1 螺纹,5-2 螺纹连接的类型与标准连接件,5-3 螺纹连接的预紧,5-6螺纹连接的强度计算,5-5螺栓组连接的设计,5-8 提高螺纹连接强度的措施,5-7 螺纹连接件的材料与许用应力,5-9 螺旋传动,5-4 螺纹连接的防松,螺纹有外螺纹与内螺纹之分，它们共同组成螺旋副。,螺纹,联接用螺纹的当量摩擦角较大，有利于实现可靠联接；,传动用螺纹的当量摩擦角较小，有利于提高传动的效率。,螺纹按工作性质分为连接接用螺纹和传动用螺纹。,一、螺纹的分类,螺纹按螺旋线绕行方向分为左旋螺纹和右旋螺纹。,螺纹按螺纹母体形状分为圆柱螺纹和圆锥螺纹。,螺纹按单位分为米制螺纹和英制螺
2、纹。,螺纹按牙型分为普通螺纹、管螺纹、梯形螺纹、矩形螺纹和锯齿形螺纹。,二、普通螺纹的主要参数,大径d即螺纹的公称直径。小径d1常用于联接的强度计算。中径d2常用于联接的几何计算。螺距P螺纹相邻两个牙型上对应点间的 轴向距离。牙型角a螺纹轴向截面内，螺纹牙型两 侧边的夹角。升角y螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线 的平面间的夹角。线数n螺纹的螺旋线数目。导程S螺纹上任一点沿同一条螺旋线转 一周所移动的轴向距离，S=nP。,升角y的计算式为：,螺纹,螺纹连接的类型与标准连接件,一、螺纹连接的基本类型,除上述连接的基本类型外，在机器中，还有一些特殊结构的螺纹联接。如：T型槽螺栓连接、吊环螺钉连接和地脚螺
3、栓连接等。,二、标准螺纹连接件,螺纹连接的类型很多，在机械制造中常见的螺纹连接件的结构型式和尺寸都已经标准化，设计时可以根据有关标准选用。,利用控制拧紧力矩的方法来控制预紧力的大小。通常可采用测力矩扳手或定力矩扳手，对于重要的螺栓联接，也可以采用测定螺栓伸长的方法来控制预紧力。,螺纹联接的预紧,大多数螺纹联接在装配时都需要拧紧，使之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。,增强联接的可靠性和紧密性，以防止受载后被联接件间出现缝隙或发生相对移动。,注意：对于重要的联接，应尽可能不采用直径过小(M12)的螺栓。,拧紧后螺纹联接件的预紧应力不得超过其材料的屈服极限ss的80%
4、，限制原则,预紧力：,预紧的目的：,预紧力的确定原则：,预紧力的控制：,预紧力和预紧力矩之间的关系,螺纹联接的防松,螺纹联接一般都能满足自锁条件不会自动松脱。但在冲击、振动或变载荷作用下，或在高温或温度变化较大的情况下，螺纹联接中的预紧力和摩擦力会逐渐减小或可能瞬时消失，导致联接失效。,防松的根本问题在于防止螺旋副相对转动。按工作原理的不同，防松方法分为摩擦防松、机械防松等。此外还有一些特殊的防松方法，例如铆冲防松、在旋合螺纹间涂胶防松等。,为了防止连接松脱，设计时必须采取有效的防松措施。,螺栓组连接的设计,目的：合理的确定连接接合面的几何形状和螺栓的布置形式，力求各螺栓和连接接合面间受力均匀
5、，便于加工和装配。,连接接合面的几何形状都设计成轴对称的简单几何形状便于加工制造和对称布置螺栓，保证联接结合面受力均匀。,螺栓布置应使各螺栓的受力合理。,螺栓的排列应有合理的间距、边距。,分布在同一圆周上的螺栓数目取成4、6、8等偶数便于在圆周上钻孔时的分度和画线。,避免螺栓承受附加的弯曲载荷。,一、螺栓组连接的结构设计,需注意的问题：,螺栓组连接的设计,1受横向载荷,2受转矩,3受轴向载荷,4受倾覆力矩,目的：根据连接的结构和受载情况，求出受力最大的螺栓及其所受的力，以便进行螺栓连接的强度计算。,受力分析时所作假设：所有螺栓的材料、直径、长度和预紧力均相同；,受载后连接接合面仍保持为平面。,
6、受力分析的类型：,二、螺栓组连接的受力分析,螺栓组的对称中心与联接接合面的形心重合；,（1）对于铰制孔用螺栓连接（图b），每个螺栓所受工作剪力为：,（2）对于普通螺栓连接（图a），按预紧后接合面间所产生的最大摩擦力必须大于或等于横向载荷的要求，有：,式中：z为螺栓数目。,图示为由四个螺栓组成的受横向载荷的螺栓组连接。,1受横向载荷的螺栓组连接,或,螺栓组连接的设计,为防滑系数，设计中可取Ks=1.11.3。,为接合面数。,2受转矩的螺栓组连接,采用普通螺栓，是靠连接预紧后在接合面间产生的摩擦力矩来抵抗转矩T。,采用铰制孔用螺栓，是靠螺栓的剪切和螺栓与孔壁的挤压作用来抵抗转矩T。,螺栓组连接的设
7、计,各螺栓的剪切变形量（剪切力）与螺栓到中心的距离成正比。,螺栓组连接的设计,3受轴向载荷的螺栓组连接,若作用在螺栓组上轴向总载荷F作用线与螺栓轴线平行，并通过螺栓组的对称中心，则各个螺栓受载相同，每个螺栓所受轴向工作载荷为：,通常，各个螺栓还承受预紧力F0的作用，当连接要有保证的残余预紧力为F1时，每个螺栓所承受的总载荷F2为。,F2=F1+F,螺栓组连接的设计,4受倾覆力矩的螺栓组连接,倾覆力矩 M 作用在连接接合面的一个对称面内，底板在承受倾覆力矩之前，螺栓已拧紧并承受预紧力F0。,作用在底板两侧的合力矩与倾覆力矩M平衡，即：,由此可以求出最大工作载荷：,螺栓与地基承受的载荷与螺栓到中心
8、线的距离成正比：,螺栓组连接的设计,螺栓的总拉力：,底板受倾覆力矩后，在轴线 O-O 左侧，螺栓与地基的工作点分别移至B1 和C1，两者作用在底板上的合力为F。,受倾覆力矩的底板螺栓组连接的受力过程可用右图表示。,在轴线O-O 右侧，螺栓与地基的工作点分别移至B2 和C2，两者作用在底板上的合力为 Fm。,在倾覆力矩作用前，螺栓和地基的工作点都处于A点。,螺栓组连接的设计,为防止结合面受压最大处被压碎或受压最小处出现间隙，要求：,受载后地基接合面压应力最大值不超过许用值，最小值不小于0；,螺栓组连接受力分析,螺栓组连接受力分析,在实际使用中，螺栓组连接所受的工作载荷常常是以上4中简单受力状态的
9、不同组合。可利用静力分析方法将复杂的受力状态简化成简单受力状态。分别计算出螺栓组在简单受力状态下每个螺栓的工作载荷，然后按向量相加，得到每个螺栓的总工作载荷。对普通螺栓按轴向载荷或（和）倾覆力矩确定螺栓的工作拉力，按横向载荷或（和）转矩确定所需要的预紧力，然后求出螺栓的总拉力。对铰制孔用螺栓，按横载荷或（向和）转矩确定螺栓的工作剪力。求得受力最大的螺栓后，课进行单个螺栓的连接强度计算。,螺栓组连接受力分析,螺纹联接的强度计算1,螺纹连接的强度计算,螺栓连接的强度计算主要与连接的装配情况（预紧或不预紧）、外载荷的性质和材料性能等有关。,螺栓连接强度计算的目的是根据强度条件确定螺栓直径，而螺栓和螺
10、母的螺纹牙及其他各部分尺寸均按标准选定。,一、松螺栓连接强度计算,二、紧螺栓连接强度计算,1仅受预紧力的紧螺栓连接,2受轴向载荷的紧螺栓连接,3承受工作剪力的紧螺栓连接,受拉螺栓，其失效形式主要是螺纹部分的塑性变形和螺杆的疲劳断裂。受剪螺栓，其失效形式可能是螺栓杆被剪断或螺栓杆和孔壁的贴合面被压溃。,螺纹连接的强度计算,1仅受预紧力的紧螺栓连接,预紧力引起的拉应力：,螺牙间的摩擦力矩引起的扭转剪应力：,强度条件：,当连接承受较大的横向载荷F时，由于要求F0Ff（f=0.2），即F05F，因而需要大幅度地增加螺栓直径。为减小螺栓直径的增加，可采用减载措施。,根据第四强度理论，螺栓在预紧状态下的计
11、算应力:,螺纹连接的强度计算,2受轴向载荷的紧螺栓连接,螺栓预紧力F0后，在工作拉力F 的作用下，螺栓的总拉力,这时螺栓的总拉力为：,为使工作载荷作用后，连接结合面间有残余预紧力F1存在，要求螺栓连接的预紧力F0为：,静强度条件：,式中F1为残余预紧力，为保证连接的紧密性，应使 F1 0，一般根据联接的性质确定F1的大小。,变载荷需要进行疲劳强度校核,螺纹连接的强度计算,3承受工作剪力的紧螺栓连接,这种连接是利用铰制孔用螺栓抗剪切来承受载荷的。螺栓杆与孔壁之间无间隙，接触表面受挤压。在连接接合面处，螺栓杆则受剪切。,螺栓杆与孔壁的挤压强度条件为：,螺栓杆的剪切强度条件为：,式中：F螺栓所受的工
12、作剪力，单位为N；d0螺栓剪切面的直径（可取螺栓孔直径），单位为mm；Lmin螺栓杆与孔壁挤压面的最小高度，单位为mm；设计时应使Lmin1.25d0,单个螺栓受力情况及强度计算方法,单个螺栓受力情况及强度计算方法,1.对于只受预紧力的普通紧螺栓连接，螺杆在拧紧的同时承受拉伸和扭转的联合作用。计算时，按纯拉伸问题处理，但将所受的拉力增大到1.3倍。2.受轴向静载荷的紧螺栓连接，螺杆上所受的总拉力等于残余预紧力与工作拉力之和，或等于预紧力与一部分工作载荷之和。3.对于受轴向变载荷的紧螺栓连接，工作拉力在 之间变化，则螺栓总拉力在 之间变化。计算时，应先按受静载荷紧螺栓连接计算公司计算满足静强度，
13、然后验算疲劳强度。4.受工作剪力的紧螺栓连接，只能是铰制孔用螺栓，计算时一般不考虑预紧力和摩擦力矩的影响。,国家标准规定了螺纹连接件的性能等级。螺栓、螺柱、螺钉的性能等级分为10级，螺母的性能等级分为 7级。在一般用途的设计中，通常选用4.8级左右的螺栓，在重要的或有特殊要求设计中的螺纹联接件，要选用高的性能等级，如在压力容器中常采用8.8级的螺栓。,螺纹连接件的材料与许用应力,一、螺纹连接件材料,常用的螺纹连接件材料为Q215、Q235、35、45等碳素钢。当强度要求高时，还可采用合金钢，如15Cr、40Cr等。,二、螺纹连接件的许用应力,1螺纹连接件的许用拉应力,2螺纹连接件的许用剪应力和
14、许用挤压应力,3螺纹连接件的安全系数,（被连接件为钢）,（被连接件为铸铁）,提高螺纹连接强度的措施,以螺栓连接为例，螺栓连接的强度主要取决于螺栓的强度，因此，提高螺栓的强度，将大大提高联接系统的可靠性。,影响螺栓强度的因素主要有以下几个方面，或从以下几个方面提高螺栓强度。,改善螺纹牙上载荷分布不均的现象,降低影响螺栓疲劳强度的应力幅,减小应力集中的影响,采用合理的制造工艺,冷镦螺栓头部和滚压螺纹、氮化、氰化、喷丸等。,强度计算,求拧紧两个M12的普通螺栓后所能承受的最大牵引力F。,紧螺栓连接，承受横向载荷。,应满足拉伸强度条件，保证接合面不滑移。,拉伸强度条件,接合面不滑移条件,强度计算,如图
15、所示凸缘联轴器，用8个M16普通螺栓连接，已知：,计算该联轴器能传递的最大转矩。,仅承受预紧力的紧螺栓连接，普通螺栓承受旋转力矩。,应满足拉伸强度条件，摩擦力矩与转矩载荷平衡。,拉伸强度条件,摩擦力矩与转矩载荷平衡,强度计算,如图所示凸缘联轴器，用4个铰制孔用螺栓连接，螺栓性能8.8级，联轴器材料HT200,校核螺栓连接强度。,受工作剪力的紧螺栓连接，需验算其挤压和剪切强度。,确定许用应力。,单个螺栓的工作剪力,假定为变载荷，查表5-10取,验算连接强度。查手册：,强度计算,如图所示为固定在钢制立柱上的铸铁托架，设计此螺栓组连接。,螺栓组由4个螺栓对称分布，总载荷可分解为轴向载荷、横向载荷和倾
16、覆力矩分别作用。,1.螺栓组受力分析。,强度计算,在轴向力作用下，螺栓的工作载荷：,在倾覆力矩作用下，上面两螺栓受到加载作用，下面两螺栓受减载作用。所以，上面两螺栓受力较大。,上面两螺栓轴向工作载荷：,在横向力作用下，底板连接接合面可能产生滑移，不滑移的条件：,查表5-5，,强度计算,2.确定螺栓直径：,选择材料为4.6级Q235螺栓，查表5-10,螺纹小径：,查螺纹参数表选M12的螺栓。,3.校核螺栓组连接接合面的工作能力,连接接合面下端的挤压应力不能超过需用值，以防接合面压碎。,查表5-6，满足要求。,强度计算,连接接合面上端应保持一定的残余预紧力，以防止托架受力时接合面间产生间隙。,4.
17、校核螺栓所需的预紧力是否合适,满足要求。,确定螺栓的公称直径后，螺栓的类型、长度、精度及相应的螺母、垫圈等结构尺寸，可根据底板厚度、螺栓在立柱上的固定方法及放松装置等全面考虑定出。,螺旋传动,一、螺旋传动的类型和应用,传力螺旋传导螺旋 调整螺旋,螺旋传动按其螺旋副摩擦性质的不同，又可分为：,滑动螺旋 滚动螺旋 静压螺旋,螺旋传动是利用螺杆和螺母组成的螺旋副来实现传动的。它主要用于将回转运动转变为直线运动，同时传递动力。,螺旋传动按其用途不同，可分为以下三种类型:,螺旋机构在机床的进给机构、起重设备、锻压机械、测量仪器、工具、夹具、玩具及其他工业装备中有着广泛的应用。,螺旋传动常见的运动形式有：
18、螺杆转动，螺母移动或螺母固定，螺杆转动并移动。,螺旋传动,二、滑动螺旋的结构和材料,1滑动螺旋的结构,整体螺母,组合螺母,剖分螺母,螺母结构:,滑动螺旋的结构主要是指螺杆、螺母的固定和支承的结构形式。螺旋传动的工作刚度与精度等和支承结构有直接关系。,螺杆的材料要有足够的强度和耐磨性。螺母的材料除了要有足够的强度外，还要求在与螺杆材料相配合时摩擦系数小和耐磨。,2滑动螺旋的材料,螺旋传动,三、滑动螺旋传动的设计计算,主要失效形式:螺牙的磨损,设计准则：按抗磨损确定直径，选择螺距；校核螺杆、螺母强度等。,设计方法和步骤：,1耐磨性计算,滑动螺旋的耐磨性计算，主要是限制螺纹工作面上的压力，其强度条件
19、：,设计公式：令,则得：,螺旋传动,依据计算出的螺纹中径，按螺纹标准选择合适的直径和螺距。,验算：,若不满足要求，则增大螺距。,对有自锁性要求的螺旋传动，应校核自锁条件：,2螺杆的强度计算,对于受力比较大的螺杆，需根据第四强度理论求出危险截面的计算应力：,螺杆的强度条件：,式中，F为螺杆所受的轴向压力（或拉力），T为螺杆所受的扭矩，,螺旋传动,3螺母螺牙的强度计算,螺牙上的平均压力为：F/u,4螺母外径与凸缘的强度计算,5螺杆的稳定性计算,对于支撑螺母，需要校核螺母本体的强度。,对于长径比较大的受压螺杆，需要校核压杆的稳定性，要求螺杆的工作压力F要小于临界载荷Fcr,其危险截面 a a 的剪切强度条件和弯曲强度条件分别为：,本章总结,重点1、螺纹的类型和主要参数2、螺纹连接的各种基本类型的结构和适用场合3、螺纹连接预紧、防松的目的和方法4、各种简单受力状态下螺栓组连接的受力分析5、单个螺栓的强度计算6、复杂受力状态下螺栓组连接的受力分析7、提高螺栓连接强度的措施8、滑动螺旋传动的设计与计算难点1、各种简单受力状态下螺栓组连接的受力分析2、单个螺栓的强度计算3、复杂受力状态下螺栓组连接的受力分析,
