1、第五章 螺纹连接与螺旋传动,51 螺 纹,第二篇 连 接,如用一个三角形K沿螺旋线运动并使K平面始终通过圆柱体轴线YY-这样就构成了三角形螺纹。同样改变平面图形K，可得到矩形、梯形、锯齿形、管螺纹,一、螺纹的形成,按牙型: 三角形螺纹、管螺纹 连接螺纹矩形、梯形、锯齿形螺纹传动螺纹 按位置： 内螺纹在圆柱孔的内表面形成的螺纹外螺纹在圆柱孔的外表面形成的螺纹 三角形螺纹： 粗牙螺纹用于紧固件细牙螺纹同样的公称直径下，螺距最小，自锁性好，适于薄壁细小零件和冲击变载等 根据螺旋线绕行方向： 左旋如图 右旋常用 根据螺旋线头数：单头螺纹（n=1）用于连接双头螺纹（n=2）如图多线螺纹（n2）用于传动,
2、二、螺纹的类型,1）外径（大径）d（D）与外螺纹牙顶相重合的假想圆柱面直径，亦称公称直径 2）内径（小径）d1(D1) 与外螺纹牙底相重合的假想圆柱面直径 3）中径d2 在轴向剖面内牙厚与牙间宽相等处的假想圆柱面的直径，d20.5(d+d1),三、螺纹的主要参数,4）螺 距 P 相邻两牙在中径圆柱面的母线上对应两点间的轴向距离 5）导程（S）同一螺旋线上相邻两牙在中径圆柱面的母线上的对应两点间的轴向距离 6）线 数 n 螺纹螺旋线数目，一般为便于制造n4螺距、导程、线数之间关系：L=nP,7）螺旋升角中径圆柱面上螺旋线的切线与垂直于螺旋线轴线的平面的夹角8）牙型角 螺纹轴向平面内螺纹牙型两侧边
3、的夹角 9）牙型斜角螺纹牙的侧边与螺纹轴线垂直平面的夹角,T拧紧力矩 Q轴向力,一、矩形螺纹,假定：螺母与螺杆间的作用力是作用在中径d2的螺旋线上螺旋副中力的作用可看成是滑块和斜面间力的作用,A 螺母 B 螺杆,四、螺旋副的受力分析、效率及自锁, 螺旋副的受力关系, 轴向力（相当于被连接件的板通过螺母作用在螺杆上的由弹性变形而引起的轴向力） F 假想的水平力, 当拧紧螺母时：螺旋副可简化为滑块 沿斜面匀速上升,拧紧力：, 当松开螺母时：,拧紧力矩：,水平支持力：,13, 矩形螺纹螺旋副的自锁,（自锁条件）,螺纹连接被拧紧后，若不施加反向的外力矩,虽然受有相当大的被连接件 的弹性恢复力，也不会自
4、 动松开，即为“自锁”现象,若自锁,须满足：,11, 矩形螺纹螺旋副的效率,二、非矩形螺纹,五、常用螺纹的种类、特点与应用,具体见表4-1,对螺纹的要求：足够的强度和良好的工艺性 连接螺纹：自锁 管 螺 纹：紧密性、气密性 传动螺纹：效率高 调整螺纹：精度高 起重螺纹：效率高、自锁性好,螺旋副的自锁条件为：,螺旋副的传动效率为：,克服轴向力Q匀速上升所需的圆周力：,1 、普通螺纹(代号：M GB 192-81),特点：螺纹的牙型角=2=60。因牙型角大，所以当量摩擦系数大，自锁性能好，主要用于连接。,细牙螺纹与粗 牙螺纹的比较,粗牙：常用,细牙的缺点：牙小，相同载荷下磨损快，易脱扣。,细牙：自
5、锁性能更好。常用于承受冲击、振动及变载荷、或空心、薄壁零件上及微调装置中。,2 、矩形螺纹,特点： 牙形为正方形， =0，所以效率高，用于传动, 牙根强度弱，加工困难，常被梯形螺纹代替。,3 、梯形螺纹 (代号：T,特点： =2=30。比矩形螺纹效率略低。牙根强度高，易于对中，易于制造，剖分螺母可消除间隙，在螺旋传动中有广泛应用。,r GB 192-81),4、 锯齿形螺纹 (代号：S JB 923-66),特点：工作边=3，非工作边=30，便于加工。 它综合了矩形螺纹效率高和梯形螺纹牙根强度高的优点,能承受较大的载荷,但只能用于单向传动。,5 、圆柱管螺纹,特点：用于管件连接的三角螺纹，=5
6、5 螺纹面间没有间隙，密封性好，适用于压强在1.6MPa以下的连接。,6、 圆锥螺纹,特点：螺纹均布在锥度为1:16的管上,=55或60 螺纹面间没有间隙，不用填料，靠牙变形，密封性好，适用于高温、高压的连接。,7、 其它螺纹,主要用于金属薄板的连接,52 螺纹连接的类型及螺纹连接件,一、螺纹连接主要类型,1、螺栓连接,a) 普通螺栓连接被连接件不太厚，螺杆带钉头，通孔不带螺纹，螺杆穿过通孔与螺母配合使用。装配后孔与杆间有间隙，并在工作中不许消失，结构简单，装拆方便，可多个装拆，应用较广。,b) 精密螺栓连接装配后无间隙，主要承受横向载荷，也可作定位用，采用基孔制过渡配合(铰制孔螺栓连接),2
7、、双头螺栓连接螺杆两端无钉头，但均有螺纹，装配时一端旋入被连接件，另一端配以螺母。适于常拆卸而被连接件之一较厚时。折装时只需拆螺母，而不将双头螺栓从被连接件中拧出。,3、螺钉连接适于被连接件之一较厚（上带螺纹孔），不需经常装拆，一端有螺钉头，不需螺母，适于受载较小情况,4、紧定螺钉连接拧入后，利用杆末端顶住另一零件表面或旋入零件相应的缺口中以固定零件的相对位置。可传递不大的轴向力或扭矩。,5、其它特殊结构的螺纹连接,地脚螺栓,吊环螺钉,T型槽螺栓,二 、标准螺纹连接件,各种螺栓,双头螺柱,各种螺钉,各种螺钉,紧定螺钉的头部和末端,各种螺母与垫片,53 螺纹连接的预紧,目的：防止松动提高可靠性、
8、强度、紧密性,F0,拧紧阻力矩 T 的大小： 拧紧时预紧力F0,螺纹阻力矩 T1 :,1F d2/2F0 tg() d2 /2,螺母支持面上的摩擦阻力矩T2:,TT1T20.2F0d 因 F0 =5T/d 若d小，则F0很大对于重要的联结，不宜采用M12的螺栓,螺栓预紧拉力 被连接件预紧压力,12,T2 fc F0 r m,54 螺纹连接的防松,螺栓连接拧紧(自锁) 防松？,靠摩擦力自锁 ，实际工作中，外载荷有振动、变化、材料高温蠕变等会造成摩擦力减少，螺纹副中正压力在某一瞬间消失、摩擦力为零，从而使螺纹连接松动，如经反复作用，螺纹连接就会松驰而失效。因此，必须进行防松，否则会影响正常工作，造
9、成事故。 要防松,防松方法：,摩擦防松使螺纹接触面间始终保持一定的压力(纵向、横向)始终有阻止螺旋副转动的摩擦阻力矩。机械防松利用便于更换的金属元件来约束螺旋副。不可拆防松焊、铆冲、涂粘合剂,阻止螺旋副相对转动,55 螺纹连接的强度计算,针对不同零件的不同失效形式，分别拟定其设计计算方法，失效形式是设计计算依据和出发点。,1、失效形式和原因,受拉螺栓螺栓杆和螺纹可能发生塑性变形或断裂 受剪螺栓螺栓杆和孔壁间可能发生压溃或被剪断,b）失效原因：应力集中,a）失效形式,工程中螺栓连接多数为疲劳失效,受拉螺栓：设计准则为保证螺栓的疲劳拉伸强度和静强度 受剪螺栓：设计准则为保证螺栓的挤压强度和剪切强度
10、,应力集中促使疲劳裂纹的发生和发展过程,2、设计计算准则,螺栓连接,一 松螺栓连接强度计算 （无0 ）,紧螺栓连接 有预紧力，还有工作拉力,松螺栓连接 无预紧力，只有工作拉力,55 螺栓连接的强度计算,校核,设计,紧螺栓连接,二 紧螺栓连接强度计算 （有0 ）,M10M64的螺栓：05 预紧状态的应力：ca=,有预紧力，还有工作拉力,只有预紧力，无工作拉力,紧螺栓,拧紧拧紧力矩剪应力 拧紧预紧拉力拉应力,1只有预紧力紧螺栓连接,F0的大小与横向载荷有关,2 受预紧力0和工作拉力紧螺栓连接强度,紧螺栓,拧紧预紧拉力 加载工作拉力,总拉力F2 0 + ？,拧紧 伸长 b F0 缩短 m F0,F=
11、 F,螺栓 被连接件,受载 再伸长 放松 变形协调条件： 相同,被连接件所受的压力： 残余预紧力 F1= F0 F ,Cb = F0 b 螺栓刚度Cm = F0 m 被连接件刚度,螺栓的总拉力： F2= F0 +F =F +F1,螺栓的相对刚度,：1）要降低F2，只有减少螺栓的相对刚度，即Cm Cb 2）为保证连接的紧密性， 应保证F1 0,（1）静强度公式：F不变,的取法: =（1.51.8）F有密封要求 =（0.20.6）F 载荷稳定 一般连接 =（0.61.0）F 载荷不稳定 F 地脚螺栓连接,（2）疲劳强度公式：F在0F之间变化,因F在0F之间变化，则F2在F0 F2 之间变应力在ma
12、x min之间变,详见P75页,3 承受工作剪力的紧螺栓连接,铰制孔用螺栓，承受剪切和挤压来平衡（横向）载荷F,螺栓杆与孔壁的挤压强度：,螺栓杆的剪切强度：,：1）d0是螺栓剪切面直径 2）Lmin螺栓杆与孔壁挤压面的最小高度3）p取两者之弱者,螺栓组连接结构设计的目的：接合面形状对称螺栓布置合理 间距 边距 扳手空间接合面与螺栓受力均匀加工安装方便 螺栓材料直径 长度相同,一 螺栓组连接结构设计,56 螺栓组连接的设计,1 、连接结合面的几何形状常设计成轴对称的简单几何形状,2、 螺栓的布置应使各螺栓的受力合理,3 、螺栓的排列应有合理的间距、边距,扳手空间,4、分布在同一圆周上的螺栓数目，
13、应 取4, 6, 8等偶数，以便钻孔时在圆周上分度和画线,5 、避免螺栓承受偏心载荷,产生偏心载荷的原因,斜垫圈的应用,凸面和沉头座的应用,避免偏载的结构,二 螺栓组连接的受力分析,螺栓组连接的受力分析的目的：找出受力最大的螺栓并求出其所受力的大小,螺栓组所受载荷类型,横向载荷,轴向载荷,转矩（扭矩）,倾覆力矩,平衡条件：f F0 ziKs F Ks防滑系数 Ks=1.11.3 F0 Ks F zi f i接合面的数目f接合面的摩擦系数,螺栓本身受剪切和挤压 各螺栓受力为：F= F z z螺栓数目,1）铰制孔用螺栓连接,1 受横向载荷F的螺栓组连接,螺栓本身受预紧拉力F0 拧紧产生夹紧力接合面
14、间的摩擦力承受载荷,横向载荷(垂直螺栓轴心线）,2）普通螺栓连接,讨论:若 f =0.2, z=1, i=1, Ks =1.2 ,则 F0 =Ks F zi f=6 F,1）受横向载荷普通螺栓受力比铰制孔用螺栓 的大，此时宜采用后者2）若要采用普通螺栓，靠利用减载键销或减载套筒,螺栓受剪切和挤压来平衡载荷，各螺栓受力为 Fi,1）铰制孔用螺栓连接,2 受转矩T的螺栓组连接,分析：受载后接合面仍为平面，螺栓的剪切变形与其到中心的距 离成正比,螺栓刚度相同，故其受剪力Fi也与与其到中心的距离ri成正比。假设此剪力方向垂直其到中心的向径,即：,力矩平衡条件：,受力最大的螺栓的工作剪力：,2）普通螺栓
15、连接,螺栓本身受预紧拉力F0, ，各螺栓要拧紧产生相同的夹紧力,2）普通螺栓连接,分析：各螺栓预紧拉力均为F0各螺栓连接处产生相同的摩擦力，并假设此摩擦力集中作用螺栓中心处,且方向垂直其到中心的向径。,z螺栓数目 ri 螺栓的向径 Ks防滑系数,力矩平衡条件：,f F0 r1+ f F0 r2 + f F0 rz KsT,各螺栓所需受预紧拉力,螺栓受拉力为： F= F z,3 受轴向载荷F的螺栓组连接,轴向载荷平行螺栓轴心线，各螺栓平均受力,：此时螺栓除了受工作拉力F外， 还受预紧力F0作用,分析：M作用前：各螺栓受预紧力F0M作用后：一侧螺栓拉力增大，一侧螺栓拉力减少,4 受倾覆力矩M的螺栓
16、组连接,平衡条件：,1）螺栓的受力,受力最大的螺栓所受工作载荷为,Li螺栓轴线到的底 板轴线oo的距离,受力最大的螺栓的总拉力为,2）被连接件和底板,防止接合面被压溃：max=p+ pmax p,防止接合面出现缝隙： min=p - pmax 0,0, p查表57,W抗弯截面系数,螺纹连接件材料的力学性能螺栓、螺钉、螺柱的性能等 级共十级见表58和表59如：48 表示：B=400Mpa ，s=320Mpa,一 螺纹连接件的材料,57 螺纹连接件的材料及许用应力,二 螺纹连接件的许用应力,S、S、Sp安全系数 见表510 ：查表时紧螺栓连接要试算,1、常用材料： 普通连接： 低碳钢，中碳钢，如:
17、Q215、Q235和10、15、35、45号钢。 变载荷或有冲击、振动的重要连接： 合金钢，如: 40 Cr、15MnVB、30CrMnSi。 螺母材料一般较相配合的螺栓的硬度低2040HBS。,2、螺栓、螺钉、螺柱、螺母性能等级,一 降低影响螺栓疲劳强度的应力幅,58 提高螺栓连接强度的措施,降低螺栓的刚度： 增加螺栓长度 采用腰状杆螺栓或空心螺栓 增大被连接件的刚度：不用垫片或采用刚度较大的垫片,二 改善螺纹牙上载荷分布不均匀的现象,原因：螺母与螺栓的变形性质不同 螺母与螺栓的刚度不同,改善措施： 采用均载螺母（悬置螺母、内斜螺母等）使螺母受拉或改变螺母牙受载位置采用钢丝螺套，利用其弹性来
18、均载,三 减少应力集中的影响,措施：采用大圆角、卸载槽，加工支承、加球面垫圈,四 采用合理的制造工艺方法,采用冷镦和滚压方法，提高疲劳强度,一 、螺旋传动的类型和应用 螺旋传动按其类型可分为：调整螺旋：如机床进给的微调螺旋传力螺旋：如千斤顶传动螺旋：如机床丝杠,58 螺旋传动,螺旋传动按其螺纹间摩擦性质的不同,可分为:滑动螺旋：滑动摩擦，结构简单，加工方便，应用最广。滚动螺旋：滚动摩擦静压螺旋：液体摩擦,滑动螺旋牙形： 多用梯形螺纹,重载起重螺旋也有用锯齿形螺纹, 对效率要求高时可用矩形螺纹。,螺旋传动的应用,螺旋传动的应用,立式加工中心,二维数控台原理图,螺旋传动的应用,二维数控台,螺旋传动
19、的应用,滚珠丝杠,螺旋传动的应用,螺旋千斤顶,螺旋传动的应用,螺旋受力： 滑动螺旋工作时，螺杆承受轴向载荷和转矩；螺杆和螺母的螺纹牙承受挤压、弯曲和剪切。,滑动螺旋的失效形式有： 螺纹磨损， 螺杆断裂， 螺纹牙根剪断和弯断， 受压螺杆很长时还可能失稳。,二 、滑动螺旋的失效形式和材料,螺杆的材料： 要求有足够的强度，常用35、45号钢;需经热处理以达到高硬度的重要螺杆，则常用合金钢，如65Mn、40Cr、T12、20CrMnTi等。,螺母材料： 除要有足够的强度外，还要求在与螺杆配合时摩擦系数小和耐磨。 常用材料有铸造青铜，如ZCuSn10Pb1, ZCuSn5Pb5Zn5,螺母材料选用： 重
20、载低速使用强度较高的铸造青铜ZCuAl10Fe3或铸造黄铜ZCuZn25Al6Fe3Mn3 。 低速不重要的螺旋传动也可用耐磨铸铁或灰铸铁。,三、滑动螺旋的设计计算,1 、耐磨性计算耐磨性计算主要是限制螺纹工作表面的压强，以防止过度磨损。,假想螺纹牙可以展成一长条，设螺旋的轴向载荷为F，螺母旋合高度为H、螺距为p，螺纹旋合圈数为Z=H/p、螺纹工作高度为h、承压面积为A，螺纹工作面上的压强为 ps。 则螺纹的耐磨性条件为：,MPa,若按耐磨性条件设计螺纹中径d2时，可引用系数,以消去H,mm,对于矩形和梯形螺纹，h=0.5p, 则,对于锯齿形螺纹，h=0.75p, 则,系数的值： 可根据螺母结
21、构选定， 整体式螺母，磨损后间隙不能调整，取=1.22.5; 剖分式螺母:=2.53.5; 对于传动精度较高时,允许=4,由于旋合各圈受力不均, 应使Z10,计算出d2后, 应选为标准值, 螺纹的其它参数根据d2 按标准选取。,2、 螺杆强度计算,螺杆危险截面的强度条件为（第四强度理论）:,起重螺旋:,矩形和锯齿螺纹,梯形螺纹,式中:d1 -螺杆螺纹小径,mm-螺杆材料许用应力F-螺杆所受轴向力, NT-螺杆所受转矩, N.mm,螺纹牙根部的剪切强度计算:,MPa,螺纹牙根部的弯曲强度校核计算式为:,3 、螺纹牙强度计算,式中: d-螺母螺纹大径，mmh -螺纹牙的工作高度，mmb -螺纹牙根
22、部厚度，mm 、b-螺母材料的许用剪切应力 和许用弯曲应力，MPa,4 、螺纹副自锁条件校核,5 、螺杆的稳定性计算,受压螺杆的稳定性条件式为:,Fc-螺杆稳定的临界载荷 Fc与螺杆材料及长径比(柔度) 有关,对于不淬火钢螺杆:,当 90 时,当 90 时,对于40的螺杆不用校核,当 85 时,对于淬火钢螺杆:,当 85时,式中:l-螺杆的最大工作长度-螺杆长度系数I-螺杆危险截面的轴惯性矩i-螺杆危险截面的惯性半径E-螺杆材料的弹性模量,滚动螺旋传动 特点： 滚动摩擦、效率高 克服爬行现象。原理： 外循环：径向尺寸大 内循环：本圈内循环,静压螺旋传动 优点：效率高、启动力矩小、减振、承载大、刚度大、传动精度高。 缺点：结构复杂、加工困难、安装困难。,
