機(jī)械設(shè)計(jì)CH05

1、第五章 螺紋連接與螺旋傳動(dòng)5-1 螺紋5-2 螺紋連接的類(lèi)型與標(biāo)準(zhǔn)連接件5-3 螺紋連接的預(yù)緊5-6 螺紋組連接的設(shè)計(jì)5-5 螺紋連接的強(qiáng)度計(jì)算5-8 提高螺紋連接強(qiáng)度的措施5-7 螺紋連接件的材料與許用應(yīng)力5-9 螺旋傳動(dòng)5-4 螺紋連接的防松螺紋有外螺紋與內(nèi)螺紋之分，它們共同組成螺旋副。連接用螺紋的當(dāng)量摩擦角較大，有利于實(shí)現(xiàn)可靠連接；傳動(dòng)用螺紋的當(dāng)量摩擦角較小，有利于提高傳動(dòng)的效率。螺紋按工作性質(zhì)分為連接用螺紋和傳動(dòng)用螺紋。一、螺紋的類(lèi)型和應(yīng)用 螺紋螺紋的類(lèi)型與特點(diǎn)1傳動(dòng)用螺紋連接用螺紋螺紋按母體形狀分為圓柱形螺紋和圓錐形螺紋。螺紋有米制和英制之分。螺紋的類(lèi)型與特點(diǎn)2二、螺紋的主要參數(shù)大徑

2、d即螺紋的公稱(chēng)直徑。小徑d1 常用于連接的強(qiáng)度計(jì)算。中徑d2 常用于連接的幾何計(jì)算。螺距P 螺紋相鄰兩個(gè)牙型上對(duì)應(yīng)點(diǎn)間的 軸向距離。牙型角a 螺紋軸向截面內(nèi)，螺紋牙型兩 側(cè)邊的夾角。升角y 螺旋線(xiàn)的切線(xiàn)與垂直于螺紋軸線(xiàn) 的平面間的夾角。線(xiàn)數(shù)n 螺紋的螺旋線(xiàn)數(shù)目。導(dǎo)程S 螺紋上任一點(diǎn)沿同一條螺旋線(xiàn)轉(zhuǎn) 一周所移動(dòng)的軸向距離，S=nP。升角y的計(jì)算式為：22arctanarctandnPdSy 螺紋連接類(lèi)型與標(biāo)準(zhǔn)件1螺紋連接的類(lèi)型與標(biāo)準(zhǔn)連接件一、螺紋連接的基本類(lèi)型 除上述連接的基本類(lèi)型外，在機(jī)器中，還有一些特殊結(jié)構(gòu)的螺紋連接。如：T型槽螺栓連接、吊環(huán)螺釘連接和地腳螺栓連接等。說(shuō)明 連接類(lèi)型與標(biāo)準(zhǔn)件2

3、螺紋連接的類(lèi)型與標(biāo)準(zhǔn)連接件二、標(biāo)準(zhǔn)螺紋連接件 螺紋連接的類(lèi)型很多，在機(jī)械制造中常見(jiàn)的螺紋連接件的結(jié)構(gòu)型式和尺寸都已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，設(shè)計(jì)時(shí)可以根據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)選用。 虛擬現(xiàn)實(shí)中的螺紋連接件 利用控制擰緊力矩的方法來(lái)控制預(yù)緊力的大小。通?？刹捎脺y(cè)力矩扳手或定力矩扳手，對(duì)于重要的螺栓連接，也可以采用測(cè)定螺栓伸長(zhǎng)的方法來(lái)控制預(yù)緊力。紋連接的預(yù)緊螺紋連接的預(yù)緊 大多數(shù)螺紋連接在裝配時(shí)都需要擰緊，使之在承受工作載荷之前，預(yù)先受到力的作用，這個(gè)預(yù)加作用力稱(chēng)為預(yù)緊力。 增強(qiáng)連接的可靠性和緊密性，以防止受載后被連接件間出現(xiàn)縫隙或發(fā)生相對(duì)移動(dòng)。 注意：對(duì)于重要的連接，應(yīng)盡可能不采用直徑過(guò)小(M12)的螺栓。預(yù)緊力限制 擰緊

4、后螺紋連接件的預(yù)緊應(yīng)力不得超過(guò)其材料的屈服極限ss的80%。v 預(yù)緊力v 預(yù)緊的目的v 預(yù)緊力的確定原則v 預(yù)緊力的控制v 預(yù)緊力和預(yù)緊力矩之間的關(guān)系：dFT02 . 0詳細(xì)推導(dǎo) 螺紋連接的防松螺紋連接的防松 螺紋連接一般都能滿(mǎn)足自鎖條件不會(huì)自動(dòng)松脫。但在沖擊、振動(dòng)或變載荷作用下，或在高溫或溫度變化較大的情況下，螺紋連接中的預(yù)緊力和摩擦力會(huì)逐漸減小或可能瞬時(shí)消失，導(dǎo)致連接失效。防松的根本問(wèn)題在于防止螺旋副相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。按工作原理的不同，防松方法分為摩擦防松、機(jī)械防松等。此外還有一些特殊的防松方法，例如鉚沖防松、在旋合螺紋間涂膠防松等。 螺紋連接的強(qiáng)度計(jì)算1螺紋連接的強(qiáng)度計(jì)算 螺栓連接的強(qiáng)度計(jì)算主要

5、與連接的裝配情況（預(yù)緊或不預(yù)緊）、外載荷的性質(zhì)和材料性能等有關(guān)。 螺栓連接強(qiáng)度計(jì)算的目的是根據(jù)強(qiáng)度條件確定螺栓直徑，而螺栓和螺母的螺紋牙及其他各部分尺寸均按標(biāo)準(zhǔn)選定。一、松螺栓連接強(qiáng)度計(jì)算二、緊螺栓連接強(qiáng)度計(jì)算1僅受預(yù)緊力的緊螺栓連接 2受軸向載荷的緊螺栓連接3承受工作剪力的緊螺栓連接 連接的失效形式：主要是指螺紋連接件的失效。對(duì)于受拉螺栓，其失效形式主要是螺紋部分的塑性變形和螺桿的疲勞斷裂。對(duì)于受剪螺栓，其失效形式可能是螺栓桿被剪斷或螺栓桿和孔壁的貼合面被壓潰。詳細(xì)推導(dǎo)65%20%15% 21/4Fdss 螺紋連接的強(qiáng)度計(jì)算2 螺紋連接的強(qiáng)度計(jì)算1僅受預(yù)緊力的緊螺栓連接0214Fds預(yù)緊力引

6、起的拉應(yīng)力：20v31tan()20.516dFdys螺牙間的摩擦力矩引起的扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力： 0ca211.34Fdss強(qiáng)度條件：當(dāng)連接承受較大的橫向載荷F時(shí)，由于要求F0Ff（f=0.2），即F05F ，因而需要大幅度地增加螺栓直徑。為減小螺栓直徑的增加，可采用減載措施。說(shuō)明sss3 . 1322ca根據(jù)第四強(qiáng)度理論，螺栓在預(yù)緊狀態(tài)下的計(jì)算應(yīng)力:F0F0FF 螺紋連接的強(qiáng)度計(jì)算3螺紋連接的強(qiáng)度計(jì)算2受軸向載荷的緊螺栓連接FDDp 螺栓預(yù)緊力F0后，在工作拉力F 的作用下，螺栓的總拉力F2 = ?FFF12 2ca211.3/4FdssFCCCFFmbb02這時(shí)螺栓的總拉力為： 為使工作載荷作用后

7、，連接結(jié)合面間有殘余預(yù)緊力F1存在，要求螺栓連接的預(yù)緊力F0為：FCCCFFmbm10靜強(qiáng)度條件：式中F1為殘余預(yù)緊力，為保證連接的緊密性，應(yīng)使 F1 0，一般根據(jù)連接的性質(zhì)確定F1的大小。式中：mbbCCC為螺栓的相對(duì)剛度，其取值范圍為 01。詳細(xì)分析疲勞強(qiáng)度校核 螺紋連接的強(qiáng)度計(jì)算4螺紋連接的強(qiáng)度計(jì)算3承受工作剪力的緊螺栓連接 這種連接是利用鉸制孔用螺栓抗剪切來(lái)承受載荷的。螺栓桿與孔壁之間無(wú)間隙，接觸表面受擠壓。在連接結(jié)合面處，螺栓桿則受剪切。螺栓桿與孔壁的擠壓強(qiáng)度條件為：螺栓桿的剪切強(qiáng)度條件為：式中：F 螺栓所受的工作剪力，單位為N；d0 螺栓剪切面的直徑（可取螺栓孔直徑），單位為mm；

8、Lmin 螺栓桿與孔壁擠壓面的最小高度，單位為mm；設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使Lmin1.25d0。Pmin0PssLdF 204FdFFd0Lmin 螺紋連接組的設(shè)計(jì)1螺栓組連接的設(shè)計(jì) 在設(shè)計(jì)螺栓組連接時(shí)，關(guān)鍵是連接的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。它是根據(jù)被連接件的結(jié)構(gòu)和連接的用途，確定螺栓數(shù)目和分布形式。v為了便于加工制造和對(duì)稱(chēng)布置螺栓，保證連接結(jié)合面受力均勻，通常連接結(jié)合面的幾何形狀都設(shè)計(jì)成軸對(duì)稱(chēng)的簡(jiǎn)單幾何形狀。v螺栓布置應(yīng)使各螺栓的受力合理。v螺栓的排列應(yīng)有合理的間距、邊距。v 為了便于在圓周上鉆孔時(shí)的分度和畫(huà)線(xiàn)，通常分布在同一圓周上的螺栓數(shù)目取成4、6、8等偶數(shù)。v避免螺栓承受附加的彎曲載荷。說(shuō)明說(shuō)明說(shuō)明一、螺栓組連接

9、的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 各螺栓之間的距離大小既要保證連接的可靠性又要考慮裝拆方便，還應(yīng)留有足夠的扳手空間。大多數(shù)機(jī)械中螺栓都是成組使用的。 螺紋連接組的設(shè)計(jì)2螺栓組連接的設(shè)計(jì)1受橫向載荷2受轉(zhuǎn)矩3受軸向載荷4受傾覆力矩 受力分析的目的：根據(jù)連接的結(jié)構(gòu)和受載情況，求出受力最大的螺栓 及其所受的力，以便進(jìn)行螺栓連接的強(qiáng)度計(jì)算。 受力分析時(shí)所作假設(shè)：所有螺栓的材料、直徑、長(zhǎng)度和預(yù)緊力均相同； 受載后連接接合面仍保持為平面。 受力分析的類(lèi)型：二、螺栓組連接的受力分析螺栓組的對(duì)稱(chēng)中心與連接接合面的形心重合； FFriOOMTfF0fF0FF螺紋連接組的設(shè)計(jì)3 （1）對(duì)于鉸制孔用螺栓連接（圖b），每個(gè)螺栓所受工作剪力

10、為： （2）對(duì)于普通螺栓連接（圖a） ，按預(yù)緊后接合面間所產(chǎn)生的最大摩擦力必須大于或等于橫向載荷的要求，有： 式中：z為螺栓數(shù)目。 圖示為由四個(gè)螺栓組成的受橫向載荷的螺栓組連接。1受橫向載荷的螺栓組連接zFFFKzifFS0fziFKFS0或螺栓組連接的設(shè)計(jì) KS為防滑系數(shù)，設(shè)計(jì)中可取KS =1.11.3。FFFFb)a)螺紋連接組的設(shè)計(jì)4 采用普通螺栓和鉸制孔用螺栓組成的螺栓組受轉(zhuǎn)矩時(shí)的受力情況是不同的。2受轉(zhuǎn)矩的螺栓組連接TKfrFfrFfrFsz02010 TrFziii1 采用普通螺栓，是靠連接預(yù)緊后在接合面間產(chǎn)生的摩擦力矩來(lái)抵抗轉(zhuǎn)矩T。 采用鉸制孔用螺栓，是靠螺栓的剪切和螺栓與孔壁的

11、擠壓作用來(lái)抵抗轉(zhuǎn)矩T。iirFrFmaxmaxZiirTrF12maxmaxziirfTKF1S0螺栓組連接的設(shè)計(jì) 螺紋連接組的設(shè)計(jì)5螺栓組連接的設(shè)計(jì)3受軸向載荷的螺栓組連接 若作用在螺栓組上軸向總載荷F作用線(xiàn)與螺栓軸線(xiàn)平行，并通過(guò)螺栓組的對(duì)稱(chēng)中心，則各個(gè)螺栓受載相同，每個(gè)螺栓所受軸向工作載荷為： 通常，各個(gè)螺栓還承受預(yù)緊力F0的作用，當(dāng)連接要有保證的殘余預(yù)緊力為F1時(shí)，每個(gè)螺栓所承受的總載荷F2為。zFFF2 = F1 + F 螺紋連接組的設(shè)計(jì)6螺栓組連接的設(shè)計(jì)4受傾覆力矩的螺栓組連接 傾覆力矩 M 作用在連接接合面的一個(gè)對(duì)稱(chēng)面內(nèi)，底板在承受傾覆力矩之前，螺栓已擰緊并承受預(yù)緊力F0。 作用在

12、底板兩側(cè)的合力矩與傾覆力矩M平衡，即： 由此可以求出最大工作載荷：ziLFM1iiZiLMLF12imaxmax 螺紋連接組的設(shè)計(jì)7螺栓組連接的設(shè)計(jì)0PmaxPzFMAWss00minPWMAzFs螺栓的總拉力：maxmbb02FCCCFF 為防止結(jié)合面受壓最大處被壓碎或受壓最小處出現(xiàn)間隙，要求： 底板受傾覆力矩后，在軸線(xiàn) OO 左側(cè)，螺栓與地基的工作點(diǎn)分別移至B1 和C1 ，兩者作用在底板上的合力為F。 受傾覆力矩的底板螺栓組連接的受力過(guò)程可用下圖表示。 在軸線(xiàn)OO 右側(cè)，螺栓與地基的工作點(diǎn)分別移至B2 和C2 ，兩者作用在底板上的合力為 Fm 。在傾覆力矩作用前，螺栓和地基的工作點(diǎn)都處于點(diǎn)

13、A 。 提高螺紋連接強(qiáng)度的措施提高螺紋連接強(qiáng)度的措施以螺栓連接為例，螺栓連接的強(qiáng)度主要取決于螺栓的強(qiáng)度，因此，提高螺栓的強(qiáng)度，將大大提高連接系統(tǒng)的可靠性。影響螺栓強(qiáng)度的因素主要有以下幾個(gè)方面，或從以下幾個(gè)方面提高螺栓強(qiáng)度。改善螺紋牙上載荷分布不均的現(xiàn)象降低影響螺栓疲勞強(qiáng)度的應(yīng)力幅減小應(yīng)力集中的影響采用合理的制造工藝 分析分析分析國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了螺紋連接件的性能等級(jí)。螺栓、螺柱、螺釘?shù)男阅艿燃?jí)分為10級(jí)，螺母的性能等級(jí)分為 7級(jí)。在一般用途的設(shè)計(jì)中，通常選用4.8級(jí)左右的螺栓，在重要的或有特殊要求設(shè)計(jì)中的螺紋連接件，要選用高的性能等級(jí)，如在壓力容器中常采用8.8級(jí)的螺栓。螺紋連接件的材料與許用應(yīng)力

14、螺紋連接件的材料與許用應(yīng)力一、螺紋連接件材料常用的螺紋連接件材料為Q215、Q235、35、45等碳素鋼。當(dāng)強(qiáng)度要求高時(shí)，還可采用合金鋼，如15Cr、40Cr等。性能等級(jí)二、螺紋連接件的許用應(yīng)力1螺紋連接件的許用拉應(yīng)力2螺紋連接件的許用剪應(yīng)力和許用擠壓應(yīng)力3螺紋連接件的安全系數(shù)說(shuō)明SssssSsPsPSss（被連接件為鋼）PBPSss（被連接件為鑄鐵） 例：液壓油缸內(nèi)壓力P=1.2Mpa，在350處用12個(gè)M20螺栓聯(lián)接（d1=17.294mm）,為保證密封，取F1=1.6F,銅皮石棉墊片之 螺栓=80Mpa。試求：螺栓承受軸向載荷F及總拉力F2（均指單個(gè)螺栓）？螺栓是否滿(mǎn)足強(qiáng)度要求？預(yù)緊力F

15、0應(yīng)為多少？8 . 0mBbCCC例題圖所示為一固定在鋼制立樁上的鑄鐵托架，已知總載荷F=4800其作用線(xiàn)與垂直線(xiàn)的夾角=50，底板高h(yuǎn)340 mm，寬b=150 mm試設(shè)計(jì)此螺栓組連接。 解 1. 螺栓組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用如圖所示的結(jié)構(gòu)螺栓數(shù)z4對(duì)稱(chēng)布置。2. 螺栓受力分析 1)在總載荷F的作用下，螺接組連接承受以下各力和傾覆力矩的作用：軸向力(F的水平分力Fh作用于螺栓組中心，水平向右)Fh = F sin= 4800N. sin50=3667 N橫向力(F的垂直分力Fv作用于接合面，垂直向下) Fv = F cos= 4800N. cos50=3085 N傾覆力矩(順時(shí)針?lè)较?M= Fh16c

16、m + Fv15cm =105107 N.cm例：用四個(gè)普通螺栓將鋼板A固定在鋼板B上。圖中尺寸a=70mm，L400mm， F=500N。鋼板間摩擦系數(shù)=0.10，聯(lián)接可靠因數(shù)（防滑因數(shù)）K=1.2，若采用性能等級(jí)為4.6的螺栓，計(jì)算螺栓小徑d1。(取安全因數(shù)S=2.0) 解：受到摩擦力和摩擦力矩，求出摩擦力合力、求出預(yù)緊力，按僅受預(yù)緊力的緊螺栓連接校核強(qiáng)度求出螺栓小徑螺旋傳動(dòng)1螺旋傳動(dòng)一、螺旋傳動(dòng)的類(lèi)型和應(yīng)用傳力螺旋傳導(dǎo)螺旋 調(diào)整螺旋螺旋傳動(dòng)按其螺旋副摩擦性質(zhì)的不同，又可分為：說(shuō)明滑動(dòng)螺旋 滾動(dòng)螺旋 靜壓螺旋說(shuō)明 螺旋傳動(dòng)是利用螺桿和螺母組成的螺旋副來(lái)實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)的。它主要用于將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

17、直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)傳遞動(dòng)力。螺旋傳動(dòng)按其用途不同，可分為以下三種類(lèi)型: 螺旋機(jī)構(gòu)在機(jī)床的進(jìn)給機(jī)構(gòu)、起重設(shè)備、鍛壓機(jī)械、測(cè)量?jī)x器、工具、夾具、玩具及其他工業(yè)裝備中有著廣泛的應(yīng)用。 螺旋傳動(dòng)常見(jiàn)的運(yùn)動(dòng)形式有：螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，螺母移動(dòng)或螺母固定，螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)并移動(dòng)。 螺旋傳動(dòng)2螺旋傳動(dòng)二、滑動(dòng)螺旋的結(jié)構(gòu)和材料1滑動(dòng)螺旋的結(jié)構(gòu)整體螺母組合螺母剖分螺母螺母結(jié)構(gòu): 滑動(dòng)螺旋的結(jié)構(gòu)主要是指螺桿、螺母的固定和支承的結(jié)構(gòu)形式。螺旋傳動(dòng)的工作剛度與精度等和支承結(jié)構(gòu)有直接關(guān)系。固定螺釘調(diào)整螺釘調(diào)整楔快 螺桿的材料要有足夠的強(qiáng)度和耐磨性。螺母的材料除了要有足夠的強(qiáng)度外，還要求在與螺桿材料相配合時(shí)摩擦系數(shù)小和耐磨。2滑動(dòng)螺旋的材料說(shuō)

18、明 螺旋傳動(dòng)3螺旋傳動(dòng)三、滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算主要失效形式: 螺牙的磨損 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：按抗磨損確定直徑，選擇螺距； 校核螺桿、螺母強(qiáng)度等。設(shè)計(jì)方法和步驟：1耐磨性計(jì)算 滑動(dòng)螺旋的耐磨性計(jì)算，主要是限制螺紋工作面上的壓力，其強(qiáng)度條件：22phHdFPhudFp設(shè)計(jì)公式：令2dH則得：2phFPd5 . 32 . 1一般值越大，螺母越厚，螺紋工作圈數(shù)越多。式中:Ph5 . 030鋸齒形螺紋Ph75.0矩形和梯形螺紋螺紋工作高度 螺旋傳動(dòng)4螺旋傳動(dòng)2122122)4343dTFdca（ssssca 依據(jù)計(jì)算出的螺紋中徑，按螺紋標(biāo)準(zhǔn)選擇合適的直徑和螺距。驗(yàn)算：10PHu若不滿(mǎn)足要求，則增大螺距。對(duì)有自鎖性要求的螺旋傳動(dòng)，應(yīng)校核自鎖條件：vy2螺桿的強(qiáng)度計(jì)算