第6章 螺紋連接與螺旋傳動(dòng)

1、第第6章章 螺紋連接與螺旋傳動(dòng)螺紋連接與螺旋傳動(dòng) 6.1 運(yùn)動(dòng)副的摩擦運(yùn)動(dòng)副的摩擦 6.2 螺紋連接的基本知識(shí)螺紋連接的基本知識(shí) 6.3 螺紋連接的預(yù)緊與防松螺紋連接的預(yù)緊與防松 6.4 單個(gè)螺栓連接的強(qiáng)度計(jì)算單個(gè)螺栓連接的強(qiáng)度計(jì)算 6.1運(yùn)動(dòng)副的摩擦 6.1.1移動(dòng)副中的摩擦力 1、驅(qū)動(dòng)功、驅(qū)動(dòng)功(輸入功輸入功)：作用在機(jī)械上的驅(qū)動(dòng)力所 作的功為驅(qū)動(dòng)功(即輸入功)Wd； 2、有效功有效功(輸出功）輸出功）：克服生產(chǎn)阻力所作的功為 有效功(輸出功)Wr； 3、損耗功損耗功：克服有害阻力所作的功為損耗功Wf。 它們之間的關(guān)系為WdWr Wf 6.1.2機(jī)械效率及自鎖 一、機(jī)械功 1、機(jī)械效率、機(jī)

2、械效率：輸出功和輸入功的比值，反映了輸入功 在機(jī)械中有效利用的程度，稱為機(jī)械效率, 通常用表示。 2、效率以功的形式表達(dá)、效率以功的形式表達(dá)： 3、效率以功率形式表達(dá)、效率以功率形式表達(dá) 將各功除以時(shí)間t則得NdNr Nf 或 其中Nd、Nr 、Nf分別為輸入功率、輸出功率與損耗功率。 二、機(jī)械效率 4、效率以力或力矩的形式表達(dá)、效率以力或力矩的形式表達(dá) 設(shè)P為驅(qū)動(dòng)力，Q為生產(chǎn)阻力，vP和vQ分別為P和Q的作用 點(diǎn)沿該力作用線方向的速度，于是可得 理想機(jī)械理想機(jī)械：指沒有摩擦的機(jī)械。 理想驅(qū)動(dòng)力理想驅(qū)動(dòng)力：指理想機(jī)械中為了克 服同樣的生產(chǎn)阻力Q，所需的驅(qū)動(dòng) 力P0。 理想機(jī)械的效率理想機(jī)械的效

3、率0： 即 于是得機(jī)械效率的力表達(dá)式機(jī)械效率的力表達(dá)式： 同理推得效率得力矩表達(dá)式為： 統(tǒng)一形式統(tǒng)一形式 ： 三、機(jī)械的自鎖 由于機(jī)械中總存在著損失功，所以機(jī)械效率1。 若機(jī)械的輸入功全部消耗于摩擦，結(jié)果就沒有有用功 輸出，則=0。若機(jī)械的輸入工不足以克服摩擦阻力 消耗的工，則 0。在這種情況下不管驅(qū)動(dòng)力多大 都不能使機(jī)械運(yùn)動(dòng)，機(jī)械發(fā)生自鎖。因此機(jī)械自鎖的 條件是0，其中=0為臨界自鎖狀態(tài)，并不可靠。 6.1.3螺旋機(jī)構(gòu)的效率 當(dāng)以力矩M擰緊螺母是，相當(dāng)與滑塊在驅(qū)動(dòng)力P作 用下克服阻力Q沿斜面等速上升。 當(dāng)擰松螺母時(shí)，相當(dāng)與滑塊在力P作用下下滑。 6.2螺紋連接的基本知識(shí)螺紋連接的基本知識(shí) 6

4、.2.1 常用螺紋的類型 常用螺紋的類型主要有普通螺紋、 管螺紋、 圓錐 螺紋、 矩形螺紋、 梯形螺紋、 鋸齒形螺紋等, 前三種主 要用于連接, 后三種主要用于傳動(dòng)。 起連接作用的螺紋稱 為連接螺紋, 起傳動(dòng)作用的螺紋稱為傳動(dòng)螺紋。 標(biāo)準(zhǔn)螺紋 的基本尺寸可查閱有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。 6.2.2螺紋的主要參數(shù) 以圖6-1所示圓柱普通螺紋為例 圖 6-1 6.2.3螺紋連接的分類及應(yīng)用 如圖6-2所示，螺紋按其牙型角可分為三 角螺紋，梯形螺紋和鋸齒形螺紋。三角螺紋主 要用于聯(lián)接；矩形、梯形和鋸齒形螺紋主要用 于傳動(dòng)。用于聯(lián)接的三角螺紋又有普通螺紋， 英制螺紋以及用于管路系統(tǒng)聯(lián)接的圓柱螺紋， 即管螺紋。在上述各

5、種螺紋中，除矩形螺紋外， 均已標(biāo)準(zhǔn)化。普通螺紋的螺距和基本尺寸見表 （略）。 普遍螺紋即米制三角形螺紋，其牙型角為60度，同 一公稱直徑下有多種螺距，其中螺距最大的稱為粗牙螺 紋，其余為細(xì)牙螺紋。 如圖6-3所示 圖 6-3 6.2.4螺紋連接的基本類型 1、螺栓連接 2、雙頭螺柱連接 3、螺釘連接 4、緊定螺釘連接 詳細(xì)內(nèi)容見表6-1 螺栓連接 雙頭螺柱連接 螺釘連接 圖 6-4 6.2.4螺紋連接的基本類型 表6-1 6.2.4螺紋連接的基本類型 表6-1 螺紋連接件實(shí)物 6.3螺紋連接的預(yù)緊與放松 6.3.1螺紋連接的預(yù)緊 一般螺紋連接在裝配時(shí)都必須擰緊, 使連接 件在承受工作載荷之前預(yù)

6、先受到力的作用, 這個(gè)預(yù) 加作用力稱為預(yù)緊力。 預(yù)緊的目的是增大連接的 緊密性、 可靠性和防松能力。 擰緊時(shí), 用扳手施加擰緊力矩M, 以克服螺 紋副中的阻力矩M1和螺母支承面上的摩擦阻力矩 M2, 故擰緊力矩 M=M1+M2(12 - 1) 螺紋副間的摩擦力矩為 )tan( 2 2 1 d FM 式中, F為預(yù)緊力, 單位為N； d2為螺紋中徑, 單位為mm； d為螺紋公稱直徑, 單位為mm； 為螺紋升角； 當(dāng) 量摩擦角。 對(duì)于M10M68的粗牙普通螺紋, 無(wú)潤(rùn)滑時(shí)取 M0.2Fd (12 - 3) (12 - 2) 圖 6-5 測(cè)力矩扳手 圖 6-6 定力矩扳手 6.3.2螺紋連接的防松

7、在靜載荷作用下, 連接螺紋升角較小, 能滿足自 鎖條件。 但在受沖擊、 振動(dòng)或變載荷以及溫度變化 大時(shí), 連接有可能自動(dòng)松脫, 容易發(fā)生事故。 因此, 在 設(shè)計(jì)螺紋連接時(shí), 必須考慮防松問(wèn)題。 防松的根本問(wèn)題在于防止螺紋副的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。 按工作原理分有三種防松方式: 利用摩擦力防松； 利 用機(jī)械元件直接鎖住防松； 破壞螺紋副的運(yùn)動(dòng)關(guān)系防 松。 常用防松方法如圖6-7 ，6-8，6-9所示。 1、摩擦防松 對(duì)頂螺母 彈簧墊圈 自鎖螺母 圖 6-7 2、機(jī)械防松 開口銷與槽形螺母 止動(dòng)墊圈 圖 6-8 2、機(jī)械防松 串聯(lián)鋼絲止動(dòng)墊圈 圖 6-9 6.4單個(gè)螺栓連接的強(qiáng)度計(jì)算 螺栓連接的受載形式很多,

8、 但對(duì)單個(gè)螺栓(包括雙 頭螺柱和螺釘)來(lái)說(shuō)主要有兩類: 一為外載荷沿螺栓軸 線方向, 稱為軸向載荷； 二為外載荷垂直于螺栓軸線 方向, 稱為橫向載荷。 當(dāng)傳遞軸向載荷時(shí), 螺栓受軸向 拉力, 稱為受拉螺栓。 螺栓連接可分為不預(yù)緊的松連 接和有預(yù)緊的緊連接。 當(dāng)傳遞橫向載荷時(shí), 一種是普 通螺栓連接, 靠預(yù)緊力在被連接件間產(chǎn)生的摩擦力傳遞 橫向載荷, 螺栓仍受軸向拉力； 另一種是鉸制孔螺栓 連接, 工作時(shí)螺桿受剪, 桿壁和孔壁互相擠壓來(lái)傳遞載 荷, 稱為受剪螺栓。 大多數(shù)情況下, 螺栓連接都是成組使用的, 在進(jìn) 行螺栓組連接強(qiáng)度計(jì)算時(shí), 一般先根據(jù)連接的工 作情況, 找出受力最大的螺栓和它的工作

9、載荷, 然后計(jì)算這個(gè)螺栓的直徑。 而其他受力較小的 螺栓也都采用與其相同的尺寸。 所以, 單個(gè)螺 栓連接強(qiáng)度計(jì)算是螺栓組強(qiáng)度計(jì)算的基礎(chǔ)。 大多數(shù)情況下螺栓的尺寸都是按經(jīng)驗(yàn)、 規(guī) 范來(lái)確定的。 對(duì)于重要的螺栓連接, 如發(fā) 動(dòng)機(jī)中的連桿螺栓、 汽缸上受載的雙頭螺 柱、 高溫高壓容器蓋的連接螺栓、 重載 法蘭連接螺栓等, 則必須進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。 螺栓的強(qiáng)度計(jì)算主要是確定螺紋的小徑d1, 然后按標(biāo)準(zhǔn)選取螺紋的公稱直徑d等尺寸。 6.4.1、受拉螺栓連接、受拉螺栓連接 1、松螺栓聯(lián)接、松螺栓聯(lián)接 這種聯(lián)接在承受 工作載荷以前螺栓不 旋緊，即不受力。如 圖6-10所示的起重吊 鉤尾部的松螺栓聯(lián)接。 圖 6-

10、10 設(shè)螺栓所受的最大軸向載荷為F, 則強(qiáng)度條件為 F d d F 4 4 1 2 1 式中, d1為螺栓小徑, 單位為mm； 為松螺紋連接許用應(yīng)力, 單位為MPa。 2、緊螺栓連接 （1）只受預(yù)緊力的緊螺栓連接 緊螺栓連接在承受工作載荷之前必須預(yù)緊, 因此, 螺栓一方面受拉, 另一方面因螺紋副中摩擦阻力矩的作 用而受扭, 故在危險(xiǎn)截面上既有拉應(yīng)力, 又有受扭矩而 產(chǎn)生的切應(yīng)力。 螺栓常用塑性材料, 根據(jù)第四強(qiáng)度理 論, 其螺栓部分的強(qiáng)度仍按拉伸強(qiáng)度公式計(jì)算, 考慮到 扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力的影響, 把螺栓所受的軸向拉應(yīng)力增加30%, 即變?yōu)?.3倍, 因此, 螺栓的強(qiáng)度條件和設(shè)計(jì)計(jì)算公式可 簡(jiǎn)化為 0

11、1 2 1 0 2 . 5 43 . 1 F d d F （2）. 受橫向外載荷的緊螺栓連接 1) 受力分析 如圖6-11所示的普通螺栓連接, 被連接 件承受垂直于軸線的橫向載荷FR。 因螺栓桿與螺栓孔間有間隙, 故螺栓不 直接承受橫向載荷FR, 而是預(yù)先擰緊螺栓, 使 被連接零件表面間產(chǎn)生壓力F0, 從而使被連接 件接合面間產(chǎn)生的摩擦力來(lái)承受橫向載荷。 圖6-11 普通螺栓連接 受橫向載荷的緊螺栓連接預(yù)緊后受橫向載荷的緊螺栓連接預(yù)緊后 摩擦 面數(shù)m=1 摩擦 面數(shù)m=2 圖 6-12 摩擦 面數(shù)m=1摩擦 面數(shù)m=2 受橫向載荷的緊螺栓連接加載后受橫向載荷的緊螺栓連接加載后 圖 6-13 若

12、摩擦力之總和大于或等于橫向載荷FR, 則被連 接件間不會(huì)相互滑移, 故可達(dá)到連接的目的。 因 此, 每個(gè)連接作用于被連接件間的壓力即預(yù)緊力 F0, 其大小可由下式算出: fzm FK F FKfzmF Rf Rf 0 0 式中, FR為橫向外載； F0為每個(gè)螺栓的預(yù)緊力； f為被連接件表面的摩擦系數(shù), 見表6-2； z為螺栓 連接的個(gè)數(shù)； m為接合面數(shù)(圖6-11中, m=2)； Kf 為過(guò)載系數(shù), 通常取 Kf=1.2。 表6-2 連接接合面間的摩擦系數(shù) f （3）、受軸向載荷的緊 螺栓連接 1) 受力分析 圖6 - 14所示的氣 缸蓋螺栓連接, 即承受軸 向外載荷的緊螺栓連接， 其受力分析見圖6 - 15。 未擰緊時(shí), 螺栓與被連接 件皆不受力。 擰緊后, 螺 栓受預(yù)緊力F0, 而被連接 件則受預(yù)緊壓力F0的作用, 且產(chǎn)生壓縮變形1。 圖 6-14 當(dāng)如圖6 - 14所示的氣缸內(nèi)通入氣體后, 螺栓又受到軸 向外載荷F的作用, 由于螺栓中總拉力由F0增至F, 螺 栓比預(yù)緊狀態(tài)時(shí)增加伸長(zhǎng)變形2, 被連接件則要回彈 變形2。 由于被連接件壓縮變形量減小, 故其所受壓 力將減小, 不是原來(lái)的預(yù)緊力F0了, 而變成減小后的剩 余預(yù)緊力F0, 由此可知, 螺栓受軸向載荷F后, 螺栓所 受的總拉力F為工作拉力F與剩余預(yù)緊力F0之和, 即 F=F+F0 剩余預(yù)緊力F0的值可參照表6-3選取。