第5章 螺紋聯(lián)接和螺旋傳動

第五章

螺紋連接與螺旋傳動§1概述一、聯(lián)接分類1、按運動關(guān)系分靜聯(lián)接：只固定，無相對運動。如螺紋聯(lián)接、普通平鍵聯(lián)接。動聯(lián)接：彼此有相對運動。如花鍵、螺旋傳動等。——運動副2、按傳載原理分靠摩擦力（力閉合）：如受拉螺栓、過盈聯(lián)接。非摩擦（形閉合）：靠聯(lián)接零件的相互嵌合傳載，如平鍵。材料鎖合聯(lián)接：利用附加材料分子間作用，如粘接、焊接。3、按拆開時是否損壞零件分可拆聯(lián)接：如螺紋聯(lián)接（最廣泛的可拆聯(lián)接）。不可拆聯(lián)接：如焊接、鉚接等。二、螺紋基本知識①直徑大徑d：公稱直徑。M20→d=20mm小徑d1：螺紋的最小直徑。中徑d2：齒厚=齒槽寬處直徑，幾何計算用。一般取：d2=(d+d1)/2④螺距p②線數(shù)n：n=1時用于聯(lián)接；n＞1時用于傳動；n↑→η↑，但為便于制造n≤4③牙形角α：螺紋牙兩側(cè)面夾角。1、螺紋的主要參數(shù)2、螺紋的類型右旋左旋螺紋位置：內(nèi)螺紋——螺母；外螺紋——螺釘。旋向判定：順著軸線方向看，可見側(cè)左邊高則為左旋，右邊高則為右旋。螺紋旋向：左旋螺紋，右旋螺紋（常用）。思考：⑥中徑升角λ：⑤導(dǎo)程s：s=np聯(lián)接：效率低、自鎖性好。傳動：效率高、自鎖性差。螺紋牙形：三角形、矩形、梯形、鋸齒形等30°3°30°60°三角形梯形鋸齒形矩形單線，用于聯(lián)接雙線或多線，常用于傳動粗牙：一般情況下使用。細(xì)牙：d相同，p小，λ小，牙淺，自鎖性好，但不耐磨，易滑扣?！嘤糜谧冚d荷場合?！嗦?lián)接螺紋：一般為單線、粗牙、右旋的三角螺紋。螺紋線數(shù)：單線（聯(lián)接）；多線（傳動）。§2螺紋聯(lián)接的主要類型、材料一、主要類型（注意各圖的畫法）1、螺栓聯(lián)接受拉——普通螺栓普通螺栓：無需在被聯(lián)件上加工螺紋孔，裝拆方便，用于兩被聯(lián)件均不太厚的場合。受剪——鉸制孔螺栓鉸制孔螺栓：除起聯(lián)接作用外，還起定位作用。2、雙頭螺柱聯(lián)接

用于有一聯(lián)接件較厚，并經(jīng)常裝拆的場合，拆卸時只需擰下螺母即可。3、螺釘聯(lián)接用于有一聯(lián)接件較厚，且不需經(jīng)常裝拆的場合。4、緊定螺釘聯(lián)接螺釘末端頂住另一零件的表面或相應(yīng)凹坑，以固定兩個零件的相互位置，并可傳遞不大的力或力矩。5、地腳螺栓聯(lián)接6、T型槽螺栓聯(lián)接7、吊環(huán)螺釘二、性能等級1、螺栓等：十個性能等級，如：3.6、4.6、4.8、……性能等級材料性能如：6.8σBmin/100=6σBmin=600MPa10(σsmin/σBmin)=8σsmin=480MPa或σsmin=(6×8)×10=480MPa低碳鋼或中碳鋼2、螺母：七個等級，與螺栓性能相配。（自學(xué)）螺栓

標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)接件螺釘標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)接件緊定螺釘標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)接件緊定螺釘標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)接件墊圈標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)接件墊圈標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)接件自攻螺釘標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)接件自攻螺釘標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)接件標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)接件圓螺母與止動墊片止動墊圈和圓螺母標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)接件六角螺母標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)接件六角螺母標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)接件異形螺母標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)接件§3螺栓聯(lián)接的擰緊與防松一、擰緊受載之前擰緊螺母預(yù)緊力F’預(yù)緊↑聯(lián)接剛度↑防松能力↑緊密性1、擰緊力矩T=？螺母支承面間的摩擦阻力矩以螺母分析：T=T1+T2螺紋副間的摩擦力矩——螺紋副間有效圓周力（rf——支承面摩擦半徑）∴kt——擰緊力矩系數(shù)，一般取kt=0.22、控制T的方法T↑F↑拉斷、滑扣T↓不能滿足工作要求控制T的大小一般情況憑經(jīng)驗，擰緊即可。方法：測量螺栓伸長量：σμ（大型螺栓聯(lián)接）定力矩扳手測力矩扳手沖擊扳手測力矩扳手采用測力矩扳手或定力矩扳手控制預(yù)緊力，準(zhǔn)確性較差，也不適用與大型的螺栓聯(lián)接。為此，可以采用測量螺栓伸長量的方法來控制預(yù)緊力。測量螺栓伸長量3、嚴(yán)格控制預(yù)緊力時d≮M12~M16標(biāo)準(zhǔn)扳手長度L=15d，若擰緊力為F，則：T=FL=15dF=0.2F’d→F’=75F若F=200N，則F’=15000N?！∮贛12，則易拉斷。二、防松1、螺紋聯(lián)接按自鎖條件設(shè)計：

ψ≤ρv?！?/p>

靜載下不會自行松脫。2、松動原因沖擊、振動、變載荷下溫度變化較大時螺旋副摩擦力Ff減小或瞬時消失松動對頂螺母3、防松方法——防止螺旋副相對轉(zhuǎn)動。按防松原理不同，分為三類：a）摩擦防松自鎖螺母彈簧墊圈開口方向：斜向右下方彈性增壓尖端抵住開口銷與槽形螺母b）機械防松（直接鎖?。┱_不正確注意金屬絲穿入方向串聯(lián)金屬絲c）破壞螺紋副關(guān)系不可拆聯(lián)接膠接沖點焊住§4單個螺栓聯(lián)接的受力分析和強度計算螺栓聯(lián)接受拉螺栓受剪螺栓松聯(lián)接：不擰緊，無預(yù)緊力F’，僅受工作載荷F緊聯(lián)接：需擰緊僅受預(yù)緊力F’同時受預(yù)緊力F’和工作載荷F一、受拉螺栓聯(lián)接對于受拉螺栓，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。危險截面面積由計算直徑dc確定：dc=d1-H/6，H≈0.866p；其中：d1、p分別為螺紋小徑和螺距。1、松聯(lián)接如：起重滑輪螺栓僅受軸向工作拉力F——失效：拉斷強度條件：MPa

——校核式式中：dc——危險截面計算直徑[σ]——許用應(yīng)力，[σ]=σs／[Ss]，見表2.4（P52）。mm——設(shè)計式查手冊，選螺栓2、緊聯(lián)接2.1只受預(yù)緊力F’的緊聯(lián)接外載荷FR——對螺栓為橫向力——靠摩擦力傳遞a.FR作用下，板不滑移：FR≤Ff，而Ff—→F’。b.按F’計算：F’為螺栓軸向負(fù)荷—→拉應(yīng)力c.擰緊過程中，在T1作用下螺栓受扭—→產(chǎn)生τT對鋼制M10~M68螺栓：τT≈0.5σ。d.危險截面上受復(fù)合應(yīng)力（σ、τT）作用—→強度準(zhǔn)則螺栓為塑性材料—→第四強度理論——校核式即：1.3意義：緊聯(lián)接時，將拉應(yīng)力增大30%以考慮擰緊力矩的影響。mm

——設(shè)計式2.2受剪螺栓聯(lián)接1、失效形式：剪斷、接觸表面壓潰。2、螺栓剪切強度條件d——桿抗剪面直徑m——抗剪面數(shù)目[τ]——許用剪應(yīng)力2.3受預(yù)緊力F’和軸向工作載荷F的緊螺栓聯(lián)接a、未擰狀態(tài)b、擰緊狀態(tài)F’c、工作狀態(tài)F變形受力過程：無變形—→F’

—→δ1δ2—→+F—→δ1+Δδ1δ2-Δδ2變形協(xié)調(diào)條件：Δδ1=Δδ2=Δδ3、擠壓強度條件h——對象受壓高度；[σp]——許用擠壓應(yīng)力各力定義1、預(yù)緊力F’（擰緊螺母后，作用在螺栓上的拉力和被聯(lián)件上壓力）2、螺栓工作拉力F0

—→總拉力3、工作載荷F（對螺栓聯(lián)接施加的外載荷）4、F”剩余預(yù)緊力。（P49）思考：圖b中，F(xiàn)0=？圖c中，F(xiàn)0=F+F’？靜力平衡條件：

F0=F+F”即：螺栓總拉力等于工作載荷與剩余預(yù)緊力之和?！?/p>

上述過程還可通過力——變形圖表示螺栓剛度：被聯(lián)件剛度：在合并圖中：∴——檢查F”的大小——求總拉力即：螺栓總拉力等于預(yù)緊力加上部分工作載荷。由于兩圖合并討論：1、——螺栓相對剛度系數(shù)當(dāng)F、F’一定時，∴為↓螺栓受力—→選擇不同墊片↓—→應(yīng)使2、：不出現(xiàn)縫隙。(由驗算)同理，考慮扭轉(zhuǎn)作用，強度條件為：——校核式mm——設(shè)計式若工作載荷為變載荷：當(dāng)工作載荷在F1~F2變化時，螺栓總拉力在F01~F02之間變化變載荷下螺栓失效：Fa作用下的疲勞拉斷Fa——拉力變幅：∴應(yīng)力幅：即：變載荷下螺栓，應(yīng)力幅越小，疲勞強度越高?！?螺栓組聯(lián)接的受力分析一、思路聯(lián)接結(jié)構(gòu)形式、外載荷類型—→螺栓受力—→找出受載最大螺栓—→按單個螺栓聯(lián)接的計算方法計算二、基本假定1、各螺栓剛度相同；2、各螺栓預(yù)緊力F0相同；3、變形在彈性范圍內(nèi)；4、被聯(lián)件為剛體；特點：載荷與螺栓軸線平行，并通過螺栓組對稱中心?！髀菟ńM平均受載：螺栓還受F’

—→F

—→工作條件：F”>02、受橫向載荷的螺栓組聯(lián)接三、四種典型受載情況時的受力分析1、受軸向載荷的螺栓組聯(lián)接（1）特點：橫向載荷作用線與螺栓軸線垂直，并通過螺栓組對稱中心。（2）承載方式：形閉合：受剪螺栓（靠桿的剪切與擠壓承載）力閉合：受拉螺栓（由F0在結(jié)合面產(chǎn)生的摩擦力承載）（3）受力分析a、受拉螺栓工作條件：按僅受F0的緊聯(lián)接計算。式中：f——結(jié)合面的摩擦系數(shù)；z——螺栓個數(shù)；

i——結(jié)合面數(shù)目，圖中i=2；ks——可靠系數(shù)（防滑系數(shù)），ks=1.1~1.5；b、受剪螺栓假定每個螺栓受載相同，則工作條件：剪切計算擠壓計算3、受旋轉(zhuǎn)力矩T的螺栓組聯(lián)接特點：在轉(zhuǎn)矩T作用下，底板有繞螺栓組形心軸線O-O旋轉(zhuǎn)的趨勢。橫向力受拉螺栓受剪螺栓摩擦力承載，各螺栓處產(chǎn)生相等的摩擦力（1）受拉螺栓聯(lián)接工作條件：（2）受剪螺栓聯(lián)接靠剪切和擠壓承載，各螺栓在T作用下受橫向力Fs。問題：Fs1=Fs2=…=Fsz？即Fsi與ri成正比：或工作條件：

Fs1r1+Fs2r2+…+Fszrz=T變形協(xié)調(diào)條件：底板視為剛體，ri↑—→剪切變形量↑—→Fsi↑代入工作條件中：4、受翻轉(zhuǎn)力矩M（傾覆力矩）的螺栓組聯(lián)接特點：在M作用下，底板有繞螺栓組形心軸翻轉(zhuǎn)的趨勢。作用M前：各螺栓受相同F(xiàn)0作用M后：左側(cè)：F拉(不均勻)，右側(cè)：F壓(不均勻)→F0↓工作條件：變形協(xié)調(diào)條件：其它條件：附加校核討論：設(shè)計時，如何布置螺栓更合理？——遠離對稱中心Ri↑→Fmax↓實際應(yīng)用可轉(zhuǎn)化為上述四種狀態(tài)的不同組合：分別計算迭加橫向載荷和旋轉(zhuǎn)力矩軸向載荷和翻轉(zhuǎn)力矩強度計算左側(cè)不出現(xiàn)縫隙右側(cè)邊緣不壓潰例題如圖所示為一固定在鋼制立柱上的鑄鐵托架,已知總載荷FΣ=4800N,其作用線與垂直線的夾角α=50°,底板高h=340mm,寬b=150mm,試設(shè)計此螺栓組聯(lián)接。[解]

1.螺栓組結(jié)構(gòu)設(shè)計采用如圖所示的結(jié)構(gòu),螺栓數(shù)z=4,對稱布置。2.螺栓受力分析1）在總載荷FΣ的作用下,螺栓組聯(lián)接承受以下各力和傾覆力矩的作用:

軸向力（FΣ的水平分力FΣh,作用于螺栓組中心,水平向右）

FΣh=FΣsinα=4800N·sin50°=3677N

橫向力(FΣ的垂直分力FΣv,作用于接合面,垂直向下)

FΣv=FΣcosα=4800N·cos50°=3085N

傾覆力矩(順時針方向)

M=FΣh×16+FΣv×15=105107N·cm2）在軸向力FΣh的作用下,各螺栓所受的工作拉力為

Fa=FΣh/z=3677/4=919N

3）在傾覆力矩M的作用下,上面兩螺栓受到加載作用,而下面兩螺栓受到減載作用,故上面的螺栓受力較大,所受的載荷按式(5-31)確定故上面的螺栓所受的軸向工作載荷為

F=Fa+Fmax=919N+1877N=2796N4）在橫向力FΣv的作用下,底板聯(lián)接接合面可能產(chǎn)生滑移,根據(jù)底板接合面不滑移的條件由表5-5查得接合面間的摩擦系數(shù)f=0.16,并取

=0.2,則

=1-

=0.8,取防滑系數(shù)K=1.2,則各螺栓所需要的預(yù)緊力為5）上面每個螺栓所受的總拉力F2按式(5-34)求得

F2=F0+()F=6520N+0.2×2796N=7079N3.確定螺栓直徑

選擇螺栓材料為Q235、性能等級為4.6的螺栓,由表5-8查得材料屈服極限σS=240MPa,由表5-10查得安全系數(shù)S=1.5,故螺栓材料的許用應(yīng)力

[σ]=σS/S=240/

1.5

MPa=160MPa。根據(jù)式(5-36)求得螺栓危險截面的直徑（螺紋小徑d1）為按粗牙普通螺紋標(biāo)準(zhǔn)(GB/T196—2003),選用螺紋公稱直徑

d=12mm(螺紋小徑d1=10.106mm>8.6mm)。4.

校核螺栓組聯(lián)接接合面的工作能力1）聯(lián)接接合面下端的擠壓應(yīng)力不超過許用值,以防止接合面壓碎。參考式(5-22),有

由表5-6查得[σp]=0.5σB=0.5×250MPa=125MPa>>1.84MPa,故聯(lián)接接合面下端不致壓碎。2）聯(lián)接接合面上端應(yīng)保持一定的殘余預(yù)緊力,以防止托架受力時接合面間產(chǎn)生間隙,即σpmin>0,參考式(5-23),有故接合面上端受壓最小處不會產(chǎn)生間隙。5.校核螺栓所需的預(yù)緊力是否合適

參考式(5-2),對碳素鋼螺栓,要求

F0≤(0.6～0.7)σSA1已知σS=240MPa,A1=πd12/4=π×10.1062/4mm2=80.214mm2,取預(yù)緊力下限即

0.6σSA1=0.6×240×80.214N=11550.8N要求的預(yù)緊力F0=6520N,小于上值,故滿足要求。確定螺栓的公稱直徑后,螺栓的類型、長度、精度以及相應(yīng)的螺母、墊圈等結(jié)構(gòu)尺寸,可根據(jù)底板厚度、螺栓在立柱上的固定方法及防松裝置等全面考慮后定出,此處從略?！?螺栓組結(jié)構(gòu)設(shè)計要點1、結(jié)合面幾何形狀力求簡單（矩、圓、三角），且螺栓組的對稱中心與結(jié)合面形心重合，結(jié)合面受力均勻。3、