第5章螺紋聯(lián)接與螺旋傳動

聯(lián)接聯(lián)接的目的：便于機(jī)器的制造、安裝、運(yùn)輸、維修以及提高勞動生產(chǎn)率。機(jī)械聯(lián)接：機(jī)械動聯(lián)接：機(jī)器工作時，被聯(lián)接的零（部）件間可以有相對運(yùn)動的聯(lián)接。如機(jī)械原理課程中所討論的各種運(yùn)動副；機(jī)械靜聯(lián)接：機(jī)器工作時，被聯(lián)接的零（部）件間不允許產(chǎn)生相對運(yùn)動的聯(lián)接。在機(jī)器制造中，聯(lián)接也通常指機(jī)械靜聯(lián)接。機(jī)械靜聯(lián)接：可拆聯(lián)接：如螺紋聯(lián)接、鍵聯(lián)接及銷聯(lián)接等；不可拆聯(lián)接：焊接、鉚釘聯(lián)接、膠接等；第5章螺紋聯(lián)接與螺旋傳動

5-1螺紋如用一個三角形K沿螺旋線運(yùn)動并使K平面始終通過圓柱體軸線YY-這樣就構(gòu)成了三角形螺紋。同樣改變平面圖形K，可得到矩形、梯形、鋸齒形一、螺紋的形成鋸齒形螺紋三角形螺紋矩形螺紋梯形螺紋按牙型:三角形螺紋、管螺紋——聯(lián)接螺紋矩形、梯形、鋸齒形螺紋——傳動螺紋按位置：內(nèi)螺紋——在圓柱孔的內(nèi)表面形成的螺紋外螺紋——在圓柱孔的外表面形成的螺紋三角形螺紋：粗牙螺紋——用于緊固件細(xì)牙螺紋——同樣的公稱直徑下，螺距最小，自鎖性好，適于薄壁細(xì)小零件和沖擊變載等根據(jù)螺旋線繞行方向：左旋——如圖右旋——常用根據(jù)螺旋線頭數(shù)：單頭螺紋（n=1）——用于聯(lián)接雙頭螺紋（n=2）——如圖多線螺紋（n≥2）——用于傳動二、螺紋的類型1）外徑（大徑）d（D）——與外螺紋牙頂相重合的假想圓柱面直徑，亦稱公稱直徑2）內(nèi)徑（小徑）d1(D1)——與外螺紋牙底相重合的假想圓柱面直徑3）中徑d2——在軸向剖面內(nèi)牙厚與牙間寬相等處的假想圓柱面的直徑，d2≈0.5(d+d1)三、螺紋的主要參數(shù)4）螺距P——相鄰兩牙在中徑圓柱面的母線上對應(yīng)兩點間的軸向距離5）導(dǎo)程（S）——同一螺旋線上相鄰兩牙在中徑圓柱面的母線上的對應(yīng)兩點間的軸向距離6）線數(shù)n——螺紋螺旋線數(shù)目，一般為便于制造n≤4

螺距、導(dǎo)程、線數(shù)之間關(guān)系：L=nP

7）螺旋升角ψ——中徑圓柱面上螺旋線的切線與垂直于螺旋線軸線的平面的夾角8）牙型角α——螺紋軸向平面內(nèi)螺紋牙型兩側(cè)邊的夾角9）接觸高度h§5—2螺紋聯(lián)接的類型及螺紋聯(lián)接件一、螺紋聯(lián)接主要類型1、螺栓聯(lián)接a)普通螺栓聯(lián)接——被聯(lián)接件不太厚，螺桿帶釘頭，通孔不帶螺紋，螺桿穿過通孔與螺母配合使用。裝配后孔與桿間有間隙，并在工作中不許消失，結(jié)構(gòu)簡單，裝拆方便，可多個裝拆，應(yīng)用較廣。也稱受拉螺栓連接。b)鉸制孔螺栓聯(lián)接——裝配后無間隙，主要承受橫向載荷，也可作定位用。也稱受剪螺栓聯(lián)接2、雙頭螺栓聯(lián)接——螺桿兩端無釘頭，但均有螺紋，裝配時一端旋入被聯(lián)接件，另一端配以螺母。適于常拆卸而被聯(lián)接件之一較厚時。折裝時只需拆螺母，而不將雙頭螺栓從被聯(lián)接件中擰出。3、螺釘聯(lián)接——適于被聯(lián)接件之一較厚（上帶螺紋孔），不需經(jīng)常裝拆，一端有螺釘頭，不需螺母，適于受載較小情況特殊聯(lián)接：地腳螺栓聯(lián)接,吊環(huán)螺釘聯(lián)接4、緊定螺釘聯(lián)接——擰入后，利用桿末端頂住另一零件表面或旋入零件相應(yīng)的缺口中以固定零件的相對位置。可傳遞不大的軸向力或扭矩。二、螺紋聯(lián)接件

2）雙頭螺柱——兩端帶螺紋

A型——有退刀槽B型——無退刀槽1）螺栓普通螺栓——六角頭，小六角頭，標(biāo)準(zhǔn)六角頭，大六角頭,內(nèi)六角鉸制孔螺栓——螺紋部分直徑較小螺母4）緊定螺釘錐端——適于零件表面硬度較低不常拆卸常合平端——接觸面積大、不傷零件表面，用于頂緊硬度較大的平面，適于經(jīng)常拆卸圓柱端——壓入軸上凹抗中，適于緊定空心軸上零件的位置輕材料和金屬薄板3）螺釘與螺栓區(qū)別——要求螺紋部分直徑較粗;要求全螺紋6）螺母六角螺母：標(biāo)準(zhǔn)，扁，厚5）自攻螺釘——由螺釘攻出螺紋圓螺母+止退墊圈——帶有缺口，應(yīng)用時帶翅墊圈內(nèi)舌嵌入軸槽中，外舌嵌入圓螺母的槽內(nèi)，螺母即被鎖緊7）墊圈§5—3螺紋聯(lián)接的預(yù)緊和防松一、預(yù)緊預(yù)緊目的——保持正常工作。如汽缸螺栓聯(lián)接，有緊密性要求，防漏氣，接觸面積要大，靠摩擦力工作，增大剛性等。增大剛性——增加聯(lián)接剛度、緊密性和提高防松能力預(yù)緊力QP——預(yù)先軸向作用力（拉力）螺紋聯(lián)接：松聯(lián)接——在裝配時不擰緊，只存受外載時才受到力的作用緊聯(lián)接——在裝配時需擰緊，即在承載時，已預(yù)先受力，預(yù)緊力QP預(yù)緊過緊——擰緊力QP過大，螺桿靜載荷增大、降低本身強(qiáng)度過松——擰緊力QP過小，工作不可靠

一般K=0.1~0.3K——擰緊力矩系數(shù)預(yù)緊力QP的控制：測力矩板手——測出預(yù)緊力矩，如左圖定力矩板手——達(dá)到固定的擰緊力矩T時，彈簧受壓將自動打滑，如右圖測量預(yù)緊前后螺栓伸長量——精度較高二、螺紋防松

1、防松目的實際工作中，外載荷有振動、變化、材料高溫蠕變等會造成摩擦力減少，螺紋副中正壓力在某一瞬間消失、摩擦力為零，從而使螺紋聯(lián)接松動，如經(jīng)反復(fù)作用，螺紋聯(lián)接就會松馳而失效。因此，必須進(jìn)行防松，否則會影響正常工作，造成事故2、防松原理消除（或限制）螺紋副之間的相對運(yùn)動，或增大相對運(yùn)動的難度。3、防松辦法及措施1）摩擦防松

雙螺母、彈簧墊圈、尼龍墊圈、自鎖螺母等

彈簧墊圈自鎖螺母——螺母一端做成非圓形收口或開峰后徑面收口，螺母擰緊后收口漲開，利用收口的彈力使旋合螺紋間壓緊2）機(jī)械防松：開槽螺母與開口銷，止動墊片，串聯(lián)鋼絲等3）破壞螺旋副關(guān)系：端鉚、沖點、點焊、粘合§5—4單個螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度計算實質(zhì)：根據(jù)聯(lián)接的類型、聯(lián)接的配合情況、載荷狀況進(jìn)行受力分析，找出螺栓組內(nèi)受力最大的螺栓及其所受的力，然后按單個螺栓，按相應(yīng)條件進(jìn)行強(qiáng)度計算。方法：受力分析→確定失效形式→建立計算準(zhǔn)則→建立強(qiáng)度計算公式。1．普通螺栓聯(lián)接受力情況：軸向拉力；失效形式：斷裂靜力斷裂：靜載荷，且嚴(yán)重過載。疲勞斷裂：變載荷，多數(shù)屬此，且疲勞斷裂常發(fā)生在螺紋根部，即截面面積較小，并有缺口應(yīng)力集中的部位，有時也發(fā)生在螺栓頭與光桿的交接處。、松螺栓聯(lián)接如吊鉤螺栓，工作前不擰緊，無QP，只有工作載荷F起拉伸作用強(qiáng)度條件為：——驗算用

——設(shè)計用

d1——螺桿危險截面直徑（mm）[σ]——許用拉應(yīng)力N/mm2(MPa)

σs——材料屈服極限Mpa表4-8N——安全系數(shù)，表4-9二、緊螺栓聯(lián)接——工作前有預(yù)緊力F’工作前擰緊，在擰緊力矩T作用下：預(yù)緊力F’→產(chǎn)生拉伸應(yīng)力σ螺紋摩擦力矩T1→產(chǎn)生剪應(yīng)力τ

復(fù)合應(yīng)力狀態(tài):接第四強(qiáng)度理論：∴強(qiáng)度條件為：

式中：QP——預(yù)緊力（N）

T1——螺紋摩擦力矩，起扭剪作用，又稱螺紋扭矩，N.mm1.3——系數(shù)將外載荷提高30%，以考慮螺紋力矩對螺栓聯(lián)接強(qiáng)度的影響，這樣把拉扭的復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)簡化為純拉伸來處理，大大簡化了計算手續(xù)，故又稱簡化計算法強(qiáng)度條件驗算公式：

設(shè)計公式：

特點：桿孔間有間隙，靠擰緊的正壓力(QP)產(chǎn)生摩擦力來傳遞外載荷。說明：這種聯(lián)接螺栓直徑大，且在沖擊振動變載下工作極不可靠為增加可靠性，減小直徑，簡化結(jié)構(gòu)，提高承載能力可采用如下減載裝置：

a)減載銷

b)減載套筒

c)減載鍵這時螺拴連接只是保證聯(lián)接，不承受工作載荷，故所需預(yù)緊力較小螺母未擰緊螺母已擰緊已承受工作載荷返回☆☆☆三、緊螺栓聯(lián)接計算——受F’和工作拉力F☆☆☆

螺栓被連接件由圖可知：F2=F1+F或F2=F0+F且有：則有：故返回如果螺栓的工作載荷過大，聯(lián)接會出現(xiàn)縫隙。F1〉01）靜強(qiáng)度：校核式:

或設(shè)計式:2）疲勞強(qiáng)度：對于受軸向變載荷的重要連接，除作靜強(qiáng)度計算外，還應(yīng)作疲勞強(qiáng)度校核。工作拉力：0～F（變載荷）螺栓受力：F2=F0～當(dāng)螺栓在受預(yù)緊力F0后，又受變化的軸向工作載荷F的作用，其受載、變形及應(yīng)力情況如圖示。螺栓總拉力的變化當(dāng)螺栓只受預(yù)緊力F0作用時；當(dāng)工作載荷F作用后；當(dāng)工作載荷F在(0～F)之間變化時，螺栓所受的總拉力在(F0～F2)之間變化，如圖示。疲勞強(qiáng)度校核方法和步驟：①根據(jù)螺栓受力的最小、最大值，計算其所受的最小、最大應(yīng)力（當(dāng)然不考慮螺紋摩擦力矩的扭轉(zhuǎn)作用）

②確定螺栓的應(yīng)力幅③計算螺栓的安全系數(shù)(按σmin=C，計算Sca)2、鉸制孔螺栓聯(lián)接特點：螺桿與孔間緊密配合，無間隙，由光桿直接承受擠壓和剪切來傳遞外載荷R進(jìn)行工作。主要失效形式：螺栓桿被剪斷、栓桿或孔壁被壓潰。螺栓的剪切強(qiáng)度條件為：螺栓與孔壁接觸表面的擠壓強(qiáng)度條件為：

R——橫向載荷（N）d0——螺桿或孔的直徑（mm）

Lmin——被聯(lián)接件中受擠壓孔壁的最小長度（mm），如圖所示[τ]——螺栓許用剪應(yīng)力，MPa，，——螺栓或被聯(lián)接件中較弱者的許用擠壓應(yīng)力，MPa鉸制孔螺栓能承受較大的橫向載荷，但被加工件孔壁加工精度較高，成本較高§5—5螺栓組聯(lián)接受力分析工程中螺栓皆成組使用，單個使用極少。因此，必須研究栓組設(shè)計和受力分析。它是單個螺栓計算基礎(chǔ)和前提條件。螺栓組聯(lián)接受力分析的目的：求出受力最大的螺栓及其所受的力。便于進(jìn)行螺栓強(qiáng)度的計算。

1、受軸向載荷螺栓組聯(lián)接

單個螺栓工作載荷為：

F=FQ/Z

FQ——軸向外載

Z——螺栓個數(shù)

此外還受F0，計算出F2由F2計算螺栓強(qiáng)度。2、受橫向載荷的螺栓組聯(lián)接普通螺栓——受拉伸作用鉸制孔螺栓——受橫向載荷剪切、擠壓作用。m單個螺栓的接合面數(shù)。Kf可靠性系數(shù)3、受橫向扭矩螺栓組聯(lián)接

a)普通螺栓聯(lián)接

由靜平衡條件則各個螺栓所需的預(yù)緊力為∴聯(lián)接件不產(chǎn)生相對滑動的條件為：b)鉸制孔螺栓聯(lián)接組

由變形協(xié)調(diào)條件可知，各個螺栓的變形量和受力大小與其中心到接合面形心的距離成正比由假設(shè)——板為剛體不變形，工作后仍保持平面，則剪應(yīng)變與半徑成正比。在材料彈性范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變成正比

4、受傾覆（翻轉(zhuǎn)）力矩螺栓組聯(lián)接

特點：M在鉛直平面內(nèi)，繞O-O回轉(zhuǎn)，只能用普通螺栓，取板為受力對象，由靜平衡條件

設(shè)單個螺栓工作載荷為Fi

①螺栓桿不拉斷的條件

設(shè)計公式

驗算公式

②右側(cè)不壓潰條件（被聯(lián)接件）

③左側(cè)不開縫的條件

實際使用中螺栓組聯(lián)接所受的載荷是以上四種簡單受力狀態(tài)的不同組合。計算時只要分別計算出螺栓組在這些簡單受力狀態(tài)下每個螺栓的工作載荷，然后按向量疊加起來，便得到每個螺栓的總工作載荷，再對受力最大的螺栓進(jìn)行強(qiáng)度計算即可?！?—6提高螺栓聯(lián)接強(qiáng)度的措施影響聯(lián)接強(qiáng)度的因素很多，如材料、結(jié)構(gòu)、尺寸、工藝、螺紋牙間、載荷分布、應(yīng)力幅度、機(jī)械性能，而螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度又主要取決于螺栓的強(qiáng)度。

一、改善螺紋牙間載荷分布不均狀況

工作中螺栓牙抗拉伸長，螺母牙受壓縮短，伸與縮的螺距變化差以緊靠支承面處第一圈為最大，應(yīng)變最大，應(yīng)力最大，其余各圈依次遞減，旋合螺紋間的載荷分布如圖所示。所以采用圈數(shù)過多的加厚螺母，并不能提高聯(lián)接的強(qiáng)度。

懸置螺母內(nèi)斜螺母環(huán)槽螺母鋼絲螺套二、降低螺栓應(yīng)力幅

1、降低螺栓剛性

可增大螺栓長度，或用腰狀桿螺栓、空心螺栓、柔性螺栓聯(lián)接

2、提高被聯(lián)接件剛度采用高硬度墊片三、減小應(yīng)力集中的影響1）加大過渡處圓角(圖1)2）改用退刀槽3）卸載槽，(圖2)四、避免或減小附加彎曲應(yīng)力

承壓面傾斜承壓面傾斜被聯(lián)接件變形過大球面墊片斜墊片凸臺沉頭座環(huán)腰五、采用合理的制造工藝

1）用擠壓法（滾壓法）制造螺栓，疲勞強(qiáng)度提高30~40%2）冷作硬化，表層有殘余應(yīng)力（壓）、氰化、氮化、噴丸等可提高疲勞強(qiáng)度3）熱處理后再進(jìn)行滾壓螺紋，效果更佳，強(qiáng)度提高70~100%，此法具有優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低消耗功能4）控制單個螺距誤差和螺距累積誤差1.螺紋連接件的常用材料低碳鋼Q215、10號鋼：一般連接中碳鋼Q235、35、45號鋼：一般連接低合金鋼、合金鋼如15Cr、40Cr30CrMnSi等：承受振動、沖擊、變載的重要連接墊片材料：普通墊片：Q215、15、35號鋼；彈簧墊片：65Mn。（需熱處理）§5-7螺紋連接件的材料及許用應(yīng)力螺栓、螺釘、螺柱性能等級

（摘自GB3098—1982）（1988年確認(rèn)）螺母性能等級

（摘自GB3098.2—1982）（1988年確認(rèn)）注：先選用性能等級，再選用推薦材料，一般采用4.6、4.8、5.6、5.8等幾個級別。2．許用應(yīng)力[σ]=σS/S，[τ]=σS/Sτ對于鋼對于鑄鐵式中σS、σB為螺栓材料的屈服極限和強(qiáng)度極限，常用鑄鐵連接件的σB

：200～250MPa。有關(guān)的安全系數(shù)查表5-10說明：由于許用應(yīng)力的確定與安全系數(shù)有關(guān),而安全系數(shù)S又與螺栓的直徑有關(guān)。因此,用螺栓連接的強(qiáng)度計算公式設(shè)計螺紋公稱直徑時,安全系數(shù)事先未知,故采用試算法試算法:對于d1的試算（因為d1確定后，才能查表確定安全系數(shù)S）初估d→查表5-10→確定S→[σ]=σS/S→d1→查標(biāo)準(zhǔn)確定d（d應(yīng)與初估d相符）。通常只要最后確定的d在初估d的同一范圍內(nèi)就行，如M6～M16或M16～M30等例P92：圖示為一固定在鋼制立柱上的鑄鐵托架，已知載荷，其作用線與垂直線的夾角，底板高h(yuǎn)=340mm，寬b=150mm。試設(shè)計托架的螺栓組連接。螺旋傳動是利用螺桿和螺母組成的螺旋副來實現(xiàn)傳動要求的。它主要用于將回轉(zhuǎn)運(yùn)動變?yōu)橹本€運(yùn)動將直線運(yùn)動變?yōu)榛剞D(zhuǎn)運(yùn)