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1、2019年11月10日星期日,1,机械设计基础,武汉理工大学 物流工程学院 机械设计与制造系 罗齐汉 qhluo 2019年11月10日星期日,Foundation of Machine Design,第9章 螺纹联接设计,螺纹的类型及主要参数 螺纹副的受分分析、效率和自锁 螺纹联接的基本类型,螺纹联接的预紧与防松 单个螺栓联接的强度计算 提高螺栓联接强度的措施,9-1 螺纹,3,2019年11月10日星期日,9-1 螺纹,一、螺纹的形成及主要参数 将一倾斜角为 的直角三角形绕在圆柱体上，则三角形的斜边就形成一条螺旋线(如图)。取图中右上角的任一平面图形，使它沿着螺旋线运动，运动时保持该图形通
2、过圆柱的轴线，则该图形的轨迹就是螺纹。,9-1 螺纹,4,2019年11月10日星期日,一、螺纹的形成及主要参数,现以圆柱螺纹为例，说明螺纹的主要几何参数(如图)。 (1)大径d （公称直径）与外螺纹牙顶(或内螺纹牙底)相重合的假想圆柱体的直径。 (2)小径d1 与外螺纹牙底(或内螺纹牙顶)重合的假想圆柱体的直径。 (3)中径d2 假想圆柱的直径，该圆柱的母线上牙型沟槽和凸起宽度相等。 (4)螺距P相邻两牙在中径线上对应两点间的轴向距离。,(5)线数n 螺纹的螺旋线数。 (6)导程S同一条螺旋线上的相邻两牙在中径线上对应两点间的轴向距离，则 S= nP。 (7)螺纹升角 中径d2 圆柱上，螺旋
3、线的切线与垂直螺纹轴线的平面间的夹角。 arctg(S/d2)= arctg(nP /d2) (8)牙型角 轴向截面内构成螺纹牙型的两侧边的夹角称为牙型角。牙型侧边与垂直于螺纹轴线的平面之间的夹角称为牙侧角 。对于对称牙型， =/2。,9-1 螺纹,5,2019年11月10日星期日,二、螺纹的分类,按螺纹牙型分： （1）三角形螺纹（普通螺纹）。牙型角为60。 粗牙：用于一般联接。 细牙：相同公称直径时，螺距小，螺纹深度浅，导程和升角也小，自锁性能好，宜用于薄壁零件的微调装置。 （2）管螺纹。多用于有紧密性要求的管件联接。牙型角为55，属英制细牙三角螺纹。 （3）梯形螺纹。牙型角为30，是应用最
4、广泛的双向传动螺纹。 （4）锯齿形螺纹。工作面牙型半角=3，非工作面牙型半角=30，是单向传动螺纹。（=3 =30 根部强度） （5）矩形螺纹。牙型角0，传动螺纹。,9-1 螺纹,6,2019年11月10日星期日,二、螺纹的分类,按照螺旋线的旋向，螺纹分为左旋和右旋螺纹。机械制造中一般采用右旋螺纹。 按照螺旋线的数目，螺纹还分为单线螺纹和等距排列的多线螺纹(右下图)。为了制造方便，螺纹的线数一般不超过4。 螺纹有内螺纹和外螺纹之分，两者旋合组成螺旋副或称螺纹副。 按照母体形状，螺纹分为圆柱螺纹和圆锥螺纹。 用于联接的螺纹称为联接螺纹；用于传动的螺纹称为传动螺纹，相应的传动称为螺旋传动。,9-1
5、 螺纹,7,2019年11月10日星期日,螺旋线方向及螺纹轴向力的判定,一、螺旋线方向的判定 左(右)手自然展开成掌，使拇指与螺纹轴线平行，若左手四个指头的指向与螺纹牙走向一致，则螺纹为左旋螺纹；反之，若右手四个指头的指向与螺纹牙走向一致，则螺纹为右旋螺纹。(见右图中左旋螺纹的判定),二、螺纹轴向力的判定 常识告诉我们，在螺母固定的情况下，旋动螺杆时，螺杆将沿轴线方向前进或后退，这说明螺杆受到了一个沿运动方向的作用力。该作用力方向的判定方法是对左、右旋螺纹分别采用左、右手定则。具体做法如下：拇指伸直，其余四指握拳，令四指弯曲方向与螺杆转动方向一致，拇指的指向即是螺杆前进的方向。,9-2 螺纹副
6、受力分析、效率和自锁,8,2019年11月10日星期日,9-2 螺纹副受力分析、效率和自锁,一、矩形螺纹 当滑块沿斜面等速上升时： FQ轴向载荷 F相当于旋转螺母时水平推动力。 Fn法向反力。 FfFf= Fnf 摩擦力 FRN和Ff的合力 FR和Fn的夹角，称为摩擦角 =arctgf 根据平衡条件作力封闭图有： F=FQtg(+ ) 则相应驱动力矩为:,9,2019年11月10日星期日,摩擦角,返回,9-2 螺纹副受力分析、效率和自锁,10,2019年11月10日星期日,9-2 螺纹副受力分析、效率和自锁,由图9-5 效率曲线看出： 25前，效率曲线增长明显； 40时,效率最高,但过大加工困
7、难，常取不超过25。,螺母旋转一周所需输入功为： 螺母上升一个导程S，有效功： 传动效率为：,9-2 螺纹副受力分析、效率和自锁,11,2019年11月10日星期日,9-2 螺纹副受力分析、效率和自锁,当滑块沿斜面等速下滑时，轴向载荷FQ变为驱动力，而F变为阻碍滑块下降的支持力,根据平衡条件作力封闭图有: F=FQtg(- ) 螺母反转一周时输入功: W1=FQs 输出功:W2=Fd2 效率:,由上式，若，则 0，此时无论轴向力FQ有多大，滑块都无法运动，称为自锁。 =0表明螺旋副处于临界自锁状态， 0时，负值越大，自锁越可靠。若要解出自锁，需加很大与支持力F反向的推力。 故螺旋副自锁条件是：
8、 ,9-2 螺纹副受力分析、效率和自锁,12,2019年11月10日星期日,9-2 螺纹副受力分析、效率和自锁,二、其它螺纹 非矩形螺纹是指牙侧角0的三角形螺纹、梯形螺纹和锯齿形螺纹。 由图可知，若略去螺纹升角的影响，在轴向载荷 作用下，非矩形螺纹的法向力比矩形螺纹的大。若把法向力的增加看作摩擦系数的增加，则非矩形螺纹的摩擦阻力可写为: Ff=f FN=f FQ/cos =fv FQ,式中 f v为当量摩擦系数，即fv= f /cos =tg v 我们把 v 称为当量摩擦角。因此，将图的f 改为fv 、 改为 v ，就可像矩形螺纹那样对非矩形螺纹进行力的分析。 非矩形螺纹的自锁条件可表示为:
9、v 可以看出三角形螺纹自锁性能好，用于联接，梯形螺纹用于传动。,9-3 螺纹联接的基本类型,13,2019年11月10日星期日,9-3 螺纹联接的基本类型,1、螺栓联接 螺栓联接的结构特点是被联接件的孔中不切制螺纹，装拆方便。图a）所示为普通螺栓联接，螺栓与孔之间有间隙。这种联接的优点是加工简便，成本低，故应用最广。图b）为铰制孔螺栓联接，其螺杆外径与螺栓孔(由高精度铰刀加工而成)的内径具有同一基本尺寸，并常用过渡配合。它适用于承受垂直于螺栓轴线的横向载荷。,9-3 螺纹联接的基本类型,14,2019年11月10日星期日,9-3 螺纹联接的基本类型,2、双头螺柱联接 双头螺柱多用于较厚的被联接
10、件或为了结构紧凑而采用盲孔的联接。双头螺柱联接允许多次装拆而不损坏被联接零件。 3、螺钉联接 螺钉直接旋入被联接件的螺纹孔中，省去了螺母，因此结构上比较简单。但这种联接不宜经常装拆，以免被联接件的螺纹孔磨损而修复困难。 4、紧定螺钉联接 紧定螺钉联接常用来在光轴上固定零件的相对位置，并可传递不大的力或转矩。,9-3 螺纹联接的基本类型,15,2019年11月10日星期日,联接零件标准,螺纹紧固件的品种很多，包括：螺栓、双头螺柱、螺钉、紧定螺钉、螺母、垫圈，大都已标准化，它是一种商品性零件，经合理选择其规格、型号后，可直接到五金商店购买。 例：螺栓 M12100 GB5782-86 名称：六角头
11、螺栓 公称直径：12mm 公称长度：100,9-4 螺纹联接的预紧和放松,16,2019年11月10日星期日,9-4 螺纹联接的预紧和放松,一、螺纹联接的预紧 除个别情况外，螺纹联接在装配时都必须拧紧，这时螺纹联接受到预紧力F的作用。对于重要的螺纹联接，应控制其预紧力，因为预紧力的大小对螺纹联接的可靠性、强度和密封性均有很大的影响。 螺纹联接的拧紧力矩T等于克服螺纹副相对转动的阻力矩T1 和螺母支承面上的摩擦阻力矩T2 之和。 T=T1+T20.2Fd 小直径的螺栓装配时应施加小的拧紧力矩，否则就容易将螺栓杆拉断。对重要的有强度要求的螺栓联接，应设法控制拧紧力矩，如无控制拧紧力矩的措施，不宜采
12、用小于M12的螺栓。,9-4 螺纹联接的预紧和放松,17,2019年11月10日星期日,9-4 螺纹联接的预紧和放松,二、螺纹联接的放松 联接用的三角形螺纹都具有自锁性，在静载荷和工作温度变化不大时不会自动松脱。但是在冲击、振动和变载的作用下，预紧力可能在某一瞬间消失，联接仍有可能松脱。高温的螺纹联接，由于温度变形差异等原因，也可能发生松脱现象，因此设计时必须考虑防松。 螺纹联接防松的根本问题在于防止螺纹副的相对转动。防松的方法可分为下面所述的三类。,9-4 螺纹联接的预紧和放松,18,2019年11月10日星期日,9-4 螺纹联接的预紧和放松,1、利用附加摩擦力防松 对顶螺母利用两螺母的对顶
13、作用，使螺栓始终受到附加的拉力和附加的摩擦力。结构简单，可用于低速重载场合。 弹簧垫圈弹簧垫圈材料为弹簧钢，装配后垫圈被压平，其反弹力能使螺纹间保持压紧力和摩擦力。 椭圆螺母或尼龙圈锁紧螺母前者未拧上之前螺孔母体为椭圆柱，后者螺母中嵌有尼龙圈，拧上后椭圆孔和尼龙圈内孔被胀大，箍紧螺栓。,2、机械方法防松 止动垫片将垫片折边以固定螺母和被联接件的相对位置。 槽形螺母和开口销槽形螺母拧紧后，用开口销穿过螺栓尾部小孔和螺母的槽，也可以用普通螺母拧紧后再配钻开口销孔。 圆螺母与带翅垫片使垫片内翅嵌入螺栓(轴)的槽内，拧紧螺母后将垫片外翅之一折嵌于螺母的一个槽内。 3、破坏螺纹副 焊接拧紧螺母后，将螺母
14、与螺栓点焊。 冲点拧紧螺母后，用冲头冲23点(现实生活中，用榔头敲坯螺栓伸出端与冲点等价)。 粘合用粘合剂涂于螺纹旋合表面，拧紧螺母后粘合剂能自行固化，防松效果良好。,9-5 螺栓联接的强度计算,19,2019年11月10日星期日,9-5 螺栓联接的强度计算,一、联接螺栓的失效和设计准则 螺栓的失效形式大致有： 螺栓杆拉断； 螺纹牙的压溃和剪断； 经常装拆时会因磨损而发生滑扣现象。 按理应针对每一种失效形式都进行计算，但由于国家标准对螺栓和螺母的螺纹牙及其他各部尺寸是根据等强度原则及使用经验规定的，因此采用标准件时，这些部分都不需要进行强度计算。所以，螺栓联接的计算主要是确定螺纹小径d1，然后
15、按照标准选定螺纹公称直径(大径)d及螺距P等。 对于普通螺栓，可受轴向载荷或横向载荷，主要失效是受拉后螺纹部分的塑性变形或断裂，设计准则应保证联接有足够的拉伸强度。 对于铰制孔螺栓，主要承受横向载荷，主要失效是螺杆被剪断及螺杆或孔壁较弱者被压溃，设计准则应保证联接有足够的剪切强度和挤压强度。,9-5 螺栓联接的强度计算,20,2019年11月10日星期日,二、松联接螺栓的强度计算,1. 螺栓只承受工作拉力 如图所示，由于无须拧紧，工作载荷F 加上后，螺栓受拉，其强度条件为: 式中： d1为螺纹小径(mm)； 为许用拉应力(MPa)。 2. 螺栓承受剪切力 如图所示的联接承受横向载荷，螺栓受到剪切力FR 的作用。以m表示接合面数目；z 表示螺栓数目，则有FR=F/zm 于是强度条件为: 式中： 为螺栓的许用剪切应力； p为螺栓、被联接件二者中弱者的许用挤压应力。,9-5 螺栓联接的强度计算,21,2019年11月10日星期日,三、紧联接螺栓的强度计算,紧螺栓联接是指联接在承受工作载荷之前，装配时需要拧紧的螺栓联接。 设拧紧螺栓时螺栓杆承受的轴向拉力为 （ 称为预紧力）。这时螺栓危险截面（即螺纹小径 处）除受拉应力外，还受到螺纹力矩T1所引起的扭转切应力。对于M10M68的普通螺纹，取0.5，按照第四强度理论(最大变形能理论)，当量应力为 故螺栓螺纹部分的强度条件为： 式中为螺
