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1、第13章 螺纹联接和螺纹传动为了便于机器的制造、安装、维修和运输，在机器和设备的各零、部件间广泛采用各种联接。联接分可拆联接和不可拆联接两类。不损坏联接中的任一零件就可将被联接件拆开的联接称为可拆联接，这类联接经多次装拆仍无损于使用性能，如螺纹联接、链联接和销联接等。不可拆联接是指至少必须毁坏联接中的某一部分才能拆开的联接，如焊接、铆钉联接和粘接等。螺纹联接和螺旋传动都是利用具有螺纹的零件进行工作的，前者作为紧固联接件用，后者则作为传动件用。本章主要讨论螺纹联接的结构、计算和设计，重点介绍单个螺栓联接的强度计算、螺栓组的受力分析及提高螺栓联接强度的措施。 13-1 螺纹的形成原理和类型及其主要
2、参数一、螺纹的形成将一直角三角形绕在直径为d2的圆柱表面上，使三角形底边ab与圆柱体的底边重合，则三角形的斜边在圆柱体表面形成一条螺旋线。三角形的斜边与底边的夹角，称为螺旋线升角。若取一平面图形，使其平面始终通过圆柱体的轴线并沿着螺旋线运动，则这平面图形在空间形成一个螺旋形体，称为螺纹。2S根据平面图形的形状，螺纹可分为三角形、矩形、梯形和锯齿形螺纹等（见教材图13-2）。根据螺旋线的绕行方向，可分为左旋螺纹和右旋螺纹（见教材图13-3），规定将螺纹直立时螺旋线向右上升为右旋螺纹，向左上升为左旋螺纹。机械制造中一般采用右旋螺纹，有特殊要求时，才采用左旋螺纹。根据螺旋线的数目，可分为单线螺纹和等
3、距排列的多线螺纹（见教材图13-4）。为了制造方便，螺纹一般不超过4线。二、螺纹的主要参数要区分不同的螺纹，就要掌握说明螺纹特点的一些参数。以广泛应用的圆柱普通螺纹为例，螺纹的主要参数如下： (1)大径d（外径）（D）与外螺纹牙顶相重合的假想 圆柱面直径亦称公称直径(2)小径（内径）d1(D1)与外螺纹牙底相重合的假想圆柱面直径，在强度计算中作危险剖面的计算直径(3)中径d2在轴向剖面内牙厚与牙间宽相等处的假想圆柱面的直径，近似等于螺纹的平均直径 d20.5(d+d1)(4)螺距P相邻两牙在中径圆柱面的母线上对应两点间的轴向距离(5) 导程（S）同一螺旋线上相邻两牙在中径圆柱面的母线上的对应两
4、点间的轴向距离(6) 线数n螺纹螺旋线数目，一般为便于制造n4；螺距、导程、线数之间关系：L=nP(7) 螺旋升角在中径圆柱面上螺旋线的切线与垂直于螺旋线轴线的平面的夹角。(8) 牙型角螺纹轴向平面内螺纹牙型两侧边的夹角；牙型斜角指螺纹牙型的侧边与螺纹轴线的垂直平面的夹角。对称牙型13-2 螺旋副的受力分析、效率和自锁一、矩形螺纹（牙型角=00）1、受力分析如下图所示，在外力（或外力矩）作用下，螺旋副的相对运动，可看作推动滑块沿螺纹表面运动。如下图右，将矩形螺纹沿中径d2处展开，得一倾角为的斜面，斜面上的滑块代表螺母，螺母与螺杆的相对运动可看成滑块在斜面上作等速滑动。匀速拧紧螺母时，相当于以水
5、平力推力F推动滑块沿斜面等速向上滑动。设法向反力为FN，则摩擦力为fFN，f为摩擦系数， 为摩擦角， = arctan f。由于滑块沿斜面上升时，摩擦力向下，故总反力R12与Q的的夹角为+ 。由力的平衡条件可知，R、F和Q三力组成力封闭三角形，由图可得：使滑块等速运动所需要的水平力 等速上升： Ft=Qtan(+)等速上升所需力矩：T1= Ftd2/2= Qtan(+)d2/22、螺旋副的效率螺旋副效率为有效功W2与输入功W1之比。1)、螺母在力矩T1作用下转动一周时，输入功W1=2T1，此时升举重物所作的有效功W2=QS；故螺旋副的效率为：=W2/W1=QS/2T1=tan/ tan(+)。
6、由上式可知：与螺纹升角和摩擦角有关，螺旋线的线数多，升角大，则效率高，反之亦然。当摩擦角一定时，对上式求极值，可知当升角为40度右左时，效率最高。但是，螺纹升角过大，螺纹制造困难，而且当螺纹升角大于25度后，效率增长不明显，因此，通常用升角不超过25度。2）、当螺母等速松退时的受力分析：见上图，此时相当于滑块沿斜面等速下滑，等速下降： Ft=Qtan()等速上升所需力矩：T2= Ftd2/2= Qtan()d2/2此时，螺母反转一周的输入功W1= QS，输出功W2=Ftd2；故螺旋副的效率为：=W2/W1=QS/2T1= tan()/ tan。由上式可知：当时，0，说明无论为Q多大，滑块即螺母
7、都不能运动，这种现象叫自锁。自锁条件：二、非矩形螺纹螺纹的牙型角0时的螺纹为非矩形螺纹，如教材图13-6所示。非矩形螺纹的螺杆和螺母相对转动时，可看成楔形滑块沿楔形斜面移动；平面时法向反力N=Q; 平面时摩擦力Ff =fN =fQ;楔形面时法向反力N/=Q/cos；楔形面摩擦力Ff! =f N/ =fQ/ cos;令fv=f/ cos=tanV称当量摩擦系数。Ff! =f/Q；楔形面和矩形螺纹的摩擦力相比，与当量摩擦系数对应的摩擦角称为当量摩擦角，用V 表示。拧紧螺母时所需的水平推力及转矩：由于矩形螺纹与非矩形螺纹的运动关系相同，将V代替后可得：使滑块等速运动所需要的水平力 等速上升： Ft=
8、Qtan(+V)等速上升所需力矩： T= Ftd2/2= Qtan(+V)d2/2等速下降： Ft=Qtan(V)等速上升所需力矩： T= Ftd2/2= Qtan(V)d2/2自锁条件：V效率为：=W2/W1=QS/2T=tan/ tan(+V)。由于三角形螺纹的=/2=300；梯形螺纹=/2=150；锯齿形螺纹=30；矩形螺纹=00，所以各种螺纹的当量摩擦系数之间有如下关系：fv三角fv梯形fv锯齿fv矩形可见，三角形螺纹的fv大，自锁性能好，且牙根强度高，故常用于联结。梯形、锯齿形及矩形螺纹，多用于传动。13-3 螺纹联接的基本类型及预紧和防松一、几种常用螺纹的特点和应用螺纹是螺纹联结和
9、螺旋传动的关键部分，现将机械中几种常用螺纹（教材图92）的特点和应用介绍如下：三角形螺纹 牙型角大，自锁性能好，而且牙根厚、强度高，故多用于联接。常用的有普通螺纹、英制螺纹和圆柱管螺纹。（1）普通螺纹：国家标准中，把牙型角 = 60的三角形米制螺纹称为普通螺纹，大径d为公称直径。同一公称直径可以有多种螺距的螺纹，其中螺距最大的称为粗牙螺纹，其余都称为细牙螺纹，粗牙螺纹应用最广。细牙螺纹的小径大、升角小，因而自锁性能好、强度高，但不耐磨、易滑扣，适用于薄壁零件、受动载荷的联接和微调机构的调整。普通螺纹的基本尺寸见教材表91。（2）.英制螺纹：牙型角 = 55，以英寸为单位，螺距以每英寸的牙数表示
10、，也有粗牙、细牙之分。主要是英、美等国使用，国内一般仅在修配中使用。2. 圆柱管螺纹牙型角 = 55，牙顶呈圆弧形，旋合螺纹间无径向间隙，紧密性好，公称直径为管子的公称通径（图9-8c），广泛用于水、煤气、润滑等管路系统联接中。3. 矩形螺纹牙型为正方形，牙型角 = 0，牙厚为螺距的一半，当量摩擦系数较小，效率较高，但牙根强度较低，螺纹磨损后造成的轴向间隙难以补偿，对中精度低，且精加工较困难，因此，这种螺纹已较少采用。4. 梯形螺纹牙型为等腰梯形，牙型角 = 30（图9-9b），效率比矩形螺纹低，但易于加工，对中性好，牙根强度较高，当采用剖分螺母时还可以消除因磨损而产生的间隙，因此广泛应用于螺
11、旋传动中。5. 锯齿形螺纹：锯齿形螺纹工作面的牙侧角为30，非工作面的牙侧角为300，兼有矩形螺纹效率高和梯形螺纹牙根强度高的优点，但只能承受单向载荷，适用于单向承载的螺旋传动。螺纹牙强度高，用于单向受力的传力螺旋；如螺旋压力机、千斤顶等。二、螺纹联接的基本类型1.螺栓联接 被联接件的孔中不切制螺纹，装拆方便。如教材图9-12a为普通螺栓联接，螺栓与孔之间有间隙，由于加工简便，成本低，所以应用最广。如教材图9-12b为铰制孔用螺栓联接，被联接件上孔用高精度铰刀加工而成，螺栓杆与孔之间一般采用过渡配合，主要用于需要螺栓承受横向载荷或需靠螺杆精确固定被联接件相对位置的场合。2.双头螺柱联接使用两端
12、均有螺纹的螺柱，一端旋入并紧定在较厚被联接件的螺纹孔中，另一端穿过较薄被联接件的通孔（如教材图9-13）。适用于被联接件较厚，要求结构紧凑和经常拆装的场合。3. 螺钉联接螺钉直接旋入被联接件的螺纹孔中（如教材图9-14），结构较简单，适用于被联接件之一较厚，或另一端不能装螺母的场合。但经常拆装会使螺纹孔磨损，导致被联接件过早失效，所以不适用于经常拆装的场合。4、紧定螺钉联接将紧定螺钉拧入一零件的螺纹孔中，其末端顶住另一零件的表面（如教材图9-15），或顶入相应的凹坑中。常用于固定两个零件的相对位置，并可传递不大的力或转矩。5、标准螺纹联接件螺纹联接件品种很多，大都已标准化。常用的标准螺纹联接件
13、有螺栓、螺钉、双头螺柱、紧定螺钉、螺母和垫圈。 普通螺栓 六角头：小六角头，标准六角头，大六角头1）螺栓 圆柱头（内六角） 铰制孔螺栓螺纹部分直径较小螺栓 粗制 精制机械制造中常用2）双头螺栓两端带螺纹 A型有退刀槽 施入端长度也各有不同。 B型无退刀槽3）螺钉种类繁多 半圆头 一字槽 平圆头 十字槽 共有按头部形状 六角头 头部起子槽 内六角孔 圆柱头 一字加十字槽 沉头 要求全螺纹与螺栓区别 要求螺纹部分直径较粗4）紧定螺钉 锥端适于零件表面硬度较低不常拆卸常合 末端 平端接触面积大、不伤零件表面，用于顶紧硬度较大的平面，适于经常拆卸 圆柱端压入轴上凹抗中，适于紧定空心轴上零件的位置适于较轻材料和金属薄板5）自攻螺钉由螺钉攻出螺纹6）螺母 六角螺母：标准，扁，厚 圆螺母（与带翅垫圈）+止退垫圈带有缺口，应用时带翅垫圈内舌嵌入轴槽中，外舌嵌入圆螺母的槽内，螺母即被锁紧。螺母 粗制 精制 粗制平垫 精制 A型 普通垫圈 斜垫 B型带倒角 7）垫圈 防松垫圈（弹簧垫圈）起防松作用 带翅垫圈等三、螺纹联接的预紧和防松1、螺纹联接的预紧 螺纹联接 松联接在装配时不拧紧，只存受外载时才受到力的作用
