螺纹连接和螺旋传动设计.ppt

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1、第十六章 螺纹连接和螺旋传动设计,16-1 螺纹 16-2 螺纹连接 16-3 螺纹连接设计计算 16-4 螺纹连接设计的实例分析 及设计时应注意的事项 16-5 螺纹传动的简介,16-1 螺纹,一、螺纹的分类与主要参数数1、螺纹的分类1)、按螺纹的牙型分类(1)三角形螺纹 又称普通螺纹。牙型角=60，当量摩擦系数较大，自锁性能好，主要用于连接。,三角形螺纹,(2)矩形螺纹牙型角=0，当量摩擦系数 小，效率高，用于传动(3)梯形螺纹牙型角=30，牙根强度高，效率较高，易保证加工精度，广泛用于传动,矩形螺纹,梯形螺纹,(4)锯齿形螺纹牙型斜角两边不相等，工作面=3,非工作面=30，效率较三角形螺

2、纹高，只能用于单向传动。圆柱管螺纹(5)圆柱管螺纹牙型角=55，用于压力p1.57MPa的管子连接,锯齿形螺纹,2)、按螺纹的线数分类:单线螺纹、多线螺纹3)、按螺纹的旋向分类:左旋螺纹、右旋螺纹,2、螺纹的主要参数 以圆柱普通外（内）螺纹为例来说明螺纹的主要参数,1)大径d、D:外、内螺纹的最大直径,为螺纹的公称直径（管螺纹除外）。2)小径d1、D1:与外螺纹牙底或内螺纹牙顶相切的圆柱体直 径。在强度计算中常用作危险截面的计算直径。3)中径d2、D2：处于大径和小径之间的一个假想圆柱的直径，在该圆柱的母线上螺纹牙厚度与牙槽宽度相等。4)线数n:螺纹的螺旋线数。由一条螺旋线形成的螺纹称为 单线

3、螺纹,由n条等距螺旋线形成的螺纹称为n线螺纹。5)螺距P：相邻两牙在中径线上对应两点间的轴向距6)导程S：螺纹上任一点沿螺旋线绕一周所移过轴向距离。S=nP。7)升角：在中经圆柱上螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面间的夹角。8)牙型角：在螺纹轴向截面内螺纹牙两侧面的夹角。螺纹牙型的侧边与螺纹轴线的垂线间的夹角称为牙型斜角。对于三角形、梯形螺纹等对称牙型，=/2。,16-1,二、螺旋副的受力关系、效率和自锁1、螺旋副的受力关系、效率拧紧力,Ft,Ft,16-2,轴向力,水平力,松开力,16-4,16-3,松开时效率：,拧紧时效率,16-5,自锁条件 v当量摩擦角 v=arctanfv当量摩擦系数

4、2、螺旋副的自锁条件 由松脱螺母时的水平力计算式（16-3）可知，若，则Ft为负值。表明要使滑块在轴向力F作用下沿斜面等速下滑，必须加一反方向的水平力Ft，否则不论F力有多大，滑块都不会在其作用下自行下滑，即螺母不会在轴向载荷F作用下自行松脱此现象称为自锁。螺旋副的自锁条件：v,16-6,16-7,16-8,16-2 螺纹连接,一、螺纹连接主要类型 螺栓连接、双头螺栓连接、螺钉连接、紧定螺钉连接、特殊连接1、螺栓连接：利用螺栓穿过被联接件的孔，拧上螺母，将被联接件联成一体。其被联接件的孔内不切制螺纹，使用方便。通常用于被联接件不太厚，能从被联接件两边进行装配的场合。有普通螺栓和铰制孔用螺栓,a

5、）,普通螺栓,特点是：被联接件通孔和螺栓间有间隙，故通孔加工精度要求较低，其结构简单、装拆方便，应用广泛。螺栓受拉力作用,普通螺栓（即受拉螺栓）联接,b）铰制孔用螺栓（即受剪螺栓）联接。,铰制孔用螺栓联接,特点是：被联接件孔和螺栓杆之间常采用基孔制过渡配合（H7/m6，H7/n6）。联接借助螺栓杆承受横向外载荷，螺栓受剪力作用。用于精确固定被联接件相对位置，并能承受横向载荷，但孔的加工精度要求较高。,2、双头螺柱联接,d,特点是：将螺栓一端旋紧在一被联接件的螺纹孔内，另一端穿过另一被联接件的孔，旋上螺母，从而将被联接件联成一体。应用：用于被联接件之一太厚不便穿孔，且需经常装拆或结构上受限制不能

6、采用螺栓联接的场合。,3、螺钉联接,特点：螺钉联接不用螺母，而是直接将螺钉拧入被联接件之一的螺纹孔内，从而实现联接。应用：用于被联接件之一较厚的场合，不经常装拆联接的场合。,4、紧定螺钉联接,特点：紧定螺钉联接，是利用紧定螺钉旋入一零件，并以其末端顶紧另一零件（或该零件的的凹坑 内）来固定两零件之间的相互位置,应用：可用于传递不大的力及转矩，多用于轴和轴上零件的联接,紧定螺钉联接,5.特殊连接,地脚螺栓连接,吊环螺钉连接,T型槽螺栓连接,二、螺纹连接的预紧 在装配时拧紧螺母，这时螺栓连接受到预紧力的作用。预紧的目的：增强连接的刚性和紧密性和防松能力。以防止受载后被连接件间出现缝隙或发生相对滑移

7、等；预紧力的控制：通常通过控制拧紧力矩等方法来控制预紧力的大小。用测力矩扳手或定力矩扳手可控制拧紧力矩。,测力矩板手,定力矩板手：达到固定的拧紧力矩T时，弹簧受压将自动打滑。,扳手拧紧力矩:T=FL拧紧时螺母：T=T1+T2T1螺旋副间的阻力矩T2螺母环形单面支承面间的摩擦力矩,令K拧紧力矩系数，一般K=01 03 平均取K=02,(16-9),三、螺纹连接的防松,防松目的:防止螺纹副间的摩擦力可能减小或瞬时消失，从而使螺纹联接松动。防松原理:消除（或限制）螺纹副之间的相对转动。防松的措施很多,按工作原理可分为:摩擦防松、机械防松、破坏及改变螺旋副关系,1、摩擦防松:这类防松措施是使拧紧的螺纹

8、之间不因外载荷变化而失去压力，即始终存在摩擦阻力防止联接松脱。这种方法不十分可靠，多用于冲击和振动不剧烈场合。常用的有以下几种：,对顶螺母防松,尼龙圈锁紧螺母,自锁螺母,弹簧垫片,2、机械防松:机械防松的措施是，利用各种止动零件，以阻止拧紧的螺纹零件产生相对转动。这类防松方法相当可靠，应用很广。常用的方法有：,串联钢丝,正确结构,错误结构,开口销与槽形螺母,止动垫圈,3、破坏及改变螺旋副的关系,冲点法,焊接法,粘接法,16-3 螺纹连接设计计算,一、单个螺栓连接的强度计算1、螺栓连接的失效形式与计算准则受载形式:轴向受拉、横向受剪 受力性质;静载荷和变载荷 失效形式:（工程中螺栓联接90%为疲

9、劳失效）,静载荷：螺纹部分发生塑性变形或断裂,受拉螺栓,变载荷：疲劳断裂。,计算准则,受拉螺栓：保证螺栓的静力(或疲劳)拉伸强度。,受剪螺栓：保证连接的挤压强度和剪切强度。,受剪螺栓,:螺栓杆和孔壁间可能发生压溃或螺栓杆被剪断。,、受拉螺栓连接的强度计算按装配情况螺栓联接可分为两大类:松螺栓联接装配时不需拧紧螺母如吊环螺栓联接紧螺栓联接装配时必须将螺母拧紧，应用广泛。如气缸盖螺栓联接等。,1）、松螺栓联接,吊环螺栓联接,工作载荷前，螺栓并不受力,工作时受拉力FQ（由外加载荷产生）,螺栓危险剖面的抗拉强度条件为：,d1 螺栓危险剖面直径，即螺纹小径，mm；为松螺栓连接 的许用拉应力（MPa）,对

10、钢制螺栓=(0.60.8)s,s为螺栓材料的屈服极限,(16-10),(16-11),2）、紧螺栓联接 紧螺栓连接可分为只受预紧力、受预紧力及工作载荷同时作用两大类,（1）仅承受预紧力F/的紧螺栓连接承载原理：靠被连接件接合面间的摩擦力来承受横向外载荷。螺栓受力：螺栓所受拉力不变，均等于预紧力F/预紧力F/大小：根据防止被连接件间发生相对滑移所需要的接合面之间的摩擦力Ff来决定。不发生相对滑移的条件：其接合面之间的摩擦力必须大于横向载荷，即：,n,Kf 可靠性系数(或)防滑系数，常取Kf=1.11.3 f 被联接件接合面之间的摩 擦系数n 接合面数,(16-12),螺栓危险剖面的抗拉强度条件为

11、：,设计计算式：,ca 紧螺栓的当量拉应力1.3 考虑拧紧螺母时,螺栓在因预拧紧产生的切应力作用下，将拉力增大30%。可按纯拉伸问题进行计算。,(16-13),(16-14),（2）受预紧力及轴向工作载荷的紧螺栓连接受力分析图(a)螺母刚好拧到和被连接件相接触，但 螺母尚未拧紧。图(b)为螺母已拧紧，但尚未承受工作载荷。,(a)螺母未拧紧；(b)螺母已拧紧；(c)已承受工作载荷,预紧力F/=0螺栓不受力,无变形被连接件不受力、无变形,预紧力F/螺栓受力F/,伸长变形被连接件F/受力、压缩变形,图(c)为受轴向工作载荷F后的情况。,螺栓,被连接件,故有,故有F0=F+F/(16-15),F0螺栓

12、所受的总拉力F/螺栓剩余预紧力（残余预紧力）,）拧紧时,）图中两图合并,）受工作载荷时,上图中推导可得：,(16-1),(16-1),(16-1),螺栓的相对刚度,金属垫片(或无垫片)0.20.3；皮革垫片 0.7铜皮石棉垫片 0.8；橡胶垫片 0.9,对于有密封性要求的连接,工作载荷稳定时,工作载荷不稳定时,对于地脚螺栓连接,对于一般连接,对于残余预紧力/可按下列数据参考,其中,受轴向静载荷螺栓连接的强度计算,强度条件,设计公式,为紧螺栓连接的许用应力。,(16-1),(16-),受轴向变载荷螺栓连接的强度计算,螺栓的总拉力在/之间变化，设计时，一般可先按受静载荷强度计算式（）初定螺栓直径，

13、然后校核疲劳强度,应力幅,拉力变化幅度,设计公式,故疲劳强度的校核公式为,影响变载荷下疲劳强度的主要因素是应力幅由式（66）（69得,(16-),为螺栓的许用应力幅（MPa）。,受剪的铰制孔用螺栓连接,靠螺栓杆受剪切及螺栓杆与被连接件受挤压来承受横向外载荷，应分别按挤压和剪切强度条件进行计算,挤压强度条件,剪切强度条件,螺栓或孔壁材料的许用挤压应力，,(16-),(16-),螺栓材料的许用剪应力,二、螺栓组连接的强度计算 要进行螺栓组连接的强度计算,须了解螺栓组连接的设计过程,其过程主要包括:结构设计;受力分析;强度计算三部分,1、螺栓组连接的结构设计,目的：合理确定连接接合面的几何形状和螺栓

14、的布置形式,力求各螺栓和连接接合面间受力均匀，便于加工和装配。为此应终合考虑以下问题,1)接合面设计成轴对称的简单几何形状，如圆形、环形、矩形、三角形等。便于加工制造（有利于分度、划线、钻孔），使各个螺栓受力合理，接合面受力均匀。,2)螺栓布置应使各螺栓的受力合理,(1)对于铰制孔用螺栓联接，不要在平行于工作载荷的方向上成排地布置个以上的螺栓，以免载荷分布过于不均；,(2)当螺栓连接受弯距或转距时，应使螺栓的位置适当靠近联接接合面的边缘，以减少螺栓的受力。,合理,不合理,(3)当同时承受轴向载荷和较大的横向载荷时，采用抗剪零件来承受横向载荷。,3)螺栓的排列应有合理的间距、边距，以保证扳手空间

15、,4)为了便于在圆周上钻孔时的分度和画线，通常分布在同一圆周上的螺栓数目取成:3、4、6、8、12等易于分度的数目.同一螺栓组中螺栓的材料、直径和长度应尽量相同，以简化结构和便于加工装配。,5)保证被联接件，螺母和螺栓头支承面平整，并与螺栓轴线相互垂直。对于在铸、锻件等的粗糙表面上安装螺栓时，应制成凸台或沉头座。当支承面为倾斜表面时，应采用斜面垫圈等。,采用凸台或沉孔结构,2、螺栓组连接的受力分析,受力分析的目的：根据联接的结构和受载情况，求出受力最大的螺栓及其所受的力，以便进行螺栓联接的强度计算。受力分析时所作假设：a)所有螺栓的材料、直径、长度和预紧力均相同；b)被连接件为刚体,受载后连接

16、结合面仍保持平面;c)螺栓在弹性范围内.以下对四种典型受载情况分别进行受力分析:受轴向载荷的螺栓组连接;受横向载荷的螺栓组连接;受转矩的螺栓组连接;受翻转力矩的螺栓组连接.,1)受轴向载荷的螺栓组连接,每个螺栓所受轴向工作载荷 螺栓组上轴向总载荷 Z 螺栓数目,(16-),)受横向载荷的螺栓组连接,（1）采用受拉的普通螺栓联接：按预紧后接合面间所产生的最大摩擦力必须大于或等于横向载荷的要求，有：,/单个螺栓的预紧力f 接合面间的摩擦系数 Kf 可靠性系数(或)防滑系数，常取Kf=1.11.3 m 结合面数目,（）采用受剪的铰制孔用螺栓连接,每个螺栓所受的横向工作剪力：,铰制孔螺栓,(16-),

17、(16-),)受扭转力矩的螺栓组连接,（1）采用受拉的普通螺栓联接：是靠联接预紧后在接合面间产生的摩擦力矩来抵抗转矩T。,铰制孔螺栓,普通螺栓,ax,rmax,（）采用受剪的铰制孔螺栓连接：是靠螺栓的剪切和螺栓与孔壁的挤压作用来抵抗转矩T。,(16-),(16-),(16-),(16-),4）受翻转力矩的螺栓组连接,根据螺栓变形协调条件,螺栓承受的载荷与距离成正比,(16-31),作用在底板两侧的合力矩与倾覆力矩M平衡,(16-32),由(16-31)和(16-32)得受力最大螺栓的工作拉力,(16-33),对于受翻转力矩的螺栓组连接,不仅要进行强度计算，而且为防止结合面受压最大处被压碎或受压

18、最小处出现间隙,在预紧力/作用下结合面的挤压应力,在翻转力矩的作用下左边结合面的挤压力减小，右边结合面的挤压力增大挤压应力,最大受压处不被压溃条件,最小受压处不出现间隙条件,(16-3),(16-3),式中：/单个螺栓所受的预紧力，；螺栓数目；结合面面积，；结合面抗弯截面系数，结合面材料的许用挤压应力，,、按受力最大的螺栓进行强度计算通过螺栓组连接的受力分析求出最大的螺栓及其所受的力，即可按前述单个螺栓连接的强度计算方法进行计算,三、提高螺栓连接强度的措施,、改善螺纹牙间载荷分配 从右图知以上的载荷集中作用于第一、二圈的螺纹上，其后各圈依次递减。圈数过多的螺母，并不能提高联接的强度,改善螺纹牙

19、上的载荷分布不均的措施）尽可能将螺母制成受拉的结构；）减小螺栓受力大的螺纹牙受力面,影响螺栓连接强度的因素很多，而螺栓联接的强度又主要取决于螺栓的强度。,、降低影响螺栓疲劳强度的应力幅,受变载荷的螺栓连接，在最大应力一定时，应力幅越小，疲痨强度越高在工作载荷和剩余预紧力不变的情况下，降低螺栓刚度或增大被连接件刚度都能起到减小应力幅的目的。其措施有:,1)腰状杆螺栓或空心螺栓降低螺栓刚度；,腰状杆螺栓,空心螺栓,)螺母下面安装弹性元件降低螺栓刚度；,安装弹性元件,)采用刚度较大金属垫片或密封环增大被连接件刚度；,刚度较大金属垫片,密封环,)同时降低螺栓刚性，增大被连接件刚度。,3、采用合理的制造

20、工艺冷镦头部、滚压螺纹，其疲劳强度比车削螺纹提高35%左右,、避免或减小附加应力从结构、制造与装配精度采取措施。,凸台结构,支承面不平,结构不合理,沉孔结构,腰环螺栓,球面垫圈,、减小应力集中的影响,(a)加大圆角,(b)卸载槽,(c)卸载过渡结构,、进行表面热处理：渗碳、渗氮、碳氮共渗、喷丸,16-6 螺纹连接的实例分析及设计时应注意的事项,一、设计实例分析有一压力容器的螺栓组连接（如图）已知容器的工作压力在12MPa之间变化，容器内直径=78mm，螺栓数z=8,采用橡胶垫片试设计此压力容器的螺栓连接,解此例属于受预紧力与轴向变载的受拉螺栓连接，同时有较高的紧密性要求设计过程：根据/F0初定

21、螺栓直径d1验算疲劳强度,1受力分析(1)求每个螺栓所受的工作拉力F,(2)按工作要求选取残余预紧力/由于压力容器有较高的紧密性要求,根据F/=(1.51.8)F,取F/=1.6F=1.67168N=11469N,(3)求施加在每个螺栓上的预紧力对橡胶垫片,螺栓的相对刚度Kc=CL/(CL+CF)=0.9,则CF/(CL+CF)=1-0.9=0.1,按式(16-16),(4)求单个螺栓所受的总拉力F0由式(11-5)得 F0=F+F/=7168+11469=18637(N),2、按静强度公式初定螺栓直径,(1)确定许用应力 查表16-5a,变载时的许用应力,选螺栓材料为35号钢,按表16-3,

22、设螺栓所需公称直径在16M30范围内，由表11-5a,S=6.5，则,(2)初定螺栓直径按式(11-20),得,()选择标准螺栓查受册，选取30粗牙普通螺栓，其小径d1=26.211mm大于25.03mm其结果与原估计的直径相符，故选用30,3、验算螺栓的疲劳强度(1)求应力幅按式(11-21)得,(2)确定许用应力幅,表11-5a取,表11-3,对35钢,取,表11-5b,时，插值得,表11-5c,对M30螺栓，插值得,故所选合格,二、螺栓连接设计时应注意的事项,1标准螺纹紧固件的选用方法(1)优先选用国家标准规定的螺纹紧固件及其附件；(2)合理选择螺纹连接的类型；(3)尽量避免采用国家标准

23、中带括号的直径与长度规格；(4)尽量减少同一产品采用的标准紧固件的种类与规格正确进行螺栓连接的设计计算正确进行螺栓连接的结构设计(1)避免螺栓杆受附加弯曲应力；(2)螺栓连接防松正确可靠；(3)保证螺栓安装拆卸时的扳手空间,16-5 螺纹传动的简介,一、螺旋传动的应用和类型应用：螺旋传动是利用螺杆和螺母组成的螺旋副来实现传动的，将旋转运动变成直线运动，进行能量和力的传递,运动形式有：,螺母固定，螺杆转动并移动,螺杆转动，螺母移动,调整螺旋,静压螺旋,类型,按用途分,传力螺旋,传导螺旋,滑动螺旋,滚动螺旋,按摩擦性质分,传递动力,传递运动,要求精度高,调整相对位置,二、滑动螺旋传动,1、结构：滑

24、动螺旋的结构主要是指螺杆、螺母的固定和支承的结构形式。（螺旋传动的工作刚度与精度等和支承结构有直接关系。）,螺母固定螺杆转动并移动,螺杆传动，螺母移动,组合螺母,滑动螺旋副传动的设计主要失效形式：螺纹磨损设计计算准则：按耐磨性确定螺杆的直径和螺母高度及螺距校核螺杆、螺母强度滑动螺旋的材料滑动螺旋副材料要求：足够的强度、耐磨性、摩擦系数小。螺杆材料:对于不同的工作要求，可选用45、40Cr、65Mn、40WMn、18CrMnTi、9Mn2V、38CrMoAl等螺母材料:ZCuSn10P1、ZCuSn5Pb5Zn5、ZCuAl10Fe3等.,二、滚动螺旋传动,1、组成:螺杆、螺母、滚珠组成.滑动摩

25、擦成为滚动摩擦。2、类型:外形环;内形环.,返回通道,不离开螺旋表面，每圈有一个反向器,3、优缺点优点:1)摩擦损失小,传动效率高;2)启动力矩小;3)传动灵活平稳,传动精度高;4)工作寿命长;5)不自锁，可实现直线到旋转运动转换.缺点:1)制造工艺较复杂;2)热处理性能较差;3)刚性和抗振性较差;4)无自锁机构.4、应用事例:飞机机翼和起落架的控制、水闸的升降、数控机床、机器人等。,三、静压螺旋传动的简介,1、组成:螺杆,螺母,液压系统.2、工作原理：液体摩擦，靠外部液压系统提高压力油，压力油通过节流伐进入螺杆与螺母螺纹间的油腔，促使螺杆、螺母的螺纹牙间产生压力油膜而分隔开，,静压螺旋传动工作原理,结束,3、优缺点:优点:1)螺杆悬浮在螺母中间,摩擦阻力小;2)传动效率高;3)工作平稳,无爬行现象;4)定位精度高，磨损小;5)工作寿命长.缺点;1)结构较复杂;2)需一稳压供油系统 3)制造成本较高4、应用范围：适用于精密机床中进给和分度机构,