螺纹连接与螺旋传动

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1、第 五 章 螺 纹 连 接 与 螺 旋 传 动基 本 概 念 ： 螺 纹 连 接 是 利 用 螺 纹 零 件 构 成 的 连 接 。特 点 ： 构 造 简 单 ， 拆 装 方 便 ， 工 作 可 靠 ，标 准 件 ， 应 用 广 。 d-螺 纹 大 径d1-螺 纹 小 径d2-螺 纹 中 径p-螺 距n-线 数S-导 程y -螺 纹 升 角， 牙 型 角-牙 型 斜 角旋 向一 、 螺 纹 的 主 要 参 数5.1 螺 纹 螺 纹 的 线 数 和 旋 向 二 、 螺 纹 副 的 受 力 关 系 、 效 率 和 自 锁 圆 周 力 ： 拧 紧 时松 开 时效 率 ： 拧 紧 时松 开 时 tan

2、( )tF F y tan( )tF F y tantan( )y y tan( )tany y 自 锁 条 件式 中 : -当 量 摩 擦 角 f arctan-当 量 摩 擦 系 数f c o s f f F-轴 向 力 , Nf-摩 擦 系 数y 三 、 常 用 螺 纹 的 特 点 和 应 用对 螺 纹 的 要 求 ： 足 够 的 强 度 和 良 好 的 工 艺 性联 接 螺 纹 ： 自 锁管 螺 纹 ： 紧 密 性 、 气 密 性传 动 螺 纹 ： 效 率 高调 整 螺 纹 ： 精 度 高起 重 螺 纹 ： 效 率 高 、 自 锁 性 好螺 纹 的 分 类 ：按 牙 形 ： 三 角 形

3、 螺 纹 、 矩 形 螺 纹 、 梯 形 螺 纹 、 锯 齿 形螺 纹 、 管 螺 纹按 母 体 形 状 ： 圆 柱 螺 纹 、 圆 锥 螺 纹 1 、 普 通 螺 纹 (代 号 ： M GB 192-81)特 点 ： 螺 纹 的 牙 型 角 =2=60。 因 牙 型 角 大 ，所 以 当 量 摩 擦 系 数 大 ， 自 锁 性 能 好 ， 主 要 用 于连 接 。 细 牙 螺 纹 与 粗 牙 螺 纹 的 比 较粗 牙 ： 常 用细 牙 的 缺 点 ： 牙 小 ， 相 同 载 荷 下 磨 损 快 ， 易 脱 扣 。细 牙 ： 自 锁 性 能 更 好 。 常 用 于 承 受 冲 击 、 振 动

4、及 变载 荷 、 或 空 心 、 薄 壁 零 件 上 及 微 调 装 置 中 。 2 、 矩 形 螺 纹特 点 ：牙 形 为 正 方 形 ， =0， 所 以 效 率 高 ， 用 于 传 动 ,牙 根 强 度 弱 ， 加 工 困 难 ， 常 被 梯 形 螺 纹 代 替 。 3 、 梯 形 螺 纹(代 号 ： T特 点 ： =2=30。 比 矩 形 螺 纹 效 率 略 低 。 牙 根 强 度 高 ， 易 于 对 中 ， 易 于 制 造 ， 剖 分 螺 母 可 消 除间 隙 ， 在 螺 旋 传 动 中 有 广 泛 应 用 。 r GB 192-81) 4、 锯 齿 形 螺 纹(代 号 ： S JB

5、923-66)特 点 ： 工 作 边 =3， 非 工 作 边 =30， 便 于 加 工 。它 综 合 了 矩 形 螺 纹 效 率 高 和 梯 形 螺 纹 牙 根 强 度 高 的 优 点 ,能 承 受 较 大 的 载 荷 ,但 只 能 用 于 单 向 传 动 。 5 、 圆 柱 管 螺 纹 特 点 ： 用 于 管 件 连 接 的 三 角 螺 纹 ， =55螺 纹 面 间 没 有 间 隙 ， 密 封 性 好 ， 适 用 于 压 强 在1.6MPa以 下 的 连 接 。 6、 圆 锥 螺 纹特 点 ： 螺 纹 均 布 在 锥 度 为 1:16的 管 上 ,=55或 60 螺 纹 面 间 没 有 间

6、隙 ， 不 用 填 料 ， 靠 牙 变 形 ， 密 封 性 好 ， 适用 于 高 温 、 高 压 的 连 接 。 7、 其 它 螺 纹主 要 用 于 金 属 薄 板 的 连 接 普 通 螺 栓 连 接 绞 制 孔 螺 栓 连 接普 通 螺 栓 连 接 螺 栓 和 孔 壁 有 间 隙 孔的 加 工 精 度 低 。绞 制 孔 螺 栓 连 接螺 杆 与 孔 用 过 渡 配 合 ，承 受 轴 向 载 荷 孔 需 精制 。可 起 定 位 作 用 。 5.2 螺 纹 连 接 的 基 本 类 型 与 标 准 螺 纹 连 接 件一 、 螺 纹 连 接 的 基 本 类 型1、 螺 栓 连 接 特 点 ： 被 连

7、 接 件 不 宜 做 成 通 孔 。不 宜 经 常 拆 卸 。拧 入 深 度 ：铜 或 青 铜 ： H=d铸 铁 ： H=1.251.5d铝 合 金 ： H=1. 52.5d2、 螺 钉 连 接 特 点 ： 被 连 接 件 不 宜 做成 通 孔 又 需 要 经 常 拆 卸或 用 螺 钉 无 法 安 装 。拧 入 深 度 ：铜 或 青 铜 ： H=d铸 铁 ： H=1.251.5d铝 合 金 ： H=1. 52.5d3、 双 头 螺 柱 连 接 4 、 紧 定 螺 钉 连 接旋 入 被 连 接 件 的 螺 纹孔 中 ， 顶 住 另 一 被 连接 件 的 表 面 或 凹 坑 。固 定 两 个 零

8、件 或 传 递不 大 的 力 矩 。 5、 其 它 特 殊 结 构 的 螺 纹 连 接地 脚 螺 栓 吊 环 螺 钉 T型 槽 螺 栓 二 、 标 准 螺 纹 连 接 件各 种 螺 栓 双 头 螺 柱 各 种 螺 钉 各 种 螺 钉紧 定 螺 钉 的 头 部和 末 端 各 种 螺 母 与 垫 片 三 、 螺 纹 连 接 零 件 常 用 材 料 和 机 械 性 能 等 级1、 常 用 材 料 ：普 通 连 接 ：低 碳 钢 ， 中 碳 钢 ， 如 :Q215、 Q235和 10、 15、 35、45号 钢 。变 载 荷 或 有 冲 击 、 振 动 的 重 要 连 接 ：合 金 钢 ， 如 : 4

9、0 Cr、 15MnVB、 30CrMnSi。螺 母 材 料 一 般 较 相 配 合 的 螺 栓 的 硬 度 低 2040HBS。 2、 螺 栓 、 螺 钉 、 螺 柱 、 螺 母 性 能 等 级 5.3 螺 纹 连 接 的 预 紧 1、 预 紧 的 作 用 ：预 紧 可 使 连 接 在 承 受 工 作 载 荷 之 前 就 受 到 预 紧 力 F的作 用 ， 以 防 止 连 接 受 载 后 被 连 接 件 之 间 出 现 间 隙 或 横向 滑 移 。 预 紧 也 可 以 防 松 。2、 控 制 预 紧 力 的 目 的 ：预 紧 力 过 大 ， 会 使 连 接 超 载 。预 紧 力 不 足 ，

10、可 能 导 致 连 接 失 效 。重 要 的 螺 栓 应 控 制 预 紧 力 。 拧 紧 螺 母 时 的 力 矩 和 预 紧 力3、 拧 紧 力 矩 和 预 紧 力 的 计 算 21 TTT 2)tan( 21 dFT y 2021 30312 31 dD dDFfT dFkdF dD dDdfddT t 2021 30312 32)tan(21 y 螺 纹 副 摩 擦 力 矩螺 母 与 被 连 件 摩 擦 力 矩拧 紧 力 矩 2021 30312 32)tan(21 dD dDdfddkt y dFT 2.0 dTF 2.0 当 钢 制 螺 纹 M10M68时 ， 由 螺 纹 几 何 关

11、系 和摩 擦 系 数 可 得 ： 2.0tk故 ：拧 紧 力 矩 系 数 4、 装 配 时 控 制 预 紧 力 的 方 法测 力 矩 扳 手 定 力 矩 扳 手 5.4 螺 纹 连 接 的 防 松一 、 摩 擦 防 松1 、 双 螺 母在 螺 母 和 螺 栓 之 间 形 成 内 力 ，保 证 摩 擦 力 。结 构 简 单 、 使 用 方 便 。可 靠 性 不 高 。用 于 平 稳 、 低 速 、 重 载 。 2 、 弹 簧 垫 圈弹 力 保 持 一 定 压 力切 口 尖 端 逆 向 。 3 、 锁 紧 螺 母镶 嵌 弹 性 环 或 尼 龙 圈挤 入 螺 纹 中 椭 圆 口 螺母 。 二 、 机

12、 械 防 松 1 、 开 口 销 与 六 角 开 槽 螺 母 2 、 止 动 垫 圈 止 动 垫 圈 3 、 串 联 钢 丝 三 、 永 久 防 松焊 接 冲 点 涂 胶 5.5 单 个 螺 栓 连 接 的 强 度 计 算一 、 松 螺 栓 连 接 4 21 dF MPa41 Fd mm7.12.1 s 强 度 条 件 或许 用 应 力 MPa 二 、 紧 螺 栓 连 接1 、 受 横 向 载 荷 的 紧 螺 栓 连 接 （ 1） 普 通 螺 栓 连 接靠 接 合 面 的 摩 擦 力传 递 外 力螺 栓 既 受 拉 应 力 又受 扭 剪 应 力 214dF 122131 2 2)tan(416

13、 2)tan( dddFd dFWTt y y 对 于 常 用 的 M10M68的 普 通 螺 栓 5.0 拉 应 力剪 应 力 螺 栓 的 当 量 应 力 （ 第 四 强 度 理 论 ） 3.1)5.0(33 2222 e螺 栓 的 强 度 条 件 为 ： 3.14 21 d Fe MPa 3.141 Fd 校 核 公 式 ：设 计 公 式 ： 当 所 需 预 紧 力 很 大 时 ， 为 了 减 小 螺 栓 尺 寸 ， 采 用 套筒 、 键 、 销 来 承 受 横 向 载 荷 。 （ 2） 铰 制 孔 螺 栓 连 接 螺 栓 杆 的 剪 切 强 度 条 件 为 :4 2 0 mdFs螺 栓

14、与 孔 壁 的 挤 压 强 度 条 件 为 ：psp hd F min0 MPa MPa 0d 螺 栓 抗 剪 面 直 径 ， mm式 中 m 螺 栓 抗 剪 面 数 目minh 螺 栓 杆 与 孔 壁 挤 压 面 的 最 小 高 度 mm，设 计 时 应 使 0min 25.1 dh 螺 栓 的 许 用 剪 切 应 力 ， MPa p 螺 栓 或 孔 壁 材 料 的 许 用 挤 压 应 力 ， MPa 2 、 受 轴 向 工 作 载 荷 的 紧 螺 栓 连 接汽 缸 盖 的 连 接 （ 1） 受 力 分 析 (见 动 画 ) 螺 栓 受 力被 连 接 件 受 力 FCC CFF mB B 0

15、 FCC CFF mB m 螺 栓 的 相 对 刚 度剩 余 预 紧 力FF 2.0 （ 2） 静 强 度 计 算 3.14 21 0 d F 3.14 01 Fd MPamm式 中 紧 螺 栓 连 接 的 许 用 拉 应 力校 核 公 式 ：设 计 公 式 ： （ 3） 疲 劳 强 度 计 算 对 于 受 变 载 荷 的螺 栓 连 接 ， 按 静强 度 设 计 尺 寸 后 ，还 需 进 行 疲 劳 强度 校 核 。 疲 劳 强 度 条 件 为 amB Ba dFCC C 2 21 ama SKk 1 MPaMPa式 中 K 有 效 应 力 集 中 系 数mk 螺 纹 制 造 工 艺 系 数

16、尺 寸 系 数aS 安 全 系 数1 螺 栓 材 料 的 对 称 拉 压 疲 劳 极 限 三 、 螺 栓 连 接 的 许 用 应 力 螺 栓 许 用 剪 应 力 及 许 用 挤 压 应 力 5.6 螺 栓 组 连 接 设 计一 、 螺 栓 组 连 接 的 结 构 设 计1 、 连 接 结 合 面 的 几 何 形 状 常 设 计 成 轴 对 称 的 简 单几 何 形 状 2、 螺 栓 的 布 置 应 使 各 螺 栓 的 受 力 合 理 3 、 螺 栓 的 排 列 应 有 合 理 的 间 距 、 边 距 扳 手 空 间 4、 分 布 在 同 一 圆 周 上 的 螺 栓 数 目 ， 应 取 4, 6

17、, 8等偶 数 ， 以 便 钻 孔 时 在 圆 周 上 分 度 和 画 线 5 、 避 免 螺 栓 承 受 偏 心 载 荷产 生 偏 心 载 荷 的 原 因 斜 垫 圈 的 应 用凸 面 和 沉 头 座 的 应 用避 免 偏 载 的 结 构 二 、 螺 栓 组 连 接 的 受 力 分 析 1 、 受 轴 向 载 荷 Q的 螺 栓 组 连 接 zQF 设 定 有 z个 螺 栓则 ： 单 个 螺 栓 受 外力 2 、 受 横 向 载 荷 R的 螺 栓 组 连 接 、（ 1） 普 通 螺 栓 连 接RKmzFf f fmzRKF f式 中 ： f 接 合 面 间 摩 擦 系 数 m 接 合 面 数

18、K f 考 虑 摩 擦 系 数 不 稳 定 及 靠 摩 擦 传 力 有 时 不可 靠 而 引 入 的 可 靠 性 系 数 一 般 Kf =1.11.3 (2) 用 绞 制 孔 螺 栓 连 接zRF RzF s s 螺 栓 受 力 ：剪 切 力 Fs 3、 受 旋 转 力 矩 T 的 螺 栓 组 连 接(1) 采 用 普 通 螺 栓 连 接 时 ， 靠 预 紧 后 在 接 合 面 上 各螺 栓 处 摩 擦 力 对 形 心 的 力 矩 之 和 平 衡 外 加 力 矩 T。 式 中 : r1 、 r2、 . rz 各 螺 栓 中 心 至 螺 栓 组 形 心 O的 距 离 Kf 可 靠 性 系 数 f

19、 接 合 面 间 摩 擦 系 数 zi ifzf fz rf TKrrrf TKF TKrFfrFfrFf 1)21 21 .( . （ 2） 采 用 绞 制 孔 用 螺 栓 连 接 时 ， 忽 略 接 合 面 上 的 摩擦 力 ， 外 加 力 矩 T靠 螺 栓 所 受 剪 力 对 底 板 旋 转 中 心的 力 矩 之 和 来 平 衡 。 zi izsssss zs zszss zszss rTrrrr TrFFFFF TrrrrF rFrFrF TrFrFrF 1 2max22221 18541max 2222111 2211 2211 .).( . 4、 受 倾 覆 力 矩 M的 螺 栓

20、组 连 接 zi i zzz zzLMLF LLL MLFF LFLFLF MLFLFLF 1 2maxmax 22221 1101 2211 2211 . . 受 倾 覆 力 矩 的 螺 栓 组 连 接 除 要 求 螺 栓 强 度 足 够外 ， 还 应 保 证 接 合 面 既 不 出 缝 隙 也 不 被 压 馈 。接 合 面 右 端 应 满 足 ： pp pppp WMAFz max maxmax MPaMPa （ 5-39） 左 端 应 满 足 ： 0 0min maxmin WMAFzp ppp MPaMPa （ 5-41）由 式 5-39， 5-41求 得 预 紧 力 F ， 并 取

21、两 者 较 大 值 ,和工 作 拉 力 Fmax求 得 作 用 在 螺 栓 上 的 总 拉 力 F0后 ， 再求 出 所 需 螺 栓 直 径 。 5.7 提 高 螺 栓 连 接 强 度 的 措 施一 、 改 善 螺 纹 牙 上 载 荷 的 分 配 均 载 螺 母 1 均 载 螺 母 2 均 载 螺 母 3 钢 丝 螺 套 二 、 提 高 疲 劳 强 度1 减 小 应 力 幅减 小 螺 栓 刚 度螺 母 下 加 弹 性 元 件 、 中 空 螺 杆 、 减 小 螺 杆 直 径 增 大 被 连 接 件 刚 度去 掉 弹 性 密 封 垫 、 加 密 封 环 2 减 小 应 力 集 中 减 小 应 力

22、集 中 5.8 螺 旋 传 动一 、 螺 旋 传 动 的 类 型 和 应 用螺 旋 传 动 按 其 类 型 可 分 为 ： 调 整 螺 旋 ： 如 机 床 进 给 的 微 调 螺 旋 传 力 螺 旋 ： 如 千 斤 顶 传 动 螺 旋 ： 如 机 床 丝 杠 螺 旋 传 动 按 其 螺 纹 间 摩 擦 性 质 的 不 同 ,可 分 为 : 滑 动 螺 旋 ： 滑 动 摩 擦 ， 结 构 简 单 ， 加 工 方 便 ，应 用 最 广 。 滚 动 螺 旋 ： 滚 动 摩 擦 静 压 螺 旋 ： 液 体 摩 擦滑 动 螺 旋 牙 形 ：多 用 梯 形 螺 纹 ,重 载 起 重 螺 旋 也 有 用 锯

23、 齿 形 螺 纹 , 对效 率 要 求 高 时 可 用 矩 形 螺 纹 。 螺 旋 传 动 的 应 用 螺 旋 传 动 的 应 用 立 式 加 工 中 心 二 维 数 控 台 原 理 图 螺 旋 传 动 的 应 用 二 维 数 控 台螺 旋 传 动 的 应 用 滚 珠 丝 杠 螺 旋 传 动 的 应 用 螺 旋 千 斤 顶 螺 旋 传 动 的 应 用 螺 旋 受 力 ：滑 动 螺 旋 工 作 时 ， 螺 杆 承 受 轴 向 载 荷 和 转 矩 ； 螺杆 和 螺 母 的 螺 纹 牙 承 受 挤 压 、 弯 曲 和 剪 切 。滑 动 螺 旋 的 失 效 形 式 有 ：螺 纹 磨 损 ，螺 杆 断

24、裂 ，螺 纹 牙 根 剪 断 和 弯 断 ，受 压 螺 杆 很 长 时 还 可 能 失 稳 。二 、 滑 动 螺 旋 的 失 效 形 式 和 材 料 螺 杆 的 材 料 ：要 求 有 足 够 的 强 度 ， 常 用 35、 45号 钢 ;需 经 热 处 理 以 达到 高 硬 度 的 重 要 螺 杆 ， 则 常 用 合 金 钢 ， 如 65Mn、40Cr、 T12、 20CrMnTi等 。螺 母 材 料 ：除 要 有 足 够 的 强 度 外 ， 还 要 求 在 与 螺 杆 配 合 时 摩 擦 系数 小 和 耐 磨 。常 用 材 料 有 铸 造 青 铜 ， 如 ZCuSn10Pb1, ZCuSn5

25、Pb5Zn5 螺 母 材 料 选 用 ：重 载 低 速 使 用 强 度 较 高 的 铸 造 青 铜 ZCuAl10Fe3或 铸 造 黄铜 ZCuZn25Al6Fe3Mn3 。低 速 不 重 要 的 螺 旋 传 动 也 可 用 耐 磨 铸 铁 或 灰 铸 铁 。三 、 滑 动 螺 旋 的 设 计 计 算1 、 耐 磨 性 计 算 耐 磨 性 计 算 主 要 是 限 制 螺纹 工 作 表 面 的 压 强 ， 以 防 止过 度 磨 损 。 假 想 螺 纹 牙 可 以 展 成 一 长 条 ， 设 螺 旋 的 轴 向 载 荷 为 F，螺 母 旋 合 高 度 为 H、 螺 距 为 p， 螺 纹 旋 合 圈

26、 数 为 Z=H/p、螺 纹 工 作 高 度 为 h、 承 压 面 积 为 A， 螺 纹 工 作 面 上 的 压强 为 ps。则 螺 纹 的 耐 磨 性 条 件 为 ： 22 phHdFphZdFAFps MPa若 按 耐 磨 性 条 件 设 计 螺 纹 中径 d2时 ， 可 引 用 系 数 2dHy 以 消 去 H 2 phFpd y mm对 于 矩 形 和 梯 形 螺 纹 ， h=0.5p, 则8.02 pFd y对 于 锯 齿 形 螺 纹 ， h=0.75p, 则 65.02 pFd y 系 数 y的 值 ：可 根 据 螺 母 结 构 选 定 ，整 体 式 螺 母 ， 磨 损 后 间 隙

27、 不 能 调 整 ， 取 y=1.22.5;剖 分 式 螺 母 :y=2.53.5;对 于 传 动 精 度 较 高 时 ,允 许 y=4由 于 旋 合 各 圈 受 力 不 均 , 应 使 Z10计 算 出 d 2后 , 应 选 为 标 准 值 , 螺 纹 的 其 它 参 数 根 据 d2 按 标 准 选 取 。 2、 螺 杆 强 度 计 算螺 杆 危 险 截 面 的 强 度 条 件 为（ 第 四 强 度 理 论 ） : )16(3)4( 23 1221 dTdF起 重 螺 旋 : 2.141 Fd 25.14 1 Fd 矩 形 和 锯 齿 螺 纹 梯 形 螺 纹 式 中 :d1 -螺 杆 螺

28、纹 小 径 ,mm -螺 杆 材 料 许 用 应 力 F-螺 杆 所 受 轴 向 力 , N T-螺 杆 所 受 转 矩 , N.mm2)tan( 2dFT y 螺 纹 牙 根 部 的 剪 切 强 度 计算 : bZdF MPa螺 纹 牙 根 部 的 弯 曲 强 度校 核 计 算 式 为 : bb ZbdFhbd hZF 362 22 3 、 螺 纹 牙 强 度 计 算 式 中 : d-螺 母 螺 纹 大 径 ， mm h -螺 纹 牙 的 工 作 高 度 ， mm b -螺 纹 牙 根 部 厚 度 ， mm 、 b-螺 母 材 料 的 许 用 剪 切 应 力 和 许 用 弯 曲 应 力 ，

29、MPa4 、 螺 纹 副 自 锁 条 件 校 核 f arctany 5 、 螺 杆 的 稳 定 性 计 算受 压 螺 杆 的 稳 定 性 条 件 式 为 : 45.2FFcFc-螺 杆 稳 定 的 临 界 载 荷Fc与 螺 杆 材 料 及 长 径 比 (柔 度 ) 有 关14d lil 对 于 不 淬 火 钢 螺 杆 :当 90 时 22 )( lEIFc 当 90 时 400013.01 340 212 dFc 对 于 40的 螺 杆 不 用 校 核当 85 时 22 )( lEIFc 对 于 淬 火 钢 螺 杆 :当 85时 40002.01 490 212 dFc 式 中 : l-螺

30、杆 的 最 大 工 作 长 度 -螺 杆 长 度 系 数 I-螺 杆 危 险 截 面 的 轴 惯 性 矩 i-螺 杆 危 险 截 面 的 惯 性 半 径 E-螺 杆 材 料 的 弹 性 模 量 滚 动 螺 旋 传 动特 点 ：滚 动 摩 擦 、 效 率 高克 服 爬 行 现 象 。原 理 ：外 循 环 ： 径 向 尺 寸 大内 循 环 ： 本 圈 内 循 环 静 压 螺 旋 传 动优 点 ： 效 率 高 、 启 动 力 矩 小 、 减 振 、 承 载 大 、 刚 度 大 、传 动 精 度 高 。缺 点 ： 结 构 复 杂 、 加 工 困 难 、 安 装 困 难 。 大 作 业 注 意 事 项1、 选 择 梯 形 齿 ， 螺 母 用 青 铜 ；2、 螺 杆 长 度 ， 螺 杆 最 底 端 不 要 顶 地 面 ；3、 螺 杆 退 刀 槽 尺 寸 ；4、 人 的 推 力 250500N， 两 处 摩 擦 力 矩 ；5、 符 合 制 图 标 准 ： 图 纸 立 放 ， 标 题 栏 、 明 细 表 尺寸 、 位 置 ， 编 号 顺 序 。