机械设计螺旋传动与螺纹联接

第8章螺旋传动与螺纹联接第一节螺纹第二节螺旋传动第三节螺纹联接第一节、螺纹螺纹有外螺纹与内螺纹之分，它们共同组成螺旋副。螺纹按工作性质分为联接用螺纹和传动用螺纹。一、螺纹形成加工方法：车制内外螺纹；直径小用碾压法；内螺纹先用钻头钻出光孔，然后丝锥攻螺纹螺旋线——一动点在一圆柱体的表面上，一边绕轴线等速旋转，同时沿轴向作等速移动的轨迹。螺纹——一平面图形沿螺旋线运动，运动时保持该图形通过圆柱体的轴线，就得到螺纹。螺纹d2二、螺纹几何参数(3)中径d2d1d2d(1)大径d(2)小径d1(4)螺距P(5)导程S(6)螺纹升角ψ(7)牙型角αtgψ=πd2nP牙侧角βββψπd2SψS=nPSPP/2P/2α联接螺纹三、螺纹牙型特点和应用传动螺纹第二节、螺旋传动一、螺旋传动的类型、特点与应用1、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要求的。它主要用于将回转运动变为直线运动将直线运动变为回转运动，同时传递运动或动力。优点：工作平稳，传动精度高，易于自锁，良好的减速性能.2、特点缺点：相对滑动大，磨损大，效率低3、传动形式：a)螺杆转螺母移b)螺杆又转又移（螺母固定）——用得多c)螺母转螺杆移d)螺母又转又移（螺杆固定）——用得少按其用途，还可分为传动螺旋、传导螺旋和调整螺旋三种类型4、分类千斤顶（1）、传动螺旋：它以传递动力为主，要求用较小的转矩产生较大的轴向推力。一般为间歇工作，工作速度不高，而且通常要求自锁，如千斤顶，搬动手柄对螺杆加一个转矩，则螺杆旋转并产生很大轴向力推力以举起重物（2）传导螺旋：它以传递运动为主，常要求具有高的运动精度。一般在较长时间内连续工作，工作速度也较高。例如用于机床进给机构的传导螺旋，螺杆旋转，推动螺母连同滑板和刀架作直线运动。微调镗刀杆右旋导程SA右旋导程SB能获得微小位移螺杆转2ASh螺杆右移2)(BASSh螺母相对机架右移若螺杆两段螺纹旋向相反2)(BASSh快速移动(3)、调整螺旋它用以调整并固定零件或部件之间的相对位置。用于带传动张紧的调整螺旋1、滑动螺旋：构造简单、传动比大，承载能力高，加工方便、传动平稳、工作可靠、易于自锁缺点：磨损快、寿命短，低速时有爬行现象（滑移），摩擦损耗大，传动效率低（30~40%）传动精度低按照摩擦性质分：滑动螺旋滚动螺旋静压螺旋（后两种结构复杂，用于结构复杂，精度高的重要传动中，一般用滑动）2、滚动螺旋传动——摩擦性质为滚动摩擦。滚动螺旋传动是在具有圆弧形螺旋槽的螺杆和螺母之间连续装填若干滚动体（多用钢球），当传动工作时，滚动体沿螺纹滚道滚动并形成循环。按循环方式有：内循环、外循环两种返回通道螺母滚珠螺杆反向器特点：传动效率高（可达90%），起动力矩小，传动灵活平稳，低速不爬行，同步性好，定位精度高，正逆运动效率相同，可实现逆传动。缺点：不自锁，需附加自锁装置，抗振性差，结构复杂，制造工艺要求高，成本较高。3、静压螺旋——液体摩擦，靠外部液压系统提高压力油，压力油进入螺杆与螺母螺纹间的油缸，促使螺杆、螺母、螺纹牙间产生压力油膜而分隔开p1p2进油回油节流器h1h2Fa油腔螺旋面FrBCA特点：摩擦系数小，效率高，工作稳定，无爬行现象，定位精度高，磨损小，寿命长。但螺母结构复杂（需密封），需一稳压供油系统、成本较高。适用于精密机床中进给和分度机构滚动螺旋静压螺旋螺旋传动二.滑动螺旋传动的工作能力分析主要失效——螺纹的磨损耐磨性计算确定螺杆直径d2螺母高度H传力较大时螺杆强度校核要求自锁时螺纹牙强度校核校核自锁条件受压细长螺杆校核稳定性baaQ/uDD21.失效形式与计算准则1.耐磨性计算螺纹接触处比压：)(][22MPapHhdPFzhdFp承载螺纹的圈数一圈螺纹的承载面积螺母高度螺距令2dH设计式：)(][2mmhPpFd[注](1)的选择整体螺母剖分螺母5.1~2.15.3~5.2(2)螺纹牙接触高度Ph5.0h对梯形和矩形螺纹对锯齿形螺纹Ph75.0(3)设计步骤H确定螺母高度10PHz要求螺纹圈数2d计算查标准：Pd螺距公称直径2.螺杆强度校核轴向力F螺母材料比螺杆差、校核螺母的螺纹)(][)16/(3)4/(323122122MPadTdFca)(][66//22MPazDbFlDblzFbb3.螺纹牙的强度校核力学模型：将螺母的一圈螺纹牙展开——悬臂梁螺纹牙受弯：螺纹牙受剪：转矩T)(][/MPaDbzFDbzF)(5.02DDll为弯曲力臂为螺纹根部宽度bPb5.0矩形螺纹Pb65.0梯形螺纹Pb75.0锯齿形螺纹第三节、螺纹联接一.螺纹联接的类型、特点和应用2.双头螺柱联接3.螺钉联接4.紧定螺钉联接1.螺栓联接常用的螺纹联接件有：螺栓、双头螺柱、螺钉、螺母和垫片等。这些零件都是标准件，结构、形状、尺寸都制定有国家标准，设计时可根据有关标准选用。常见螺纹联接件圆螺母带翅垫片垫圈六角螺母紧定螺钉螺钉双头螺柱常见螺纹联接件图六角头螺栓1.螺栓联接在被联接件上开有通孔，被联接件孔中不加工螺纹。结构简单，装拆方便，使用时不受被联接件材料的限制，应用极广。普通螺栓联接铰制孔用螺栓联接①普通螺栓联接螺栓杆与被联接件孔壁之间有间隙。通孔加工精度低，成本低，应用最广。②铰制孔用螺栓联接螺栓杆与被联接件孔壁之间无间隙。孔和螺栓杆多采用基孔制过渡配合(H7／m6、H7／n6)，能精确定位，能承受横向载荷被联接件需钻孔、铰孔，成本高。孔与螺杆之间留有间隙3.螺钉联接被联接件之一为光孔、另一个为螺纹孔。只用螺钉，不用螺母，直接把螺钉拧进被联接件的螺钉中。适用于载荷较轻，且不经常装拆的场合。螺钉联接双头螺柱联接2.双头螺柱联接用两头均有螺纹的螺柱和螺母把被联接件联接起来,被联接件之一为光孔、另一个为螺纹孔。适用于被联接件之一厚度很大，而又不宜钻通孔，但又经常拆卸的地方。4.紧定螺钉联接利用拧入被联接件螺纹孔中的螺钉末端顶住另一零件的表面，以固定零件的相对位置，可传递不大的力或扭矩。其它：地脚螺栓吊环螺栓T形槽螺栓二、标准螺纹联接件两端螺纹可相同或不同，螺柱可带退刀槽或制成腰杆，也可制成全螺纹。双头螺柱二、标准螺纹联接件螺钉头部形状有圆头、扁圆头、六角头、圆柱头和沉头等。头部起子槽有一字槽、十字槽和内六角孔等形式。二、标准螺纹联接件紧定螺钉端适用于被紧定零件的表面硬度较低或不经常拆卸的场合；平端接触面积大，不伤零件表面，常用于顶紧硬度较大的平面或经常拆卸的场合；圆柱端压入轴上的凹坑中，适用于坚定空心轴上的零件位置。二、标准螺纹联接件自攻螺钉头部形状有圆头、平头、半沉头及沉头等。头部起子槽有一字槽、十字槽等形式。末端形状有锥端和平端两种。二、标准螺纹联接件六角螺母根据厚度分为标准螺母和薄型螺母两种。制造精度分为A、B、C三级，分别与相同级别的螺柱配合使用。二、标准螺纹联接件圆螺母与止动垫圈圆螺母常与止动垫圈配用，装配时将垫圈内舌插入轴上的槽内，而将垫圈的外舌嵌入圆螺母的槽内，螺母即被锁紧。二、标准螺纹联接件垫圈平垫圈分为A级和C级两种。用于同一螺纹直径的垫圈又分为特大、大、普通和小的四种规格，特大垫圈主要在铁木结构上使用。斜垫圈只用于倾斜的支承面上。三、螺纹联接的预紧和防松1．螺纹联接的预紧拧紧的目的1.提高联接的紧密性2.防止联接松动3.提高联接件强度预紧力的控制：测力矩扳手定力矩扳手螺纹联接的预紧定力矩扳手螺旋副的拧紧力矩注意：对于重要的联接，应尽可能不采用直径过小(＜M12)的螺栓。预紧力和预紧力矩之间的关系：dFT02.0弹簧垫圈防松2.螺纹联接的防松1、摩擦防松（保证螺纹副间有足够的轴向压力和摩擦力矩）对顶螺母，弹簧垫圈。结构简单、使用方便。限制螺旋副的相对转动；以防止联接的松动，影响正常工作。①防松的实质②防松方法（摩擦防松.机械防松.永久防松）自锁螺母防松对顶螺母防松2、机械防松开口销与开槽六角螺母止动垫圈串联钢丝（在联接中加入其它机械元件)开口销、止动垫圈，串联铁丝等。适用于冲击振动载荷，重要场合使用，成本高。机械防松止动垫片防松机械防松止动垫片防松机械防松串联钢丝防松机械防松焊接铆冲不可拆卸防松3、永久防松粘、铆、焊等。四、螺纹副的受力分析、效率和自锁拧紧螺母时，可看作推动重物沿螺纹表面运动。将螺纹沿中径处展开，滑块代表螺母，螺母和螺杆间的运动可视为滑块在斜面上运动。根据力的平衡条件可得：旋紧螺母时作用在螺纹中径上的水平推力(圆周力)：转动螺纹需要的转矩为：)tan(QFF若λ≤，说明此时无论轴向载荷有多大，滑块（即螺母）都不能沿斜面运动，这种现象称为自锁滑块沿斜面等速下降时，摩擦力向上)tan(QFF)tan(tan)tan(22tan222112dFdFTsFWWQQQ螺旋副的效率若为三角螺纹，则F=(f/cosß)Q,为当量摩擦角，为实际摩擦系数，为螺旋副所受的轴向力。1.当f相同,三角形螺纹升角小、当量摩擦系数大，自锁性好，主要用于联接；螺纹牙型角度多为60，55度三角形2.要提高传动效率，应适当提高降低五螺纹联接的选用计算螺纹联接中螺栓联接最具典型性。本届主要讨论螺栓组联接，单个螺栓联接的强度计算是螺纹联接设计的基础。螺栓受力横向受拉（普通螺栓）横向受剪切（铰制孔用螺栓）螺栓杆螺纹部分发生断裂螺栓杆剪断或者孔壁发生压溃主要失效方式实际工程应用中，普通场合，螺栓直径的选择用类比法或经验法重要场合，必须根据强度条件进行选用计算设计准则：针对具体的失效形式，通过对螺栓的相应部位进行相应强度条件的设计计算（或强度校核）。螺栓联接的计算主要是确定螺纹小径d1,然后按照标准选定螺纹的公称直径（大经）d等。其它对螺纹有特殊要求（如防腐、耐高温）时，应选择有特殊性能的材料。一般螺纹联接件常用材料为低碳钢和中碳钢，如Q215、Q235、15、35、45等受冲击、振动和变载荷作用的螺栓可用合金钢，如15Cr、40Cr、30CrMnSi、15CrVB等螺纹联接件的材料FF/2F/2一、松螺栓联接强度计算(不受预紧力作用，受外载荷）214Fd14[]Fd或F——工作拉力，单位为N；d1——螺栓危险截面的直径，单位为mm；[σ]——螺栓材料的许用拉应力，单位为MPa。二、紧螺栓联接强度计算1．仅受预紧力的紧螺栓联接－结合面的摩擦力来承受横向载荷，防止被联接件错动(1)螺栓的当量拉力螺栓受力拧紧力矩1T螺栓预紧力'F受产生拉应力'F当量拉力'3.1FFv联接面间摩擦力(2)保证联接面不滑移的螺栓预紧力'FRKmzFf'mzRKFf')(][)3.1(44/21'21MPadFdFv拧紧力矩1T预紧力'FR平衡横向力(3)强度条件)(][)3.1(4'1mmFd摩擦系数螺栓数接合面数3.1~1.1fK可靠性系数摩擦力矩引起的剪应力5.02104dF3.15.0332222ca2．受轴向外载荷的紧螺栓联接FDDpF1为残余预紧力，为保证联接的紧密性，应使F1＞0，一般根据联接的性质确定F1的大小。载荷方向与螺栓轴向一致，螺栓受载前需预紧，受载前后受力不同。螺栓内部危险截面上同样既有拉应力s，又有扭转剪应力t。螺栓预紧力F0后，在工作拉力F的作用下，螺栓的总拉力F2=?未拧紧螺栓：被联件：未受力、无变形未受力、无变形拧紧后工作前螺栓：被联件：伸长受'F拉1缩短受'F压2工作时螺栓：被联件：再加F总伸长)(1联接面间受压F总压缩量)(2对应拉力0F4/3.1212cadF2141.3[]Fd或Q螺栓危险截面的拉伸强度条件为对于有密封性要求的联接，一般联接，工作载荷稳定时：工作载荷不稳定时：FF8.1~5.11FF6.0~2.01FF0.16.01～螺栓所受总拉力Q=工作拉力F+剩余预紧力F1Q3．承受工作剪力的紧螺