螺纹传动和螺纹

第五章螺纹连接与螺旋传动§5-1螺纹§5-2螺纹连接的类型与标准连接件§5-3螺纹连接的预紧§5-6螺纹连接的强度计算§5-5螺栓组连接的设计§5-8提高螺纹连接强度的措施§5-7螺纹连接件的材料与许用应力§5-9螺旋传动§5-4螺纹连接的防松二、普通螺纹的主要参数大径d－即螺纹的公称直径。小径d1－常用于联接的强度计算。中径d2－常用于联接的几何计算。螺距P－螺纹相邻两个牙型上对应点间的轴向距离。牙型角a－螺纹轴向截面内，螺纹牙型两侧边的夹角。升角y－螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面间的夹角。线数n－螺纹的螺旋线数目。导程S－螺纹上任一点沿同一条螺旋线转一周所移动的轴向距离，S=nP。升角y的计算式为：22arctanarctandnPdSy螺纹螺纹连接的类型与标准连接件一、螺纹连接的基本类型除上述连接的基本类型外，在机器中，还有一些特殊结构的螺纹联接。如：T型槽螺栓连接、吊环螺钉连接和地脚螺栓连接等。二、标准螺纹连接件螺纹连接的类型很多，在机械制造中常见的螺纹连接件的结构型式和尺寸都已经标准化，设计时可以根据有关标准选用。利用控制拧紧力矩的方法来控制预紧力的大小。通常可采用测力矩扳手或定力矩扳手，对于重要的螺栓联接，也可以采用测定螺栓伸长的方法来控制预紧力。螺纹联接的预紧大多数螺纹联接在装配时都需要拧紧，使之在承受工作载荷之前，预先受到力的作用，这个预加作用力称为预紧力。增强联接的可靠性和紧密性，以防止受载后被联接件间出现缝隙或发生相对移动。注意：对于重要的联接，应尽可能不采用直径过小(＜M12)的螺栓。拧紧后螺纹联接件的预紧应力不得超过其材料的屈服极限ss的80%，限制原则预紧力：预紧的目的：预紧力的确定原则：预紧力的控制：预紧力和预紧力矩之间的关系螺纹联接的防松螺纹联接一般都能满足自锁条件不会自动松脱。但在冲击、振动或变载荷作用下，或在高温或温度变化较大的情况下，螺纹联接中的预紧力和摩擦力会逐渐减小或可能瞬时消失，导致联接失效。防松的根本问题在于防止螺旋副相对转动。按工作原理的不同，防松方法分为摩擦防松、机械防松等。此外还有一些特殊的防松方法，例如铆冲防松、在旋合螺纹间涂胶防松等。为了防止连接松脱，设计时必须采取有效的防松措施。螺栓组连接的设计目的：合理的确定连接接合面的几何形状和螺栓的布置形式，力求各螺栓和连接接合面间受力均匀，便于加工和装配。连接接合面的几何形状都设计成轴对称的简单几何形状——便于加工制造和对称布置螺栓，保证联接结合面受力均匀。螺栓布置应使各螺栓的受力合理。螺栓的排列应有合理的间距、边距。分布在同一圆周上的螺栓数目取成4、6、8等偶数——便于在圆周上钻孔时的分度和画线。避免螺栓承受附加的弯曲载荷。一、螺栓组连接的结构设计需注意的问题：螺栓组连接的设计1．受横向载荷2．受转矩3．受轴向载荷4．受倾覆力矩目的：根据连接的结构和受载情况，求出受力最大的螺栓及其所受的力，以便进行螺栓连接的强度计算。受力分析时所作假设：所有螺栓的材料、直径、长度和预紧力均相同；受载后连接接合面仍保持为平面。受力分析的类型：二、螺栓组连接的受力分析螺栓组的对称中心与联接接合面的形心重合；FFriOOMTfF0fF0FF（1）对于铰制孔用螺栓连接（图b），每个螺栓所受工作剪力为：（2）对于普通螺栓连接（图a），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：式中：z为螺栓数目。图示为由四个螺栓组成的受横向载荷的螺栓组连接。1．受横向载荷的螺栓组连接zFFFKzifFS0fziFKFS0或SK螺栓组连接的设计为防滑系数，设计中可取Ks=1.1~1.3。F∑F∑F∑F∑b)a)i为接合面数。2．受转矩的螺栓组连接TKfrFfrFfrFsz02010TrFziii1采用普通螺栓，是靠连接预紧后在接合面间产生的摩擦力矩来抵抗转矩T。采用铰制孔用螺栓，是靠螺栓的剪切和螺栓与孔壁的挤压作用来抵抗转矩T。iirFrFmaxmaxZiirTrF12maxmaxziirfTKF1S0螺栓组连接的设计0S1ziifFrKT即：各螺栓的剪切变形量（剪切力）与螺栓到中心的距离成正比。螺栓组连接的设计3．受轴向载荷的螺栓组连接若作用在螺栓组上轴向总载荷FΣ作用线与螺栓轴线平行，并通过螺栓组的对称中心，则各个螺栓受载相同，每个螺栓所受轴向工作载荷为：通常，各个螺栓还承受预紧力F0的作用，当连接要有保证的残余预紧力为F1时，每个螺栓所承受的总载荷F2为。zFFF2=F1+F螺栓组连接的设计4．受倾覆力矩的螺栓组连接倾覆力矩M作用在连接接合面的一个对称面内，底板在承受倾覆力矩之前，螺栓已拧紧并承受预紧力F0。作用在底板两侧的合力矩与倾覆力矩M平衡，即：由此可以求出最大工作载荷：ziLFM1iiZiLMLF12imaxmaxiirFrFmaxmax螺栓与地基承受的载荷与螺栓到中心线的距离成正比：螺栓组连接的设计螺栓的总拉力：maxmbb02FCCCFF底板受倾覆力矩后，在轴线O-O左侧，螺栓与地基的工作点分别移至B1和C1，两者作用在底板上的合力为F。受倾覆力矩的底板螺栓组连接的受力过程可用右图表示。在轴线O-O右侧，螺栓与地基的工作点分别移至B2和C2，两者作用在底板上的合力为Fm。在倾覆力矩作用前，螺栓和地基的工作点都处于A点。21FFF螺栓组连接的设计材料钢铸铁混凝土砖（水泥浆缝）木材][0maxPPWMAzFss00minPWMAzFs为防止结合面受压最大处被压碎或受压最小处出现间隙，要求：[]/PMPas0.8ss(0.4~0.5)Bs2.0~3.01.5~2.02.0~4.0受载后地基接合面压应力最大值不超过许用值，最小值不小于0；Pmaxmax=[]ppPssssPmaxmax=-0ppsss0=pzFAsmaxpMWs螺栓组连接受力分析螺栓组受载载荷特点普通螺栓组铰制孔用螺栓组横向载荷载荷的方向与螺栓轴线垂直转矩转矩的方向与螺栓轴线平行轴向载荷载荷的方向与螺栓的轴线平行倾覆力矩倾覆力矩的方向与螺栓轴线垂直0sKFFfzi01sziiKTFfrFFzmaxmax21ziiMLFLmax0[]PPzFMAWss0min0PzFMAWsFFzmaxmax21ziiTrFr螺栓组连接受力分析在实际使用中，螺栓组连接所受的工作载荷常常是以上4中简单受力状态的不同组合。可利用静力分析方法将复杂的受力状态简化成简单受力状态。分别计算出螺栓组在简单受力状态下每个螺栓的工作载荷，然后按向量相加，得到每个螺栓的总工作载荷。对普通螺栓按轴向载荷或（和）倾覆力矩确定螺栓的工作拉力，按横向载荷或（和）转矩确定所需要的预紧力，然后求出螺栓的总拉力。对铰制孔用螺栓，按横载荷或（向和）转矩确定螺栓的工作剪力。求得受力最大的螺栓后，课进行单个螺栓的连接强度计算。螺栓组连接受力分析螺纹联接的强度计算1螺纹连接的强度计算螺栓连接的强度计算主要与连接的装配情况（预紧或不预紧）、外载荷的性质和材料性能等有关。螺栓连接强度计算的目的是根据强度条件确定螺栓直径，而螺栓和螺母的螺纹牙及其他各部分尺寸均按标准选定。一、松螺栓连接强度计算二、紧螺栓连接强度计算1．仅受预紧力的紧螺栓连接2．受轴向载荷的紧螺栓连接3．承受工作剪力的紧螺栓连接受拉螺栓，其失效形式主要是螺纹部分的塑性变形和螺杆的疲劳断裂。受剪螺栓，其失效形式可能是螺栓杆被剪断或螺栓杆和孔壁的贴合面被压溃。65%20%15%螺纹连接的强度计算1．仅受预紧力的紧螺栓连接2104dFs预紧力引起的拉应力：sy5.0162)tan(312v0ddF螺牙间的摩擦力矩引起的扭转剪应力：ss210ca43.1dF强度条件：当连接承受较大的横向载荷F时，由于要求F0≥F／f（f=0.2），即F0≥5F，因而需要大幅度地增加螺栓直径。为减小螺栓直径的增加，可采用减载措施。sss3.1322ca根据第四强度理论，螺栓在预紧状态下的计算应力:F0F0FF螺纹连接的强度计算2．受轴向载荷的紧螺栓连接FDDp螺栓预紧力F0后，在工作拉力F的作用下，螺栓的总拉力FFF12ss4/3.1212cadFFCCCFFmbb02这时螺栓的总拉力为：为使工作载荷作用后，连接结合面间有残余预紧力F1存在，要求螺栓连接的预紧力F0为：FCCCFFmbm10静强度条件：式中F1为残余预紧力，为保证连接的紧密性，应使F1＞0，一般根据联接的性质确定F1的大小。式中：mbbCCC为螺栓的相对刚度，其取值范围为0~1。变载荷需要进行疲劳强度校核螺纹连接的强度计算3．承受工作剪力的紧螺栓连接这种连接是利用铰制孔用螺栓抗剪切来承受载荷的。螺栓杆与孔壁之间无间隙，接触表面受挤压。在连接接合面处，螺栓杆则受剪切。螺栓杆与孔壁的挤压强度条件为：螺栓杆的剪切强度条件为：式中：F－螺栓所受的工作剪力，单位为N；d0－螺栓剪切面的直径（可取螺栓孔直径），单位为mm；Lmin－螺栓杆与孔壁挤压面的最小高度，单位为mm；设计时应使Lmin≥1.25d0Pmin0PssLdF204dFFFd0Lmin单个螺栓受力情况及强度计算方法受力情况螺栓类型强度条件计算公式受轴向工作载荷的松螺栓连接普通螺栓拉伸强度条件只受预紧力的紧螺栓连接受轴向静载荷的紧螺栓连接受轴向变载荷的紧螺栓连接疲劳强度条件受工作剪力的紧螺栓连接铰制孔用螺栓剪切强度条件挤压强度条件21[]4Fdss0211.3[]4caFdss2211.3[]4caFdss20bbmCFFFCC20[]4Fdm0min[]PPFdLss1minmin2()()(2)tccaaKSSKssssssss单个螺栓受力情况及强度计算方法1.对于只受预紧力的普通紧螺栓连接，螺杆在拧紧的同时承受拉伸和扭转的联合作用。计算时，按纯拉伸问题处理，但将所受的拉力增大到1.3倍。2.受轴向静载荷的紧螺栓连接，螺杆上所受的总拉力等于残余预紧力与工作拉力之和，或等于预紧力与一部分工作载荷之和。3.对于受轴向变载荷的紧螺栓连接，工作拉力在之间变化，则螺栓总拉力在之间变化。计算时，应先按受静载荷紧螺栓连接计算公司计算满足静强度，然后验算疲劳强度。4.受工作剪力的紧螺栓连接，只能是铰制孔用螺栓，计算时一般不考虑预紧力和摩擦力矩的影响。0~F02~FF国家标准规定了螺纹连接件的性能等级。螺栓、螺柱、螺钉的性能等级分为10级，螺母的性能等级分为7级。在一般用途的设计中，通常选用4.8级左右的螺栓，在重要的或有特殊要求设计中的螺纹联接件，要选用高的性能等级，如在压力容器中常采用8.8级的螺栓。螺纹连接件的材料与许用应力一、螺纹连接件材料常用的螺纹连接件材料为Q215、Q235、35、45等碳素钢。当强度要求高时，还可采用合金钢，如15Cr、40Cr等。二、螺纹连接件的许用应力1．螺纹连接件的许用拉应力2．螺纹连接件的许用剪应力和许用挤压应力3．螺纹连接件的安全系数Ss][sssSs][PsP][Sss（被连接件为钢）PBP][Sss（被连接件为铸铁）提高螺纹连接强度的措施以螺栓连接为例，螺栓连接的强度主要取决于螺栓的强度，因此，提高螺栓的强度，将大大提高联接系统的可靠性。影响螺栓强度的因素主要有以下几个方面，或从以下几个方面提高螺栓强度。改善螺纹牙上载荷分布不均的现象降低影响螺栓疲劳强度的应力幅减小应力集中的影响采用合理的制造工艺冷镦螺栓头部和滚压螺纹、氮化、氰化、喷丸等。强度计算求拧紧两个M12的普通螺栓后所能承受的最大牵引力F。0.15,f1.2,sK240,sMPas1.5,S110.106.dmm紧螺栓连接，承受横向载荷。应满足拉伸强度条件，保证接合面不滑移。拉伸强度条件0211.3[]4caFdss接合