《机械设计》讲义第八版濮良贵第5章.docx

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《机械设计》讲义第八版濮良贵第5章

第五章螺纹联接和螺旋传动

§５—１螺纹：

一．类型和应用：

1．分类：

1）按螺纹位置分：

外螺纹——螺纹位于圆柱或圆

锥体的外侧

内螺纹——螺纹位于圆柱或圆

锥体的内侧

2）按所起作用分：

联接螺纹——用于起联接作用

传动螺纹——用于起传动作用

3）按制式分：

米制、英制

2．类型：

1）普通螺纹：

牙型：

等边三角形。

牙型角：

α＝60°如图a）

2）米制锥螺纹：

牙型：

等腰三角形。

牙型角：

α＝60°

3）管螺纹：

牙型：

等腰三角形。

牙型角：

α＝55°

4）梯形螺纹：

牙型：

梯形。

牙型角：

α＝30°如图b）

5）矩形螺纹：

牙型：

矩形。

牙型角：

α＝0°

6）锯齿形螺纹：

牙型：

锯齿形。

如图c）

3．应用：

1）起紧固，联接作用──联接螺纹。

2）起传动作用──传动螺纹。

注：

①常用螺纹的类型、特点和应用，见：

P.62.表5-1

②螺纹已标准化，其基本尺寸可查有关标准。

二．螺纹的主要参数：

以图5-1的外螺纹为例.

1．大径d：

螺纹的最大直径（外螺纹牙顶所在的圆柱面直径）。

──叫公称直径。

2．小径d1：

螺纹的最小直径（外螺纹牙底所在的圆柱面直径）。

3．中径d2：

螺纹轴剖面内牙沟与牙体等宽处的圆柱面直径。

d2≈（d+d1）/2.

4．线数n：

螺纹的螺旋线数目。

单线螺纹：

沿一根螺旋线形成的螺纹。

多线螺纹：

沿多根螺旋线形成的螺纹。

5．螺距P：

相邻两螺牙对应点间的轴向距离。

6．导程S：

沿同一条螺旋线转一周移动的轴向距离。

S=nP

7．螺纹升角ψ：

中径螺旋线的切线与螺纹横截面间的夹角。

ψ=arctg（S/πd2）

8．牙型角α：

螺纹牙型两侧边的夹角。

牙侧角β：

螺纹牙型侧边与螺纹横截面的夹角。

9．接触高度h：

螺纹旋合后，内、外螺纹接触面的径向高度。

注：

①内螺纹参数用大写字母表示。

如：

D，D1，D2

②管螺纹的公称直径为管子的内径。

§５—２螺纹联接的类型和标准联接件：

一．螺纹联接的基本类型：

1．螺纹联接：

1）普通螺栓联接：

被联接件上的通孔与栓杆间有间隙。

P.65.图5-2a.

优：

通孔加工要求低，装拆方便，应用很广。

2）铰制孔螺栓联接：

孔与栓杆间为基孔制过渡配合。

P.65.图5-2b.

优：

被联接件的相对位置精确，能承受横向载荷。

缺：

孔的加工要求较高。

2．双头螺柱联接：

P.65.图5-3a

适用：

被联接件之一太厚、较软，且需经常装拆处。

3．螺钉联接：

P.65.图5-3b

适用：

被联接件之一太厚、较软，且不经常装拆处。

4．紧定螺钉联接：

用拧入零件螺纹孔中的螺钉末端顶住另一零件，达到固定两零

件相对位置，可传递不大的力。

P.66.图5-4.

5．地脚螺栓联接：

用于将机座固定在地基上。

P.66.图5-5.

二．标准螺纹联接件：

1．联接件：

有螺栓、双头螺栓、螺钉、螺母、垫片等。

P.66.表5-2.

2．联接件精度：

按GB/T3103.1-1982分A、B、C三级。

A级：

精度最高，用于要求配合精确、防振等重要联接。

B级：

用于受载大，受变载，经常装拆处。

C级：

用于一般联接，常用的标准联接件为C级。

§５—２螺纹联接的预紧：

一．预紧：

1．预紧：

在装配时将螺纹联接拧紧。

2．目的：

增强联接的可靠性和紧密性。

3．预紧力Fo：

预紧时预加在联接上的作用力。

推荐值为：

碳素钢螺栓：

Fo≤（0.6～0.7）σSA1

合金钢螺栓：

Fo≤（0.5～0.6）σSA1

A1──螺栓危险截面面积，A1≈πd12/4.

d1──一般为螺纹小径。

σS──螺栓材料的屈服限。

4．Fo的控制：

常用测力矩扳手（P.69.图5-8）或定力矩扳手（P.69.图5-9）.

通过控制拧紧力矩来控制Fo.

二．拧紧力矩T：

要用T来控制Fo，首先应定出T与Fo的关系如下：

1．螺旋副中的摩擦力矩T1：

2．螺母与支承面间的摩擦力矩T2：

3．拧紧力矩T：

对M10～M64的常用粗牙普通螺纹，式中诸量为：

ψ，d2──螺纹的升角和中径。

ψ=1°42′～3°2′，d2≈0.9d

do，Do──栓孔直径，螺母环面外径。

do≈1.1d，Do≈1.5d

φv──螺纹副当量摩擦角。

（f≈0.1～0.2）

fc──支承面摩擦系数。

fc≈0.15

于是，得：

T=T1+T2≈0.2Fod（5-7）

注：

1）用T控制Fo，易于操作，但不准确。

2）控制Fo的精确方法是测量螺栓的伸长量。

3）Fo过大可导致：

①螺杆拉断

②螺纹滑牙。

§５—４螺纹联接的防松

1．螺纹联接的自锁与松脱：

1）自锁：

∵ψ=1°42′～3°2′＜φv=6.5°～10.5°

∴一般普通螺纹联接都自锁。

2）松脱：

联接在冲击、振动及变载下会逐渐松脱。

2．防松：

防止螺旋副相对转动。

3．常用防松方法：

三种：

1）摩擦防松：

双螺母，弹簧垫圈，自锁螺母。

P.71.表5-3.

2）机械防松：

开口锁，止动垫圈，串联钢丝。

P.71.表5-3.

3）铆冲防松：

将栓端铆死，或在栓杆与螺母旋合缝处打冲。

§５—5螺栓组联接的设计

一．螺栓组联接的结构设计：

任务：

合理确定①接合面的几何形②螺栓的布置形式；

目的：

①螺栓及接合面受力均匀，加工、装配方便。

②使螺栓组对称中心应与接合面形心重合

1．接合面应为简几何图形。

如：

圆形，矩形，三角形等。

2．螺栓的布置应使各螺栓受力合理。

3．螺栓的排列应有合理的间距和边距。

1）边距：

应有足够的扳手空间──具体尺寸可查手册。

2）间距：

紧密性要求较高的联接，间距to的推荐值：

P.73.表5-4.

4．分布在同一圆周上的螺栓数应取偶数──以便于钻孔时分度和划线。

5．避免螺栓受偏心载荷

1）粗糙支承面应制凸台或锪沉孔、P.74.图5-13

2）倾斜支承面应加斜面垫圈、P.74.图5-14

图5-13凸台与锪沉孔图5-14斜面垫片

二．螺栓组的受力分析：

任务：

按联接的结构和受载，定出受力最大的螺栓及其所受的力。

假设：

1）所有螺栓的材料，直径，长度及预紧力都相同。

2）螺栓组对称中心与接合面形心重合。

3）受载后接合面仍为平面。

1．受横向载荷的螺栓组：

横向载荷FΣ的作用线垂直螺

栓轴线且通过螺栓组对称中心。

1）铰制孔螺栓联接：

各螺栓所受的横向工作剪力为：

F=FΣ/z（5-8）

z──螺栓数目

2）普通螺栓联接：

为避免相对滑动，必须使预紧后接合面间的最大摩擦力≥FΣ，即：

f──接合面间的摩擦系数。

P.76.表5-5.

i──接合面数（上图i=2）。

KS──防滑系数。

KS=1.1～1.3

2．受转矩的螺栓组：

1）普通螺栓联接：

各螺栓的Fo产生的摩擦力

fFo对形心O的矩之和应大

于T，

即：

ΣfFori=fFo·Σri≥KST图5-17受转矩的螺栓组联接

或：

Fo≥KST/f·Σri（5-10）

f──接合面的摩擦系数

ri──第I个螺栓的轴线到螺栓组对称中心O的距离

z──螺栓数目

Ks──防滑系数，Ks=1.1～1.3

2）铰制孔螺栓联接：

刚性底板相对转动量，即螺栓的剪切变形量正比于到O点的距离。

∴

Fmax/rmax=Fi/ri或Fi=Fmaxri/rmax（5-11）

3．受轴向载荷的螺栓组：

轴向载荷FΣ的作用线∥螺栓轴线并通过其对称中心→各螺栓均载，∴

F=FΣ/Z（5-29）

4．受倾覆力矩的螺栓组：

图5-19受倾覆力矩的螺栓组联接

a．倾覆力矩M作用于通过x-x轴且垂直接合面的平面中，图a）

b.已受Fo，但未受倾覆力矩M作用，图b）

螺栓：

均匀受拉，拉力为Fo

地基：

均匀受压，压强σP

底板：

其上Fo的合力与σP的合力相等，底板所受的总作用力为零。

c.已受M作用，底板绕O-O轴向右倾侧，图c）

在O-O轴左侧：

螺栓：

拉力由Fo增大到F2

地基：

挤压应力由σP下降为σP1，右侧压紧σP↗σP2

底板：

螺栓的合力＞地基的合力，总合力为F，方向向下

在O-O轴右侧：

螺栓：

拉力由Fo减小到F2m

地基：

挤压应力由σP增大到σP2

底板：

螺栓的合力＜地基的合力，总合力Fm方向向上

设：

底板为刚体，绕O-O倾转时仍为平面，则：

Fmax/Lmax=Fi/Li或：

Fi=FmaxLi/Lmax

1）接合面压应力校核：

以避免地基压碎或接合面出现缝隙，

σPmax=σP+△σPmax≈zFO/A+M/W≤[σ]P（5-17）

σPmin=σP-△σPmax≈ZFO/A–M/W＞0（5-18）

A──接合面的有效面积和有效抗弯截面系数

W──接合面的有效抗弯截面系数

z──螺栓数

[σ]P──拉合面材料的许用挤压应力。

P.79.表5-6.

总述：

对实际中的复杂受力状态，可先简化成上述四种受力的组合；再求出各种受

力下的螺栓的工作载荷；最后将各工作载荷向量加，求出受载最大的螺栓及

其所受的力。

§５—6螺纹联接的强度计算：

主要破坏形式：

螺栓的受载情况不同，其破坏形式也不同。

1．受拉螺栓：

1）破坏形式：

栓杆螺纹部分被拉断。

2）设计准则：

保证螺栓的静力或疲劳拉伸强度。

2．受剪螺栓：

1）破坏：

①栓杆或孔壁的压溃。

②栓杆被剪断。

2）准则：

保证联接的挤压强度及螺栓的剪切强度。

一．松螺栓联接强度计算：

P.70.图5-12.

1．松螺栓联接：

装配时不拧紧的螺栓联接。

（受工作载荷前，螺栓不受力）

2．强度计算：

设联接受载时，螺栓承受工作拉力F

1）校核：

2）设计：

d1──螺栓危险截面直径（mm）

[σ]──螺栓材料的许用拉应力（MPa）

二．紧螺栓联接强度计算：

紧螺栓联接：

装配时拧紧的螺栓联接。

1．仅受预紧力的紧螺栓联接：

1）预紧力Fo产生的拉应力σ：

2）螺纹摩擦力矩T1产生的剪应力τ：

∵对M10～M64螺纹：

d2/d1≈1.04～1.08，tgφv≈0.17，tgψ≈0.05

3）计算应力σca：

按四强，预紧状态下的σca为：

扭转的影响可用将σ增加30%来考虑。

4）受横向载荷F作用：

工作时，靠Fo在接合面间产生的摩擦力抵抗F，且Fo不受横向载荷F的影响。

图5-22承受横向载荷的普通螺栓联接图5-23a）减载销图5-23b）减载套筒

①强度条件：

②Fo的要求：

Fo≥F/f

f──接合面摩擦系数，若f=0.2，则Fo≥5F很大。

③减载零件：

可在接合面上加销、套筒或键。

P.81.图5-23.

此时，F由减载件承受，螺栓仅需保证联接，d可明显减小。

2．受工作拉力F的紧螺栓联接：

1）受力与变形：

图5-24单个紧螺栓联接的受力变形图

a）螺母刚与被联接件接触，尚未拧紧。

不受力，无变形。

b）螺母已拧紧：

螺栓：

受Fo作用，拉伸了λb

被联接件：

受压，压缩了λm

c）受工作拉力F：

螺栓：

拉力Fo增大到F2，进一步伸长Δλ。

被联接件：

压力Fo减小到F1，压缩量λm减小为（λm-Δλ）。

由上可见，受F作用后，被联接件中的压紧力由Fo减小为F1，所以螺

栓中的拉力不等于Fo+F，而为F2：

2）螺栓的总拉力F2：

Fo=F1+F

3）残余预紧力F1：

受工作拉力作用后被联接件间的相互压紧力。