第五章 螺紋聯(lián)接與螺旋傳動wjm

1、第五章 螺紋連接與螺旋傳動,基本概念：螺紋連接是利用螺紋零件構(gòu)成的 連接。,特 點：構(gòu)造簡單，拆裝方便，工作可靠，,標(biāo)準(zhǔn)件，應(yīng)用廣。,d--螺紋大徑d1-螺紋小徑d2--螺紋中徑p--螺距n--線數(shù)S--導(dǎo)程y --螺紋升角?，牙型角?--牙型斜角旋向,5.1.1 螺紋的主要參數(shù),5.1 螺紋,螺紋的線數(shù)和旋向,5.1.2 螺紋副的受力關(guān)系、效率和自鎖,圓周力：擰

2、緊時,松開時,效率：擰緊時,松開時,自鎖條件,式中:?′ --當(dāng)量摩擦角,當(dāng)量摩擦系數(shù),F--軸向力, Nf--摩擦系數(shù),5.1.3 常用螺紋的特點和應(yīng)用,對螺紋的要求： 足夠的強(qiáng)度和良好的工藝性聯(lián)接螺紋：自鎖管 螺 紋：緊密性、氣密性傳動螺紋：效率高調(diào)整螺紋：精度高起重螺紋：效率高、自鎖性好,螺紋的分類：按牙形：三角形螺紋、矩形螺紋、梯形螺紋、鋸齒形螺紋、管螺紋按母體形狀：圓柱螺紋、圓錐螺紋

3、,1 、普通螺紋(代號：M GB 192-81),特點：螺紋的牙型角?=2?=60?。因牙型角?大，所以當(dāng)量摩擦系數(shù)大，自鎖性能好，主要用于連接。,細(xì)牙螺紋與粗 牙螺紋的比較,粗牙：常用,細(xì)牙的缺點：牙小，相同載荷下磨損快，易脫扣。,細(xì)牙：自鎖性能更好。常用于承受沖擊、振動及變載荷、或空心、薄壁零件上及微調(diào)裝置中。,2 、矩形螺紋,特點：牙形為正方形， ?=0?，所以效率高，用于傳動,牙根強(qiáng)度弱，加工困難，常被梯形螺紋代替。,3

4、、梯形螺紋(代號：T,特點： ?=2?=30?。比矩形螺紋效率略低。 牙根強(qiáng)度高，易于對中，易于制造，剖分螺母可消除間隙，在螺旋傳動中有廣泛應(yīng)用。,r GB 192-81),4、 鋸齒形螺紋(代號：S JB 923-66),特點：工作邊?=3?，非工作邊?=30?，便于加工。它綜合了矩形螺紋效率高和梯形螺紋牙根強(qiáng)度高的優(yōu)點,能承受較大的載荷,但只能用于單向傳動。,5 、圓柱管螺紋,特點：用于管件連接的三角螺紋，?=55

5、?可在密封面間加填料等來密封，密封性好，適用于壓強(qiáng)在1.6MPa以下的連接。,6、 圓錐螺紋,特點：螺紋均布在錐度為1:16的管上,?=55?或60 ?螺紋面間沒有間隙，不用填料，靠牙變形，密封性好，適用于高溫、高壓的連接。,7、 其它螺紋,主要用于金屬薄板的連接,普通螺栓連接 絞制孔螺栓連接,普通螺栓連接 螺栓和孔壁有間隙孔的加工精度低。絞制孔螺栓連接螺桿與孔用過渡配合，承受軸向載荷孔需精制。可起定位作用。,

6、5.2 螺紋連接的基本類型與標(biāo)準(zhǔn)螺紋連接件,5.2.1 螺紋連接的基本類型,1、 螺栓連接,特點：被連接件不宜做成通孔。不宜經(jīng)常拆卸。擰入深度：銅或青銅：H=d鑄 鐵：H=1.25~1.5d鋁 合 金： H=1. 5~2.5d,2、 螺釘連接,特點：被連接件不宜做成通孔又需要經(jīng)常拆卸或用螺釘無法安裝。,擰入深度：銅或青銅：H=d鑄 鐵：H=1.25~1.5d鋁 合 金： H=1

7、. 5~2.5d,3、雙頭螺柱連接,4 、緊定螺釘連接旋入被連接件的螺紋孔中，頂住另一被連接件的表面或凹坑。固定兩個零件或傳遞不大的力矩。,5、其它特殊結(jié)構(gòu)的螺紋連接,地腳螺栓,吊環(huán)螺釘,T型槽螺栓,5.2.2 標(biāo)準(zhǔn)螺紋連接件制造精度分為A、B、C三級，A級最高，用于重要連接。C級用于一般連接。,各種螺栓,雙頭螺柱,各種螺釘,各種螺釘,緊定螺釘?shù)念^部和末端,各種螺母與墊片,5.2.3 螺紋連接零件常用材料和機(jī)械性能等級,

8、1、常用材料：普通連接：普通碳素結(jié)構(gòu)鋼和優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，如:Q215、Q235和10、15、35、45號鋼。變載荷或有沖擊、振動的重要連接：合金鋼，如: 40 Cr、15MnVB、30CrMnSi。螺母材料一般較相配合的螺栓的硬度低20~40HBS，以減少螺栓磨損。,2、螺栓、螺釘、螺柱、螺母性能等級,5.3 螺紋連接的預(yù)緊,1、預(yù)緊的作用：預(yù)緊可使連接在承受工作載荷之前就受到預(yù)緊力F`的作用，以防止連接受載后被連接件之間出

9、現(xiàn)間隙或橫向滑移。預(yù)緊也可以防松。,2、控制預(yù)緊力的目的：預(yù)緊力過大，會使連接超載。預(yù)緊力不足，可能導(dǎo)致連接失效。重要的螺栓應(yīng)控制預(yù)緊力。,擰緊螺母時的力矩和預(yù)緊力,3、擰緊力矩和預(yù)緊力的計算,螺紋副摩擦力矩,螺母與被連件摩擦力矩,擰緊力矩,當(dāng)鋼制螺紋M10~M68時，由螺紋幾何關(guān)系和摩擦系數(shù)可得：,故：,擰緊力矩系數(shù),4、裝配時控制預(yù)緊力的方法,測力矩扳手,定力矩扳手,5.4 螺紋連接的防松,一 、摩擦防松,1 、雙螺母在螺母

10、和螺栓之間形成內(nèi)力，保證摩擦力。結(jié)構(gòu)簡單、使用方便?？煽啃圆桓?。用于平穩(wěn)、低速、重載。,2 、彈簧墊圈彈力保持一定壓力切口尖端逆向。,3 、鎖緊螺母鑲嵌彈性環(huán)或尼龍圈擠入螺紋中橢圓口螺母。,二、 機(jī)械防松,1 、開口銷與六角開槽螺母,2 、止動墊圈,止動墊圈,3 、串聯(lián)鋼絲,三、 永久防松,焊接 沖點 涂膠,5.5

11、 單個螺栓連接的強(qiáng)度計算,一 、松螺栓連接,MPa,mm,強(qiáng)度條件 或許用應(yīng)力,MPa,二 、緊螺栓連接1 、受橫向載荷的緊螺栓連接,（1） 普通螺栓連接,靠接合面的摩擦力傳遞外力螺栓既受拉應(yīng)力又受扭剪應(yīng)力,對于常用的M10~M68的普通螺栓,拉應(yīng)力,剪應(yīng)力,螺栓的當(dāng)量應(yīng)力（第四強(qiáng)度理論）,螺栓的強(qiáng)度條件為：,MPa,校核公式：,設(shè)計公式：,當(dāng)所需預(yù)緊力很大時，為了減小螺栓尺寸，采用套筒、鍵、銷

12、來承受橫向載荷。,（2）鉸制孔螺栓連接,螺栓桿的剪切強(qiáng)度條件為:,螺栓與孔壁的擠壓強(qiáng)度條件為：,MPa,MPa,—螺栓抗剪面直徑，mm,式中,m —螺栓抗剪面數(shù)目,—螺栓桿與孔壁擠壓面的最小高度 mm，設(shè)計時應(yīng)使,—螺栓的許用剪切應(yīng)力，MPa,—螺栓或孔壁材料的許用擠壓應(yīng)力，MPa,2 、受軸向工作載荷的緊螺栓連接,汽缸蓋的連接,（1） 受力分析(見動畫),螺栓受力,被連接件受力,螺栓的相對剛度,剩余預(yù)緊力,（2）靜強(qiáng)度計算,MPa,

13、mm,式中,—緊螺栓連接的許用拉應(yīng)力,校核公式：,設(shè)計公式：,（3）疲勞強(qiáng)度計算,對于受變載荷的螺栓連接，按靜強(qiáng)度設(shè)計尺寸后，還需進(jìn)行疲勞強(qiáng)度校核。,,疲勞強(qiáng)度條件為,MPa,MPa,式中,—有效應(yīng)力集中系數(shù),—螺紋制造工藝系數(shù),—尺寸系數(shù),—安全系數(shù),—螺栓材料的對稱拉壓疲勞極限,三、 螺栓連接的許用應(yīng)力,螺栓許用剪應(yīng)力及許用擠壓應(yīng)力,5.6 螺栓組連接設(shè)計,一、螺栓組連接的結(jié)構(gòu)設(shè)計,1 、連接結(jié)合面的幾何形狀常設(shè)計成軸對稱的簡單幾何

14、形狀,2、 螺栓的布置應(yīng)使各螺栓的受力合理,3 、螺栓的排列應(yīng)有合理的間距、邊距,扳手空間,4、分布在同一圓周上的螺栓數(shù)目，應(yīng) 取4, 6, 8等偶數(shù)，以便鉆孔時在圓周上分度和畫線,5 、避免螺栓承受偏心載荷,產(chǎn)生偏心載荷的原因,斜墊圈的應(yīng)用,凸面和沉頭座的應(yīng)用,避免偏載的結(jié)構(gòu),二、 螺栓組連接的受力分析,1 、受軸向載荷Q的螺栓組連接,設(shè)定有z個螺栓則：單個螺栓受外力,2 、受橫向載荷R的螺栓組連接、,（1） 普通螺栓連接,式中：

15、 f —接合面間摩擦系數(shù) m —接合面數(shù) Kf —考慮摩擦系數(shù)不穩(wěn)定及靠摩擦傳力有時不可靠而引入的可靠性系數(shù) 一般Kf =1.1~1.3,(2) 用絞制孔螺栓連接,螺栓受力：剪切力Fs,3、受旋轉(zhuǎn)力矩 T 的螺栓組連接,(1) 采用普通螺栓連接時，靠預(yù)緊后在接合面上各螺栓處摩擦力對形心的力矩之和平衡外加力矩T。,式中: r1 、r2、... rz—— 各

16、螺栓中心至螺栓 組形 心O的距離 Kf —可靠性系數(shù) f —接合面間摩擦系數(shù),（2）采用絞制孔用螺栓連接時，忽略接合面上的摩擦力，外加力矩T靠螺栓所受剪力對底板旋轉(zhuǎn)中心的力矩之和來平衡。,4、 受傾覆力矩M的螺栓組連接,受傾覆力矩的螺栓組連接除要求螺栓強(qiáng)度足夠外，還應(yīng)保證接合面既不出縫隙也不被壓饋。,接合面右端應(yīng)滿足：,M

17、Pa,MPa （5-39）,左端應(yīng)滿足：,MPa,MPa （5-41）,由式5-39，5-41求得預(yù)緊力F′，并取兩者較大值,和工作拉力Fmax求得作用在螺栓上的總拉力F0后，再求出所需螺栓直徑。,例5.1 設(shè)計如圖5.36所示的軸承座螺栓組連接,軸承座及底板材料均為鑄鐵。載荷P作用在通過接合面縱向?qū)ΨQ軸線并垂直于接合面的平面內(nèi)。,由于M的作用使對稱軸線左邊二螺栓處的工作拉力增大，右邊二螺栓處工作拉力減小，其值為

18、,預(yù)緊力F’使接合面間產(chǎn)生正壓力；Q使壓力減小；可以認(rèn)為M對接合面上總的壓力無影響，因為M使左邊的壓力減小，右邊的壓力以同樣大小增大。因此可得保證接合面不滑動的條件為,由表5.6取接合面上的摩擦系數(shù)f=0.13；考慮到鑄鐵的彈性模量略小于鋼，故由表5.2取螺栓的相對剛度為0.3；取可靠性系數(shù)Kf=1.2，則每個螺栓所需的預(yù)緊力,由表5.7：,根據(jù)表5.3，考慮到螺栓的預(yù)緊力不一定經(jīng)嚴(yán)格控制，故其安全系數(shù)與螺栓直徑有關(guān)，初估螺栓直徑為6～

19、16mm，?。樱?.5，得螺栓的許用應(yīng)力為,5.7 提高螺栓連接強(qiáng)度的措施,一 、改善螺紋牙上載荷的分配,均載螺母1（受拉螺母）：可使螺母也受拉，以使螺母和螺桿的變形相一致，即二者一同受拉。,均載螺母2（內(nèi)斜螺母）：可使螺桿上原受力大的螺牙受力點外移，剛度變小，易于變形，從而把部分力轉(zhuǎn)移到原受力小的螺牙上。,均載螺母3 此外，選用較軟的螺母材料，彈性模量小，易變形，也可改善螺紋牙受力不均的情況。,鋼絲螺套,二、提高疲

20、勞強(qiáng)度1 減小應(yīng)力幅,減小螺栓剛度螺母下加彈性元件、中空螺桿、減小螺桿直徑,增大被連接件剛度去掉彈性密封墊、加密封環(huán),2 減小應(yīng)力集中,減小應(yīng)力集中,5.8 螺旋傳動5.8.1 螺旋傳動的類型和應(yīng)用螺旋傳動按其類型可分為： 調(diào)整螺旋：用于調(diào)整或固定零件位置，如機(jī)床進(jìn)給的微調(diào)螺旋。一般不在工作載荷下做旋轉(zhuǎn)運動。 傳力螺旋：用以舉起重物或克服很大的軸向載荷，如螺旋千斤頂。一般為間歇性工作，每次

21、工作時間短、速度也不高，但軸向力很大，通常需要自鎖。因工作時間短，不追求高效率。 傳動螺旋：用以傳遞運動及動力，如機(jī)床絲杠。多在較長時間內(nèi)連續(xù)工作，有時速度也較高，因此要求有較高的效率和精度，一般不要求自鎖。,螺旋傳動按其螺紋間摩擦性質(zhì)的不同,可分為: 滑動螺旋：滑動摩擦，結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，應(yīng)用最廣。 滾動螺旋：滾動摩擦 靜壓螺旋：液體摩擦,滑動螺旋牙形： 多用梯形螺紋

22、,重載起重螺旋也有用鋸齒形螺紋, 對效率要求高時可用矩形螺紋。 螺桿承受軸向載荷和轉(zhuǎn)矩，螺紋和螺母的螺紋牙承受擠壓、彎曲和剪切。,螺旋傳動的應(yīng)用,螺旋傳動的應(yīng)用,立式加工中心,二維數(shù)控臺原理圖,螺旋傳動的應(yīng)用,二維數(shù)控臺,螺旋傳動的應(yīng)用,滾珠絲杠,螺旋傳動的應(yīng)用,螺旋千斤頂,螺旋傳動的應(yīng)用,螺旋受力：滑動螺旋工作時，螺桿承受軸向載荷和轉(zhuǎn)矩；螺桿和螺母的螺紋牙承受擠壓、彎曲和剪切。,滑動螺旋的失效形式有：螺紋磨損，螺

23、桿斷裂，螺紋牙根剪斷和彎斷，受壓螺桿很長時還可能失穩(wěn)。,5.8.2 滑動螺旋的失效形式和材料,螺桿的材料：要求有足夠的強(qiáng)度，常用45、50鋼;需經(jīng)熱處理以達(dá)到高硬度的重要螺桿，如機(jī)床絲杠等，則常用合金鋼，如65Mn、40Cr、T12、20CrMnTi等。,螺母材料：除要有足夠的強(qiáng)度外，還要求在與螺桿配合時摩擦系數(shù)小和耐磨。常用材料有鑄錫青銅，如ZCuSn10Pb1,

24、 ZCuSn5Pb5Zn5,螺母材料選用：重載低速使用強(qiáng)度較高的鑄鋁青銅ZCuAl10Fe3或鑄鋁黃銅ZCuZn25Al6Fe3Mn3 。低速不重要的螺旋傳動也可用耐磨鑄鐵或灰鑄鐵。,5.8.3 滑動螺旋的設(shè)計計算,1 、耐磨性計算 耐磨性計算主要是限制螺紋工作表面的壓強(qiáng)，以防止過度磨損。,假想螺紋牙可以展成一長條，設(shè)螺旋的軸向載荷為F，螺母旋合高度為H、螺距為p，螺紋旋合圈數(shù)為Z=H/p、螺紋工作高度

25、為h、承壓面積為A，螺紋工作面上的壓強(qiáng)為 ps。則螺紋的耐磨性條件為：,MPa,若按耐磨性條件設(shè)計螺紋中徑d2時，可引用系數(shù),以消去H,mm,對于矩形和梯形螺紋，h=0.5p, 則,對于鋸齒形螺紋，h=0.75p, 則,系數(shù)?的值：可根據(jù)螺母結(jié)構(gòu)選定，整體式螺母，磨損后間隙不能調(diào)整，取?=1.2~2.5;剖分式螺母:?=2.5~3.5;對于傳動精度較高時,允許?=4,由于旋合各圈受力不均, 應(yīng)使Z?10,計算出d2后, 應(yīng)選為

26、標(biāo)準(zhǔn)值, 螺紋的其它參數(shù)根據(jù)d2 按標(biāo)準(zhǔn)選取。,2、 螺桿強(qiáng)度計算,螺桿危險截面的強(qiáng)度條件為（第四強(qiáng)度理論）:,起重螺旋:,矩形和鋸齒螺紋,梯形螺紋,式中:d1 --螺桿螺紋小徑,mm [?]--螺桿材料許用應(yīng)力 F--螺桿所受軸向力, N T--螺桿所受轉(zhuǎn)矩, N.mm,螺紋牙根部的剪切強(qiáng)度計算:,MPa,螺紋牙根部的彎曲強(qiáng)度校核計算式為:,3 、螺紋牙強(qiáng)度計算,式中: d′--螺母

27、螺紋大徑，mm h --螺紋牙的工作高度，mm b --螺紋牙根部厚度，mm [?] 、[?]b--螺母材料的許用剪切應(yīng)力 和許用彎曲應(yīng)力，MPa,4 、螺紋副自鎖條件校核,5 、螺桿的穩(wěn)定性計算,受壓螺桿的穩(wěn)定性條件式為:,Fc--螺桿穩(wěn)定的臨界載荷Fc與螺桿材料及長徑比(柔度)

28、 有關(guān),對于不淬火鋼螺桿:,當(dāng) ?>90 時,當(dāng) ?<90 時,對于?<40的螺桿不用校核,當(dāng) λ≥85 時,對于淬火鋼螺桿:,當(dāng) ?<85時,式中: l--螺桿的最大工作長度 ?--螺桿長度系數(shù) I--螺桿危險截面的軸慣性矩 i--螺桿危險截面的慣性半徑 E--螺桿材料的彈性模量,5.8.4

29、 滾動螺旋傳動（或滾珠螺旋傳動）（常稱為滾珠絲杠傳動）特點：滾動摩擦、效率高、克服爬行現(xiàn)象。原理：外循環(huán)：徑向尺寸大內(nèi)循環(huán)：本圈內(nèi)循環(huán),,這種循環(huán)靠螺母上安裝的反向器接通相鄰滾道,使?jié)L珠成單圈環(huán), 滾珠從螺紋滾道進(jìn)入反向器,借助反向器迫使?jié)L珠越過絲杠牙頂進(jìn)入相鄰滾道,實現(xiàn)循環(huán)。一般一個螺母上裝有2～4個反向器，反向器沿螺母圓周等分分布。其優(yōu)點是徑向尺寸緊湊，剛性好，因其返回滾道較短，摩擦損失小。缺點是反向器加工困難。

30、,內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠副,外循環(huán)滾珠絲杠副,滾珠在循環(huán)過程結(jié)束后，通過螺母外表面上的螺旋槽或插管返回絲杠間重新進(jìn)入循環(huán)。如圖a）所示為插管式，它用彎管作為返回管道，這種形式結(jié)構(gòu)工藝性好，但由于管道突出于螺母體外，徑向尺寸較大。如圖b）所示為螺旋槽式，它是在螺母外圓上銑出螺旋槽，槽的兩端鉆出通孔并與螺紋滾道相切，形成返回通道，這種形式的結(jié)構(gòu)比插管式結(jié)構(gòu)徑向尺寸小，但制造較復(fù)雜。,5.8.5 靜壓螺旋傳動優(yōu)點：液體摩擦系數(shù)小、效率高、啟動力矩

31、小、壽命長，在螺紋副間隙中有壓力油膜，具有良好的消振性，承載能力高、傳動剛度大、傳動平穩(wěn)，能正反向工作，換向時無空程，傳動精度高。缺點：螺母結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工困難，安裝調(diào)整較困難，不自鎖，需要良好的供油裝置。用途：僅用于要求精度高、定位準(zhǔn)確和要求傳動效率高的場合。,大作業(yè)注意事項,1、選擇梯形齒，螺母用青銅；2、螺桿長度，螺桿最底端不要頂?shù)孛妫?、螺桿退刀槽尺寸；4、人的推力250~500N，兩處摩擦力矩；5、符合制圖標(biāo)準(zhǔn)：圖紙

32、立放，標(biāo)題欄、明細(xì)表尺寸、位置，編號順序。,P82 課后習(xí)題,5.1 題圖5.1(a)、(b)、(c)表示三種被聯(lián)接件結(jié)構(gòu)，其形狀和有關(guān)尺寸如圖所示，它們的材料均為鑄鐵，現(xiàn)欲用M12的螺紋聯(lián)接件聯(lián)接，為了防止松脫應(yīng)使用彈簧墊圈。請確定聯(lián)接類型，并從手冊中查出所用聯(lián)接件(包括彈簧墊圈)尺寸、畫出正確的聯(lián)接結(jié)構(gòu)。,解?: 本人所用資料均為：清華大學(xué)吳宗澤主編，機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計手冊（第3版），高等教育出版社，2006年5月出版a

33、 由P122表9-16可知，因為零件表面未精加工，所以為了避免螺栓承受偏心載荷，需要加工沉頭座。,由該書P51頁表3-27查得：沉頭座尺寸d1=13.5mm，d2=26mm，高度可取為t=2mm。,由該手冊P48頁表3-22查得標(biāo)準(zhǔn)型彈簧墊圈可標(biāo)記為：墊圈 GB/T93 12（由表知其厚度為3.1mm）。,由P47頁表3-19查得螺母可標(biāo)記為：螺母 GB/T 6170 M12（厚度m=10.8mm）。,公稱長度l>m(前面查表

34、知為10.8)+(3.1-2) +20+20-2=49.9mm,由P39頁表3-9查得取l=55mm。螺栓可標(biāo)記為：螺栓 GB/T 5782 M12×55。,考慮扳手空間，由P161頁表11-2查得：C1min=18mm,C2min=16mm,均取為C1=C2=20mm。,最后的連接結(jié)構(gòu),b 因為零件表面未精加工，所以為了避免螺栓承受偏心載荷，需要加工沉頭座。沉頭座尺寸與墊圈規(guī)格與圖5.1a完全一樣。又由于下面零件結(jié)構(gòu)無法

35、安裝螺母，所以必須采用螺釘結(jié)構(gòu)。此處選用螺栓 GB/T 5782 M12×55，。,5.2 題圖5.2為一剛性凸緣聯(lián)軸器，凸緣間用鉸制孔用螺栓聯(lián)接，螺栓數(shù)目Z＝6，螺桿無螺紋部分直徑d0=17mm，材料為強(qiáng)度級別為8.8級(35號鋼)，兩個半聯(lián)軸器材料為鑄鐵，試計算聯(lián)軸器能傳遞的轉(zhuǎn)矩。若欲傳遞同樣的轉(zhuǎn)矩，而采用普通螺栓聯(lián)接時，試確定螺栓直徑。,5.3 一氣缸和氣缸蓋的聯(lián)接結(jié)構(gòu)如題圖5.3所示。已知氣缸內(nèi)壓力在0~lMPa