《机械设计基础》教案——第六章 螺纹联接和螺旋传动.docx

(4)螺纹线数螺纹螺旋线的数目。联接螺纹要求自锁性，多用单线螺纹；传动螺纹要求传动效率高，多用双线或三线螺纹。为便于制造，一般W4。(5)螺距P螺纹相邻两牙在中径线上对应两点间的轴向距离。(6)导程JL同一条螺旋线上相邻两牙在中径线上对应两点间的轴向距离。单线螺纹L=P,多线螺纹L="尸，如图6-3所示。图6-3螺纹的线数a)单线螺纹b)多线螺纹(7)螺纹升角4在中径圆柱上，螺旋线的切线与垂直于螺纹线的平面的夹角。CLnP.、tan=(6-1)11d°11d°(8)牙型角在螺纹牙型上，两相邻牙侧间的夹角。(9)牙侧角在螺纹牙型上，牙侧与螺纹轴线的垂线间的夹角。对称牙型的牙侧角，=£2。(10)螺纹接触高度/在两个相互配合螺纹的牙型上，牙侧重合部分在垂直于螺纹轴线方向上的距离。常用作螺纹工作高度。三、常见螺纹的特点及应用1 .普通螺纹普通螺纹即米制三角形螺纹，牙型角=60°。同一直径按螺距的大小分为粗牙和细牙两种，螺距最大的一种是粗牙，其余的均为细牙。一般联接多用粗牙螺纹。细牙螺纹的牙浅、升角小、自锁性能好，多用于薄壁零件或细小零件，以及受冲击、振动和变载荷的联接中，也可用作微调机构的调整螺纹。2 .管螺纹最常用的管螺纹是英制细牙三角形螺纹，牙型角。=55。，牙顶有较大的圆角，内、外螺纹旋合后牙型间无径向间隙，公称直径近似为管子的内径。多用于有紧密性要求的管件联接。3 .矩形螺纹牙型为正方形，牙型角。=0。传动效率高，牙根强度弱，精加工困难，对中精度低，常用于传力螺纹。4 .梯形螺纹六角头螺桂双头螺柱内六角圆柱头螺钉开槽圆柱头螺钉开槽沉头螺钉开槽锥甦紧定螺钉图6-7常用螺纹联接件第二节螺纹联接的预紧和防松一、螺纹联接的预紧工程实际中，绝大多数螺纹联接在装配时都要拧紧，使联接在承受工作载荷之前，各联接件已预先受到了力的作用，此既为预紧。这个预加的作用力称为预紧力。装配时需要拧紧的联接称为紧联接，反之则称为松联接。预紧的目的是增强联接的可靠性、紧密性及刚性，提高联接的防松能力，对于受拉变载荷螺纹联接还可提高其疲劳强度。但过大的预紧力会导致整个联接的结构尺寸增大，也可能会使螺栓在装配时或在工作中偶然过载时被拉断。因此对于重要的螺纹联接，为了保证所需的预紧力，又不使联接螺栓过载，在装配时应控制预紧力。通常利用控制拧紧螺母时的拧紧力矩来控制预紧力的大小。在拧紧螺母时（如图6-8）,拧紧转矩T等于螺纹副间的摩擦阻力矩Z和螺母环行支承面上的摩擦阻力矩与之和。由分析可知，对于MlOM68的米制粗牙普通螺纹的钢制螺栓，螺纹副中无润滑时，有(6-2)T0.2/d式中，弟为预紧力，单位为N,根据联接的工作要求确定；d为螺纹大径，单位为mm。图6-8拧紧转矩当预紧力心和螺纹大径d己知后，由式（6-2）即可确定所需的拧紧力矩T。一般标准扳手的长度L15d,若加在扳手上的拧紧力为F,则T=FL代入式（6-2）后有：Fg5F。若F=200N时，则在螺栓中将产生的预紧力E）MI5000N,这样大的预紧力很可能使直径较小的螺栓被拉断。因此，对于重要的螺栓联接，应避免采用小于M12的螺栓，必须使用时，应严格控制其拧紧力矩。在工程实际中，常用测力矩扳手（图6-9a）或定力矩扳手（图6-9b）来控制拧紧力矩，测力矩扳手可由指针的指示直接读出拧紧力矩的数值。定力矩扳手可利用螺钉调整弹簧的压紧力，预先设置拧紧力矩的大小，当扳手力矩过大时，弹簧被压缩，扳手卡盘与圆柱销之间打滑，从而控制拧紧力矩不超过规定值。对于大直径的螺栓联接，则可用测量螺栓伸长量的方法来控制预紧力。图6-9测力矩扳手和定力矩扳手二、螺纹联接的防松联接螺纹都能满足自锁条件，且螺纹和螺栓头部支承面处的摩擦也能起防松作用，故在静载荷下，螺纹联接不会自动松脱。但在冲击、振动或变载荷的作用下，或当温度变化很大时，螺纹副间的摩擦力很小或瞬时消失，这种现象多次重复就会使联接松脱，影响联接的牢固和紧密，甚至会引起严重事故。所以在设计时，必须采用有效的防松措施。防松的根本问题是防止螺纹副的相对转动。防松的方法很多，按其工作原理，可分为摩擦防松、机械防松和永久防松三类。常用的防松方法见表6-1表6-1常见的防松方法防松方法结构形式特点和应用摩擦防松用两个螺母对顶拧紧，使旋合螺纹间始终受到附加的压力和摩擦力的作用。结构简单，但联接的高度尺寸和重量加大。适用于平稳、低速和重载的联接机械防松拧紧螺母后弹簧被压平，垫圈的弹性恢复力使螺纹副轴向压紧，同时垫圈斜口的尖端抵住螺母与被联接件的支承面，也有防松作用。结构简单，应用方便，广泛用于一般的联接。但在振动工作条件下放松效果差。尼龙圈锁紧螺母是利用螺母末端的尼龙圈箍紧螺栓，横向压紧螺纹来防松。自锁螺母是利用螺母末端椭圆口的弹性变形箍紧螺栓，横向压紧螺纹来防松。结构简单、防松可靠，可多次拆装而不降低防松性能，适用于重要的联接。拧紧槽形螺母后，将开口销插入螺栓尾部小孔和螺母的槽内，再将销的尾部分开，使螺母锁紧在螺栓上。适用于有较大冲击、振动的高速机械中的联接。止动垫圈将垫圈套入螺栓，并使其下弯的外舌放入被联接件的小槽中，再拧紧螺母，最后将垫圈的另一边向上弯，使之和螺母的一边贴紧，结构简单，使用方便，防松可靠。用低碳钢丝穿入各螺钉头部的孔内，将各螺钉串联起来，使其相互约束，使用时必须注意钢丝的穿入方向。适用于螺钉组联接，防松可靠，但装拆不方便。螺母拧紧后，在螺栓末端与螺母的旋合缝处冲点或焊接来防松。防松可靠，但拆卸后联接不能重复使用，适用于不需拆卸的特殊联接。在旋合的螺纹间涂以胶接剂，使螺纹副紧密胶合。防松可靠，且有密封作用，但不便拆卸。表6-2紧密联接的螺栓间距rd一螺纹公称直径二、螺栓组的布置1 .螺栓组的布置方式及接合面形状螺栓组的布置应尽可能对称，以使结合面受力均匀；联接接合面应尽量设计成轴对称的简单几何形状（如图6-11）,使螺栓组的几何中心与接合面的形心重合，以便于加工和装配，计算也较简单。2 .承受弯矩和转矩时的布置方式承受弯矩和转矩时应尽可能地把螺栓布置在靠近结合面边缘，以减少螺栓的受力。对于承受较大横向载荷的普通螺栓联接，应采用销、套筒、键等抗剪零件来承受横向载荷（如图6-12）,以减小螺栓的预紧力及结构尺寸。图6-12螺栓承受横向载荷时的减载装置面内。假设底板为刚体而基础为弹性体，此时在"作用下，底板有绕接合面对称轴0-0翻转的趋势。轴线左侧的螺栓将进一步被拉伸，轴向拉力增大；0-0轴线右侧的基础被进一步压缩，螺栓被放松，螺栓预紧力减小。由底板的力矩平衡条件KIT+Fl2+FZIZ=M(6-9)因螺栓拉伸刚度相同，根据变形协调条件，可知螺栓的工作拉力与其轴线到对称轴0-0的距离成正比，在O-O轴线左侧距轴线最远的螺栓所受工作拉力最大，即=三-（6-10）k"2"max由（6-9）和（6-10）联立得最大轴向拉力为FmaX=(6-11)对于受倾覆力矩作用的螺栓组联接，除螺栓应满足强度要求外，还应保证图6-16所示左侧接合面不出现间隙，右侧接合面不被压溃。接合面左侧边缘处挤压应力最小，不出现间隙条件为ZFcMCz=->0(6-12)PnUnAW接合面右侧边缘处挤压应力最大，不压溃条件为%max+613)式中，A为有效接合面面积，单位为mu?；W为接合面的抗弯截面系数，单位为mu?；C,为接合面材料的许用挤压应力，单位为MPa,其值查表6-4。式中，b为螺栓的拉应力，单位为MPa；JF为轴向载荷，单位为N；4为螺纹的小径，单位为mm；b为螺栓的许用拉应力，单位为MPa,其值见表6-10。2.紧螺栓联接(1)只受预紧力作用的螺栓联接如图6-19,凡是靠摩擦力承受工作载荷的紧螺栓联接，其螺栓仅受预紧力作用。当螺栓拧紧后，螺栓不仅受到预紧力与产生的拉应力b的作用，同时还受螺纹副阻力转矩工产生的扭转切应力好的作用，因此螺栓处于受拉伸和扭转的复合应力状态。对常用的MlOM60普通钢制螺栓,¾-r0.5o按第四强度理论建立的强度条件为ca-Jer2+3琮=Ib2+3(0.5Cr)21.3cr即-=L珥W(6-15)-J1241式中，a”为螺栓的当量拉应力，单位为MPa；为紧联接螺栓的许用拉应力，单位为MPa,其值见表6-10。地脚螺栓联接*F2)力一变形图螺栓和被联接件的受力与变形关系，也可用螺栓联接的力一变形图来表述，如图6-21a、b分别表示预紧后螺栓和被联接件的力一变形关系图。为分析上的方便，可将图6-21a、b合并，图6-21c为承受工作载荷后螺栓联接的力一变形图。图6-21螺栓和被联接件的力与变形关系a)预紧后力一变形关系图b)预紧后力一变形关系图c)受载后力一变形图设螺栓刚度为9,被联接件的刚度为C2,则c1=F°I=tanx;c2=F0/2=tan2设施加工作载荷后，螺栓的拉力增量为尸，由图6-2Ia可知，Fl=c1,(F-F)/J2=C2,且伪=A4,由前面三式可得AF=Fc1+C2由图可知A=I+AF=I+F(6-17)c1+C2这是螺栓总拉力生的又一种表达式，既总拉力等于预紧力加上部分工作拉力。令KO=FOlF及KC=CJ(C、+c2),则6-17式可写为FZ=(Ko+KQF(6-18)式中，Ko为预紧系数，其值见表6-6；KC为刚性系数，又称相对刚度，其大小与螺栓、被联接件和垫片的材料、结构尺寸以及载荷的作用位置有关，设计时查表6-7。表6-6预紧系数K。联接情况K0联接情况K。紧固静载荷1.22.0紧密软垫1.52.5算对象的挤压高度，单位为mm；上为螺栓的许用切应力，单位为MPa,见表6-10；为计算对象的许用挤压应力，单位为MPa,见表6-10。三、螺栓联接件的材料和许用应力1 .螺纹联接件的常用材料及其力学性能螺纹联接件的常用材料及其力学性能见表6-8o表6-8螺纹联接件常用材料及其力学性能（单位：MPa）钢号抗拉强度屈服点s疲劳极限弯曲CrT拉压b_T10340420210160220120150Q215340420220Q23541047024017022012016035540320220-30017022045610360250-34019025015MnVB10001200800一一40Cr750100065090032044024034030CrMnS10801200900一一国家标准规定，螺纹联接件按其力学性能分级（表6-9）,对于重要的或有特殊要求的螺纹联接件，才允许采用高强度级别的材料。表6-9螺栓、螺钉、双头螺柱的力学性能等级力学性能等级3.64.64.85.65.86.88.89.810.912.9M16>M16抗拉强度极限