第6章螺纹连接和螺旋传动

第6章螺纹连接和螺旋传动6.1螺纹6.2螺纹连接的预紧和防松6.3螺纹连接的强度计算6.4提高螺栓连接强度的措施6.5螺旋副的受力分析、效率和自锁6.6螺栓组的结构设计6.7螺纹紧固件的材料与许用应力第6章螺纹连接和螺旋传动在机器的设计和制造中，为了减少制造、安装、维修和运输费用，以及尽可能减轻机器重量、节约贵重金属、降低生产成本和提高劳动生产率，在一部机器中经常可以看到使用了不同的材料来制造不同的零件，然后通过一定的方式和连接手段把这些零件连接成一个整体，来实现预期的性能要求，故在机器和设备的各零、部件间广泛采用各种连接。下一页返回第6章螺纹连接和螺旋传动连接可分为可拆连接和不可拆连接两类。不损坏连接中的任一零件就可将被连接件拆开的连接称为可拆连接，这类连接可多次拆装仍然无损于使用性能，如螺纹连接、键连接和销连接等。不可拆连接是指至少必须损坏连接中的某一部分才能拆开的连接，如焊接、铆钉连接和黏接等。螺纹边接和螺旋传动都是利用具有螺纹的零件工作的，螺纹连接是作为紧固连接件用，螺旋传动是作为传动使用。本章主要讨论螺纹连接的结构、计算和设计，重点介绍螺栓连接的强度计算、螺栓组的受力分析及提高螺栓连接强度的措施。上一页返回6.1螺纹6.1.1螺纹的分类螺纹有内螺纹和外螺纹两种类型，二者共同组成螺纹副用于连接和传动。螺纹有公制和英制两种，在我国除管螺纹外都采用公制螺纹。螺纹轴向剖面的形状称为螺纹的牙型，常用的螺纹牙型有二角形、矩形、梯形、锯齿形和管螺纹等，如图6-1所示。其中二角形螺纹主要用于连接，其余多用剧专动。下一页返回6.1螺纹(1)二角形螺纹(普通螺纹)牙型角为60°，可以分为粗牙和细牙，粗牙用于一般连接;与粗牙螺纹相比，细牙由于在相同公称直径时，螺距小，螺纹深度浅，导程和升角也小，自锁性能好，宜用于薄壁零件和微调装置。(2)管螺纹多用于有紧密性要求的管件连接，牙型角为55°，公称直径近似于管子内径，属于细牙三角形螺纹。下一页返回上一页6.1螺纹(3)梯形螺纹牙型角为30°，是应用最为广泛的传动螺纹。(4)锯齿形螺纹两侧牙型角分别为3°和30°,3°的一侧用来承受载荷，可得到较高效率;30°的一侧用来增加牙根强度。适用于单向受载的传动螺纹。下一页返回上一页6.1螺纹(5)矩形螺纹牙型角为0°，适于作传动螺纹。以上5种常见螺纹牙型如图6-1所示。按螺纹线绕行方向的不同，螺纹可分为右旋螺纹和左旋螺纹，如图6-2所示。机械制造中常采用右旋螺纹。根据螺纹线的数目，可将螺纹分为单线螺纹和多线螺纹。下一页返回上一页6.1螺纹6.1.2螺纹的主要参数在机械制图中，已经接触过螺纹和螺纹连接件。现在就以图6-3所示来说明螺纹的主要几何参数，该图是GB192-81标准化的螺纹牙型图。(1)大径d。螺纹的最大直径，在标准中也作公称直径。(2)中径d2。通过螺纹轴向剖面内牙型上的沟槽和凸起宽度相等处的假想圆柱面的直径，近似等于螺纹的平均直径，是确定螺纹几何参数的直径。下一页返回上一页6.1螺纹(3)小径d1。即螺纹的最小直径，在强度计算中常作为危险剖面的计算直径。(4)螺距P。螺纹相邻两牙在中径上对应两点的轴向距离。(5)线数n。螺纹的螺旋线数量，也称螺纹头数。(6)导程s。同一螺旋线上的相邻两牙在中径线上对应两点间的轴向距离。对于单线螺纹，s=p;对于多线螺纹，s=np。(7)升角λ。中径d2圆柱上，螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面的夹角。下一页返回上一页6.1螺纹(8)牙型角α、牙型角β。在螺纹的轴向剖面内，螺纹牙型两侧边的夹角称为牙型角α。牙型侧边与螺纹轴线的垂线间的夹角称为牙型角β，对称牙型的α=2β。对于这些几何参数值的规定，国际上和国内都已经标准化。规定的值不同，就会形成不同的螺纹，需要时可以查阅相关的手册和国家标准。下一页返回上一页6.1螺纹6.1.3螺纹紧固件螺纹紧固件的品种很多，在机械制造中常见的螺纹连接件有螺栓、双头螺栓、螺钉、紧定螺钉、螺母和垫圈等，这类零件已标准化，设计可根据有关标准选用。1.螺栓螺栓是工程上、日常生活中应用最为普遍、广泛的紧固件之一，其形状如图6-4所示。下一页返回上一页6.1螺纹螺栓的头部有各种不同形状，但是最常见的是六角头，为了满足工程上的不同需要，六角头又有标准六角头和小六角头。一般情况下使用标准六角头，在空间尺寸受到限制的地方使用小六角头螺栓。但是，小六角头螺栓的支承面积较小，如果用于经常拆卸的场合时，螺栓头的棱角也易于磨圆。2.双头螺检如图6-5所示。双头螺栓的两端都制有螺纹，两端的螺纹可以相同，也可以不同。其安装方式是一端旋入被连接件的螺纹孔中，另一端用来安装螺母。下一页返回上一页6.1螺纹3.螺钉螺钉的头部有各种形状，如图6-6所示。为了明确表示螺钉的特点，所以通常以其头部的形状来命名，如半圆头螺钉、圆柱头螺钉、沉头螺钉和内六角圆柱螺钉等。螺钉的承载力一般较小。但是要注意:在许多情况下，螺栓也可以用作螺钉。4.紧定螺打常用紧定螺钉如图6-7所示。紧定螺钉主要用于小载荷的情况下。例如，在传递圆周力为主的情况下，防止传动零件的轴向串动等。可以看出，紧定螺钉的工作面是在末端，所以对于重要的紧定螺钉需要淬火硬化后才能满足要求。下一页返回上一页6.1螺纹5.螺母螺母是和螺栓相配套的标准零件，其外形有六角形、圆形、方形及其他特殊的形状，如图6-8所示。其厚度有厚的、标准的和扁的，其中以标准的应用最广。下一页返回上一页6.1螺纹6.垫圈垫圈也是标准件，品种也最多，如图6-9所示。但是，应用最多、最常见的有平垫和弹簧垫两种。平垫的目的主要是为了增加支承面积，同时对支承面起保护作用。弹簧垫主要是用于防止螺母和其他紧固件的自动松脱。所以凡是有振动的地方又未采取其他防松措施时，原则上都应该加装弹簧垫。除了以上两类垫圈外，还有一些特殊的垫圈，如防斜垫圈、止动垫圈等。在需要的时候可查阅设计手册。下一页返回上一页6.1螺纹在选用标准紧固件时，应该视具体情况，对连接结构进行分析比较后合理选择。另外需要注意:螺纹紧固件一般分精制和粗制两种，在机械工业中主要选择使用精制螺纹。下一页返回上一页6.1螺纹6.1.4螺纹连接的基本类型根据所用紧固件和连接方式的不同，螺纹连接可以分为4种基本类型。下一页返回上一页6.1螺纹1.螺检连接图6-10所示为螺栓连接。其主要特点是被连接件上制有通孔，孔与螺栓杆之间可以留有间隙(普通螺栓连接)，也可以将螺栓杆上的没有螺纹部分作成与孔的过渡配合连接形式。普通螺栓连接:由于孔和杆之间留有间隙，可以补偿各孔之间的位置误差，且加工简单，装拆方便，所以得到广泛的应用。通孔的大小不能随意，应该根据装配精度查机械设计手册确定。下一页返回上一页6.1螺纹铰制孔螺栓连接:多采用基孔制过渡配合，如H7/m6、H7/n6等，螺杆与通孔加工精度高。由于孔与杆之间是过渡配合，具有定位作用，可以承受横向载荷，但是加工成本高。在选择螺栓时，需要考虑连接的结构尺寸进行。下一页返回上一页6.1螺纹2.双头螺检连接如图6-11所示，其主要特点为一个被连接件上制有螺纹孔，其他被连接件上则有通孔。这种连接主要用于被连接件较厚或受到空间位置尺寸限制，而又需要经常拆卸的情况下使用。这种连接拆卸时，只需要把螺母拧下即可，而螺柱留在原位，以免因多次拆卸使内螺纹损坏(磨损失效)。其螺柱的拧入深度的取值与被连接件的材料、螺柱的直径有关。下一页返回上一页6.1螺纹3.螺钉连接图6-12所示为典型的工程螺钉连接形式，其特点是:在一个被连接件上加工有螺纹孔，装配时螺钉直接拧入螺纹孔中，不需要螺母。这种连接主要用在空间位置受到限制，而且连接不需要经常拆卸的地方。比较上面3种连接方式可以看出，一般情况使用螺栓连接，在空间位置尺寸受到限制时，可以使用双头螺栓连接，也可以使用螺钉连接，其选择取决于拆卸的频繁程度。下一页返回上一页6.1螺纹4.紧定螺打连接如图6-13所示，这种连接主要用来固定被连接件的相对位置的。主要传递扭矩，为了防止轴向串动加设紧定螺钉。当然，也可以传递较小的力或扭矩。返回上一页6.2螺纹连接的预紧和防松6.2.1螺纹连接的预紧任何材料在受到外力作用时，都会产生或多或少的形变，螺栓也不例外。当连接螺栓承受外在拉力时，将会伸长。如果在初始时仅将螺母拧上使各个接合面贴合，那么在受到外力作用时，接合面之间将会产生间隙。所以为了防止这种情况的出现，在零件未受工作载荷前需要将螺母拧紧，使组成连接的所有零件都产生一定的弹性变形(螺栓伸长、被连接件压缩)，从而可以有效地保证连接的可靠。这样，各零件在承受工作载荷前就受到了力的作用，这种方式就称为预紧，这个预加的作用力就称为预紧力。下一页返回6.2螺纹连接的预紧和防松显然，预紧的目的就是:增强连接的紧密性、可靠性，防止受载后被连接件之间出现间隙或发生相对滑移。经验证明:选用较大的预紧力，对螺栓连接的可靠性及螺栓的疲劳强度都是有利的。但过大的预紧力会使紧固件在装配或偶尔过载时断裂。因此，对于重要的螺栓连接，在装配时需要控制预紧力。下一页返回上一页6.2螺纹连接的预紧和防松对于一般连接用的钢制螺栓，其连接预紧力Qp不超过其材料屈服极限σs的80%。可以按下面推荐的关系式确定:碳素钢螺栓:合金钢螺栓:式中A1——螺栓的危险剖面面积。预紧力的具体数值应该根据载荷性质、连接刚度(后面要讲)等具体的工作条件来确定。对于重要的螺栓连接，应在图纸上作为技术条件注明预紧力矩，以便在装配时保证精度要求。下一页返回上一页6.2螺纹连接的预紧和防松1.预紧力控制方法在装配时，预紧力是借助于测力矩扳手或定力矩扳手控制的，如图6-14、图6-15所示，通过控制拧紧力矩来间接保证预紧力的。预紧力矩由两部分组成:螺纹副的摩擦力矩Tl}螺母和钉头与支承面间的摩擦力矩T2。下一页返回上一页6.2螺纹连接的预紧和防松预紧力矩的计算公式为式中Qp——预紧力;λ——螺纹升角;ρv——螺旋副的当量摩擦角;D0,d0——支承面环形带的外径、内径;d2——螺纹中径;fc——支承面间的摩擦系数。下一页返回上一页6.2螺纹连接的预紧和防松对于d=10~64mm的常用粗牙普通钢制螺栓，上式可近似简化为对于只靠经验而不加严格控制预紧力的重要螺栓，如压力容器、输气、输油管道等连接螺栓，不宜采用小于M12~M16的紧固件。下一页返回上一页6.2螺纹连接的预紧和防松2.预紧应力预紧应力的计算应综合考虑QP产生的拉应力和摩擦力矩产生的剪应力，故对采用塑性钢材制造的普通紧固件，应该采用第四强度理论来计算其。也即可以将预紧力增加30%，以考虑扭转剪应力的影响。下一页返回上一页6.2螺纹连接的预紧和防松6.2.2螺纹连接的防松机械中连接的失效(松脱)，轻者会造成工作不正常，重者要引起严重事故。因此，螺纹连接的防松是工程工作中必须考虑的问题之一。下一页返回上一页6.2螺纹连接的预紧和防松一般来说，连接螺纹具有一定的自锁性，在静载荷条件下并不会自动松脱。但是，由于连接的工作条件是千变万化、各不相同的具体实际场合，都不可避免地存在冲击、振动、变载荷作用。在这些工况条件下，螺纹副之间的摩擦力会出现瞬时消失或减小的现象;同时在高温或温度变化比较大的场合，材料会发生蠕变和应力松弛，也会使摩擦力减小。在多次的作用下，就会造成连接的逐渐松脱。防松的本质:就是防止螺纹副的相对转动，也就是螺栓与螺母间的相对转动(内螺纹与外螺纹之间)。下一页返回上一页6.2螺纹连接的预紧和防松常用的防松方法有3种:摩擦防松、机械防松和永久防松。机械防松和摩擦防松称为可拆卸防松，而永久防松称为不可拆卸防松。常用的永久防松有点焊、铆接、黏合等。这种方法在拆卸时大多要破坏螺纹紧固件，无法重复使用。常见摩擦防松方法:利用垫片、自锁螺母及双螺母等。常见的机械防松方法:利用开口销、止动垫片及串