《机械设计基础》第九章 螺纹联接和螺旋传动

机械设计基础《机械设计基础》机械设计基础第九章螺纹联接和螺旋传动螺纹联接是利用带有螺纹的零件构成的可拆联接，它的功用是把两个或两个以上的零件联接在一起，这种联接形式结构简单，拆装方便，互换性好，工作可靠，形式灵活多样，可反复拆装而不必破坏任何零件。螺纹联接多为标准件，它由专业厂成批生产，成本低廉，因而应用广泛。螺旋传动是一种常见的传动形式，旋转运动转变为直线运动的方式之一是螺旋传动，是空间机构，它与螺纹联接的用途不同，但在受力和几何关系方面有很多相似之处，也是利用螺纹来实现传动。机械设计基础9.1螺纹的类型和主要参数9.1.1螺纹的类型及应用按照螺纹分布的表面不同，可分为外螺纹和内螺纹。按照用途不同，可分为联接螺纹和传动螺纹。按照螺旋线旋绕方向的不同，可分为左旋螺纹和右旋螺纹。常用右旋螺纹。按照螺旋线数目的不同，可分为单线、双线和多线螺纹。按照尺寸单位不同，可分为米制和英制（螺距以每英寸牙数表示）两类。我国除了将管螺纹保留英制外，其余都采用米制螺纹。按照螺纹的截面形状不同，可分为三角形螺纹、管螺纹、矩形螺纹、梯形螺纹和锯齿形螺纹。前两种主要用于联接，后三种主要用于传动。其中除了矩形螺纹外，都已标准化。机械设计基础9.1.2螺纹的主要参数1）外径（大径）d（D）——与外螺纹牙顶相重合的假想圆柱面直径，亦称公称直径2）内径（小径）d1(D1)——与外螺纹牙底相重合的假想圆柱面直径（危险剖面直径）3）中径d2——在轴向剖面内牙厚与牙间宽相等处的假想圆柱面的直径，d2≈0.5(d+d1)机械设计基础4）螺距P——相邻两牙在中径圆柱面的母线上对应两点间的轴向距离5）导程（S）——同一螺旋线上相邻两牙在中径圆柱面母线上的对应两点间的轴向距离6）线数n——螺纹螺旋线数目，一般为便于制造n≤4螺距、导程、线数之间关系：S=nP机械设计基础7）螺旋升角λ——中径圆柱面上螺旋线的切线与垂直于螺旋线轴线的平面的夹角，不同直径处，螺纹升角不同，通常按螺纹中径处计算。8）牙型角α——螺纹轴向平面内螺纹牙型两侧边的夹角22tanSnpdd＝＝机械设计基础9.2螺旋副的受力分析、自锁和效率螺纹联接与螺旋传动都要借助外螺纹和内螺纹组成螺旋副。螺旋副按牙型不同可分为牙型角α=0（矩形螺纹）和牙型角α≠0两大类。9.2.1牙型角等于零的螺纹（矩形螺纹）螺旋副是由外螺纹（螺杆）和内螺纹组成的运动副，经过简化可以看作推动滑块（重物）沿螺纹表面运动（如图所示）将矩形螺纹沿中径d2处展开得一倾斜角为λ（即螺纹升角）的斜面，斜面上的滑块代表螺母，螺母和螺杆的相对运动可以看作滑块在斜面上的运动。（a）螺母螺旋上升（b）上升的力矢量三角形（c）螺母螺旋下降（d）下降的力矢量三角形机械设计基础1．旋紧滑块在斜面上等速上升时tan()FQ＝＋当量摩擦角arctanf2、松退滑块沿斜面等速下降时，摩擦力向上tan()FQ＝－由公式可知，若，说明此时无论轴向载荷有多大，滑块（即螺母）都不能沿斜面运动，这种现象称为自锁。≤螺旋副的效率2212tanWStanW2Ttan(tan()QdQQd＝＝＝＝＋）＋机械设计基础9.2.2牙型角不等于零的螺纹（非矩形）螺纹牙型角不等于零的螺母和螺杆相对转动时，相当于一楔形滑块沿楔形斜面移动，如图所示。1．旋紧tan()FQ＝＋2．松退tan()FQ＇＝3.自锁≤螺旋副的效率tantan()＝＋机械设计基础9.3螺纹联接的基本类型和螺纹联接件9.3.1螺纹联接的基本类型机械设计基础1．螺栓9.3.2螺纹联接件普通六角头螺栓的种类很多，应用最广。精度分为A、B、C三级，通用机械中多用C级。螺杆部可制出一段螺纹或全螺纹，螺纹有粗牙和细牙之分，常用粗牙。2．双头螺柱两端均制有螺纹，两端螺纹可以相同或不同，有A型（带腰杆）、B型（带退刀槽）两种结构型式。机械设计基础3．螺母螺母是带有内螺纹的联接件。螺母按形状分为六角螺母、方螺母（很少用）和圆螺母。六角螺母应用最广泛，按其厚薄又分为：标准六角螺母，用于一般场合；扁螺母，用于轴向尺寸受限制的场合；厚螺母，用于经常拆装易于磨损处。圆螺母用于轴上零件的轴向固定。机械设计基础4．紧定螺钉末端形状有锥端、平端和圆柱端等形式。锥端适用于被紧定零件的表面硬度较低或不经常拆卸的场合；平端接触面积大，不伤零件表面，常用于顶紧硬度较大的平面或经常拆卸的场合；圆柱端压入轴上的凹坑中，适用于紧定空心轴上的零件位置。机械设计基础5．垫圈垫圈是中间有孔的薄板状零件，是螺纹联接中不可缺少的附件。当被联接件表面不够平整时采用平垫圈，可以起垫平接触面的作用；弹簧垫圈还兼有防松的作用；当螺栓轴线与被联接件的接触面不垂直时需要用斜垫圈，以防止螺栓承受附加弯矩。（a）平垫圈；（b）弹簧垫圈；（c）斜垫圈机械设计基础9.4螺纹联接设计应注意的几个基本问题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，这个预加的作用力称为预紧力，这一拧紧过程称为预紧。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。预紧和预紧力预紧的目的预紧力的控制预紧力的大小要适度，太小起不到预紧的作用，太大可能使螺栓过载断裂。对于重要的螺纹联接，装配时必须控制其预紧力的大小。预紧力与拧紧力矩成正比，一般可通过控制拧紧力矩来间接控制预紧力。9.4.1螺纹联接的预紧机械设计基础1．控制拧紧力矩①凭工人经验控制扳手力矩②用测力矩扳手或定力矩扳手来控制力矩机械设计基础2．控制螺栓伸长量拧紧力矩由于受摩擦因数不符实际等影响可能计算不准确，影响预紧力的准确性。较准确地控制预紧力的方法是用测量拧紧时螺栓伸长量来控制预紧力。伸长量与预紧力的关系见材料力学。9.4.2螺纹联接的防松螺纹联接具有自锁性螺纹联接通常采用三角形螺纹，其升角λ(1.5°~3.5°)小于当量摩擦角ρv(5°~6°)，满足自锁条件，一般情况下不会自行松脱。机械设计基础重要的螺纹联接均应采取防松措施。防松的根本问题是防止螺旋副的相对转动。按防松原理不同，防松方法可分为摩擦防松和机械防松等。防松方法松脱的原因在冲击、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。机械设计基础弹簧垫圈防松原理：螺母拧紧后，靠垫圈压平而产生的反弹力使旋合螺纹间压紧。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。特点：结构简单，使用方便，但在振动冲击载荷作用下，防松效果较差，用于一般的联接。弹性带齿垫圈防松原理：与弹簧垫圈相似。特点：分外齿和内齿，无开口，弹力均匀，比弹簧垫圈防松效果好。但它不宜用于经常装拆或材料较软的被联接件。机械设计基础对顶螺母防松原理：两螺母对顶拧紧后，使旋合螺纹间始终受到附加的压力和摩擦力的作用。特点：结构简单，防松效果好，适用于低速、平稳和重载的固定装置的联接。尼龙圈锁紧螺母防松原理：螺母中嵌有尼龙圈，装配后尼龙圈内孔被胀大，箍紧螺栓。特点：尼龙弹性好，与螺纹牙接触紧密，摩擦大。但不宜用于频繁装拆和高温场合。机械设计基础槽形螺母加开口销防松原理：开槽螺母拧紧后，将开口销穿入螺栓尾部小孔和螺母的槽内，并将开口销尾部掰开与螺母侧面贴紧。特点：适用于有较大冲击、振动的高速机械中运动部件的联接。圆螺母加带翅垫片防松原理：使垫片内翅嵌入螺栓（轴）的槽内，拧紧螺母后将垫片的外翅之一折弯嵌入螺母的一个槽内。特点：圆螺母为细牙螺纹，防松可靠，主要用于滚动轴承内圈与轴的固定。机械设计基础止动垫片防松原理：螺钉拧紧后，将双耳止动垫圈分别向螺母和被联接件的侧面折弯贴紧，即可将螺钉琐住。特点：结构简单，使用方便，防松可靠。串联钢丝防松原理：用钢丝穿入各螺钉头部的孔内，将各螺钉串联起来，使其相互制动。但需注意钢丝的穿入方向。特点：适用于螺钉组联接，拆卸不便。机械设计基础冲点防松原理：拧紧螺母后，在内外螺纹的旋合缝隙处用冲头冲几个点，使其发生塑性变形，防止螺母退出。特点：属破坏性防松，不能重复装拆，用于一次性联接。胶接防松原理：用粘合剂涂于螺纹旋合表面，拧紧螺母后粘合剂能自行固化，起到防松效果。机械设计基础9.4.3螺栓组联接结构设计注意事项螺栓组联接结构设计的主要目的是合理地确定联接结合面的几何形状和螺栓的布置形式，力求各螺栓和联接接合面间受力均匀、便于加工和装配。为此，应综合考虑以下几个力面的问题：1)螺栓的布置应对称、均匀，以使结合面受力均匀，加工方便。为此，结合面常采用简单的轴对称的几何形状。机械设计基础2）螺栓的布置应使各螺栓受力合理。对于配合螺栓联接，不要在平行于工作载荷方向上成排地布置8个以上的螺栓，以免载荷分布过度不均。为了减小螺栓承受的载荷，对承受旋转力矩和翻转力矩作用的螺栓组，应将螺栓适当靠近结合面的边缘布置。右图中3、8螺栓的作用不大，可去掉。机械设计基础3）螺栓之间、螺栓与机体壁之间应有合理的距离，以满足加工和装拆要求。扳手空间尺寸可查手册确定。机械设计基础4）分布在同一圆周上的螺栓数目，应取成3、4、6、8、12等易于分度的数目，以利划线和钻孔。MPa工作压力1.6≤1.6~44~1010~1616~2020~300mmt7d4.5d4.5d4d3.5d3d5）应保证联接安装的可能性及拆卸方便。（a）无法装配；（b）难以装配；（c）容易装配机械设计基础6）避免螺栓承受偏心载荷。（a）（b）（a）（b）图9-19尽量不用的螺栓联接结构图9-20凸台与沉头座的应用（a）不合理的螺栓头结构；（b）不合理的被连接件（a）凸台；（b）沉头座机械设计基础9.5螺栓联接的强度计算9.5.1普通螺栓联接的强度计算2．紧螺栓联接联接的强度计算松螺栓联接在装配时不需拧紧螺母，所以只有在承受工作载荷时螺栓才受到拉力的作用。在图示可转向吊挂滑轮螺纹联接中，为了保证吊挂滑轮在工作中能相对机架自由转动，螺母不能拧紧，故其为松螺栓联接。松螺栓联接的强度条件为Fa—工作拉力（N）；d1—螺栓小径（mm）；[σ]—螺栓材料的许用拉应力（MPa）。或机械设计基础2．紧螺栓联接联接的强度计算（1）受横向工作载荷的紧螺栓联接强度条件为F‘—螺栓所受的轴向预紧力（N）；d1—螺栓小径（mm）；[σ]—螺栓材料的许用拉应力（MPa）。或机械设计基础（2）受轴向工作载荷的紧螺栓联接Q121.34eFd＝≤Q15.2Fd≥或强度条件为机械设计基础9.5.2铰制孔用螺栓联接的强度计算铰制孔用螺栓联接的失效形式一般为螺栓杆被剪断，螺栓杆或孔壁被压溃。因此，铰制孔用螺栓联接须进行剪切强度和挤压强度计算。螺栓杆的剪切强度条件为24SSFd＝≤minSSppFdh＝≤机械设计基础9.6螺旋传动螺旋传动主要由螺杆与螺母组成，主要用来把旋转运动转变为直线运动，同时传递运动和动力。螺旋传动平稳，易获得较高的运动精度，有良好的减速性能，用较小的转矩就可以获得很大的轴向推力，且可以具有自锁性。螺旋传动应用广泛，且类型多样。9.6.1螺旋传动的运动形式1．螺母固定端不动，螺杆转动并往复移动2．螺杆转动，螺母做直线运动3．螺母旋转并沿直线移动，螺杆固定不动4．螺母转动，螺杆直线移动机械设计基础机械设计基础9.6.2螺旋传动的类型和应用（1）传力螺旋如千斤顶（3）调整螺旋如张紧装置（2）传导螺旋如机床丝杠1．按其用途不同可为以下三种类型机械设计基础2．按螺纹副的摩擦性质分为三类（1）滑动螺旋（滑动摩擦）（2）滚动螺旋（滚动摩擦）（3）静压螺旋（流体摩擦）9.6.3滚动螺旋传动简介用滚动体在螺纹工作面间实现滚动摩擦的螺旋传动，又称滚珠丝杠传动。滚动体通常为滚珠，也有用滚子的。滚动螺旋传动的摩擦系数、效率、磨损、寿命、抗爬行性能、传动精度和轴向刚度等虽比静压螺旋传动稍差，但远比滑动螺旋传动为好。滚动螺旋传动的效率一般在90%以上。它不自锁，具有传动的可逆性；但结构复杂，制造精度要求高，抗冲击性能差。它已广泛地应用于机床、