第16章 螺纹联结

第16章螺纹联结16.1螺纹的形成、类型和主要参数16.2螺纹副中的摩擦、效率和自锁16.3螺旋机构的类型、特点和应用16.4螺纹联接的基本类型及螺纹联接件16.5螺纹联接的预紧和防松16.6螺栓组的结构设计及提高螺栓联接强度的措施16.7螺栓的材料及许用应力16.8螺栓联接的强度计算实训16设计气缸用普通螺栓联接知识梳理与总结16.1螺纹的形成、类型和主要参数1、螺纹的形成、类型螺旋线形成如图所示，把底边等于πd2的直角三角形绕于直径为d2的圆柱上，并使底边与圆柱体的底边对齐，则它的斜边在圆柱体表面便形成一条螺旋线。螺纹形成取任一平面几何图形，使其一边靠在圆柱体的母线上并沿螺旋线移动，移动时保持平面几何图形通过圆柱体的轴线，便可得到相应的螺纹。按圆柱直立时螺旋线的绕行方向是向右上升还是向左上升，可分为左旋螺纹和右旋螺纹，常采用右旋；按螺纹牙型可分为三角形、矩形、梯形、锯齿形；螺纹的形成、类型和主要参数按圆柱上螺旋线的数目，可分为单线、双线和多线螺纹；60°普通螺纹α=60°β＝30°30°梯形螺纹α=30°β＝15°3°30°锯齿形螺纹α=33°β工＝3°β非＝30°矩形螺纹α=0°β＝0°螺纹类型按用途分联接螺纹(三角形)和传动螺纹(矩形、梯形、锯齿形)2、螺纹的主要参数大径d，小径d1，中经d2，螺距P，导程S与线数n(S=nP)，升角λ(tanλ=s/πd2=nP/πd2)，牙型角α、牙型斜角β。螺纹的形成、类型和主要参数→在轴向载荷下相对运动内螺纹外螺纹拧紧、加载、顶起重物相对运动→联接传动→螺旋副→将螺旋线沿中径展开→滑块(重物)在斜面运动（一）螺旋副中的摩擦16.2螺纹副中的摩擦、效率和自锁分析:1.当匀速上升:ρFaFtFnFRFfλFaFtFRλ+ρFR与Fn夹角→摩擦角ρ:tgρ＝f＝Ff/Ｆn∴ＦR与Ｆa夹角＝λ＋ρ→加载Ｆa(轴向力,自重,阻力)作用在螺旋副上的驱动力矩：2)(222dtgFdFTat∴Ｆt＝Ｆa·tan(λ＋ρ)→合反力FR∵(滑块)合力＝０→法向反力Fn(⊥斜面)→施加水平推力Ｆt→摩擦阻力:f·Fn=Ff矩形螺纹:(α=0°)螺纹副中的摩擦、效率和自锁→施加水平支持力Ｆt(匀速下滑)当Ｆt＝０→Ｆt＜０→自锁条件：滑块在斜面运动状态不变作用力Ｆ与假设力的方向相反→推力Ｆt≤０→λ≤ρ2)(222dtgFdFTatρFaFtFnFRFfλFaFtFRλ－ρ)(tgFFat→无论Ｆa多大，滑块不会自动下滑→自锁2.当匀速下降:螺纹副中的摩擦、效率和自锁→将ρ→ρv(当量摩擦角)tanρv＝f/cosβ=fv(当量摩擦系数)α(β)↑ρv↑→λ↑→匀速上升:Ｆt＝Ｆa·tan(λ＋ρv)匀速下降:Ｆt＝Fa·tan(λ－ρv)2)tan(222dFdFTvat2)tan(222dFdFTvat自锁条件：λ≤ρvαβ要自锁好→α(β)↑,λ↓(单头)自锁性↑自锁性↓非矩形螺纹螺纹副中的摩擦、效率和自锁)tan(tanv要效率高→max2/45v过大，制造困难25max/\ρv－当量摩擦角,λ－升角η＝有效功／输入功＝Ｆa·Ｓ/（2πT）要自锁好→λ↓(单线);要效率高→λ↑(多线)λ↑,ρv↓当匀速上升:(二）螺旋副的效率:螺纹副中的摩擦、效率和自锁联接(可靠)→要自锁传动→效率高1.三角形／普通螺纹(M)螺纹(联接)＼管螺纹→α＝60°、55°→紧密梯形螺纹Tr→α＝30°,β＝15°锯齿形螺纹S→β工＝3°,β非＝30°矩形螺纹→α＝０°→α小、λ大→多线螺旋副ρv↑→α↑λ↓→单线ｎ=1ρv↓→α↓λ↑→多线ｎ＞１→α＝60°,β=30°2.传动螺纹→效率高→紧固→联接(单线、α大)(粗,细)螺纹副中的摩擦、效率和自锁一、螺旋机构的工作原理及类型通常它是将旋转运动转换为直线运动。但当导程角大于当量摩擦角时，它还可以将直线运动转换为旋转运动。按螺旋副中的摩擦性质，螺旋机构分为滑动螺旋机构和滚动螺旋机构。螺旋机构是利用螺旋副传递运动和动力的机构，由螺杆、螺母和机架组成。16.3螺旋机构的类型、特点和应用当螺杆转过φ时，螺母沿其轴向移动的距离为L＇=sφ/(2π)其中s为螺旋的导程mm。（1）微动螺旋机构设螺旋机构中A、B段的螺旋导程分别为SA、SB,且两端螺旋的旋向相同（即同为左旋或右旋），则，当螺杆1转过φ时，螺母2的位移L为螺杆螺母A段螺纹B段螺纹机架123L＝(SA－SB)φ/(2π）因SA、SB相差很小时，位移L可能很小，故这种螺旋机构称为微动螺旋机构或差动螺旋机构。（一）滑动螺旋机构螺旋机构的类型、特点和应用如用于调节镗刀进刀量的螺旋机构。微动螺旋机构常用测微计、分度机构及调节机构中。（2）复式螺旋机构如果螺旋机构的两段螺旋导程分别为SA、SB，且两端螺旋的旋向相反。这种螺旋机构称为复式螺旋机构。L＝(SA＋SB)φ/(2π）此种螺旋机构常用于车辆的连接。123AB螺旋机构的类型、特点和应用（二）滚动螺旋机构在螺杆和螺母间设有封闭循环的滚道，在滚道间填充钢珠，使螺旋副的滑动摩擦变为滚动摩擦，提高传动效率，这种传动称为螺旋传动，又称为滚珠丝杠副。按循环方式分为内循环滚珠丝杠外循环滚珠丝杠螺旋机构的类型、特点和应用二、螺旋机构的特点和应用效率较低，特别是具有自锁性的螺旋机构效率低于50％。能获得很多的减速比和力的增益；选择合适的螺旋机构导程角，可获得机构的自锁性。主要优点：主要缺点：因此，螺旋机构常用于起重机、压力机以及功率不大的进给系统和微调装置中。螺旋机构16.4螺纹联接的基本类型及螺纹联接件一、螺纹联接的基本类型和应用螺纹联接是利用带有螺纹的零件将两个或两个以上的零件相对固定起来的可拆联接，应用非常广泛。普通螺栓联接螺栓孔与螺栓杆之间留有间隙，孔的加工精度要求低，结构简单，装拆方便，应用最广。工作时螺栓主要承受拉力作用。螺栓孔与螺栓杆之间采用过渡配合，能精确固定被联接件之间的相对位置，但孔的加工精度要求高，必须进行铰削。工作时螺栓承受剪切和挤压作用。铰制孔螺栓联接螺纹联接及螺纹联接零件双头螺柱联接螺钉联接与螺柱联接相似，但不用螺母，螺钉直接拧入被联接件的螺纹孔中，结构简单紧凑。宜用于受力不大，不经常拆卸的场合，以免螺纹孔磨损。被联接件之一为光孔，另一为螺纹孔，螺柱座端紧定在螺纹孔中，拆卸时其无须退出。宜用在不便于采用螺栓联接，且需要经常拆卸的场合。紧定螺钉联接利用螺钉末端顶住另一零件的表面或凹坑，以固定两零件的相对位置，并可传递不大的力或力矩。螺纹联接及螺纹联接零件螺纹联接及螺纹联接零件二、螺纹联接零件六角头螺栓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。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。螺纹联接及螺纹联接零件螺钉头部形状有圆头、扁圆头、六角头、圆柱头和沉头等，起子槽有一字槽、十字槽、内六角槽等形式。螺纹联接及螺纹联接零件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。螺纹联接及螺纹联接零件六角螺母根据螺母厚度的不同，分为标准螺母和薄螺母两种。薄螺母常用于受剪力的螺栓上或空间尺寸受限制的场合。螺母的制造精度和螺栓相同，分为A、B、C三级，分别与同级别的螺栓配用。sm螺纹联接及螺纹联接零件圆螺母圆螺母常与止动垫圈配用，装配时将垫圈内舌插入轴上的槽内，而将垫圈的外舌嵌入圆螺母的槽内，螺母即被锁紧。常用来固定滚动轴承的轴向位置。螺纹联接及螺纹联接零件垫圈放置在螺母与被联接件之间，起保护支承表面等作用。平垫圈按精度不同，可分为A级和C级两种。用于同一螺纹直径的垫圈又分为特大、普通和小型四种规格，特大垫圈主要用在铁木结构上。斜垫圈只用在倾斜的支承面上。16.5螺纹联接的预紧和防松一、螺纹联接的预紧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。螺纹联接的预紧和防松如图所示，螺纹联接预紧时，被联接件受压，螺栓受拉，预紧力同为F0。拧紧螺母的力矩M等于螺旋副间的摩擦力矩M1和螺母与支承面间的摩擦力矩M2之和，对于M10~M68的普通螺纹，简化后有如下关系dFMMM0212.0生产中，一般采用测力矩扳手或定力矩扳手控制预紧力的大小，需要精确控制预紧力时，则采用测量螺栓拉伸变形的方法。对于不控制预紧力的重要螺栓联接，宜大于M12~M16mm，以免装配时拧断。M二、螺纹联接的防松螺纹联接的预紧和防松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。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。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。防松方法螺纹联接的预紧和防松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。螺纹联接的预紧和防松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。螺纹联接的预紧和防松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。螺纹联接的预紧和防松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。螺纹联接的预紧和防松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。16.6螺栓组的结构设计及提高螺栓联接强度的措施1)对通用机械，螺栓数目、螺栓直径及螺栓的布置形式，一般参照现有设计类比确定。大多数情况下螺栓联接都是成组使用的。螺栓组结构设计的主要问题是根据联接用途及被联接件的结构确定螺栓的数目和布置形式。2)螺栓的布置应对称、均匀，以使结合面受