螺纹联接与螺纹传动

第一节螺纹联接与螺纹传动1.1螺纹联接的基本知识为使机器制造、安装、调整、维修和运输、减重、省料、降成本、提高效率等等必须采用各种方式联接成整体，才能实现上述要求。因此一个出色的设计者应了解联接的种类、特点和应用，熟悉联接设计的准则。掌握好设计的方法。联接——近代机械设计（机器设计）中最感兴趣的课题之一，也是近一些年来，发明创造最多的。在通用机械中，联接件占总零件数的20~50%。如Boeng’s747中有250万个紧固联接件联接：静联接——被联接件间不充许产生相对运动①不可折联接：铆、焊、介于可折不可折之间，胶（粘）接等②可折联接：螺纹、键、花键、销、成型而联接等动联接——被联接零件间可产生相对运动——各种运动副联接1.1.1螺纹的类型1.螺纹按牙型分类：三角形（普通螺纹）、管螺纹—联接螺纹。矩形螺纹，梯形螺纹，锯齿形螺纹—传动螺纹。三角形螺纹：粗牙螺纹—用于联接。细牙螺纹—自锁性好，适于薄壁细小零件和冲击变载等。2.螺纹按位置分类：内螺纹—在圆柱孔的内表面形成的螺纹外螺纹—在圆柱孔的外表面形成的螺纹根据螺旋线绕行方向分类：左旋、右旋根据螺旋线头数分类：单头螺纹（n=1）—用于联接双头螺纹（n=2）多线螺纹（n≥2）—用于传动1.1.2螺纹的主要参数如图3-1所示：图3-11）外径d（大径）（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，在强度计算中作危险剖面的计算直径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，近似等于螺纹的平均直径d2≈0.5(d+d1)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的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：L=nP7）螺旋升角ψ——在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。22/dnParctgdarctgL8）牙型角α——螺纹轴向平面内螺纹牙型两侧边的夹角。如图3-2所示。9）牙型斜角β——螺纹牙型的侧边与螺纹轴线的垂直平面的夹角。对称牙型2各种螺纹（除矩形螺纹）的主要几何尺寸可查阅有关标准——公称尺寸为螺纹外径对管螺纹近似等于管子的内径。图3-21.1.3常用螺纹的特点及应用如图所示，螺纹按其牙型角可分为三角螺纹，梯形螺纹和锯齿形螺纹。三角螺纹主要用于联接；矩形、梯形和锯齿形螺纹主要用于传动。用于联接的三角螺纹又有普通螺纹，英制螺纹以及用于管路系统联接的圆柱螺纹，即管螺纹。在上述各种螺纹中，除矩形螺纹外，均已标准化。普通螺纹的螺距和基本尺寸见表。常用螺纹的比较（管螺纹除外类似于三角形）名称三角梯形锯齿矩形结构特点牙型角α牙型倾角β正三角形α=60°β=30°等腰梯形α=30°β=15°不等腰梯形α=30°β=3°正方形α=0°β=0°当量摩擦系数-fv当量摩擦角-ψv传动效率ηFv=f/cosβ=1.155ffv=1.035ffv=1.001ffv=f5361fvtgv555cos1ftgv745v自锁性牙根强度工艺性能一般应用)(vtgtg（在螺纹升角ψ相同的条件下）条件v当（p、d、tv材料相同的条件下）t0——旋合长度即可车又可铣只能车不能铣联接传动传动传动特点（优缺点及结构性能）由P分：粗牙Md—用于紧固件细牙Mdxp—d同而d小，因而ψP↓，自锁性↑，适于薄壁细小零件、冲击、变载等场合联接可靠、防震性好，适于重要的动力传动，要求精密强度高等，适于双向传动，如车库丝扭、双面工作。用部分螺母可调间隙，应用广泛。性能介于梯形与矩形之间，适于单向传动，单面工作（3°）应用千斤顶等特适于高效、轻载传动如高低机、方向机等，但强度低、精度差、磨损后有间隙，加工艺性差，为便于铣磨，现已改用α=10°,β=5°自行设计：p=1/4d,d=5/4d1h=1/8d11.1.4螺纹联接的基本类型合理选择螺纹联接需要了解螺纹联接类型的特点及应用场合。正确选用联接类型,熟悉常用连接件的有关国家标准是设计螺纹联接所必须掌握的基本知识。螺纹联接是由带螺纹的零件，即螺纹紧固件和被联接件组成。常用联接的基本类型：螺栓联接、双头螺柱联接、螺钉联接、紧定螺钉联接。（a）螺栓联接(b)双头螺柱联接(c)螺钉联接(d)紧定螺钉联1.1.5螺纹联接的预紧与防松一、螺纹联接的预紧螺纹联接松联接—在装配时不拧紧，受外载时才受到力的作用。紧联接—在装配时需拧紧，即在承载时，已预先受预紧力F0。预紧目的:保持正常工作。T≈0.2F0d预紧力的控制:测力矩板手—测出预紧力矩。定力矩板手—达到固定的拧紧力矩时，弹簧受压将自动打滑。测量—测量预紧前后螺栓伸长量S。二、螺纹联接的防松螺纹联接的防松件螺纹联接多采用单线普通螺纹，其导程角为1.50---3.50，当量摩擦角60---90，一般都具有自锁性；在静载荷和工作环境温度变化不大的情况下不会自动松脱。但在振动、冲击、变载荷或温度变化很大时，联接就有可能松脱。为保证联接安全可靠，设计时必须考虑放松问题。1．防松目的：防止因外载荷的变化、材料蠕变等因素造成螺纹联接松驰，从而使联接失效。2．防松原理：消除或限制螺纹副之间的相对运动。3．防松办法及措施摩擦防松：双螺母、弹簧垫圈、尼龙垫圈、自锁螺母等。机械防松：开槽螺母与开口销、圆螺母与止动垫圈、弹簧垫片、轴用带翅垫片、止动垫片、串联钢丝等。永久防松：端铆、冲点（破坏螺纹）、点焊、粘合。三、提高螺栓联接强度的措施这部分内容是针对重要的、大型螺栓联接的。影响螺栓联接强度的因素很多如材料、结构尺寸、制造精度，装配工艺。但主要取决于螺栓强度。下面从四方面分析影响螺栓强度的因素，找出提高螺栓联接强度的措施.（一）改善螺纹牙间载荷分布1.螺纹牙受力不均现象螺纹牙间载荷分配关系，通过减少螺栓、螺母的螺距变化差,可改善这种载荷分布不均现象。2.具体措施：尽可能将螺母制成受拉伸的结构,如悬置螺母、环槽螺母、内斜螺母等。上述为均载螺母，加工复杂，只适用于重要或大型联接处。（二）降低总拉力F0变化范围a.采用柔性螺栓b.在螺母下装弹性元件（2)增大被联接件刚度K2(如上图)（三）采用刚性较大垫片（如下图）a.金属垫片b.密封环（四）减小应力集中螺栓上的螺纹(特别是螺纹的收尾)螺栓头和螺栓杆的过渡处以及螺栓横剖面积发生变化的部位等，都要产生应力集中。常用方法：增大过渡圆角，加卸载槽；辗压代切削螺纹，可提高疲劳强度30%。四、避免或减小附加应力若被联接件刚性差、螺母支承面歪斜，装配不良或采用钩头螺钉都会使螺栓受偏心载荷，产生附加弯曲应力，严重降低了螺栓的疲劳强度。改善措施：1)避免采用钩头螺栓；2)采用球面垫圈,腰环螺栓；3)锻、铸件等支承面制成凸台或沉头座。(见下图)五、采用合理的制造工艺1．用高强度钢作螺栓材料，提高F，虽应力集中敏感，但可提高联接强度的效果；2.制造工艺对螺栓疲劳强度有重要影响。采用辗制螺纹时，由于冷作硬化的作用，表层有残余压力，金属流线合理，螺栓疲劳强度可较车制螺纹高30~40%；热处理后再滚压的效果更好；3.进行氮化，碳氮共渗、喷丸等措施提高疲劳强度。1.1.6螺旋传动基本知识一、螺旋传动螺旋传动是利用螺杆和螺母组成的螺旋副来实现传动要求的。它主要用于将回转运动转变为直线运动，同时传递运动和动力。（一）螺旋传动的运动形式根据螺杆和螺母的相对运动关系，螺旋传动的常用运动形式主要有以下两种：螺杆转动，螺母移动2）螺杆转动，螺母移动（二）螺旋传动的类型螺旋传动按其用途不同，可分为以下三种类型：1）传力螺旋它以传递动力为主，要求以较小的转矩产生较大的轴向推力，用以克服工件阻力，如各种起重或加压装置的螺旋。这种传力螺旋主要是承受很大的轴向力，一般为间歇性工作，每次的工作时间较短，工作速度也不高，通常具有自锁能力；2）传导螺旋它以传递运动为主，有时也承受较大的轴向力，如机床进给机构的螺旋等。传导螺旋常需在较长的时间内连续工作，工作速度较高，要求具有较高的传动精度；3）调整螺旋它用以调整、固定零件的相对位置，如机床、仪器及测试装置中的微调机构螺旋。调整螺旋不经常转动，一般在空载下调整。按其螺旋副摩擦性质的不同，又可分为以下三种类型：1）滑动螺旋滑动螺旋结构简单，便于制造，易于自锁，应用范围较广。但主要缺点是摩擦阻力大，传动效率低（一般为30%~40%)，磨损快，传动精度低。2）滚动螺旋滚动螺旋传动具有传动效率高、启动力矩小、传动灵敏平稳、工作寿命长等优点，故目前在机床、汽车、航空、航天及武器等制造业中应用颇广。缺点是制造工艺比较复杂，特别是长螺杆更难保证热处理及磨削工艺质量，刚性和抗振性能较差。3）静压螺旋为了降低螺旋传动的摩擦，提高传动效率，并增强螺旋传动的刚性和抗振性能，可以将静压原理应用于螺旋传动中，制成静压螺旋。（三）、滑动螺旋的结构和材料滑动螺旋的结构主要是指螺杆、螺母的固定和支承的结构形式。螺旋传动的工作刚度与精度等和支承结构有直接关系，当螺杆短而粗且垂直布置时，如起重及加压装置的传力螺旋，可以利用螺母本身作为支承。当螺杆细长且水平布置时，如机床的传导螺旋（丝杠）等，应在螺杆两端或中间附加支承，以提高螺杆工作刚度。螺杆的支承结构与轴的支承结构基本相同。螺母的结构有整体螺母、组合螺母和剖分螺母等形式。整体螺母结构简单，但由磨损而产生的轴向间隙不能补偿，只适合在精度要求较低的螺旋中使用。对于经常双向传动的传导螺旋，为了消除轴向间隙和补偿旋合螺纹的磨损，常采用组合螺母或剖分螺母。组合螺母螺旋起重器螺杆的材料要有足够的强度和耐磨性。螺母的材料除了要有足够的强度外，还要求在与螺杆材料相配合时摩擦系数小和耐磨。螺旋传动常用的材料见下表。