第七章螺栓连接与螺旋传动

第7章螺纹联接与螺旋传动【教学要求】掌握螺纹联接的类型、预紧和防松、螺栓组联接的设计计算，并能根据已知条件合理地选用螺栓联接。

【教学的重点与难点】重点：单个螺栓联接的设计计算难点：螺栓组联接的设计计算【教学内容】7.1螺纹联接的基本知识7.2螺纹联接的预紧与防松7.3单个螺栓联接的强度计算7.4螺栓组联接的结构设计7.5滑动螺旋传动简介7.6滚动螺旋传动简介【学习内容】为了便于机器的制造、安装、维护和运输，在机器和设备的各零、部件间广泛采用各种联接。

联接分为可拆联接和不可拆联接两类。

不损坏联接中的任一零件就可将被联接件拆开的联接称为可拆联接，这类联接经多次装拆无损于使用性能，如螺纹联接、键联接和销联接等。

不可拆联接是指至少必须毁坏联接中的某一部分才能拆开的联接，如焊接、铆接和粘接等。

螺纹联接和螺旋传动都是利用具有螺纹的零件进行工作的，前者把需要相对固定在一起的零件用螺纹零件联接起来，作为紧固联接件用，这种联接称为螺纹联接；后者利用螺纹零件实现把回转运动变为直线运动的传动，称为螺旋传动，则作为传动件用。

本章主要讨论螺纹联接的结构、计算和设计，重点介绍单个螺栓联接的强度计算。

螺纹联接是可拆联接，结构简单、拆卸方便、联接可靠，且多数螺纹联接件已标准化、生产效率高、成本低廉，因而得到广泛采用。

7.1 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、省科、降成、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’s 747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7.1.1 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7.1.2 螺纹的主要参数1）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/d nP arctgd arctgL ππψ==8）牙型角α——螺纹轴向平面内螺纹牙型两侧边的夹角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2αβ=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7.1.3 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剖面形状结构特点牙型角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 Fv=f/cosβ=1.155f fv=1.035f fv=1.001f fv=f5361'︒==-fvtgvϕ555cos1'︒==-βϕftgv745'︒=vϕ错误！链接无效。

7.1.4 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7.1.5标准螺纹联接件7.2螺纹联接的预紧与防松7.2.1 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。

7.2.2 螺纹联接的防松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。

7.3单个螺栓联接的强度计算在设计螺纹联接时，首先应由强度计算来确定螺栓直径，然后按标准选用螺栓及其对应的螺母、垫圈等联接件。

在螺纹联接中，螺栓或螺钉多数是成组使用的，计算时应根据联接所受的载荷和结构的布置情况进行力分析，找出螺栓组中受力最大的螺栓，把螺栓组的强度计算问题简化为受力最大的单个螺栓的强度计算。

7.3.1 受拉螺栓联接 1.松螺栓联接这种联接在承受工作载荷以前螺栓不旋紧，即不受力。

如图所示的起重吊钩尾部的松螺栓联接。

如吊钩螺栓，工作前不拧紧，无QP ，只有工作载荷F 起拉伸作用，防断。

强度条件为： ][421σπσ≤=d FMPa ——验算用设计公式为： ][41σπFd ≥（mm ） （设计用）→定公称直径d式中：d1——螺杆危险截面直径（mm ）[σ]——许用拉应力 N/mm2 (MPa)nS /][σσ=S σ——材料屈服极限Mpa n ——安全系数，表7-92. 紧螺栓联接⑴只受预紧力的紧螺栓联接工作前有预紧力QP工作前拧紧，在拧紧力矩T 作用下： 工作前拧紧，在拧紧力矩T 作用下：预紧力Q P →产生拉伸应力σ 复合应力状态ca σ 螺纹摩擦力矩T 1→产生剪应力τ接第四强度理论：στσσ3.1322≈+=ca ∴强度条件为：][43.121σπσ≤=d Q Pca式中：Q P ——预紧力（N ）T 1——螺纹摩擦力矩，起扭剪作用，又称螺纹扭矩，N.mm 1.3——系数将外载荷提高30%，以考虑螺纹力矩对螺栓联接强度的影响，这样把拉扭的复合应力状态简化为纯拉伸来处理，大大简化了计算手续，故又称简化计算法。

注意：Q P、（T1与Q P有关）的确定？与联接方式和载荷类型有关。

（2）受横向外载荷FR 的紧螺栓联接如图所示的螺栓联接中，螺栓杆与孔之间留有间隙。

螺栓预紧后，被联接件之间相应的产生正压力，横向载荷由接触面之间的摩擦力来承受。

显然，联接的正常工作条件是被联接件之间不发生相对滑移，即螺栓预紧后，接触面的最大静摩擦力不小于横向载荷。

fF0m = K f F R F0 = K f F R/fm由此式求出F0,并将F0=F代入公式即可。

式中：F0----螺栓预紧力（N);F R------单个螺栓所承受的横向载荷（N);K f------可靠性系数，通常取K f=1.1--1.3;f------接合面摩擦系数,对于铸铁与钢的接合面取f=0.15--0.2,对于钢与钢接合面f=0.1--0.15;m------摩擦面数。

（3）承受轴向载荷的紧螺栓联接典型例子：压力容器缸盖的螺栓组联接受力特点：载荷方向与螺栓轴向一致,螺栓受载前需预紧,受载前后受力不同。

作用在缸盖上的总工作载荷Fz ：每个螺栓的轴向工作载荷F ：每个螺栓承受的总拉力Fo: F0＝F+F/图a) 螺母刚好拧到与被联接件接触,但没拧紧,螺栓和被联接件均未受力。

图b) 装配后，螺母被拧紧。

在预紧力F/的作用下，螺栓产生拉伸变形δ1，被联接件产生压缩变形δ2 。

根据静力平衡条件，螺栓与被联接件所受拉力、压力大小相等（F/相等）,但二者刚度不同（K2≠K2）,故变形不同(δ1≠δ2) 。

图c)工作状态，螺栓除承受F/外，又承受工作载荷F螺栓受力由F/↗F0,相应的变形增量为Δδ1,这时预紧后受压的被联件,因螺栓的伸长而放松,受力由F/↘F”,其压缩量也随之减小为Δδ2。

根据变形协调条件,Δδ1=Δδ2=Δδ,所以单个螺栓所受的总拉力F0为：F0=F+F/F0＝F+F//式中,F//—残余预紧力。

∵螺栓与被联件的应力都在比例极限内∴变形与载荷成正比，则螺栓与被联件的载荷与变形的关系可用下页图表示：强度条件为：螺栓未预紧预紧承受工作载荷受力变形受力变形受力变形螺栓0 0 F/ δ1F0=F+F/δ1+Δδ被联件0 0 F/ δ2F0=F+F/δ２－Δδ为讨论方便，用螺栓与被联接件的力与变形图表示：在联接中F//具有重要意义,为使接合面不出现缝隙,必须保证F//＞0。

对一般联接：当F无变化时，F”=(0.2-0.6)F当F有变化时，F”=(0.6-1.0)F对有紧密要求的联接: F”=(1.5-1.8)F （如压力容器）螺栓的强度计算强度条件：式中，F0—螺栓的总拉力, N。

一般由工作要求定F”,再由式(10-20)求F0。

[σ]—紧螺栓联接的许用应力，MPa，查表10－6。

7.3.2 受剪切螺栓联接图示的铰制孔螺栓联接是靠螺栓杆受剪切和挤压来承受横向载荷的。