机械设计基础-第5章-螺纹连接和螺旋传动

§5-1 螺纹的主要参数和常用类型
如图，将一倾角为λ的直 线绕在圆柱体上就形成一 条螺旋线。
取一平面图形（三角形、 矩形、梯形等），使其沿 螺旋线运动（运动时保持 图形平面通过圆柱体的轴 线），其在空间的轨迹即 为螺纹。按平面图形的形 状，可得到对应的螺纹。
螺纹的牙型
螺纹的牙型 三角形 矩形 梯形 锯齿形
第五章 螺纹联接和螺旋传动
机械是由许多零件以一定的方式联接而成的。 按照拆开的情况不同，联接可分为两类：
可拆联接：当拆开时不需要损坏任何零件的联接。 如：螺纹联接、键联接、楔联接等。
不可拆联接：拆开时至少要损坏联接中的某一部分的联接。 如：焊接、铆接、胶接等。
§5-1 螺纹的主要参数和常用类型 §5-2 螺旋副的受力分析、效率和自锁 §5-3 螺纹联接和螺纹联接件 §5-4 螺栓联接的强度计算 §5-5 设计螺纹联接时应注意的问题 §5-6 螺旋传动
➢不具有自锁性，可将直线运动变为回转运动
滚珠丝杠的缺点 ➢结构复杂，制造困难 ➢在需要防止逆转的机构中，要加字所机构 ➢承载能力不如滑动螺旋传动大
滚动丝杠多用在车辆转向机构及对传动精度要求较高的 场合。
按循环方式 ➢内循环滚珠丝杠
➢外循环滚珠丝杠
t
4F
d
2 0
[ ]
p
F d0h
[
p]
2、轴向静载荷的紧螺栓联接
➢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.螺栓内 部危险截面上同样既有拉应力,又有 扭转剪应力t.
强度条件:
v
1.3FQ
d12 / 4
[
]
设计公式:
4 1.3FQ
d1 [ ]
式中FQ为螺栓受载后所受的轴向总拉力(N),通过受载前对螺栓的预紧,和受载
减小应力集中
避免附加弯曲应力
§5-6 螺旋传动
螺旋运动是利用由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 力的场合。
螺旋传动的类型
传力螺旋
传导螺旋
调整螺旋
螺旋传动按照螺旋副内的摩擦性质不同，又可分为： 滑动螺旋、滚动螺旋、静压螺旋。
螺旋传动的主要运动方式： 螺母固定、螺杆旋转移动 螺杆旋转、螺母移动 螺母旋转、螺杆移动
滑动螺旋：结构简单、制造方便、工作平稳、载荷大、自锁 摩擦阻力大、磨损、效率低。
高精度传动十多选碳素工具钢 需要较高硬度，可采用铬锰合金钢或者采用65Mn钢 一般情况下可用45、50钢
螺母材料可采用铸造锡青铜，重载低速的场合可选用铸造铝铁 青铜，而轻载低速时也可选用耐磨铸铁。
滚动螺旋在螺杆和螺母制建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。
当螺母旋转并沿力FQ的反向移动时，作用于螺纹中径处的水 平力Ft、克服螺纹中阻力所需的转矩T和螺旋副的效率η为：
Ft FQ tan(l v )
T
Ft
d2 2
FQ
tan(l
v
)
d2 2
tan l tan(l v )
螺旋副的自锁条件： λ≤ρv
§5-3 螺纹联接和螺纹连结件
一、螺纹联接的基本类型
旋转螺母一周，输入的驱动力W1=2πT，有效功W2=FQPh， 因此螺旋副的效率为
W2 FQ Ph FQd2 tan l tan l W1 2T FQd2 tan(l ) tan(l )
当螺母等速旋转并沿力FQ方向移动（松脱螺母）时，其受力 情况如图b所示。
滑块上的摩擦力Ft = FRnf 沿斜面向下，斜面对滑块的总反 作用力FR与FQ的夹角为λ-ρ，可得
FQ A
4FQ
d12
[ ]
式中：σ为工作应力，MPaຫໍສະໝຸດ Baidu106N/m2)。
因此：
d1
4 FQ
[ ]
式中：A为螺栓螺纹部分危险剖面的面积mm2， d1为螺栓螺纹的小径mm [σ]为螺栓的许用拉应力, MPa, (5-5)σs：屈服极限
二、紧螺栓联接
1、受横向载荷的紧螺栓联接 外载荷与螺栓轴线垂直，螺栓 杆与孔之间有间隙。外载荷依 靠被联接件接合面间的摩擦力 传递，因此在施加外载荷前后 螺栓所受拉力不变，均等于预 紧力FQ0。
一、防松
联接中常用的单线普通螺纹和管螺纹在冲击、震动或 变载荷的作用下容易产生松脱现象。
连杆螺栓在运行中断裂将会产生严重的捣缸事故，它 不仅造成打坏缸盖、缸套，使连杆变形弯曲，甚至还会造 成捣破机体、折断曲轴等重大经济损失。
螺纹联接防松的根本问题在于要防止螺旋副的相对运动。 常用的防松方法:
摩擦防松
忽略螺纹升角的影响（λ=0），可得矩形螺纹和非矩形螺纹 工作表面上的法向反力。
FRn = FQ
FRn’ = FQ / cosγ
当螺旋副作相对运动时，工作表面上的摩擦力分别为：
Ff = FRnf=FQf
Ff’ = FRn’f=FQf/cosγ
由上式可知，在轴向载荷和摩擦系数相同的条件下，
FRn’>FRn Ff’>Ff
同组中的各螺栓都受相同的预紧力。
螺栓组的对称中心与被联接结合面的形心重合。
被联接件为刚体,联接结合面为刚性平面。
螺栓的变形在弹性范围内。
首先根据联接的装配情况、外载荷的大小方向确定螺栓的受力， 再按照强度条件确定螺栓危险剖面的尺寸。
一、松螺栓联接
松螺栓联接装配时不拧紧，如图，仅 受拉力，其强度条件为：
滚珠丝杠的分类、特点和应用
1.滚珠丝杠的分类 按用途 ➢定位滚珠丝杠 通过旋转角度和导程控制轴向位移量，称为P类滚珠丝杠
➢传动滚珠丝杠
用于传动动力的滚珠丝杠，称为T类滚珠丝杠
2.滚珠丝杠的特点及应用 滚珠丝杠的优点
➢滚动摩擦系数小，传动效率高 ➢启动扭矩接近运转扭矩，工作较平稳
➢磨损小且寿命长，可用调整装置调整间隙，传动精度与 刚度均得到提高
1.螺栓联接
螺栓联接
2.双头螺柱联接
3. 螺钉联接
4. 紧定螺钉联接
二、螺纹联接件
1.螺栓、螺 柱、螺钉联 接件
2.紧定螺钉、 螺母
3.垫圈
三、螺纹联接件的性能等级和材料
§5-4 螺栓联接的强度计算
单个螺栓联接的强度计算是螺纹联接设计的基础。
根据联接的的工作情况，可将螺栓按受力形式分为受 拉螺栓和受剪螺栓，两者失效形式是不同的。
设计准则：针对具体的失效形式，通过对螺栓的相应 部位进行相应强度条件的设计计算（或强度校核）。
螺栓联接的计算主要是确定螺纹小径d1，然后按照标 准选定螺纹的公称直径（大径）d等。
螺栓组联接的受力分析
螺栓组受力分析的目的是，根据螺栓组联接的结构和受载情 况，求出受载最大的螺栓及其受力。受力分析是在作如下假设条 件下进行的，即：
外螺纹： 在圆柱表面上形成的螺纹。
内螺纹：在圆柱孔内壁上形成的螺纹。
按照螺纹的绕行方向分：
左旋：当把零件沿轴线垂 直放置时，螺旋线左端高 于右端。
右旋：当把零件沿轴线垂 直放置时，螺旋线右端高 于左端。
按照螺旋线的数目分： 单线螺纹、双线螺纹、三线螺纹
圆柱螺纹的主要参数
大径d 小径d1 中径d2 螺距P
为防止被联接件之间发生相 对滑动，接合面之间的最大 摩擦力必须大于外载荷F，即
FQ0
SF nf
或
nFQ0 f SF
式中：f 被联接件接合面之间的摩擦系数 n 接合面数量 S 防滑(安全)系数
对于常用的单线、三角形螺纹的普通螺栓，取fv=tan jv=0.15，简化
处理的t=0.5，根据第四理论，可求出当量应力e为
e 2 3t 2 2 3(0.5 )2 1.3
因此，强度条件为： e 1.3 [ ]
即
1.3F0
d12
[ ]
4
设计公式为
d1
4 1.3FQ0
[ ]
可知，扭转切应力将使轴向载荷增大30%。
采用铰制孔用螺栓联接，被联接件上的横向载荷是靠螺栓杆的 剪切及螺栓杆与被联接件的挤压来承受的，仅需较小的预紧力。 忽略摩擦，则剪切及挤压的强度条件分别为：
用符号fV代替f/cosγ，则：
Ff’ = FRn’f=FQfv fv称为当量摩擦系数 ρv=arctanfv 当量摩擦角
比较 Ff = FRnf=FQf 和 Ff’ = FRn’f=FQf/cosγ
形式相同，因此非矩形螺纹上作用力的计算可以借用矩 形螺纹相应的计算公式，仅需将f改为fv，ρ改为ρv，故 得非矩形螺纹相应的力计算公式如下：
主要用于联接 多用于传动
螺纹的种类
粗牙：普通联接使用
普通螺纹自细锁牙性：好小。载荷、调整机构。
螺纹联 传接 动螺 螺纹 纹：圆管有锥螺矩螺纹形纹圆 圆高螺：锥 柱压纹管管 管管；路螺 螺路梯联纹 纹。形接： ：螺（具 管纹与有 路：圆自 联双锥封 接向管性传螺。动纹高；相温似、）
锯齿型螺纹：单向
➢避免螺栓承受偏心载荷
改善螺纹牙间的载荷分配
➢悬置螺母
➢内斜螺母
➢环槽螺母
减小螺栓的应力变化幅度 受变载荷作用的螺栓，其应力也在一定的幅度内变动，减小螺
栓刚度或增大被联接件刚度等皆可以使螺栓的应力变化幅度减小。
➢减小螺栓刚度的方法
a.柔性螺栓
b.弹性元件
➢增大被联接件刚度的方法
a.金属垫片
b.密封环
后螺栓轴向拉力的分析,可知
这里FQ为单个螺栓的轴向载荷, FQr为残余轴向预紧力
FQ=FQ+ FQr
3、螺栓联接的预紧
一般螺纹联接在装配的时候都必须拧紧，
以增强联接的可靠性、紧密性和防松能力。
对于一般联接，可凭经验来 控制预紧力FQ0的大小，但对于 重要的联接就要严格控制其预紧 力。
拧紧时扳手力矩为
将螺纹沿中径展开，如图，滑块沿斜面等速上升。
摩擦力Ft = FRnf f是摩擦系数 FRn是法向反力 斜面对滑块的总反作用力FR与FQ1之间的夹角等于升角λ与摩 擦角ρ(ρ=arctanf)之和。
FQ Ft FR 三力保持平衡关系 Ft=FQtan(λ+ρ)
旋转螺母克服螺纹中阻力所需的转矩为
T FQ tan(l )d2 / 2
Ft = FQtan(λ-ρ)
结论：
若λ≤ρ，则Ft为负值。表明要使滑块沿斜面等速下滑，必须加 一反方向的水平拉力Ft, 若不加拉力Ft ，则无论FQ有多大，滑 块也不会自行下滑。即无论轴向力FQ有多大，螺母都不会自 行松脱，出现自锁现象。
二、非矩形螺纹
非矩形螺纹的螺旋受力分析与矩形螺纹相似。但是牙型斜 角不等于零（图b），所以同样的轴向载荷FQ下，螺纹工作 表面上的法向反力也不相同。
导程Ph=zP 升角l tan γ=Ph/πd2
牙型角a、牙型斜角γ
常用螺纹的类型、牙型、特点和应用
§5-2 螺旋副的受力分析、效率和自锁
一、矩形螺纹
螺纹的截面形状为 矩形。
当在螺母上作用一 转矩T，使螺母等 速旋转并沿力FQ的 反向移动时，可看 为图b所示的滑块 在水平力Ft推动下 沿螺纹上移。
•弹簧垫圈
•双螺母
•尼龙圈锁紧螺母
机械防松:
•开口销
带翅垫片
止动垫片
串联钢丝
冲点法
其他防松
粘合法
焊点法
二、支承面应平整
三、扳手空间
➢螺栓的布置应有合理的间距、边距
螺栓组联接的结构设计和受力分析
➢同一组螺栓联接中各螺栓的直径和材料均应相同
四、密封性
弹性元件
金属垫片
密封环
五、改善受力情况、提高强度
T T Tf
TΣ可由测力矩扳手测定!
三、螺栓联接的许用应力
螺栓联接的许用应力与材料、载荷性质、螺栓尺寸、装配 情况等因素有关。
螺栓的分布形状
螺栓的受力情况
例题5-1
在设计螺栓联接时，常用试算法。即先预估螺栓直径，再与计 算出的螺栓直径作比较后，对结果进行调整和计算。
§5-5 设计螺纹联接时应注意的问题