高职《机械设计基础》螺纹连接与螺旋传动-、教案

高职《机械设计基础》螺纹连接与螺旋传动-、教案****职业技术学院教案在机械制图中，我们已经接触过螺纹和螺纹联接件。

现在我们就以图7-1来说明螺纹的主要几何参数，该图是GB192-81标准化的螺纹牙型图。

图7-1（1）大径d（D）：螺纹的最大直径，在标准中也作公称直径。

（2）中径2d（2D）：通过螺纹轴向剖面内牙型上的沟槽和凸起宽度相等处的假想圆柱面的直径，近似等于螺纹的平均直径，是确定螺纹几何参数的直径。

都已经标准化。

规定的值不同，就会形成不同的螺纹，需要时可以查阅相关的手册和国家标准。

3. 常用螺纹的特点和应用1）三角形螺纹（普通螺纹）牙型角为60º，可以分为粗牙和细牙，粗牙用于一般联接；与粗牙螺纹相比，细牙由于在相同公称直径时，螺距小，螺纹深度浅，导程和升角也小，自锁性能好，宜用于薄壁零件和微调装置。

2）管螺纹多用于有紧密性要求的管件联接，牙型角为55º，公称直径近似于管子内径，属于细牙三角螺纹。

3）梯形螺纹牙型角为30º，是应用最为广图7-24）锯齿型螺纹两侧牙型角分别为3º30º，3º的一侧用来承受载荷，可得到较高效率；30º一侧用来增加牙根强度。

适用于单向受载的传动螺纹。

5）矩形螺纹牙型角为0º，适于作传动螺纹。

以上5种常见螺纹牙型如图7-2所示。

沿螺纹轴线方向看，按制订的螺纹标准不同，现在常见的有米制和英制两大类。

我国除管螺纹外，一般采用米制。

：在实际工作中，特别是从事维修行业时要注意一些进口机器中螺纹的单位制。

凡是牙型、大径和螺距符合国家标准的螺纹。

除机械制造中常用的标准螺纹外，还有适用于某些特殊行业的专用螺纹标准，在需要的时候可以查阅有关的设计手册。

更具重要性。

就目前来讲，螺纹紧固件的品种很多，但是从结构等方面来说，常用的有以下几种。

（1）螺栓螺栓是工程上、日常生活中应用最为普遍、广泛的紧固件之一，其形状如图7-4所示。

螺栓的头部有各种不同形状，但是我们最常见的是六角头，为了满足工程上的不同需要，六角头又有标准六角头和小六角头。

一般情况下我们使用标准六角头，在空间尺寸受到限制的地方使用小六角头螺栓。

但是，小六角头螺栓的支承图图7-4面积较小，如果用于经常拆卸的场合时，螺栓头的棱角也易于磨圆。

（2）双头螺栓如图所示。

双头螺栓的两端都制有螺纹，两端的螺纹可以相同，也可以不同。

其安装方式是一端旋入被联接件的螺纹孔中，另一端用来安装螺母。

（3）螺钉螺钉的头部有各种形状，如图7-5所示。

为了明确表示螺钉的特点，所以通常以其头部的形状来命名，如：半圆头螺钉、圆柱头螺钉、沉头螺钉和内六角圆柱螺钉等等。

螺钉的承载力一般较小。

但是注意：在许多情况下，螺栓也可以用作螺钉。

图7-5图7-6（4）紧定螺钉常用紧定螺钉如图7-6所示。

紧定螺钉主要用于小载荷的情况下。

例如，以传递圆周力为主的情况下，防止传动零件的轴向串动等。

可以看出：紧定螺钉的工作面是在末端，所以对于重要的紧定螺钉需要淬火硬化后才能满足要求。

（5）螺母螺图7-7图7-8垫和弹簧垫两种。

平垫的目的主要是为了增加支承面积，同时对支承面起保护作用。

弹簧垫主要用于防止螺母和其它紧固件的自动松脱。

所以凡是有振动的地方又未采取其它防松措施时，原纹部分作成与孔的过渡配合联接形式。

普通螺栓联接：由于7-9孔和杆之间留有间隙，可以补偿各孔之间的位置误差，且加工简单，装拆方便，所以得到广泛的应用。

通孔的大小不能随意，应该根据装配精度查机械设计手册确定。

铰制孔螺栓联接：多采用基孔制过渡配合，如H7/m6，H7/n6等，螺杆与通孔加工精度高。

由于孔与杆之间是过渡配合，具有定位作用，可以承受横向载荷，但是加工成本高。

在选择螺栓时，需要考虑联接的结构尺寸进行。

2）双头螺栓联接如图7-10所示。

图7-10从图上可以看出，其主要特点为一个被联接件上制有螺纹孔，其它被联接件上则有通孔。

这种联接主要用于被联接件较厚或受到空间位置尺寸限制，而又需要经常拆卸的情况下使用。

这种联接拆卸时，只需要把螺母拧下即可，而螺柱留在原位，以免因多次拆卸使内螺纹损坏（磨损失效）。

其螺柱的拧入深度的取值与被联接件的材料、螺柱的直径有关。

3）螺钉联接如图7-11所示，为以典型的工程螺钉联接形式，其特点是：在一个被联接件上加工有螺纹孔，装配时螺钉直接拧入螺纹孔中，不需要螺母。

这种联接主要用在空间位置受图7-11到限制，而且联接不需要经常拆卸的地方。

比较上面三种联接方式可以看出，一般情况使用螺栓联接，在空间位置尺寸受到限制时，可以使用双头螺栓联接，也可以使用螺钉联接，其选择取决于拆卸的频繁程度。

4）紧定螺钉联接如图7-12所示，这种联接主要用来固定被联接件的相对位置图7-12p Q 不超过其材料屈服极限sσ的80%。

可以按下面的推荐的关系式确定：碳素钢螺栓：1)7.0~6.0(A Qs p σ≤ 合金钢螺栓：1)6.0~5.0(A Qs p σ≤ 式中：A 1——为螺栓的危险剖面面积。

预紧力的具体数值应该根据载荷性质、联接刚度（后面要讲）等具体的工作条件来确定。

对于重要的螺栓联接，应在图纸上作为技术条件注明预紧力矩，以便在装配时保证。

1．预紧力控制方法在装配时，预紧力是借助于测力矩扳手或定力矩扳手控制的，如图7-13 图7-14图7-13、7-14所示，通过控制拧紧力矩来间接保证预紧力的。

预紧力矩有两部分组成：1）螺纹副的摩擦力矩T 1；2）螺母和钉头与支承面间的摩擦力矩T 2。

预紧力矩的计算公式为：20203030231)tan(21d D d D Q f Q d T p c v p --++=ρψ其中： pQ —— 预紧力 ψ—— 螺纹升角 v ρ —— 螺旋副的当量摩擦角00,d D —— 支承面环形带的外径、内径2d —— 螺纹中径****职业技术学院教案1）弹簧垫片防松弹簧垫圈材料为弹簧钢，装配后垫圈被压平，其反弹力能使螺纹间保持压紧力和摩擦力，从而实现防松。

2）对顶螺母防松利用螺母对顶作用使螺栓式中受到附加的拉力和附加的摩擦力。

由于多用一个螺母，并且工作不十分可靠，目前已经和少使用了。

3）弹性圈螺母防松螺纹旋入处嵌入纤维或尼龙来增加摩擦力。

该弹性圈还起防止液体泄漏的作用。

4）自锁螺母防松螺母一端制成非圆形收口或开缝后径向收用开口销穿过螺栓尾部小孔和螺母的槽，也可以用普通螺母拧紧后进行配钻销孔。

）圆螺母和止动动垫片使垫圈内舌嵌入螺栓（轴）的槽内，拧紧螺母后将垫圈外舌之一褶嵌于螺母的一个槽内。

母和被联接件的侧面折弯贴紧，实现防松。

如果可采用双联止动垫片。

钉头部的孔内，将各螺钉串联起来，使其相互制动。

这种结构需要注意钢丝穿入的方向，如图所、冲边法防松如图所示。

安装螺栓组的主要问题。

合理布置同一组内的螺栓的位置起着关键的作用。

通过实践发现，在进行螺栓组结构设计时应该考虑以下七个方面的问题。

1）螺栓（钉）孔的布置联接接合面的几何形状通常都设计成轴对称的简单几何形状，同一螺栓组的螺栓布置应力求对称、分布均匀，从设计上首先保证被联接件接合面上受力均匀。

如图7-15所示。

在布置螺栓时，应该注意：不要在平行于外力的方向成排地布置8个以上的螺栓，以免载荷分布过度不均（当然也不是绝对的）。

2）螺栓排列应有合理的钉距、边距在布置螺栓时，螺栓中心线与机体壁、螺栓之间的距离，要依据扳手所需的活动空间大小和联接的额密封性要求来决定。

最小扳手空间尺寸可查阅有关手册，也可以根据经验确定。

一般来讲，螺栓中心线到机体外壁的距离为：)3~1(2+≥D B mm （其中D 为螺栓六角头大径）螺栓之间的距离一般按照经验公式选择：d t )8~5(≤ （用于一般联接及压力MPa p 6.1≤的压力容器）d t )5.4~5.2(≈（用于密封性要求高及压力MPa≈场合）~0.1(10p)≤（用于无密封要求的场合）dt103）螺栓数量的选择分布在同一圆周上的额螺栓数应取为3、4、6、8、12等易于分度的数目，图7-15以利于划线钻孔和加工。

当然，如果自动化程度较高，也可以采用其它的分度方法。

4）螺栓直径的选择一般是先根据经验、或类比的方法、或依据相关的规范进行选取，然后在进行强度的计算。

螺栓组的结构设计完成之后，对于重要的螺栓连接都应该进行强度计算。

螺纹连接的主要失效形式有三类：1）拉断；2）剪断；3）对于铰制孔联接出现孔或螺栓挤压变形。

一般来说这三类失效形式是不会同时发生的。

进行螺栓联接强度计算的第一步就是进行载荷分析，确定其中受载最大的螺栓及载荷大小，然后根据失效可能的发生形式选择不同的方法进行计算。

在轴向载荷的作用下，螺栓的失效形式为螺栓拉断。

根据统计分析，在静载荷条件下，除少数由于图7-16严重过载失效外，螺栓联接很少发生破坏，但在变载荷条件下，螺栓则易发生疲劳断裂。

如图7-16所示显示了疲劳断裂常发生的部位及所占的比例。

因此，螺栓联接强度计算的目的，主要是依据载荷的性质、联接的类型来确定螺栓所受的力，然后按相应的强度条件计算螺纹小径或校核其强度。

一．松螺栓联接的强度计算松螺栓联接，螺母、螺栓和被联接件不需要拧紧，在承受工作载荷前，联接螺栓是不受力的，典型的结构如图7-17所示的起重机吊钩。

该螺栓联接在外载荷F 作用下其强度条件式为：][4121σπσ≤=d F或][41σπF d ≥式中：d 1——螺纹的小径（mm ）图7-17[σ]——许用拉应力（MPa ），且 [σ]=S sσσ—— 材料的屈服极限；S —— 安全系数安全系数需要根据具体情况，参照有关标准和设计规范进行。

二．紧螺栓联接的强度计算这种装配，螺栓将承受预紧力和工作载荷的双重作用。

而工作载荷的作用方式有：横向载荷和轴向载荷两种。

1）承受横向载荷作用时的强度计算 同样的承受横向载荷，螺栓联接的方式又有两类：普通螺栓联接和铰制螺栓联接。

对于这两类联接方式，其对应的失效图7-18sK —— 可靠性系数，一般可取sK =1.1~1.3;F —— 外载总和。

我们知道，f 一般较小，远小于1，这时的pQ 需要很大才能满足要求，势必要增加螺栓直径。

为避免这种缺陷，可以采用如图7-18所示的减载装置结构，利用键、套筒或销来承受横向工作的载荷，使得螺栓只用来保证联接，而不再承受工作载荷，因此预紧力不需要很大。

这种装置的联接强度是按减载零件（键、套筒或图7-18图7-19由图可以看出，螺栓杆上所受的总拉力Q可用下面的关系式表示：Q=p Q+F或Q='Q+Fp可以看出，螺栓杆和被联接件的变形是彼此相关的，作用在螺栓上的总拉力Q并不等于预图7-20紧力和外载力之和，这一点计算中要特别注意。

外载荷我们可以通过对螺栓组的受力分析求得。

对于残余预紧力'p Q，一般按螺栓联接要求或重要程度由经验选取，都必须使'p Q>0。