螺纹连接与螺旋传动

（二)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： 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
螺栓组受力可划分为4种典型情况：
（一）受拉螺栓联接 1.松螺栓联接
强度条件：
σ = F = F2 ≤ [σ] A πd1
设计公式：
4
d1 ≥
4F π[σ]
d1计算出后,再按标 准查选螺纹的公称直径。
2.紧螺栓联接
（1）只受预紧力紧螺栓联接 螺栓螺纹部分处于拉伸与扭转的复合应力状态。
F 螺栓危险界面上的拉伸应力为 σ = 02 πd1 4 螺栓危险界面上的扭转剪切应力为
3.减小应力集中
加大过渡处圆角 改用退刀槽 卸载槽 卸载过渡结构
4.避免附加弯曲应力
被联接件支承面不平突起、表面与孔不垂直，使螺栓 承受偏心载荷，从而使螺栓杆产生很大的附加弯曲应力。 防偏载措施：
七、滑动螺旋简介
螺旋传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。
八、滚动螺旋简介
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。
（一）滚珠丝杠的分类、特点和应用
1.滚珠丝杠的分类 （1）按用途分 定位滚珠丝杠
通过旋转角度和导程控制轴向位移量，称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
螺钉连接动画展示
4.紧定螺钉联接
利用杆末端顶住另一零件表面或旋入零件相应的缺口 中以固定零件的相对位置，可传递不大的轴向力或扭矩。
紧定螺钉联接
地脚螺栓联接
吊环螺钉接
（五）标准螺纹联接件
通用螺纹紧固件已标准化。常用的有螺栓、双头螺柱、 螺钉、紧定螺钉、螺母和垫圈等，这类零件的结构型式 和尺寸都已标准化，设计时可根据有关标准选用。
受横向载荷的螺栓组联接 受旋转力矩的螺栓组联接 受轴向载荷的螺栓组联接 受翻转力矩的螺栓组联接
五、螺纹联接件的材料和许用应力
（一）螺纹联接件的材料
一般螺纹联接件常用材料为低碳钢和中碳钢，如Q215、 Q235、15、35、45等 受冲击、振动和变载荷作用的螺栓可用合金钢，如15Cr、 40Cr、30CrMnSi、15CrVB等 其它对螺纹有特殊要求（如防腐、耐高温）时，应选择有 特殊性能的材料。 螺纹连接件常用材料的力学性能见表7.7
铰制孔螺栓连接动画展示
2.双头螺柱联接
螺杆两端无钉头，但均有螺纹，装配时 一端旋入被联接件，另一端配以螺 母。拆装时只需拆螺母，而不将双 头螺柱从被联接件中拧出。适用于 被联接件之一较厚、盲孔且经常拆 卸场合。
双头螺柱连接动画展示
3.螺钉联接
适用于被联接件之一较 厚、盲孔、不经常装拆且受 力不大的场合。
2.螺杆结构
通常采用牙型为矩形、提醒或锯齿形的右旋螺纹。 特殊情况下也采用左旋螺纹。
3.材料
一般螺杆的选用原则如下： 高精度传动时多选碳素工具钢 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。
1.摩擦防松
双螺母 弹簧垫圈
自锁螺母——螺母一端做成非 圆形收口或开峰后径向收口， 螺母拧紧后收口涨开，利用收 口的弹力使旋合螺纹间压紧
2.机械防松
槽形螺母 与开口销 止动垫片 圆螺母与带翅垫圈
3、其它方法防松
如端铆防松、冲点 防松、点焊防松、粘合 防松、串联钢丝防松
串联钢丝
三、单个螺栓联接的强度计算
（四）螺纹联接的基本类型 1.螺栓联接
a) 普通螺栓联接——被联接件不太厚，通孔不带螺 纹，螺杆穿过通孔与螺母配 合使用。装配后孔与杆间有 间隙，结构简单，装拆方便 ，可多个装拆，应用较广。 主要用于被连接件不厚、通 孔、经常拆卸的场合。 螺栓连接动画展示
b) 铰制孔螺栓联接——装配后无间隙， 主要承受横向载荷，也可 作定位用，采用基孔制配 合铰制孔螺栓联接.
（二）受剪切螺栓联接
螺栓受载前后不需预紧， 横向载荷靠螺栓杆与螺栓 孔壁之间的相互挤压传递。 挤压强度条件
FR σp = ≤ [σ p ] dsδ
剪切强度条件
wk.baidu.com
FR τ= ≤ [τ] 2 mπds / 4
四、螺栓组联接的结构设计和受力分析
工程中螺栓成组使用，单个使用极少。因此，必须研 究栓组设计和受力分析，它是单个螺栓计算基础和前提 条件。 （一）螺栓组联接的结构设计 要设计成轴对称的几何形状 螺栓的布置应使螺栓的受力合理 螺栓的布置应有合理的间距、边距 同一组螺栓联接中各螺栓的直径和材料均应相同 避免螺栓承受偏心载荷
（一）螺旋传动的类型
传力螺旋——举重器、千斤顶、加压螺旋 特点：低速、间歇工作，传递轴向力大、自锁 传导螺旋——机床进给汇杠—传递运动和动力 特点：速度高、连续工作、精度高 调整螺旋——机床、仪器及测试装置中的微调螺旋。 特点：是受力较小且不经常转动
（二）螺旋传动的结构及材料
1.螺母结构
整体螺母 组合螺母 对开螺母 不能调整间隙，只能用在轻载且精度 要求较低的场合 这种螺母便于操作，一般用于车床溜 板箱的螺旋传动中
7.5.2 螺纹连接的许用应力
螺栓材料的许用应力和安全系数见表7.8和7.9。
六、提高螺栓联接强度的措施
螺栓联接的强度主要取决于螺栓的强度，提高螺栓 强度有以下几种措施： 1.改善螺纹牙间的载荷分配 工作中螺栓牙抗拉伸长，螺母牙受压缩短，伸与缩的 螺距变化差以紧靠支承面处第一圈为最大，应变最大， 应力最大，其余各圈依次递减。
F tan( λ +v ) d2 / 2 T 1 τ= 3 = 0 3 πd1 πd1 16 16
对于常用的单线、三角形螺纹的普通螺栓，取 fv=0.15，简化处理的t=0.5σ,.根据第四理论，可求出当 量应力σe为
σe = σ 2 + 3τ 2 = σ 2 + 3(0.5σ )2 ≈ 1.3σ 因此，强度条件为： e =1.3 ≤ [σ ] σ σ
1.螺栓
有普通螺栓和铰制 孔螺栓，精度分A、B、 C三级，通常多用C级， 杆部可以全是螺纹或只 有一段螺纹。
2.双头螺柱
两端带螺纹， 分A型（有退刀槽） 和B型（无退刀 槽）。
3.螺钉
与螺栓区 别：要求螺纹 部分直径较粗； 要求全螺纹。
4.紧定螺钉
锥 端—适于零件表面硬度较 低不常拆卸场合。 平 端—接触面积大、不伤零 件表面，用于顶紧硬度较大 的平面，适于经常拆卸的场 合。 圆柱端—压入轴上凹抗中， 适于紧定空心轴上零件的位 置轻材料和金属薄板。
（2）按循环方式分 （1）内循环滚珠丝杠 （2）外循环滚珠丝杠
a) 悬置螺母 b) 环槽螺母 c)内斜螺母 d)环槽内斜
2.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。 降低螺栓刚度 适当增加螺栓长度、减小螺栓光杆直径，也可以在 螺母下装弹性元件以降低螺栓刚度。 增大被连接件的刚度 除可以从被连接件的结构和尺寸考虑外，还可以采用 刚度较大的金属垫片或不设垫片。 同时提高被联接件刚性、降低螺栓刚性 ——理想方法
当f=0.15、Kf=1.1、m=1时，可得
Kf F R F= 0 f m
1.1F R F= ≈ 7F 0 R 0.15×1
（3）受轴向外载荷的紧螺栓联接
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s， 又有扭转剪应力t。
强度条件: 设计公式:
按牙型，螺纹可分为 三角形螺纹 矩形螺纹 梯形螺纹 锯齿形螺纹 主要用于传动 主要用于联接
三角形螺纹
矩形螺纹
梯形螺纹
锯齿形螺纹
（二）螺纹的主要参数
d—大径
λ—升角
d1 —小径
d2—中径
P—螺距
S—导程
α—牙型角、 β—牙型斜角
（三）常用螺纹的特点及应用
普通螺纹 管螺纹 矩形螺纹 梯形螺纹 锯齿形螺纹
项目五 螺纹连接与螺旋传动
螺纹连接的基本知识 螺纹连接的预紧与防松 单个螺栓连接的强度计算 螺栓组联接的设计与受力分析 螺纹连接件的材料和许用应力 提高螺栓联接强度的措施 滑动螺旋传动简介
（一）教学要求
1、熟悉螺纹的类型、主要参数、特点及应用 2、掌握螺纹联接的主要类型及应用场合 3、熟悉螺栓联接的预紧和防松 4、掌握单个螺栓连接的强度计算 5、掌握螺栓组结构设计方法，了解提高螺纹联接强度 的常用措施和螺旋传动的设计
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（大经）d等。
（二）螺栓联接的防松
防松目的：实际工作中，外载荷有振动、变化、材料 高温蠕变等会造成摩擦力减少，螺纹副中正压力在某一 瞬间消失、摩擦力为零，从而使螺纹联接松动，如经反 复作用，螺纹联接就会松驰而失效。因此，必须进行防 松，否则会影响正常工作，造成事故。 防松原理：消除（或限制）螺纹副之间的相对运动，或 增大相对运动的难度。 摩擦防松 常用的防松方法 机械防松 其它方法防松
二、螺纹联接的预紧和防松
（一）螺栓联接的预紧
一般螺纹联接在装配时都必须拧紧，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F0的大小，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 T=T1+T2=KF0d 式中F0是预紧力，K为拧紧 力矩系数,可查表7-2，
5.六角螺母 按厚度分为标准、薄型两种， 精度与螺栓对应，分A、B、C 三级，分别与同级别的螺栓配 用。 6.圆螺母： 圆螺母与带翅垫圈 配用，螺母带有缺口， 应用时带翅垫圈内舌 嵌入轴槽中，外舌嵌 入圆螺母的槽内，螺 母即被锁紧.
7.垫圈
垫圈放在螺母与被连接件之间，保护支承面。分平垫 和斜垫两者。斜垫用于倾斜的支承面。
米制三角形螺纹，牙型角为60°，同一公称直径下有多种 螺距，其中螺距最大的称为粗牙螺纹，其余为细牙螺纹。 英制螺纹，牙型角为55°，公称直径是管子内径，可分为圆柱管螺纹 和圆锥管螺纹，前者用于低压场合，后者用于高温、高压或密封性高 的管连接。 牙型为正方形，牙型角为0°，传动效率最高，牙根强度低，传动精 度低，常用于传力或传导螺旋，未标准化，逐渐被梯形螺纹所替代。 牙型为等腰梯形，牙型角为30°，传动效率低于矩形螺纹，但牙根 强度高，对中性好，广泛用于传力或传导螺旋，如机床的丝杠、螺 旋举重器等。 工作面的牙型斜角为3°，非工作面的牙型斜角为30°，综合了 矩形螺纹效率高和梯形螺纹牙根强度高的特点，但仅用于单向受 力的传力螺旋。
1.3F σ = 2 ∑ ≤ [σ] πd1 / 4
4×1.3F ∑ d1 ≥ π[σ]
式中F∑为螺栓受载后所受的轴向总拉力(N)， F∑=F+ F0' F为单个螺栓的轴向载荷, F0'为残余轴向预紧力 有密封要求时 F0 ' =（1.5~1.8）F 一般联接 F0' =（0.2~0.6）F 载荷稳定 F0' =（0.6~1.0）F 载荷不稳定 地脚螺栓联接 F0' >F
（二）教学的重点与难点
1、螺纹联接的类型、特点及应用 2、紧螺栓联接的强度计算 3、螺栓组的结构设计
一、螺纹联接的基本知识
（一）螺纹的类型
按螺纹的位置，螺纹分为内螺纹和外螺纹，二者共 同组成螺纹副用于联接和传动。 按螺旋线绕行方向，螺纹可分为左旋螺纹和右旋螺纹 按螺旋线的数目，螺纹可分为单线螺纹（n=1）、双 线螺纹（n=2）和多线螺纹（n>2）
即 设计公式为
1.3F 0 σ 2 ≤[ ] πd1 4
4×1.3F0 d1 ≥ π[σ ]
（2）受横向外载荷的紧螺栓联接
载荷与螺栓轴向垂直，靠被 联接件间的摩擦力传递。螺栓 内部危险截面上既有轴向预紧 力F0形成的拉应力σ，又有因螺 栓与螺纹牙面间的摩擦力矩T1 而形成的扭转剪应力τ。 螺栓预紧力