矩形螺纹与梯形螺纹

矩形螺纹与梯形螺纹
一、螺纹形成：
将一倾斜角为λ的直线绕在圆柱体上便形成一条螺旋线（图10-1a），取一平面图形（图b），使它沿着螺旋线运动，运动时保持此图形通过圆柱体的轴线，就得到螺纹。

二、分类：
1、按牙形分：（按照平面图形的形状）
矩形：用于联结
三角形
梯形：用于传动
锯齿形
2、按螺旋线旋向分
左旋：特殊要求时才用左旋螺纹。

右旋：机械制造中一般采用右旋螺纹。

3、按照螺旋线数目分
单线：
多线：为了制造方便，一般不超过四线。

4、按母体形状分
圆柱螺纹和圆锥螺纹
5、除此之外，还有内螺纹和外螺纹，两者旋合组成螺纹副或称螺旋副。

三、主要几何参数：
以圆柱螺纹为例，图10-3（P136）。

注：在普通螺纹基本牙型中：
外螺纹各直径用小写字母表示，内螺纹各直径用大写字母表示。

1）大径d: 公称直径（管螺纹除外），与外螺纹牙顶（或内螺纹牙底）相重合的假想圆柱的直径。

2）小径d1：与外螺纹牙底（或内螺纹牙顶）相重合的假想圆柱体的直径，一般作为外螺纹危险剖面的计算直径。

3）中径d2：也是一个假想圆柱的直径，该圆柱的母线通过牙型上沟槽和凸起宽度相同的地方（轴向截面内，牙厚等于牙间宽的圆柱直径）。

4）螺距P：相邻两牙在中径线上对应两点间的轴向距离。

5）导程S；同一条螺旋线上的相邻两牙在中径线上对应两点间的轴同距离。

S=n p， n=螺旋线数。

6）升角λ：中径d2圆柱上，螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面夹角。

tgλ=n p/（πd2）=S/（πd2）。

所以S=πd2tgλ。

7）牙型角α：轴向截面内，螺纹牙型相邻两侧边的夹角。

牙型斜角β：牙型侧边与螺纹垂线间的夹角。

对于对称牙型β=α/2。

10-2．螺旋副的受力分析、效率和自锁
一、矩形螺纹受力分析：（牙型角α=0。

,β=0。

）。

螺母与螺杆组成的运动副称螺旋副。

在轴向载荷作用下，螺旋副相对运动时，可看作推动滑块（重物）沿螺纹运动。

图10-4a。

将矩形螺纹沿中径d2展开可得斜面(图10-4 b)。

设Q：轴向载荷， F：作用在中径处的水平推力。

N：法向反力； fN：摩擦力。

λ：螺纹升角；ρ：摩擦角； f：摩擦系数。

1）当推动滑块沿斜面等速上升时，摩擦力向下，故总反力R（R=N+fN）。

与Q的夹角为（+ρ）由力的平衡条件可知：R、F、Q三力组成为力多边形封闭图；（封闭三角形），由图得：
F=Q tg(λ + ρ ) （10-2）。

2）当滑块沿斜面等速下滑时，轴向载荷Q 变为驱动力，而F变为支持力（图C）摩擦力向上，总反力R与Q的夹角为（λ-ρ），由此封闭三角形可知：
F=Q tg( λ-ρ )。

二、非矩形螺纹
非矩形螺纹是指牙形角β≠0。

的三角形螺纹，梯形螺纹和锯齿形螺纹对比图10—5，a 和b可知，若略去升角的影响，在轴向载荷Q作用下，非矩形螺纹的法向力比矩形螺纹大。

（矩：N=Q ，非矩：N’=Q/cosβ）
若把法向力的增加看作是摩擦系数的增加，则非矩形螺纹的摩擦阻力可写为：
N’f=Q/cosβ*f=f/cosβQ=f’ Q。

f’：当量摩擦系数，即f’=f/cosβ=tgρ’。

ρ’：当量摩擦角。

β：牙型斜角。

因此将图10-4中的fN改为fN’,ρ改为ρ’，就可象矩形螺纹那样对非矩形螺纹进行力的分析。

1）当滑块沿非矩形螺纹等速上升时，可得水平推力：
F=Qtg(λ+ρ’) (10-4)。

螺纹力矩：T=F d2/2=Qd2/2 tg(λ+ρ’) (10-5)。

螺纹力矩用来克服螺旋副的摩擦阻力和升起重物。

螺旋副效率η=有效功W1/输入功W2。

当螺旋转动一周，输入功为：W2=2πT=2π Qd2/2 tg(λ+ρ’)=Qπd2tg(λ+ρ’)。

此时举升滑块（重物）所作的有效功为W1=Q S。

W1=Q S=Qπd2tgλ 式中S=πd2 tgλ。

2）故螺旋副效率η=W1/W2=QS/2πT=tgλ/tg(λ+ρ’)（10-6）
由上式可知：当量摩擦角ρ’一定时，效率只是升角入的函数(η=f()),由此可绘出效率曲线（图10-6）。

取dη/dλ=0。

可得：当λ=45。

-ρ’/2时效率升角最高，λ大，η大，过大的升角，制造困难，且效率增高不显著。

所以一般取：
λ≤25。

3）当滑块沿非矩形螺纹等速下滑时，可得：
F=Qtg(λ-ρ’) (10-7)。

F：维持滑块等速下滑的支持力。

[方向如图10-4 c所示]。

4）自锁条件：由式（10-7）知，λ<ρ’时，F〈0，这表明：
要使滑块下滑必须改变F力的方向，即必须施加推动力，否则，单凭轴向载荷Q 的作用，无论它有多大，滑块不会自动下滑，这种现象称自锁。

自锁条件：λ≤ρ’ (10-8) 一般ρ’≈6。

为保证自锁：λ≤4.5。

自锁螺旋副：η<50%。

10-3. 机械制造常用螺纹
一、用于联接的三角螺纹普通螺纹——多用于紧固联接。

管螺纹——多用于紧密联接。

1．普通螺纹粗牙螺纹：一般用粗牙（应用广）。

细牙螺纹：用于薄壁零件动力载荷的联接，微调机构。

普通螺纹以大径为公称直径（d），同一公称直径可有多种螺距的螺纹，其中螺距最大的称粗牙螺纹，其余称细牙。

细牙螺纹的螺距t<粗牙螺纹的螺距t (t细牙<t粗牙)。

细牙螺纹的小径d1>粗牙螺纹的小径d1(d1细牙>d1粗牙)。

细牙螺纹的中径d2>粗牙螺纹的中径d2(d2细牙>d2粗牙)。

因为细牙螺纹螺距↓，λ↓螺纹深度浅所以自锁性好，强度高（对零件削弱小），但不耐磨，易滑扣。

2．管螺纹一般有四种普通细牙螺纹。

（英制螺纹）α =55。

圆柱管螺纹。

α=55。

圆锥管螺纹。

α=60。

圆锥管螺纹。

公称直径为管子的公称直径（管子内径），广泛地应用于：水、煤气、润滑管路系统中。

（如水暖管件）。

圆锥管螺纹不用填料即能保证紧密性而且旋合迅速，适用于要求较高的管路联接中。

二、用于传动的螺纹：
矩形螺纹：α=0，ρ’↓，η↑，强度差，磨损后无法补偿间隙，
定心性差，很少采用。

传动的螺纹：梯形螺纹：β=15。

η梯<η矩，但无矩形螺纹缺点，应用广泛。

锯齿形螺纹：工作面牙型斜角β=3。

，η锯=η矩，只限于单侧工作。

梯形螺纹牙型斜角β=15。

比矩形螺纹容易切制，当采用剖分螺母时，还可以消除因磨损而产生的间隙。

锯齿形螺纹工作面牙型斜角β=3。

效率比梯形螺纹高，但只适用于承受单方向的轴向载荷。

10-4螺纹联接的基本类型及螺纹紧固件
一、联接的基本类型：（挂图）
螺纹联接有以下四种基本类型：
1，螺栓联接图10-9
特点：被联接件均较薄，在其上制通孔（不切制螺纹）。

用螺栓、螺母联接，结构简单，装拆方便，（可以两边装配）。

应用：被联接件厚度均小，不受被联接件材料限制，允许常拆卸，应用广泛。

根据螺栓受力情况，分两类：
（1）普通螺栓联接（受拉螺栓）：被联接件D孔>D栓（查手册：M20以下D孔=D栓+1如：M10：D孔=11mm）。

（2）铰制孔螺栓联接（受剪螺栓）：D孔=D柱（名义相等，用公差控制）。

图10-9b，即孔壁间无间隙，适用于承受横向载荷。

（垂直螺栓轴线方向）。

2，双头螺柱联接：（图10-10a）
特点：被联接件之一较厚，在其上制盲孔，且在盲孔上切制螺纹。

薄件制通孔，无螺纹。

用双头螺柱加螺母联接。

允许多次装拆而不损坏被联接件。

应用：通常用于被联接件之一太厚，不便穿孔，结构要求紧凑，必须采用盲孔的联接或须经常装拆处。

3，螺钉联接：
特点：不需用螺母，将螺钉穿过一被联接件的孔，旋入另一被联接件的螺纹孔中。

（结构上比双头螺柱简单）。

应用：被联接件之一太厚，且不经常装拆的场合。

4，紧定螺钉联接：
特点：利用紧定螺钉旋入一另件的螺纹孔中，并以末端顶住另一零件的表面或顶入该零件的凹坑中。

应用：固定两零件的相对位置，并可传递不大的力或转矩。

二、螺纹紧固件（图10-11，12，13，14，15，16）
螺纹紧固件品种很多，大多已标准化，它是一种商品性零件，经合理选择其规格、型号后，可直接到五金交化商店购买。

1、螺栓：（实物或挂图）
螺栓的类型很多（头部形状很多，以六角头螺栓应用最广，它的头部按大小分为标准六角头螺栓（简称六角头螺栓）和小六角头螺栓（图10-12），后者用冷镦工艺生产，成本低廉，机械性能好，但由于头部尺寸小，不宜用于装拆频繁，被联接件强度低和易锈蚀的地方。

螺栓也应用于螺钉联接中，（不用螺母，作螺钉使用）。

2、螺钉：
螺钉的结构和螺栓类似，其头部除六角头以外，还有其他形状，以适应不同的要求。

（如有内六角圆柱头，十字槽半圆头，十字槽沉头，见图11-5），不用螺母直接拧入螺孔中。

3、双头螺柱（图10-13）
无头，两头都有螺纹，旋入被联接件螺纹的一端（称L1）座端，另一端（称L0）螺母端。

其公称长度为L。

4、紧定螺钉：
它的杆部可沿全长或部分长度制有螺纹，通常须经硬化处理。

这种螺钉的头部和尾部有很多种形状，末端有锥端，平端，凹端，圆柱端等。

以适应各种不同的要求。

5、螺母：
螺母可分为：六角螺母，圆螺母和方螺母等，其中以六角螺母应用最广，按厚薄要求不同，还分为扁螺母和厚螺母。

扁螺母用于空间受到限制的场合，厚螺母用于经常装拆易于磨损的场合。

方螺母很少用。

圆螺母常用于轴上零件的轴向固定。

6、垫圈：
垫圈放在螺母（或螺钉头）和被联接件之间，（与螺母同用）
作用：1）增大被联接件的支承面积以减少接触处的压强。

2)保护被联接件的表面，避免拧紧螺母时擦伤。

3）改善接触情况，遮盖不平的接触面或倾斜的面。

4）调整轴向尺寸：
以上都为标准件，设计时除特殊情况外，一般按国标选用，普通螺纹按制造精度分为粗制，精制两类：
粗制螺纹紧固件：多用于土建，木结构及其它次要场合。

精制螺纹紧固件：广泛应用于机器设备中。

10-5螺纹联接的预紧和防松
一、预紧：大多数螺栓联接在装配时要拧紧螺母，这时螺栓联接受到预紧力的作用。

1、目的：预紧的目的是增强联接的可靠性，紧密性和防松能力。

2、拧紧力矩：
在拧紧螺栓联接的过程中，加于扳手上的拧紧力矩T，须克服螺旋副相对转动的阻力矩T1和螺母支承面上的摩擦阻力矩T2，故:
T=T1+T2=Q0 d2/2 tg(λ+ρ’)+fc Q? rf （10-9）
式中：Q0：预紧力 fc：摩擦系数（螺母与被联接件支承面间的）无滑动时，fc=0.15
d2：螺纹中径 rf：支承面摩擦半径
D1,d为螺纹支承面的外径和内径。

对于M10—M68的粗牙螺纹，若取f’=tgρ’=0.15及fc=0.15，式(10-9)可简化为：T≈0.2Q0d N mm d ：螺纹公称直径（mm）。

Q0：为预紧力N。

3、 T的测定：（拧紧力矩）
在装配重要的螺栓联接（如气缸盖螺栓联接）时，若预紧力φ。

过小，将使结合面在工作载荷作用下松动：若Q0过大，又可能拧断螺栓。

因此，在装配过程中，对拧紧力矩（或Q0）要严格控制。

T的测定方法：（1）测力矩板手（图10-18）(是比较方便的方法，有标尺指导)。

（2）测量拧紧时螺栓的伸长变形量。

（精确的方法）。

（3）靠人工经验来确定。

（不够准确）
对重要的有强度要求的螺栓联接，如无控制拧紧力矩的措施，不宜采用小于M12—M16的螺栓。

二、防松：
联接所用的三角螺纹，都能满足自锁条件（升角较小， =1.5。

-3.5。

）在静载荷和工作温度变化不大时，联接不会发生松脱。

但在冲击，振动或变载及温度变化大时。

预紧力可能在一瞬间消失，联接有可能自动松脱，就容易发生事故，所以在设计螺栓时，必须考虑防松问题。

防松的根本问题在于防止螺纹副的相对转动。

防松的方法很多（表10—3）。

1、靠摩擦防松：（挂图、实物）
a双螺母：薄的在上，厚的在下或两者都一样，在螺杆伸出端拧两个螺母，利用两个螺母的对顶作用使两螺母之间的螺栓始终受到附加拉力和附加摩擦力，而螺母受到压缩，构成螺纹副轴向压紧，从而防止联接松动。

这种方法结构简单，可用于低速重载场合。

但在载荷剧烈变化时，双螺母防松仍不可靠，螺母又多一倍，结构尺寸，重量都要增加，所以目前用的不多。

b弹簧垫圈：螺母拧紧后，弹簧垫圈被压平，垫圈的弹性力使螺旋副到轴向压紧，产生摩擦力来防止联接松动，垫圈斜口的夹端抵住被联接件和螺母的支承面，也有助于防止螺母松动。

方法简单，使用广泛。

C尼龙锁紧螺母：螺母中嵌有尼龙圈，拧上后尼龙圈内孔被胀大，箍紧螺栓。

2、靠机械防松：（直接锁住）
这种方法是利用便于更换的机械止动元件直接防止螺纹副相对转动。

a开口销和槽形螺母：螺杆末端钻一小孔，螺母带有槽，螺母拧紧后，孔槽相对，然后用开口销穿过螺栓尾部小孔和螺母的槽，再将销和尾部分开与螺母贴紧，使螺母紧锁在螺栓身上。

此法防松可靠，但安装较费工时，且不经济。

b圆螺母用带翅垫片：使垫片内翅嵌入螺栓（轴）的槽内，拧紧螺母后，将垫片外翅之一折嵌入（弯入）螺母的一个槽内。

即可防松。

C止动垫片：将垫片折边以固定螺母和被联接件的相对位置。

3其它方法：（破坏螺旋副，永久止动）
冲点，焊住或粘合：拧紧螺母后，将螺栓和螺母焊接处，或用冲头冲2—3个点，防止其相对转动，粘合：用粘合剂涂于螺纹旋合表面，拧紧螺母后，粘合剂能自行固化，防松效果好。

永久止动，用于装配后不再拆处。

10-6螺栓联接的强度计算：
这里主要讨论单个螺栓联接的计算，它也适用于双头螺柱和螺钉的联接。

螺栓拉断
螺栓主要失效形式：螺纹的压溃和剪断
经常装拆会因磨损而发生滑扣现象
在静载荷作用下，螺旋的螺纹部分出现塑性变形的断裂。

在变载荷作用下，螺栓有应力集中部位，如螺纹部分，钉头与柱体的过渡部分易发生疲劳断裂现象。