第5章 螺纹联接与螺旋传动

1、合肥学院王学军基本概念：螺纹联接是利用螺零件构成的联接。特点：构造简单，拆装方便，工作可靠，标准件，应用广。 5-1 螺纹5-2 螺纹联接的基本类型与标准件联接5-3 螺纹联接的预紧5-4 螺纹联接的防松5-5 单个螺栓联接的强度计算5-6 螺栓组联接设计5-7 提高螺栓联接强度的措施5-8 螺旋传动一、 螺纹的主要参数D螺纹大径d1 螺纹小径d2 螺纹中径p 螺距n 线数S S 导程 螺纹升角 牙型角 牙型斜角旋向按螺旋线绕行方向分左旋右旋（常用）二、螺纹副的受力关系、效率和自锁圆周力：拧紧时松开时效率：拧紧时松开时自锁条件：)tan( FFt)tan( FFt)tan(tantan)tan

2、(式中:当量摩擦角f当量摩擦系数F轴向力, Nf摩擦系数f arctancosff三 、常用螺纹的特点和应用螺纹的分类：按牙形：三角形螺纹、矩形螺纹、梯形螺纹、锯齿形螺纹、管螺纹按母体形状：圆柱螺纹、圆锥螺纹对螺纹的要求：足够的强度和良好的工艺性联接螺纹：自锁管 螺 纹：紧密性、气密性传动螺纹：效率高调整螺纹：精度高起重螺纹：效率高、自锁性好1 、普通螺纹(代号：M GB/T 192-1981)特点：螺纹的牙型角 = 2 =60 。因牙型角大，所以当量摩擦系数大，自锁性能好，主要用于联接。1 、普通螺纹(代号：M GB 192-1981)细牙螺纹与粗牙螺纹的比较粗牙：常用细牙：自锁性能更好。常

3、用于承受冲击、振动及变载荷、或空心、薄壁零件上及微调装置中细牙的缺点：牙小，相同载荷下磨损快，易脱扣。2 、矩形螺纹特点：牙形为正方形， =0，所以效率高，用于传动,牙根强度弱，加工困难，常被梯形螺纹代替3 、梯形螺纹(代号：Tr GB/T 192-1981)特点： =2=30。比矩形螺纹效率略低。牙根强度高，易于对中，易于制造，剖分螺母可消除间隙，在螺旋传动中有广泛应用。4、锯齿形螺纹(代号：B GB/T 13576.11992)特点：工作边=3，非工作边=30，便于加工。它综合了矩形螺纹效率高和梯形螺纹牙根强度高的优点,能承受较大的载荷,但只能用于单向传动。5、非密封管螺纹(代号：G GB

4、/T 73071987 ) 特点：用于管件联接的三角螺纹，=55螺纹面间没有间隙，密封性好，适用于压强在1.6MPa以下的联接。6 、密封管螺纹(代号：G GB/T 73061987 ) 特点：螺纹均布在锥度为1:16的管上,=55或60 螺纹面间没有间隙，不用填料，靠牙变形，密封性好，适用于高温、高压的联接一 、螺纹联接的基本类型1、 螺栓联接 普通螺栓联接 绞制孔螺栓联接螺栓和孔壁有间隙孔的加工精度低。螺杆与孔用过渡配合，承受轴向载荷孔需精制；可起定位作用。2、 螺钉联接特点：被联接件不宜做成通孔。不宜经常拆卸。拧入深度：铜或青铜：H=d铸铁：H=1.251.5d铝合金：H=1. 52.5

5、d3、双头螺柱联接特点：被联接件不宜做成通孔又需要经常拆卸或用螺钉无法安装。拧入深度：铜或青铜：H=d铸铁：H=1.251.5d铝合金： H=1.52.5d4 、紧定螺钉联接旋入被联接件的螺纹孔中，顶住另一被联接件的表面或凹坑。固定两个零件或传递不大的力矩。二 、标准螺纹联接件二 、标准螺纹联接件三 、螺纹联接零件常用材料和机械性能等级1、常用材料：普通联接：低碳钢，中碳钢，如:Q215、Q235和10、15、35、45号钢变载荷或有冲击、振动的重要联接：合金钢，如: 40 Cr、15MnVB、30CrMnSi螺母材料一般较相配合的螺栓的硬度低2040HBS三 、螺纹联接零件常用材料和机械性能

6、等级2 、螺栓、螺钉、螺柱性能等级 性能等级 3 6 46 48 56 5 8 6 8 88 98 109 129抗拉强度极限bmin（MPa） 330 400 420 500 520 600 800 900 1040 1220屈服极限smin（MPa） 190 240 340 300 420 480 640 720 940 1100 硬 度（HBS）min 90 114 124 147 152 181 240 276 304 366 推荐材料低碳钢 低碳钢或中碳钢低碳合金钢或中碳钢淬火并回火中碳钢，低中碳合金钢淬火并回火 合 金钢 注：1.性能等级的标记代号含义： “.”前的数字为公称抗拉强

7、度极限b 的 1/100， “.”后的数字为屈强比的 10 倍，即（a/b）10。2.规定性能等级的螺栓、螺母在图纸上只注性能等级，不应标出材料牌号。三 、螺纹联接零件常用材料和机械性能等级3、螺母性能等级螺母性能等级456891012相配螺栓性能等级3.6,4.6,4.83.6,4.6,4.85.6,5.86.8 8.88.89.810.912.9直径范围1616所有直径1616所有直径39预紧的作用：预紧可使联接在承受工作载荷之前就受到预紧力F的作用，以防止联接受载后被联接件之间出现间隙或横向滑移。预紧也可以防松控制预紧力的目的：预紧力过大，会使联接超载预紧力不足，可能导致联接失效重要的螺

8、栓应控制预紧力。拧紧螺母时的力矩和预紧力的关系21TTT2)tan(21dFT20213031231dDdDFfT33102221012tan()23DddfTF ddd Dd拧紧螺母时的力矩和预紧力的关系由于标准螺纹的有关参数存在一定关系；代入可得：0.2TF d 33102221012tan()23tDddfkdd DdtTk F d 0.2TFd装配时控制预紧力的方法装配时控制预紧力的方法一、摩擦防松1 、双螺母特点：在螺母和螺栓之间形成内力，保证摩擦力。结构简单、使用方便可靠性不高用于平稳、低速、重载一、摩擦防松2 、弹簧垫圈弹力保持一定压力切口尖端逆向一、摩擦防松3 、锁紧螺母镶嵌弹

9、性环或尼龙圈挤入螺纹中椭圆口螺母二、机械防松 1 、开口销与六角开槽螺母二、机械防松 2 、止动垫圈二、机械防松3 、串联钢丝三、 永久防松一 、松螺栓联接强度条件或许用应力214 MPaFd14mm Fd MPa1.2 1.7s二 、紧螺栓联接1 、受横向载荷的紧螺栓联接 （1） 普通螺栓联接对于常用的M10M68的普通螺栓214dF12213122)tan(4162)tan(dddFddFWTt5 . 0二 、紧螺栓联接1 、受横向载荷的紧螺栓联接 （1） 普通螺栓联接螺栓的当量应力（第四强度理论）螺栓的强度条件为：3 . 1)5 . 0(332222e3 . 1421dFe134 1.

10、Fd 二 、紧螺栓联接1 、受横向载荷的紧螺栓联接 （1） 普通螺栓联接注意：当所需预紧力很大时，为了减小螺栓尺寸，采用套筒、键、销来承受横向载荷二 、紧螺栓联接1 、受横向载荷的紧螺栓联接 （2）铰制孔螺栓联接(不计预紧力)螺栓杆的剪切强度条件为:螺栓与孔壁的挤压强度条件为： 24 ssFMPad mmin sppsFMPad hsdh25. 1min二 、紧螺栓联接2 、受轴向工作载荷的紧螺栓联接汽缸盖的联接二 、紧螺栓联接2 、受轴向工作载荷的紧螺栓联接（1）受力分析（动画）二 、紧螺栓联接2 、受轴向工作载荷的紧螺栓联接mmBFFF0B力力变形变形mB0BBmCFFFCCF0FFF静力

11、平衡条件：变形协调条件：Bm 0BBFFCmmFFCmBmCFFFCC二 、紧螺栓联接2 、受轴向工作载荷的紧螺栓联接mmBFFF0B力力变形变形mB0BBmCFFFCCF讨论：1。若螺栓的刚度远远大于被连接的刚度BmCC0FFF2。若螺栓的刚度远远小于被连接的刚度BmCC0FF螺栓的相对刚度BBmCCC二 、紧螺栓联接2 、受轴向工作载荷的紧螺栓联接（2）静强度计算（3）疲劳强度计算 对于受变载荷的螺栓联接，按静强度设计尺寸后，还需进行疲劳强度校核3 . 14210dF014 1.3 Fd 221ambbadFCCCamaSKk1螺纹制造工艺系数mk三、 螺栓联接的许用应力不控制预紧力时 S

12、 控制预紧力时 S 载荷情况 许用应力 M616 M1630 不分直径 碳钢 54 42.5 静载 合金钢 6.55 53.3 碳钢 128.5 8.5 = s/S 合金钢 106.5 6.5 1.21.5 Sa 2.54 1.52.5 dmin 12 16 20 24 30 36 42 48 56 64 1.0 0.87 0.80 0.74 0.67 0.63 0.60 0.57 0.54 0.53 BMPa 400 600 800 1000 有效应力集中系数 K K 3.0 3.9 4.8 5.2 变载 校核应力幅 螺纹制造工艺系数 Km:碾压 Km=1.25 车制 Km=1.0 三、 螺

13、栓联接的许用应力静载 s/2.5 螺栓的许用剪应力 变载 s/3.55 钢s/1.25 静载 铸铁 B/22.5 螺栓或被联接件的许用挤压应力p 变载 较静载荷时减少(2030)% 混凝土p 12 木材p 24 一、螺栓组联接的结构设计1 、联接结合面的几何形状常设计成轴对称的简单几何形状一、螺栓组联接的结构设计2、螺栓的布置应使各螺栓的受力合理一、螺栓组联接的结构设计3 、螺栓的排列应有合理的间距、边距一、螺栓组联接的结构设计4、分布在同一圆周上的螺栓数目，应 取4，6, 8等偶数，以便钻孔时在圆周上分度和画线一、螺栓组联接的结构设计5 、避免螺栓承受偏心载荷应用凸面和沉头座斜垫圈的应用二、

14、螺栓组联接的受力分析1 、受轴向载荷Q的螺栓组联接ZQF 二、螺栓组联接的受力分析2 、受横向载荷R的螺栓组联接（1） 普通螺栓联接RKmzFfffmzRKFf式中：f接合面间摩擦系数 m接合面数 Kf考虑摩擦系数不稳定及靠摩擦传力有时不可靠而引入的可靠性系数 一般Kf=1.11.3二、螺栓组联接的受力分析2 、受横向载荷R的螺栓组联接(2) 用绞制孔螺栓联接zRFRzFss二、螺栓组联接的受力分析3、受旋转力矩T的螺栓组联接(1) 采用普通螺栓联接时，靠预紧后在接合面上各螺栓处摩擦力对形心的力矩之和平衡外加力矩T12.zffF rfF rfF rK T12)1(.ffzziiK TK TFf

15、 rrrfr 式中: r1 、r2、. rz 各螺栓中心至螺栓 组形心O的距离Kf可靠性系数 f接合面间摩擦系数5二、螺栓组联接的受力分析3、受旋转力矩T的螺栓组联接（2）采用绞制孔用螺栓联接时，忽略接合面上的摩擦力，外加力矩T靠螺栓所受剪力对底板旋转中心的力矩之和来平衡1 12 2.sssz zF rF rF rT1212.ssszzFFFrrr2221121(.)szFrrrTrmax1max2222121.szziiTrTrFrrrr二、螺栓组联接的受力分析4、 受倾覆力矩M的螺栓组联接1122.zzFLF LF LM1212.zzFFFLLL111022212.zMLFFLLLmaxm

16、ax21ziiMLFL二、螺栓组联接的受力分析4、 受倾覆力矩M的螺栓组联接受倾覆力矩的螺栓组联接除要求螺栓强度足够外，还应保证接合面既不出缝隙也不被压馈接合面右端应满足：接合面左端应满足：ppppppWMAFzmaxmaxmax00minmaxminWMAFzpppp一 、改善螺纹牙上载荷的分配一 、改善螺纹牙上载荷的分配均载螺母一 、改善螺纹牙上载荷的分配均载螺母一 、改善螺纹牙上载荷的分配均载螺母二、提高疲劳强度1 减小应力幅减小螺栓刚度螺母下加弹性元件、中空螺杆、减小螺杆直径增大被联接件刚度去掉弹性密封垫、加密封环二、提高疲劳强度2 减小应力集中二、提高疲劳强度球形垫片二、提高疲劳强度

17、一 、螺旋传动的类型和应用二 、滑动螺旋的失效形式和材料三、滑动螺旋的设计计算螺旋传动装置的工作原理通过螺纹结构，将回转运动转化为轴向直线运动，同时传递能量和力。螺旋传动常用的运动形式：1、螺杆原位转动、螺母移动，多用于机床进给机构；螺旋传动常用的运动形式：2、螺母固定、螺杆转动和移动，多用于螺旋压力机构中；螺旋传动常用的运动形式：3、螺母原位转动、螺杆移动，用于升降装置。螺旋传动的特点优点传动比大精度较高能够实现自锁结构简单传动平稳无噪音缺点磨擦磨损大，效率较低螺旋传动的特点传动比大传动比大，从而可用较小的转矩得到较大的轴向推力常用于起重，夹紧等 螺旋传动的特点精度较高能够准确地调整直线运动

18、的距离和位置。常用于精密机械和测量仪器，特别适用于一些机构的微细调节。 螺旋传动的特点能够实现自锁适用于垂直举起重物的机构自锁压纸机螺旋传动的特点能够实现自锁对于水平推力的运动机构也能在任意位置得到精确定位如水平运动的机床工作台进给机构夹紧装置 螺旋传动的特点能够实现自锁螺纹升角是指，在中径圆柱上，螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面间的夹角螺纹升角小，使得摩擦力的轴向分力大于正压力的轴向分力，发生自锁 螺旋传动的特点结构简单传动平稳无噪音摩擦磨损大，效率较低螺旋传动的分类按用途传力螺旋传导螺旋调整螺旋 传力螺旋夹紧装置夹紧装置千斤顶千斤顶压纸机压纸机千斤顶千斤顶传力螺旋能以较小的转矩获得很大轴

19、向力滑动摩擦螺旋螺母转动，螺杆直线移动千斤顶千斤顶传导螺旋齿齿轮轮实实验验仪仪小小型型车车床床调整螺旋收音机的调整螺旋收音机的调整螺旋微调螺旋微调螺旋螺旋测微器螺旋测微器总结（1）传力螺旋主要用于传递动力，如起重螺旋、轧钢机压下螺旋等 。特点：通常要求具有自锁能力。（2）传导螺旋主要用于传递运动、如机床进给螺旋等。特点：传动精度较高，运转轻便灵活。 （3）调整螺旋 主要用于调整、固定零件的相对位置，如机床夹具、仪器和等。特点：受力较小，微量或快速地调整固定零件的相对位置。 螺旋传动的分类按螺旋副的摩擦性质滑动摩擦螺旋滚动摩擦螺旋静压螺旋滑动摩擦螺旋滚动摩擦螺旋静压螺旋优点：结构简单、容易制造、

20、传力较大、能够实现自锁要求，应用广泛。缺点：容易磨损、传动效率低滚动摩擦阻力小传动效率高90%流体摩擦传动效率高90%二 、滑动螺旋的失效形式和材料螺旋受力分析：滑动螺旋工作时，螺杆承受轴向载荷和转矩；螺杆和螺母的螺纹牙承受挤压、弯曲和剪切滑动螺旋的失效形式有：螺纹磨损、螺杆断裂、螺纹牙根剪断和弯断，受压螺杆很长时还可能失稳螺杆的材料：要求有足够的强度，常用35、45号钢;需经热处理以达到高硬度的重要螺杆，则常用合金钢，如65Mn、40Cr、T12、20CrMnTi等螺母材料：除要有足够的强度外，还要求在与螺杆配合时摩擦系数小和耐磨常用材料有铸造青铜，如ZCuSn10Pb1, ZCuSn5Pb5Zn5重载低速使用强度较高的铸造青铜ZCuAl10Fe3或铸造黄铜ZCuZn25Al6Fe3Mn3 低速不重要的螺旋传动也可用耐磨铸铁或灰铸铁三、滑动螺旋的设计计算1 、耐磨性计算耐磨性计算主要是限制螺纹工作表面的压强，以防止过度磨损假想螺纹牙可以展成一长条，设螺旋的轴向载荷为F，螺母旋合高度为H、螺距为p，螺纹旋合圈数为Z=H/p、螺纹工作高度为h、承压面积为A，螺纹工作面上的压强为 ps。则螺纹的耐磨性条件为： 22sFFFpppAd hZd hH讨论：d2,H,p若按耐磨性条件设计螺纹中径d2时，可引用系数:对于矩形和梯形螺纹，h=0.5p, 则对于锯齿形螺纹，h=