第6章 螺纹连接与螺旋传动

第6章 螺纹连接与螺旋传动 第六章 螺纹连接与螺旋传动 螺纹连接是应用极为广泛的一种可拆连接、其结构简单，装拆方便，连接可靠。螺纹零件的用途有两种:一种是把需要相对固定的零件用螺纹零件连接起来，称为螺纹连接;另一种是利用螺纹把回转运动转换为直线运动，称为螺旋传动。虽然用途不同，但有一个共同的特点，它们都是利用具有螺纹的零件进行工作的。 6(1 螺纹连接的基础知识 6(1(1螺纹的形成和分类 1.螺纹的形成 如图6 - 1所示 直角三角形的斜边从起点开始在圆柱体柱面上包绕，且一直角边与A 圆柱体轴线平行，则斜边在圆柱体柱面上就形成一条螺旋线，称为单线螺纹。三角形的斜边与底边的夹角ψ，称为螺纹升角。如果在圆柱体起点位置点的对称点点作为一新的起AB点位置，又会得到一条新的螺旋线，称为双线螺纹，同理可得到更多线数的螺纹，称为多线螺纹。从方便制造考虑，一般不采用四线以上的螺纹。单线螺纹主要用于连接，多线螺纹主要用于传动。 图6 - 1 螺纹的形成 2.螺纹的分类 (1)根据螺纹轴向剖面的形状 ，常用的螺纹牙型有:三角形、矩形、梯形和锯齿形等，如图6 - 2 所示。 (2)根据螺纹的用途，可分为连接螺纹和传动螺纹。 连接用的三角形螺纹有:普通螺纹、英寸螺纹(圆柱形管螺纹和圆锥管螺纹)。 o普通螺纹的牙形角为60 ,分粗牙螺纹和细牙螺纹。一般连接多用粗牙螺纹，粗牙普通螺纹的基本尺寸见表6 – 1 87 图 6 - 2 螺纹的牙型 普通螺纹的当量摩擦系数大，自锁性能好，螺纹牙的强度高，广泛应用于各种紧固连接。 细牙螺纹的螺距小，自锁性能好，对连接零件强度削弱小，一般适用于薄壁零件的连接.但细牙螺纹不耐磨，易滑扣，不宜于经常装拆。 o 管螺纹为英制螺纹，牙形角为55 ，公称尺寸为管子的内径。圆锥管子螺纹多用于要求密封性好而且耐高温、高压的场合。 ooo 传动用的螺纹有:矩形螺纹、梯形螺纹、锯齿形螺纹，其牙型角分别为0 、30 和33 . 矩形螺纹传动效率高，但牙根强度低，而且螺旋副后的间隙不能补偿，降低了传动精度， 矩形螺纹属非标准螺纹，应用受到了一定的限制。 梯形螺纹加工工艺性好，牙根强度高，螺旋副对中性好，可调整间隙，被广泛的应用，如机床的丝杠。 锯齿形螺纹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 88 的传力螺旋。 (3)根据螺纹所处的表面，可分为外螺纹、内螺纹。在圆柱体表面上形成的螺纹称为外螺 纹，如螺栓的螺纹;在圆柱孔内壁上形成的螺纹称为内螺纹，如螺母的螺纹。 (4)根据螺旋线的绕行方向可分为:左旋螺纹，如图6 – 3 (a)所示;和右旋螺纹，如图6 – 3(b)所示。 图 6 - 3 螺纹的旋向 6. 1. 2 螺纹的主要参数 现以圆柱螺纹为例介绍螺纹的主要参数。 如图6 – 4 所示 图6 - 4 螺纹的主要参数 (1) 大径 (D) : 螺纹的的公称尺寸，外螺纹牙顶，内螺纹牙根处圆柱直径。 d (2) 小径 () :螺纹的最小直径，外螺纹牙根，内螺纹牙顶处圆柱直径。 Dd 11 (3) 中径 ():轴向剖面内牙厚等于牙间宽处的圆柱直径。 dD 22 89 (4) 螺距 : 相邻两螺纹牙对应点间的轴向距离。 p (5) 牙形角 : 轴向剖面内螺纹牙两侧面的夹角。 a (6) 导程 : 沿同一条螺旋线，相邻两螺纹牙对应点间的轴向距离。 s 单线螺纹 ,多线螺纹. s,ps,zp (7) 螺旋线数 : 形成螺纹的螺旋线数目。 z (8) 螺旋升角 ψ:中径圆柱面上螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线平面间的夹角。 zp, tan,,,d2 (9)牙廓的工作高度 : 螺栓和螺母的螺纹圈发生接触的牙廓高度，它是沿径向测量h 的，等于外螺纹外径和内螺纹内径之差的一半。 6. 2 螺纹连接的类型及螺纹连接件 6 .2. 1 螺纹连接的类型 螺纹连接的基本类型主要有螺栓连接、双头螺柱连接、螺钉连接和紧定螺钉连接,四种基本类型,见表6 – 2 。 1. 螺栓连接 螺栓连接的结构特点是被连接件的预制孔为通孔,孔中不切制螺纹。螺栓连接按螺栓受 力情况可分为普通螺栓连接和铰制孔螺栓连接。 普通螺栓连接:螺栓与孔中有间隙,被连接件通过螺栓与螺母的旋合而连接在一起. 工作载荷使螺栓受拉伸。铰制孔螺栓连接:被连接件的预制孔孔壁光滑，尺寸精度高,孔与螺栓多采用基孔制过度配合，工作载荷使螺栓受剪切和挤压。 螺栓连接的优点是构造简单,装拆方便，成本低,使用时不受被连接件的材料限制.应用广泛. 2. 双头螺柱连接 双头螺柱连接的结构特点是被连接件之一为盲孔， 孔中切制螺纹。双头螺柱的两端也均有螺纹,螺柱的一端旋入有螺纹的盲孔中,另一端穿过另一被连接件的预制孔并用螺母旋合实现连接。 双头螺柱连接的优点是对需要经常拆装的连接,而且被连接件之一较厚,拆卸时只需旋下螺母,保护了盲孔中的螺纹不至于过早失效。 3. 螺钉连接 螺钉连接省去了螺母,螺钉直接旋入被连接件之一的螺纹孔中实现连接,用于不需要经 常拆卸的连接,结构比较简单. 4. 紧定螺钉连接 将紧定螺钉旋入被连接件之一的螺纹孔中,其末端顶住另一被连接件的表面的凹坑中,用以固定两零件之间的相对位置,实现轴与轴上零件的连接.一般不传递力和力矩. 90 表6 - 2螺纹连接的主要类 类型 构造 特点及应用 尺寸关系 螺纹余留长度 l1 静载荷 ?(0.3,0.5)d l1 冲击载荷或弯曲载荷 ?d l1 螺 用于被连接件为通孔的情 变载荷 ?0.75d l1况,装拆方便,损坏后容易栓 更换,不受被连接件材料的 铰制孔用螺栓 应梢大于螺l1限制,成本低. 连 纹受尾部分长度 接 螺纹伸出长度?(0.2 , l 2 0.3)d 螺栓轴线到被连接件边缘的距 离e = d + (3,6)mm 通孔直径 d? 1.1d o 双 盲孔拧入深度 视材料而定 l 3头 用于被连接件为盲孔的情螺 钢 或青铜 = d l况, 被连接件需要经常拆 3柱 卸时 连 铸铁 = (1.25,1.5)d l 3 接 铝合金= (1.5,2.5)d l 3 螺纹孔的深度 = +(2,ll34 2.5)d 螺 用于被连接件为盲孔的情钉 钻孔深度 = +(0.5,1)d ll 54况, 被连接件很少拆卸时 连 接 、 、同螺栓连接 lle21 91 紧 用以固定两零件间的相互位置,定 一般不传递力和转矩 螺 钉 连 接 除了上述基本螺纹连接形式外，还有一些特殊结构的螺纹连接:专门用于将机座或机架固定在地基上的地脚螺栓连接，装在机器或大型零、部件的顶盖或外壳上便于起吊用的吊环螺栓连接，用于工装设备中的T型槽螺栓连接。见表6 – 3 。 表6-3特殊结构的螺纹连接 6. 2. 2 螺纹连接件 螺纹连接件的种类很多,大多已标准化。 常见的有:螺栓、双头螺柱、螺钉、螺母和垫圈,可根据有关标准选用。 表6 – 4 列出了标准螺纹连接件的图例、结构特点及应用。 92 表6 – 4 常用标准螺纹连接件 名称 图 例 结构特点及应用 种类多，应用广，螺纹精六 度分A、B、C 三级，C 级使用角 较多，螺栓杆部分可制出一段头 螺纹或全部螺纹 螺 栓 两端均有螺纹，两端螺纹 可相同或不同，有A 型、B 型双 两种结构。一端旋入厚度大、头 不便穿透的被连接件，另一段 螺 用螺母旋紧 柱 头部形状有圆头、扁圆 头、内六角头、、圆柱头、沉 头，起子槽有一字槽、+字槽、螺 内六角孔形状。+字槽强度高钉 操作方便，便于自动装配。内 六角孔连接强度高，可代替六 角头螺栓 头部形状有圆头、平头、 半沉头和沉头，起子槽有一字自 槽、+字槽等形式。末端形状攻 有锥端、平端两种。用于连接螺 金属薄板、塑料等。使用时在钉 预制孔或无孔处自攻出螺纹。 93 常用的末端形状有锥端、 平端、圆柱端，被紧定件硬度紧 低，不常拆卸时用锥端，被紧定 定件硬度高或经常拆卸时用螺 平端。圆柱端压入被紧定件凹钉 坑用于紧定空心轴上的零件 六 有标准型、薄型两种螺母角 与螺栓的制造精度对应，分A、螺 B、C三级，分别与同级别的螺 母 栓配用 圆螺母与止退垫圈配用，圆 装配时垫圈外舌嵌入螺母槽螺 内，内舌嵌入轴槽内，可防螺母 母松脱，常用作滚动轴承轴向 固定 垫圈是螺纹连接中常用 的附件，用于螺母于被连接件 之间，保护支撑面。平垫圈按垫 加工精度不同分A、c两种，圈 用于同一螺纹直径的垫圈又 分特大、大、普通、小四种规 格特大的主要用于铁木结构，斜垫圈用于倾斜的支承面 94 6.3螺纹连接的预紧与防松 6.3.1螺纹连接的预紧 在使用螺纹连接进行装配时，多数情况下都要拧紧到一定程度，防止被连接件受工作载荷以后，结合面产生缝隙和相对移动，以增强连接的可靠性、紧密性与防松能力，这个过程称为预紧。 预紧使螺栓受轴向拉力，称为预 紧力.预紧力的大小直接影响到螺 Q0 栓连接的安全性。 为了充分发挥螺栓的工作能力和 保证预紧的可靠性，螺栓的预紧力一 般达到材料屈服极限的50,70%。对 于一般的连接，可凭据经验来控制预 紧力Q的大小。对于重要的连接, 图6 - 4 测力矩扳手和定力矩扳手 0 (a)测力矩扳手 (b)定力矩扳手 可以按照要求的预紧力数值，使用测力矩扳手或定力矩扳手，如图6–4所示。测力矩扳手，在拧紧螺栓时可以指示数值;定力矩扳手在达到需要的力矩后，即可自行打滑。 对批量产品的装配可使用电动扳手，利用电机的转矩控制拧紧力矩。连接螺栓在工作时所需的预紧力QT产生的拧紧力矩T由两部分组成:一部分用以克服螺纹中的阻力矩，另 01 T一部分用以克服螺母支承面上的摩擦阻力矩T,即= T+ T.实际应用中对M16,M64 212 的粗牙普通螺纹,无润滑时可取 T,0.2Qd0 式中为螺栓直径, 一般情况下凭经验拧紧螺母预紧力难以准确控制,有时可能使螺拧d 得过紧,甚至将螺栓拧断,故对于重要的连接不宜用小于M12,M16的螺拴. 6.3.2 螺纹连接的防松 连接螺栓在静载荷和温度变化不大的工作场合,由于连接螺栓满足自锁条件不会自动 松脱,但是在冲击、振动、变载荷或温度变化很大时,连接可能自动松脱，影响连接的牢固性和紧密性,甚至造成严重事故. 螺纹连接防松的根本问题在于要防止螺纹副的相对转动.防松的方法很多,按其工作原理可分为三类: (1)摩擦防松 ; (2)机械防松; (3)其他防松 。 见表6 – 5 。 95 表6 - 5螺纹连接的防松方法 96 6.4 螺栓组连接的结构设计 机器设备中螺栓常常成组使用，因此，必须根据其用途和被连接件的结构设计螺栓组。螺栓组连接结构设计的主要目的在于合理地确定连接结合面的几何形状和螺栓的布置形式，基本原则是:力求使各螺栓或连接结合面间受力均匀，便于加工和装配。为此，进行螺栓组连接设计时应综合考虑以下几个方面的问题。 6.4.1连接结合面的设计 连接结合面的形状和机器的结构形状相适应, 一般将结合面形状设计成轴对称的简单几何形状,螺拴组的对称中心和结合面的形心重合,使结合面受力均匀.如图6 – 5所示。 图6 - 5 结合面的形状设计 图 6 - 6 结合面受弯矩或 扭矩时螺栓的布置 6.4.2 螺栓的数目及布置 图 图6 - 7 扳手空间尺寸 1. 螺栓布置时应使各螺栓的受力合理。对于配合螺栓连接，不要在平行于工作载荷方向上成排地布置八个以上的螺栓，以免载荷分布过度不均。当螺栓组连接承受扭矩T时，应 M保证螺栓组的对称中心和结合面形心重合;当螺栓连接承受弯矩时，应保证螺栓组的对称轴与结合面中性轴重合。如图6 - 6所示。同时要求各个螺栓尽可能离形心和中性轴远 97 一些。这样可以充分和均衡地发挥各个螺栓的承受能力。 2. 螺栓的布置应有合理的间距和边距，以便保证连接的紧密性和装配时所需的扳手操作空间。如图6 – 7所示。 3.分布在同一圆周上的螺栓数尽量取偶数(如3、4、6、8、12等)，以方便分度和划线。同一螺栓组中螺栓的材料、直径和长度应尽量相同。 6.4.3采用减载装置，减小螺栓的受力 对于螺栓组同时承受较大的载荷(尤其是横向载荷)时，可以采用减载销、减载套筒、减载键等卸荷装置来分担工作载荷，而螺栓仅起连接作用。这样不仅预紧力小，而且结构紧凑。如图6 – 8所示 图6 - 8 减载装置 6.5单个螺栓连接的强度计算 螺栓连接在应用时常采用多个螺栓成组使用。根据对螺栓组的受力分析，可求出螺栓组中受力最大的螺栓，从而使整个螺栓组的强度计算简化成受力最大的单个螺栓强度的计算。 当螺栓的材料确定以后，螺栓强度的计算实质上是确定螺栓的直径或核算其危险截面的强度。螺母、垫圈不必进行强度计算可直接按公称尺寸选择合适的标准件。 根据螺栓连接的工作情况，螺栓受力形式分为受拉螺栓和受剪螺栓，受拉螺栓主要的失效形式为螺纹部分的塑性变形和断裂。为了简化计算，取螺纹的小径为危险截面的直径，从而建立相应的强度条件。 6. 5. 1.松螺栓连接 松螺栓连接在承受工作载荷前不拧紧， 只在承受工作载荷时螺栓才受到拉力的作用。 如图6 – 9 所示的起重吊勾上的螺纹连接. 这种连接的强度计算只要保证螺栓的危 险剖面上的工作应力不超过螺栓材料的许用 应力就可以了。 设螺栓工作时的最大轴向载荷为,螺栓 F d的危险剖面直径一般为螺纹牙根处直径 ， 1 其强度条件为 图6 - 9 起重机吊钩 98 F4F,,,,,,, ( 6 - 1 ) 22dd,,11 4 式中 为螺纹的小径,单位为mm; d1 []为松螺栓连接的许用拉应力 Mpa, []=s/S ,,, 为安全系数。(见表6 - 6) S 由上式可得设计公式为 4F ( 6 - 2 ) ,d1,,,, 计算出 后,可从螺纹尺寸表确定螺纹的公称尺寸 . dd1 6.5.2受横向外载荷的紧螺栓连接 1.采用普通螺栓连接 如图6 - 10 所示为普通螺栓连接，被连接件承受垂直于轴线的横向载荷。因螺栓杆R与螺栓孔之间有间隙，故螺栓杆不直接承受横向载荷 ,而是先拧紧螺栓，使被连接零件R 表面产生压力 ,从而使被连接件结合面间产生 Q0 的摩擦力来承受横向载荷。如摩擦力之总和 大于或等于横向载荷 ，被连接件之间不会 R 相互滑移，故可达到连接的目的。 由于预紧力的存在，被连接件结合面在 横向外栽荷R的作用下产生摩擦力,工作 Qf0 时应满足 RQ ƒ? 0 若考虑连接的可靠性和结合面的数目， 图6 - 10 普通螺栓连接 上式可改写为 (6 – 3) Q,cRZmf0 z若摩擦系数 = 0.15 , 可靠性系数c = 1.2结合面数= 1,螺栓数 = 1, 则 mf Q,8R 0 这种靠结合面产生摩擦力抵抗外载荷的普通螺栓连接，其螺栓所受的预紧力为横向外栽荷的8倍,从而大大增加了螺栓连接的结构尺寸。螺栓尺寸大，结构笨重,不经济，靠摩擦力来承受外栽荷不十分可靠，特别是在冲击栽荷的情况下更是如此。即便如此，但实际生产中还是经常采用。 由于紧螺栓连接在承受工作载荷前须先拧紧螺母(即预紧)，拧紧螺母时螺栓一方面受到拉伸，另一方面又因螺纹中的阻力矩的作用受到扭转，因此危险截面上既有拉应力又, 99 有扭转剪应力，使螺栓螺纹部分处于拉伸与扭转的复合应力状态。为了简化计算将紧螺栓, 连接的强度计算按纯拉伸计算，考虑螺纹中的阻力矩的影响，不过要将预紧力增大30% . 螺栓危险截面处的强度条件为 1.3Q5.2Q00,,,,,,, ( 6 - 4) 22dd,,11 4 式中 [σ]为螺栓材料的许用拉应力Mpa，见表6 - 6 ; Qo 为螺栓的预紧力 由式(6 -4)可得到螺栓小径的设计公式为 5.2Q0 ( 6 - 5) d,1,,,, 2 .采用铰制孔用螺栓连接 图6 – 11 所示为铰制孔用螺栓的连接。 这种螺栓连接的特点是螺杆与被连接件的孔 (铰制孔)采用基孔制的过渡配合。螺母不必 拧得很紧(预紧力可不考虑)。这种连接依靠 螺杆部分承受剪切和挤压 来抵抗横向外载荷 ,因此，应分别按挤压及剪切强度条件进行 R 计算。 其强度条件为 图6 -11 铰制孔用螺栓连 R,,,,,,,PP,dHZ,0 挤压时: ( 6 - 6 ) ,R,d,0,,,HZ,P, 4R,,,,,,2,dNZ0 剪切时: ( 6 - 7 ) 4R,d0,,,NZ, R ---- 横向外载荷 (N); Z ---- 螺栓的数目; ---- 挤压面长度 (mm) ， 图6 –11 中与取较小值; HHH ,21 ---- 剪切面数 ; N ---- 螺栓与孔配合处直径 (mm); d0 [] ---- 螺栓的许用剪应力(Mpa)， 见表6 - 6 ; , [] ---- 螺栓与孔壁的许用挤压应力(Mpa )，见表6 - 9 。 ,P 100 6.5.3受轴向外载荷的紧螺栓连接 图6 – 12 所示为汽缸盖与缸体的螺栓连接，工作载荷方向与螺栓轴线方向一致。当工作载荷作用时，汽缸盖与汽缸体的结合面上必须保持一定程度的压紧，连接中的各个螺栓受力程度相同，则每个螺栓的平均轴向工作载荷为 图6 - 12 汽缸盖与缸体的螺栓连接 图6 - 13 单个螺栓连接的受力变形图 2pD, ( 6 - 8 ) Q,w4Z DZ 式中: p为汽缸内气压; 为缸径; 为螺栓数。 图6 – 13(a)所示为螺母未拧紧。图6 – 13(b)所示为已拧紧螺母，由于预紧力Q0的作用使螺栓伸长δ被连接件受预紧力的作用被压缩δ 图6 – 13(c)所示为承受工作Q1 20 载荷以后螺栓又伸长了Δδ，而被连接件的压缩量也减少了Δδ。 QW 因此螺栓的伸长量为 δ + Δδ 1 螺栓所受到的拉力为 增至 QQ0 被连接件的压缩量为 δ - Δδ 2 ,,被连接件所受的压力也相应的减少，压力由 减至 . 称为残余预紧力。这QQQ000 ,时螺栓所受的拉力应为工作载荷与残余预紧力之和，即 QQQW0 / (6 – 9) Q,Q，QW0 图6 – 14 所示为螺栓和被连接件的受力和变形关系图,图中直线为螺栓的受力变OA形关系线,为被连接件的受力变形关系线. OB1 101 拧紧前螺栓和被连接件的变形量为零, 所以直线及上的对应点的纵坐标 OBOA1 为零,此时螺栓和被连接件均不受力,预紧 后螺栓伸长量为δ,被连接件压缩量为δ, 1 2 直线及上对应点的纵坐标为 , OBQOA10 表示螺栓受预紧力. Q0 当工作载荷加上以后螺拴的伸长 QW 量变为δ+Δδ,被连接件的压缩量变为 图6 - 14螺栓和被连接件的受力-变形图 1 δ-Δδ,此时直线上的对应点的纵 OB21 ,,坐标为,即被连接件所受残余预紧力.直线上对应点的纵坐标为,即螺栓所受QQQOA00 拉力。 Q , 由此可见: QQQ,，W0 因此，受轴向外载荷的紧螺栓连接的设计公式为 4，1.3Q5.2Q = ( 6 - 10 ) d,1,,,,,,,, 强度校核公式则为 1.3Q5.2Q ( 6 - 11 ) ,,,,,,,22d4d,,11 残余预紧力对有紧密要求的螺纹连接很重要(如汽缸盖与缸体的螺栓连接),被连接件 ,,结合面必须保持一定的残余预紧力 。 的大小可按工作条件根据经验选定。 QQ00 , 工作载荷稳定的一般连接 = (0.2,0.6) QQW0 , 工作载荷有变动时 = (0.6,1.0) QQW0 , 对于有紧密性要求的螺栓连接 = (1.5,1.8) QQW0 工作中为了保证有紧密性要求的螺栓连接的可靠性，螺栓的间距必须适当。如图6 - 7 所示的汽缸盖与缸体的螺栓连接，若螺栓分布圆的直径为,螺栓间距为,则螺栓数目 DL00 D,0 Z ,L0 式中可根据汽缸内的工作压强 , 由下表确定。并且注意螺栓数在等径圆上应便pL0 102 于分度。 6.6 螺纹连接件的材料及许用应力 螺纹连接件的常用材料为低碳钢和中碳钢,如Q215、Q235、、35和45钢等，对于承受冲击,振动和变载荷的螺纹连接件,可采用合金钢,如15Cr、20Cr、40Cr、30CrMnSi等,对有特殊使用要求的(防蚀/耐高温/导电)可采用特种钢及合金材料。螺纹连接件的常用材料的力学性能见表6 - 6. 表6-6 螺纹连接件的常用材料及力学性能 强度极限(Mpa) 屈服极限(Mpa) ,,钢号 试件尺寸(mm) bs Q215 335 , 410 215 d?16 Q235 375 , 460 235 35 530 315 d?25 45 600 355 40C 981 785 r 注:螺栓直径d小时，取偏高值。 螺栓连接的许用应力[σ]和安全系数S见表6 – 7，和表6 – 8. 表6-7 螺栓连接的许用应力和安全系数 103 表6-8 紧螺栓连接的安全系数S(不控制预紧力) 表6-9结合面材料的许用挤压应力，,, ,P 材料 钢 铸铁 混凝土 木材 (0.4,0.5) 0.8,,,, ,2.0,3.0 2.0,4.0 ssP 注:1.当结合面材料不同时，应按材料强度较弱者选取; 2.静载荷时取较大值，变载荷时取较小值。 6 – 1】 如图6 - 15 所示【例 用8个普通螺栓连接,为一凸缘联轴器, 螺栓均布在D= 195的直径上, mm 1 需要联轴器传递的转矩 T = 1.1,试确 KN,m 定螺栓的直径. d 【解】 1.分析螺栓组的受力 转矩通过螺栓连接传递， 并且作用在连接结合面的螺栓上, 单个螺栓所受的圆周力 图6 - 15凸缘联轴器螺栓组连接 ,,2T,,,,DT1.1，1000,1,R,,,,1400N 84D4，0.1951 用普通螺栓连接,螺栓与孔之间有间隙,需靠结合面之间的摩擦力传递转矩,因此螺栓 装配时要拧紧,属于受横向载荷的紧螺栓连接预紧力，对单个螺栓而言，其大小为 cR1.2，1400 Q,,,10580N0Zmf1，1，0.16 式中,可靠性系数c(通常可取1.1,1.3)取为1.2,摩擦系数f取为0.16,结合面数m c 104 取为1。 2.选择螺栓材料 选螺栓的材料为45钢,=355Mpa(表6 – 5).按试算法,假定螺栓直径 = 6 , 16m, ,ds 设装配时不控制预紧力,由表6 - 7取安全系数 = 3,由表6 – 6得螺栓的许用应力为 S 355,s Mpa ,,,,,118.33,33 3.计算螺栓直径 由式(6 – 5)得螺栓内径为 5.2Q550000 mm ,,,12.16d1,,,,371.74 按GB/T196-1981查得M16螺栓= 16 mm , = 13.83 mm,12.16mm可满足强度要dd1 求故说明选择M16的螺栓是合适的。 6.7 提高螺栓连接强度的措施 螺栓连接主要取决于螺栓的强度.螺栓的失效形式多为螺杆部分的疲劳断裂,通常发生 在应力集中较严重部位，即螺栓头螺杆的根部、螺杆上螺纹牙的根部、螺母支承平面螺杆螺 纹部位。下面介绍一些常用的提高普通螺栓强度的措施. 6.7.1.改善螺纹牙间载荷分配不均现象 由于螺母与螺栓受力后,变形不一样, 螺纹牙的受力也是不均匀的。从螺母支承 面算起,第一圈受载最大,以后各圈递减。 旋合圈数越多螺纹牙间载荷分配不均现 象越严重，到第8圈以后的螺纹基本不受 力。因此采用螺纹圈数多的厚螺母并不能 提高连接的强度。 图6 - 16 均载螺母结构 105 为了使螺纹牙间的受力比较均匀，可采用以下方法: (1)悬置螺母。如图6 – 16(a)所示,螺母的旋合部分全部受拉，其变形性质与螺栓相同，从而可以减少两者的螺距变化差，使螺纹牙上的载荷分布趋于均匀。 (2) 环槽螺母。如图6 – 16(b)所示,这种结构可使螺母内缘下端(螺栓旋入端)局部受拉，其作用和悬置螺母相似，但载荷均布的效果不及悬置螺母。 00 (3)内斜螺母。如图6 – 16(c)所示，螺母支承端受力大的几圈螺纹处制成10,15的斜角，使螺栓螺纹牙的受力面由上而下逐渐转移。这样，可使各圈螺纹牙的受力趋于均匀. (4)兼有环槽螺母和内斜螺母作用的螺母结构。如图6 – 16(d)所示。 6.7.2.减小螺栓的应力变化幅度 螺栓应力变化的幅度直接影响其疲劳强度,应力变化幅度越小,疲劳强度越高.增加被连接件的刚度或减小螺栓的刚度均可以使应力变化幅度减小。 为了减小螺栓的刚度，可适当增加螺栓的长度，或采用腰杆状螺栓(见图6 - 17a)和空心螺栓(见图6 - 17b),也可在连接螺母下安装弹性元件，适当降低螺栓刚度(见图6 – 18)。 (a) (b) 图6 - 17腰杆状螺栓和空心螺栓 图6 - 18螺母下安装弹性元件 为了增大被连接件的刚度，可以适当增大被连接件部位的尺寸，甚至不用垫片或采用刚 度较大的金属垫片. 对具有密封性要求的汽缸螺栓连接,采用较软件的汽缸垫片并不合适， 可用采用刚度较大的金属垫片或 密封环较好(见图6 – 19 )。 图6 – 19 汽缸盖密封方案 106 6.7.3.减小应力集中 在连接螺栓上通常发生应力集中较严重的部位,从结构上加以改进.例如;适当增加螺 纹牙根圆角半径、螺栓头与螺杆结合部位圆角半径、螺杆上螺纹牙的根部加工退刀槽等措 施来减小应力集中,提高螺栓的疲劳强度。 6.7.4.避免或减小附加弯曲应力 由于螺母支承面歪斜、装配不良、设计结构不合理等，都会使连接螺栓承受偏心载荷。 螺栓杆除受拉伸外，还要受附加弯曲应力，这对螺栓疲劳强度的影响很大。对此，采用斜垫圈(见图6 – 20 a);球面垫圈(见图6 – 20 b);在结合面不太平整的连接件表面采用凸台(见图6 – 20c )或沉孔(见图6 – 20 d)等结构，均可减小附加弯曲应力的影响。 图 6 - 20避免或减小附加弯曲应力的措施 6.7.5.改进螺栓的制造工艺 在螺栓的制造工艺上采取冷镦螺栓头部,碾压螺纹的方法,其疲劳强度比车削螺纹 提高30% 。另外氰化、氮化等表面硬化处理也能提高螺栓的疲劳强度. 6. 8 螺旋传动 6.8.1 螺旋传动的类型及应用 螺旋传动是利用螺杆和螺母组成的螺旋副，将回转运动转变为直线运动。可用于传递运动和动力。 1.按用途分类 螺旋传动按使用要求的不同可分为三类: (1). 传力螺旋 以传递动力为主，要求以较小的转矩获得较大的轴向力。广泛应用 于各种起重或加压装置中，如图6 – 21(a) 所示。 (2). 传导螺旋 以传递运动为主，要求传动的运动精度高。常用于机床刀架或工作 台的移动控制，如图6 – 21(b)所示。 (3). 调整螺旋 用来调整并固定零件或部件之间的相对位置，例如机床、仪器和测量 装置中微调机构的螺旋传动，如图6 – 21 (c)所示量具中螺旋传动的应用。 107 图6 - 21 螺旋传动的类型 2.按螺杆与螺母相对运动方式分类 其相对运动形式有下面四种:(如图6 – 22所示) (a).螺母固定不动，螺杆旋转并往复移动;(千斤顶) (b).螺杆固定旋转，螺母作直线往复移动;(机床丝杠) (c).螺杆固定不动，螺母旋转并沿直线运动;(应用较少) (d).螺母固定旋转，螺杆作直线运动。(应用较少) 图6 - 22螺旋传动的运动方式 3.按摩擦性质分类 螺旋传动根据螺纹之间的摩擦性质不同，可以分为:滑动螺旋、滚动螺旋和静压螺旋。滑动螺旋结构简单，制造成本低，被广泛应用。 108 6.8.2 滑动螺旋传动简介 滑动螺旋结构简单，由螺母与螺杆组成，由于螺母和螺杆的啮合是连续的，所以工作平稳无噪音。因为啮合时接触面积大，故承载能力强。当选择合适的参数时还可以使传动实现自锁(即反向锁止)，尤其对起重机以及调整装置有很重要的意义。 滑动螺旋在工作时，螺旋面上受很大的压力并且产生相当大的滑动，磨损是其主要失效形式。由于摩擦力的影响，螺旋传动效率低(一般0.25,0.70)，具备自锁的条件下，效率小于50% 。为了降低磨损，螺母的材料通常选用耐磨性较好的青铜和铸铁。耐磨性要求较高时，可选用铸锡青铜ZQSn10–1 , ZQSn6–6-3 ;重载时可采用强度较高的铸铝青铜ZQA1 9-4;轻载时可采用耐磨铸铁或灰铸铁。螺杆的材料通常采用具有一定硬度的钢，硬度要求不太高时可采用45，50钢;硬度要求比较高的重要螺杆，可采用40Cr、65Mn、T10、T12钢。 滑动螺旋磨损后螺旋副产生间隙，运动精度受到直接影响。静压螺旋属滑动螺旋是滑动螺旋的升级版，其工作原理是在螺母与螺杆的螺纹牙之间注入压力油，利用油压来平衡外载荷，隔开螺母和螺杆螺纹牙的接触面。静压螺旋传动摩擦损失小、寿命长、效率高(可达0.99)，传动精度高，但结构复杂，并且需要附加供油系统。 6.8.3 滚动螺旋传动简介 滚动螺旋传动是在螺母和螺杆之间的螺纹滚道内充填有滚珠，滚道为封闭循环式。当螺母和螺杆相对转动时，滚珠沿滚道滚动。滚动螺旋传动以滚动摩擦代替了滑动摩擦，摩擦阻力小，效率提高到0.90以上，调试中还可以利用预紧消除螺母和螺杆增之间的轴向间隙使传动精度和轴向刚度得到提高。滚动螺旋传动具有运动可逆性,为了防止机构逆转,需有防逆装置,由于滚珠与滚道为点接触,其承受载荷和抗冲击的能力差,且结构复杂，制造较困难,成本也高。滚动螺旋传动主要应用在对传动精度和效率要求高的重要传动中，例如;飞机起落架和机翼的控制机构、精密机床的传动机构等。 滚动螺旋传动按滚珠循环方式分为内循环和外循环两类。 内循环滚动螺旋如图6 - 23所示，钢珠在整个循环过程中始终不脱离螺旋表面。内循环螺母上开有侧孔，孔内镶有反向器将相邻两螺纹滚道联通起来，钢珠越过螺纹顶部进入相邻滚道，形成一个循环回路。因此，一个循环回路里只有一圈钢珠，设有一个反向器。一个螺母常配2,4个反向器。 图6 - 23 内循环滚动螺旋 图6 - 24 外循环滚动螺旋 外循环滚动螺旋如图6 - 24 所示，钢珠在回路过程中离开螺旋表面称为外循环。外循环螺母前后各设一个反向器，但为了缩短回路滚道的长度，也可在一个螺母中分为两个或三个回路。 109 本章小结 螺纹连接与螺旋传动都是利用螺纹零件进行工作的,前者作为紧固连接用,而后者作为传动用。本章主要介绍了螺纹连接的基本知识,包括螺纹的类型、主要参数、常用螺纹连接件、连接的可靠性、预紧与防松、螺纹连接的强度计算等,同时也介绍了螺旋传动的基本工作原理、类型特点及应用。重点应掌握常用螺纹连接的类型，预紧与防松的慨念，以及强度计算的基本理论与方法，了解螺旋传动的基本类型和应用。 习题与思考题 6. 1 常用螺纹的类型有哪些,分别适用于什么场合, 6. 2 常用的螺纹连接件有哪些,如何应用, 6. 3 常见的螺栓失效形式有哪几种,通常发生在螺栓的什么部位, 6. 4 螺栓连接为什么要防松,具体可以采取哪些措施, 6. 5 什么是预紧力,为什么要控制预紧力,如何控制, 6. 6 在进行螺栓连接强度计算时，为何将螺栓的拉力增加30%, 6. 7 如图6 – 15所示的凸缘连轴器中，若 = 160mm,传递的转矩 =1200N?m(静TD1 载荷)，用4个普通螺栓连接，螺栓材料为45号钢。试下列两种不同的连接情况，确 定螺栓的直径。 d (1)采用普通螺栓连接，安装时不控制预紧力，两半联轴器之间的摩擦系数 = 0.15 . f (2)采用铰制孔用螺栓连接，螺栓杆与联轴器孔壁的最小接触长度为 =15 mm . L min6. 8 螺旋传动根据螺纹之间的摩擦性质不同，将螺旋传动分为哪几类，各有何特点, 6. 9 如下图所示汽缸，缸内气体的压强 = 0.8 Mpa ,汽缸内径D = 400 mm ,连接p 螺栓数目Z = 12 ,要求紧密连接，气体不得泄漏 ，试确定螺栓直径及分布圆直径 。 110