螺紋聯(lián)接與螺旋傳動(dòng)

第13章螺紋聯(lián)接與螺旋傳動(dòng)13-1概述螺紋聯(lián)接和螺旋傳動(dòng)都是利用螺紋零件進(jìn)行工作的，但兩者的工作性質(zhì)并不相同，在技術(shù)要求上也存在差別。聯(lián)接螺紋零件屬于緊固件，要求保證聯(lián)接強(qiáng)度(有時(shí)還要求緊密性)；傳動(dòng)螺紋零件是傳動(dòng)件，要求保證螺旋副的傳動(dòng)精度、效率和使用壽命。13-2螺紋聯(lián)接的主要類型、特點(diǎn)和應(yīng)用螺紋聯(lián)接的主要類型、特點(diǎn)及應(yīng)用螺紋聯(lián)接的主要類型有螺栓聯(lián)接、雙頭螺柱聯(lián)接、螺釘聯(lián)接和緊定螺釘聯(lián)接。常見螺紋聯(lián)接的主要類型、特點(diǎn)及應(yīng)用如表所示。螺紋聯(lián)接的主要類型^3 S i 主要尺孑關(guān)系 待點(diǎn)和應(yīng)用螺釘聯(lián)接?栓喉接雙頭螺柱聯(lián)接腋爍留長(zhǎng)度1普通螺栓聯(lián)接靜載荷ZiXO.3螺釘聯(lián)接?栓喉接雙頭螺柱聯(lián)接腋爍留長(zhǎng)度1普通螺栓聯(lián)接靜載荷ZiXO.3?0.5)d變載荷Zi>0.75d沖擊、彎曲載荷lx>d佼制扎舸檢聯(lián)護(hù)"盡可能小以紋伸出長(zhǎng)處oQ(0?2?0?3)/螺栓軸線到邊緣的距離&日&+(376>mriiV無(wú)需在被聯(lián)接件止切制煤紋，故不受被聯(lián)接件材料的限制丫構(gòu)逍筒單，叢時(shí)fik應(yīng)用r?田千活71.我施”醉址軸兩.邊進(jìn)行裝配的場(chǎng)合座端擰入深度H,當(dāng)螺孔零仔材料為：鋼或青銅H^d鑄鐵H?w(1,.25~1.5)2鋁合金5-2.5治螺紋孔深度HiPW+(2?2.5XP鉆;孔深度円2~從+(0.5~1?/!,?,€值同嫖栓聯(lián)接:雙頭螺柱旋緊在被聯(lián)接件之r的摞孔中，用于因結(jié)構(gòu)'?*￡fH-奧耳不能用媒栓聯(lián)接的地方靳極疾接零件之一太厚)或希的構(gòu)較緊湊的場(chǎng)合不用螺母，重■較輕，在釘屋一端的被聯(lián)接件外部能宥光整的外It表面，應(yīng)用與雙柱相似，但經(jīng)常拆卸易使媒孔損壞，故不宜用于經(jīng)常拆卸處緊定?敘聯(lián)接緊定?敘聯(lián)接累定摞釘1?入一零件的螺紋孔申;井用其末堆頂住另一零件的表面或頂入相應(yīng)的凹坑中，以固定兩零件的相對(duì)位■，并可傳遞不大的力和轉(zhuǎn)磁

13-3螺紋聯(lián)接的預(yù)緊與防松13．3．1螺紋聯(lián)接的預(yù)緊螺紋聯(lián)接預(yù)緊的目的在于增強(qiáng)聯(lián)接的可靠性、緊密性和防松能力，防止受載后被聯(lián)接件間出現(xiàn)縫隙或發(fā)生相對(duì)滑移。擰緊螺母時(shí)，螺栓和被聯(lián)接都受到預(yù)緊力F的作用，擰緊螺母需要的預(yù)緊力矩T是螺紋副的阻力矩T1和螺母與支承面間的摩擦力矩T2的和，即TT1T2。根據(jù)機(jī)械原理可以推得：［F'tg(T2[原理可以推得：［F'tg(T2[rg(13．3．2螺紋聯(lián)接的防松dT1D32F'—02，22D20D3d300]F'dKF'dD2d2t00v，23dd30d2，0（ ），且螺母、螺栓頭支承面的摩擦力矩也有防松作用。因此，聯(lián)接一般不會(huì)自V動(dòng)松脫。但在變載荷、沖擊、振動(dòng)以及溫度變化較大的情況下，螺紋牙間和支承面間的摩擦阻力可能瞬間消失，經(jīng)多次重復(fù)后，聯(lián)接就可能松動(dòng)，甚至松脫，造成嚴(yán)重事故。所以設(shè)計(jì)螺栓時(shí)，必須考慮防松問(wèn)題。防松的基本方法是防止螺紋工作時(shí)產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，凡滿足這個(gè)要求的結(jié)構(gòu)都能防松。按防松的原理可分為摩擦防松、機(jī)械防松、永久止動(dòng)防松三種，13-4螺栓組聯(lián)接的設(shè)計(jì)13．4．1螺栓組聯(lián)接的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)螺栓組聯(lián)接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要目的，在于合理地確定聯(lián)接接合面的幾何形狀和螺栓的布置形式，力求各螺栓和聯(lián)接接合面間的受力均勻，便于加工和裝配。1．聯(lián)接接合面的幾何形狀盡量簡(jiǎn)單，常常使螺栓組的形心和聯(lián)接接合面的形心重合，成軸對(duì)稱的簡(jiǎn)單幾何形狀。2．螺栓的布置應(yīng)使各螺栓的受力合理。3．螺栓排列應(yīng)有合理的邊距和間距。4．同一圓周上螺栓的數(shù)目，應(yīng)盡量取4、6、8等偶數(shù)，便于加工時(shí)分度和劃線。的螺栓材料、直徑、長(zhǎng)度均應(yīng)相同。5．避免螺栓承受附加彎曲載荷。13.4.2螺栓組聯(lián)接的受力分析（1）、受橫向載荷的螺栓組聯(lián)接受橫向載荷的螺栓組聯(lián)接，載荷的作用線通過(guò)螺栓組形心，并與螺栓軸線垂直，1）、鉸制孔用螺栓組聯(lián)接的受力分析橫向載荷R靠螺栓桿受剪切或螺栓桿和孔壁接觸表面的擠壓來(lái)傳遞。F蘭tZ2）、普通螺栓組聯(lián)接的受力分析其橫向載荷R靠接合面間的摩擦力來(lái)傳遞。由力的平衡條件可得：卩F'mz=kf-R，則螺栓的預(yù)緊力為（2）受旋轉(zhuǎn)力矩作用的螺栓組聯(lián)接轉(zhuǎn)矩T作用在聯(lián)接的接合面內(nèi)。在轉(zhuǎn)矩T的作用下，底板將繞通過(guò)螺栓組對(duì)稱中心O并與接合面垂直的軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。為防止底板轉(zhuǎn)動(dòng)，可用普通螺栓聯(lián)接，也可用鉸制孔用螺栓聯(lián)接。其傳力方式與受橫向載荷的螺栓組聯(lián)接類似。1） 普通螺栓連接Fr+ ?F'?r+...+ ?F?r>K?T1 2 zf各螺栓的預(yù)緊力L：K?T—乙+r+…+r） （12-4）1 2 z2）鉸制孔用螺栓聯(lián)接旋轉(zhuǎn)力矩T由各個(gè)螺栓上能受到剪力Ft對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)中心O的矩的和來(lái)平衡。則：F?r+F?r+...+F?r二Tt1 1t2 2 tzz根據(jù)螺栓的變形協(xié)調(diào)條件，各螺栓的剪切變形量與螺栓桿中心到旋轉(zhuǎn)中心O的距離成正比。由于各螺栓的剪切剛度相同，所以各螺栓受到的橫向工作剪力也與這個(gè)距離成正比。F F F―t1=―=…=―tmaxrr r1 2 tmax對(duì)第i螺栓，則有:

FtiT-r i r2+r2+...+FtiT-r i r2+r2+...+r212z當(dāng)ri距離轉(zhuǎn)動(dòng)中心O越遠(yuǎn)，對(duì)應(yīng)螺栓上的剪力就越大。FtmaxT-r 1max r2+r2+...+r212z3）受軸向載荷的螺栓組聯(lián)接葺QZZ對(duì)每個(gè)聯(lián)接螺栓來(lái)說(shuō)，除了承受軸向工作載荷下以外，還有預(yù)緊力F'的作用，其總的軸向拉力并不等于F與F'的和，還必須考慮聯(lián)接件的彈性變形。（4）、受翻轉(zhuǎn)力矩的螺栓組聯(lián)接FL+FL+…+FL=M1122zz根據(jù)螺栓的變形協(xié)調(diào)條件，各螺栓的拉伸變形量與其中心至底板翻轉(zhuǎn)軸線的距離成正比。由于各螺栓的拉伸剛度相同，所以，左邊螺栓的工作載荷和右邊地基座在螺栓處的壓力也與這個(gè)距離成正比：FF F1=2=...=-^LL L12z聯(lián)立以上兩個(gè)式子，便可以得到受力最大的螺栓上的受力：MLF= max12-7)maxEL2i

i=1為了保證聯(lián)接接合面的最大受壓處不被壓潰或最小受壓處不至于出現(xiàn)縫隙，接合面的壓力必須滿足：pmaxpmin比-M〉。AW13-5螺紋聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算13．5．1螺紋聯(lián)接的失效形式雖然螺栓組的受力形式多種多樣，但對(duì)單個(gè)聯(lián)接螺栓而言，其受力形式不外乎是受軸向力或受橫向力兩種形式。在軸向力作用下，螺栓受到拉伸，其主要的失效形式是螺栓桿螺紋部份發(fā)生斷裂，因而其設(shè)計(jì)計(jì)算準(zhǔn)則是保證螺栓的靜力或疲勞拉伸強(qiáng)度。在橫向力用下，鉸制孔用螺栓受到剪切和擠壓，

其主要失效形式是螺栓桿和孔壁貼合面上出現(xiàn)壓潰或螺栓桿被剪斷，因而對(duì)在橫向載荷作用下鉸制孔用螺栓的設(shè)計(jì)計(jì)算準(zhǔn)則是保證聯(lián)接的擠壓強(qiáng)度和螺栓的剪切強(qiáng)度。根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，聯(lián)接的擠壓強(qiáng)度對(duì)聯(lián)接的可靠性起決定性作用。13．5．2普通螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算，首先是根據(jù)聯(lián)接的類型、裝配情況、載荷的狀態(tài)等條件，確定螺栓上的受力；然后按照相應(yīng)的強(qiáng)度條件計(jì)算危險(xiǎn)截面的直徑或校核其強(qiáng)度。螺紋聯(lián)接的其他部份、螺母和墊圈的結(jié)構(gòu)尺寸，是根據(jù)使用條件按經(jīng)驗(yàn)確定的，一般不單獨(dú)進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。一．受拉松螺栓接的強(qiáng)度計(jì)算二．拉緊螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算1．只受預(yù)緊力作用的緊螺栓聯(lián)接 緊螺栓聯(lián)接就是需要擰緊螺母的螺栓聯(lián)接。在擰緊力矩的作用下，螺栓除受預(yù)緊力F的拉伸而產(chǎn)生拉伸應(yīng)力外，還受到螺紋副間的摩擦力矩T的扭轉(zhuǎn)而產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力T,使螺栓處于拉伸和扭轉(zhuǎn)兩種狀態(tài)應(yīng)力的作用。因此，對(duì)只承受預(yù)緊力作用的緊螺栓聯(lián)接進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，應(yīng)按拉伸和扭轉(zhuǎn)的復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行。拉伸應(yīng)力G為：4F'G二 兀d21扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力T為：F'tgG+P)?dT= v 2-d2?2d 4Fd 4F'2? 2d兀d211tg申+tgp v—1-tgwtgpvd對(duì)于M10?M64的普通螺栓，tgp沁0.17,2=1.04~1.0&tgp?0.5,上式可vd1簡(jiǎn)化為：t二0.5a因螺栓材料是塑性材料，故應(yīng)按第四強(qiáng)度理論計(jì)算螺紋部份的強(qiáng)度a=\：a2+3t2u1.3a<t]d或：4X1-3F'扣兀d或：1或：2．受預(yù)緊力和軸向工作載荷的緊螺栓聯(lián)接單個(gè)緊聯(lián)接螺栓聯(lián)接的受力變形線圖2．受預(yù)緊力和軸向工作載荷的緊螺栓聯(lián)接單個(gè)緊聯(lián)接螺栓聯(lián)接的受力變形線圖F'二tg0二CXb1bF'Xm=tg°m=C2而且F'=F//+（F-AF）C （a）—i-C2C （a）—i-C2（b）= bF-AF AX-tg0m則：CAF= iFC+C12將（b）代入（a）得螺栓上的預(yù)緊力F：（C）F'=F//+1一 iFIC+C12口 C口C+C12因此螺栓上的總拉力：F=F'+AF0或：C或：F=F'+ iF0C+C12如果螺栓上所受到的工作載荷F為平穩(wěn)載荷，這時(shí)螺栓危險(xiǎn)截面上的拉伸強(qiáng)度條件為：<t]1.3F<t]Q二 0兀,d241’ ,14x1.3F或： d＞ o （12-17）1R兀Q]對(duì)于工作載荷F為變載荷的重要聯(lián)接，除按式（12-17）作靜強(qiáng)度計(jì)算外，還應(yīng)對(duì)聯(lián)接螺栓作疲勞強(qiáng)度校核。當(dāng)工作拉力F在0?F之間變化時(shí)，螺栓所受到的總拉力將在F/~Fo之間變化。若不考慮螺栓摩擦力矩的作用，螺栓危險(xiǎn)截面上的最大拉應(yīng)力為：4FG二 0max冗〃21最小拉應(yīng)力為：4F'G二min^d21應(yīng)力幅a為：g—g C2FG二一max min= 1 ? a 2 C+Cnd2121由于影響變載荷零件疲勞強(qiáng)度的主要因素是應(yīng)力幅，所以螺栓的疲勞強(qiáng)度計(jì)算，應(yīng)按應(yīng)力幅來(lái)計(jì)算安全系數(shù)。2g+'k—屮右S二（-1c逛呼＞S （12-18）ca\k+屮丿2G+G丿GG amin13．5．3鉸制孔用螺栓聯(lián)接。鉸制孔用螺栓聯(lián)接在工作時(shí)，螺栓在聯(lián)接接合面處受到剪切，并與被聯(lián)接件的孔壁相互擠壓。忽略其預(yù)緊力和摩擦力的影響，鉸制孔用聯(lián)接螺栓的剪切強(qiáng)度條件為：出＜□nd2m螺栓孔表面的擠壓應(yīng)力和表面加工、桿孔配合，零件的變形有關(guān)，難以做到精確計(jì)算。假設(shè)按均勻分布計(jì)算，其擠壓強(qiáng)度條件為：

R4<dh13-6提高螺紋聯(lián)接強(qiáng)度的措施螺紋聯(lián)接的強(qiáng)度主要決定于聯(lián)接螺栓的強(qiáng)度。影響螺栓的強(qiáng)度因素很多，主要涉及到螺紋牙間的載荷分布、應(yīng)力變化幅度、附加彎曲應(yīng)力、應(yīng)力集中以及裝配工藝等方面。合理采用提高螺栓強(qiáng)度的措施，對(duì)提高螺紋聯(lián)接的強(qiáng)度具有主要意義。（1）改善螺紋牙上載荷分布不均的現(xiàn)象1） 采用懸置螺母2） 采用環(huán)槽螺母3）用內(nèi)斜螺母4）采用特殊結(jié)構(gòu)的螺母5）采用鋼絲螺套（2） 減小應(yīng)力幅（3） 避免附加彎曲應(yīng)力（4） 減小應(yīng)力集中。例13-1如圖所示，一固定鋼制立柱上的鑄鐵托架，已知工作載荷P=4800N,其作用線與垂直的直線成50°,底板高h(yuǎn)=340，寬b=150，試設(shè)計(jì)此螺栓組聯(lián)接?！窘狻浚?．螺栓級(jí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：根據(jù)要求，采用螺栓數(shù)目Z=4。2．螺栓組受力分析：將題目中的工件載荷分解后可得1） 軸向力：P=Psina=4800xsin50。=3677N（鉛直向下）12）橫向力：P=Pcosa=4800xcos50。=3085N（水平向右）23） 傾翻力矩：M=Px0.16+Px0.15=1051.07N-m123．分析可能的失效形式：在以一定的預(yù)緊力擰緊螺栓后，該聯(lián)接可能會(huì)出現(xiàn)以下幾種失效形式1） 在軸向力P和傾翻力矩M的作用下，結(jié)合面上部可能出現(xiàn)分離；12） 在橫向力P作用下，托架可能出現(xiàn)向下滑動(dòng)；23） 在軸向力P和傾翻力矩M的作用下，結(jié)合面下部可能被壓潰；

4）最上邊的受拉螺栓可能被拉斷或塑性變形。為防止分離和向下滑動(dòng)，應(yīng)保證有足夠的預(yù)緊力；而避免托架或立柱被壓潰又要求把預(yù)緊力控制在一定的范圍內(nèi)。4.在傾翻力矩M的作用下上邊螺栓所受的拉力：ML 1051.07x0.144x0.142由式可得 F= ma^= =1877N4x0.142max ZLLii=11．1．在橫向力P2的作用下由底板不出現(xiàn)滑移的條件f(ZFf(ZF/-c+cI12可得：1kPc2+ 2—P)c+c112由表12-9查得c1由表12-9查得c1+c2=0.2,則c2c+c12=0.8,取k=1.2,,f二0」6預(yù)緊力F/為：F/n4x(訃+°8x3677)二6520N設(shè)計(jì)時(shí)取F設(shè)計(jì)時(shí)取F/二7000N2．螺栓上所受到的最大拉力：F=F/+c1 F=7000+0.2x2796=7559.2N0 c+c22能參數(shù)：8．確定螺栓直徑：螺栓材料選為35鋼，性能等級(jí)取4.6級(jí)，查表12-5得機(jī)械性能參數(shù)：o二240MPa，由表12-7取安全系數(shù)S=1.5，螺栓材料的許用應(yīng)力為s占二240=160MPa，螺栓的設(shè)計(jì)直徑為:S1.52F：5.22F：5.2x7559.2兀x160二8.85mm根據(jù)計(jì)算的d查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》?。篸=12mm,d=