大学课程《机械设计——学做一体化》PPT课件：第8章.pptx

第 8章 螺纹连接和螺旋传动第 8章 螺纹连接和螺旋传动8.1 螺纹连接的基本知识8.2 螺纹副的受力分析、自锁条件和效率8.3 螺纹连接的主要类型和应用8.4 螺纹连接的强度计算8.5 提高螺纹连接强度的措施8.6 螺旋传动简介思考与练习第 8章 螺纹连接和螺旋传动如图8 0所示,减速器在连接中大量使用螺纹结构,本章即介绍螺纹连接的原理、类 型、结构、使用场合和使用方法的选择以及强度计算,并简单介绍螺旋传动的设计方法本 章主要的设计任务是确定减速器上的螺纹结构螺纹连接和螺旋传动都是利用螺纹零件进行工作的,但二者的工作性质又有很大的区 别螺纹连接是作为紧固件使用的,保证被连接的零部件有可靠的相对位置;而螺旋传动则 用来传递运动和力本章将分别介绍其工作原理、国家标准以及设计计算及选用方法等第 8章 螺纹连接和螺旋传动图8 0 减速器上的螺纹结构第 8章 螺纹连接和螺旋传动8.1 螺纹连接的基本知识8.1.1 螺纹的基本参数 螺纹有外螺纹与内螺纹两种在圆柱(或圆锥)体外面加工出来的螺纹叫外螺纹,在圆柱 (或圆锥)孔内加工出来的螺纹叫内螺纹图8 1所示为圆柱螺纹,其主要几何参数如下 第 8章 螺纹连接和螺旋传动1.牙型与牙型角 过螺纹轴线剖切所得螺牙的截面称为牙型。

常见的有三角形、梯形、矩形和锯齿形等 牙型两侧边的夹角为牙型角,表示为图8 1 圆柱螺纹的几何参数第 8章 螺纹连接和螺旋传动2.螺纹直径 大径:内螺纹牙底、外螺纹牙顶所在圆柱的直径,分别用D、d 表示大径又称为螺纹的 公称直径(管螺纹例外) 小径:内螺纹牙顶、外螺纹牙底所在圆柱的直径,分别用D1、d1 表示 中径:螺纹轴向截面内牙厚与牙间宽相等处的圆柱直径,它近似地等于大径、小径的平 均直径,分别表示为D2、d2,且有第 8章 螺纹连接和螺旋传动3.线数 平面图形沿一条螺旋线运动形成的螺纹叫单线螺纹;沿双线等距螺旋线运动形成的螺纹 叫双线螺纹;也有沿三、四条等距螺旋线运动而形成的三线或四线螺纹线数用n 表示,如 n=3即为三线螺纹 4.螺距和导程 相邻两螺牙对应点间的轴向距离称为螺距,用 P 表示;螺纹上任一点 A 绕轴线旋转一 周所移动的轴向距离为导程,用S 表示导程和螺距有如下关系:第 8章 螺纹连接和螺旋传动5.旋向 当螺纹的旋进方向用大拇指表示,而旋转方向用右手四指自然弯曲的方向表示时,称为 右旋螺纹;当旋转方向用左手四指自然弯曲的方向表示时,称为左旋螺纹机械上常用右旋 螺纹,特殊情况下用左旋螺纹。

图8 2(a)中的螺纹为右旋螺纹,图8 2(b)中的螺纹为左旋 螺纹第 8章 螺纹连接和螺旋传动图8 2 螺纹旋向第 8章 螺纹连接和螺旋传动6.螺纹升角 螺旋线与垂直其轴线的平面所成的夹角称为螺纹升角,用表示螺纹上不同直径处的螺 旋线,其升角是不同的,见图8 3通常所说的螺纹升角是指螺纹中径处的螺旋线的升角,即第 8章 螺纹连接和螺旋传动图8 3 螺纹的升角第 8章 螺纹连接和螺旋传动当螺纹的牙型、大径、螺距、线数和旋向确定后,螺纹的几何尺寸即随之而定,故上述五 个几何参数称为螺纹五要素内、外螺纹连接时,它们的五要素必须相同国家标准规定了 一些标准的牙型、大径和螺距,凡牙型、大径和螺距三项参数符合标准的,称为标准螺纹;只 有牙型符合标准的,称为特殊螺纹;牙型不符合标准的,称为非标准螺纹第 8章 螺纹连接和螺旋传动8.1.2 螺纹的类型与应用 螺纹的种类很多,按其应用可分为两大类:起连接作用的螺纹称为连接螺纹;起传动作 用的螺纹称为传动螺纹三角形螺纹牙型角 较大,=60(米制)或=55(英制),故当量 摩擦角v 大时,自锁性好,多用作连接螺纹而梯形螺纹(=30)、锯齿形螺纹(工作边倾斜 角为3)和方牙螺纹(=0),因 小,传动效率高,则用作传动螺纹。

第 8章 螺纹连接和螺旋传动在三角形螺纹中又分米制和英制(螺距以每英寸牙数表示)螺纹,我国除管螺纹外均采用 米制米制螺纹又有粗牙普通螺纹和细牙普通螺纹之分,当大径相同时,细牙普通螺纹的螺 距小、小径大,螺纹升角 小,自锁性能更好,而且螺纹深度浅对零件的削弱小,适用于薄壁 零件及受冲击或需要精密调节相对位置的连接但是,细牙普通螺纹易滑扣,不宜用于经常 拆卸的连接常用螺纹的类型、特点和应用见表8 1第 8章 螺纹连接和螺旋传动第 8章 螺纹连接和螺旋传动第 8章 螺纹连接和螺旋传动8.2 螺纹副的受力分析、 自锁条件和效率8.2.1 螺纹副受力分析 如图8 4(a)所示的矩形螺纹,若该螺纹副的螺母上承受轴向载荷Q 并在螺母转矩T 作 用下相对于螺杆运动假设螺纹间的作用力集中在中径处,则螺母可简化为在水平推力Ft 和轴向载荷Q 作用下沿螺旋面中径滑动的滑块(见图8 4(b)螺旋面沿中径展开为一斜 面,斜面的升角即为螺纹中径处的螺纹升角第 8章 螺纹连接和螺旋传动式中,T 为螺母的转矩设斜面对滑块的支反力为 N,摩擦系数为f,则摩擦力为fN第 8章 螺纹连接和螺旋传动图8 4 螺纹副受力图第 8章 螺纹连接和螺旋传动当滑块在推力Ft 作用下有上升的趋势时,摩擦力的方向将与滑块移动方向相反,如图 8 5(a)所示。

fN 与N 的合力称为总反力RN 与R 的夹角为式中, 称为摩擦角它仅与摩擦系数f 有关,故由Ft、Q、R 三力平衡的力封闭三角形(见 图8 5(b)可求得由式(8 4)可以看出:转动螺旋副的转矩T 随工作载荷Q、摩擦角 和螺纹升角 的增 大而增大第 8章 螺纹连接和螺旋传动图8 5 螺纹拧紧时受力分析第 8章 螺纹连接和螺旋传动8.2.2 自锁条件 当滑块在Q 力作用下有下降趋势时,摩擦力fN 与其作用方向相反由 T 所产生的水平推力Ft 是维持其平衡所必需的力此时的受力情况如图8 6(a)所示总反力R 与重力Q 的夹角为-,其平衡条件可由力封闭三角形(见图8 6(b)求出,即第 8章 螺纹连接和螺旋传动由式(8 6)可知,当= 时,Ft =0即此时无论Q 力有多大,无需Ft 力(Ft =0)仍能 保持其原来的静止平衡状态,这种现象称为自锁螺旋副的自锁条件是概括来说,螺旋副的自锁就是:无论轴向载荷Q 有多大,如无外力矩的作用,螺母和螺 杆都不会产生相对的轴向移动第 8章 螺纹连接和螺旋传动图8 6 螺纹放松时受力分析第 8章 螺纹连接和螺旋传动8.2.3 效率 当螺母旋转一周,亦即滑块沿力Ft 的方向移动了d2 的距离时(见图8 6),其所需的 输入功为输入功W1 的一部分用以举起重物,一部分用于克服螺纹间的摩擦。

用于举起重物所需 的功称为有用功,其值为第 8章 螺纹连接和螺旋传动所以螺旋副的效率为由式(8 10)可知,当摩擦角 不变时,螺旋副的效率是螺纹升角 的函数对求导 数,并令其为零,则可得出当=45时,螺旋副的效率最大但过大的升角会引起加工 困难,因此一般取25当满足自锁条件,即 时,tan/tan2一般=13,故 小于50%可见,能 满足自锁条件的螺旋副不可能得到较高的效率第 8章 螺纹连接和螺旋传动8.3 螺纹连接的主要类型和应用前面所述的连接是两个具有螺纹结构的零件间的连接这里将要讲述的则是用专用螺纹 连接件(如螺栓、螺母、垫圈)进行零、部件间的连接,故称其为螺纹连接件连接第 8章 螺纹连接和螺旋传动8.3.1 螺纹连接件连接的主要类型螺纹连接件连接通常分为四种 1.螺栓连接 螺栓连接又可分为普通螺栓连接和铰制孔用螺栓连接两种普通螺栓连接(见图8 7 (a)的结构特点是被连接件上的通孔和螺栓杆间留有间隙,故孔的加工精度要求低,结构简 单,装拆方便,适用于被连接件不太厚和两边都有足够的装配空间的场合铰制孔用螺栓连 接(见图8 7(b)的孔和螺杆多采用基孔制过渡配合,故孔的加工精度要求高,应用于利用 螺杆承受横向载荷或需精确固定被连接件相对位置的场合。

第 8章 螺纹连接和螺旋传动图8 7 螺栓连接第 8章 螺纹连接和螺旋传动2.螺钉连接 当被连接件之一较厚或不宜制成通孔时可采用螺钉连接这种连接不用螺母,是将螺钉 直接拧入较厚的被连接件的螺纹孔中而实现连接的(见图8 8(a)螺钉连接结构简单,使 用方便,但多次装拆易使被连接件上的螺纹磨损,故这种连接多用于受力不大又不经常拆卸 的地方螺钉和被连接件上孔的尺寸都可根据螺钉的类型和公称尺寸在有关手册中查出,其 中旋合长度 H、螺孔深 H1 及孔深 H2 由被连接件的材料确定螺钉的种类很多,有六角头、 内六角头、圆柱头、盘头、沉头、半沉头等第 8章 螺纹连接和螺旋传动3.双头螺柱连接 双头螺柱两端均有螺纹,其一端螺纹完全旋入被连接件螺孔中,直至旋紧为止另一端则用 螺母拧紧拆卸时仅拆下螺母,故螺纹孔不易损坏双头螺柱连接适用于结构上不能采用螺栓连接 (被连接件之一太厚或不宜制成通孔)而又需要经常拆装的场合,其结构如图8 8(b)所示第 8章 螺纹连接和螺旋传动图8 8 螺钉和双头螺柱连接第 8章 螺纹连接和螺旋传动4.紧定螺钉连接 紧定螺钉连接结构如图8 9所示它利用拧入零件螺纹孔中的螺钉末端顶紧另一零件 表面(见图8 9(a)或顶入该零件的凹坑中(见图8 9(b),以固定两零件的相对位置,并可 传递不大的载荷。

第 8章 螺纹连接和螺旋传动图8 9 紧定螺钉连接第 8章 螺纹连接和螺旋传动8.3.2 螺纹连接的预紧 一般螺纹连接在装配时都要拧紧,以增强连接的可靠性、紧密性和防松能力连接件在 承受工作载荷之前就预先加上的作用力称为预紧力如果预紧力过小,则会使连接不可靠; 预紧力过大又会导致连接过载甚至将连接件拉断对于一般连接,可凭经验来控制预紧力的 大小,但对于重要的连接,就要严格控制其预紧力控制预紧力一般是通过使用测力矩扳手(见图8 10)来实现的当用这种扳手旋紧螺母 时,所控制的力矩T 可以在其上的刻度盘上读出第 8章 螺纹连接和螺旋传动图8 10 测力矩扳手第 8章 螺纹连接和螺旋传动8.3.3 螺纹连接的防松 连接用的标准三角螺纹的螺旋升角较小,都能满足自锁条件,因此在静载荷作用下不会 产生连接松动的现象但在冲击振动和变载荷作用下,螺纹间的压力会在某一瞬间减小甚至 消失,以致螺纹失去自锁条件,产生自松现象为防止这种情况出现,重要场合应采取防松 措施,防止螺栓与螺母发生相对转动常用的防松方法列于表8 2中第 8章 螺纹连接和螺旋传动第 8章 螺纹连接和螺旋传动第 8章 螺纹连接和螺旋传动第 8章 螺纹连接和螺旋传动8.4 螺纹连接的强度计算螺纹连接根据载荷性质不同,其失效形式也不同。

承受静载荷螺栓的失效形式多为螺纹 部分的塑性变形或螺栓被拉断承受变载荷螺栓的失效形式多为螺栓的疲劳断裂,如果螺纹 硬度较低或经常拆卸,多发生滑扣现象第 8章 螺纹连接和螺旋传动螺栓连接通常都是成组使用的,各组连接件中螺栓所受载荷的大小不一定相同设计时 为使机械具有良好的结构工艺性并减少所用螺栓的规格,一般采用相同的螺栓来组合同组 内螺栓的材料、直径和长度是按组内受载最大的螺栓来设计的,这样就把螺栓组的设计转化 为单个螺栓的设计螺纹连接所用的螺栓及螺母都是标准件,其螺纹牙、螺栓头、光杆和螺 母的结构及尺寸都是按等强度制定的所以,一般只计算螺栓的小径,其他部分不需要进行 计算由于螺纹小径处截面积最小,并有应力集中,所以螺纹零件都在该部位断裂破坏因 此螺纹的设计计算主要是确定螺纹小径d1,然后按照标准选定螺栓的大径d 以及螺母和垫 圈等连接零件的尺寸第 8章 螺纹连接和螺旋传动8.4.1 受拉螺栓连接(普通螺栓连接) 1.只受预紧力作用的螺栓 用普通螺栓连接时,要使两个被连接件在外载荷F 作用下不发生滑移(见图8 11),是 靠拧紧螺母时足够的预紧力Q0 在被连接件间产生足够大的摩擦力来实现的。

若两个被连接 件间的摩擦系数为f(根据被连接件的材料由手册查出),接触面数为m,则摩擦力为mfQ0 当mfQ0F 时,被连。