第三章螺紋聯接與螺旋傳動3-1概述3-2螺紋3-3螺紋聯接類型和標準聯接件一、螺紋基礎知識二、常用螺紋的類型、特點和應用三、螺紋副的受力、效率和自鎖一、聯接的作用二、聯接的分類一、螺紋聯接的類型二、標準聯接件3-4螺紋聯接的預緊和防松目錄3-5螺紋聯接的設計計算一、設計步驟二、受力分析與強度計算三、螺栓組聯接的結構設計四、螺栓聯接件的材料與許用應力五、提高螺栓聯接強度的措施目錄3-6螺旋傳動一、聯接的作用零件構件部件機器聯接聯接聯接二、聯接的分類1、動聯接：被聯接零件可相對運動—運動副2、靜聯接：被聯接零件無相對運動—構件（1）可拆聯接：螺紋、鍵、銷、成型聯接（2）不可拆聯接：鉚接、焊接、膠結（3）過盈配合：溫差法裝入—可拆壓如法裝入—不可拆3-1概述3-2螺紋一、螺紋聯接的基礎知識1、螺旋線與螺紋（1）定義：動點繞定軸勻速圓周運動，并沿軸線方向勻速上升，動點軌跡為螺旋線。一、螺紋聯接的基礎知識（2）直觀：直角三角形斜邊與圓柱體表面的交線2、螺紋分類（1）螺紋位置：內、外螺紋（2）母體形狀：圓柱、圓錐螺紋（3）牙型：三角形、矩形、梯形、矩齒形（4）旋向：左、右3-2螺紋聯接3、普通螺紋的主要參數一、螺紋聯接的基礎知識β大徑d－公稱直徑（查標準）小徑d1－計算直徑（強度計算）中徑d2－幾何直徑（幾何計算）螺距P－相鄰螺牙對應點間軸向距離線數n－螺紋螺旋線的數目導程S－同一螺線相鄰螺牙對應點間的軸向距離S=nP升角ψ－螺旋線的切線與垂直于螺紋軸線的平面間的夾角牙型角α－螺紋軸截面內，牙型兩側邊的夾角牙側角β－螺紋軸截面內，牙型側邊與橫截面的夾角工作高度h－內外螺紋旋合后的接觸面的徑向高度3-2螺紋聯接二、常用螺紋的種類、特點和應用二、常用螺紋的種類、特點和應用1、聯接螺紋：要求自鎖—三角形螺紋（1）普通螺紋（α=60°）

粗牙：常用的聯接螺紋細牙：用于薄壁件或密封處普通螺紋管螺紋（2）管螺紋（α=55°）（英制）—一般管路聯接圓柱：螺紋中線與管軸線平行牙頂圓角，旋合后無隙，密封性好圓錐：螺紋中線與管子軸線不平行，自密封性好3-2螺紋聯接二、常用螺紋的種類、特點和應用2、傳動螺紋：要求效率高（1）矩形螺紋（α=0°）

效率高，牙根強度差，磨損難補償（2）梯形螺紋（α=30°）效率較高，牙根強度高，對中好，磨損后用剖分螺母補償間隙—常用（3）鋸齒形螺紋（β工=3°、β非工=30°）兼備矩形、梯形螺紋的優點，非工作面牙根圓角大，強度高矩形螺紋梯形螺紋鋸齒形螺紋三角形矩形梯形矩齒形三、矩形螺紋（牙型角α=00）螺紋副的受力、效率與自鎖使滑塊等速運動所需要的水平力等速上升：F=Fatan(ψ+ρ)等速上升所需力矩：T=Fd2/2=Fatan(ψ+ρ)d2/23-2螺紋聯接三、螺紋副的受力、效率與自鎖Fa螺紋副中，螺母所受到的軸向載荷Fa是沿螺紋各圈分布的，為便于分析，用集中載荷Fa代替，并設Fa作用于中徑d2圓周的一點上。這樣，當螺母相對于螺桿等速旋轉時，可看作為一滑塊(螺母)沿著以螺紋中徑d2展開，斜度為螺紋升角ψ的斜面上等速滑動。1、受力分析勻速擰緊螺母時，相當于以水平力推力F推動滑塊沿斜面等速向上滑動。設法向反力為Fn，則摩擦力為fFn，f為摩擦系數，ρ為摩擦角，ρ=arctanf。由于滑塊沿斜面上升時，摩擦力向下，故總反力FR與Fa的的夾角為ψ+ρ。由力的平衡條件可知，FR、F和Fa三力組成力封閉三角形，由圖可得：等速下降：F=Fatan(ψ—ρ)等速下降所需力矩：T=Fd2/2=Fatan(ψ—ρ)d2/22、螺紋的自鎖螺母等速松退時的受力分析：此時相當于滑塊沿斜面等速下滑，由力的封閉三角形，得：若ψ≤ρ，則F≤0，這時必須加一反向作用力F才會使滑塊下滑，若不加外力，則不論Fa有多大，滑塊也不會下滑，這種現象叫"自鎖"。自鎖條件：ψ≤ρ3-2螺紋聯接三、螺紋副的受力、效率與自鎖3、螺旋副的效率螺旋副效率為有效功W2與輸入功W1之比。螺母在力矩T作用下轉動一周時，輸入功W1=2лT，此時升舉重物所作的有效功W2=Fa

S；故螺旋副的效率為：令f'=f/cosβ稱當量摩擦系數。與當量摩擦系數對應的摩擦角稱為當量摩擦角，用ρ/表示。擰緊螺母時所需的水平推力及轉矩：由于矩形螺紋與非矩形螺紋的運動關系相同，將ρ/代替ρ后可得：3-2螺紋聯接三、螺紋副的受力、效率與自鎖4、非矩形螺紋螺紋的牙型角α≠0時的螺紋為非矩形螺紋，如教材圖3—5b所示。非矩形螺紋的螺桿和螺母相對轉動時，可看成楔形滑塊沿楔形斜面移動；平面時法向反力FN=Fa;平面時摩擦力Ff=fFN=fFa;楔形面時法向反力FN=Fa/cosβ；楔形面摩擦力Ff

=fFN

=fFa/cosβ;使滑塊等速運動所需要的水平力等速上升：F=Fatan(ψ+ρ/)等速上升所需力矩：T=Fd2/2=Fatan(ψ+ρ/)d2/2等速下降：F=Fatan(ψ-ρ/)等速下降所需力矩：T=Fd2/2=Fatan(ψ-ρ/)d2/2自鎖條件：ψ≤ρ/效率為：由于三角形螺紋的β=α/2=300；梯形螺紋β=α/2=150；鋸齒形螺紋β=30；矩形螺紋β=00，所以各種螺紋的當量摩擦系數之間有如下關系：f/三角＞f/梯形＞f/鋸齒＞f/矩形可見，三角形螺紋的f/大，自鎖性能好，且牙根強度高，故常用于聯接。梯形、鋸齒形及矩形螺紋，多用于傳動。3-2螺紋聯接三、螺紋副的受力、效率與自鎖3-2螺紋聯接三、螺紋副的受力、效率與自鎖3-3螺紋聯接的類型與標準聯接件一、螺紋聯接類型1、螺栓聯接—被聯件較薄、易做成通孔處，可經常拆卸。（1）普通螺栓：被聯件孔與螺栓桿有間隙，可承受橫向、軸向外載、應用最廣（2）鉸制孔用螺栓：被聯件孔與螺栓桿基孔制過渡配合，承受橫向外載普通螺栓鉸制孔用螺栓桿孔間隙過渡配合面螺栓聯接螺栓聯接螺栓聯接：兩被聯接零件較薄，可做成通孔場合3-3螺紋聯接的類型與標準聯接件2、雙頭螺柱聯接被聯件之一較厚、不易做成通孔，需經常拆卸處3-3螺紋聯接的類型與標準聯接件3、螺釘聯接被聯件之一較厚、不易做成通孔，不需經常拆卸處3-3螺紋聯接的類型與標準聯接件4、緊定螺釘聯接：固定兩零件相對位置，可傳不大轉矩平端緊定螺釘錐端緊定螺釘3-3螺紋聯接的類型與標準聯接件特殊聯接：地腳螺栓聯接,吊環螺釘聯接3-3螺紋聯接的類型與標準聯接件二、標準聯接件1、螺紋聯接件均為標準件，設計中根據需要按工程尺寸選用2、螺紋聯接件等級GB3103.1-82規定：螺紋聯接件分A、B、C三級A級：精密配合，防振場合B級：受載較大，常拆卸調整、變載場合C級：一般聯接3-4螺紋聯接的預緊與防松一、預緊—工作前擰緊1、目的：增加螺紋聯接剛度、緊密性和防松能力2、要求：裝配時控制預緊力在規定范圍內（3）測螺栓伸長量3、預緊力控制方法（1）定力矩扳手（2）測力矩扳手一、預緊3-4螺紋聯接的預緊與防松一、預緊扳手擰緊力矩——T=F·L,擰緊時螺母：T=T1+T2T——擰緊力矩T1——螺紋摩擦阻力矩T2——螺母端環形面與被聯接件間的摩擦力矩F—作用于手柄上的力，L——力臂

由于直徑過小的螺栓，容易在擰緊時過載拉斷，所以對于重要的聯接不宜小于M122)(21dtgFT/0+=-)(31202030302dDdDFfT0c-=

\)](32)([2120203030221dDdDftgdFTTTc/0--++=+=d0.2FT0=15Ld=75FF0=3-4螺紋聯接的預緊與防松二、防松1、目的：防止螺桿與螺母相對轉動3、防松方法2、原因：設計條件下ψ≤ρ/，靜載、恒溫條件不會松脫變載、振動、溫差大引起螺牙間摩擦力瞬時消失—松脫（1）摩擦防松—利用輔助元件（結構）防止螺紋副間摩擦力消失a、彈簧墊圈b、雙螺母防松c、橢圓口自鎖螺母d、橫向切口螺母二、防松3-4螺紋聯接的預緊與防松（2）機械防松—利用防松元件約束螺紋副相對運動-沖擊、變載場合止動墊片開口銷與開槽螺母二、防松3-4螺紋聯接的預緊與防松（2）機械防松—利用防松元件約束螺紋副相對運動-沖擊、變載場合圓螺母止動墊片二、防松3-4螺紋聯接的預緊與防松（3）破壞螺紋副防松—防松可靠，沖擊振動大、重要聯接沖點法：沖壞螺紋副二、防松端焊法：端部焊死粘結法：擰緊時涂膠3-5螺紋聯接的設計計算一、設計計算內容與步驟1、結構設計：確定螺栓布置形式、數量2、受力分析：確定螺栓組中受力最大螺栓和所受最大力3、強度計算：按受力最大螺栓確定整組螺栓直徑一、設計計算步驟二、受力分析與強度計算（一）普通螺栓聯接傳遞軸向外力1、只受工作載荷作用的螺栓聯接（工作前不預緊，例：起重吊鉤）Fa2或拉斷）失效形式：螺栓塑變（1aF）受力分析：（;;MPa][aNF工作載荷螺栓許用應力--s][4

321adF）設計準則：（￡=sps3-5螺紋聯接的設計計算2、只受預緊力的螺栓聯接（工作前預緊，工作中受力不變，例：普通設備蓋板）二、受力分析與強度計算（1）受力分析合成應力：（2）失效形式：螺栓塑變或拉斷注：受拉、剪應力復合作用的螺栓，可按受純拉伸處理,將拉應力加大30%計入剪應力的影響。3-5螺紋聯接的設計計算3、受預緊力F0和工作載荷FE作用的螺栓聯接（例：氣缸螺栓）（2）受力分析工作載荷FE螺栓受載被聯接件受載預緊狀態FE作用前預緊拉力F0預緊壓力F0工作狀態FE作用后(拉力增加)總載荷

Fa(壓力下降)殘余預緊力FR二、受力分析與強度計算Faδb0δc0△δF0F0F0FaFRFE3-5螺紋聯接的設計計算a.總載荷Fa=?;殘余預緊力FR=？載荷螺栓變形被聯接件變形變形關系預緊狀態F0作用下伸長δb0壓縮δc0δb0≠δc0工作狀態F0、FE共同作用伸長δb0+Δδ壓縮δc0-ΔδΔδ=Δδ由圖得總載荷:二、受力分析與強度計算變形力δb0?δ?Fb?FcFaFRFEF0δC03-5螺紋聯接的設計計算b.△Fb=？由圖知:

螺栓剛度:被聯接件剛度：二、受力分析與強度計算變形力δb0?δ?Fb?FcFaFRFEF0δC03-5螺紋聯接的設計計算結論：為減小螺栓總載荷，被聯接件剛度不宜太小；（3）失效形式：a:被聯件結合面出縫隙；b:螺栓塑變或被拉斷二、受力分析與強度計算cbEabbcFFFkkkkk+=T+<<0

1；時，當acbbbcFFkkkkk?T+>>0

0；時，當討論：kcbbEakkFFF+μ0

；、、kEREcbbbaFFFkkFFFF+=++=D+=00總載荷：3-5螺紋聯接的設計計算（4）設計準則：a:保證被聯件結合面不出縫隙二、受力分析與強度計算3-5螺紋聯接的設計計算b:保證螺栓不拉斷或塑變I:FE為靜載荷（考慮工作時需要補充擰緊，應計入螺紋力矩的影響）II:FE為變載荷（按應力幅校核螺桿疲勞強度）二、受力分析與強度計算3-5螺紋聯接的設計計算（二）普通螺栓傳遞橫向外力（1）工作原理：結合面摩擦力平衡橫向外力

二、受力分析與強度計算（2）受力分析：螺栓受預緊拉力：F0

被聯件受預緊壓力：F0（3）失效形式：（1）螺栓塑變、拉斷

（2）被聯件相對滑移（4）設計準則：（1）螺栓不塑變、不拉斷（只受預緊力）（2）被聯接件不相對滑移注：普螺聯接傳橫向力，螺栓受拉裝拆放便，但所需螺栓直徑大，沖擊、振動時摩擦傳力不可靠。討論:若f=0.2,z=1,m=1,C

=1.2,則

F0=C

F/zm

f=6F

1）普通螺栓靠摩擦力抵抗橫向工作載荷，要求保持比較大的預緊力，會使螺栓結構尺寸增加。2）若要采用普通螺栓，靠利用減載鍵、銷或減載套筒。3-5螺紋聯接的設計計算二、受力分析與強度計算3-5螺紋聯接的設計計算（三）普通螺栓傳遞扭矩1、工作原理：摩擦傳扭矩二、受力分析與強度計算2、受力分析：螺栓受預緊拉力：F

0被聯件受預緊壓力：F03、失效形式：（1）螺栓塑變、拉斷

（2）被聯件相對滑移（轉動）4、設計準則：（1）螺栓不塑變、不拉斷（只受預緊力）普螺傳遞力矩fF03-5螺紋聯接的設計計算二、受力分析與強度計算（2）被聯接件不相對滑動（轉動）保證不滑動，單個螺栓所需預緊力普螺傳遞力矩fF03-5螺紋聯接的設計計算（四）鉸制孔螺栓傳遞橫向外力1、工作原理：桿孔擠壓、螺桿受剪傳遞橫向力二、受力分析與強度計算2、失效形式：（1）桿孔結合面壓潰

（2）螺桿剪斷3、設計準則：（1）桿孔不壓潰（2）螺桿不剪斷螺桿受擠壓最小接觸高度螺栓個數螺桿直徑螺栓組成受的總橫向外力式中：[δ10----zdF[p許用擠壓應力]-s許用剪應力]-t鉸制孔螺拴傳遞橫向力δ1d03-5螺紋聯接的設計計算（五）鉸制孔螺栓傳遞扭矩1、工作原理：桿孔擠壓、螺桿受剪傳遞扭矩二、受力分析與強度計算2、失效形式：（1）桿孔結合面壓潰

（2）螺桿剪斷3、受力分析：（1）距回轉中心最遠螺栓受力最大（2）螺栓所受最大力鉸制孔螺拴傳遞扭矩3-5螺紋聯接的設計計算4、設計準則：二、受力分析與強度計算（1）桿孔不壓潰（2）螺桿不剪斷][zδ10maxppdFss￡=4][

20maxtZpt￡=dF3-5螺紋聯接的設計計算(六)普通螺栓組承受傾覆力矩二、受力分析與強度計算1、基本假定（1）螺栓、地基為彈性體；（2）M作用在z-z平面內，機座在M作用下繞O-O轉動（3）機座剛性較大，變形后與地基的接觸面仍為平面2、受力分析

螺栓地基左側螺栓右側螺栓左側右側預緊狀態拉拉壓壓工作狀態↑↑↓↓地基受力FR引起F1c引起螺栓受力3-5螺紋聯接的設計計算2、受力分析二、受力分析與強度計算FaFEFRF0F1cFcF2cObOcB2B1C1C2A3-5螺紋聯接的設計計算2、受力分析二、受力分析與強度計算(2)代入(1)力平衡條件變形協調條件(2)

maxmaxmaxmaxEiEiEiEiFLLFLFLF=T=(1)

1MLFziiEi=?=傾覆力矩個螺栓至翻轉中心之距第心之距受力最大螺栓至翻轉中式中：---MiLLi

max3-5螺紋聯接的設計計算左側螺栓所受最大力：二、受力分析與強度計算右側螺栓所受最小力：3、失效形式（1）螺栓被拉斷（2）機座與地基的接合面被壓潰或出縫隙FaFEFRF0F1cFcF2cObOcB2B1C1C2A3-5螺紋聯接的設計計算4、設計準則二、受力分析與強度計算（1）保證螺栓不塑變、不被拉斷（2）左側不出縫隙（3）右側不被壓潰3-5螺紋聯接的設計計算三、螺栓組聯接的結構設計螺栓組聯接結構設計的主要目的：合理地確定聯接接合面的幾何形狀和螺栓的布置形式，力求各螺栓和聯接接合面間受力均勻，便于加工和裝配。（1）聯接接合面的幾何形狀通常都設計成軸對稱的簡單幾何形狀，如圓形、環形、矩形、框形、三角形等。不但利于加工制造，更便于對稱布置螺栓，使栓組的對稱中心與聯接結合面的幾何形心重合，保證聯接接合面受力均勻。（2）螺栓的布置應使各螺栓的受力合理。對于鉸制孔用螺栓聯接，不要在平行于工作載荷的方向上成排地布置八個以上的螺栓，以免在和分布過于不均。當螺栓聯接承受彎矩或轉矩時，應使螺栓的位置適當靠近聯接接合面邊緣，以減小螺栓的受力。如果同時承受軸向載荷和較大的橫向載荷，應采用銷、套筒、鍵等抗剪零件來承受橫向載荷，以減小螺栓的預緊力及其結構尺寸。3-5螺紋聯接的設計計算三、螺栓組聯接的結構設計3-5螺紋聯接的設計計算三、螺栓組聯接的結構設計（3）螺栓的排列應有合理的間距、邊距。布置螺栓時，各螺栓軸線以及螺栓軸線和機體壁間的最小距離，應根據扳手所需活動空間的大小來決定。（4）為了便于在圓周上鉆孔時的分度和畫線，通常分布在同一圓周上的螺栓數目取成2，3，4、6、8等偶數。3-5螺紋聯接的設計計算三、螺栓組聯接的結構設計（5）避免螺栓承受附加的彎曲載荷。除了在結構上設法保證載荷不偏心外，還應在工藝上保證被聯接件、螺母和螺栓頭部的支承面平整，并與螺栓軸線相垂直。在鑄、鍛件等的粗糙表面上安裝螺栓時，應制成凸臺或沉頭座。當支承面為傾斜表面時，應采用斜面墊圈。3-5螺紋聯接的設計計算四、螺紋聯接件的材料性能與許用應力四、螺紋聯接件的材料性能與許用應力1、螺紋聯接件的材料與性能等級（1）常用材料：碳鋼：Q215-A、Q235-A、35、45—一般聯接合金鋼：15Cr、20Cr、30CrMnSi等—重要聯接（2）螺栓、螺母材料性能等級（表3-9、3-10）a、螺栓材料性能等級：3.6、4.6、4.8、5.6、5.8、6.8、8.8、9.8、10.9、12.9b、螺母的性能等級：4，5，6，8，9，10，12

螺母性能等級表示可與該螺母相配最高性能等級螺栓抗拉強度的1/100

3-5螺紋聯接的設計計算2、螺紋聯接件的許用應力四、螺紋聯接件的材料性能與許用應力（1）許用應力影響因素：載荷性質：靜、變載荷材料質量：性能等級結構尺寸：尺寸系數裝配質量：載荷控制準確性（2）許用應力安全系數普通螺栓聯接許用應力與安全系數螺栓受載情況靜載變載許用應力按最大應力參看式（1-22）控制預緊力時的安全系數s1.2~1.51.2~1.5S=2.5~4S][s/ss=3-5螺紋聯接的設計計算（2）許用應力與安全系數四、螺紋聯接件的材料性能與許用應力鉸制孔螺栓聯接許用應力與安全系數載荷性質材料螺桿剪切桿孔擠壓許用應力安全系數Sτ許用應力安全系數Sp靜載鋼2.51.25鑄鐵2~2.5變載鋼3.5~51.5鑄鐵][sτs/st=SP[sp/]ss=b[Psp/]ss=SP[sp/]ss=2.5~3][sτs/st=[Psp/]sbs=3-5螺紋聯接的設計計算五、提高螺栓聯接強度的措施五、提高螺栓聯接強度的措施1、改善螺紋牙間的載荷分配螺牙間變形不協調，導致牙間載荷分配不均普通螺栓損壞情況統計如圖Fa3-5螺紋聯接的設計計算（1）均載螺母五、提高螺栓聯接強度的措施懸置螺母螺母體、螺栓均受拉內斜螺母環槽螺母3-5螺紋聯接的設計計算（2）鋼絲螺套五、提高螺栓聯接強度的措施2、減小螺栓中應力幅3-5螺紋聯接的設計計算降低螺栓剛度kb措施：五、提高螺栓聯接強度的措施①采用柔性螺栓：增加螺栓長度、減小螺栓光桿部分的直徑、采用空心螺栓桿②在螺母下安裝彈性元件3-5螺紋聯接的設計計算提高被聯接件剛度kc措施：五、提高螺栓聯接強度的措施①采用剛度大的墊片②用密封環代替密封軟墊片3-5螺紋聯接的設計計算3、減小螺栓本身應力集中圖五、提高螺栓聯接強度的措施a加大圓角b卸荷槽b卸載過渡結構3-5螺紋聯接的設計計算4、避免或減少附加應力五、提高螺栓聯接強度的措施(保證螺母支撐面平整、螺栓孔正)螺栓的附加應力避免附加彎應力的措施3-5螺紋聯接的設計計算5、采用合理制造工藝五、提高螺栓聯接強度的措施冷墩頭部、滾壓螺紋有利于提高螺栓疲勞強度1）用擠壓法（滾壓法）制造螺栓，疲勞強度提高30~40%2）冷作硬化，表層有殘余應力（壓）、氰化、氮化、噴丸等可提高疲勞強度3）熱處理后再進行滾壓螺紋，效果更佳，強度提高70~100%，此法具有優質、高產、低消耗功能4）控制單個螺距誤差和螺距累積誤差螺旋傳動是利用螺桿和螺母組成的螺旋副來實現傳動要求的。它主要用于將回轉運動變為直線運動將直線運動變為回轉運動，同時傳遞運動或動力。

傳動形式：a)螺桿轉螺母移b)螺桿又轉又移（螺母固定）——用得多c)螺母轉螺桿移d)螺母又轉又移（螺桿固定）——用得少

3-6螺旋傳動一、螺旋傳動的類型和特點螺旋傳動按其用途，受力情況不同，可分為以下三種類型:1）傳力螺旋——舉重器、千斤頂、加壓螺旋用途：傳遞動力，以小轉矩產生大軸向力，要求自鎖特點：低速、間歇工作，傳遞軸向力大、自鎖2）傳導螺旋——機床進給絲杠用途：傳遞運動，