第13章螺紋聯(lián)接與螺旋傳動13-1概述螺紋聯(lián)接和螺旋傳動都是利用螺紋零件進行工作的，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)接強度(有時還要求緊密性)；傳動螺紋零件是傳動件，要求保證螺旋副的傳動精度、效率和使用壽命。13-2螺紋聯(lián)接的主要類型、特點和應(yīng)用螺紋聯(lián)接的主要類型、特點及應(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 待點和應(yīng)用螺釘聯(lián)接?栓喉接雙頭螺柱聯(lián)接腋爍留長度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"盡可能小以紋伸出長處oQ(0?2?0?3)/螺栓軸線到邊緣的距離&日&+(376>mriiV無需在被聯(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fik應(yīng)用r?田千活71.我施”醉址軸兩.邊進行裝配的場合座端擰入深度H,當螺孔零仔材料為：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)生相對滑移。擰緊螺母時，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)接一般不會自V動松脫。但在變載荷、沖擊、振動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，甚至松脫，造成嚴重事故。所以設(shè)計螺栓時，必須考慮防松問題。防松的基本方法是防止螺紋工作時產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動，凡滿足這個要求的結(jié)構(gòu)都能防松。按防松的原理可分為摩擦防松、機械防松、永久止動防松三種，13-4螺栓組聯(lián)接的設(shè)計13．4．1螺栓組聯(lián)接的結(jié)構(gòu)設(shè)計螺栓組聯(lián)接結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要目的，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，成軸對稱的簡單幾何形狀。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)，便于加工時分度和劃線。的螺栓材料、直徑、長度均應(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，底板將繞通過螺栓組對稱中心O并與接合面垂直的軸線轉(zhuǎn)動。為防止底板轉(zhuǎn)動，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由各個螺栓上能受到剪力Ft對轉(zhuǎn)動中心O的矩的和來平衡。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距離成正比。F F F―t1=―=…=―tmaxrr r1 2 tmax對第i螺栓，則有:

FtiT-r i r2+r2+...+FtiT-r i r2+r2+...+r212z當ri距離轉(zhuǎn)動中心O越遠，對應(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對每個聯(lián)接螺栓來說，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距離成正比：FF F1=2=...=-^LL L12z聯(lián)立以上兩個式子，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)接的強度計算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，但對單個聯(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)計計算準則是保證螺栓的靜力或疲勞拉伸強度。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，因而對在橫向載荷作用下鉸制孔用螺栓的設(shè)計計算準則是保證聯(lián)接的擠壓強度和螺栓的剪切強度。根據(jù)統(tǒng)計分析，聯(lián)接的擠壓強度對聯(lián)接的可靠性起決定性作用。13．5．2普通螺栓聯(lián)接的強度計算螺栓聯(lián)接的強度計算，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)的強度條件計算危險截面的直徑或校核其強度。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)驗確定的，一般不單獨進行強度計算。一．受拉松螺栓接的強度計算二．拉緊螺栓聯(lián)接的強度計算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，對只承受預(yù)緊力作用的緊螺栓聯(lián)接進行強度計算時，應(yīng)按拉伸和扭轉(zhuǎn)的復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)進行。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簡化為：t二0.5a因螺栓材料是塑性材料，故應(yīng)按第四強度理論計算螺紋部份的強度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，這時螺栓危險截面上的拉伸強度條件為：<t]1.3F<t]Q二 0兀,d241’ ,14x1.3F或： d＞ o （12-17）1R兀Q]對于工作載荷F為變載荷的重要聯(lián)接，除按式（12-17）作靜強度計算外，還應(yīng)對聯(lián)接螺栓作疲勞強度校核。當工作拉力F在0?F之間變化時，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度的主要因素是應(yīng)力幅，所以螺栓的疲勞強度計算，應(yīng)按應(yīng)力幅來計算安全系數(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，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)，難以做到精確計算。假設(shè)按均勻分布計算，其擠壓強度條件為：

R4<dh13-6提高螺紋聯(lián)接強度的措施螺紋聯(lián)接的強度主要決定于聯(lián)接螺栓的強度。影響螺栓的強度因素很多，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度的措施，對提高螺紋聯(lián)接的強度具有主要意義。（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=340，寬b=150，試設(shè)計此螺栓組聯(lián)接?！窘狻浚?．螺栓級結(jié)構(gòu)設(shè)計：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；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，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)計時取F設(shè)計時取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，性能等級取4.6級，查表12-5得機械性能參數(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)計直徑為:S1.52F：5.22F：5.2x7559.2兀x160二8.85mm根據(jù)計算的d查《機械設(shè)計手冊》?。篸=12mm,d=