螺纹自锁Word格式文档下载.docx

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如图4-1所示：

把一锐角为ψ的直角三角形绕到一直径为d的圆柱体上，绕时底边与圆柱底边重合，则斜边就在圆柱体上形成一条空间螺旋线。

如用一个平面图形K（如三角形）沿螺旋线运动并使K平面始终通过圆柱体轴线YY-这样就构成了三角形螺纹。

同样改变平面图形K，同样可得到矩形、梯形、锯齿形、圆弧形（管螺纹）

二、螺纹的类型

螺纹三角形（普通螺纹）、管螺纹——联接螺纹（精密传动）

按牙型矩形螺纹，梯形螺纹，锯齿形螺纹——传动螺纹

按位置内螺纹——在圆柱孔的内表面形成的螺纹

螺纹外螺纹——在圆柱孔的外表面形成的螺纹

三角形粗牙螺纹——用于紧固件

螺纹细牙螺纹——同样的公称直径d下，P小，自锁性好，适于薄壁细小零件和

冲击变载等情况

根据螺旋线左旋——图4-2b

绕行方向螺纹右旋——常用

单头螺纹（n=1）——用于联接

根据螺旋双头螺纹（n=2）

线头数多线螺纹（n≥2）用于传动

三、螺纹的主要参数（图4-3）

1）外径d（大径）（D）——与外螺纹牙顶相重合的假想圆柱面直径——亦称公称直径

2）内径（小径）d1（D1）——与外螺纹牙底相重合的假想圆柱面直径，在强度计算中作危险剖面的计算直径

3）中径d2——在轴向剖面内牙厚与牙间宽相等处的假想圆柱面的直径，近似等于螺纹的平均直径d2≈0.5（d+d1）

4）螺距P——相邻两牙在中径圆柱面的母线上对应两点间的轴向距离

5）导程（S）——同一螺旋线上相邻两牙在中径圆柱面的母线上的对应两点间的轴向距离

6）线数n——螺纹螺旋线数目，一般为便于制造n≤4

螺距、导程、线数之间关系：

L=nP

7）螺旋升角ψ——在中径圆柱面上螺旋线的切线与垂直于螺旋线轴线的平面的夹角。

8）牙型角α——螺纹轴向平面内螺纹牙型两侧边的夹角

9）牙型斜角β——螺纹牙型的侧边与螺纹轴线的垂直平面的夹角。

对称牙型

各种螺纹（除矩形螺纹）的主要几何尺寸可查阅有关标准——公称尺寸为螺纹外径对管螺纹近似等于管子的内径。

螺旋副的自锁条件为：

（见机械原理）

螺旋副的传动效率为：

克服轴向力Q匀速上升所需的圆周力

四、常用螺纹的种类、特点与应用，比较具体见表4-1，为加深印象，特列表如下（管螺纹除外）。

英制细牙螺纹，

，内外螺纹旋合后无径向间隙，以保证配合紧密，公称直径为管子内径，适于

以下的水、煤、气、油等管路。

常用螺纹的比较（管螺纹除外类似于三角形）

名称

三角

梯形

锯齿

矩形

剖面形状

结构特点

牙型角α

牙型倾角β

正三角形

α=60°

β=30°

等腰梯形

α=30°

β=15°

不等腰梯形

β=3°

正方形

α=0°

β=0°

当量摩擦系数-fv

当量摩擦角-ψv

传动效率η

自锁性

牙根强度

工艺性能

一般应用

Fv=f/cosβ=1.155f

fv=1.035f

fv=1.001f

fv=f

（在螺纹升角ψ相同的条件下）

条件

当（p、d、tv材料相同的条件下）t0——旋合长度

即可车

又可铣

只能车不能铣

联接

传动

特点（优缺点及结构性能）

由P分：

粗牙Md—用于紧固件

细牙Mdxp—d同而d小，因而ψP↓，自锁性↑，适于薄壁细小零件、冲击、变载等场合联接

可靠、防震性好，适于重要的动力传动，要求精密强度高等，适于双向传动，如车库丝扭、双面工作。

用部分螺母可调间隙，应用广泛。

性能介于梯形与矩形之间，适于单向传动，单面工作（3°

）应用千斤顶等

特适于高效、轻载传动如高低机、方向机等，但强度低、精度差、磨损后有间隙，加工艺性差，为便于铣磨，现已改用α=10°

β=5°

自行设计：

p=1/4d,d=5/4d1

h=1/8d1

4—2螺纹联接的主要类型和使用

一、螺纹联接主要类型

四种基本类型，两个变种（地脚与吊环）。

根据设计应用情况，今后工作需要，抽讲两点最重要的内容，其余以自学为主。

注意：

结构特点、作用与应用场合

1、螺栓联接

普通螺栓联接——被联接件不太厚，螺杆带钉头，通孔不带螺纹，螺杆穿过通孔与螺母配合使用。

装配后孔与杆间有间隙，并在工作中不许消失，结构简单，装折方便，可多个装拆，应用较广。

精密螺栓联接——装配后无间隙，主要承受横向载荷，也可作定位用，采用基孔制配合铰制孔螺栓联接（H7/m6,H7/n6）

2、双头螺栓联接——螺杆两端无钉头，但均有螺纹，装配时一端旋入被联接件，另一端配以螺母。

适于常拆卸而被联接件之一较厚时。

折装时只需拆螺母，而不将双头螺栓从被联接件中拧出。

3、螺钉联接

螺钉联接——适于被联接件之一较厚（上带螺纹孔），不需经常装拆，一端有螺钉头，不需螺母，适于受载较小情况（手册无六角头螺钉，L0=L即可）

4、紧定螺钉联接——拧入后，利用杆末端顶住另一零件表面或旋入零件相应的缺口中以固定零件的相对位置。

可传递不大的轴向力或扭矩。

特殊联接：

地脚螺栓联（图4-6a,b）

吊环螺钉联接（图4-8）

二、螺纹联接件螺栓联接（图4-9）——用于工艺联接

普通螺栓六角头：

小六角头，标准六角头，大六角头

1）螺栓圆柱头（内六角）

铰制孔螺栓——螺纹部分直径较小

螺栓粗制

精制——机械制造中常用

2）双头螺栓——两端带螺纹A型——有退刀槽施入端长度也各有不同。

B型——无退刀槽

3）螺钉种类繁多

半圆头一字槽

平圆头十字槽共有

按头部形状六角头头部起子槽内六角孔

圆柱头一字加十字槽

沉头

要求全螺纹

与螺栓区别要求螺纹部分直径较粗

4）紧定螺钉锥端——适于零件表面硬度较低不常拆卸常合

末端平端——接触面积大、不伤零件表面，用于顶紧硬度较大的平面，

适于经常拆卸

圆柱端——压入轴上凹抗中，适于紧定空心轴上零件的位置

适于较轻材料和金属薄板

5）自攻螺钉——由螺钉攻出螺纹

6）螺母六角螺母：

标准，扁，厚

圆螺母（与带翅垫圈）+止退垫圈——带有缺口，应用时带翅垫圈内舌嵌

入轴槽中，外舌嵌入圆螺母的槽内，螺母即被锁紧。

螺母粗制

精制粗制

平垫精制A型

7）垫圈普通垫圈斜垫B型——带倒角

防松垫圈（弹簧垫圈）——起防松作用

带翅垫圈等

螺纹联接的预紧与防松

一、预紧

螺纹联接松联接——在装配时不拧紧，只存受外载时才受到力的作用——轻少用

紧联接——在装配时需拧紧，即在承载时，已预先受力，预紧力QP

预紧目的：

保持正常工作。

如汽缸螺栓联接，有紧密性要求，防漏气，接触面积要大性，靠摩擦力工作时，增大刚性等。

——必拧紧

增大刚性——增加联接刚度、紧密性和提高防松能力

预紧力QP——预力轴向作用力（拉力）

但：

预紧过紧——拧紧力过大QP——螺杆静载荷增大、降低本身强度

过松——拧紧力QP过小——工作不可靠

一般：

碳钢：

——螺栓最小剖面积

合金钢：

——屈服极限MPa

板手拧紧力矩——T=FH·

L（4-4）

FH—作用于手柄上的力，L——力臂。

拧紧时螺母：

T=T1+T2

T——拧紧，T1——螺纹，T2——端面摩擦力矩

螺栓：

T1=T3+T4

T1——螺纹，T3——钉头，T4——夹持

其中：

螺纹阻力矩：

（4-5）

端面摩擦力矩：

（4-6）

fc——螺母与支承面间的摩擦系数，取fc=0.15

D1,d0——支承面的内、外直径。

见图4-8

其余参数同前。

∴

（4-7）

则

（4-8）一般K=0.1~0.3

对M10~M68螺母，将其标准参数代入，经简化后得K≠0.2

即：

T=0.2QPd（4-9）

而T=FHL=FH×

σdQP=75FH——说明d过小→螺栓易过载！

（一般L=15d）

注：

由于d≤M10——易过载

d>

M68——应力分布不均∴最好取d=M16~M30

预紧力QP的控制——测力矩板手——测出预紧力矩——图4-9，图4-12

定力矩板手——达到固定的拧紧力矩T时，弹簧受压将自动打滑。

图4-10，图4-13

测量预紧前后螺栓伸长量——S——精度较高。

二、防松：

理论上，螺纹联接—升角

为什么还要防松：

目的

满足自锁根据什么防松：

原理

三角形螺纹当量摩擦角

防松方法——措施

1、防松目的（口述）

实际工作中，外载荷有振动、有变化、材料高温需变等会造成摩擦力减少，螺纹副中正压力在某一瞬间消失、摩擦力为零，从而使螺纹联接松动，如经反复作用，螺纹联接就会松驰而失效。

因此，必须进行防松，否则会影响正常工作，造成事故。

2、防松原理——概括成一句话，即消除（或限制）螺纹副之间的相对运动，或增大相对运动的难度。

3、防松办法及措施——表4-3

1）摩擦防松——双螺母、弹簧垫圈、尼龙垫圈、自锁螺母等

尼母垫圈——除防松外还可起密封作用

螺母一端做成非圆形收口或开峰后径面收口，螺母拧紧后收口涨开，利用收口的弹力使旋合螺纹间压紧。

2）机械防松：

开槽螺母与开口销，圆螺母与止动垫圈，弹簧垫片，轴用带翅垫片，止动垫片，串联钢丝等。

3）永久防松：

端铆、冲点（破坏螺纹）、点焊

4）化学防松——粘合

思考题：

双头螺栓联接，旋入端如何防松？

出过题

①利用螺尾旋紧产生横向扩张；

②利用过盈配合达到横向扩张；

③利用杆端预紧，产生轴向预紧作用。

4-3螺栓联接的强度计算

1、失效形式和原因

a）形式

工程中螺栓联接多数为抗拉疲劳失效，静态失效较少，但严重过载拉断，螺牙剪断，螺纹压溃等可出现。

统计表明：

90%以上螺栓失效皆与应力集中有关，集中分布在三处：

①螺母支承面第一、二牙圈处占65%

②杆螺尾退刀槽处占20%

③钉头支承面处：

占15%

b）失效原因：

应力集中

应力集中促使疲劳裂纹的发生和发展过程

改善工艺、改进结构、正确安装、注意使用方法皆可提高抗疲劳强度

2、设计计算准则与思路

受拉螺栓：

设计准则为保证螺栓的疲劳拉伸强度和静强度

受剪螺栓：

设计准则为保证螺栓的挤压强度和剪切强度

①根据联接特点、材料性质、受力状态、失效形式、确定螺杆危险剖面处的尺寸，实质将螺栓看成最小直径的光杆。

其它尺寸和附件由等强度条件或使用经验确定。

②系统思路

本节主要讨论单个螺栓联接的强度计算，它也适用于双头螺柱和螺钉联接。

螺栓联接的受载形式很多，它所传递的载荷主要有两类：

一类为外载荷沿螺栓轴线方向，称轴向载荷；

一类为外载荷垂直于螺栓轴线方向，称横向载荷。

对螺栓来讲，当传递轴向载荷时，螺栓受的是轴向拉力，故称受拉螺栓。

可分为不预紧的松联接和有预紧的紧联接。

当传递横向载荷时，一种是采用普通螺栓，靠螺栓联接的预紧力使被联接件接合面间产生的摩擦力来传递横向载荷，此时螺栓所受的是预紧力，仍为轴向拉力。

另一种是采用铰制孔用螺栓，螺杆与铰制孔间是过渡配合，工作时靠螺杆受剪，杆壁与孔相互挤压来传递横向载荷，此时螺杆受剪，故称受剪螺栓。

静载荷作用下受拉螺栓常见的失效形式多为螺纹的塑性变形或断裂。

实践表明，螺栓断裂多发生在开始传力的第一、第二圈旋合螺纹的牙根处，因其应力集中的影响较大。

在设计螺栓联接时，一般选用的都是标准螺纹零件，其各部分主要尺寸已按等强度条件在标准中作出规定，因此螺栓的强度计算主要是求出或校核螺纹危险剖面的尺寸，即螺纹小径d1。

螺栓的其它尺寸及螺母的高度和垫圈的尺寸等，均按标准选定。

图4-9起重吊钩

图4-9所示起重吊钩为松螺栓联接的实例。

如已知螺杆所受最大拉力为F，则螺纹部分的强度条件为

≤[σ]（4-13）

式中：

d1为螺纹小径（mm）；

F为螺栓承受的轴向工作载荷（N）；

和[σ]分别为松螺栓联接的拉应力和许用拉应力（N/mm2），[σ]查表4-3、4。

1.只受预紧力作用的螺栓

预紧螺栓联接在拧紧螺母时，螺栓杆除沿轴向受预紧力F'

的拉伸作用外，还受螺纹力矩T1（见式4-9）的扭转作用。

F'

和T1将分别使螺纹部分产生拉应力

及扭转剪应力τ，因一般螺栓采用塑性材料,故可用第四强度理论求其相当应力。

螺纹部分的强度条件为

≤

（4-14）

为螺栓承受的预紧力（N）；

d1为螺纹小径（mm）；

和[σ]分别为紧螺栓联接的拉应力和许用拉应力（N/mm2），[σ]查表4-4。

图4-10气缸盖联接螺栓受力情况

比较式（4-13）和（4-14）可知，考虑扭转剪应力的影响，相当于把螺栓的轴向拉力增大30%后按纯拉伸来计算螺栓的强度。

2.受预紧力和轴向静工作拉力的螺栓联接

这种联接比较常见，图4-10所示气缸盖螺栓联接就是典型的实例。

由于螺栓和被联接件都是弹性体，在受有预紧力F'

的基础上，因受到两者弹性变形的相互制约，故总拉力Fo并不等于预紧力F'

与工作拉力F之和，它们的受力关系属静不定问题。

根据静力平衡条件和变形协调条件，可求出各力之间的关系式。

（4-15）

（4-16）

式中:

c1/（c1+c2）称为螺栓的相对刚度，其大小与联接的材料、结构型式、尺寸大小、载荷作用方式等有关，一般设计时对于钢制被联接件可取：

金属垫（或无垫）0.2~0.3、皮革垫0.7、铜皮石棉垫0.8、橡胶垫0.9；

为螺栓拧紧后所受的预紧力；

F"

为螺栓受载变形后的剩余预紧力，应大于零，一般当工作拉力F无变化时取F"

=（0.2~0.6）F，当F有变化时取F"

=（0.6~1.0）F；

对要求紧密性的螺栓联接，取F"

=（1.5~1.8）F。

考虑到螺栓工作时可能被补充拧紧，在螺纹部分产生扭转剪应力，将总拉力Fo增大30%作为计算载荷。

则受拉螺栓螺纹部分的强度条件为

或d1≥

（4-17）

式中各符号意义同前。

图4-11铰制螺纹孔受力情况

对于受有预紧力F'

及工作拉力F作用的螺栓联接，其设计步骤大致为：

①根据螺栓受载情况，求出单个螺栓所受的工作拉力F；

②根据联接的工作要求，选定剰余预紧力F"

，并按式（4-16）求得所需的预紧力F'

；

③按式（4-15）计算螺栓的总拉力F0；

④按式（4-17）计算螺栓小径d1，查阅螺纹标准，确定螺纹公称直径d。

此外，若轴向载荷在0~F之间周期性变化，则螺栓的总载荷Fo将在F'

～[F'

+Fc1/（c1+c2）]之间变化。

受轴向变载荷螺栓的简化计算仍可按式（4-17）进行，但联接螺栓的许用应力[

]应另参考有关手册选取。

如图4-11所示，这种联接是将螺栓穿过与被联接件上的铰制孔并与之过渡配合。

其受力形式为：

在被联接件的接合面处螺栓杆受剪切；

螺栓杆表面与孔壁之间受挤压。

因此，应分别按挤压强度和抗剪强度计算。

这种联接所受的预紧力很小，所以在计算中不考虑预紧力和螺纹摩擦力矩的影响。

螺栓杆与孔壁的挤压强度条件为

（4-19）

螺栓杆的抗剪强度条件为

（4-20）

FS为单个螺栓所受的横向工作载荷（N）；

δ为螺栓杆与孔壁挤压面的最小高度（mm）；

do为螺栓剪切面的直径（mm）；

m为螺栓受剪面数；

[

]p为螺栓或孔壁材料中较弱者的许用挤压应力（N/mm2）,查表4-3、4；

[τ]为螺栓材料的许用切应力（N/mm2），查表4-3、4。

1、材料P289表4-6，4-7对照自学

螺母、螺栓强度级别：

①保谓强度级别；

②如何分级；

③标记方法

1）据据成的机械性能，把栓母分级，并以数字表示，此乃强度级别如5-6，8-8

2）所依据机械性能为抗拉强度极限

和屈服极限

螺栓级别用带点数字表示点前数字为

点后数字为

螺母级别用

表示

选择对螺母的强度级别应低于螺栓材料的强度级别，螺母的硬度稍低于螺栓的硬度（均低于20~40HB）

2、许用应力

许用拉应力：

—表4-8n—表4-9P85

已知：

不控制

的紧螺栓联接，易过载。

∴设计时应取较大的完全系数。

控制预紧力时可取较小的安全系数n。

∵显然n，

与d有关。

∴设计时，先假设d，进行试算，选取一安全系数进行计算，计算结果与估计直径相比较，如在原先估计直径所属范围内即可，否则需重新进行估算。

试算法：

∴设计时先假设d→n和

→d1（d）与假设比较：

①符合→完成；

②不符合→重算

许用剪切应力[τ]与许用挤压应力

：

（Mpa）

、

——表4-8

（Mpa）nt，nP——安全系数，表4-12

设计时先估d，如d=16~30mm，在表4-9中选n算

求d1

再根据d1查d在此范围，则合格

如d>

30或d<

16则重估，再选n1，

，d1→d合格为止。

为调整计算——总结为试算方法。

4—4螺旋传动

一、螺旋传动的类型、特点与应用

1、应用回转直线传递运动、动力

不自锁时

2、传动形式：

a）螺杆转螺母移b）螺杆又转又移（螺平固定）——用得多

c）螺母转螺杆移d）螺母又转又移（螺杆固定）——用得少

3、螺旋传动类型

按用途分三类：

1）传力螺旋——举重器、千斤顶、加压螺旋。

特点：

低速、间歇工作，传递轴向力大、自锁

2）传导螺旋——机床进给汇杠—传递运动和动力，特点：

速度高、连续工作、精度高

3）调整螺旋——机床、仪器及测试装置中的微调螺旋。

其特点是受力较小且不经常转动

螺旋传动按摩擦副的性质分：

重点介绍

1、滑动螺旋：

构造简单、传动比大，承载能力高，加工方便、传动平稳、工作可靠、易于自锁。

缺点：

磨损快、寿命短，低速时有爬行现象（滑移），摩擦损耗大，传动效率低（30~40%）传动精度低。

滑动螺旋的这些致命缺点，使之不能适应现代工业发展的需要。

2、滚动螺旋传动——摩擦性质为滚动摩擦。

滚动螺旋传动是在具有圆弧形螺旋槽的螺杆和螺母之间连续装填若干滚动体（多用钢球），当传动工作时，滚动体沿螺纹滚道滚动并形成循环。

按循环方式有：

内循环、外循环，滚动螺旋两种。

如图4-36（a）和（b），为保证循环—装有反向器。

传动效率高（可达90%），起动力矩小，传动灵活平稳，低速不爬行，同步性好，定位精度高，正逆运动效率相同，可实现逆传动。

预紧后刚度好，定位精度高（重复定位精度高）

不自锁，需附加自锁装置，抗振性差，结构复杂，制造工艺要求高，成本较高。

3、静压螺旋——液体摩擦，靠外部液压系统提高压力油，压力油进入螺杆与螺母螺纹间的油缸，促使螺杆、螺母、螺纹牙间产生压力油膜而分隔开，如图4-37

f小，效率高可达99%，工作稳定、无爬行现象、定位精度高、磨损小、寿命长。

但螺母结构复杂（需密封），需一稳压供油系统、成本较高。

适用于精密机床中进给和分度机构

二、滑动螺旋的设计计算

1、结构与材料

结构：

图4-37，千斤顶典型结构

1

支承结构：

a）螺杆长径比小时，直接用螺母支承——千斤顶

b）螺杆长径比大时，且水平布置，在两端与中间附加支承，

以提高螺杆刚工，如机床丝杠。

②螺母结构整体式——结构简单，但磨损后精度较差，图4-38

部分式——磨损后可补偿间隙、精度较高，图4-40

组合式——适合于双向传动，可提高传动精度，消除空回误差

齿形矩形

梯形

锯凿形常用

材料：

表4—15注意：

①要求强度耐磨性，配对后f小，加工性好

②螺杆硬度高于螺母

2、耐磨性计算（设计）

滑动螺旋中磨损是最主要的一种失效形式，它会引起传动精度下降，空间大，并使强度↓

磨损的影响因素：

工作面的比压（主要因素），螺纹表面质量，滑动速度和润滑状态等

∴耐磨性计算主要限制螺纹工作面上比压P要求小于材料的许用比压。

为什么？

①当V相同时，P大，磨损量大

②润滑油不被挤出的条件，形成油膜润滑

耐磨性条件：

（Mpa）（4-36）

垂直于Q方面的接触投影面积（单圈螺纹）

h—工作高梯形，矩形—h=0.5P

锯齿形h=0.75PP螺距

u—螺纹工作圈数，u=H/P,H—螺母厚度一般u≤10,以免载荷不均

令H=φd2代入（4-36）得

设计公式：

mm→取标准d（4-37）

式中φ—螺母厚度系数整体螺母φ=1.2~2.5

剖分式螺母φ=2.5~3.5

高精度螺母φ=4

[P]—材料许用比压，表4-16，注意φ小时[P]值可适当提高（∵此时载荷分布均匀）

3、自锁性验算——对有自锁性要求的螺旋副如起重螺旋，火炮高低机等。

自锁条件为：

（4-41）

—螺旋升角，L—导程

—当量摩擦角

—螺纹牙型斜角

f——螺旋副的滑动摩擦系数

4、螺杆的强度计算

螺杆工作时同时受轴面压力（拉力）Q与扭矩T的作用，截面受拉（压）应力与扭剪应力的复合作用，∴按弯扭（压扭，拉扭）复合强度条件计算——第四强度理论

Mpa（4-42）

式中，

mm2——螺杆危险截面积d1——螺纹小径（mm）

（mm3）——抗扭截面模量

（Nmm）——螺纹扭矩

——螺杆材料许用应用Mpa表4-18

5、螺母螺纹牙强度——一般螺母材料强度低于螺杆。

∴螺纹牙受剪和弯曲均在螺母上。

将螺母一圈螺纹沿螺纹大径处展开（将前面图中

）如图4-42，即可视为一悬壁梁，每圈螺纹承受的平均压力Q/u作用在中径d2的圆周上，则螺纹