龙振宇机械设计第三章螺纹联接资料.docx

螺纹联接
讨论题
3-1解：由螺纹副受力分析可得其效率公式及自锁条件：由n=tan Wtan(。，
+ P 4<) P可V知当螺纹升角一定时，螺纹工作面的牙型斜角愈大，则fv (或 pv愈大，效率愈低，但自锁性愈好。在几种牙型的螺纹中，三角形螺纹牙型斜角最大(隹30°),故当量摩檫因素fv大，自锁性最好，但效率低。故多用于紧固联接。梯形、锯齿形、矩形螺纹则与之相反，自锁性差，但效率高，故主要用于传动。当pv一定时，升角。愈小，螺纹效率愈低，愈易自锁，故单线螺纹多用于联接，多线螺纹则常用于传动。
3-2 解：
1) 由式(3-21)可得：F〃=F-( 1-Kc)F，工作中被联接件接合面不出现缝隙，要求 F〃 >, 0 而 Kc=c1/(c1+c2)=c1/(c1+3c1)=1/4,即须
Fz-(1-Kc)F>0
得：Fz>-K(1c)F=(1-1/4) 1 0=7.5KN
2) 由式(3-21)得：F〃 =F- (1-Kc)F=10-(1-1/4) 10^ 2.5KN
3) 由式(3-23)得：F0=F ' +KcF=10+1/4 x 10=12.5KN 拉力变幅：
(F0-F )/2=?F/2=1.25KN 拉力平均值：(F0+F，/2) = (10+12.5)/2=11.25KN 思考题及习题
3-1 解：
1) 工作台稳定上升时的效率
。=arctan(np/用2)= arctan(4x 10)/(nX 65)=11.08 °
Pv= arctanfv= arctan0.10=5.71°
n=tan 4/tan(巾+ pv)=tan11.08° /tan(11.08° +5.71 ° )=64.9%
2) 此时加于螺杆的力矩
T1=Ftan(加 Pz)d2/2=1 '103 x-63t5aXn(101.08 +5°.71 °)/2=980N m
3) 转速与功率
导程：S=nP=4 x 10=40mm螺杆每分钟的转数：n杆=v/S=8/40=20r/min螺杆所需的功率：P=T12 ni杆f/60=980 x 2 n X0/60=2.05kW也可用以下求法：
P=Fv/ n=1 x 103 x 8/(60 x 103)/0.649=2.05kW
4) 因bP v该升降机构不能自锁，欲使工作台在载荷F作用下等速下降，需另设制动装置，其制动力矩为：
T 制=Fd2tan( hPv)/2=1 x 103 x 6-53 xta1n0(11.08 -°.71 °/2=305 N m -
3-2解：该螺栓连接为松螺栓连接：故d1 >4F/T［ ( a式］ 3-18 )式中：［弓=以/
(1.2~1 (.7)查表3-6)查表3-7, Q235钢的强度级别为4. 6,故c§=240MP ,a 得［。］=240/( 1.2一1・7) =2~141MP 取 a 中值［o］=170MPa 则 d1> ? 15? 103/
邛 170=10. 6mm
3-3 解：
1)用普通螺栓联接传递的扭矩:T=9550P/n=9550 x 2.8/70=382N - m作用在螺栓中心圆上总的圆周力：
R=2T/D0=2 x 382 x 103/180=4244N单个螺栓所需的预紧力：
F，=KfR/zmfc=1.2 x 4244/4 x 1 x 0.2=确 63 定 66 普 N 通 螺栓直径 d (mm ):d1>? 1.3F/n[由。表]3-6查得[q=Q s/S因为螺栓的强度级别为4.6。由表3-7查得Os=240N/mm2。初估螺栓直径d=14mm (查标准得d1=12. 367mm )。查表3- 8当不控制预紧力时，S=3.2 (用内插法求得)故[q=cs/S=240/3.2=75M则 Pa d1 > ? 1.3? 6366/n? 75=11.856mm 查螺纹标准(GB196-81 )可选用 M12 的螺栓(d1 =10.674mm )。 因 11.856mm <12.367mm 故选用 4 个 M14 (GB5782-86 )的六角头螺栓。
2 )用铰制孔螺栓联接单个螺栓所受横向工作剪力为：Fs=R/z=4244/4=1061N由表3-6查得
[T= Os/2.5=240/2.5=96MPa
[Op]= Ob/2.5=220/2.5=88M (Pa 查 GB9439-88，HT250，，b=220MP ) a 由螺栓杆的抗剪强度条件得：T=4Fs/ nd02m <[ Td0醐Fs/nh[4田1=061/邛1?
96=3.75mm由螺栓杆与孔壁接触表面的挤压强度条件得：Op=Fs/d0h <[^p] d0>Fs/[Op]h=1061/88*20=0.6mm 选用 4 个 M6 的六角头铰制孔螺栓(d0=7mm )。3-4 解：
(1)用普通螺栓联接时：
1) 确定螺栓所承受的最大载荷由图可见，载荷作用于总体结构的对称平面内，所以每一块板所承受的载荷R=20/2=10kN ；应用力的平移定理，将力R向接缝面形心O简化。可见螺栓组接 缝面受横向载荷R=10kN，每个螺栓受的横向力 R1=R2=R3=R4=R/4=25N 。绕 中心旋转的扭矩 T=10*3=30kN - mm，由此扭矩使各个螺栓所受的剪切P1=P2=P3=P4 (因r1=r2=r3=r4 )故rmax=752+752=752 ，则 P1=Pmax=Trmax/ £ri=1zi2=30 7x 52/4 x ( 752 ) 2=7.072kN根据力的合成原理，由图可看出，作用于螺栓1或2的总的剪切载荷F1或F2最大。用余弦定律可得：2222F1=P1+R1-2P1R1cos135? =P1+R1+2P1R1cos45? =70722+252-
2? 7072? 25? 0.707=9015N 2 )计算螺栓直径 dF1'=KfF1/zfsm=1.2*9015/1*0.16*1=67612.5N 初选 M33 的螺栓查标准可得d1=29.211mm ，查表 3-8，S=1.93。则
[q= cs/S=3/1.93 =155.44MPa
dl >
4? 1.3? 67612.54? 1.3F'==26.893<29.211mm 故可选用 8个 M33 的螺栓。邛 155.44n[（/]）用铰制孔螺栓联接时确定螺栓杆（螺栓孔）直径d0：由式（3-26 ）得 d0 >4F1 厢[t]
查表3-6,[ T=以/3.5 ~5 （龙门起重机的工况使螺栓受变载荷，取S=4 ）则
[T]=3/4=75MPa
d0>4 9015=12.37mm n? 1? 75查标准GB27-88，选用8个M12的六角头铰制孔用螺栓。
3-5解：为便于装拆，采用受拉螺栓紧联接。
1）受力分析，确定单个螺栓的最大载荷
将F力向螺栓组形心转化，则螺栓组将承受轴向工作载荷F及弯矩M的作用：
F=25N , M=380F=95N- m
由于F的作用，各螺栓上受到拉伸载荷为F1 F1=F/2=25/2=12.5kN。
由于M使托架底板绕形心轴转动，螺栓受到加载的作用。产生在螺栓上的拉伸载 荷为 F2
F2=MLmax
z£L
i=12i95? 103? 520/2=18269N （ 520/2 ） 2+ （ 520/2 ） 2 左边螺栓受力最大，
Fmax=F1+F2=125+18269=30769N
2）计算螺栓直径
螺栓的总载荷：F0=F 〃+Fmax根据工作要求，考虑F有变化，取F〃 =Fma，x则F0=Fmax+Fmax=2*30769=61538N。螺栓材料选用35钢，强度级别为5.6
级，则0； =3MP，a若不考虑控制预紧力时，初选M30的螺栓，查标准（d1=26.211mm ）。查表 3-8，取 S=2，
则[q=c§/s=3/2=150MPa
由式（3-24）得 d1 >5.2? 615385.2F0==26.0653mmn? 150n[o]
因26.0653mm<26.211mm ，故选用2个M30 （GB5782-86 ）的螺栓，与原估计直径相符。
3）校核螺栓组联接的工作能力。为保证受压一侧的接缝不被压溃和受拉一侧不出现缝隙，不计弯矩M对预紧力的影响。则接合面不被压溃的条件：opmax < [O p0 pmax= Op-F opF+M/W=zF ' /-AF/A+M/W 式中：
F' =F〃 +-K（1c）Fmax=Fmax+0.7Fmax=1.7*30769=52307N（用金属垫片，取
Kc=0.3 ） A=660*180-3*180=648mm2
W=（180/6）*（6602-33/660）=11840730mm3 得：
cpmax=2*52307/6480-0250/648+95*103/11840730
=1.61-0.386+0.8=2.03MPa<[ Op]
[cp]=Q.8 e§=Q,8 x 35125M=P2a （托架材料为35号钢）接合面间不出现间隙：Cpmin>0
Opmin= Op-FoPma-x OpM=1.61 —0.39—0.8=0.42MP>0 故不会出现间隙。
3-6解：螺纹的主要参数有（以圆柱三角形外螺纹为例）大径d,小径d1 ,中径d2,螺距P,导程S,升角巾，牙型角a牙型斜角0及螺纹工作高度h等。导程与螺距的关系为：S=nP （n为螺纹线数）导程与升角的关系为：心arctan（S/nd2）= arctan（nP/Td2）
3-7解：常用螺纹牙型有：三角形，矩形，梯形，锯齿形。三角形螺纹牙型斜度大，当量摩擦系数大，自锁性最好，而且牙根厚，强度高，主要用于联接。三角形螺纹分为普通螺纹和管螺纹两类。普通螺纹又分为粗牙和细牙螺纹，一般联接用粗牙螺纹，细牙螺纹螺距小，牙细，小径大，升角小，自锁性好，承载能力高，但磨损后易滑扣，常用于受冲击，振动，变载荷的联接及薄壁零件与微调装置。管螺纹是用于管件联接的特殊细牙三角形螺纹，@55 °，
内外螺纹无径向间隙，联接紧密性好。常用于水，煤气，润滑管路系统以及高温，高压等密封性要求高的场合。
矩形螺纹牙型角c=0°，螺纹当量摩擦系数小，与螺纹材料摩擦系数相同，传动效率高，但与同尺寸的其他螺纹相比，牙根强度低，磨损后轴向间隙不易补偿，定心性差，且难于精确加工，故应用较少，无标准，常为梯形螺纹所替代。梯形螺纹牙型角@30,。传动效率比矩形螺纹稍低，但制造工艺性好，牙根强度高，磨损后轴向间隙可以补偿，定心性好，故在传动螺旋中应用广泛。锯齿形螺纹牙型斜角。两边不等，工作边为3°，非工作边为30°，它综合了矩形螺纹效率高和梯形螺纹牙根强度高，定心性好的优点，用于承受单向重载的传动螺旋如压力机，轧钢机等。
3-8 解：由式 皿arctan（S/ n及d2螺纹力矩公式，效率公式及自锁条件：
T1=Qtan（巾+ Pv）d2,/2。V pv n=tan巾/tan（巾,+可P知v）：当螺旋副中径和牙型相同，且轴向载荷Q及其他条件相同时，导程S大，升角。大，则螺纹力矩T1大，传动效率n高，而自锁性差。
3-9解：螺纹联接的基本类型有：螺栓联接，双头螺柱联接，螺钉联接，紧定螺钉联接。螺栓联接按结构不同分为普通螺栓联接和铰制孔螺栓联接。普通螺栓广泛应用于被联接件不太厚并需经常拆卸，并能从联接两边进行装配的场合。当需要借助螺杆承受较大的横向载荷或须精确固定两被联接件的相对位置时，则采用铰制孔螺栓联接。双头螺柱联接用于因结构受限制不能用于螺栓联接的地方如被联接件之一很厚不便穿孔或希望结构较紧凑且需经常拆卸的场合。螺钉联接应用与双头螺柱联接相似，但经常拆卸易使螺孔损坏，故不宜用于经常装拆的场合。螺钉还可用以调整零件位置，如调节螺钉。紧定螺钉主要用来固定两个零件的相对位置，可传递不大的力及转矩，多用于轴与轴上零件的联接。
3-10解：螺纹联接在变载荷，冲击、振动、及温度变化较大的情况下，螺纹牙间和支承面间的摩擦力可能瞬时消失，而失去自锁的能力，经多次重复后，联接可能松动，甚至松脱失效，直接影响联接的可靠性和紧密性，以至产生严重事故，故应采取防松措施。
按防松原理，防松的方法分为摩擦防松，机械防松和永久止动防松三类。摩擦防松如弹簧垫圈，对顶螺母，金属锁紧螺母，尼龙锁紧螺母等，机械防松如槽形螺母和开销，圆螺母和止动垫片，串联金属丝等；永久止动如端面冲点法或电焊以及在螺纹副间涂金属胶接剂等。
3-11 解：
松螺栓装配时不需拧紧，不受力。工作时才承受载荷，并且只能承受轴向外载荷，故只按拉伸强度计算。紧螺栓装配时，由于拧紧而受预紧力和螺纹阻力矩的联合作用，工作时可承受轴向外载荷，也可承受横向载荷。强度计算时，螺栓所受的拉应力须增大30%来考虑扭转切应力（螺纹阻力矩）的影响。
3-12 解：
受轴向载荷的单个螺栓与被联接件的力与变形关系如下图：
F0与其他力的关系式为：F0=F 〃 +F， F0=F ' +KcF
3-13 解：
当螺栓穿过被联接件的通孔铰螺栓与孔间留有间隙的称为普通螺栓联接（即受拉螺栓联接）。螺栓杆与孔壁采用基孔制过渡配合的联接称为较制孔用螺栓联接（即受剪螺栓联接）。
以上的结构特点决定了两种螺栓有不同的工作原理。受拉螺栓工作时，螺栓主要承受轴向拉力（包括预紧力），在静载荷作用下其主要失效形式为螺纹部分的塑性变形和断裂。在变载荷下多为螺栓的疲劳断裂。在螺纹精度低或联接经常拆卸时也会因过度磨损而滑扣失效。故对于受拉螺栓设计准则是保证螺栓的静力或疲劳抗拉强度。
受剪螺栓工作时，螺栓只承受横向力，所受预紧力很小。主要失效形式为螺栓杆和孔壁的贴合面发生压溃或螺栓杆被剪断。故其设计的准则是保证联接的挤压强度和螺栓的抗剪强度。
受拉螺栓的结构简单，加工制造简单，装配方便，成本低。故广泛应用于一般联接中。但承受横向外载荷的强度比受剪螺栓低。故螺栓尺寸大。受剪螺栓承载能力高，尺寸小，但加工复杂，成本高。用于承受较大横向力或联接须精确固定相对位置的重要场合。
3-14 解：
为提高螺纹联接的疲劳强度，则要：
1）改善螺纹牙间的载荷分配不均匀的现象，可用悬置螺母，环槽螺母，内斜螺母，钢丝螺套等结构。
2）降低螺栓的应力幅，可减少螺栓刚度或增大被联接件刚度来达到这一目的。
3）减少应力集中，避免附加弯曲应力以及在工艺上采用一些措施如滚压螺纹及喷丸处理、冷礅螺栓头部以及渗氮、碳氮共渗等表面热处理以改善材料的力学性能，均能提高其疲劳强度。
如图所示，受轴向载荷的紧螺栓联接，当c1，c2及F0不变时，只增大F，，则螺栓联接的应力幅下降，故疲劳强度提高。
3-15 解：
工作时联接所受旋转力矩WL是通过拧紧后被联接零件轴毂间的摩擦力矩来传递的。应满足：摩擦力矩>工作阻力矩。
设轮毂间的摩擦因数为f，可靠性系数为Kf，螺栓所受的预紧力为F'则
2FfD/2 > KfWL，F > Kf WL/fD
而 F=2F '， F' =F/2
所以 F / =KfWL/2fD