机械设计教程－八、轮系

第八章 螺纹联接和螺<传动

§8.1 常用螺纹

一、螺纹的形成

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、螺纹种类

三、螺纹的主要参数

1.大径 d （ D）： 螺纹的最大直径在标准中也作公称直径。

2.小径 d1(D1)：即螺纹的最小直径

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：中径圆柱上，螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面的夹角

8. 牙型角 α：螺纹牙型两侧边的夹角。 

四、常用螺纹特点应用

1、三角形螺纹（普通螺纹）

牙型角为60 º ，可以分为粗牙和细牙，粗牙用于一般联接；与粗牙螺纹相比，细牙由于在相同公称直径时，螺距小，螺纹深度浅，导程和升角也小，自锁性能好，宜用于薄壁零件和微调装置。

2、管螺纹

多用于有紧密性要求的管件联接，牙型角为55 º ，公称直径近似于管子内径，属于细牙三角螺纹。

3、梯形螺纹

牙型角为30 º ，是应用最为广泛的传动螺纹。

4、锯齿型螺纹

两侧牙型角分别为3 º 和30 º ，3 º 的一侧用来承受载荷，可得到较高效率；30 º 一侧用来增加牙根强度。适用于单向受载的传动螺纹。

5、矩形螺纹

牙型角为0 º ，适于作传动螺纹

§8.2 螺旋副的受力分析、效率和自锁

一、矩形螺纹

螺旋副是由外螺纹（螺杆）和内螺纹组成的运动副，经过简化可以看作推动滑块（重物）沿螺纹表面运动（如图所示）将矩形螺s沿中径 d2 处展开得一倾斜角为 λ（ 即螺纹升角）的斜面，斜面上的滑块代表螺母，螺母和螺杆的相对运动可以看作滑块在斜面上的运动。

滑块在斜面上等速上升时 。 

当量摩擦角 

滑块沿斜面等速下降时，摩擦力向上 

由公式可知，若 λ≤   ，说明此时无论轴向载荷有多大，滑块（即螺母）都不能沿斜面运动，这种现象称为 自锁

螺旋副的效率

§8.3 螺纹联接的基本类型和及预紧和防松

一、螺纹联接主要类型

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。

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。 

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

二、标准螺纹联接件

1．螺栓

螺栓的头部有各种不同形状，但是我们最常见的是六角头，为了满足工程上的:同需要，六角头又有标准六角头和小六角头。一般情况下我们使用标准六角头，在空间尺寸受到限制的地方使用小六角头螺栓。但是，小六角头螺栓的支承面积较小，如果用于经常拆卸的场合时，螺栓头的棱角也易于磨圆。

2．双头螺柱

双头螺柱的两端都制有螺纹，两端的螺纹可以相-，也可以不同。其安装方式是一端旋入被联接件的螺纹孔中，另一端用来安装螺母。

3. 螺钉

螺钉的头部有各种形状。为了明确表示螺钉的特点，所以通常以其头部的形状来命名。

4．紧定螺钉

紧定螺钉的工作面是在末端，所以对于重要的紧定螺钉需要淬火硬化后才能满足要n 。

5．螺母与垫圈

螺母是和螺栓相配套的标准零件，其外形有：六角形、圆形、方形其厚度有厚的、标准的和扁的，其中以标准的应用最广

垫圈最常见的有平垫和弹簧垫两种。平垫主要是为了增加支承面积。弹簧垫主要是用于防止螺母和其它紧固件的自动松脱。所以凡是有振动的p方又未采取其它防松措施时，原则上都应该加装弹簧垫。

三、螺纹联接的预紧

在零件未受工作载荷前需要将螺母拧紧，使组成联接的所有零件都产生一定的弹性变形（螺栓伸长、被联接件压缩），从而可以有效地保证联接的可靠。这样，各零件在承受工作载荷前就受到了力的作用，这种方式就称为预紧，这个预加的作用力就称为l紧力。对于重要的螺栓联接，在装配时需要控制预紧力 拧紧力矩为  。

n、螺纹联接的防松

一般来说，联接螺纹具有一定的自锁性。但是，工作条件地存在冲击、振动、变载荷作用。在这些工况条件下，螺纹副之间的摩擦力会出现瞬时消失或减小的现象；同时在高温或温度变化比较大的场合，材料会发生蠕变和应力松弛，也会使摩擦力减小。在多次的作用下，就会造成联接的逐渐煌选

常用的防松方法有三种：摩擦防松、机械防松和永久防松 。

1、摩擦防松

1）弹簧垫片防松

弹簧垫圈材料为弹簧钢，装配后垫圈被压平，其反弹力能使螺纹间保持压紧力和摩擦力，从而实现防松。

2）对顶螺母防松

利用螺母对顶作用使螺栓式中受到附加的拉力和附加的摩擦力。由于多用一  个螺母，并且工作不十分可靠，目前已经和少使用了。

3）自锁螺母防松

螺母一端制成非圆形<口或开缝后径  向收口。当螺母拧紧后，收口胀开，利用  收口的弹力使旋合螺纹间压紧 。

2、机械防松

1）槽形螺母和开口销防松

槽形螺母拧紧后，用开口销穿过螺栓尾部小孔和螺母的槽，也可以用普通螺母拧紧后进行配钻销孔 。

2）圆螺母和止动动垫片

使垫圈内舌嵌入螺栓（轴）的槽内，拧紧螺母后将垫圈外舌之一褶嵌于螺母的一个槽内。

3、永久防松

1）冲边法防松

螺母拧紧后在螺纹末端冲点破坏螺纹。

2）粘合防松

通常采用厌氧胶粘结剂涂于螺纹旋合表面，拧紧螺母后粘结剂能够自行固化，防松效果良好。

§8.4 螺纹联接的强度计算

一、松螺栓联接的强度计算

松螺栓联接，螺母、螺栓和被联接件不需要拧紧，

在承受工作载荷前，联接螺栓是不受力的，典型的结

构起重机吊钩。

其强度条件为： 

设计公式为： 

d1 —— 螺纹的小径 （ mm ）

[    ] —— 许用拉应力 （ MPa ），

[    ]= 

 —— 材料的屈服极限 ；

S —— 安全系数

根据求得 d1 再从设计手册中查得公称直径 d

二、受横向载荷紧螺栓联接的强度计算

1、采用普通螺栓

对于普通螺纹联接，强度的计算准则为：预紧力在接合面所产生的摩擦力必须足以阻止被联接件间的相对滑移。则螺栓预紧力 F0 可以推导出

FR 为横向载荷F0 为预紧力f 为摩擦系数m 接合面数

Z 为螺栓个数K 为过载系数一般取1.2

对于螺栓 F0 为拉力。同时预紧时对螺栓有转矩 T 按照第四强度理论

挤压强度条件为： 

L min —— 被联接件中受挤压孔壁的最小长度（ mm ）， 一般要求： L min ≥ 1.25d0

 —— 螺栓或被联接件中较弱者的许用挤o应力

三、承受轴向载荷紧螺栓强度计算

受轴向载荷的额紧螺栓联接是工程上使用最多的一种联接方式。这时，必须同时考虑预紧力和外载力对联接的综和影响。

当施加预紧力后，螺母拧紧，螺栓杆对应于伸长，被联接件在的作用下产生压缩变形。当联接上作用有外载F 时，螺栓杆将继续伸长，被联接件因压力减小而产生部分弹性恢复，其压缩变形的恢复量也应该等于，此时被联接件上的残余压力称为残余预紧力

残余预紧力  与工作要求有关系（表9-3）

螺栓所受总力 F ∑ =F+ 

螺栓强度公式为： 

校核公式： 

§8.5  螺旋传动

一、螺旋传动的类型、特点

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a：

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-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。

特点：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，"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）

缺点：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。