螺纹联接和螺旋传动习题与解答.pdf
第三章第三章 螺纹联接与螺旋传动螺纹联接与螺旋传动重要基本概念1常用螺纹有哪几类？哪些用于联接，哪些用于传动，为什么？哪些是标准螺纹？常用的有：三角螺纹，矩形螺纹，梯形螺纹和锯齿形螺纹。三角螺纹用于联接，其余用于传动。因三角螺纹自锁性好，其它螺纹传动效率高。除矩形螺纹外，其余均为标准螺纹。2何谓螺纹联接的预紧，预紧的目的是什么？预紧力的最大值如何控制？螺纹联接的预紧是指在装配时拧紧，是联接在承受工作载荷之前预先受到预紧力的作用。预紧的目的是增加螺纹联接的刚度、保证联接的紧密性和可靠性（防松能力）。拧紧后，预紧应力的大小不得超过材料屈服极限 S 的 80%。3螺纹联接有哪些基本类型？适用于什么场合？螺纹联接有 4 中基本类型。螺栓联接：用于被联接件不太厚且两边有足够的安装空间的场合。螺钉联接：用于不能采用螺栓联接（如被联接件之一太厚不宜制成通孔，或没有足够的装配空间），又不需要经常拆卸的场合。双头螺柱联接：用于不能采用螺栓联接且又需要经常拆卸的场合。紧定螺钉联接：用于传递力和力矩不大的场合。4紧螺栓联接的强度也可以按纯拉伸计算，但须将拉力增大 30%，为什么？考虑拧紧时的扭剪应力，因其大小约为拉应力的 30%。5提高螺纹联接强度的措施有哪些？1）改善螺纹牙间的载荷分配不均；2）减小螺栓的应力幅；3）减小螺栓的应力集中；4）避免螺栓的附加载荷（弯曲应力）；5）采用合理的制造工艺。6为什么螺母的螺纹圈数不宜大于 10 圈（使用过厚的螺母不能提高螺纹联接强度）？因为螺栓和螺母的受力变形使螺母的各圈螺纹所承担的载荷不等，第一圈螺纹受载最大，约为总载荷的 1/3，逐圈递减，第八圈螺纹几乎不受载，第十圈没用。所以使用过厚的螺母并不能提高螺纹联接强度。7联接螺纹能满足自锁条件，为什么还要考虑防松？根据防松原理，防松分哪几类？因为在冲击、振动、变载以及温度变化大时，螺纹副间和支承面间的摩擦力可能在瞬间减小或消失，不再满足自锁条件。这种情况多次重复，就会使联接松动，导致机器不能正常工作或发生严重事故。因此，在设计螺纹联接时，必须考虑防松。根据防松原理，防松类型分为摩擦防松，机械防松，破坏螺纹副关系防松。精选例题与解析例 3-1 如图所示，用 8 个 M24（d1=20.752 mm）的普通螺栓联接的钢制液压油缸，螺栓材料的许用应力=80 MPa，液压油缸的直径 D =200 mm，为保证紧密性要求，剩余预紧力为=1.6F，试求油缸内许用的的最大压强 Pmax。例 3-1 图解题要点：1先根据强度条件求出单个螺栓的许用拉力 Q；2在求许用工作载荷 F。解：根据：，解得：=20814 N依题意：由：汽缸许用载荷：根据：解得：Q 2.6F = 20814，解得：F = 8005 NF = z F = 8F = 64043 NMPa例 3-5 如例 3-5 图 1 所示螺栓联接，4 个普通螺栓成矩形分布，已知螺栓所受载荷 R = 4000 N，L=300mm，r=100mm，接合面数 m =1，接合面间的摩擦系数为f = 0.15，可靠性系数 Kf = 1.2，螺栓的许用应力为=240MPa，试求：所需螺栓的直径（d1）。例 3-5 图 1解：(1) 将 R 简化到螺栓组形心，成为一个横向载荷 R 和一个转矩 T，如例 3-5图 2 所示，其中：Nmm(2) 求每个螺栓联接承受的分力R 的分力：FSR = R/z = 4000/4 =1000 N例 3-5 图 2T 的分力：N(3 求 FSmax= 3774 N(4) 据不滑移条件：QP f m Kf FSmax所需预紧力 QP ：= 30192 N(5) 根据强度条件：例 3-5 图 3求得螺栓小径 d1：=14.430mm讨论 1：如果本题改为用铰制孔螺栓联接，在解法上有什么相同和不同之处？1求 FSR、FST 和 FSmax 的方法相同，但求 FST 的公式应为：2铰制孔螺栓联接不用求预紧力，因为 FSmax 就是铰制孔螺栓解所受的剪力。3强度条件不同。铰制孔螺栓联接的可靠性条件是剪切强度和挤压强度。讨论 2：如果螺栓的布置改为如例 3-5 图 3 所示，螺栓中心到螺栓组形心的距离 r 不变。问那种布置方案更合理？为什么？原来的布置方案更合理。因为在例 3-5 图 3 的方案中，螺栓 1 承载的两个分载荷 FSR 和 FST 方向相同，合成后的 FSmax 比原方案大。载荷大，所需螺栓尺寸就大。例 3-6 图示的夹紧联接中，柄部承受载荷 P = 600N，柄长 L=350mm，轴直径db =60mm，螺栓个数 z =2，接合面摩擦系数 f = 0.15，螺栓机械性能等级为8.8，取安全系数 S=1.5，可靠性系数 Kf = 1.2，试确定螺栓直径。例 3-6 图解题注意要点：1螺栓只受预紧力 QP；2滑移面是轴的圆周；3夹紧力 R 产生摩擦力传递转矩 PL。4夹紧力 R 由预紧力 QP 产生.解：根据不滑移条件：所需夹紧压力 R：N所需预紧力：N螺栓材料的屈服极限MPa。许用应力为：MPa根据强度条件：所需螺栓的小径为：mm查粗牙普通螺纹基本尺寸标准 GB196-81，选用 M10 的螺栓，其小径mm。例 3-7 图示为一圆盘锯，锯片直径 D =500 mm，用螺母将其压紧在压板中间。如锯片外圆的工作阻力 F t= 400N，压板和锯片间的摩擦系数 f = 0.15，压板的平均直径 D1=150mm，取可靠性系数 Kf =1.2，轴的材料为 45 钢，屈服极限=360MPa，安全系数 S=1.5，确定轴端的螺纹直径。例 3-7 图解题注意要点：1此题为受横向工作载荷的普通螺栓联接2螺栓只受预紧力 QP；3因只有左侧压板和轴之间有轴毂联接，即只有一个滑移面，是锯片和左侧压板之间，m =1；解：1）外载荷最大转矩Nmm2）作用于压板处的横向工作载荷N3）根据不滑移条件计算预紧力N4 计算螺栓直径MPa根据公式(6-11)螺栓的最小直径为mm查粗牙普通螺纹基本标准 GB19681,选用 M12 的螺栓，其小径mm。自测题与答案一、选择题3-1在常用螺纹类型中，主要用于传动的是_。A矩形螺纹、梯形螺纹、普通螺纹 B矩形螺纹、锯齿形螺纹、管螺纹C梯形螺纹、普通螺纹、管螺纹 D梯形螺纹、矩形螺纹、锯齿螺纹3-2当螺纹公称直径、牙型角线数相同时，细牙螺纹的效率_粗牙螺纹的效率。A大于 B等于C小于 D大于或等于3-3螺纹联接中最常用的螺纹牙型是_。A三角螺纹 B矩形螺纹C梯形螺纹 D锯齿形螺纹3-4用于薄壁形零件联接时，应采用_。A多线三角粗牙螺纹 B三角细牙螺纹C梯形螺纹 D锯齿形螺纹3-5当螺纹公称直径、牙型角、螺纹线数相同时，粗牙螺纹的自锁性能比细牙螺纹的自锁性能_。A好 B差C相同 D不一定3-6在下列四种具有相同公称直径和螺距，并采用相同材料的传动螺旋副中，传动效率最高的是_。A. 单线矩形螺旋副 B. 单线梯形螺旋副C. 双线矩形螺旋副 D. 双线梯形螺旋副3-7拧紧可以使一定公称直径的普通螺栓取得一定的预紧力，如果要以比较小的拧紧力矩 T 来得到要求的预紧力 QP，可采用_。A细牙螺纹 B双线螺纹C适当润滑 D增加螺母与被联接件支承面间的面积3-8. 在螺纹联接中，按防松原理，采用双螺母属于_。A摩擦防松 B机械防松C破坏螺旋副的关系防松 D增大预紧力防松3-9重要的受拉螺栓联接中，不宜用小于 Ml2 Ml6 的螺栓，其原因是：尺寸小的螺栓_。A不用好材料，强度低 B需要的螺栓个数多C拧紧时容易过载 D不能保证联接的刚度3-10当两被联接件之一太厚，不宜制成通孔，且需要经常拆卸时，往往采用_。A螺栓联接 B螺钉联接C双头螺栓联接 D紧定螺钉联接3-11当两被联接件之一太厚，不宜制成通孔，不需要经常拆卸时，往往采用_。A螺栓联接 B螺钉联接C双头螺栓联接 D紧定螺钉联接3-12某单个螺栓联接，要求被联接件接合面不分离，假定螺栓的刚度 CL 与被联接件的刚度 CF 相等，联接的预紧力为 QP。现在对联接施加轴向载荷，当外载荷 F 达到与预紧力 QP 的大小相等时，_。A. 被联接件发生分离，联接失效B. 被联接件即将发生分离，联接不可靠C. 联接可靠，但不能继续加载D. 联接可靠，只要螺栓强度足够，载荷 F 还可以继续增加到接近预紧力 QP的两倍3-13.某汽缸盖螺栓联接，若汽缸内气体压力在 0 2 MPa 之间变化，则缸盖联接螺栓的应力类型为_。A非对称循环变应力 B脉动循环变应力C对称循环变应力 D非稳定循环变应力3-14在螺纹联接设计中，被联接件与螺母和螺栓头的联接表面加工凸台或沉头座是为了_。A使工作面均匀接触 B使接触面大些，提高防松能力C安装和拆卸时方便 D使螺栓不受附加载荷作用3-15受轴向变载荷的螺栓联接中，已知预紧力 QP = 8000 N，工作载荷：Fmin = 0，Fmax= 4000 N，螺栓和被联接件的刚度相等，则在最大工作载荷下，剩余预紧力为_。A2000 N B4000 NC6000 N D8000 N3-16当螺栓组承受横向载荷或旋转力矩时，该螺栓组中的螺栓_。A. 必受剪应力作用 B. 必受拉应力作用C. 同时受到剪切和拉伸 D. 既可能受剪切，也可能受拉伸3-17当铰制孔螺栓组承受横向载荷或旋转力矩时，该螺栓组中的螺栓_。A. 必受剪应力作用 B. 必受拉应力作用C. 同时受到剪切和拉伸 D. 既可能受剪切，也可能受拉伸3-18对于受轴向载荷的紧螺栓联接，在限定螺栓总拉力的条件下，提高螺栓疲劳强度的措施为_。A增加螺栓刚度，减小被联接件的刚度 B减小螺栓刚度，增加被联接件的刚度C同时增加螺栓和被联接件的刚度 D同时减小螺栓和被联接件的刚度3-19对于受轴向载荷的紧螺栓联接，当螺栓总拉力 Q 和剩余预紧力不变，减小螺栓的刚度，则螺栓的应力幅和预紧力也会发上变化。一般随着_。A减小，也应适当减小 B增大，应适当减小C增大，也应适当增大 D减小，应适当增大3-20随着被联接件刚度的增大，螺栓的疲劳强度_。A提高 B降低C不变 D可能提高，也可能降低3-21受轴向变载荷作用的紧螺栓联接，当增大螺栓直径时，螺栓的疲劳强度_。A提高 B降低C不变 D可能提高，也可能降低3-22若要提高受轴向变载荷作用的紧螺栓的疲劳强度，可以_。A在被联接件之间加橡胶垫片 B采用精制螺栓C减小预紧力 D增大螺栓长度3-23采用悬置螺母的作用是_。A使螺母中各圈螺纹受力均匀 B减小螺栓系统的刚度C作为联接的防松措施 D防止螺栓受弯曲载荷3-24一精致普通螺栓的螺栓头上标记着 6.8（强度级别），则该螺栓材料的屈服极限近似为_ N/mm2。L题 3-25 图A600 B800C680 D4803-25一薄板用两个螺栓与支架联接， 其受力与尺寸如题 3-26 图所示，则一个螺栓所受的总横向载荷 Fs =_。AP/2 BPL/a C3-26仅受预紧力作用的紧螺栓联接，螺栓的计算应力为：,式中的 1.3 是考虑_。A安装时可能产生的偏心载荷 B载荷可能有波动C拉伸和扭转的复合作用 D螺栓材料的机械性能不稳定3-27用普通螺栓联接的凸缘联轴器，在传递转矩 T 时，_。A螺栓受剪切 B螺栓与孔壁接触面受挤压C螺栓同时受剪切与挤压 D螺栓受拉伸与扭转3-28对普通螺栓进行强度计算时，安全系数的选择与其直径有关，是因为_。A直径小，容易过载 B直径大，不容易控制预紧力C直径大，材料缺陷多 D直径大，安全3-29在同一螺栓组联接中，螺栓的材料、直径和长度均应相同，这是为了_。A外形美观 B安装方便C受力均匀 D降低成本3-30螺旋传动中的螺母多采用青铜材料，这主要是为了提高_的能力A抗断裂 B抗塑性变形C抗点蚀 D耐磨损二、填空题3-31三角形螺纹的牙型角 =_，适用于_。而梯形螺纹的牙型角 =_，适用于_。3-32螺旋副的自锁条件是_。3-33螺纹联接防松的实质是_。3-34受轴向工作载荷 F 的紧螺栓联接，螺栓所受的总拉力 Q 等于_和_之和。3-35承受横向工作载荷的普通螺栓联接，螺栓受_应力和_应力作用，可能发生的失效形式是_。3-36承受横向工作载荷的铰制孔螺栓联接，靠螺栓受_和_来传递载荷，可能发生的失效形式是_和_。3-37若螺纹的直径和螺纹副的摩擦系数一定，则拧紧螺母时的效率取决于螺纹的_和_。3-38在螺栓联接中，当螺栓轴线与被联接件支承面不垂直时，螺栓中将产生附加_应力，而避免其发生的常用措施是采用_和_作支承面。3-39螺纹联接的防松，按其防松原理分为_防松、_防松和_防松。3-40滑动螺旋传动的主要失效形式是_。三、简答题3-41一刚性凸缘联轴器用普通螺栓联接以传递转矩 T，现欲提高其传递的转矩，但限于结构不能增加螺栓的数目，也不能增加螺栓的直径。试提出三种提高转矩的方法。3-42普通螺纹分为粗牙和细牙螺纹，请问细牙螺纹有什么特点？用于何处？3-43常用螺纹联接的类型有哪几种？应用场合是什么？3-44什么是螺纹联接的紧联接和松联接？3-45螺纹联接的防松方法常用的有几种？工作原理是什么？举例说明。3-46在紧螺栓联接的强度计算中，为什么将轴向拉力加大 30%？3-47普通螺栓和铰制孔螺栓靠什么传递横向载荷？3-48受预紧力 QP 和轴向工作载荷 F 的紧螺栓联接，螺栓受的总拉力 Q =QP+F 吗？3-49螺栓的机械性能等级为 4.8 的含义是什么？3-50提高螺栓联接强度的措施有哪些？四、分析计算题3-51如题 3-51 图所示，用 6 个的普通螺栓联接的钢制液压油缸，螺栓性能为 8.8 级，安全系数 S = 3，缸内油压p =2.5N/mm2，为保证紧密性要求，剩余预紧力1.5F，求预紧力的取值范围。（端盖与油缸结合面处采用金属垫片）题 3-51 图题 3-52 图3-52在图示的汽缸联接中，汽缸内径 D = 400mm，螺栓个数 z =16，缸内压力 p 在 02 N/mm 之间变化，采用铜皮石棉垫片，试确定螺栓直径。3-53图示为某减速装置的组装齿轮，齿圈为 45 钢，= 355MPa，齿芯为铸铁 HT250，用 6 个 8.8 级 M6 的铰制孔用螺栓均布在 D0=110mm的圆周上进行联接，有关尺寸如图所示。试确定该联接传递最大转矩 Tmax。题 3-53 图题 3-54 图3-54如题 3-54 图所示支架，用 4 个普通螺栓联接。已知：R = 4000N，L =400mm，b = 200mm，每个螺栓所加的预紧力 QP = 3000 N，设螺栓和被联接件的刚度相等，求螺栓所受的总拉力 Q 和剩余预紧力。五、结构分析题3-54分析题 3-55 图所示的螺纹联接结构，找出其中的错误，简单说明原因，并画图改正。a b c题 3-55 图六、参考答案1选择题3-1 D； 3-2 C； 3-3 A；6 C；3-7 A； 3-8 A； 3-9 C；12 D；3-13 A； 3-14 D； 3-15 C；18 B；3-19 D； 3-20 A； 3-21 B；24 D；3-25 D； 3-26 C； 3-27 D；30 D；2填空题3-3160联接30传动3-32螺旋升角小于当量摩擦角3-33防止螺纹副相对转动 B； C； D； D； A； B； 3-11 B； 3-17 A； 3-23 A； 3-29 B； 3- 3-4 3-5 3-10 3- 3-16 3- 3-22 3- 3-28 3-3-34 剩余预紧力工作拉力3-35拉扭剪断裂（拉断或拉扭断）3-36剪切挤压（螺杆被）剪断（工作面被）压溃3-37线数升角3-38弯曲凸台沉头座3-39摩擦机械破坏螺纹副关系3-40磨损3简答题（仅供参考）3-41答：1）改变材料，提高螺栓、螺母的强度级别。2）改用铰制孔螺栓联接。3）在被联接件之间加入减载零件，如减载销，减灾套等。3-42答：细牙螺纹螺距小、螺纹升角小、自琐性好，强度高，但不耐磨损、易滑脱。用于粗牙对强度影响较大的零件（如轴和管状件）、受冲击振动和变载荷的联接、薄壁零件的联接、微调机构等等。3-43答：常用的螺纹联接有 4 种类型：（1）螺栓联接：用于被联接件不太厚有足够的装配空间的场合。（2）双头螺栓联接：用于被联接件之一很厚，又经常拆装的场合。（3）螺钉联接：用于被联接件之一很厚，又不经常拆装的场合。（4）紧钉螺钉联接：用于固定两被联接件的相对位置，并且传动力和力矩不大的场合。3-44答：装配时拧紧的螺纹联接为紧联接，反之为松联接。3-45答：有 3 种。（1）摩擦防松：靠维持螺纹牙间不变的正压力来保证足够的摩擦力，如双螺母。（2）机械防松：用机械固定的方法使螺纹副之间无相对运动。如止动垫圈。（3）破坏螺纹副：使螺纹副破坏，如冲点法。3-46答：因为在拧紧螺栓时，螺栓是受拉伸和扭转复合作用，要考虑扭转力的作用，还要考虑补充拧紧，所以要轴向拉力加大 30%。3-47答：普通螺栓靠被联接件接合面的摩擦力传递载荷，铰制孔螺栓靠螺栓杆部被挤压和剪切来传递载荷。3-48答：考虑联接件和被联接件的弹性变形，在螺杆受各种拉力拉伸时，被联接件被放松，则结合面的预紧力 QP 变小，成为剩余预紧力，所以工作总拉力。3-49答：强度极限MPa。屈服极限MPa3-50答：5 种：（1）改善载荷在螺纹牙间的分配，如：环槽螺母，目的是使载荷上移悬置螺母，使螺杆螺母都受拉。（2）减小螺栓的应力幅，如采用柔性螺栓，目的是减小联接件的刚度。（3）减小应力集中，如采用较大的过渡圆角或卸荷结构。（4）避免附加弯曲应力，如采用凸台和沉头座。（5）采用合理的制造工艺，如：滚压、表面硬化处理等。4分析计算题3-51解题要点：液压油缸盖所受的总载荷：N单个螺栓工作载荷：N查得螺栓的相对刚度，取最小预紧力：N已知螺栓性能等级为 8.8 级，则。螺栓材料的许用应力为：查得 M16 螺栓的小径mm，代入强度条件：得螺栓许用总拉力：N则最大预紧力：N综上，预紧力的取值范围：1036223206 N3-52解题要点：1）计算螺栓受力气缸盖所受的最大压力：N单个螺栓联接的轴向工作载荷：N取，单个螺栓的总拉力：N2）计算螺栓最小直径采用 6.8 级六角头螺栓(GB5282-86)，屈服极限MPa，抗拉强度极限=600 MPa，查表取，螺栓材料的许用应力为：MPa根据强度条件，螺栓小直径：mm选用 M16 的螺栓，mm。3验算螺栓疲劳强度根据 d =16mm，=600 MPa，查得，由表 1-4 的经验公式：MPa取，则许用应力幅为：MPa查螺栓的相对刚度：，得螺栓应力幅：MPa因, 所以不满足疲劳强度要求。4提高螺栓的疲劳强度将被联接件之间的铜皮垫片改为金属垫片，查得螺栓相对刚度：，则：=15.7 MPa 满足疲劳强度要求。3-53解题要点：1) 按剪切强度条件计算单个螺栓的许用剪力 FS根据 M6 铰制孔用螺栓查得mm；螺栓的屈服极限MPa；查表取；则螺栓材料的许用剪应力为MPaN2) 按剪切强度计算螺栓组的许用转矩 T：Nmm = 3249.51 Nm3）计算许用挤压应力螺栓为 8.8 级，MPa，取，螺栓材料的许用挤压应力为MPa轮芯材料为铸铁 HT250，强度极限MPa，取，许用挤压应力为：MPa轮芯材料较弱，以MPa 计算转矩。4) 按挤压强度条件计算单个螺栓的许用剪力 FS由图，9 mm，则：N5) 按挤压强度条件计算螺栓组的许用转矩 T2079000 Nmm = 2079 Nm综上，此螺栓组所传递的最大转矩Nm。3-54解题要点：题 3-54 解图解：1）将载荷 R 移至螺栓组形心，成为 R 和 M 复合作用的状态，如题 3-54 解图所示。其中：Nmm2）求螺栓的分载荷：NN方向向下的工作载荷使螺栓所受拉力减小，应取为负值。3）求螺栓的总工作载荷 F：左侧螺栓： F1 = FM FR = 4000 1000 = 3000 N右侧螺栓： F2 = FM + FR = 4000 1000 = 5000 N4）求螺栓的总拉力 Q：左侧螺栓：N右侧螺栓：N5）求螺栓的总拉力：左侧螺栓：N右侧螺栓：N5结构分析题3-65主要结构错误分析如下：a铰制孔螺栓联接（1）螺纹的大径应小于铰制孔配合直径（2）弹簧垫圈的切口倾斜方向错误（3）螺纹部分长度不够（4）螺栓无法由下向上装入b双头螺柱联接（1）螺纹孔的的深度应大于螺杆拧入深度（2）螺纹孔内没有光孔，深度应大于螺纹孔，否则螺纹不能加工（3）上端螺柱的螺纹部分长度不够（4）下端螺柱无螺纹部分不可能拧入被联接件 2 的螺纹孔（5）上边的被联接件应该有通孔，其孔径应大于螺杆直径c螺钉联接（1）螺钉头的周围空间尺寸太小，更没有扳手空间，圆柱螺钉头也不能拧紧（2）上面的被联接件必须为光孔，不能是螺纹孔（3）下面的被联接件应有螺纹，（4）光孔的直径应与螺纹小径近似相同，而不是等于螺纹大经（5）缺少防松措施a c题 3-55 解图 b
