第15章螺纹连接

机电工程学院制作 机械设计基础 多媒体课件 -材料系各专业第 15章 螺纹连接n 15-1 概述n 15-2 螺纹连接n 15-5 键连接、销连接及型面连接15-3 螺纹连接的预紧和防松15-4 螺纹连接的强度计算机械设计基础 15-1 概述在机械中，许多零件、部件之间以一定的方式组合成一个整体，这就需要使用各种连接。连接的分类：1、按连接工作原理的不同分类：形锁合连接：它是依靠被连接件或附加零件的形状互相嵌合，使其产生连接作用的。如铰制孔用螺栓连接、平键连接、型面连接等。摩擦锁合连接：它是依靠被连接件的压紧，在接触面间产生摩擦力面阻止被连接件之间的相对运动，从而达到连接的目的，如有横向载荷的普通螺栓连接、过盈配合连接等。材料锁合连接：在被连接件之间涂敷附加材料，靠其分子间的分子力将零件连接在一起。如胶接、钎焊等。2、按连接是不可拆分类：可拆连接：可经多次拆装，拆装时无需损坏连接中的任何零件，且其工作能力不遭受破坏。如螺纹连接、键连接、型面连接等。不可拆连接：是在拆开连接时，至少损坏连接中的一个零件。如铆钉连接、焊接、胶接等。机械设计基础 一、螺纹的形成、类型 螺纹的形成AA1导程螺旋线一个与轴线共面的平面图形（三角形、梯形等），绕圆柱面作螺旋运动，则得到一圆柱螺旋体 螺纹。制在圆柱体 外表面 上的螺纹叫 外螺纹 。制在圆柱体 内表面 上的螺纹叫 内螺纹 。15-2 螺 纹连接机械设计基础 1. 2、螺纹分类：一般分法： 外螺纹、内螺纹；圆柱螺纹、圆锥螺纹；左旋螺纹、右旋螺纹。按牙型的不同分为：1. 三角螺纹，普通螺纹： 效率低，易自锁，多用于连接。2. 矩形螺纹、梯形螺纹、锯齿形螺纹： 效率较高，主要用于螺旋传动。1. 管螺纹： 主要用于管路的连接。2. 根据螺旋线数目分： 单线螺纹（ n=1），双线螺纹（n=2），用于连接；多线螺纹（ n2），用于传动。 一般不超过 4。机械设计基础 1. 3、螺纹的主要参数（ 1）大径 d 是螺纹的 公称直径 ，与外螺纹牙顶 (或内螺纹牙底 )相重合的假想圆柱体的直径 。（ 2）小径 d1 常用于强度计算 ，与外螺纹牙底 (或内螺纹牙顶 )相重合的假想圆柱体的直径。（ 3）中径 d2 常用于几何计算 ，一个假想圆柱体的直径，该圆柱的母线上牙型沟槽和凸起宽度相等。（ 4）螺距 P 相邻两螺纹牙在中径线上对应点间的轴向距离。机械设计基础 5. 线数 n ： 螺纹的螺旋线数目。 6. 导程 S ： 沿螺纹上同一条螺旋线转一周所移动的轴向距离， S = nP。7. 螺纹升角 ： 中径 d2圆柱上，螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面的夹角 ,如上图 。8. 牙型角 a： 在轴向截面内，螺纹牙型两侧边的夹角。9. 牙侧角 ： 在轴向截面内，螺纹牙型一侧边与螺纹轴线的垂线之间的夹角。机械设计基础 机械设计基础 机械设计基础 1. 4、 螺栓连接 的基本类型1. 普通螺栓连接 特点： 孔与杆间有间隙、被连接件上无需切制螺纹、装拆方便。 适用场合： 经常装拆的一般场合。机械设计基础 2. 螺钉连接 特点： 孔与杆间有间隙、被连接件上需切制螺纹、装拆方便。 适用场合： 被连接件之一较厚，且不常装拆的场合。机械设计基础 3. 双头螺柱连接 特点 ： 孔与杆间有间隙、被连接件上需切制螺纹、装拆方便。 适用场合 ： 用于被连接件之一较厚、经常装拆的场合。机械设计基础 n 其他连接q 地脚螺栓连接、吊环螺栓连接、 T形槽螺栓连接机械设计基础 15-3 螺纹连接的预紧和防松1 基本概念1. 预紧： 螺纹连接在装配时通常都要拧紧，这种拧紧称之为预紧。2. 紧螺栓连接： 装配时预紧的螺栓连接。3. 松螺栓连接： 不预紧的螺栓连接。4. 预紧的目的： 增加连接的刚度、紧密性，以防止螺纹连接的松脱。 拧紧螺母时要克服螺纹副的阻力矩和螺母支承面间的摩擦力矩 。n 对于紧螺栓连接，在装配时都要预紧， 预紧的目的 在于 增强连接的可靠性和紧密性，以防止受载后被连接件间出现缝隙或发生相对滑移 。n 预紧后，螺栓受到的预紧力是通过拧紧力矩获得的。因为预紧力的大小对螺纹连接的可靠性、强度和密封性均有很大的影响，因此对于重要的螺纹连接，应控制其预紧力。 机械设计基础 2 拧紧力矩1. 拧紧力矩 T： 是用以克服螺纹副相对转动的阻力矩 T1和螺母支承面上的摩擦阻力矩 T2 ，它与预紧力 F0间的关系为：u 式中： rf为支承面摩擦半径， rf(dw+d0)/4，其中 dw为螺母支承面的外径， d0为螺栓孔直径 (如图所示 )。机械设计基础 q 对于 M10M68的粗牙螺纹2. 预紧 F0值的确定： 是由螺纹连接的要求来决定的。u 为了充分发挥紧固件的工作能力，保证预紧的可靠，拧紧后螺纹紧固件的预紧应力一般可达到材料屈服极限 S的 50 70%，但不得超过 S的 80。对于一般连接用钢螺栓，预紧力可参考下式确定：螺纹大径螺纹危险截面面积机械设计基础 预紧力 QP的控制：q 测力矩板手 测出预紧力矩。q 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。q 测量预紧前后螺栓伸长量 精度较高。测 力矩扳手 定 力矩扳手机械设计基础 3 螺纹连接的防松1、防松目的（原因）：q 连接用的三角形螺纹都具有自锁性，在静载荷和工作温度变化不大时不会自动松脱。q 但是 在冲击、振动和变载 的作用下，预紧力可能在某一瞬间消失，连接仍有可能松脱。 在 高温或温度变化较大 时，由于温度变形差异等原因，也可能导致连接的松脱。q 螺栓连接一旦松脱，轻者会影响机器的正常运转，重者会造成重大事故。因此，为了保证连接可靠，必须采取有效的防松措施。机械设计基础 2. 防松原理（防松的实质、根本问题） q 防止螺纹副的相对转动。3. 防松方法q 螺纹连接防松的方法按工作原理可分为 : 摩擦防松：弹簧垫圈 对顶螺母尼龙圈锁紧螺母开口销和槽形螺母圆螺母用带翅垫片止动垫片 机械防松： 其它：u 破坏螺纹副关系（ 铆冲 、 粘接 、 焊接 ），排除了螺母相对螺栓转动的可能。 串联金属丝自锁螺母机械设计基础 弹簧垫圈防松（ 1）、摩擦防松 （保证螺纹副间有足够的轴向压力和摩擦力矩） 对顶螺母，弹簧垫圈 。 结构简单、使用方便。对顶螺母防松机械设计基础 （ 2）、机械防松开口销与开槽六角螺母止动 垫圈（在联接中加入其它机械元件 ) 开口销、止动垫圈等。 适用于冲击振动载荷，重要场合使用，成本高。机械设计基础 焊接 铆冲 （ 3）、永久防松机械设计基础 螺纹联接中螺栓联接最具典型性。主要讨论螺栓组联接，单个螺栓联接的强度计算是螺纹联接设计的基础。螺栓受力横向受拉（普通螺栓）横向受剪切（铰制孔用螺栓）螺栓杆螺纹部分发生断裂螺栓杆剪断或者孔壁发生压溃主要失效方式实际工程应用中，普通场合，螺栓直径的选择用类比法或经验法重要场合，必须根据强度条件进行选用计算。设计准则： 针对具体的失效形式，通过对螺栓的相应部位进行相应强度条件的设计计算（或强度校核）。螺栓联接的计算主要是确定螺纹小径 d1,然后按照标准选定螺纹的公称直径（大经） d等。15-4 螺纹连接的强度计算机械设计基础 如图所示为普通螺栓连接，仅受预紧力的紧螺栓联接结合面的摩擦力来承受横向载荷 F，防止被联接件错动。 保证联接面不滑移的螺栓预紧力强度条件摩擦系数螺栓数接合面数可靠性系数1、受横向载荷的紧螺栓连接机械设计基础 如图所示为铰制孔用螺栓连接来承受外载荷。由于螺栓杆与孔为过渡配合，外载荷靠螺栓杆的剪切和螺栓杆与被连接件的挤压来传递。螺栓杆与孔壁的挤压强度条件为：螺栓杆的剪切强度条件为：式中： F 螺栓所受的横向外载荷，单位为 N；ds螺栓剪切面的直径（可取螺栓孔直径），单位为 mm；螺栓杆与孔壁挤压面的最小高度，单位为 mm； 设计时应使 1.25dsz 工作螺栓的数目；i 螺栓受剪面的数目。机械设计基础 2、受轴向载荷的紧螺栓连接受力分析如右图所示的气缸盖螺栓连接 , 即承受轴向外载荷的紧螺栓连接。未拧紧时 , 螺栓与被连接件皆不受力。 拧紧后 , 螺栓受预紧力 , 而被连接件则受预紧压力 的作用 , 且产生压缩变形 。当气缸内通入气体后 , 螺栓又受到轴向外载荷 F的作用 , 由于螺栓中总拉力由 增至 FQ, 螺栓比预紧状态时增加伸长变形 2, 被连接件则要回弹变形 2。 由于被连接件压缩变形量减小 , 故其所受压力将减小 , 不是原来的预紧力 了 , 而变成减小后的剩余预紧力 , 由此可知 , 螺栓受轴向载荷 F后 , 螺栓所受的总拉力为 :机械设计基础 或螺栓危险截面的 拉伸强度条件 为 :对于有密封性要求的联接，一般联接，工作载荷稳定时： 工作载荷不稳定时：为保证联接的紧密性，应使 0，一般根据联接的性质确定 的大小。机械设计基础 例 1.如图所示，凸缘连轴器， 4个材料为 Q235的 M12螺栓联接，传递转距 T=0.910 6Nmm ，螺栓中心所在圆直径 D=150mm，连轴器材料为 HT300, b 300MP，凸缘厚 h 15mm。分别采用普通螺栓联接和铰制孔，分析螺栓直径选择合适与否。（ 4）确定许用拉应力螺栓材料为 Q235的 M12， s=235MPa,S=3,= s/S=78.3MPa查机械手册， M12螺栓小径 d1 10.106mm。 1.342410 3/ （ 10.106 2） 388.96 = 80 故强度不足解 : 1. 采用普通螺栓联接（ 1） 普通螺栓的主要失效形式为螺纹部分断裂失效。（ 2）螺栓受力分析 即螺栓的 横向工作载荷F=2T/D=20.910 6/150=1210 3N（ 3）普通螺栓联接，靠预紧力产生的摩擦力来传递横向力，其预紧力 ，其中结合面 i1，螺栓个数 z 4，结合面摩擦系数 f 0.15，可靠系数 Ks 1.2。机械设计基础 2. 采用铰制孔用螺栓联接（ 1）铰制孔用螺栓的主要失效形式为剪切和挤压失效。（ 2）螺栓受力分析 螺栓所受的横向工作载荷 F 12103N小结： 通过以上两种情况的分析和计算，可以看出，虽然受到的外载荷相同，但由于螺栓联接的类型不同，单个螺栓的受力情况会有很大差异，致使所选螺栓直径相差很大。为了避免采用普通螺栓时螺栓直径太大的缺点，可采用减载装置，来传递横向力，这样所需的预紧力较小，不但减小了螺栓直径，使结构紧凑，而且工作可靠。因此在机械设计中，结构设计的优劣必须给予足够重视。 其不同之处在于：普通螺栓联接，靠预紧力产生的摩擦力来传递横向力。（ 4）计算；机械手册查铰制孔用螺栓 M12受剪处直径 ds 13mm，查表螺栓杆与孔壁挤压面最小高度 =h 3 15 3 12mm。（ 3）求许用切应力和许用挤压应力机械设计基础 例 2 已知汽缸工作压力 p=1.2Mpa，汽缸内径 D2=250mm，螺栓数目 z=12，采用铜皮石棉垫。试计算汽缸盖螺栓直径。拧紧时控制预紧力。解： 1.汽缸盖受气体压力：P=pD22/4=1.23.142502/4=58875 (N)2.单个螺栓工作载荷：F=P/z=58875/12=4906.25(N)3. 螺栓所受总拉力FQ=F+FP =2.74906.25=13246.88(N)4.选择螺栓材料，计算需用应力查表，选择 Q215,屈服极限 s=215Mpa ，安全因数S 1.4，许用应力 =s/S=215/1.4= 153.57(Mpa)5 .确定