机械设计 第二章 螺纹联接

1、q联接概述q螺纹联接概述q螺纹联接的拧紧与防松q单个螺栓的受力分析 与强度计算q螺纹组受力分析与讨论q提高螺纹联接强度的措施联接的分类动联接：机器工作时，零部件之间可以有相对运动。 例如：机械原理中，各种运动副之间的联接。静联接：在机器工作中，不允许零部件之间存在相对 运动的联接。静联接可拆联接：不须毁坏联接中的任何一个零件就可拆开的联接。 例如：螺纹联接、键联接。不可拆联接：至少毁坏联接中的一部分才能拆开的联接。 例如：铆接、焊接等。1 1 概述概述一、联接分类一、联接分类二、螺纹基本知识二、螺纹基本知识 直径大径d：公称直径。M20d=20mm小径d1：螺纹的最小直径。中径d2：齿厚=齿槽

2、宽处直径，几何计算用。 一般取：d2=(d+d1)/2 螺距p 线数n：n=1时用于联接；n1时用于传动； n，但为便于制造n4 牙形角：螺纹牙两侧面夹角。1、螺纹的主要参数42、螺纹的类型右旋左旋螺纹位置：内螺纹螺母；外螺纹螺钉。旋向判定：顺着轴线方向看，可见侧左边高则为左旋，右边高则为右旋。螺纹旋向：左旋螺纹，右旋螺纹（常用）。思考： 中径升角：2arctandnp 导程s ：s=np联接：效率低、自锁性好。传动：效率高、自锁性差。螺纹牙形：三角形、矩形、梯形、锯齿形等3033060三角形梯形锯齿形矩形单线，用于联接双线或多线，常用于传动粗牙：一般情况下使用。细牙：d相同，p小， 小，牙浅

3、，自锁性好，但不耐磨，易滑扣。 用于变载荷场合。 联接螺纹：一般为单线、粗牙、右旋的三角螺纹。螺纹线数：单线（联接）；多线（传动）。三角螺纹三角螺纹 梯形螺纹梯形螺纹 锯齿形螺纹锯齿形螺纹 矩形螺纹矩形螺纹按螺旋的作用分：联接螺纹；传动螺纹传动螺纹传动螺纹联接螺纹联接螺纹2 2 螺纹联接的主要类型、材料螺纹联接的主要类型、材料一、主要类型（一、主要类型（注意各图的画法注意各图的画法）1、螺栓联接受拉普通螺栓普通螺栓：无需在被联件上加工螺纹 孔，装拆方便，用于两被 联件均不太厚的场合。受剪铰制孔螺栓铰制孔螺栓：除起联接作用外， 还起定位作用。2、双头螺柱联接 用于有一联接件较厚，并经常装拆的场合

4、，拆卸时只需拧下螺母即可。3、螺钉联接 用于有一联接件较厚，且不需经常装拆的场合。4、紧定螺钉联接 螺钉末端顶住另一零件的表面或相应凹坑，以固定两个零件的相互位置，并可传递不大的力或力矩。潘存云教授研制地脚螺栓地脚螺栓 起吊螺钉起吊螺钉 5 专用螺纹联接T 型螺栓型螺栓 爆炸螺栓(箭星分离：起爆解锁）二、二、 螺纹紧固件螺纹紧固件螺纹紧固件双头螺柱螺栓螺钉、紧定螺钉螺纹紧固件螺钉、紧定螺钉双头螺柱螺栓螺母潘存云教授研制其它螺母：其它螺母：垫圈平垫圈薄平垫圈A型平垫圈B型平垫圈螺母螺钉、紧定螺钉双头螺柱螺纹紧固件螺栓螺纹紧固件斜垫圈弹簧垫圈圆螺母用止动垫圈作用：增加支撑面积以减小压强，避免拧紧螺

5、母擦伤表面、防松。三、性能等级（三、性能等级（P101P101）1、螺栓等：十个性能等级，如：3.6、4.6、4.8、性能等级材料性能如：6.8Bmin/100=6Bmin=600MPa10(smin/Bmin)=8smin=480MPa或smin=(68)10=480MPa低碳钢或中碳钢2、螺母：七个等级，与螺栓性能相配。（自学）3 3 螺栓联接的拧紧与防松螺栓联接的拧紧与防松一、拧紧一、拧紧受载之前拧紧螺母预紧力F预紧联接刚度防松能力紧密性1、拧紧力矩T=？螺母支承面间的摩擦阻力矩以螺母分析：T=T1+T2螺纹副间的摩擦力矩221dFTt)tan(vtFF螺纹副间有效圆周力2)tan(2d

6、Fva)螺母所 受转矩b)螺栓所 受转矩c)螺栓转 矩图T1T2T1TTTT434T3T1frFT 2（rf支承面摩擦半径）dFkTTTt 21kt拧紧力矩系数，一般取kt=0.2F/2F/2d)螺栓和被联接 件所受预紧力e)计算螺母承压面 力矩用的符号FF/2F/2FD1d12、控制T的方法T F 拉断、滑扣T不能满足工作要求控制T的大小一般情况凭经验，拧紧即可。方法：测量螺栓伸长量： （大型螺栓联接）定力矩扳手测力矩扳手冲击扳手 采用测力矩扳手或定力矩扳手控制预紧力，准确性较差，也不适用与大型的螺栓联接。为此，可以采用测量螺栓伸长量的方法来控制预紧力。测量螺栓伸长量测量螺栓伸长量3、严格控

7、制预紧力时dM12M16标准扳手长度L=15d，若拧紧力为F，则： T=FL=15dF=0.2Fd F=75F若F=200N，则F=15000N。 小于M12，则易拉断。二、防松二、防松1、螺纹联接按自锁条件设计： v。 静载下不会自行松脱。2、松动原因冲击、振动、变载荷下温度变化较大时螺旋副摩擦力Ff减小或瞬时消失松动下螺母上螺母螺栓对顶螺母3、防松方法防止螺旋副相对转动。按防松原理不同，分为三类：a ）摩擦防松自锁螺母弹簧垫圈开口方向：斜向右下方弹性增压尖端抵住开口销与槽形螺母b ）机械防松（直接锁住）正确不正确注意金属丝穿入方向串联金属丝c ）破坏螺纹副关系不可拆联接胶接冲点焊住4 4

8、单个螺栓联接的受力分析和强度计算单个螺栓联接的受力分析和强度计算螺栓联接受拉螺栓受剪螺栓松联接：不拧紧，无预紧力F，仅受工作载荷F紧联接：需拧紧仅受预紧力F同时受预紧力F和工作载荷F一、受拉螺栓联接一、受拉螺栓联接对于受拉螺栓，其失效形式主要是螺纹部分的塑性变形和螺杆的疲劳断裂。65%20%15%危险截面面积由计算直径dc确定：dc=d1-H/6，H0.866p；其中：d1、p分别为螺纹小径和螺距。1、松联接如：起重滑轮螺栓仅受轴向工作拉力F失效：拉断强度条件：4/2cdFMPa 校核式式中：dc危险截面计算直径许用应力， = sSs，见表6.3（P110）。4Fdcmm 设计式查手册，选螺栓

9、2、紧联接（1）只受预紧力F的紧联接外载荷FR对螺栓为横向力靠摩擦力传递a. FR作用下，板不滑移：FRFf，而FfF。b. 按F计算： F为螺栓轴向负荷拉应力4/2cdFc. 拧紧过程中，在T1作用下螺栓受扭产生T4/)tan(216/2/)tan(22321cvccvTTdFddddFWT对钢制M10M68螺栓：T0.5。d. 危险截面上受复合应力（ 、 T）作用强度准则螺栓为塑性材料第四强度理论。3 . 1322Tc校核式即：4/3 . 12ccdF1.3意义：紧联接时，将拉应力增大30%以考虑拧紧力矩的影响。3 . 14Fdcmm 设计式（2）受预紧力F和轴向工作载荷F的紧螺栓联接a、

10、未拧状态b、拧紧状态Fc、工作状态F变形受力过程：无变形 F 12 +F 1+12-2变形协调条件：1= 2 =各力定义1、预紧力F（拧紧螺母后，作用在螺栓上的拉力和被联件上压力）2、螺栓工作拉力F0 总拉力3、工作载荷F（对螺栓联接施加的外载荷）4、F”剩余预紧力。（P108）思考：图b中，F0=？ 图c中，F0=F+F？静力平衡条件： F0=F+F”即：螺栓总拉力等于工作载荷与剩余预紧力之和。 上述过程还可通过力变形图表示1 12 2变变形形力力力力 1 1 2 21 12 2变变形形力力螺栓刚度：111/tanFc222/tanFc被联件刚度：在合并图中：1101cFFFcFF 22cF

11、F FcccFF 212FcccFFFF 2110检查F”的大小求总拉力即：螺栓总拉力等于预紧力加上部分工作载荷。由于21两图合并1 12 21 12 2变形变形力力讨论：1、211ccc螺栓相对刚度系数当F、F一定时，2110cccF为螺栓受力 选择不同垫片211ccc应使2、0 F：不出现缝隙。(由FcccFF 212验算) (P108)同理，考虑扭转作用，强度条件为：校核式4/3 . 120ccdF3 . 140Fdcmm 设计式F1o时间o工作载荷变化2力F变形螺栓拉力变化c1+c2c1Fc2c1+c2F2F1F2F12F02-F01F01F02若工作载荷为变载荷：当工作载荷在F1F2

12、变化时，螺栓总拉力在F01F02之间变化变载荷下螺栓失效：Fa作用下的疲劳拉断Fa拉力变幅：21112010222CCCFFFFFa)(2211212acaCCCdFF应力幅：螺栓许用应力幅（P110）表6.3即：变载荷下螺栓，应力幅越小，疲劳强度越高。hhFR12d21剪断破坏挤压破坏被连接件FRa)受剪螺栓联接b)螺栓被挤压二、受剪螺栓联接二、受剪螺栓联接1、失效形式：剪断、接触表面压溃。2、螺栓剪切强度条件4/2dmFsd杆抗剪面直径m抗剪面数目许用剪应力3、挤压强度条件psphdFh对象受压高度；p许用挤压应力，表6.4，取弱者计算；5 5 螺栓组联接的受力分析螺栓组联接的受力分析一、

13、思路一、思路联接结构形式、外载荷类型 螺栓受力 找出受载最大螺栓按单个螺栓联接的计算方法计算二、基本假定二、基本假定1、各螺栓刚度相同；2、各螺栓F相同；3、变形在弹性范围内；4、被联件为刚体；三、四种典型受载情况时三、四种典型受载情况时 的受力分析的受力分析1、受轴向载荷的螺栓组联接特点：载荷与螺栓轴线平行，并通过螺栓组对称中心。各螺栓组平均受载： F=FQ/z螺栓还受F F0 3 . 1420CdF工作条件：F”02、受横向载荷的螺栓组联接FRFRa)用受拉螺栓联接FFFFFFFR/2FR/2（1）特点：横向载荷作用线与螺栓轴线垂直，并通过螺栓组对称中心。（2）承载方式：形闭合：受剪螺栓（

14、靠杆的剪切与挤压承载）力闭合：受拉螺栓（由F在结合面产生的摩擦力承载）（3）受力分析a 、受拉螺栓工作条件：RfsFkzmF zmFkFsRf按仅受F的紧联接计算。式中：s 结合面的摩擦系数； z 螺栓个数； m 结合面数目，图中m=2； kf可靠系数（防滑系数）， kf=1.11.5；FRFRb)用受剪螺栓联接Fs/2Fs/2Fs/2FsFs/2FsFR/2FR/2b、受剪螺栓假定每个螺栓受载相同，则工作条件：RsFFzzFFRS/剪切计算挤压计算3、受旋转力矩T的螺栓组联接特点：在转矩T作用下，底板有绕螺栓组形心轴线O-O旋转的趋势。横向力受拉螺栓受剪螺栓摩擦力承载，各螺栓处产生相等的摩擦

15、力Fs（1）受拉螺栓联接工作条件：TkrFrFrFfzsss21ziisfzsfrTkrrrTkF121)(（2）受剪螺栓联接 靠剪切和挤压承载，各螺栓在T作用下受横向力Fs。问题：Fs1= Fs2= = Fsz ？即Fsi与ri成正比：zszssrFrFrF2211或isisrFrFmaxmax工作条件： Fs1r1+ Fs2r2+ + Fszrz= T变形协调条件：底板视为刚体，ri剪切变形量 FsimaxmaxrrFFissi代入工作条件中：ziizsrTrrrrTrF12max22221maxmax4、受翻转力矩M（倾覆力矩） 的螺栓组联接特点：在M作用下，底板有绕螺栓组形心轴翻转的趋

16、势。作用M前：各螺栓受相同F作用M后：左侧：F拉(不均匀)， 右侧：F压(不均匀) F工作条件：MrFrFrFzz2211变形协调条件：maxmax2211rFrFrFrFzzziizrrMrrrrMF12max22221maxmax其它条件：附加校核讨论：设计时，如何布置螺栓更合理？远离对称中心riFmax实际应用可转化为上述四种状态的不同组合：分别计算 迭加横向载荷和旋转力矩F轴向载荷和翻转力矩F0F强度计算左侧不出现缝隙右侧边缘不压溃6 6 提高螺纹联接强度的措施提高螺纹联接强度的措施1、机理工作时，螺栓受拉，p螺母受压，p两者产生螺距差一、改善螺纹牙间受力分配一、改善螺纹牙间受力分配第

17、一圈：p最大，受力最大第810圈后几乎不受力各圈受载不均 采用加高螺母不能 提高联接强度。2、办法采用受拉螺母（变形一致） 减小螺栓螺母螺距变化差二、减小附加弯曲应力二、减小附加弯曲应力螺纹牙根弯曲应力断裂螺纹孔不正、被联件表面不平、发生变形等。引起附加弯曲应力因素：a)螺栓受偏心载荷eFb)被联接件刚度不够a)采用球面垫圈抗弯力偶e)采用环腰d)采用沉头座b)采用斜垫圈c)采用凸台措施：垫圈、凸台、沉孔等。思考：采用凸台、沉孔的目的？三、减轻应力集中三、减轻应力集中收尾：退刀槽；增大牙根处过渡圆角半径。四、降低应力幅四、降低应力幅 a amax 一定时：a疲劳强度当F、F”不变时： c1 或

18、 c2。措施： 1）螺栓长度 2）光杆直径 3）采用柔性螺栓1、降低螺栓刚度c1 1 2接合面零件形状尽量简单；受力矩，远离对称轴，铰制孔螺栓组8个；受横力，沿受力方向不超过6-8个，避免受力严重不均匀；同组，形状尺寸材料应一致； 分布在同一圆周上的z应取偶数（4、6、8），便于分度划线。保证一定的扳手空间尺寸。 在设计螺栓组联接时，关键是联接的结构设计。它是根据被联接件的结构和联接的用途，确定螺栓数目和分布形式。为了便于加工制造和对称布置螺栓，保证联接结合面受力均匀，通常联接结合面的几何形状都设计成:轴对称的简单几何形状。7 7 螺栓组结构设计要点螺栓组结构设计要点传力螺旋传导螺旋8 螺旋传动螺旋传动调整螺旋类型运动形式有：螺母固定，螺杆转动并移动 螺旋传动是利用