0 第12章 (1-7)螺纹连接机械设计基础

机械设计基础

（PPT课件）

车轮轮毂和轮辐之间的连接螺栓结构如何，尺寸大小多少，如何进行设计和选用。这些问题，通过本章的学习，你都可以得到答案。在机械产品中，是否还有其它零件、其它方式将零件连接起来，还有哪些机械要用到连接结构？在日常生活中，能否找到连接的应用？

第12章螺纹连接12.1常用螺纹的类型特点、应用和参数12.2螺纹联接的基本类型和螺纹紧固件12.3螺纹联接的预紧和防松第12章螺纹连接12.4螺栓的强度计算12.5螺栓联接的结构设计12.7工程应用案例—卷扬机和法兰结构12.6提高螺栓强度的措施4本章知识要点掌握螺纹的结构和尺寸；了解螺纹的类型和应用场合；掌握螺纹连接的类型和结构；掌握螺纹连接零件的设计计算；掌握提高螺纹连接零件强度的措施。兴趣实践观察自行车和管道内部哪些部位存在螺纹连接，分别属于何种螺纹类型和螺纹连接类型。思考探索在选用或设计螺纹连接零件时，为什么有的需要进行详细的设计计算，而有的仅需要根据经验选用即可。第12章螺纹连接5大径d、小径d1、中径d2、螺距P、导程S一、螺纹的主要参数升角、牙型角α、牙型斜角β常用螺纹的类型特点、应用和参数案例12-1右上图所示的水龙头的螺纹是哪种螺纹？我们的日常用水是怎么连到千家万户的？右下图中的家具是如何由板料和铰链（合页）连接而成？常用螺纹的类型特点、应用和参数7二、螺纹的类型、特点和应用根据螺纹的牙形三角形螺纹矩形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹常用螺纹的类型特点、应用和参数案例12-1分析水龙头的螺纹主要用于管道连接，是英制管螺纹，保证其密闭性要求。我们的日常用水就是通过管道连接管道、阀门等管道配件由水源地运输到家家户户。燃气、暖气同样如此。家具是由板料、铰链（合页）、螺钉连接而成。常用螺纹的类型特点、应用和参数9根据螺旋线方向左旋螺纹右旋螺纹根据螺旋线数目单线螺纹多线螺纹

按螺距（大径相同）粗牙螺纹细牙螺纹按母体形状圆柱螺纹圆锥螺纹常用螺纹的类型特点、应用和参数案例12-2如右图所示的旋转圆拖是如何实现手压清洗和脱水功能的？

常用螺纹的类型特点、应用和参数按螺纹的作用可分为连接螺纹和传动螺纹。连接螺纹的自锁性能要好。传动螺纹的传动效率尽可能高。按螺纹所在的位置可分为外螺纹和内螺纹，在圆柱体外表面上的螺纹为外螺纹，如螺栓、螺钉和螺柱均为外螺纹。在圆柱体内表面，或者内孔圆柱面上形成的螺纹为内螺纹。常用螺纹的类型特点、应用和参数案例12-2分析旋转圆拖是靠螺纹传动来实现手压清洗和脱水功能。

常用螺纹的类型特点、应用和参数13一、螺纹联接的主要类型四种基本类型螺栓联接双头螺柱联接螺钉联接紧定螺钉联接需拧紧螺母不需螺母

除上述联接的基本类型外，在机器中，还有一些特殊结构的螺纹联接。如：T型槽螺栓联接、吊环螺钉联接和地脚螺栓联接等。详细说明螺纹连接的基本类型和螺纹紧固件14二、螺纹紧固件螺纹连接的基本类型和螺纹紧固件15一、预紧

预紧力

大多数螺纹联接在装配时都需要拧紧，使之在承受工作载荷之前，预先受到力的作用，这个预加作用力称为预紧力。

增强联接的可靠性和紧密性，以防止受载后被联接件间出现缝隙或发生相对移动。

预紧的目的

拧紧后螺纹联接件的预紧应力不得超过材料屈服极限σs的80%。

预紧力的确定原则螺纹连接的预紧和防松16利用控制拧紧力矩的方法来控制预紧力的大小。通常可采用测力矩扳手或定力矩扳手，对于重要的螺栓联接，也可以采用测定螺栓伸长的方法来控制预紧力。

预紧力的控制

注意：对于重要的联接，应尽可能不采用直径过小

(＜M12)的螺栓。

预紧力和预紧力矩之间的关系：测力矩扳手定力矩扳手测定螺栓伸长螺纹连接的预紧和防松17二、防松

联接中常用的单线普通螺纹和管螺纹一般都能满足自锁条件不会自动松脱。但在冲击、振动或变载荷作用下，或在高温或温度变化较大的情况下，螺纹联接中的预紧力和摩擦力会逐渐减小或可能瞬时消失，导致联接失效。

防松的根本问题在于防止螺旋副相对转动。常用的防松方法:

摩擦防松

机械防松

其他防松弹簧垫圈对顶螺母尼龙圈锁紧螺母开口销带翅垫片止动垫片螺纹连接的预紧和防松案例12-3在现实生活和工业生产中所用到的螺纹连接件分别是何种类型？受载情况如何？右图所示单个螺栓连接分别承受什么载荷？

螺栓的强度计算19

螺栓联接强度计算方法：根据联接的类型、联接的装配情况（是否预紧）和受载状态等条件，确定螺栓的受力，然后按相应的强度条件计算螺栓危险截面的直径（螺纹小径）或校核其强度。

螺栓的其他部分（如螺纹牙、螺栓头和螺杆等）和螺母、垫圈的结构尺寸，则是根据等强度条件及使用经验规定的，通常不需要进行强度计算，可按螺纹的公称直径（螺纹大径）直接从标准中查找或选定。一、普通螺栓联接的强度计算1.松螺栓联接强度条件：设计公式：实例螺栓的强度计算202.紧螺栓联接

紧螺栓联接有预紧力F'，按所受工作载荷的方向分为两种：受横向工作载荷的紧螺栓联接和受轴向工作载荷的紧螺栓联接。（1）受横向工作载荷的紧螺栓联接受力特点：

载荷与螺栓轴向垂直，靠被联接件间的摩擦力传递。螺栓受载前需预紧,受载前后受力相同。螺栓内部危险截面上既有轴向预紧力F'形成的拉应力σ，又有因螺栓与螺纹牙面间的摩擦力矩T1而形成的扭转剪应力τ。F'F'FsFs/2Fs/2螺栓的强度计算21

正常联接条件：预紧力F0所产生的摩擦力应大于等于横向工作载荷F，即式中，F0——螺栓所受轴向预紧力，N；C——可靠性系数，取C=1.1~1.3；F——螺栓联接所受横向工作载荷，N；f——接合面间的摩擦系数，对于干燥的钢铁件表面，取f=0.1~0.15；m——接合面的数目。螺栓的强度计算22根据第四强度理论，螺栓的强度条件为：对于M10~M68的普通螺纹，，因而有，

由此可见，扭切应力对强度的影响在数学上表现为将轴向拉应力增大30%，即：设计公式为：螺栓的强度计算23

载荷方向与螺栓轴向一致,螺栓受载前需预紧,受载前后受力不同.螺栓内部危险截面上同样既有拉应力σ,又有扭转剪应力τ。受力特点：强度条件:设计公式:

式中，FQ为螺栓受载后所受的轴向总拉力(N),通过受载前对螺栓的预紧,和受载后螺栓轴向拉力的分析,可知这里F为单个螺栓的轴向载荷,F''为残余轴向预紧力。FQ=F+F''（2）受轴向工作载荷的紧螺栓联接螺栓的强度计算24二、螺纹联接件材料及等级常用的螺纹联接件材料为Q215、Q235、35、45等碳素钢。当强度要求高时，还可采用合金钢，如15Cr、40Cr等。

国家标准规定了螺纹联接件的性能等级。螺栓、螺柱、螺钉的性能等级分为10级，螺母的性能等级分为7级。在一般用途的设计中，通常选用4.8级左右的螺栓，在重要的或有特殊要求设计中的螺纹联接件，要选用高的性能等级，如在压力容器中常采用8.8级的螺栓。性能等级表螺栓的强度计算251．螺纹联接件的许用拉应力2．螺纹联接件的许用剪应力和许用挤压应力3．螺纹联接件的安全系数（被联接件为钢）（被联接件为铸铁）安全系数表螺纹连接的基本类型和螺纹紧固件三、螺纹联接件的许用应力案例12-3分析右上图所示为凸缘联轴器，主要承受转矩，转矩作用于垂直于螺栓轴线，因此此时单个螺栓承受的载荷为横向载荷。右下图所示为法兰连接，当管道内通入带有压力的流体时，将会对螺栓连接组施加一个平行于轴线方向的作用载荷，因此此时单个螺栓承受的载荷为轴向载荷。螺栓的强度计算27

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。

各螺栓之间的距离大小既要保证联接的可靠性又要考虑装拆方便，还应留有足够的扳手空间。大多数机械中螺栓都是成组使用的。螺栓连接的结构设计28一、螺栓组的布置

要设计成轴对称的几何形状螺栓连接的结构设计29

螺栓的布置应使螺栓的受力合理螺栓连接的结构设计30

螺栓的布置应有合理的间距、边距螺栓连接的结构设计31

同一组螺栓联接中各螺栓的直径和材料均应相同螺栓连接的结构设计32

避免螺栓承受偏心载荷螺栓连接的结构设计33一、提高螺栓强度的措施

减小应力集中的影响

降低载荷变化量

避免附加弯曲应力提高螺栓强度的措施卷扬机所用凸缘联轴器，允许传递最大转矩T为600Nm（静载），用6个M16普通螺栓连接左右半联轴器，螺栓分布圆直径D0=120mm，左右半联轴器接合面摩擦系数f=0.2，确定所选用螺栓、螺母的性能等级。工程应用案例—卷扬机和法兰结构351.螺栓联接螺纹连接的基本类型和螺纹紧固件362.双头螺柱联接螺纹连接的基本类型和螺纹紧固件373.螺钉联接螺纹连接的基本类型和螺纹紧固件384.紧定