《螺纹连接解析》PPT课件.ppt

31 螺纹 3.2 螺纹连接的基本类型和标准连接 3.3 螺纹连接的预紧与放松 3.4 螺纹组连接的设计 3.5 单个螺栓连接的强度计算 3.6 提高螺栓连接强度的措施,第三章 螺纹联接,螺纹联接：是利用螺纹零件构成的一种可拆联接,3.1螺纹,左旋螺纹和右旋螺纹（常用右旋螺纹） 单线螺纹和多线螺纹（单线螺纹自锁性能好；多线螺纹传递效率高）,螺纹分为内螺纹和外螺纹，主要用于联接和传动。,螺纹的牙型,1 螺纹的类型及特点,三角形 矩形 梯形 锯齿形,主要用于联接,多用于传动,螺纹的分类,按螺纹的牙型分,按螺纹的旋向分,按螺旋线的根数分,按回转体的内外表面分,按螺旋的作用分,按母体形状分,矩形螺纹 三角形螺纹 梯形螺纹 锯齿形螺纹,螺纹的牙型,螺纹特点,1、三角形螺纹,特点：螺纹牙根 部的强度较高， 自锁性能好，用 于联接。按螺距 的大小分为粗牙 螺纹和细牙螺纹。,2、矩形螺纹,特点： 其传动效率高， 多用于传动。 牙根强度低， 螺纹牙磨损 后间隙难以 补偿。使传 动精度降低， 故已被梯形 螺纹所代替。,3 梯形螺纹,特点： 比矩形螺纹 效率略低，但工艺 性好、牙根强度高。 在螺旋传动中有广 泛应用,4 、锯齿形螺纹,特点：它综合了矩 形螺纹效率高和梯 形螺纹牙根强度高 的优点,能承受较大 的载荷,但只能用于 单向传动。,按螺纹的牙型分,螺纹的分类,按螺纹的旋向分,按螺旋线的根数分,按回转体的内外表面分,按螺旋的作用分,按母体形状分,矩形螺纹 三角形螺纹 梯形螺纹 锯齿形螺纹,右旋螺纹,左旋螺纹,设计：潘存云,设计：潘存云,按螺纹的牙型分,螺纹的分类,按螺纹的旋向分,按螺旋线的根数分,按回转体的内外表面分,按螺旋的作用分,按母体形状分,矩形螺纹 三角形螺纹 梯形螺纹 锯齿形螺纹,右旋螺纹,左旋螺纹,单线螺纹 多线螺纹,一般: n 4,双线螺纹,单线螺纹,S = 2P,S =P,n线螺纹: S = n P,按螺纹的牙型分,螺纹的分类,按螺纹的旋向分,按螺旋线的根数分,按回转体的内外表面分,按螺旋的作用分,按母体形状分,矩形螺纹 三角形螺纹 梯形螺纹 锯齿形螺纹,右旋螺纹,左旋螺纹,单线螺纹 多线螺纹,外螺纹 内螺纹,设计：潘存云,按螺纹的牙型分,螺纹的分类,按螺纹的旋向分,按螺旋线的根数分,按回转体的内外表面分,按螺旋的作用分,按母体形状分,矩形螺纹 三角形螺纹 梯形螺纹 锯齿形螺纹,右旋螺纹,左旋螺纹,单线螺纹 多线螺纹,外螺纹 内螺纹,联接螺纹 传动螺纹,螺旋传动,联接螺纹,传动螺纹,按螺纹的牙型分,螺纹的分类,按螺纹的旋向分,按螺旋线的根数分,按回转体的内外表面分,按螺旋的作用分,按母体形状分,矩形螺纹 三角形螺纹 梯形螺纹 锯齿形螺纹,右旋螺纹,左旋螺纹,单线螺纹 多线螺纹,外螺纹 内螺纹,联接螺纹 传动螺纹,圆柱螺纹 圆锥螺纹,圆柱螺纹,圆锥螺纹,管螺纹,螺纹按工作性质分为联接用螺纹和传动用螺纹,螺纹有外螺纹与内螺纹之分,螺旋线一动点在一圆柱体的表面上，一边绕轴线等速旋转，同时沿轴向作等速移动的轨迹。 螺纹一平面图形沿螺旋线运动，运动时保持该图形通过圆柱体的轴线，就得到螺纹。,螺纹形成,5-1 螺纹,大径d 是螺纹的公称直径。,小径d1常用于强度计算。,中径d2常用于几何计算。,螺距P 中径线上，相邻两螺纹牙上对应点间的轴向距离。,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。,线数 n 螺纹的螺旋线数目。,牙型角a在轴向截面内，螺纹牙型两侧边的夹角。,螺纹,牙型高度h牙顶和牙底间垂直于轴线的距离,螺纹旋向分左旋和右旋，常用右旋螺纹,螺纹升角y螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面间的夹角。,二、螺纹几何参数,螺纹的主要参数包括： 牙型：常见的有三角形、梯形、锯齿形、矩形 直径：有三径。 线数：有单线和多线。 旋向：有左旋和右旋。 螺距和导程：单线时S=P，多线时S=nP,三、螺纹公差精度,螺纹公差的大小和公差等级国标将螺纹公差分为12个等级，其中1级最高，12级最低。在这12个等级中，高端和低端都不用，因此实际使用的等级为3-9级，其中对内螺纹的中径和小径规定均留下4、5、6、7、8共5级。因外螺纹比内螺纹易于加工，故外螺纹的中径规定留下3、4、5、6、7、8、9共7级，大径留下4、6、8共,螺纹公差的位置和基本偏差 内外螺纹公差带位置是指公差带相对于零线的距离，由 偏差的大小来确定。国标规定外螺纹的上偏差和内螺纹的下 偏差为基本偏差。其中内螺纹为G、H；外螺纹为h、g、f、e 四种。 旋合长度：分长（L）、中（N）、短（S）三种，其中中等旋合长度省略不标，其余的都标注。,三、螺纹公差精度,螺纹标记的含意 M24X26HL：表示：长旋合长度中径和小径公差带 为6H，单头、右旋、细牙螺距为2mm，公称大径为24mm的 普通内螺纹. M30X26H/5gS: 表示：短旋合长度外螺纹中径公 差带为5g，大径公差带为6g，内螺纹中径和小径公差带为 6H的单头、右旋、细牙螺距为2mm，公称大径为30mm的普 通螺纹配合.,& I1 O6 y, 0 G, n- ( |8 C7 Y4 q6 v1 l4 C9 k,以矩形螺纹为例：把螺母和重物简化为滑块FQ，螺母处受推力Ft的作用，假想在螺纹中径处展开，得一斜面，Ft为作用在中径处的水平推力。,四、螺旋副的受力分析、效率和自锁,FQ轴向力,由FN和fFN合力构成的总反力FR， FR与FN之间夹角 称为摩擦角。, 仅与摩擦系数f有关,FN 支反力,fFN 摩擦力 f 摩擦系数,V,FQ,Ft,fFN,FN,FR,FR,Ft,FQ,Ft旋转螺母的水平推力,由平衡条件可知：,螺纹力矩：,由此可以看出，螺纹力矩 T 随工作载荷 FQ 、螺纹升角 和摩擦角 的增大而增大。,当滑块上升时， FR与FQ的夹角是+， 则：,自锁：即指没有外力作用时，物体自己不会下滑。 螺旋副自锁：无论轴向载荷FQ多大，如无外力矩作用，螺母和螺杆都不会产生相对轴向移动。 当千斤顶举重物到一定的高度，螺母停止转动，释去力矩T，螺母仍停在原处，而不因重物下滑。这种现象称为自锁。,自锁,滑块在FQ力作用下有下滑趋势时，摩擦力fN将反向。,V,FQ,Ft,fFN,FN,FR,FR,Ft,FQ,滑块在FQ力作用下有下滑趋势时，摩擦力fFN将反向，此时Ft变为支持力。 由平衡条件可知：,当 = 时,自锁条件：,当 时,由此可见，细牙螺纹比粗牙螺纹的自锁性能好。,输入功,输出功一部分举起重物，另一部分克服摩擦力,有用功,则效率,效率,当螺母旋转一周，滑块沿力Ft的方向移动了d2的距离。,当不变时，效率 是 的函数。,对求导 =0，得,此时，效率 最大，但升角过大，制造困难，一般取 25,要满足自锁条件 ，则,一般取=6，为了保证自锁，可取 4.5,故50%，所以自锁螺纹的效率较低。,效率分析,3.2螺纹联接的基本类型和标准连接件,一.螺纹联接的类型、特点和应用,1.螺栓联接,2.双头螺柱联接,3.螺钉联接,4.紧定螺钉联接,常见螺纹联接件,常用的螺纹联接件有：螺栓、双头螺柱、螺钉、 螺母和垫片等。 这些零件都是标准件，结构、 形状、尺寸都制定有国家标准，设计时可根据 有关标准选用。,1.螺栓联接,在被联接件上开有通孔，被联接件孔中 不加工螺纹。结构简单，装拆方便，使用 时不受被联接件材料的限制，应用极 广 。,普通螺栓联接 螺栓杆与被联接件孔壁之间有间隙。 通孔加工精度低，成本低，应用最广。,普通螺栓联接,孔与螺杆之间留有间隙,1.螺栓联接,铰制孔用螺栓联接 螺栓杆与被联接件孔壁之 间无间隙。能精确定位，能 承受横向载荷被联接件需钻 孔、铰孔，成本高。,铰制孔用螺栓联接,2.双头螺柱联接,用两头均有螺纹的螺柱和螺母 把被联接件联接起来, 被联接件 之一为光孔、另一个为螺纹孔。 适用于被联接件之一厚度很大， 而又不宜钻通孔，但又经常拆 卸的地方。,2.双头螺柱联接,3.螺钉联接,被联接件之一为光孔、另 一个为螺纹孔。只用螺钉， 不用螺母，直接把螺钉拧 进被联接件的螺钉中。 适 用于载荷较轻，且不经常 装拆的场合。,3. 螺钉联接,4. 紧定螺钉联接,利用拧入被联接件螺纹孔中的螺钉末 端顶住另一零件的表面，以固定零件 的相对位置，可传递不大的力或扭矩。,4. 紧定螺钉联接,二、标准螺纹联接件,二、标准螺纹联接件,二、标准螺纹联接件,圆螺母常与止动垫圈配用，装配时将垫圈内舌插入轴上的槽内，而将垫圈的外舌嵌入圆螺母的槽内，螺母即被锁紧。,二、标准螺纹联接件,二、标准螺纹 联接件,螺栓、螺柱、螺钉联接件头部形状有圆头、扁圆头、六角头、圆柱头和沉头等。头部起子槽有一字槽、十字槽和内六角孔等形式,二、标准螺纹联接件,紧定螺钉、螺母。尖端适用于被紧定零件的表面硬度较低或不经常拆卸的场合；平端接触面积大，不伤零件表面，常用于顶紧硬度较大的平面或经常拆卸的场合；圆柱端压入轴上的凹坑中，适用于坚定空心轴上的零件位置。,二、标准螺纹联接件,垫圈。用于同一螺纹直径的垫圈又分为特大、大、普通和小的四种规格，特大垫圈主要在铁木结构上使用。斜垫圈只用于倾斜的支承面上。,二、标准螺纹联接件,3.3、 螺纹联接的预紧和防松,1、 螺纹联接的预紧 在实际使用中，绝大多数的螺纹联接都必须在装配时将螺母拧紧，称为紧联接。预紧可以使螺栓在承受工作载荷之前就受到预紧力的作用，以防止联接受载后被联接件之间出现间隙或横向滑移，也可以防松。所需预紧力的大小与工作载荷有关。,、预紧力过大，会使整个联接的结构尺寸增大；也会使联接在装配时因过载而断裂。 、预紧力不足，则又可能导致联接失效，重要的螺栓联接应控制预紧力。 ？预紧力的大小如何控制,拧紧的目的,1.提高联接的紧密性 2.防止联接松动 3.提高联接件强度,预紧力的控制：,1螺纹联接的预紧,螺纹联接的预紧,定力矩扳手,2.螺纹联接的防松,防松的实质,限制螺旋副的相对转动； 以防止联接的松动，影响正常工作。,防松方法：,、摩擦防松； 、机械防松； 、破坏螺纹副的永久防松。,摩擦防松 ：弹簧垫圈 ，结构简单、使用方便。,弹簧垫圈防松,尼龙圈锁紧螺母,对顶螺母防松,摩擦防松 ：对顶螺母，结构简单、使用方便。,自锁螺母防松,摩擦防松 ：紧锁螺母。 结构简单、使用方便。,、机械防松,在联接中加入其它机械元件，开口销、止动垫圈，串联铁丝等。 适用于冲击振动载荷，重要场合使用，成本高。,开口销与开槽六角螺母,止动垫圈,止动垫圈,带翅垫片,串联钢丝,串联钢丝,机械防松,止动垫片防松,机械防松,机械防松,止动垫片防松,永久防松：粘、铆、焊等。,焊接 铆冲,不可拆卸防松,冲点法,粘合法,焊点法,2019/7/3,机械设计基础,75,螺栓组连接的结构设计 螺栓组连接的受力分析与计算,3.4 螺栓组连接的设计,2019/7/3,机械设计基础,76,1 、连接结合面的几何形状常设计成轴对称的简单几何形状,2019/7/3,机械设计基础,77,2、 螺栓的布置应使各螺栓的受力合理,2019/7/3,机械设计基础,78,3 、螺栓的排列应有合理的间距、边距,2019/7/3,机械设计基础,79,扳手空间,2019/7/3,机械设计基础,80,4、分布在同一圆周上的螺栓数目，应 取4, 6, 8等偶数，以便钻孔时在圆周上分度和画线,2019/7/3,机械设计基础,81,5 、避免螺栓承受偏心载荷,产生偏心载荷的原因,2019/7/3,机械设计基础,82,斜垫圈的应用,凸面和沉头座的应用,避免偏载的结构,2019/7/3,机械设计基础,83,螺栓组联接的基本受载类型：,假设：所有螺栓的刚度和预紧力均相同； 被联接件为刚体；各零件的变形 在弹性范围内。,二、螺栓组连接的受力分析与设计,2019/7/3,机械设计基础,84,5-4 螺栓组联接受力分析,1、承受轴向载荷的螺栓组连接,如图所示为压力容器的螺栓组连接，所受轴向总载荷FQ通过螺栓组形心，螺栓组各螺栓所受的工作载荷 相等。,螺栓数目,注：如 FQ不通过螺栓组的形心，应向形心平移后再计算。,轴向外载荷,受轴向载荷的螺栓组连接,2019/7/3,机械设计基础,85,受横向载荷1,2、承受横向载荷的螺栓组连接,）普通螺栓连接,螺栓预紧后在被联接件的接触面上产生正压力，靠由此产生的摩擦力承受 。,保证被联接件不相对滑动，须满足：,则所需预紧力为,受横向载荷的螺栓组连接,2019/7/3,86,受横向载荷2,）受铰制孔螺栓连接,各螺栓承受的横向力 相等。,分别进行剪切强度和挤压强度计算。,3、承受转矩 T 的螺栓组连接,连接受载后有绕螺栓组形心转动的趋势，螺栓受力情况与承受横向工作载荷的螺栓连接类似,承受转矩的螺栓组连接,2019/7/3,机械设计基础,87,承受转矩 T 时1,）普通螺栓连接,靠结合面上的摩擦力承受T 。,保证底板在 T 作用下不转动，须满足,螺栓组连接的设计,r1、r2、rz各螺栓中心与螺栓组形心间的距离。,2019/7/3,88,承受转矩 T 时2,） 铰制孔螺栓连接,各螺栓所受的工作剪力 与其中心到底板中心的距离 成正比。,底板的静力平衡方程为,联立两式求解，得最大工作剪力,即,2019/7/3,89,受翻转力矩M时1,3、承受倾翻力矩 M 的螺栓组连接,在 M 作用下，底板有绕通过螺栓组形心的轴线 O 转动的趋势。,在前述假设下，各螺栓所受的工作拉力 与其中心到翻转轴线的距离 成正比。,底板的静力平衡方程为,联立两式求解，得最大工作拉力,2019/7/3,机械设计基础,90,受翻转力矩M时2,为防止结合面受压最小处出现间隙，要求：,为防止结合面受压最大处被压溃，要求：,式中：A结合面的面积（mm2）,W结合面的抗弯截面模量（mm3）,许用挤压应力（Mpa）,实际中，螺栓组往往同时承受两种或两种以上的载荷。,工作时承受外载荷FP,轴向载荷FV 横向载荷FH 翻转力矩M,受拉螺栓连接的强度计算 铰制孔螺栓（受剪螺栓）连接的强度计算 螺纹连接件的许用应力,3.5 单个螺栓连接的强度计算,5-3 单个螺栓联接的强度,本节以螺栓联接为代表，讨论强度计算问题，其方法和结论也适用于其他形式的螺纹联接。,螺栓联接强度计算的目的是：确定防止失效所需的螺栓直径。,联接的强度计算内容，根据其可能的失效形式而定。,螺纹联接的受载形式基本分为：,采用受拉螺栓,可用受剪螺栓，也可用受拉螺栓。,下面按螺栓类型和受载形式的不同，分别讨论其强度计算方法。,单个螺栓连接的强度计算,以吊钩为例： 松螺栓联接装配时，不需把螺栓拧紧，螺栓在承受载荷前螺栓不受力。 此时，一般按最大载荷计算确定螺栓的直径或校核危险截面的强度。,1、 松螺栓联接的受力分析,FQ0,强度公式：,Mpa,设计公式：,mm,FQO ：最大载荷 N；,材料的许用应力 Mpa；,d1: 螺栓的最小直径 mm。,FQ0,受拉螺栓的强度,1）受横向工作载荷的受拉螺栓连接,2.紧螺栓连接,1）仅受预紧力 F的紧螺栓联接,Fs为横向工作载荷；s为被连接件结合面间的摩擦因数，m为结合面个数；K为可靠性因子，通常K1.11.3,F引起的拉应力：,拧紧力矩 M 引起的切应力,经分析推导可知：,仅受预紧力的螺栓联接,按第四强度理论计算当量应力，则,强度条件为：,设计式为：,验算用,设计用。 查手册，选螺栓,当s0.15、m1、K1.2时，则F 8Fs。可见，要想传递一定的外载荷，需在螺栓上施加8倍于外载荷的预紧力，这将导致螺栓与连接的结构尺寸过大。 为避免上述缺点可采用减载装置，如减载销、减载套等，或采用铰制孔用螺栓连接。,减载装置 a) 减载销 b) 减载套,承受轴向载荷的紧螺栓联接,2）受轴向工作载荷的受拉螺栓连接,如图所示的气缸盖上的联接即属此种类型。,虽然，这种螺栓是在受预紧力F的基础上，又受工作拉力F 。但是，螺栓的总拉力,单个螺栓连接的强度计算,受力分析,承受轴向载荷的紧螺栓2,预紧时,受工作载荷后,F剩余预紧力,螺栓的总拉力为,单个螺栓连接的强度计算,承受轴向载荷的紧螺栓3,可用载荷变形图分析各力之间的关系。,则螺栓的总拉力,或写成：,受力变形动画,单个螺栓连接的强度计算,承受轴向载荷的紧螺栓4,为保证联接的紧密性，应使 F 0 。通常根据工作拉力 F 的性质确定F。,受轴向静载荷时螺栓连接的强度计算,单个螺栓连接的强度计算,单个螺栓连接的强度计算,3.受轴向循环载荷时螺栓连接的强度计算,静强度计算（同上） 疲劳强度计算 螺栓的工作载荷在0F之间循环变化时，螺栓所