第2章 螺纹联接.ppt

第二章螺纹连接,本章要求：掌握螺纹参数，螺旋副的受力分析、效率和自锁，了解螺纹联结的基本类型和预紧与防松。掌握螺栓联结的强度计算。本章重点和难点：1.螺纹参数及螺旋副的受力分析和自锁条件。2.螺纹连接的强度计算。,工程应用,工程应用,桑塔纳轿车,返回,工程应用,机床,返回,工程应用,摩托车,返回,工程应用,飞机机翼,返回,工程应用,发动机气缸,返回,化工管道,工程应用,返回,自行车,工程应用,返回,锁紧螺母,工程应用,返回,汽车轮胎,工程应用,返回,连接是指被连接件与连接件的组合。常见的机械连接有两类：一是机械动连接，如运动副；二是机械静连接，本章所学习内容是机械静连接问题。,连接,不可拆连接,装拆方便，多次装拆无损于使用性能。如螺纹连接、键连接、销连接,在拆开连接时会损坏连接中的零件或使用性能。如焊接、铆接、粘接,概述,可拆连接,（永久性连接）,一、螺纹线、螺纹、螺纹副,二、螺纹分类,三、螺纹的主要几何参数,21螺纹参数,一、螺纹线、螺纹、螺纹副,1、螺纹线：,将一倾斜角为的直线绕在圆柱体上便形成一条螺旋线。,2、螺纹：,平面始终通过圆柱体轴线就得到螺纹。若改变平面图形的形状，可得到三角形、梯形、锯齿形、矩形螺纹。,取一个平面图形沿螺旋线运动并使,3、螺纹副：,内外螺纹旋合组成螺旋副或称螺纹副。,3、常用的螺纹牙型、特点及应用,梯形螺纹,结构：牙形角特点：效率较高、牙根强度较大、工艺性好应用：用于传动,矩形螺纹,结构：牙形角性能：效率较高、牙根强度小、工艺性差应用：用于传动,矩齿形螺纹,结构：工作面的牙型斜角为3非工作面的牙型斜角为30性能：效率较高、牙根强度较大、工艺性好应用：用于单向受力的螺纹连接或螺旋传动,管螺纹,结构：牙形角性能：自锁性好,牙根强度高，工艺性好应用：用于连接,三角形螺纹,结构：牙形角特点：连接紧密，内外螺纹无间隙应用：密封性要求较高的场合,连接螺纹：一般为单线、粗牙、右旋的三角螺纹。,二、螺纹分类,1、螺纹的牙型：,2、螺纹的旋向：,3、螺纹的线数（头数）：,4、母体形状：,6、按位置：,三角形、梯形、锯齿形；,左旋、右旋；,单线、等距排列多线；,圆柱螺纹、圆锥螺纹；,内螺纹、外螺纹；,5、按作用：,连接螺纹、传动螺纹；,1、将螺纹轴线竖直放置，螺旋线自左向右逐渐升高的是右旋螺纹。反之也成立。2、从端部沿轴线看去，当螺纹顺时针方向旋转为旋进时，此螺纹为右旋螺纹。,旋向判断方法,双线螺纹,单线螺纹,三、螺纹的主要几何参数：,1）大径（外径）d与外（内）螺纹牙顶（底）相重合的假想圆柱体直径，亦称公称直径。2）小径（内径）d1与外螺纹牙底相重合的假想圆柱体直径。3）中径d2假想圆柱面的直径，该圆柱的母线上牙形沟槽和凸起宽度相等。,4）螺距P螺纹相邻两个牙型上对应点间的轴向距离。5）导程（S）螺纹上任一点沿同一条螺旋线转一周所移动的轴向距离。6）线数n螺纹螺旋线数目，一般为便于制造n4。螺距、导程、线数之间关系：S=nP,7）螺纹升角中径圆柱面上螺旋线的切线与垂直于螺旋线轴线的平面的夹角。tg=nP/d28）牙型角轴向截平面内螺纹牙型相邻两侧边的夹角。牙型侧边与螺纹轴线的垂线间夹角称为牙侧角（牙型斜角）。对称牙侧角/2,一、矩形螺纹,二、非矩形螺纹,22螺旋副的受力分析、效率和自锁,三、螺旋副效率,一、矩形螺纹（=0),1、螺纹受力分析,摩擦角：,f=tg称为摩擦系数。,（1）把螺旋副在力矩和轴向载荷作用下的运动，看成作用在中径的水平力推动滑块沿螺纹运动。,（2）将矩形螺纹沿中径d2展开得一斜面。,图中为螺旋升角，Fa为轴向载荷，F为水平推力，Fn为法向反力，Ff为摩擦力，f为摩擦系数，为摩擦角，法向反力Fn与摩擦力Ff的总反力为Fr。,F=Fatg(+),（3）其受力状况可以理解为：,作用在滑块上F为一驱动力，轴向载荷Fa为一阻力。,若使滑块等速沿斜面上升，滑块所受三力平衡：,可得：,拧紧时：,F=Fatg(-),松开时：,相当于使滑块等速沿斜面下滑，轴向载荷Fa变为驱动力，F变为维持滑块等速运动所需的平衡力。,可得：,F=Fatg(-),（1）-0，F0,分析：,说明滑块在重力作用下下滑，必须给以止动力，防止加速下滑。,说明滑块不能在重力作用下下滑。这一现象称为自锁现象。螺旋千斤顶就是利用这一原理工作的。,2、螺纹自锁：,二、非矩形螺纹（0),三角形螺纹、梯形螺纹、锯齿形螺纹,1、螺纹受力分析：,唯一差别是：,法向力比矩形螺纹大。（忽略升角的影响）,这时螺纹的摩擦阻力为：,在Fa的作用下，法向反力比矩形螺纹大：,f称为当量摩擦系数,称为当量摩擦角,这时把法向力的增加看成摩擦系数的增加。,为牙型斜角,用f取代f，用取代，就可像矩形螺纹那样对非矩形螺纹进行受力分析,上升：,F=Fatg(+),下滑：,F=Fatg(-),2、螺纹自锁条件为：,三、螺旋副效率：,螺旋副的效率问题是由于摩擦引起的：,上升：,在同样的载荷Fa，同样的牵引速度V，走过同样的距离S情况下：,F=Fatg(),若不考虑摩擦时：,若考虑摩擦时：,F=Fatg(+),没有摩擦时，需要的输入功,=FS=FaStg(),考虑摩擦时，需要的输入功,=FS=FaStg(+),理论上,实际上,所以：,从上式可以看出：,当不变时，与的关系如右图所示。,取：,可得：,当=45-时效率最高。,常取25左。太大会引起制造困难，且效率增高也不显著。,有粗牙普通螺纹M10和M68，请说明在静载荷下这两种螺纹能否自锁（已知摩擦系数f=0.10.15）,例题1,1、首先求螺纹升角。,解：,M10螺纹：M68螺纹：,查手册，得：,螺距P=1.5mm，中径d2=9.026mm；螺距P=6mm，中径d2=64.103mm。,M10螺纹升角：,M68螺纹升角：,2、求当量摩擦角。,则当量摩擦角为：,普通螺纹牙型角=,60o,牙侧角=,30o,摩擦系数f取为：,0.1,因为:同理:,10=3.03o，所以能够自锁。,68=1.707o，所以能够自锁。,单线普通螺纹的升角约在1.5-3.5之间，大大小于当量摩擦角，因此在静载荷下都能保证自锁。,已知梯形螺纹n=1,d=36mm,P=6mm,f=0.08,求：1.能否自锁?2.起重器的总效率?,例题2,解：,一、螺纹联结基本类型,二、螺纹紧固件,23螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件,一、螺纹连接的基本类型,a)普通螺栓连接：,1、螺栓连接,被连接件通孔不带螺纹，被连接件不太厚，装拆方便。螺杆带钉头，螺杆穿过通孔与螺母配合使用。装配后孔与杆间有间隙，并在工作中不许消失，结构简单，可多次装拆，应用较广。,b)铰制孔用螺栓连接：,装配后无间隙，主要承受垂直于螺栓轴线的横向载荷，也可作定位用，采用基孔制过渡配合铰制孔螺栓连接,2、螺钉连接,螺钉直接旋入被连接的螺孔，结构比较简单，这种连接不宜经常装拆，以免被连件的螺纹孔磨损而修复困难。,3、双头螺柱连接,多用于较厚的被连接件或为了结构紧凑而采用盲孔的连接。允许多次装拆，而不会损坏被连接零件。其中一被连接件需要切制螺纹螺杆，螺柱两端无钉头，但均有螺纹，装配时一端旋入被连接件，另一端配以螺母。拆装时只需拆螺母，而不将双头螺栓从被连接件中拧出。,4、紧定螺钉连接,特点和应用：旋入被连接件之一的螺纹孔中，其末端顶住另一连接件的表面或顶入相应的坑中，以固定两个零件的相互位置，并可传递不大的力和转矩,二、螺纹紧固件,1、螺栓2、双头螺柱3、螺钉、紧定螺钉4、螺母5、垫圈垫圈作用：增加被连接件的支撑面积以减少接触处的压强和避免拧紧螺母时擦伤被连接件的表面。,平垫圈弹簧垫圈圆螺母用止动垫圈圆螺母,六角头螺栓,双头螺柱,六角螺母,六角开槽螺母,内六角圆柱头螺钉,开槽圆柱头螺钉,开槽沉头螺钉,紧定螺钉,六角螺母,标准连接件,异形螺母,标准连接件,2-4螺纹连接的预紧和防松,螺旋副的拧紧力矩,一般情况下，螺纹连接都需要拧紧，对重要的螺纹，必须控制预紧力的大小，以保证工作的可靠性。,对于M10M64的普通粗牙螺纹，拧紧力矩：,T=0.2F0d(N.mm),式中，d为螺纹公称直径；F0为预紧力。F0由螺纹连接的要求决定。一般是取螺栓材料屈服极限的50%70%。,测力矩板手,重要的螺纹应采用有效的措施控制预紧力。,一、拧紧力矩,二、螺纹连接的防松,实际工作中，外载荷有振动、变化、材料高温蠕变等会造成摩擦力减少，螺纹副中正压力在某一瞬间消失，摩擦力为零，从而使螺纹连接松动，如经反复作用，螺纹连接就会松驰而失效。因此，必须进行防松，否则会影响正常工作，造成事故,1、防松目的,消除（或限制）螺纹副之间的相对运动，或增大相对运动的难度。,2、防松原理,螺纹防松是防止螺纹副的相对转动。常用的方法见教材P71表5-3。,3、防松办法及措施,常用方法,利用摩擦,直接锁住,破坏螺纹副,防松方法,螺纹联接的预紧与防松,防松方法,螺纹联接的预紧与防松,防松方法,螺纹联接的预紧与防松,防松方法,螺纹联接的预紧与防松,2-5螺栓连接强度计算,螺栓的强度计算就是确定小径d1或大径d,1.螺栓杆拉断；2.接合面滑移；3.螺纹的压溃和剪断；4.磨损后的滑扣,螺栓的主要失效形式有：,一、松螺栓连接,工作时不需要将螺母拧紧。如吊钩螺栓.,螺栓所受拉力,工作载荷,=,松螺栓连接强度条件：,其中：许用拉应力,MPad1螺纹小径,例题,如下图所示，起重吊钩的起吊重量是25kN，吊钩材料为35钢，许用应力为60MPa，求吊钩尾部螺纹直径。,根据：,有,解：,查出的d1比根据强度计算求得的d1值略大，强度合适。故吊钩尾部螺纹可采用M27。,由手册查得：,d=27mm时，d1=23.752mm,d1=23.033mm,二、紧螺栓连接,设计原则：螺栓一般成组使用，每个螺栓受力可能都不同。首先对螺栓进行受力计算。找出受力最大的螺栓所受的力进行设计。,1、连接受横向载荷，采用普通螺栓,强度条件：,失效形式：接合面产生滑移。为防止滑移，摩擦要足够大。有fF0zmFsKs式中，z螺栓数，m接合面数；Fs横向外载；Ks防滑系数，取1.1-1.3。,螺栓被拉断,设计公式：式中，S为安全系数，取1.2-1.5。注意：螺栓受拉力F0在Fs变化情况下仍是F0。该强度条件是受横向工作载荷的螺栓在拧紧时不拉断的条件。例题,2、连接受横向载荷，采用铰制孔用螺栓连接,接合面不会产生相对滑移。,（1）防剪断,对钢，S=2.5设计式,螺栓与孔壁接触表面的挤压强度条件为：,例题,Fs单个螺栓一个受剪面横向载荷d0螺栓剪切面直径螺栓杆与被连接件孔壁间接触受压的最小轴向长度,（2）防压溃（主要用来校核）,3、连接受轴向载荷,实例：气缸、液压缸缸盖与缸体的螺栓组连接只采用普通受拉螺栓。每个螺栓所受工作载荷,如左图所示，当螺母未拧紧时，螺栓螺母松驰状态.,拧紧预紧状态,凸缘F0压m,栓杆F0拉b,螺栓杆受力变形图,被连接件受力变形图,螺栓杆,凸缘,加载F后工作状态,变形缩小,拉力增加,变形增加b,继续拉长,压力减小,合成受力变形图,从图线可看出，螺栓受工作载荷F时，螺栓总载荷：,F1残余预紧力,为保证连接的紧密性（即结合面不出现间隙）：,残余预紧力F1必须大于零；工作载荷稳定时，F1=(0.20.6)F;工作载荷不稳定时，F1=(0.61.0)F;对重要的有紧密性要求的连接，F1=(1.51.8)F;,在一般计算中，先根据连接的工作要求定出F1,再计算F2=F+F1,最后带入强度计算式：,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,称为螺栓的相对刚度（系数）。,螺栓的相对刚度系数与螺栓及被连接件的材料、尺寸和结构有关，其值在01变化。,式中：,一、螺栓的常用材料（P87）,2-6螺栓的材料和许用应力,二、螺栓连接的许用应力,一般用途：碳素钢；重要连接：合金钢,许用应力：见表5-10,螺栓连接承受轴向变载荷时，螺栓的损坏多为螺栓杆部分的疲劳断裂，通常发生在应力集中较严重的地方，如：螺栓头部、螺纹收尾部和螺母支撑平面所在处的螺纹。,2-7提高螺栓连接强度的措施,下面说明影响螺栓强度的因素和提高强度的措施。,螺母支撑面,螺纹收尾部,螺栓头部,一.提高螺栓连接强度的措施,螺栓连接的强度主要取决于螺栓的强度，提高螺栓强度有以下几种措施：,1.改善螺纹牙间的载荷分配,a)悬置螺母b)环槽螺母c)内斜螺母d)环槽内斜,工作中螺栓牙抗拉伸长，螺母牙受压缩短，伸与缩的螺距变化差以紧靠支承面处第一圈为最大，应变最大，应力最大，其余各圈依次递减。,2.减小螺栓的应力变化幅度,受变载荷作用的螺栓，其应力也在一定的幅度内变动，减小螺栓刚度或增大被连接件刚度等皆可以使螺栓的应力变化幅度减小。,降低螺栓刚度,适当增加螺栓长度、减小螺栓光杆直径，也可以在螺母下装弹性元件以降低螺栓刚度。,增大被连接件的刚度,除可以从被连接件的结构和尺寸考虑外，还可以采用刚度较大的金属垫片或不设垫片。,理想方法,同时提高被连接件刚性、降低螺栓刚性,3.减小应力集中,加大过渡处圆角改用退刀槽卸载槽卸载过渡结构,4.避免附加弯曲应力,被连接件支承面不平突起、表面与孔不垂直，使螺栓承受偏心载荷，从而使螺栓杆产生很大的附加弯曲应力。,防偏载措施：,为了减少螺栓刚度，可减少螺栓光杆部分直径或采用空心螺杆，有时也可增加螺栓长度。,被连接件本身刚度大时p149,引起附加应