第5章螺纹联接和螺旋传动--机械设计

1、青岛科技大学专用 潘存云教授研制 第第5章章 螺纹联接和螺旋传动螺纹联接和螺旋传动 5 51 1 螺纹螺纹 5 52 2 螺纹联接的类型及标准联接件螺纹联接的类型及标准联接件 5 53 3 螺纹联接的预紧螺纹联接的预紧 5 55 5 螺纹联接的强度计算螺纹联接的强度计算 5 57 螺栓的材料和许用应力螺栓的材料和许用应力 5 58 提高螺栓联接强度的措施提高螺栓联接强度的措施 5 59 螺旋传动螺旋传动 5 54 4 螺纹联接的防松螺纹联接的防松 5 56 6 螺栓组联接的设计螺栓组联接的设计 青岛科技大学专用 潘存云教授研制 一、螺纹的形成一、螺纹的形成 5 51 螺螺 纹纹 d2 螺旋线螺

2、旋线-一动点在一圆柱体的表面上，一边绕轴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。等速旋转，同时沿轴向作等速移动的轨迹。 螺纹螺纹-一平面图形沿螺旋线运动，运动时保持该图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。形通过圆柱体的轴线，就得到螺纹。 螺纹螺纹 青岛科技大学专用 潘存云教授研制 按螺纹的牙型分按螺纹的牙型分 螺螺 纹纹 的的 分分 类类 按螺纹的旋向分按螺纹的旋向分 按螺旋线的根数分按螺旋线的根数分 按回转体的内外表面分按回转体的内外表面分 按螺旋的作用分按螺旋的作用分 按母体形状分按母体形状分 矩形螺纹矩形螺纹 三角

3、形螺纹三角形螺纹 梯形螺纹梯形螺纹 锯齿形螺纹锯齿形螺纹 青岛科技大学专用 潘存云教授研制 螺纹的牙型螺纹的牙型 矩形螺纹矩形螺纹三角形螺纹三角形螺纹梯形螺纹梯形螺纹 锯齿形螺纹锯齿形螺纹 15 30 3 30 青岛科技大学专用 潘存云教授研制 按螺纹的牙型分按螺纹的牙型分 螺螺 纹纹 的的 分分 类类 按螺纹的旋向分按螺纹的旋向分 按螺旋线的根数分按螺旋线的根数分 按回转体的内外表面分按回转体的内外表面分 按螺旋的作用分按螺旋的作用分 按母体形状分按母体形状分 矩形螺纹矩形螺纹 三角形螺纹三角形螺纹 梯形螺纹梯形螺纹 锯齿形螺纹锯齿形螺纹 右旋螺纹右旋螺纹 左旋螺纹左旋螺纹 青岛科技大学专用

4、 潘存云教授研制 按螺纹的牙型分按螺纹的牙型分 螺螺 纹纹 的的 分分 类类 按螺纹的旋向分按螺纹的旋向分 按螺旋线的根数分按螺旋线的根数分 按回转体的内外表面分按回转体的内外表面分 按螺旋的作用分按螺旋的作用分 按母体形状分按母体形状分 矩形螺纹矩形螺纹 三角形螺纹三角形螺纹 梯形螺纹梯形螺纹 锯齿形螺纹锯齿形螺纹 右旋螺纹右旋螺纹 左旋螺纹左旋螺纹 单线螺纹单线螺纹 多线螺纹多线螺纹 一般一般: n 4 双线螺纹双线螺纹单线螺纹单线螺纹 PS S = 2P P S P S =P n线螺纹线螺纹: S = n P 青岛科技大学专用 潘存云教授研制 按螺纹的牙型分按螺纹的牙型分 螺螺 纹纹 的

5、的 分分 类类 按螺纹的旋向分按螺纹的旋向分 按螺旋线的根数分按螺旋线的根数分 按回转体的内外表面分按回转体的内外表面分 按螺旋的作用分按螺旋的作用分 按母体形状分按母体形状分 矩形螺纹矩形螺纹 三角形螺纹三角形螺纹 梯形螺纹梯形螺纹 锯齿形螺纹锯齿形螺纹 右旋螺纹右旋螺纹 左旋螺纹左旋螺纹 单线螺纹单线螺纹 多线螺纹多线螺纹 外螺纹外螺纹 内螺纹内螺纹 螺纹副螺纹副 青岛科技大学专用 潘存云教授研制 外螺纹外螺纹 内螺纹内螺纹 青岛科技大学专用 潘存云教授研制 按螺纹的牙型分按螺纹的牙型分 螺螺 纹纹 的的 分分 类类 按螺纹的旋向分按螺纹的旋向分 按螺旋线的根数分按螺旋线的根数分 按回转体

6、的内外表面分按回转体的内外表面分 按螺旋的作用分按螺旋的作用分 按母体形状分按母体形状分 矩形螺纹矩形螺纹 三角形螺纹三角形螺纹 梯形螺纹梯形螺纹 锯齿形螺纹锯齿形螺纹 右旋螺纹右旋螺纹 左旋螺纹左旋螺纹 单线螺纹单线螺纹 多线螺纹多线螺纹 外螺纹外螺纹 内螺纹内螺纹 联接螺纹联接螺纹 传动螺纹传动螺纹螺旋传动螺旋传动 青岛科技大学专用 潘存云教授研制 联接螺纹联接螺纹 传动螺纹传动螺纹 青岛科技大学专用 潘存云教授研制 按螺纹的牙型分按螺纹的牙型分 螺螺 纹纹 的的 分分 类类 按螺纹的旋向分按螺纹的旋向分 按螺旋线的根数分按螺旋线的根数分 按回转体的内外表面分按回转体的内外表面分 按螺旋的

7、作用分按螺旋的作用分 按母体形状分按母体形状分 矩形螺纹矩形螺纹 三角形螺纹三角形螺纹 梯形螺纹梯形螺纹 锯齿形螺纹锯齿形螺纹 右旋螺纹右旋螺纹 左旋螺纹左旋螺纹 单线螺纹单线螺纹 多线螺纹多线螺纹 外螺纹外螺纹 内螺纹内螺纹 联接螺纹联接螺纹 传动螺纹传动螺纹 圆柱螺纹圆柱螺纹 圆锥螺纹圆锥螺纹 青岛科技大学专用 潘存云教授研制 圆柱螺纹圆柱螺纹圆锥螺纹圆锥螺纹 管螺纹管螺纹 青岛科技大学专用 潘存云教授研制 (3)中径中径d2 也是一个假想圆柱的直径，该 圆柱的母线上牙型沟槽和凸起宽度相等。 d1 d2 d (1)大径大径d 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)

8、 小径小径 d1 与外螺纹牙底(或内螺纹牙顶) 相重合的假想圆柱体的直径。 (4) 螺距螺距P 相邻两牙在中径线上对应两点间 的轴向距离。 (5) 导程导程S (6) 螺纹升角螺纹升角 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 (7)牙型角牙型角 轴向截面内螺纹牙型相邻两侧边的夹角。牙型侧边与螺纹 轴线的垂线间的夹角。 tg= d2 nP 牙侧角牙侧角 d2 S S = nP 同一条螺旋线上的相邻两牙在中径线上对应两点间的轴向距P 二、螺纹的主要几何参数二、螺纹的主要几何参数 S P P/2P/2 (8)接触高度接触高度 h 内外螺纹旋合后，接触面的径向高度。 h 青岛科技大

9、学专用 潘存云教授研制 普通螺纹以大径普通螺纹以大径d为为公称直径公称直径，同一公称直径可，同一公称直径可 以有多种螺距，其中螺距最大的称为以有多种螺距，其中螺距最大的称为粗牙螺纹粗牙螺纹，其，其 余的统称为余的统称为细牙螺纹。细牙螺纹。 60 螺纹的精度等级螺纹的精度等级: A级级 B级级 C级级 公差小，精度最高，用于配合精确，防振动等场合；公差小，精度最高，用于配合精确，防振动等场合； 受载较大且经常拆卸，调整或承受变载荷的联接；受载较大且经常拆卸，调整或承受变载荷的联接； 用于一般联接，最常用。用于一般联接，最常用。 粗牙螺纹应用最广粗牙螺纹应用最广 细牙螺纹的优点：细牙螺纹的优点：升

10、角小、小径大、自锁性好、强度高升角小、小径大、自锁性好、强度高 缺点：缺点：不耐磨易滑扣。不耐磨易滑扣。 应用：应用：薄壁零件、受动载荷的联接和微调机构。薄壁零件、受动载荷的联接和微调机构。 P d 粗牙粗牙 d P 细牙细牙 d P 细牙细牙 青岛科技大学专用 潘存云教授研制 梯形梯形螺纹：螺纹： 梯梯 形形锯齿形锯齿形 30 3 30 为了减少摩擦和提高效率，这两种螺纹的牙侧角比三角形螺纹的要小得 多。用于剖分螺母时，梯形螺纹可消除因摩擦而产生的间隙，应用较广。 锯齿形螺纹的效率比矩形螺纹高，但只适合单向传动。 锯齿形螺纹锯齿形螺纹: 常用于传动。常用于传动。 = 15 = 3 粗牙普通螺

11、纹、细牙普通螺纹和梯形螺纹的基粗牙普通螺纹、细牙普通螺纹和梯形螺纹的基 本尺寸见后续各表（或查阅相关机械设计手册）。本尺寸见后续各表（或查阅相关机械设计手册）。 螺纹的基本尺寸：螺纹的基本尺寸： 青岛科技大学专用 潘存云教授研制 直径与螺距、粗牙普通螺纹基本尺寸直径与螺距、粗牙普通螺纹基本尺寸 mmmm 3 0.5 2.675 3 0.5 2.675 2.459 2.459 公称直径（大径）公称直径（大径） 粗粗 牙牙 细细 牙牙 D d D d 螺距螺距P P 中径中径 D D2 2 d d2 2 小径 小径 D D2 2 d d2 2 螺距 螺距P P 4 4 0.7 3.545 3.24

12、2 0.7 3.545 3.242 5 0.8 3.545 4.1345 0.8 3.545 4.134 0.350.35 0.50.5 6 1 5.350 4.918 6 1 5.350 4.918 8 1.25 7.188 6.647 8 1.25 7.188 6.647 10 1.5 9.026 8.376 1.25, 1 0.75 10 1.5 9.026 8.376 1.25, 1 0.75 12 1.75 10.863 10.106 1.5, 1.25 0.5 12 1.75 10.863 10.106 1.5, 1.25 0.5 (14) 2 12.701 11.835 (14)

13、 2 12.701 11.835 1.5, 11.5, 1 16 2 14.701 13.835 16 2 14.701 13.835 (18) 2.5 16.376 15.294 (18) 2.5 16.376 15.294 20 2.5 18.376 17.294 20 2.5 18.376 17.294 (20) 2.5 20.376 19.294 (20) 2.5 20.376 19.294 24 3 22.052 20.752 24 3 22.052 20.752 (27) 3 25.052 23.752 (27) 3 25.052 23.752 30 3.5 27.727 26.2

14、11 30 3.5 27.727 26.211 2, 1.5, 12, 1.5, 1 注：括号内的公称直径为第二系列注：括号内的公称直径为第二系列 H=0.866P dH=0.866P d2 2=d-0.6495P d=d-0.6495P d1 1=d-1.0825P=d-1.0825P D D1 1、d d1 1-内、外螺纹小径内、外螺纹小径 D D2 2、d d2 2-内、外螺纹中径内、外螺纹中径 D D、d d -内、外螺纹大径内、外螺纹大径 P-P-螺距螺距 标记示例：标记示例： M24(M24(粗牙普通螺纹、直径粗牙普通螺纹、直径2424、螺距、螺距3)3) M24X1.5(M24X

15、1.5(细牙普通螺纹细牙普通螺纹, ,直径直径24,24,螺距螺距1.5) 1.5) P P P/8P/8 P/8P/8 P/8P/8 H/4H/4 D dD d D D2 2 d d2 2 D D1 1 d d1 1 P/2P/2 P/4P/4 3030 6060 9090 青岛科技大学专用 潘存云教授研制 细牙普通螺纹基本尺寸细牙普通螺纹基本尺寸 mmmm 螺距螺距P P 中径中径D D2 2、d d2 2 小径小径D D1 1、d d1 1 0.35 d-1+0.773 0.35 d-1+0.773 d-1+0.621 d-1+0.621 0.5 0.5 d-1+0.675 d-1+0.

16、459 d-1+0.675 d-1+0.459 0.75 0.75 d-1+0.513 d-1+0.188 d-1+0.513 d-1+0.188 1 d-1+0.35 1 d-1+0.35 d-2+0.918 d-2+0.918 1.25 1.25 d-1+0.188 d-2+0.647 d-1+0.188 d-2+0.647 1.5 1.5 d-1+0.026 d-2+0.376 d-1+0.026 d-2+0.376 2 2 d-2+0.701 d-3+0.835 d-2+0.701 d-3+0.835 3 3 d-2+0.052 d-4+0.752 d-2+0.052 d-4+0.75

17、2 青岛科技大学专用 潘存云教授研制 梯形螺纹基本尺寸梯形螺纹基本尺寸 mmmm 标记示例：标记示例：Tr48X8Tr48X8 ( (梯形螺纹，直径梯形螺纹，直径4848，螺距，螺距8)8) P hP h3 3=H=H4 4 a ac c 第第1 1系列系列 第第2 2系列系列 D D2 2 d d2 2 D D1 1 螺距螺距 螺纹牙高螺纹牙高 牙顶间隙牙顶间隙 公称直径公称直径d d 中中 径径 内螺纹小径内螺纹小径 12 6.5 0.5 9012 6.5 0.5 90、100 85100 85、95 d-6 95 d-6 d-12 d-12 10 5.5 0.5 4010 5.5 0.5

18、 40、7070、80 3880 38、4242、65 d-5 d-10 65 d-5 d-10 8 6.5 0.5 488 6.5 0.5 48、52 4652 46、50 d-4 d-8 50 d-4 d-8 4 2.25 0.25 164 2.25 0.25 16、20 18 d-2 d-4 20 18 d-2 d-4 5 2.75 0.25 245 2.75 0.25 24、28 2228 22、26 d-2.5 d-5 26 d-2.5 d-5 6 2.25 0.5 326 2.25 0.5 32、36 36 30 30、34 d-3 d-6 34 d-3 d-6 内螺纹内螺纹 外螺

19、纹外螺纹 d d P P R R1 1 R R2 2 D D1 1 D D4 4 H H1 1 D D2 2 d d2 2 d d3 3 a ac c a ac c 3030 H H4 4 R R2 2 青岛科技大学专用 潘存云教授研制 d d d d2 2 d d1 1P P 用螺纹密封的管用螺纹密封的管螺纹螺纹 普通细牙普通细牙螺纹螺纹 管管螺纹螺纹 非螺纹密封管非螺纹密封管螺纹螺纹（圆柱管壁（圆柱管壁 = 55） 用螺纹密封管用螺纹密封管螺纹螺纹（圆锥管壁（圆锥管壁 = 55） 60圆锥管圆锥管螺纹螺纹 公称直径公称直径-管子的公称通径。管子的公称通径。强调与普通螺纹不同 55 55 非

20、螺纹密封的管非螺纹密封的管螺纹螺纹 d d d d2 2 d d1 1 P P 2 青岛科技大学专用 潘存云教授研制 5 52 螺纹联接的类型及标准联接件螺纹联接的类型及标准联接件 一、一、 螺纹联接的基本类型螺纹联接的基本类型 螺栓联接螺栓联接 基基 本本 类类 型型 e a a l1 1 l1 1 可承受横向载荷。 螺纹余留长度螺纹余留长度l1 铰制孔螺栓铰制孔螺栓 孔与螺杆之孔与螺杆之 间留有间隙间留有间隙 静载荷静载荷l1=(0.30.5)d; 变载荷变载荷l1=0.75d; 冲击载荷或弯曲载荷冲击载荷或弯曲载荷l1 d; 铰制孔用螺栓铰制孔用螺栓l1 0; 螺纹伸出长度螺纹伸出长度a

21、=(0.20.3)d; 螺栓轴线到边缘的距离螺栓轴线到边缘的距离 e=d+(36) mm 用于经常拆装易磨损之处。 d d 青岛科技大学专用 潘存云教授研制 一、一、 螺纹联接的基本类型螺纹联接的基本类型 螺栓联接螺栓联接 基基 本本 类类 型型 螺钉联接螺钉联接 座端拧入深度座端拧入深度H，当螺孔材料为：，当螺孔材料为： a e e e e 双头螺柱联接双头螺柱联接 联接件厚，允许拆装。 钢或青铜钢或青铜 H=d; 铸铁铸铁 H=(1.251.5)d 铝合金铝合金 H=(1.52.5)d 螺纹孔深度螺纹孔深度 H1=H+(22.5)P; 钻孔深度钻孔深度 H2=H1+(0.51)d; 参数参

22、数l1 、e、a与螺栓相同与螺栓相同 l1 1l1 1 H HH H H H1 1H H1 1 H H2 2H H2 2 结构简单，省了螺母，不宜经常拆装， 以免损坏螺孔而修复困难。 d 5 52 螺纹联接的类型及标准联接件螺纹联接的类型及标准联接件 青岛科技大学专用 潘存云教授研制 一、一、 螺纹联接的基本类型螺纹联接的基本类型 螺栓联接螺栓联接 基基 本本 类类 型型 螺钉联接螺钉联接 双头螺柱联接双头螺柱联接 紧定螺钉联接紧定螺钉联接 紧定螺钉紧定螺钉 5 52 螺纹联接的类型及标准联接件螺纹联接的类型及标准联接件 青岛科技大学专用 潘存云教授研制 二、二、螺纹紧固件螺纹紧固件 螺栓螺栓

23、 螺螺 纹纹 紧紧 固固 件件 螺栓的结构形式螺栓的结构形式 L L0 d 六角头六角头 L d L0 小六角头小六角头 青岛科技大学专用 潘存云教授研制 d L0 L1 L L1 -座端长度座端长度 L0 -螺母端长度螺母端长度 二、二、螺纹紧固件螺纹紧固件 螺螺 纹纹 紧紧 固固 件件 双头螺柱双头螺柱 螺栓螺栓 青岛科技大学专用 潘存云教授研制 二、二、螺纹紧固件螺纹紧固件 螺螺 纹纹 紧紧 固固 件件 末端末端 结构结构 头部头部 结构结构 螺钉、紧定螺钉螺钉、紧定螺钉 双头螺柱双头螺柱 螺栓螺栓 青岛科技大学专用 潘存云教授研制 二、二、螺纹紧固件螺纹紧固件 螺螺 纹纹 紧紧 固固

24、件件 地脚螺栓地脚螺栓 起吊螺钉起吊螺钉 螺钉、紧定螺钉螺钉、紧定螺钉 双头螺柱双头螺柱 螺栓螺栓 专用螺纹联接专用螺纹联接 T 型螺栓型螺栓 青岛科技大学专用 潘存云教授研制 六角螺母六角螺母六角扁螺母六角扁螺母六角厚螺母六角厚螺母圆螺母圆螺母 二、二、螺纹紧固件螺纹紧固件 螺螺 纹纹 紧紧 固固 件件用于经常拆装 易磨损之处。 用于尺寸受限制之处。 国标罗列有六十余种不同结构的螺母螺母螺母 螺钉、紧定螺钉螺钉、紧定螺钉 双头螺柱双头螺柱 螺栓螺栓 专用螺纹联接专用螺纹联接 青岛科技大学专用 潘存云教授研制 其它螺母：其它螺母： 青岛科技大学专用 潘存云教授研制 其它螺母：其它螺母： 青岛科

25、技大学专用 潘存云教授研制 垫圈垫圈 平垫圈平垫圈 薄平垫圈薄平垫圈 A型平垫圈型平垫圈B型平垫圈型平垫圈 螺母螺母 螺钉、紧定螺钉螺钉、紧定螺钉 双头螺柱双头螺柱 二、二、螺纹紧固件螺纹紧固件 螺栓螺栓 螺螺 纹纹 紧紧 固固 件件 斜垫圈斜垫圈 弹簧垫圈弹簧垫圈 圆螺母用止动垫圈圆螺母用止动垫圈 作用：作用：增加支撑面积以减增加支撑面积以减 小压强，避免拧紧螺母擦小压强，避免拧紧螺母擦 伤表面、防松。伤表面、防松。 专用螺纹联接专用螺纹联接 青岛科技大学专用 潘存云教授研制 5 53 螺纹联接的预紧螺纹联接的预紧 预紧力：预紧力：大多数螺纹联接在装配时都需要拧紧，使之大多数螺纹联接在装配时

26、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。作用力称为预紧力。 预紧的目的：预紧的目的：增强联接的可靠性和紧密性，以防止受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。载后被联接件间出现缝隙或发生相对移动。 预紧力的确定原则：预紧力的确定原则： 拧紧后螺纹联接件的预紧应力不拧紧后螺纹联接件的预紧应力不 得超过其材料的屈服极限得超过其材料的屈服极限s ss的的80%。 一、概述一、概述 一般螺纹联接在装配时都必须拧紧，这时螺纹联接受到预紧力的作 用。对于重要的螺纹联接，应控制其预紧力

27、，因为的大小对螺纹联 接的可靠性，强度和密封均有很大影响。 碳素钢螺栓：碳素钢螺栓： Qp(0.6(0.60.7) s s A1 合金钢螺栓：合金钢螺栓： Qp (0.5(0.50.6) s s A1 A1 -危险截面积，危险截面积， A1 dd2 21 1/4/4 青岛科技大学专用 潘存云教授研制 fac a rFftg dF TTT)( 2 2 21 )( 2 2 21 tg dF TTT a 二、二、 拧紧力矩拧紧力矩 21 TTT T T1 1克服螺纹副相对转动的阻力矩；克服螺纹副相对转动的阻力矩； T T2 2克服螺母支撑面上的摩擦阻力矩；克服螺母支撑面上的摩擦阻力矩； 设轴向力为设

28、轴向力为F Fa a 或预紧力（不受轴向载荷） fc c摩擦系数。摩擦系数。 无润滑时取：无润滑时取： fc c =0.15 =0.15 rf f支撑面摩擦半径。支撑面摩擦半径。 rf =( =(dw w+ +d0 0)/4)/4 简化公式：简化公式： 适用于M10M60的粗牙螺纹， f=0.15, fc=0.15, T 0.2 F 0.2 Fa a d F Fa a Fa是由联接要求决定的，为了发挥螺栓的工作能力和保证预紧 可靠，应取： 总力矩：总力矩： 注意：对于重要的联接，应尽可能采用M12的螺栓。 T d0 d dw 青岛科技大学专用 潘存云教授研制 测力矩扳手测力矩扳手 预紧力控制方

29、法预紧力控制方法: : 联接用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。但在冲击、振动和变载条件下，预紧力可能在某一瞬时消失，联接仍有 可能松动。高温下的螺栓联接，由于温度变形差异等，也可能发生松脱现象 （如高压锅），因此设计时必须考虑防松。即防止相对转动。 F F 定力矩扳手定力矩扳手 通常螺纹联接拧紧是凭工人的经验来决定的， 重要螺栓则必须预紧力进行精确控制。 L LS S 1)1)凭手感经验；凭手感经验； 2)2)测力矩扳手；测力矩扳手； 3)3)定力矩扳手；定力矩扳手； 4)4)测定伸长量。测定伸长量。 L LM M L LS S 青岛科技大学专用 潘存云教

30、授研制 联接用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。但在冲击、振动和变 载条件下，预紧力可能在某一瞬时消失，联接仍有可 能松动而失效。高温下的螺栓联接，由于温度变形差 异等，也可能发生松脱现象（如高压锅），因此设计 时必须考虑防松，即防止相对转动。 防松的方法：防松的方法： 1. 利用附加摩擦力防松利用附加摩擦力防松 尼龙圈锁紧螺母尼龙圈锁紧螺母 弹簧垫圈弹簧垫圈 对顶螺母对顶螺母 5 53 螺纹联接的防松螺纹联接的防松 防松防松-防止螺旋副相对转动。防止螺旋副相对转动。 青岛科技大学专用 潘存云教授研制 开口销与六开口销与六 角开槽螺母角开槽螺母 串联钢丝串联

31、钢丝 2. 采用专门防松元件防松采用专门防松元件防松 圆螺母用止动垫圈圆螺母用止动垫圈 止动垫圈止动垫圈 青岛科技大学专用 潘存云教授研制 3. 其他方法防松其他方法防松 11.5P 用冲头冲用冲头冲23点点 冲点防松法冲点防松法 粘合法防松粘合法防松 涂粘合剂涂粘合剂 青岛科技大学专用 潘存云教授研制 5 55 螺纹联接的强度计算螺纹联接的强度计算 螺栓联接螺栓联接 的主要失的主要失 效形式：效形式： 滑扣滑扣 因经常拆装 受拉螺栓受拉螺栓 塑性变形塑性变形 螺纹部分 疲劳断裂疲劳断裂 受剪螺栓受剪螺栓 剪断剪断 压溃压溃 螺杆和孔壁的贴合面 经常拆卸经常拆卸 断裂断裂 -轴向变载荷轴向变载

32、荷 青岛科技大学专用 潘存云教授研制 螺栓与螺母的螺纹牙及其他各部尺寸是根据等强度 原则及使用经验规定的。采用标准件时，这些部分 都不需要进行强度计算。所以，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公称 直径d及螺距P等。 一、松螺栓联接强度计算一、松螺栓联接强度计算 强度条件：强度条件： 4/ 2 1 s d F a 式中式中: d1-螺纹小径螺纹小径 mm ， 许用应力许用应力 二、紧螺栓联接强度计算二、紧螺栓联接强度计算 Fa Fa 力除以面积 设计公式：设计公式： 4 1 s a F d 装配时须要拧紧，在工作状 态下可能还需要补充拧紧。 1. 仅承受预紧力的紧螺栓

33、强度仅承受预紧力的紧螺栓强度 2.受轴向载荷的紧螺栓联接受轴向载荷的紧螺栓联接 3.承受工作剪力的紧螺栓联接承受工作剪力的紧螺栓联接 装配时不须要拧紧 青岛科技大学专用 潘存云教授研制 s3 . 1 螺栓受轴向拉力螺栓受轴向拉力F0和摩擦力矩和摩擦力矩T1的双重作用。的双重作用。 4/ 2 1 s d F a 拉应力：拉应力： 1. 仅承受预紧力的紧螺栓强度仅承受预紧力的紧螺栓强度 扭转切应力：扭转切应力： 16/ 3 1 1 d T 16/ 2) ( 3 1 1 d dtgFa 4/ ) ( 2 2 11 2 d F tg d d a 对于对于M10M64的普通钢制螺纹，可取：的普通钢制螺纹

34、，可取： tg f =0.17， d2 /d1=1.04-1.08, tg 0.5 得：得： 0.5 分母为抗剪截面系数 计算应力：计算应力： 22 3ss ca 22 )5 . 0( 3ss 由此可见，对于M10M64普通螺纹的钢制紧螺栓 联接，在拧紧时，虽然同时承受拉伸和扭转的联合 作用，但在计算时，可以只考虑拉伸强度计算，并 将预紧力增大30%来考虑扭转的影响。 4/ 3.1 2 1 s s d Fa ca强度条件：强度条件： 青岛科技大学专用 潘存云教授研制 当承受横向工作载荷时，当承受横向工作载荷时， 预紧力预紧力F0 导致接合面所产生的摩擦力应大于导致接合面所产生的摩擦力应大于 横

35、向载荷横向载荷F。 C-可靠性系数，常取可靠性系数，常取 C=1.11.3 mf CF F 0 预紧力预紧力F0 ： f-摩擦系数，对钢与铸铁，取摩擦系数，对钢与铸铁，取: f =0.10.15 m-结合面数结合面数 上图m=1,下图m=2 若取若取 f =0.15， C=1.2, m=1, 则：则： F0 8F结构尺寸大结构尺寸大 F F F F/2 F/2 F0 F0 F0 F0 青岛科技大学专用 潘存云教授研制 F F/2 F/2 2. 受轴向工作载荷的螺栓强度受轴向工作载荷的螺栓强度 改进措施：改进措施： a. 采用键、套筒、销承担横向工作载荷。采用键、套筒、销承担横向工作载荷。螺栓仅

36、起连接作用 b. 采用无间隙的铰制孔螺栓。采用无间隙的铰制孔螺栓。 设流体压强为设流体压强为p，螺栓数目为，螺栓数目为Z，则，则 缸体周围每个螺栓的平均载荷为：缸体周围每个螺栓的平均载荷为： p D2/4 F = = Z p F F D 青岛科技大学专用 潘存云教授研制 受载受载 变形变形 特别注意，轴向载荷：特别注意，轴向载荷： F2 F0+F 加预紧力后加预紧力后螺栓受拉伸长螺栓受拉伸长b0 被联接件受压缩短被联接件受压缩短m0 加载加载 F 后后: 螺栓总伸长量增加为螺栓总伸长量增加为: 总拉力为：总拉力为： 被联接件压缩量减少为：被联接件压缩量减少为： 残余预紧力减少为：残余预紧力减少

37、为： F1 很显然很显然: F1F0 被联接件放松了 +b0 m0 - - 松弛松弛 状态状态 预紧预紧 状态状态 b0 F0F0 m0 F F F0F0 F F F F F2F2 F2=F+F1 F1F1 青岛科技大学专用 潘存云教授研制 b0 联接件变形联接件变形 力力 螺栓变形螺栓变形 力力 Fb Fm 螺栓变形螺栓变形 力力 F2 F1 F F0F0 m0 F0 b0 C0 arctgCb arctgCm 青岛科技大学专用 潘存云教授研制 力力 螺栓变形螺栓变形 arctgCb -相对刚度系数相对刚度系数 F= Fb +Fm=(Cb +Cm ) Cb +Cm Cb F2 = F0 +F

38、 Cb +Cm Cb F1 = F0 F 1 1- - F1= F0- - F= F0 - - Cm F2= F0 + + Fb= F0 + +Cb Cb +Cm F = F F2 Fb F0 代入得：代入得： 表表5-4 螺栓的相对刚度系数螺栓的相对刚度系数 垫片类型垫片类型 金属垫片或无垫片金属垫片或无垫片 皮革皮革 铜皮石棉铜皮石棉 橡胶橡胶 0.20.3 0.7 0.8 0.9 Cb +Cm Cb Fm F1 青岛科技大学专用 潘存云教授研制 3 3承受工作剪力的紧螺栓联接承受工作剪力的紧螺栓联接 这种联接是利用铰制孔用螺栓抗剪切来承受载 荷的。螺栓杆与孔壁之间无间隙，接触表面受 挤压

39、。在联接结合面处，螺栓杆则受剪切。 螺栓杆与孔壁的挤压强度条件为：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：螺栓杆的剪切强度条件为： F螺栓所受的工作剪力，单位为螺栓所受的工作剪力，单位为N； P min0 P ss Ld F 2 0 4 d F Lmin min 铰制孔螺栓铰制孔螺栓 F F d0 设计时应使设计时应使: Lmin1.25d0 d0螺栓剪切面的直径（可取螺栓螺栓剪切面的直径（可取螺栓 孔直径），单位为孔直径），单位为mm； Lmin螺栓杆与孔壁挤压面的最小螺栓杆与孔壁挤压面的最小 高度，高度， 单位为单位为mm； 青岛科技大学专用 潘存云教授研制 5 56 6

40、螺栓组联接的设计螺栓组联接的设计 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合面受力均匀，通常联接结合面的几何形状都设计 成成: : 一、螺栓组联接的结构设计一、螺栓组联接的结构设计 基本原则：基本原则： 大多数机械中螺栓都是成组使用的。大多数机械中螺栓都是成组使用的。 轴对称的简单几何形状。轴对称的简单几何形状。 圆形圆形 圆环形圆环形 矩形矩形 矩形框矩形框 三角形 三角形 青岛科技大学专用 潘

41、存云教授研制 螺栓布置应使各螺栓的受力合理螺栓布置应使各螺栓的受力合理 F F a) 对于铰制孔用螺栓联接，不要在平衡于工作载荷的方向上对于铰制孔用螺栓联接，不要在平衡于工作载荷的方向上 成排地布置个以上的螺栓，以免载荷分布过于不均；成排地布置个以上的螺栓，以免载荷分布过于不均； 合理 不合理! b) 当螺栓联接弯距或转距时，应使螺栓的位置适当靠近联接当螺栓联接弯距或转距时，应使螺栓的位置适当靠近联接 接合面的边缘，以减少螺栓的受力。接合面的边缘，以减少螺栓的受力。 青岛科技大学专用 潘存云教授研制 d h D 螺栓的排列应有合理的间距、边距，以保证扳手空间螺栓的排列应有合理的间距、边距，以保

42、证扳手空间 c) 当同时承受轴向载荷和较大的横向载荷时，采用抗当同时承受轴向载荷和较大的横向载荷时，采用抗 剪零件来承受横向载荷。剪零件来承受横向载荷。 60 C C EE 60 扳手空间的尺寸见有关标准。 A B 青岛科技大学专用 潘存云教授研制 对于压力容器等紧密性要求较高的重要联接。螺栓的对于压力容器等紧密性要求较高的重要联接。螺栓的 间距不大于下表所推荐的取值。间距不大于下表所推荐的取值。 t0 螺栓间距t0 工作压力 (MPa) 7d 4.5d 4.5 4d 3.5 3d t0 (mm) 1.6 1.6 4 410 1016 1620 2030 d 为了便于在圆周上钻孔时的分度和画线

43、，通常分为了便于在圆周上钻孔时的分度和画线，通常分 布在同一圆周上的螺栓数目取成布在同一圆周上的螺栓数目取成: 4、6、8等偶数。 同一螺栓组中的螺栓的材料、直径、长度应相同。同一螺栓组中的螺栓的材料、直径、长度应相同。 青岛科技大学专用 潘存云教授研制 保证被联接件，螺母和螺栓头支承面平整，并与螺栓轴线相互垂直。对于在铸、锻件等的粗 糙表面上安装螺栓时，应制成凸台或沉头座。当支承面为倾斜表面时，应采用斜面垫圈等。 避免螺栓承受附加的弯曲载荷。避免螺栓承受附加的弯曲载荷。 采用凸台或沉孔结构采用凸台或沉孔结构 切削加工支承面切削加工支承面 支承面不平支承面不平 支承面倾斜支承面倾斜采用斜垫圈采

44、用斜垫圈 青岛科技大学专用 潘存云教授研制 二、螺栓组联接的受力分析二、螺栓组联接的受力分析 受力分析的目的：受力分析的目的： 根据联接的结构和受载情况，求出受力最大的螺栓根据联接的结构和受载情况，求出受力最大的螺栓 及其所受的力，以便进行螺栓联接的强度计算。及其所受的力，以便进行螺栓联接的强度计算。 受力分析时所作假设：受力分析时所作假设： a)a)所有螺栓的材料、直径、长度和预紧力均相同；所有螺栓的材料、直径、长度和预紧力均相同； c)c)受载后联接接合面仍保持为平面。受载后联接接合面仍保持为平面。 受力分析的类型：受力分析的类型： b)b)螺栓组的对称中心与联接接合面的形心重合；螺栓组的

45、对称中心与联接接合面的形心重合； 受转矩受转矩 受横向载荷受横向载荷 受轴向载荷受轴向载荷受倾覆力矩受倾覆力矩 M 青岛科技大学专用 潘存云教授研制 （1）对于铰制孔用螺栓联接，每个螺栓所受工作剪对于铰制孔用螺栓联接，每个螺栓所受工作剪 力为：力为： （2）对于普通螺栓联接对于普通螺栓联接 ，按预紧后接合面间所产生的，按预紧后接合面间所产生的 最大摩擦力必须大于或等于横向载荷的要求，有：最大摩擦力必须大于或等于横向载荷的要求，有： 式中：式中：z z为螺栓数目。为螺栓数目。 图示为由四个螺栓组成的受横向载荷的螺栓组联接。 1 1受横向载荷受横向载荷的螺栓组联接的螺栓组联接 z F F FKzi

46、fF S0 fzi FK F S 0 或或 Ks为防滑系数，设计中可取为防滑系数，设计中可取Ks =1.11.3。 铰制孔螺栓 F F FF 普通螺栓 青岛科技大学专用 潘存云教授研制 TO O 采用普通螺栓和铰制孔用螺栓组成的螺 栓组受转矩时的受力情况是不同的。2受转矩的螺栓组联接受转矩的螺栓组联接 TKfrFfrFfrF sz02010 TrF z i ii 1 采用普通螺栓，是靠联接预紧采用普通螺栓，是靠联接预紧 后在接合面间产生的摩擦力矩来后在接合面间产生的摩擦力矩来 抵抗转矩抵抗转矩T。 采用铰制孔用螺栓，是靠螺采用铰制孔用螺栓，是靠螺 栓的剪切和螺栓与孔壁的挤压栓的剪切和螺栓与孔壁

47、的挤压 作用来抵抗转矩作用来抵抗转矩T。 i i r F r F max max Z i i r Tr F 1 2 max max z i i rf TK F 1 S 0 T rmax Fmax r1 f F0 f F0 r2 ri Fi 假设底板受载仍为平面，则螺栓的剪切 变形量与距离成正比，F=Kri ii rKF 剪切力与距离r的比值为常数 青岛科技大学专用 潘存云教授研制 3受轴向载荷的螺栓组联接受轴向载荷的螺栓组联接 若作用在螺栓组上轴向总载荷若作用在螺栓组上轴向总载荷F F 作用线与螺栓轴线作用线与螺栓轴线 平行，并通过螺栓组的对称中心，则各个螺栓受载相平行，并通过螺栓组的对称中心

48、，则各个螺栓受载相 同，每个螺栓所受轴向工作载荷为：同，每个螺栓所受轴向工作载荷为： 通常，各个螺栓还承受预紧力通常，各个螺栓还承受预紧力F0 的作用，当联接要有保证的残余的作用，当联接要有保证的残余 预紧力为预紧力为F1时，每个螺栓所承受时，每个螺栓所承受 的总载荷的总载荷F2为。为。 z F F F2 = F1 + F p D F F F 青岛科技大学专用 潘存云教授研制 4受倾覆力矩的螺栓组联接受倾覆力矩的螺栓组联接 倾覆力矩 M 作用在联接接合面的一个 对称面内，底板在承受倾覆力矩之前， 螺栓已被拧紧并承受预紧力F0且被拉伸， 地基有均匀的压缩。在作用M后，接触 面绕o-o线转动一个角

49、度，左边的地基 被放松，而螺栓被进一步拉伸；右边 的螺栓被放松，而地基被进一步压缩。 单个螺栓拉力单个螺栓拉力 产生的力矩为：产生的力矩为： F1 F0 F0 p ( F 0引起引起) F2m p2( F1m引起引起) p1( F1引起引起) Li Lmax O O xx O M M Mi=Fi Li i i r F r F max max 假设底板受载仍为平面，则螺栓受力与螺 栓中心到螺栓组排列中心的距离成正比。 ii rKF 螺栓承受的载荷与距离成正比：螺栓承受的载荷与距离成正比： 青岛科技大学专用 潘存云教授研制 F1m 强调是基座上的压力 Fm F2m F1 F F2 C2 单个螺栓的

50、受力分析：单个螺栓的受力分析： Om 力力 变形变形 Ob z i LFM 1 ii 作用在底板两侧的合力矩与倾覆力矩作用在底板两侧的合力矩与倾覆力矩M平衡，即：平衡，即： 未加倾覆力矩时，工未加倾覆力矩时，工 作点在作点在A。Mi=0 施加倾覆力矩施加倾覆力矩M时时: 左边的螺栓，工作点移至：左边的螺栓，工作点移至： B1 和和C1 右边的螺栓，工作点移至：右边的螺栓，工作点移至： B2 和和C2 左边螺栓总拉力增加， 右边螺栓总拉力减小。 F2 F2m C1 B2 B1 i i L F L F max max 由： ii L L F F max max 求得最大工作载荷 Z i L ML

51、F 1 2 i max max A F0 青岛科技大学专用 潘存云教授研制 0 maxPP W M A zF ss 0 0 minP W M A zF s 螺栓的总拉力：螺栓的总拉力： max mb b 02 F CC C FF 为防止结合面受压最大处被压碎或受压最小处出现为防止结合面受压最大处被压碎或受压最小处出现 间隙，要求：间隙，要求： 表8-5 联接接合面材料的许用挤压应力 材料 钢 铸铁 混凝土 砖(水泥浆缝) 木材 p(Mpa) 0.8 s (0.40.5)B 2.03.0 1.52.0 2.04.0 直接引用前面的结论 青岛科技大学专用 潘存云教授研制 5 57 螺栓的材料和许用

52、应力螺栓的材料和许用应力 一、螺纹联接件一、螺纹联接件材料材料 螺栓、螺柱、螺钉常用材料：螺栓、螺柱、螺钉常用材料：Q215、Q235、35、45等碳素钢；等碳素钢； 特殊用途特殊用途( (防磁、导电防磁、导电): ): 特殊钢、铜合金、铝合金等。特殊钢、铜合金、铝合金等。 螺栓、螺柱、螺钉的性能等级分为螺栓、螺柱、螺钉的性能等级分为10级。级。 3.6 4.6 4.8 5.6 58 6.8 8.8 9.8 10.9 12.9 作为标准零件，螺纹联接件是按其 性能等级选用的。对于一定性能等 级的螺纹联接件应具备一定的强度 极限。 冲击振动场合用：冲击振动场合用：15Cr、40Cr、 30CrM

53、nSi等合金钢。等合金钢。 垫圈：垫圈：Q235、15、 35垫圈：垫圈： 65Mn 青岛科技大学专用 潘存云教授研制 选用原则：选用原则： 一般用途：通常选用一般用途：通常选用4.8级左右的螺栓，级左右的螺栓， 重要场合：要选用高的性能等级，重要场合：要选用高的性能等级， 如在压力容器中常采用如在压力容器中常采用8.8级的螺栓。级的螺栓。 螺母的性能等级分为 7级。 4 5 6 8 9 10 12 青岛科技大学专用 潘存云教授研制 二、螺纹联接件的许用应力二、螺纹联接件的许用应力 螺纹联接件的许用应力与载荷性质螺纹联接件的许用应力与载荷性质( (静、变载荷静、变载荷) )、 装配情况装配情况

54、( (松、紧联接松、紧联接) )、材料、结构尺寸有关。、材料、结构尺寸有关。 许用拉应力：许用拉应力： 许用剪应力和挤压应力：许用剪应力和挤压应力： S s s s s S s P s P S s s -被联接件为钢被联接件为钢 P B P S s s -被联接件为铸铁被联接件为铸铁 S S, , S Sp p- -安全系数，其取值详见下页表。安全系数，其取值详见下页表。 青岛科技大学专用 潘存云教授研制 表表5-11 螺栓联接的安全系数螺栓联接的安全系数S 碳素钢碳素钢 54 42.5 2.52 碳素钢碳素钢 12.58.5 8.5 8.512.5 M6M16 M16M30 M30M60 M

55、16M16 M16 M30 M30M60 不控制不控制 预紧力预紧力 的计算的计算 控制预控制预 紧力的紧力的 计算计算 受载类型受载类型 静载荷静载荷 变载荷变载荷 松螺栓联接松螺栓联接 1.21.7 合金钢合金钢 5.75 53.4 3.43 合金钢合金钢 106.8 6.8 6.810 1.2 1.5 1.2 1.5 (Sa=2.54 ) 钢：钢：S=2.5， Sp= 1. 25， 钢：钢：S=3.55， Sp= 1. 5 铸铁：铸铁：Sp=2.02.5， 铸铁：铸铁： Sp= 2.53 铰制孔用螺铰制孔用螺 栓联接栓联接 受轴受轴 向及向及 横向横向 载荷载荷 的普的普 通螺通螺 栓联

56、栓联 接接 紧紧 螺螺 栓栓 联联 接接 青岛科技大学专用 潘存云教授研制 5 58 提高螺栓联接强度的措施提高螺栓联接强度的措施 承受轴向变载荷时，螺栓的损坏形式：承受轴向变载荷时，螺栓的损坏形式：疲劳断裂 疲劳断裂 容易断裂部位：容易断裂部位： 一、一、降低螺栓总拉伸载荷降低螺栓总拉伸载荷F2的变化范围的变化范围 轴向工作载荷轴向工作载荷F的变化范围的变化范围: 0 F Cb+ Cm Cb F0 F0 +F 总拉伸载荷的总拉伸载荷的F2变化范围变化范围: Cb 或或 Cm F2变化范围变化范围F 提高螺栓联接强度的措施有哪些呢？ 以螺栓联接为例，螺栓联接 的强度主要取决于螺栓的强度， 因此

57、，提高螺栓的强度，将大 大提高联接系统的可靠性。 65%20%15% 青岛科技大学专用 潘存云教授研制 F0 m b 措施一：措施一：降低螺栓刚度（降低螺栓刚度（ Cb Cb , b Cm , m m ） 措施三：措施三：综合措施（综合措施（ Cb Cm , F0 F0 ） F F F1 F2 F2 F F m F1 b F0 m 虽然F = =F F F 强调残余预紧力减小 但有F F 强调残余预紧力减小 F = =F F = =F， F1 = =F 1 F FF2 2FF3 3FF4 4FF5 5 10圈以后，螺母牙几乎不承受载荷。 螺螺 栓栓 杆杆 F F 螺螺 栓栓 杆杆 F F 螺母

58、体螺母体 均载螺母均载原理均载螺母均载原理 螺母和螺杆均为拉伸变 形，有助于减小两者螺 距变化，使受载均匀。 加厚螺母加厚螺母 青岛科技大学专用 潘存云教授研制 1015 悬置螺母悬置螺母 环槽螺母环槽螺母 内斜螺母内斜螺母 1015 内斜与环槽螺母内斜与环槽螺母 均载原理相同均载原理相同螺母也受拉螺母也受拉 内斜螺母因力的作用点外移可使载 荷较大的头几圈螺纹牙容易变形， 使载荷上移而改善载荷分布不均。 均载均载 元件元件 悬置螺母悬置螺母 环槽螺母环槽螺母 内斜螺母内斜螺母 内斜螺与环槽螺母内斜螺与环槽螺母 都是改变螺母旋合部分的变形性质，使之和螺栓变形性质相同， 均为拉伸变形，从而使螺纹牙

59、上载荷分布趋于均匀； 钢丝螺套钢丝螺套 加工复杂，仅限于用加工复杂，仅限于用 在重要场合或大型联接。在重要场合或大型联接。 青岛科技大学专用 潘存云教授研制 支承面不平支承面不平 三、减小应力集中三、减小应力集中 1.1.增大过渡圆角增大过渡圆角 2.2.切制卸载槽切制卸载槽 r r 四、避免或减小附加应四、避免或减小附加应 力力 采用凸台或沉孔结构采用凸台或沉孔结构 切削加工支承面切削加工支承面 被联接件变形太大被联接件变形太大 3.3.卸载过渡结构卸载过渡结构 要从结构、制造与装配精度采取措施。要从结构、制造与装配精度采取措施。 青岛科技大学专用 潘存云教授研制 五、采用特殊制造工艺五、采

60、用特殊制造工艺 冷镦头部、辗压螺纹冷镦头部、辗压螺纹 疲劳强度提高疲劳强度提高30% 比车削 表面处理：表面处理： 氰化、氮化也能氰化、氮化也能提高疲劳强度。提高疲劳强度。 球面垫圈球面垫圈 采用球面垫圈和腰环采用球面垫圈和腰环 螺栓可以保证螺栓的螺栓可以保证螺栓的 装配精度。装配精度。 腰环螺栓腰环螺栓 青岛科技大学专用 潘存云教授研制 一、螺旋传动的类型和应用一、螺旋传动的类型和应用 调整螺旋调整螺旋 静压螺旋静压螺旋 类类 型型 运动形式有：运动形式有： 5 59 螺旋传动螺旋传动 螺母固定，螺杆转动并移动螺母固定，螺杆转动并移动 螺旋传动是利用螺杆和螺母 组成的螺旋副来实现传动的。 作