机械设计 第二章 螺纹联接讲解

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

2、的最小直径。 中径d2：齿厚=齿槽宽处直径，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 4 2、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： 2 arctan d np 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 30 3 30 60 三角形 梯形锯齿形 矩形 单线

3、，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，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。

4、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，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

5、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：6.8 Bmin/100=6Bmin=600MPa 10(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

6、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 2 2 1 d FT t )tan( vt FF 螺纹副间有效圆周力 2 )tan( 2 d F v a)螺母所 受转矩 b)螺栓所 受转矩 c)螺栓转 矩图 T1 T2 T1 T T T T4 3 4 T3 T1 f rFT 2 （rf支承面摩擦半径） dFkTTT t 21 kt拧紧力矩系数，一般取kt=0.2 F/2F/2 d)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 F F/2

7、F/2 F D1 d1 2、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。

8、 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 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

9、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/ 2 c d F MPa 校核式 式中：dc危险截面计算直径 许用应力， = sSs，见表6.3（P110）。 4 F dcmm 设计式 查手册，选螺栓 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

10、不滑移：FRFf，而FfF。 b. 按F计算： F为螺栓轴向负荷拉应力 4/ 2 c d F c. 拧紧过程中，在T1作用下螺栓受扭产生T 4/ )tan( 2 16/ 2/)tan( 2 2 3 21 c v cc v T T d F d d d dF W T 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 . 13 22 Tc 校核式 即： 4/ 3 . 1 2 c c d F 1.3意义：紧联接时，将拉应力增大30%以考虑拧紧力矩的影响。 3 . 14 F dc mm 设计式 （2）受预紧力F和轴向工作载荷F的紧螺

11、栓联接 a、未拧状态 b、拧紧状态F c、工作状态F 变形受力过程： 无变形 F 1 2 +F 1+1 2-2 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 变形变形 力力 力力 1 1 2 2 1 1 2 2 变形变形 力力 螺栓刚度： 111 /tanFc 222

12、 /tanFc 被联件刚度： 在合并图中： 11 0 1 c FFF c FF 2 2 c FF F cc c FF 21 2 F cc c FFFF 21 1 0 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 1 2 2 1 1 2 2 变形变形 力力 讨论： 1、 21 1 cc c 螺栓相对刚度系数 当F、F一定时， 21 1 0 cc c F 为螺栓受力 选择不同垫片 21 1 cc c 应使 2、0 F：不出现缝隙。(由F cc c FF 21 2 验算) (P108) 同理，考虑扭转作用，强度条件为： 校核式 4/ 3 . 1 2

13、 0 c c d F 3 . 14 0 F dc mm 设计式 F1 o时间o 工作载荷变化 2 力 F 变形 螺栓拉力变化 c1+c2 c1 F c2 c1+c2F2 F1 F2 F1 2 F02-F01 F01 F02 若工作载荷为变载荷： 当工作载荷在F1F2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： 21 1120102 22CC CFFFF Fa )(2 21 1 2 12 a c a CC C d FF 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。 h h FR 1 2 d 2 1

14、 剪断破坏 挤压破坏 被连接件 FR a)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/ 2 dm Fsd杆抗剪面直径 m抗剪面数目 许用剪应力 3、挤压强度条件 p s p hd F h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、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

15、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 . 14 2 0 C d F 工作条件：F”0 2、受横向载荷的螺栓组联接 FR FR a)用受拉螺栓联接 FF F FF F FR/2 FR/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（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： Rfs FkzmF zm Fk F s R

16、f 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； FR FR b)用受剪螺栓联接 Fs/2Fs/2 Fs/2 Fs Fs/2 Fs FR/2 FR/2 b、受剪螺栓 假定每个螺栓受载相同，则 工作条件： Rs FFz zFF RS / 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 的摩擦力 F s （1）受拉螺栓联接 工作条件： TkrFrFrF fzsss 21 z

17、 i is f zs f r Tk rrr Tk F 1 21 )( （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： z szss r F r F r F 2 2 1 1 或 i sis r F r F max max 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 Fsi max max r r FF i ssi 代入工作条件中： z i i z s r Tr rrr Tr F 1 2 max 22 2 2 1 max max 4、受翻转力矩M

18、（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： MrFrFrF zz 2211 变形协调条件： max max 2 2 1 1 r F r F r F r F z z z i i z r rM rrr rM F 1 2 max 22 2 2 1 max max 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F 0 F 强度计算 左

19、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 e F b)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 a max 一定时：a疲劳强度 当F、F”不变时： c1 或 c2。 措施： 1）螺栓长度