哈工大王黎钦机械设计课件第234次课_第五章螺纹联接与螺旋传动刘星斯维提收集

1、机械设计王黎钦教授 2005年9月 Engineers need to be continually reminded that nearly all engineering failures result from faulty judgments rather than faulty calculations机械设计王黎钦教授 2005年9月 Threaded fasteners and Power screws Riveted joints（销连接） Welded joints（焊接） Adhesive joints / bonded joints（胶/粘结） Other type of

2、 fasteners* * * 联接件设计联接件设计- - Fasteners第五章第五章 螺纹连接与螺旋传动螺纹连接与螺旋传动机械设计王黎钦教授 2005年9月 联接(Fastening)动联接(moving fastening)静联接(static fastening)： 在机器中，把两个零(部)件联接起来使之没有相对运动的联接不可拆卸联接（non-dismountable）静联接可拆卸联接（dismountable）机械设计王黎钦教授 2005年9月 5.1.1 螺纹的主要参数 (Parameters)5.1 螺纹(Threads) 螺纹联接构造简单,拆装方便,工作可靠,标准件，价廉且具

3、有互换性失效案例：发电机转子扫膛； Boeing飞机机翼根部螺纹连 接失效； 高速台架螺钉被缩颈拉断机械设计王黎钦教授 2005年9月 d螺纹大径 (Major diameter,crest diameter)d1螺纹小径(Minor diameter, root diameter)d2 螺纹中径 (Mean diameter)p 螺距 (Thread pitch)n 线数 (Thread number, double-, triple-threaded screws)s s 导程 (Lead) s= n p 螺纹升角(Lead angle)， 牙型角(Thread angle)和牙侧角 旋向

4、(directions, right-hand rule) 牙顶 (Crest) 牙根 (Root)机械设计王黎钦教授 2005年9月 22tanSnpdd机械设计王黎钦教授 2005年9月 5.1.2 螺纹副的受力关系、效率和自锁 Loads, efficiency and self-locking圆周力：拧紧时(Circumferential Force)tan()tFF松开时tan()tFF效率：拧紧时(Efficiency)？tantan()松开时tan()tan-曲线？机械设计王黎钦教授 2005年9月 自锁条件:式中:-当量摩擦角 f arctanf-当量摩擦系数F-轴向力,Nf-

5、摩擦系数cosff 机械设计王黎钦教授 2005年9月 5.1.3 常用螺纹的特点和应用(1) 三角形螺纹，Triangle threads 粗牙螺纹，Coarse-pitch threads 细牙螺纹，Fine-pitch threads 超细牙螺纹，Extra-fine-pitch threads(2) 矩形螺纹，Square threads(3) 梯形螺纹，Acme threads(4) 锯齿型螺纹，(5) 管螺纹，机械设计王黎钦教授 2005年9月 (1) 三角形螺纹，又称普通螺纹特点：牙型角=2=60。因大，所以当量摩 擦系数大，自锁性好，主要用于联接机械设计王黎钦教授 2005年9

6、月 * 细牙螺纹与粗牙螺纹粗牙：常用细牙：自锁性能更好。用于承受冲击、振动及变载 荷、或空心、薄壁零件上及微调装置中 缺点是牙小，相同载荷下磨损快，易滑扣机械设计王黎钦教授 2005年9月 (2) 矩形螺纹特点：牙形为正方形，=0，效率高，用于传 动,但常被梯形螺纹代替改错机械设计王黎钦教授 2005年9月 (3) 梯形螺纹（注意标注方法）特点： =2=30。比矩形螺纹效率略低， 在螺旋传动中有广泛应用机械设计王黎钦教授 2005年9月 (4) 锯齿形螺纹)特点：工作边=3，非工作边=30 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机械设计王黎钦教授

7、2005年9月 (5) 圆柱管螺纹 特点：用于管件联接的，三角螺纹,=55，拧紧后 无径向间隙，密封好机械设计王黎钦教授 2005年9月 （6）圆锥螺纹特点：用于高温高压密封管路联接，三角螺纹, =55，1：16锥管，拧紧后无间隙，密封优机械设计王黎钦教授 2005年9月 5.2 螺纹联接的基本类型与标准件联接5.2.2 螺纹联接的基本类型及表示方法1.螺栓联接(Bolt and nut,a bolted connections)机械设计王黎钦教授 2005年9月 a) 普通螺栓连接 b) 铰制孔螺栓连接机械设计王黎钦教授 2005年9月 2.螺钉联接(Cap screws)拧入深度机械设计王

8、黎钦教授 2005年9月 3.双头螺柱联接 (Stud)拧入深度机械设计王黎钦教授 2005年9月 （4）紧定螺钉联接 （Set screws）机械设计王黎钦教授 2005年9月 5.2.2 标准螺纹联接件机械设计王黎钦教授 2005年9月 机械设计王黎钦教授 2005年9月 机械设计王黎钦教授 2005年9月 机械设计王黎钦教授 2005年9月 机械设计王黎钦教授 2005年9月 机械设计王黎钦教授 2005年9月 机械设计王黎钦教授 2005年9月 紧定螺钉的头部和末端机械设计王黎钦教授 2005年9月 5.2.3 螺纹联接零件常用材料和机械性能等级常用材料：低碳钢，中碳钢，如Q215、Q

9、235和10、 15、35、45号钢高强度螺栓：变载荷、冲击、振动的重要联接 合金钢，如40Cr、15MnVB、30CrMnSi螺母材料：一般较相配合的螺栓的硬度低2040HBS机械设计王黎钦教授 2005年9月 表 5.1 螺栓、螺钉、螺柱性能等级 性能等级 3 6 46 48 56 58 68 88 98 109 129 抗拉强度极限Bmin （MPa） 330 400 420 500 520 600 800 900 1040 1220 屈服极限 smin （MPa） 190 240 340 300 420 480 640 720 940 1100 硬 度 （HBS）min 90 114

10、124 147 152 181 240 276 304 366 推荐材料 低碳钢 低碳钢或中碳钢 低碳合金钢或中碳钢淬火并回火 中碳钢，低中碳合金钢淬火并回火 合金钢 注：1. 性能等级的标记代号含义：“.”前的数字为公称抗拉强度极限 B的 1/100， “.”后的数字为屈强比 的 10 倍，即（a/B）10。 2. 规定性能等级的螺栓、螺母在图纸上只注性能等级，不应标出材料牌号。 机械设计王黎钦教授 2005年9月 螺母与螺栓匹配（硬度和强度）螺母性能等级456891012相配螺栓性能等级3.6,4.6,4.83.6,4.6,4.85.6,5.86.8 8.88.89.810.912.9直径

11、范围1616所有直径1616所有直径39机械设计王黎钦教授 2005年9月 5.3 螺纹联接的预紧（Bolt preloaded) 预紧可使联接在承受工作载荷之前就受到预紧力F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。预紧还可以防松机械设计王黎钦教授 2005年9月 预紧力过大，会使联接超载；预紧力不足，则又可能导致联接松动失效 到底需要多大的预紧力？ 需要根据工作载荷与连接要求定重要的螺栓应控制预紧力(控制方法介绍) 拧紧力和预紧力关系 定力预紧 定力预紧+位置预紧机械设计王黎钦教授 2005年9月 拧紧螺母时的力矩和预紧力机械设计王黎钦教授 2005年9月 21TTT2)ta

12、n(21dFT20213031231dDdDFfTdFT2 . 0dFdDdDdfddT32)tan(21202130312拧紧力矩螺纹力矩摩擦力矩机械设计王黎钦教授 2005年9月 装配时控制预紧力的方法气动定力矩扳手液压定力矩扳手电动定力矩扳手机械设计王黎钦教授 2005年9月 5.4 螺纹联接的防松防松目的和实质：防止螺纹副之间发生相对运动 理论上，螺纹连接是摩擦自锁的，不会松动。但实际上如果螺纹副之间正压力突然消失（原因：振动、冲击、交变温度、交变载荷），就会松动机械设计王黎钦教授 2005年9月 5.4.1 摩擦防松1.双螺母图上改错/P57机械设计王黎钦教授 2005年9月 2.

13、弹簧垫圈机械设计王黎钦教授 2005年9月 3. 锁紧螺母机械设计王黎钦教授 2005年9月 5.4.2 机械防松 (1) 开口销与六角开槽螺母机械设计王黎钦教授 2005年9月 (2) 止动垫圈机械设计王黎钦教授 2005年9月 （3） 串联钢丝（方向很重要）机械设计王黎钦教授 2005年9月 5.4.3 永久防松新型一体化防松概念和方法 防松胶（眼镜防松、弹头防松） 防松螺母（日本）机械设计王黎钦教授 2005年9月 5.5 单个螺栓联接的强度计算(Strength)螺栓一般成组使用，怎么设计或者选择？ 1、将螺栓组受力分配到单个螺栓上 2、找出螺栓组中受力最大的螺栓 3、按照单个螺栓失效

14、进行强度计算所以，先从单个螺栓强度计算开始：机械设计王黎钦教授 2005年9月 65%20%15%计算什么？ 根据强度条件确定螺栓直径， 选取合理的参数失效形式： 受拉螺栓，螺杆的疲劳断裂、塑性变形，位置 受剪螺栓，螺杆被剪断，螺杆和孔壁的贴合面被压溃机械设计王黎钦教授 2005年9月 5.5.1 松螺栓联接（For loose bolt-and-nut assembly）F:挂钩上的力机械设计王黎钦教授 2005年9月 421dF,MPa小径上的拉伸应力:Tension Stress:41Fd ，mm螺纹小径:Minor Diameter:7 . 12 . 1s许用应力:Allowable

15、stress机械设计王黎钦教授 2005年9月 5.5.2 紧螺栓联接(For tight bolt-and-nut assembly)1、受横向工作载荷的普通紧螺栓连接 2、受横向工作载荷的铰制孔螺栓连接 3、受轴向工作载荷的紧螺栓连接 1FDDp32机械设计王黎钦教授 2005年9月 1）螺杆与孔之间有间隙3）螺栓受预紧力F和螺纹力矩T11、受横向工作载荷FsFs的普通紧螺栓联接 2）被连接件之间的摩擦力 与横向载荷Fs平衡4）预紧力F产生螺杆内部拉伸应力 螺纹力矩T1产生内部扭转剪切应力sF fnF1机械设计王黎钦教授 2005年9月 对于常用的M10M68的普通螺栓:5 . 0由第四强

16、度理论，螺栓的当量应力：3 . 1)5 . 0( 332222e螺栓的强度条件为:211.3 4 eFd,MPa或者选取条件为:214dF2232111tan()242tan()16tdFdTFdWdd11.3 4 Fd ，mmT1/改错P59机械设计王黎钦教授 2005年9月 sF fnF如果摩擦力不足以承担横向工作载荷Fs：还可以采用铰制孔螺栓连接机械设计王黎钦教授 2005年9月 1）部分螺杆与孔之间无间隙3）螺栓失效主要是螺杆被剪断， 螺杆与孔接触面被压溃2、受横向工作载荷FsFs的铰制孔螺栓联接 2）依靠螺杆与螺孔挤压承受横向载荷Fs4）强度条件：挤压应力和剪切应力小于许用值FFd0

17、Lminssh机械设计王黎钦教授 2005年9月 螺栓与孔壁的挤压强度条件为:0min sppFd h,MPa0d螺栓抗剪面直径，mm式中：m 螺栓抗剪面数目minh螺栓杆与孔壁挤压面的最小高度 mm， 设计时应使min01.25hd螺栓的许用剪切应力，MPap螺栓或孔壁材料的许用挤压应力，MPa螺栓杆的剪切强度条件为:,MPa204 sFd m机械设计王黎钦教授 2005年9月 3、受轴向工作载荷的紧螺栓联接（1） 受力分析F:预紧力F:工作载荷F”:剩余预紧力F0:螺栓总拉力下标B-螺栓下标m-被连件0?FFF0?FFF机械设计王黎钦教授 2005年9月 剩余预紧力F”值（与工作载荷F有关

18、）： 对静载F: F”=(0.20.6)F 对动载F: F”=(0.6 1.0)F 有气密要求： F”=(1.5 1.8)FFo = F + Fb =F” + F 经过推导：mBmCFFFCC0BBmCFFFFFCC螺栓最后受力:需要的预紧力:0BmBmBmFFFFCC 机械设计王黎钦教授 2005年9月 静强度条件：0211.3 4 Fd,MPa或着：011.3 4 Fd ，mm式中: 紧螺栓联接的许用拉应力(2) 静强度计算限制绝对应力值机械设计王黎钦教授 2005年9月 当工作载荷由0F之间变化时，按静强度设计尺寸后，还应进行疲劳强度计算（Fatigue strength） (3) 疲劳

19、强度计算限制应力幅值机械设计王黎钦教授 2005年9月 疲劳强度条件为限制应力幅值：212BaaBmCFCCd,MPaamaSKk1,MPa式中：K有效应力集中系数mk螺纹制造工艺系数 尺寸系数aS安全系数1螺栓材料的对称拉压疲劳极限机械设计王黎钦教授 2005年9月 5.5.3 螺栓联接的许用应力5.5.4 受轴向工作载荷的紧螺栓联接设计流程图与载荷性质（静载、动载）、是否控制预紧力、螺栓材料有关，详见P64根据工作性质确定剩余预紧力F”，计算螺栓总拉力Fo静强度计算确定螺栓直径d1疲劳强度计算a a（详见P64）机械设计王黎钦教授 2005年9月 5.6 螺栓组联接设计确定螺栓数目、布置形

20、势、连接结构等，确保工作能力联接结合面的几何形状常设计成轴对称的简单几何形状5.6.1 螺栓组联接得结构设计机械设计王黎钦教授 2005年9月 2) 螺栓的布置应使各螺栓的受力合理机械设计王黎钦教授 2005年9月 3) 螺栓的排列应有合理的间距、边距机械设计王黎钦教授 2005年9月 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机械设计王黎钦教授 2005年9月 5) 避免螺栓承受偏心载荷机械设计王黎钦教授 2005年9月 凸面和沉头座的应用斜垫圈的应用机械设计王黎钦教授 2005年9月 5.6.2 螺栓组连接的受力分析(将工作载荷分配到每一个螺栓上) 1

21、、受轴向载荷Q的螺栓组联接ZQF 机械设计王黎钦教授 2005年9月 2、受横向载荷R的螺栓组联接（1） 普通螺栓联接RKmzFfffmzRKFf1.11.3fK 式中：f接合面间摩擦系数 m接合面数 Kf可靠性系数机械设计王黎钦教授 2005年9月 (2) 用绞制孔螺栓联接（螺栓的横向剪切载荷Fs）zRFRzFss机械设计王黎钦教授 2005年9月 3、受旋转力矩T的螺栓组联接采用普通螺栓联接时，靠预紧后在接合面上各螺栓处摩擦力对形心的力矩之和平衡外加力矩T，所有螺栓预紧力F相等机械设计王黎钦教授 2005年9月 式中: r r1 1、r r2 2、.r.rz z各螺栓中心至螺栓 组形心O的

22、距离 K Kf f可靠性系数 f f接合面间摩擦系数ziifzffzrfTKrrrfTKFTKrFfrFfrFf1)2121.(.* 以联轴器为例说明机械设计王黎钦教授 2005年9月 （2）采用绞制孔螺栓联接时，忽略接合面摩擦力，外加力矩T靠螺栓所受剪力对底板旋转中心的力矩之和平衡1 12 212122221121max1458max12222121.(.).sssz zssszzszssssszziiF rF rF rTFFFrrrFrrrTrFFFFFTrTrrrrr机械设计王黎钦教授 2005年9月 4、受倾覆力矩M的螺栓组联接机械设计王黎钦教授 2005年9月 ziizzzzzLML

23、FLLLMLFFLFLFLFMLFLFLF12maxmax22221110122112211.1）强度条件机械设计王黎钦教授 2005年9月 2）保证接合面既不出缝隙也不被压溃接合面右端不被压溃：左端不出现缝隙：ppppppWMAFzmaxmaxmax，MPa，MPa00minmaxminWMAFzpppp,MPa,MPa机械设计王黎钦教授 2005年9月 由式5.39，5.41求得预紧力F，并取两者较大值,由式5.37求得工作拉力Fmax再求得作用在螺栓上的总拉力F0后最后求出所需螺栓直径* W的算法仔细阅读P71上的例题5.1机械设计王黎钦教授 2005年9月 5.7 提高螺栓联接强度的措

24、施5.7.1 改善螺纹牙上载荷的分配机械设计王黎钦教授 2005年9月 采用均载螺母：内斜螺母机械设计王黎钦教授 2005年9月 钢丝螺套均载：机械设计王黎钦教授 2005年9月 5.7.2 提高疲劳强度的措施 在F不变的情况下，减小螺栓的刚度CB或增大被联结件的刚度Cm1、减小应力幅机械设计王黎钦教授 2005年9月 机械设计王黎钦教授 2005年9月 机械设计王黎钦教授 2005年9月 2、减小应力集中机械设计王黎钦教授 2005年9月 5.8 螺旋传动(Power screw transmission)5.8.1 螺旋传动的类型和应用 (Classification and its ap

25、plication)螺旋传动按其类型可分为： 调整螺旋：如机床进给的微调螺旋; （位置） 测量差动螺旋，如Taylor轮廓仪测 量螺旋；蒸汽阀门调节T头螺旋等 起重螺旋：如千斤顶，压力机，闸门提升等， （传力） 要求自锁 传动螺旋：如机床丝杠(力和运动)，要求效率高机械设计王黎钦教授 2005年9月 机械设计王黎钦教授 2005年9月 5.8.2 滑动螺旋的失效形式和材料按其螺纹间摩擦性质的不同,可分为: 滑动螺旋 滚动螺旋 静压螺旋滑动螺旋多用梯形螺纹,重载起重螺旋也有用锯齿形螺纹, 对效率要求高时可用矩形螺纹机械设计王黎钦教授 2005年9月 滑动螺旋工作时载荷: 螺杆承受轴向载荷F和螺纹

26、力矩T1； 螺杆和螺母的螺纹牙承受挤压、弯曲和剪切 滑动螺旋的失效形式有： 螺母螺纹磨损、螺杆断裂、螺母螺纹牙根剪断和弯断 受压螺杆很长时还可能失稳（以千斤顶为例）机械设计王黎钦教授 2005年9月 螺母材料除要有足够的强度外，还要求在与螺杆配合 时摩擦系数小和耐磨 常用材料:高速轻载：含锡铸造青铜，如ZCuSn10Pb1,ZCuSn5Pb5Zn5重载低速：使用强度较高的铸造铝铁青铜ZCuAl10Fe3或 铸造黄铜ZCuZn25Al6Fe3Mn3 低速不重要的螺旋传动：可用耐磨铸铁或灰铸铁 螺杆的材料要求有足够的强度，常用35、45号钢; 需经热处理以达到高硬度的重要螺杆，则常用合金钢， 如65Mn、40Cr、T12、20CrMnTi等P76机械设计王黎钦教授 2005年9月 5.8.3 滑动螺旋的设计计算1、螺母耐磨性计算 限制螺纹工作表面被过度磨损，限制摩擦功fpV,通常f变化不大，V小，故限制p 假想螺纹牙可以展成一长条，轴向载荷F，螺母旋合高度H、螺距p，旋合圈数Z=H/p、旋合工作高度h、承压面积为A，螺纹工作面上的压强为 ps；机械设计王黎钦教授 2005年9月 22phHdFphZdFAFps，MPa 若按耐磨性条件设计螺纹中径d2时，引入高径