第8章 螺纹联接

1、第第8 8章章 螺纹联接螺纹联接联接联接动联接动联接-运动副运动副静联接静联接可拆联接可拆联接不可拆连接不可拆连接螺纹联接螺纹联接键联接键联接销联接销联接焊接焊接铆接铆接胶接胶接目目 录录本章提示本章提示8.1 螺纹螺纹8.2 螺旋副的受力分析、自锁和效率螺旋副的受力分析、自锁和效率8.3 机械制造常用螺纹机械制造常用螺纹8.4 螺纹联接的基本型式和标准联接件螺纹联接的基本型式和标准联接件8.5 螺纹联接的预紧和防松螺纹联接的预紧和防松8.6 螺纹联接的强度计算螺纹联接的强度计算8.7 螺纹联接件的材料和许用应力螺纹联接件的材料和许用应力8.8 提高螺纹联接强度的措施提高螺纹联接强度的措施*8

2、.9 螺旋传动螺旋传动 本章提示本章提示1.介绍了机械制造常用螺纹的类型、特点、应用，介绍了机械制造常用螺纹的类型、特点、应用，以及螺纹联接的基本型式、预紧、防松。以及螺纹联接的基本型式、预紧、防松。2.重点介绍了根据螺纹联接的工作特点进行受力重点介绍了根据螺纹联接的工作特点进行受力分析和强度计算的方法。分析和强度计算的方法。3.简述螺旋传动的类型、结构、应用以及简述螺旋传动的类型、结构、应用以及 滑动螺滑动螺旋传动设计计算方法。旋传动设计计算方法。 8.1 8.1 螺纹螺纹一、螺纹形成一、螺纹形成螺旋线螺旋线 平面图形平面图形 8.1 8.1 螺纹螺纹二、螺纹类型二、螺纹类型1.按螺纹牙形状

3、分为按螺纹牙形状分为三角形螺纹三角形螺纹矩形螺纹矩形螺纹梯形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹锯齿形螺纹2.按螺纹旋向分为按螺纹旋向分为右旋螺纹右旋螺纹左旋螺纹左旋螺纹3.按螺纹线数按螺纹线数n分为分为单线单线多线多线4.按单位制分为米制螺纹按单位制分为米制螺纹 和英制螺纹和英制螺纹6.按功能分为传动螺纹和联接螺纹按功能分为传动螺纹和联接螺纹联接螺纹一般用单线三角形螺纹，联接螺纹一般用单线三角形螺纹，5.按加工位置分为内螺纹和外螺纹，按加工位置分为内螺纹和外螺纹，7.按母体形状分为圆柱螺纹和圆锥螺纹按母体形状分为圆柱螺纹和圆锥螺纹构成构成螺旋副螺旋副 传动螺纹用矩形螺纹、梯形传动螺纹用矩形螺纹、梯形螺纹、

4、锯齿形螺纹。螺纹、锯齿形螺纹。 8.1 8.1 螺纹螺纹三、螺纹的主要参数三、螺纹的主要参数大径大径d：螺纹的最大直径，一般为公称螺纹的最大直径，一般为公称直径。直径。圆柱螺纹的外螺纹圆柱螺纹的外螺纹小径小径d1：螺纹的最小直径，危险截面螺纹的最小直径，危险截面的计算直径。的计算直径。中径中径d2：螺纹的平均直径。螺纹的平均直径。牙型角牙型角和牙型斜角和牙型斜角:螺纹轴平面中，螺纹牙型两侧边间的螺纹轴平面中，螺纹牙型两侧边间的夹角为牙型角夹角为牙型角。螺纹牙型的侧边与螺纹轴线垂直平面的夹。螺纹牙型的侧边与螺纹轴线垂直平面的夹角称为牙型斜角角称为牙型斜角。螺距螺距P：螺纹相邻两牙对应点间的轴螺纹

5、相邻两牙对应点间的轴向距离。向距离。导程导程Ph:同一条螺旋线相邻两牙对应点同一条螺旋线相邻两牙对应点间的轴向距离，间的轴向距离，升角升角:在中径圆柱上，螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的在中径圆柱上，螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面的夹角。平面的夹角。dd1d2PPh =nP。(Ph)PPh 8.2 8.2 螺旋副的受力分析、自锁和效率螺旋副的受力分析、自锁和效率一、矩形螺纹的受力分析一、矩形螺纹的受力分析二、非矩形螺纹的受力分析二、非矩形螺纹的受力分析三、螺旋副的效率三、螺旋副的效率四、常用螺纹的效率和自锁四、常用螺纹的效率和自锁 8.2 8.2 螺旋副的受力分析、自锁和效率螺旋副的受力分析

6、、自锁和效率一、矩形螺纹的受力分析一、矩形螺纹的受力分析a) 拧紧螺母时拧紧螺母时vFtFaFfFNFR =arctanf 式中式中 f:摩擦因数摩擦因数 :摩擦角摩擦角FaFtFR+Ft=Fatan(+)b) 拧松螺母时拧松螺母时vFtFaFfFNFaFtFR-Ft=Fatan(-)FR 时，时，Ft 0 0，机构自锁机构自锁 8.2 8.2 螺旋副的受力分析、自锁和效率螺旋副的受力分析、自锁和效率二、非矩形螺纹的受力分析二、非矩形螺纹的受力分析非矩形螺纹指的是牙型斜角非矩形螺纹指的是牙型斜角0的三角形螺纹、梯形螺纹的三角形螺纹、梯形螺纹和锯齿形螺纹。和锯齿形螺纹。FaFN矩形螺纹矩形螺纹非

7、非矩形螺纹矩形螺纹FaFNFN=FaFN=Fa/cos对比不考虑升角时对比不考虑升角时矩形螺纹矩形螺纹和和非矩形螺纹非矩形螺纹的受力的受力。非矩形螺纹非矩形螺纹的摩擦力的摩擦力aNfcosFffFFcosvff 令，称作，称作当量摩擦因数当量摩擦因数。vvarctan f令，称作，称作当量摩擦角当量摩擦角。Ft = Fa tan（ + v）)（v2atan2dFTF t = Fa tan（ -v）-（v2atan2dFT v当推动滑块上升时当推动滑块上升时水平力水平力拧紧螺旋副需要的拧紧螺旋副需要的力矩力矩滑块匀速下降时滑块匀速下降时水平力水平力拧松螺旋副需要的拧松螺旋副需要的力矩力矩自锁条件

8、自锁条件aFfv 用螺旋千斤顶降落重物时，重力与下降用螺旋千斤顶降落重物时，重力与下降方向一致。方向一致。 螺纹联螺纹联接拧紧螺母时，被联接件的变形力阻止螺母轴向移动；接拧紧螺母时，被联接件的变形力阻止螺母轴向移动； 8.2 8.2 螺旋副的受力分析、自锁和效率螺旋副的受力分析、自锁和效率说明：说明：1.轴向载荷为阻力、阻止螺纹相对转动时，相当于滑块沿斜轴向载荷为阻力、阻止螺纹相对转动时，相当于滑块沿斜面匀速上升，此时必须施加拧紧力矩。面匀速上升，此时必须施加拧紧力矩。2.当轴向载荷为驱动力，与螺旋副相对运动方向一致时，相当轴向载荷为驱动力，与螺旋副相对运动方向一致时，相当于滑块沿斜面匀速下降

9、，此时必须施加拧松力矩。当于滑块沿斜面匀速下降，此时必须施加拧松力矩。例如：例如：例如：例如： 车床丝杠走刀时，切削力阻止刀架轴向移动；车床丝杠走刀时，切削力阻止刀架轴向移动； 螺旋螺旋千斤顶举升重物时，重力阻止螺杆上升等。千斤顶举升重物时，重力阻止螺杆上升等。旋松螺母；旋松螺母； 8.2 8.2 螺旋副的受力分析、自锁和效率螺旋副的受力分析、自锁和效率三、拧紧螺母时螺旋副的效率三、拧紧螺母时螺旋副的效率拧紧螺母即相当于滑块沿斜面匀速上升时，拧紧螺母即相当于滑块沿斜面匀速上升时，vhatgtg2TPF所以螺旋副的效率为所以螺旋副的效率为 水平力水平力Ft是是驱动力，轴向力驱动力，轴向力Fa为工

10、作阻力。为工作阻力。 螺旋相对转动一周时，输螺旋相对转动一周时，输入功为入功为2T， 此时的有效功等于将重量为此时的有效功等于将重量为Fa的重物举升高度的重物举升高度Ph所作的功，即所作的功，即Fa Ph， 8.2 8.2 螺旋副的受力分析、自锁和效率螺旋副的受力分析、自锁和效率四、常用螺纹的效率和自锁四、常用螺纹的效率和自锁1. 升角升角对螺纹的效率和自锁的影响对螺纹的效率和自锁的影响升角升角效率效率（%）因为升角较大的螺纹价格困难，因为升角较大的螺纹价格困难， 螺纹螺纹升角升角一般不超过一般不超过25。效率效率随螺纹升角随螺纹升角增大而增大增大而增大，而螺纹升角而螺纹升角越小，自锁性越好越

11、小，自锁性越好。 因此，传动螺旋多采用多线、大螺距因此，传动螺旋多采用多线、大螺距螺纹，以提高效率。螺纹，以提高效率。 联接螺纹多采用单线、联接螺纹多采用单线、小螺距螺纹，以提高自锁性。小螺距螺纹，以提高自锁性。2.牙型斜角牙型斜角对螺纹的效率和自锁的影响对螺纹的效率和自锁的影响，cosarctanvf因为因为所以所以较大时，较大时， v较大、较大、效率效率较低、较低、自锁性较好。自锁性较好。矩形螺纹矩形螺纹锯齿形螺纹锯齿形螺纹梯形螺纹梯形螺纹三角形螺纹三角形螺纹效率效率自锁性自锁性031530高高低低差差好好 8.3 8.3 机械制造常用螺纹机械制造常用螺纹普通螺纹普通螺纹二、梯形螺纹二、梯

12、形螺纹三、锯齿形螺纹三、锯齿形螺纹一、三角形螺纹一、三角形螺纹管螺纹管螺纹四、例题四、例题 M10的螺距的螺距P =1.5mm，中径，中径d2 = 9.026mm； ，摩擦因数，摩擦因数取最小值，按取最小值，按f = 0.1计算，计算， 习题一习题一试计算普通螺纹试计算普通螺纹M10和和M101的螺纹升角，并分析这两种的螺纹升角，并分析这两种螺纹是否自锁（已知摩擦因数螺纹是否自锁（已知摩擦因数f = 0.10.15）。）。解解： 螺纹升角螺纹升角M10的升角的升角03. 3026. 95 . 1arctanarctan2dPM101的升角的升角95. 1350. 91arctanarctan2

13、dP 自锁性能自锁性能302 普通螺纹的牙型斜角普通螺纹的牙型斜角则螺纹的当量摩擦角为则螺纹的当量摩擦角为59. 630cos1 . 0arctancosarctanvf两种螺纹全部满足条件两种螺纹全部满足条件0。2.强度计算强度计算 8.6 8.6 螺纹联接的强度计算螺纹联接的强度计算螺栓螺栓危险截面的拉伸强度条件仍可用下式计算危险截面的拉伸强度条件仍可用下式计算FFe拉力拉力拉力拉力变形变形bF0b0cc0FFr由图得由图得43 . 121vdF3.残余预紧力残余预紧力为了保证联接的紧密性和可靠性，为了保证联接的紧密性和可靠性，FFFFe0r所以所以ecbb0r)1 (FkkkFFF r许

14、用值的确定参见教材。许用值的确定参见教材。 螺栓螺栓杆的剪切强度条件为杆的剪切强度条件为 8.6 8.6 螺纹联接的强度计算螺纹联接的强度计算六、铰制孔用螺栓联接六、铰制孔用螺栓联接当用铰制孔用螺栓承受横向载荷时，当用铰制孔用螺栓承受横向载荷时，FtFt420tdF螺栓杆和孔壁的挤压强度条件为螺栓杆和孔壁的挤压强度条件为pmin0tpLdF式中式中 d 0 螺栓杆的直径；螺栓杆的直径；F t 螺栓所承受的横向力；螺栓所承受的横向力；Lmin 螺栓杆与孔壁挤压面的最小高度；螺栓杆与孔壁挤压面的最小高度； 螺栓材料的许用切应力；螺栓材料的许用切应力； p 螺栓或孔壁材料的许用挤压应力。螺栓或孔壁材

15、料的许用挤压应力。表表 8-5 螺栓、螺钉和双头螺柱的性能等级螺栓、螺钉和双头螺柱的性能等级( (摘自摘自GB/T 3098.12000) )性能等级性能等级（标记）（标记）3.64.64.85.65.86.88.89.810.912.9d16mmd16mm抗拉强度抗拉强度bmin/MPa3304004205005206008008309001 0401 220屈服屈服点点smin(或或屈屈服服极限极限0.2)/MPa1902403403004204806406607209401 100硬度硬度HBWmin(F=30D2)90114124147152181238242276304366推荐材料

16、推荐材料低低碳碳钢钢低碳钢或中碳钢低碳钢或中碳钢中碳钢，淬火并回火中碳钢，淬火并回火中 碳 钢 ，中 碳 钢 ，低、中碳合低、中碳合金钢，淬火金钢，淬火并回火，合并回火，合金钢金钢合金钢合金钢 8.7 8.7 螺纹联接件的材料和许用应力螺纹联接件的材料和许用应力国家标准中用性能等级标记螺纹联接件的力学性能，螺纹国家标准中用性能等级标记螺纹联接件的力学性能，螺纹联接件在图纸中只标注性能等级，不标注材料牌号。联接件在图纸中只标注性能等级，不标注材料牌号。螺纹联接件的许用应力计算见表螺纹联接件的许用应力计算见表8-6。习题三表表 8-6 螺纹联接的安全系数和许用应力螺纹联接的安全系数和许用应力载荷情

17、况载荷情况静载荷静载荷变载荷变载荷松螺纹联接松螺纹联接 ，安全系数安全系数S = 1.21.7紧紧螺栓螺栓联接联接受轴向受轴向及横向及横向载荷的载荷的普通螺普通螺栓联接栓联接不严格控不严格控制预紧力制预紧力 ，安全系数安全系数S如下如下：M6M16M16M30M6M16M16M30碳碳 钢钢4332碳碳 钢钢106.56.5合金钢合金钢5442.5合金钢合金钢7.655控制控制预紧力预紧力 ，安全系数安全系数S =1.21.5铰制孔用螺栓联接铰制孔用螺栓联接 （被（被联接件为钢）联接件为钢） （被联接件为铸铁）被联接件为铸铁）p按静载荷的按静载荷的p值降低值降低20%30% 8.7 8.7 螺

18、纹联接件的材料和许用应力螺纹联接件的材料和许用应力5 . 2s 25. 1sp5 . 22pb55 . 3s SsSsSs习题三 则得螺则得螺栓的总拉力栓的总拉力习题三习题三如如 图所示为一汽缸，缸盖和缸体用螺栓联接。图所示为一汽缸，缸盖和缸体用螺栓联接。已知汽缸内气体压力已知汽缸内气体压力p最大为最大为1.5MPa，缸盖和，缸盖和缸体均为钢制，汽缸内径缸体均为钢制，汽缸内径D = 250mm。试设。试设计此联接。计此联接。解解：暂取螺栓数暂取螺栓数z=8，则每个螺栓承受的工作载荷，则每个螺栓承受的工作载荷Fe为为计算螺栓工作载荷计算螺栓工作载荷Fe zpDFe42N204 9N845 . 1

19、2506 141. 32 计算螺栓的总拉力计算螺栓的总拉力F对于有密封要求的联接取残余预紧力对于有密封要求的联接取残余预紧力Fr=1.8Fe，reFFFee8 . 1FF N771 25N204 98 . 2 求螺栓直径求螺栓直径选螺栓的性能等级为选螺栓的性能等级为4.8，要求用碳钢制造。，要求用碳钢制造。由由表表8-5 暂取安全系暂取安全系数数S = 2.5，确定螺栓的公称直径后，螺栓的类型、长度、精度以及确定螺栓的公称直径后，螺栓的类型、长度、精度以及螺母、垫圈、分布圆直径等结构尺寸，可根据螺栓联接的结螺母、垫圈、分布圆直径等结构尺寸，可根据螺栓联接的结构全面考虑后确定。构全面考虑后确定。

20、习题三习题三取取s = 340MPa，装配时不控制预紧力，装配时不控制预紧力，按按表表8-6则螺栓的许用应力为则螺栓的许用应力为SsMPa361MPa5 . 2043则螺纹的小径为则螺纹的小径为3 . 141Fdmm7 .17mm3616 141. 3771 253 . 14查查表表8-1，取取M24螺栓。螺栓。按照按照表表8- 6可知取安全系数可知取安全系数S = 2.5是合适的。是合适的。 可用空心螺栓或腰状可用空心螺栓或腰状杆螺栓。杆螺栓。 应该在被联接应该在被联接件的接合面处不用垫片或采用刚度较大的垫片。件的接合面处不用垫片或采用刚度较大的垫片。 当螺栓所承受的工作载荷在当螺栓所承受的

21、工作载荷在0Fe间间变化时，变化时， 8.8 8.8 提高螺纹联接强度的措施提高螺纹联接强度的措施一、降低螺栓总拉力的变化范围一、降低螺栓总拉力的变化范围显然螺栓总拉力的变化范围越小，显然螺栓总拉力的变化范围越小， 则其越近似于静载荷，则其越近似于静载荷， 更更有利于提高螺栓的强度。有利于提高螺栓的强度。螺栓总拉力在螺栓总拉力在 F0 间变化。间变化。)(ecbb0FkkkF显然，显然，减小螺栓刚度减小螺栓刚度kb或增大被联接件刚度或增大被联接件刚度kc、提高螺栓的强度。、提高螺栓的强度。为了减小螺栓刚度，为了减小螺栓刚度， 可以降低总拉力可以降低总拉力的变化范围的变化范围为了不降低被联接件的刚度，为了不降低被联接件的刚度，腰状杆螺栓腰状杆螺栓空心螺栓空心螺栓不宜用软垫片不宜用软垫片可用可用O形圈形圈 8.8 8.8 提高螺纹联接强度的措施提高螺纹联接强度的