第5章_机械设计-螺纹连接和螺旋传动

1、第第5章螺纹连接和螺旋传动章螺纹连接和螺旋传动51螺纹螺纹52螺纹连接的类型及标准连接件螺纹连接的类型及标准连接件53螺纹连接的预紧螺纹连接的预紧56螺纹连接的强度计算螺纹连接的强度计算57螺栓的材料和许用应力螺栓的材料和许用应力58提高螺栓连接强度的措施提高螺栓连接强度的措施59螺旋传动螺旋传动54螺纹连接的防松螺纹连接的防松55螺栓组连接的设计螺栓组连接的设计潘存云教授研制潘存云教授研制一、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

2、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潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制螺纹的牙型螺纹的牙型潘存云教授研制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153

3、0330潘存云教授研制潘存云教授研制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潘存云教授研制左旋螺纹左旋螺纹潘存云教授研制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

4、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 4PSS = 2PPSPS =Pn线螺纹线螺纹: S = n P单线螺纹单线螺纹多线螺纹多线螺纹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外螺纹外螺纹

5、内螺纹内螺纹螺纹副螺纹副潘存云教授研制潘存云教授研制外螺纹外螺纹内螺纹内螺纹潘存云教授研制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外螺纹外螺纹内螺纹内螺纹连接螺纹连接螺纹传动螺纹传动螺纹螺旋传动螺旋传动连接螺纹连接螺纹传动螺纹传动螺纹潘存云教授研制潘存云教授研制按螺纹的牙型分按螺纹的牙型

6、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外螺纹外螺纹内螺纹内螺纹连接螺纹连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潘存云教授研制圆柱螺纹圆柱螺纹圆锥螺纹圆锥螺纹潘存云教授研制潘存云教授研制管螺纹管螺纹潘存云教授研制(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。d1d2d(1)大

7、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) 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。tan=d2 nP 牙侧角牙侧角 d2SS = 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SPP/2P/2 (8)接触高度接触高度 h 内外螺纹旋

8、合后，接触面的径向高度。h圆周长展开长度圆周长展开长度 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连接受载较大且经常拆卸，调整或承受变载荷的连接用于一般连接，最常用用于一般连接，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

9、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、受动载荷的连接和微调机构。薄壁零件、受动载荷的连接和微调机构。Pd粗牙粗牙dP细牙细牙dP细牙细牙潘存云教授研制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30330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 粗牙普通螺纹、细牙普通螺纹和梯形螺纹的基粗牙普通螺纹、细牙

10、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：5 52螺纹连接的类型及标准连接件螺纹连接的类型及标准连接件一、一、 螺纹连接的基本类型螺纹连接的基本类型螺栓连接螺栓连接基基本本类类型型eaal1 1l1 1可承受横向载荷。螺纹余留长度螺纹余留长度l1 铰制孔用螺栓铰制孔用螺栓静载荷静载荷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 d;螺纹伸出长度螺纹伸出长度a=(0.20.3)d; 螺栓轴线到被连接件边缘的螺栓轴

11、线到被连接件边缘的距离距离e=d+(36) mm用于经常拆装易磨损之处。潘存云教授研制潘存云教授研制d潘存云教授研制d孔与螺杆之孔与螺杆之间留有间隙间留有间隙潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制一、一、 螺纹连接的基本类型螺纹连接的基本类型螺栓连接螺栓连接基基本本类类型型螺钉连接螺钉连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：ae ee e双头螺柱连接双头螺柱连接 连接件厚，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

12、 H2=H1+(0.51)d;参数参数l1 、e、a与螺栓相同与螺栓相同 l1 1l1 1H HH HH H1 1H H1 1H 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。5 52螺纹连接的类型及标准连接件螺纹连接的类型及标准连接件d潘存云教授研制一、一、 螺纹连接的基本类型螺纹连接的基本类型螺栓连接螺栓连接基基本本类类型型螺钉连接螺钉连接双头螺柱连接双头螺柱连接紧定螺钉连接紧定螺钉连接紧定螺钉紧定螺钉5 52螺纹连接的类型及标准连接件螺纹连接的类型及标准连接件潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制二、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

13、螺栓的结构形式螺栓的结构形式LL0d六角头六角头LdL0小六角头小六角头dL0L1LL1 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潘存云教授研制地脚螺栓地脚螺栓机座、机架固定于地基 潘存云教授研制起吊螺钉起吊螺钉机器或大型零、部件的顶盖或外壳，便于起吊 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连接专用螺纹连接T

14、 型螺栓型螺栓 工装设备中二、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连接专用螺纹连接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潘存云教授研制圆螺母圆螺母垫圈垫圈 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

15、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。专用螺纹连接专用螺纹连接5 53螺纹连接的预紧螺纹连接的预紧预紧力：预紧力：大多数螺纹连接在装配时都需要拧紧，使之大多数螺纹连接在装配时都需要拧紧，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：增强连接的可靠性和紧密性，以防止受增强连接的可靠性和紧密性，以防止受载后被连接件间出现缝隙或发生相对移动。载后被连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： 拧紧后螺纹连接件的预紧应力不拧紧后螺纹连接

16、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、概述一般螺纹连接在装配时都必须拧紧，这时螺纹连接受到预紧力的作用。对于重要的螺纹连接，应控制其预紧力，因为预紧力的大小对螺纹连接的可靠性，强度和密封均有很大影响。碳素钢螺栓：碳素钢螺栓： F0(0.6(0.60.7) s s A1合金钢螺栓：合金钢螺栓： F0 (0.5(0.50.6) s s A1A1 危险截面积，危险截面积， A1 d d2 21 1/4/4尼龙圈锁紧螺母尼龙圈锁紧螺母连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

17、一瞬时消失，连接仍有可能松动而失效。高温下的螺栓连接，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弹簧垫圈弹簧垫圈对顶螺母对顶螺母5 54螺纹连接的防松螺纹连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。 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潘存云教授研制止动垫圈止动垫圈潘存云教授研制潘存云教授研制冲点防松法冲点防松法3. 其它方法防松其它方法防松11.5P用冲头冲用冲头冲2至

18、至3点点粘合法防松粘合法防松涂粘合剂涂粘合剂5 55 5螺栓组连接的设计螺栓组连接的设计在设计螺栓组连接时，关键是连接的结构设计。它是根据被连接件的结构和连接的用途，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，保证连接结为了便于加工制造和对称布置螺栓，保证连接结合面受力均匀，通常连接接合面的几何形状都设计合面受力均匀，通常连接接合面的几何形状都设计成成一、螺栓组连接的结构设计一、螺栓组连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

19、 潘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FF(1) 对于铰制孔用螺栓连接，不要在平行于工作载荷的方向上对于铰制孔用螺栓连接，不要在平行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；潘存云教授研制潘存云教授研制合理不合理(2)当螺栓连接承受弯矩或转矩时，应使螺栓的位置适当靠近当螺栓连接承受弯矩或转矩时，应使螺栓的位置适当靠近连接接合面的边缘，以减少螺栓的受力。连接接合面的边缘，以减少螺栓的受力。潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制dhD螺栓的排列应有合理的间距、边距，

20、以保证扳手空间螺栓的排列应有合理的间距、边距，以保证扳手空间(3)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。潘存云教授研制潘存云教授研制60CCEE60扳手空间的尺寸见有关标准。AB潘存云教授研制对于压力容器等紧密性要求较高的重要连接。螺对于压力容器等紧密性要求较高的重要连接。螺栓的间距不大于下表所推荐的取值。栓的间距不大于下表所推荐的取值。t0潘存云教授研制螺栓间距t0工作压力/MPa7d 5d 4.5 4d 3.5 3d t0 /mm 1.6 1.6 4 410 1016 1620 2030 d为了

21、便于在圆周上钻孔时的分度和画线，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、长度应相同潘存云教授研制支承面倾斜支承面倾斜采用凸台或沉孔结构采用凸台或沉孔结构潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制支承面不平支承面不平保证被连接件，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切削加工支承面切

22、削加工支承面支承面倾斜支承面倾斜潘存云教授研制二、螺栓组连接的受力分析二、螺栓组连接的受力分析受力分析的目的受力分析的目的: : 根据连接的结构和受载情况，求出受力最大的螺根据连接的结构和受载情况，求出受力最大的螺栓及其所受的力，以便进行螺栓连接的强度计算。栓及其所受的力，以便进行螺栓连接的强度计算。受力分析时所作假设受力分析时所作假设: : (1)(1)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； (3)(3)受载后连接接合面仍保持为平面。受载后连接接合面仍保持为平面。受力分析的类型：受力分析的类型：(2)(2)螺栓组的对称中心与连接接合面的形心重合；

23、螺栓组的对称中心与连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（1）对于铰制孔用螺栓连接，每个螺栓所受工作剪对于铰制孔用螺栓连接，每个螺栓所受工作剪力为力为（2）对于普通螺栓连接对于普通螺栓连接 ，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连接。1 1受横向载荷受横向载荷的螺栓组连接的螺栓组连接zFF0SfFziK FKs为防滑系数，设计中可取为防滑系数，设计中可取Ks

24、=1.11.3。潘存云教授研制铰制孔螺栓铰制孔螺栓FFFF潘存云教授研制普通螺栓S0K FFfzi或或i 接合面数接合面数f 接合面摩擦系数接合面摩擦系数潘存云教授研制TO潘存云教授研制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受转矩的螺栓组连接受转矩的螺栓组连接01020zsF frF frF frK T1,zi iiFrT采用普通螺栓，是靠连接预采用普通螺栓，是靠连接预紧后在接合面间产生的摩擦力矩紧后在接合面间产生的摩擦力矩来抵抗转矩来抵抗转矩T。采用铰制孔用螺栓，是靠采用铰制孔用螺栓，是靠螺栓的剪切和螺栓与孔壁的挤螺栓的剪切和螺栓与孔壁的挤压作用来抵抗转矩压作

25、用来抵抗转矩T。maxmax,iiFFrrm axm ax21ziiTrFrS01ziiK TFfrTrmaxFmaxr1f F0f F0r2riFi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,iiFK r剪切力与距离r的比值为常数潘存云教授研制D3受轴向载荷的螺栓组连接受轴向载荷的螺栓组连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，则各个螺栓受载线平行，并通过螺栓组的对称中心，则各个螺栓受载相同，每个螺栓所受轴向工作载荷为相同，每个螺栓所受轴向工作载荷为通常，各个螺栓还承受预紧通常，各个螺栓还

26、承受预紧力力F0的作用，当连接要有保证的的作用，当连接要有保证的残余预紧力为残余预紧力为F1时，每个螺栓所时，每个螺栓所承受的总载荷承受的总载荷F2为为zFF=F2 = F1 + FpFFF潘存云教授研制潘存云教授研制4受倾覆力矩的螺栓组连接受倾覆力矩的螺栓组连接 倾覆力矩 M 作用在连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0-0线转动一个角度，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F1F0 F0 p ( F 0引起引起)F

27、2mp2( F1m引起引起)p1( F1引起引起)LiLmaxOOxxOMMMi=Fi Li iimaxmax=rFrF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 潘存云教授研制F1m 强调是基座上的压力Fm F2m F1 F F2 C2 单个螺栓的受力分析单个螺栓的受力分析Om 力力 变形变形 Ob 1ziiiMF L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

28、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 iiLFLFmaxmax由：iiLLFFmaxmax求得最大工作载荷ZiLMLF12imaxmaxA F0 0PmaxPzFMAWss00minPWMAzFs螺栓的总拉力螺栓的总拉力maxmbb02FCCCFF为防止接合面受压最大处被压碎或受压最小处出为防止接合面受压最大处被压碎或受压最小处出现间隙，要求现间隙，要求连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

29、(0.40.5)B 2.03.0 1.52.0 2.04.0直接引用前面的结论5 56螺纹连接的强度计算螺纹连接的强度计算螺栓连接螺栓连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 轴向变载荷轴向变载荷断裂断裂螺栓杆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，螺栓连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、松螺栓连接强度计算一、松螺栓连接强

30、度计算强度条件强度条件a21 /4Fds式中式中 d1 螺纹小径螺纹小径 mm ， 许用许用应力应力二、紧螺栓连接强度计算二、紧螺栓连接强度计算FaFa力除以面积设计公式设计公式a14 Fds装配时需要拧紧，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连接仅承受预紧力的紧螺栓连接2. 承承受受预紧力和工作拉力预紧力和工作拉力的紧螺栓连接的紧螺栓连接3. 承受工作剪力的紧螺栓连接承受工作剪力的紧螺栓连接装配时不须要拧紧起重吊钩1.3s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。021/ 4Fds拉应力拉应力1. 仅承受预紧力的紧螺栓连接仅承受预紧

31、力的紧螺栓连接扭转切应力扭转切应力113T1/16TTWd0231tan()2/16Fdd022112tan()/4Fddd对于对于M10M64的普通钢制螺纹，可取：的普通钢制螺纹，可取： Tan f =0.17， d2 /d1=1.04 1.08, tan 0.5 得：得： 0.5 分母为抗剪截面系数计算应力计算应力22ca3ss22)5 . 0( 3ss由此可见，对于M10 M64普通螺纹的钢制紧螺栓连接，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。0ca211.3/ 4Fdss强度条件强度条件当承受横向工作载荷时，

32、当承受横向工作载荷时， 预紧预紧力力F0导致接合面所产生的摩擦力应导致接合面所产生的摩擦力应大于横向载荷大于横向载荷F。C 可靠性系数，常取可靠性系数，常取 C=1.11.30CFFmf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 =0.10.15m 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螺栓结构尺寸大螺栓结构尺寸大FFFF/2F/2F0F0F0F0潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制FF/2F/2潘存云教授研制D2. 受预紧力和工作拉力的紧螺栓连接

33、受预紧力和工作拉力的紧螺栓连接改进措施：改进措施：采用键、套筒、销等减载零件承担横向工作载荷。采用键、套筒、销等减载零件承担横向工作载荷。螺栓仅起连接作用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pD2/4F = =ZpFF潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制 预紧预紧 状态状态潘存云教授研制特别注意，特别注意，螺栓和被连接件的螺栓和被连接件的弹性变形，轴向载荷：弹性变形，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b被连接件受压缩短被连接件受压缩短m加载加载 F

34、 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 被连接件压缩量减少为被连接件压缩量减少为 残余预紧力减少为残余预紧力减少为 F1 很显然很显然 F1F0 被连接件放松了 +bm - - F0F0受载受载变形变形松弛松弛状态状态潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制F2F2F2=F+F1F1F1FFmb F0F0潘存云教授研制潘存云教授研制b连接件变形连接件变形压缩力压缩力螺栓变形螺栓变形拉力拉力FbFm螺栓变形螺栓变形力力F2F1FF0F0F0barctanCbarctanCmmm力力螺栓变形螺栓变形arctanCb潘存云教授研制螺栓的螺栓的相对刚度系数相对刚度系数F= F

35、b +Fm=(Cb +Cm ) Cb +CmCbF2 = F0 +FCb +CmCbF1 = F0 F 1 1- -F1= F0- - Fm= F0 - - Cm F2= F0 + + Fb= F0 + +Cb Cb +CmF=FF2FbF0代入得：代入得：表表54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 0.9Cb +CmCbFmF12ca211.3/ 4Fdss静强度条件静强度条件重要场合的螺栓连接，还应进行疲劳强度校核。重要场合的螺栓连接，还应进行疲劳强度校核。2141 .3

36、Fds设计公式设计公式当工作拉力在当工作拉力在0F之间变化时，之间变化时，螺栓所受总拉力在螺栓所受总拉力在F0 F2之间之间变化。变化。F2 F0 m bF 若不考虑摩擦力矩的影响，有若不考虑摩擦力矩的影响，有2max21/ 4Fds最大拉应力：0min21/ 4Fds最小拉应力：maxminba2bm122CFCCdsss应力幅：DI因为因为min =const , 应力工作点应力工作点M落在落在ODG I区域内，区域内，依据疲劳强度理论有依据疲劳强度理论有-1tcmincaamin2()()(2)KSSKssssssss其中其中 -1tc 螺栓材料的螺栓材料的对称循环拉压疲劳极限。对称循环

37、拉压疲劳极限。疲劳极限疲劳极限-1 -1tc10 160220 120 150Q215 170220 12016035 220300 17022045 250340 19025040Cr 320440 240340材材 料料 材料特性系数材料特性系数碳素钢碳素钢 =0.10.2合金钢合金钢 =0.30.3min-1e-1amOCAS GMM3K 综合影响系数综合影响系数S 安全系数安全系数 见下页螺栓的最大应力计算安全系数-1 弯曲循环疲劳极限弯曲循环疲劳极限潘存云教授研制潘存云教授研制 这种连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。在连接接合面处，螺栓

38、杆则受剪切。3 3承受工作剪力的紧螺栓连接承受工作剪力的紧螺栓连接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，单位螺栓所受的工作剪力，单位为为N；PP0minFd Lss 204FdLminmin铰制孔用螺栓铰制孔用螺栓FFd0设计时应使设计时应使 Lmin1.25d0d0 螺栓剪切面的直径（可取螺螺栓剪切面的直径（可取螺栓孔直径），单位为栓孔直径），单位为mm；Lmin 螺栓杆与孔壁挤压面的最螺栓杆与孔壁挤压面的最小高度，小高度， 单位为单位为mm。螺栓或孔壁材料的许用挤压应力许用切应力5 57螺栓的材料和许

39、用应力螺栓的材料和许用应力一、螺纹连接件一、螺纹连接件材料材料国家标准规定了螺纹联接件的性能等级。螺栓、螺柱、螺钉的性能等级分为10级，螺母的性能等级分为 7级。螺纹联接件的材料与许用应力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，螺纹连接件是按其性能等级选用的。对于一定性能等级的螺纹连接件应具备一定的强度极限。中国地质大学专用 作者： 潘存云教授 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。普通垫圈：普通垫圈：Q235、15、 35弹簧垫圈：弹簧垫圈： 65Mn 常用的螺纹联接件材

40、料为常用的螺纹联接件材料为Q215、Q235、35、45等碳等碳素钢。当强度要求高时，还可采用合金钢，如素钢。当强度要求高时，还可采用合金钢，如15Cr、40Cr等。等。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 12二、螺纹连接件的许用应力二、螺纹连接件的许用应力 螺纹连接件的许用应力与载荷性质螺纹连接件的许用应力与载荷性质( (静、变载荷静、变载荷) )、装配情

41、况装配情况( (松、紧连接松、紧连接) )、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 许用切应力和挤压应力许用切应力和挤压应力 S SssS SsSPPSss被连接件为钢被连接件为钢PBPSss被连接件为铸铁被连接件为铸铁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。屈服极限潘存云教授研制螺栓连接的安全系数螺栓连接的安全系数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 M16M16 M16 M30 M30M60不控制不控制预紧力预紧力的计算的计

42、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连接松螺栓连接 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铰制孔用铰制孔用螺栓连接螺栓连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连栓连接接紧紧螺螺栓栓连连接接5 58提高螺栓连接强度的措施提高螺栓连接强度的措施承受轴向变载荷时，螺栓的损坏形式：承受轴

43、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、降低影响螺栓疲劳强度的应力幅。轴向工作载荷轴向工作载荷F的变化范围的变化范围 0 FCb+ CmCbF0 F0 +F总拉伸载荷的总拉伸载荷的F2变化范围变化范围 螺栓刚度螺栓刚度 Cb 或或 被连接件刚度被连接件刚度Cm F2变化范围变化范围F 提高螺栓连接强度的措施有哪些呢？ 以螺栓连接为例，螺栓连接的强度主要取决于螺栓的强度，因此，提高螺栓的强度，将大大提高连接系统的可靠性。2、改善螺纹牙上载荷分布不均的现象。1、降低影响螺栓疲劳强度的应力幅。3、减小应力集中的影响。4、采用合理的制造工艺。潘存云教授研制潘存云

44、教授研制潘存云教授研制F0 m b措施一：降低螺栓刚度（措施一：降低螺栓刚度（ Cb Cb , b Cm , m m ） 措施三：综合措施（措施三：综合措施（ Cb Cm , F0 F0 ）F F F1 F2 F2FF m F1 bF0m 虽然F= =FF F强调残余预紧力减小但有F F强调残余预紧力减小F= =FF= =F， F1 = =F 1F F F2 2 F F3 3 F F4 4 F F5 510圈以后，螺母牙几乎不承受载荷。螺螺栓栓杆杆F F潘存云教授研制螺螺栓栓杆杆F F螺母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

45、螺母加厚螺母潘存云教授研制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连接。在重要场合或大型连接。潘存云教授研制采用凸台或沉孔结构采用凸台或沉孔结构潘存

46、云教授研制潘存云教授研制三、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。潘存云教授研制支承面不平支承面不平切削加工支承面切削加工支承面潘存云教授研制五、采用特殊制造工艺五、采用特殊制造工艺冷镦螺栓头部、滚压螺纹冷镦螺栓头部、滚压螺纹螺栓疲劳强度提高螺栓疲劳强度提高30%到到40%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采用球面垫圈和腰环

47、螺栓可以保证螺腰环螺栓可以保证螺栓的装配精度。栓的装配精度。潘存云教授研制腰环螺栓腰环螺栓潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制一、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。作用：回转运动作用：回转运动 直线运动，同时传递动力。直线运动，同时传递动力。螺杆转动，螺母移动螺杆转动，螺母移动 刀架刀架 按用按用途分途分传力螺旋传力螺旋传导螺旋传导螺旋滑动螺旋滑动螺旋滚动螺旋滚动螺旋按摩擦按摩擦性质分性质分传递动

48、力传递动力 传递运动传递运动, ,要求精度高要求精度高调整零件相对位置调整零件相对位置应用实例为车床刀架溜板潘存云教授研制潘存云教授研制调整螺旋调整螺旋调整螺旋调整螺旋机床的进给机构机床的进给机构潘存云教授研制应用实例应用实例: 机床的进给机构、起重机床的进给机构、起重设备（千斤顶）设备（千斤顶） 、锻压、锻压机械机械(压力机压力机)、测量仪、测量仪器（千分尺）、夹具、器（千分尺）、夹具、玩具、机器人及其他工玩具、机器人及其他工业装备中。业装备中。潘存云教授研制应用实例应用实例 起重设备（千斤顶）起重设备（千斤顶）锻压机械锻压机械(压力机压力机)潘存云教授研制潘存云教授研制应用实例应用实例 工

49、件夹紧装置(锯床)潘存云教授研制潘存云教授研制应用实例应用实例 潘存云教授研制钳工虎钳钳工虎钳 潘存云教授研制千分尺千分尺 整体螺整体螺母母组合螺组合螺母母剖分螺剖分螺母母螺母结构螺母结构潘存云教授研制组合螺母组合螺母潘存云教授研制调整楔快调整楔快固定螺钉固定螺钉调整螺钉调整螺钉二、滑动螺旋的结构和材料二、滑动螺旋的结构和材料 滑动螺旋的结构主要是指螺杆、螺母的固定和支滑动螺旋的结构主要是指螺杆、螺母的固定和支承的结构形式。螺旋传动的工作刚度与精度等和支承承的结构形式。螺旋传动的工作刚度与精度等和支承结构有直接关系。结构有直接关系。1. 结构结构 潘存云教授研制剖分螺母剖分螺母潘存云教授研制螺

50、旋副材料要求：螺旋副材料要求：足够的强度、耐磨性、摩擦因子小足够的强度、耐磨性、摩擦因子小2. 滑动螺旋的材料滑动螺旋的材料螺杆材料螺杆材料: : Q257、45、50钢，或钢，或T12、40Cr、65Mn 螺母材料螺母材料: : ZCuSn10P1、ZCuSn5Pb5Zn5、 ZCuAl10Fe3.螺杆螺杆- -螺母材料螺母材料 滑动速度滑动速度 m/min m/min 许用压力许用压力/MPa /MPa 摩擦因子摩擦因子 低速低速 181825 25 3 11 3 1118 18 6 61212 7 710 10 1515 1 12 淬火钢青铜淬火钢青铜 钢青铜钢青铜 钢铸铁钢铸铁 钢钢钢

51、钢 6 61212 10 1013 0.060.08 2.42.4 13 1318 6 61212 4 47 低速低速 7.57.513 0.11 0.110.170.17 0.08 0.080.1 0.12 0.120.15 滑动螺旋副材料的许用压力滑动螺旋副材料的许用压力pp及摩擦因子及摩擦因子 潘存云教授研制三、滑动螺旋传动的设计计算三、滑动螺旋传动的设计计算承受载荷承受载荷: 转矩、轴向力转矩、轴向力 设计准则：设计准则：按耐磨损确定直径，选择螺距按耐磨损确定直径，选择螺距校核螺杆、螺母强度等。校核螺杆、螺母强度等。主要失效形式主要失效形式: 螺牙的磨损螺牙的磨损滑动螺旋副材料的许用应

52、力滑动螺旋副材料的许用应力许用应力许用应力/MPa螺旋副材料螺旋副材料螺杆螺杆 钢钢 /(35)螺母螺母青铜青铜 4060 3040铸铁铸铁 4555 40钢钢 (0.10.2) 0.6 b 注：注：1) s 为材料的屈服极限；为材料的屈服极限； 2)载荷稳定时，许用应力取大值。载荷稳定时，许用应力取大值。对螺旋传动的要求对螺旋传动的要求: : 强度足够强度足够, , 耐磨耐磨, , 摩擦因子小摩擦因子小. .螺杆材料螺杆材料: : Q257、45、50钢，或钢，或T12、40Cr、65Mn螺母材料螺母材料: : ZCuSn10P1、ZCuSn5Pb5Zn5、 ZCuAl10Fe3。失效形式失效形式: : 磨损磨损 通常先由耐磨性条件，计算螺杆直径和螺母高度，再参照标准确定螺旋各主要参数，而后对可能发生的其它失效一一校核。耐磨性计算耐磨性计算校核公式：校核公式：影响磨损的原因很多，目前还没有完善的计算方法，通常是限制螺纹接触处的压强。p = p d