机械设计ch05

1、第五章 螺纹连接与螺旋传动5-1 螺纹5-2 螺纹连接的类型与标准连接件5-3 螺纹连接的预紧5-6 螺纹组连接的设计5-5 螺纹连接的强度计算5-8 提高螺纹连接强度的措施5-7 螺纹连接件的材料与许用应力5-9 螺旋传动5-4 螺纹连接的防松概述概述 螺纹螺纹的类型与特点1 1、作用联接：起联接作用的螺纹;传动：起传动作用的螺纹;外螺纹内螺纹圆柱圆锥母体2、螺纹的形成 刀具做直线运动； 工件做旋转运动； 螺纹线：转动与直线运动； 螺纹牙：某一个形状小面积沿螺旋线运动就形成；3、螺纹的种类牙型形状：三角=30矩形=0梯形=15锯齿=30、3右旋多数用右旋左旋旋向单线螺纹：沿一根螺旋线形成的螺

2、纹；双线螺纹：沿二根螺旋线形成的螺纹；多线螺纹：沿三根以上螺旋线形成的螺纹；线数 常用的联接螺纹要求自锁性，故多用单线螺纹；传动螺纹要求传动效率高，故多用双线或三线螺纹。米制：我国多采用米制螺纹；英制（管螺纹）；标准制4、主要尺寸、参数1）外径d螺纹的最大直径，在标准中定为公称直径；2）内径d1螺纹的最小直径，在强度计算中常作为螺杆危险截面的计算直径；3）中径d2近似等于螺纹的平均直径；4）螺距t相邻两牙中径线上对应轴线间的距离;5）导程S同一条螺旋线相邻两牙的轴向距离；单线：Ph=t双线：Ph=2t多线：Ph=ntn头数；右旋6）升角：螺旋线与水平线夹角；ttSd22dStgSd27）牙型角

3、 牙型斜角8）牙的工作高度h二、二、普通普通螺纹的主要参数螺纹的主要参数大径d即螺纹的公称直径。小径d1 常用于连接的强度计算。中径d2 常用于连接的几何计算。螺距P 螺纹相邻两个牙型上对应点间的 轴向距离。牙型角 螺纹轴向截面内，螺纹牙型两 侧边的夹角。升角y 螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线 的平面间的夹角。线数n 螺纹的螺旋线数目。导程Ph 螺纹上任一点沿同一条螺旋线转 一周所移动的轴向距离，Ph=nP。升角y的计算式为：22arctanarctandnPdSy 螺纹螺纹连接的类型与标准连接件一、螺纹连接的基本类型一、螺纹连接的基本类型 铰制孔螺栓连接能精确固定被连接件的相对位置，并能承受横

4、向载荷，但对孔的加工精度要求较高。（基孔制过渡配合）双头螺柱用于结构上不能用螺栓的场合（连接件一太厚）螺纹连接的类型与标准连接件一、螺纹连接的基本类型一、螺纹连接的基本类型 除上述连接的基本类型外，在机器中，还有一些特殊结构的螺纹连接。如：T型槽螺栓连接、吊环螺钉连接和地脚螺栓连接等。 螺纹连接的类型与标准连接件二、标准螺纹连接件二、标准螺纹连接件 螺纹连接的类型很多，在机械制造中常见的螺纹连接件的结构型式和尺寸都已经标准化，设计时可以根据有关标准选用。 利用控制拧紧力矩的方法来控制预紧力的大小。通常可采用测力矩扳手或定力矩扳手，对于重要的螺栓连接，也可以采用测定螺栓伸长的方法来控制预紧力。螺

5、纹连接的预紧 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，这个预加作用力称为预紧力。 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。 注意：对于重要的连接，应尽可能不采用直径过小(M12)的螺栓。 拧紧后螺纹连接件的预紧应力不得超过其材料的屈服极限ss的80%。v 预紧力预紧力v 预紧的目的预紧的目的v 预紧力的确定原则预紧力的确定原则v 预紧力的控制预紧力的控制v 预紧力和预紧力矩之间的关系：预紧力和预紧力矩之间的关系：dFT02 . 0 fcarFftgdFTTT0221)(2y)(22021vtgdFTTTy一、一、 拧紧力矩拧紧力

6、矩21TTTT 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；设轴向力为设轴向力为F F0 0f fc c摩擦系数。摩擦系数。 无润滑时取：无润滑时取： f fc c =0.15=0.15r rf f支撑面摩擦半径。支撑面摩擦半径。 r rf f =( =(d dw w+ +d d0 0)/4)/4简化公式：简化公式：, T T 0.2 F 0.2 F0 0 d d预紧应力：预紧应力：=(0.5=(0.50.7) s s总力矩：总力矩：.测力矩扳手测力矩扳手工程上常采用测力矩扳手或定力矩扳手来控制预紧力工

7、程上常采用测力矩扳手或定力矩扳手来控制预紧力的大小。的大小。二、二、 螺纹连接的防松螺纹连接的防松防松的方法防松的方法F F定力矩扳手定力矩扳手.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。v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，通常连接结合面的几何形状都设计成轴对称的简单几何形状。v螺栓布置应使各螺栓的受力合理。v螺栓的排列应有合理的间距、边距。v 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4、6、8等偶数。v避免螺栓承受附加的弯曲载荷。一、螺栓组连接

8、的结构设计一、螺栓组连接的结构设计 各螺栓之间的距离大小既要保证连接的可靠性又要考虑装拆方便，还应留有足够的扳手空间。大多数机械中螺栓都是成组使用的。螺栓组连接的设计1受横向载荷2受转矩3受轴向载荷4受倾覆力矩 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： 所有螺栓的材料、直径、长度和预紧力均相同； 受载后连接接合面仍保持为平面。 受力分析的类型：二、螺栓组连接的受力分析二、螺栓组连接的受力分析螺栓组的对称中心与连接接合面的形心重合；FFriOOMTfF0fF0FF （1）铰制孔用螺栓连接（图b），每个螺栓所受工

9、作剪力为： （2）普通螺栓连接（图a） ，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： 式中：z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zFFFKzifFS0fziFKFS0或螺栓组连接的设计KS为防滑系数，设计中可取KS =1.11.3。FFFFb)a)2受转矩的螺栓组连接TKfrFfrFfrFsz02010 TrFziii1 (1) 采用普通螺栓:靠连接预紧后在接合面间产生的摩擦力矩来抵抗转矩T。 (2)采用铰制孔用螺栓:靠螺栓的剪切和螺栓与孔壁的挤压作用来抵抗转矩T。iirFrFmaxmaxZi

10、irTrF12maxmaxziirfTKF1S0螺栓组连接的设计螺栓组连接的设计3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F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F0的作用，当连接要有保证的残余预紧力为F1时，每个螺栓所承受的总载荷F2为zFFF2 = F1 + F螺栓组连接的设计4 4受倾覆力矩受倾覆力矩的螺栓组连接的螺栓组连接 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，螺栓已拧紧并承受预紧力F0。 作用在底板两侧的合力矩与倾覆力矩M平衡，即： 由此

11、可以求出最大工作载荷：ziLFM1iiZiLMLF12imaxmax螺栓组连接的设计0PmaxPzFMAWss00minPWMAzFs螺栓的总拉力：maxmbb02FCCCFF 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： 底板受倾覆力矩后，在轴线 OO 左侧，螺栓与地基的工作点分别移至B1 和C1 ，两者作用在底板上的合力为F。 受倾覆力矩的底板螺栓组连接的受力过程可用右图表示。 在轴线OO 右侧，螺栓与地基的工作点分别移至B2 和C2 ，两者作用在底板上的合力为 Fm 。在倾覆力矩作用前，螺栓和地基的工作点都处于点A 。螺纹连接的强度计算 螺栓连接的强度计算主要与连接的装配情况

12、（预紧或不预紧）、外载荷的性质和材料性能等有关。 螺栓连接强度计算的目的螺栓连接强度计算的目的: :根据强度条件确定螺栓直径，螺栓和螺母的螺纹牙及其他各部分尺寸均按标准选定。一、松螺栓连接强度计算二、紧螺栓连接强度计算1仅受预紧力的紧螺栓连接 2受轴向载荷的紧螺栓连接3承受工作剪力的紧螺栓连接连接的失效形式：连接的失效形式： 受拉螺栓受拉螺栓: :主要是螺纹部分的塑性变形和螺杆的疲劳断裂. 受剪螺栓受剪螺栓: :可能是螺栓杆被剪断或螺栓杆和孔壁的贴合面被压溃.65%20%15% 21/4Fdss1仅受预紧力的紧螺栓连接螺纹连接的强度计算1仅受预紧力的紧螺栓连接0214Fds预紧力引起的拉应力：

13、20v31tan()20.516dFdys螺牙间的摩擦力矩引起的扭转剪应力： 0ca211.34Fdss强度条件：当连接承受较大的横向载荷F时，由于要求F0Ff（f=0.2），即F05F ，因而需要大幅度地增加螺栓直径。为减小螺栓直径的增加，可采用减载措施。sss3 . 1322ca根据第四强度理论，螺栓在预紧状态下的计算应力:F0F0FF螺纹连接的强度计算 螺栓预紧力F0后，在工作拉力F 的作用下，螺栓的总拉力F2 = ?FFF12式中:F1为残余预紧力，为保证连接的紧密性，应使 F1 0，一般根据连接的性质确定F1的大小 (见P83页67行）。螺纹连接的强度计算3 3承受工作剪力的紧螺栓连

14、接承受工作剪力的紧螺栓连接 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：螺栓杆的剪切强度条件为：式中：F 螺栓所受的工作剪力，单位为N；d0 螺栓剪切面的直径（可取螺栓孔直径），单位为mm；Lmin 螺栓杆与孔壁挤压面的最小高度，单位为mm；设计时应使Lmin1.25d0。Pmin0PssLdF 204FdFFd0Lmin国家标准规定螺栓、螺柱、螺钉的性能等级分为9级，螺母的性能等级分为 7级。 一般用途的设计通常选用4.8级左右的螺栓，在重要或有特殊要求设计的螺纹连接件，要选用高的性能等级

15、，如在压力容器中常采用8.8级的螺栓。螺纹连接件的材料与许用应力一、螺纹连接件材料常用的螺纹连接件材料为Q215、Q235、35、45等碳素钢。当强度要求高时，还可采用合金钢，如15Cr、40Cr等。二、螺纹连接件的许用应力1螺纹连接件的许用拉应力2螺纹连接件的许用剪应力和许用挤压应力3螺纹连接件的安全系数SssssSsPsPSss（被连接件为钢）PBPSss（被连接件为铸铁）提高螺纹连接强度的措施提高螺纹连接强度的措施提高螺纹连接强度的措施提高螺纹连接强度的措施提高螺纹连接强度的措施提高螺纹连接强度的措施以螺栓连接为例，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

16、系统的可靠性。影响螺栓强度的因素主要有以下几个方面，或从以下几个方面提高螺栓强度。改善螺纹牙上载荷分布不均的现象降低影响螺栓疲劳强度的应力幅减小应力集中的影响采用合理的制造工艺螺旋传动一、螺旋传动的类型和应用传力螺旋传导螺旋 调整螺旋螺旋传动按其螺旋副摩擦性质的不同，又可分为：滑动螺旋 滚动螺旋 静压螺旋 螺旋传动是利用螺杆和螺母组成的螺旋副来实现传动的。它主要用于将回转运动转变为直线运动，同时传递动力。螺旋传动按其用途不同，可分为以下三种类型: 螺旋机构在机床的进给机构、起重设备、锻压机械、测量仪器、工具、夹具、玩具及其他工业装备中有着广泛的应用。 螺旋传动常见的运动形式有：螺杆转动，螺母移

17、动或螺母固定，螺杆转动并移动。螺旋传动二、滑动螺旋的结构和材料1滑动螺旋的结构整体螺母组合螺母剖分螺母螺母结构: 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结构有直接关系。固定螺钉调整螺钉调整楔快 螺杆的材料要有足够的强度和耐磨性。螺母的材料除了要有足够的强度外，还要求在与螺杆材料相配合时摩擦系数小和耐磨。2滑动螺旋的材料螺旋传动三、滑动螺旋传动的设计计算主要失效形式: 螺牙的磨损 设计准则：按抗磨损确定直径，选择螺距； 校核螺杆、螺母强度等。设计方法和步骤：1耐磨性计算 滑动螺旋的耐磨性计算，主要是限制螺纹工作面上的压力，其强度条件：22phHd

18、FPhudFp设计公式：令2dH则得：2phFPd5 . 32 . 1一般值越大，螺母越厚，螺纹工作圈数越多。式中:Ph5 . 030锯齿形螺纹Ph75.0矩形和梯形螺纹螺纹工作高度螺旋传动2122122)4343dTFdca（ssssca 依据计算出的螺纹中径，按螺纹标准选择合适的直径和螺距。验算：10PHu若不满足要求，则增大螺距。对有自锁性要求的螺旋传动，应校核自锁条件：vy2螺杆的强度计算 对于受力比较大的螺杆，需根据第四强度理论求出危险截面的计算应力：螺杆的强度条件：vvffarctancosarctan式中，F为螺杆所受的轴向压力（或拉力），T为螺杆所受的扭矩，2tan(2dFTv

19、）y螺旋传动 FDbu，bb26FlDb uss3螺母螺牙的强度计算螺牙上的平均压力为：F/u4螺母外径与凸缘的强度计算5螺杆的稳定性计算 对于支撑螺母，需要校核螺母本体的强度。 对于长径比较大的受压螺杆，需要校核压杆的稳定性，要求螺杆的工作压力F要小于临界载荷FcrscrscSFFSsS 445 . 255 . 3传力螺旋传导螺旋精密螺杆或水平安装其危险截面 a a 的剪切强度条件和弯曲强度条件分别为：F/u D D2aa例题例题1 1 平行，均匀分布F支架 吊环4FF解：例题例题2 2 某钢制吊架用螺栓组固定在水平钢梁上，螺栓组由四个普通螺栓组成。吊 架FQFQMr1r2r3r24QFF

20、24232221maxmaxrrrrrMFmaxFFF总解：找中心线，向中心简化，向联接中心平移。有两种基本外载荷：轴向力和倾覆力矩，在倾覆力矩作用下，一边受拉，另一边受力减小，力臂最大处，载荷最大。例题3 试分析图示电动机螺栓联接中受哪几种基本载荷？RVHHVMHVVMVHHT解：左、右翻，前、后翻。同时受横向、轴向、转矩和翻转力矩的作用。螺栓联接习题课螺栓联接习题课一、螺栓组计算一、螺栓组计算螺栓组受力分析轴向力横向力旋转力矩翻转力矩ziiLLMF12maxmaxizfFkFs0受拉zFF/受剪ziisrfTkF10受拉ziirTrF12maxmax受剪受拉螺栓受变载：/.ss431210

21、dF紧联接受F0和F/420dFminppLdFss/ss421dFa影响疲劳强度/.ss431212dFca单个螺栓强度计算受剪螺栓：松联接：仅受F0：受静载：F2=F+F1zFF例：如图所示的支架受 F 力。MABFOOHFVFHFVF 将 F 力分解并向螺栓组形心及结合面平移，得：轴向载荷 横向载荷翻转力矩HFVFBFAFMHV设计中，需要防止如下四种可能的失效形式：上沿开缝；下沿压溃支架下滑； 需要足够大的 。 0F螺栓拉断； 需要足够大的螺栓直径 。1d0minpsmaxpsps受任意载荷螺栓组向形心简化四种简单状态迭加受载最大螺栓按单个计算螺栓联接习题课螺栓联接习题课 例1 图示为

22、一固定在钢制立柱上的铸铁托架，已知总载荷F=4800N，其作用线与垂直线的夹角=50，底板高h=340mm，宽b=150mm，试设计此螺栓组联接。 解 1.螺栓组结构设计采用如图所示的结构，螺栓数z=4，对称布置。 2.螺栓受力分析 在总载荷F的作用下，螺栓组联接承受以下各力和倾覆力矩的作用：轴向力Fh作用于螺栓组中心，水平向右，如图所示Fh= Fsin =4800sin 50=3677Nb bh h220220280280F150150160160KK向向FhFv螺栓联接习题课螺栓联接习题课横向力Fv作用于接合面，垂直向下，如图所示。Fv= Fcos=4800cos50=3085 N倾覆力矩

23、（顺时针方向） M=Fv16+ Fh 15=105107 N cm在轴向力Fh 的作用下，各螺栓所受的工作拉力为NFzFah91943677 在倾覆力矩M的作用下，上面两螺栓受到加载作用，而下面两螺栓受到减载作用，故上面的螺栓受力较大，所受的载荷为NFziiLML1877)1414(214105107max2212max故上面的螺栓所受的轴向工作载荷为 F=Fa+Fmax=919+1877=2796 N螺栓联接习题课螺栓联接习题课 在横向力的作用下，底板联接接合面可能产生滑移，根据底板接合面不滑移的条件vshCCCFKFzFfmbm)(0查得接合面间的摩擦系数 f=0.16，并取 ，20.mb

24、bCCC由表5-5801.mbbmbmCCCCCC则，取防滑系数s1.2，则各螺栓所需的预紧力为NFFhCCCfFKzmbmvs65203677801603085214110).()(.上面每个螺栓所受的总拉力为NFFFmbbCCC7079279620652002.螺栓联接习题课螺栓联接习题课FCCCFFmbm10 3.确定螺栓直径 选择螺栓材料为Q235、性能等级为4.6的螺栓，由 查得材料屈服极限b=240MPa，由 查得安全系数 S=1.5，故螺栓材料的许用应力表5-8表5-10 MPaSS1605 . 1240ss因而可求得螺栓危险截面的直径（螺纹小径d1）为 mmdF6 . 8160

25、1416. 370793 . 143 . 1412s 按粗牙普通螺纹标准（GB196-81），选用螺纹公称直径d=12mm（螺纹小径d1=10.106mm8.6mm）。 4.校核螺栓组联接接合面的工作能力 联接接合面下端的挤压力不超过许用值，以防止接合面压碎。因 而有螺栓联接习题课螺栓联接习题课MPacmNFzFWMhCCCApmbm84. 1/6 .184)36778 . 065204()(2)2234(105107)2234(15101max332341215s 由 查得p=0.5B=0.5250=125MPa1.84MPa，故联接接合面下端不致压碎。 表5-6072. 0/44.72)(

26、201minMPacmNFzFWMhCCCApmbms故接合面上端受压最小处不会产生间隙。 联接接合面上端应保持一定的残余预紧力，以防止托架受力时接合面产生间隙，即螺栓联接习题课螺栓联接习题课5.校核螺栓所需的预紧力是否合适对碳素钢螺栓，要求 F0（0.60.7）sA1已知s=240MPa2242141214.80106.10mmdA取预紧力下限即 0.6 sA1 =0.624080.214=11550.8 N要求的预紧力F0=6520N，小于上值，故满足要求。 确定螺栓的公称直径后，螺栓的类型、长度、精度以及相应的螺母、垫圈等结构尺寸，可根据底板厚度、螺栓在立柱上的固定方法及防松装置等全面考

27、虑后定出。螺栓联接习题课螺栓联接习题课QQ例2、设计图示螺纹联接：1. 普通螺栓 2.铰制孔螺栓解： 一）受力分析一）受力分析RTFRFRFRFRFTFTFTFTR=Q/2=10000 NQT=R300=3000000 N.mm螺栓联接习题课螺栓联接习题课R使各螺栓受到横向工作载荷FR：FR=R/4=2500（ N ）T也使各螺栓受到横向工作载荷FT，方向与形心连线垂直。受载最大的螺栓：受拉螺栓：)(NrTrTFiT70714受剪螺栓：)(maxNrTrrTFiT707142相同)(cosNFFFFFTRTR9014135222二）设计计算二）设计计算由预紧力F0产生的摩擦力来传递外载荷F。F

28、kFfs0)(NfFkFs901400（取：ks =1.3、f=0.13）螺栓联接习题课螺栓联接习题课选择螺栓性能等级，计算许用应力 。s.s0314Fdc螺栓直径：d1d横向载荷由螺栓杆与被联件的挤压与剪切传递。受载最大螺栓的横向载荷为：F=9014（N）选择螺栓性能等级，计算许用应力 。螺栓直径：Fd4查手册受拉螺栓：FFF61313310.相同材料螺栓：sd受拉d受剪螺栓联接习题课螺栓联接习题课例3 某承受轴向载荷的螺栓联接。已知单个螺栓所受轴向载荷 F=500N，预紧力F0=500N，螺栓的刚度c1，arctanc1=30， 被联接件的刚度c2，arctanc2=45。 1）绘制此螺栓

29、联接的力变形图，并确定螺栓总拉力F2。 2）若将垫片改为较软的，使arctanc1=60，其他不变，F2=？ 3）比较上述两种情况，判断哪种密闭性好？ 注：此题用图解法求解。1002003004005006007008009001000N变形60304545FF2F1FF2F1F0螺栓联接习题课螺栓联接习题课例4 一钢板采用三个铰制孔螺栓联接,下列三个方案哪个最好?螺栓联接习题课螺栓联接习题课F3F3F3FL L2aFL L2aFmax=F3=FL2aF3+螺栓联接习题课螺栓联接习题课F3F3F3FL L2aFL L2aFmax=F1=F3=222231323aLFaFLF螺栓联接习题课螺栓联

30、接习题课F3F3F3FL L3aFl l3aFL L3aFmax=F2=222313150cos33233aLaLFaFLFaFLF螺栓联接习题课螺栓联接习题课比较：方案一： Fmax=FL2aF3+方案二：Fmax=22313aLF方案三：Fmax=2313aLaLF差谁好？22313aLF2313aLaLF由：a534L=结论：1）当La534时，方案三最好。2）当La534时，方案二最好。螺栓联接习题课螺栓联接习题课例5 指出下列各图中的错误。螺栓联接习题课螺栓联接习题课螺栓组联接的受载类型螺栓组联接的基本受载类型： 2受横向载荷FF4受倾覆力矩OM3受转矩riOT1受轴向载荷FF简答题：连接螺纹能满足自锁条件，为什么还要考虑防松？根据防松原理，防松分哪几类？因为在冲击、振动、变载以及温度变化大时，螺纹副间和支承面间的摩擦力可能在瞬间减小或消失，不再满足自锁条件。这种情况多次重复，就会使联接松动，导致机器不能正常工作或发生严重事故。因此，在设计螺纹联接时，必须考虑防松。根据防松原理，防松类型分为摩擦防松，机械防松，破坏螺纹副关系防松。1.螺纹连接防松，按其防松