机械设计 第九版 螺纹连接

1、第二篇第二篇 连接连接连连接接机械机械动连接动连接运动副机械机械静连接静连接 可拆连接不可拆连接螺纹连接螺纹连接键、花键、销连接键、花键、销连接无键连接铆接焊接胶接过盈连接% 连接的基本类型连接的基本类型第五章第五章 螺纹连接和螺纹连接和螺旋传动螺旋传动第六章第六章 键、花键、无键和销连接键、花键、无键和销连接第七章第七章 铆接、焊接、胶接和过盈连接铆接、焊接、胶接和过盈连接基本要求：基本要求：1.了解连接的基本分类；2.掌握螺纹连接的主要类型；3.了解螺栓拧紧时连接中各零件的受力及螺栓的防松原 理、装置和方法；4.掌握单个螺栓的受力分析及强度计算；5.了解提高螺栓连接强度的措施；6.了解花键

2、连接、销连接的基本概念；7.掌握平键的类型、结构特点、尺寸选择及强度计算。Pd2一一. . 螺纹的形成螺纹的形成用于连接用于传动单单线线螺螺纹纹Sd2多多线线螺螺纹纹 5 1 5 1 螺螺 纹纹第五章 螺纹连接二二. 螺纹的基本参数：螺纹的基本参数：牙形角牙形角： 螺纹轴向截面内，螺纹牙型两侧边的夹角。牙形斜角牙形斜角 ： 牙型侧边与垂直螺纹轴线的平面间的夹角。对 于对称牙型 =/2。螺纹升角螺纹升角：中径圆柱上，螺旋线切线与垂直螺纹轴线的平 面间的夹角。tan=nP/(d2)接触高度接触高度h： 内外螺纹旋合后接触面的径向高度。h大径大径d：（公称直径）小径小径d1：（强度计算用）中径中径d

3、2：（分析效率时用）螺距螺距P：相邻两牙在中径线上对应点间的轴向距离。导程导程S：同一螺旋线上相邻两牙在中径线上对应点间的轴向距离。S=nP三三. . 螺纹的分类：螺纹的分类：1）按牙形分：）按牙形分：2）按螺旋线数分：）按螺旋线数分：单线、多线 （一般不超过4线），线数越 多，导程越大。单线用于连 接，多线用于传动。3 3）按旋向分：）按旋向分：右旋、左旋。一般用右旋。4 4）按内、外螺纹分：）按内、外螺纹分：二者旋合组成螺旋副(螺纹副)5）按母体的形状分：）按母体的形状分：圆柱螺纹、圆锥螺纹6 6）按采取标准制度的不同：）按采取标准制度的不同：公制、英制注：注：除了矩形螺纹外，其它螺纹都已

4、标除了矩形螺纹外，其它螺纹都已标 准化，设计时应按国家标准选取。准化，设计时应按国家标准选取。机械制造常用螺纹：机械制造常用螺纹：常用螺纹（ 按牙形分）三角螺纹三角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圆螺纹普通螺纹普通螺纹管螺纹管螺纹粗牙螺纹粗牙螺纹细牙螺纹细牙螺纹非螺纹密封非螺纹密封螺纹密封螺纹密封米制锥螺纹米制锥螺纹用于传动用于传动四四. . 常用螺纹的特点及应用：常用螺纹的特点及应用：1. 普通螺纹：普通螺纹： 是牙型角=60的三角形米制螺纹，大径d为其公称直径。同一公称直径可以有多种螺距，其中螺距最大的称为粗牙螺纹，其余的均称为细牙螺纹。细牙螺纹因螺距小，升角小，因

5、此自锁性好、强度高，但不耐磨、易滑扣。细牙螺纹用于薄壁零件以及受振动载荷的连接、微调机构中。2. 管螺纹：管螺纹：基准直径为管子的外螺纹大径，牙型角=55（60） ，旋合后无径向间隙。 3. 用于传动的螺纹：用于传动的螺纹： 5-2 5-2 螺纹连接的类型和标准连接件螺纹连接的类型和标准连接件（一）螺纹连接的基本类型（一）螺纹连接的基本类型1. 螺栓连接：螺栓连接：（1）普通螺栓连接（2）铰制孔用螺栓连接螺栓连接螺栓连接、螺钉连接螺钉连接、双头螺柱连接、紧定螺钉连接双头螺柱连接、紧定螺钉连接。被连接件的孔不用加工螺纹，装拆方便，用于经常拆装的场合。2. 双头螺柱连接：双头螺柱连接： 用于被连接

6、件之一比较厚，需经常拆装的情况。3. 螺钉连接：螺钉连接： 被连接件之一需加工螺纹孔，省去了螺母，结构简单，用于不宜经常拆装的场合。4. 紧定螺钉连接：紧定螺钉连接： 用于固定两零件的相对位置，并传递不大的力或力矩。地脚螺栓地脚螺栓吊环螺栓吊环螺栓T T形槽螺栓形槽螺栓其它连接形其它连接形式式（二）标准螺纹连接件（二）标准螺纹连接件1.1.螺栓螺栓 螺栓的形状较多，用途也很广泛。如右图所示为各种不同形式的螺栓。螺栓连接也可以用于螺钉连接中。2.2.双头螺柱双头螺柱3.3.螺钉、紧定螺钉螺钉、紧定螺钉 螺钉的头部和端部有多种形式，以适应不同场合的需要。4.4.螺母螺母 普通用的螺纹连接件，按制造

7、精度分粗制、精制两类。前者多用于建筑、木结构及其它次要场合，精制的广泛用于机器设备中。5.5.垫圈垫圈 螺纹连接件分三个精度等级：A、B、C（高低）， C级最常用。精度等级要配套使用。6.6.自攻螺钉自攻螺钉 5-3 5-3 螺纹连接的预紧螺纹连接的预紧一一. 螺纹连接的预紧螺纹连接的预紧 在装配时，螺纹连接都必须预紧。对于重要的螺纹连接，还应控制其预紧力的大小。1.预紧力：预紧力：2.拧紧的目的：拧紧的目的：使连接在承受工作载荷之前预先受到力的作用，这个力称为预紧力预紧力。 预紧力不能太大，否则易过载拉断，因此，要保证所需预紧力大小又不使连接件过载。1）增加连接的可靠性；2）增加连接的刚性；

8、3）防松；4）受横向载荷作用时，增大摩擦力，防止相对滑动；5）增大疲劳强度。3.3.拧紧力矩拧紧力矩T=T1+T2001）螺旋副间的摩擦力矩）螺旋副间的摩擦力矩T1：设F0为螺栓所受的预紧力，则：)tan(0vFF)tan(222021vdFdFT2）螺母与支撑面间的摩擦力矩：）螺母与支撑面间的摩擦力矩：202030300231dDdDFfTc2020303002031tan2dDdDFfdFTcv拧紧力矩拧紧力矩: :T 0.2F0 d Nmm对于M10 M64的普通螺纹， fc=0.15， ，f 为螺旋副间的摩擦系数,无润滑时 f=0.10.2，则：dDdddd1 .1,1 .1,9 .0

9、002fv155. 1tan,232411标准扳手长度L15d,若拧紧力为F，则TFL，F075F，易使M12的螺栓过载拧断。重要连接应尽可能使用重要连接应尽可能使用M12M12的螺栓。的螺栓。为使连接有足够的预紧力又不使螺栓拧断，预紧力可按屈服极限取： 碳素钢螺栓碳素钢螺栓F0（0.6 0.7）SA1 合金钢螺栓合金钢螺栓F0（0.5 0.6）SA1 对M12以下的螺栓，应注意控制预紧力，以防过载拉断。测力矩扳手定力矩扳手4.控制预紧力的方法：控制预紧力的方法：1）控制拧紧力矩；）控制拧紧力矩；b.定力矩板手；2）测量螺栓的伸长量；）测量螺栓的伸长量；a.测力矩板手；3）螺母转角法。）螺母转

10、角法。 一般的单线三角形螺纹=14232，而v=6.510.5，满足自锁条件自锁条件 v。加之螺栓头、螺母和支撑面间的摩擦力起到防松作用。 因此，在静载与常温下，螺纹连接不会松脱。 在冲击、振动、变载荷作用下，螺旋副间的摩擦阻力极不稳定，在某一瞬间会急剧减少以致消失，失去自锁能力，连接就可能松脱；螺栓在高温、温度变化较大的情况下工作，材料发生蠕变和应力松弛，也会使预紧力和摩擦力逐渐减少，最终导致连接失效。1.1.防松的根本原理：防松的根本原理：防止螺旋副的相对转动防止螺旋副的相对转动。2.2.防松的方法：防松的方法： 摩擦防松：摩擦防松： 摩擦防松简单方便，不如以下两种方法可靠。 机械防松：机

11、械防松： 机械防松可靠，可和摩擦防松联合使用。用于不可拆卸连接。这种方法是将螺旋副变成非运动副，从而排除了相对运动的可能性。 永久防松：永久防松： 5-4 5-4 螺纹连接的防松螺纹连接的防松1 1）摩擦防松）摩擦防松 弹簧垫圈防松弹簧垫圈防松 自锁螺母防松自锁螺母防松对顶螺母防松对顶螺母防松0F0F00FF0F0F螺栓装配图开槽螺母开口销2 2）机械防松）机械防松止动垫片防松止动垫片防松串联钢丝防松串联钢丝防松3 3）永久防松）永久防松正确错误 5-5 5-5 螺栓组连接的设计螺栓组连接的设计（一）螺栓组连接的结构设计（一）螺栓组连接的结构设计1.1.被连接件应为轴对称简单形状；2.2.根据

12、载荷,合理布置螺栓位置： 受力矩作用时应适当远离对称轴；避免偏心承载；3.3.受横向力的螺栓组受力方向不超过8个；分布在同一圆周上的螺栓数目应取偶数；4.4.同一螺栓组紧固件形状、尺寸、材料应尽量一致；5.5.布置螺栓应留有合理的间距、边距，方便装配。 扳手空间尺寸，查标准； 压力容器螺栓间距见P74表5-4。 螺栓组连接设计计算的一般步骤：螺栓组连接设计计算的一般步骤： 螺栓组受力和失效分析 找出受力最大的螺栓； 单个螺栓受力和失效分析 单个螺栓强度计算； 确定螺栓的尺寸（直径、长度）。注意：螺栓组和单个螺栓的失效有联系又有区别。注意：螺栓组和单个螺栓的失效有联系又有区别。 （二）螺栓组连接

13、的受力分析（二）螺栓组连接的受力分析两种情况的工作原理不同！两种情况的工作原理不同！% 普通螺栓连接% 铰制孔用螺栓连接1. 受横向载荷的螺栓组连接受横向载荷的螺栓组连接fziFKFFKzifFss00或受力平衡条件：单个螺栓受力单个螺栓受力0F3 . 11 . 15567s防滑系数，取接合面数目；表，接合面间的摩擦系数KiPf螺栓组受力螺栓组受力F1）普通螺栓组连接单个螺栓受力单个螺栓受力zFF螺栓组受力螺栓组受力F2）铰制孔用螺栓连接2. 2. 受转矩的螺栓组连接受转矩的螺栓组连接TKfrFfrFfrFzs02010 力矩平衡条件：)(210zsrrrfTKF （1 1）普通螺栓连接）普通

14、螺栓连接ir0fF0fFziisrfTK1iriFmaxFmaxr（2 2）铰制孔用螺栓连接）铰制孔用螺栓连接TrFzi1ii力矩平衡：zirTrF12imaxmax受力最大螺栓：变形量越大,则工作剪力越大 iirFrFmaxmaximaxmaxirrFF 然后校核受力最大螺栓的挤压与剪切强度。iiirFF03.3.受轴向载荷的螺栓组连接受轴向载荷的螺栓组连接单个螺栓的受力：预紧力 F0zFF%工作力 总拉力 0FF 4.4.受倾覆力矩的螺栓组连接受倾覆力矩的螺栓组连接% 假定底板为刚体，倾覆假定底板为刚体，倾覆力矩作用在螺栓组连接的形力矩作用在螺栓组连接的形心心, ,受载后绕受载后绕O-OO

15、-O转动仍保转动仍保持平面持平面% 在在M M的作用下，左侧螺栓的作用下，左侧螺栓拉力增大；右侧螺栓拉力减拉力增大；右侧螺栓拉力减小而地面压力增大小而地面压力增大失效分析：失效分析： 1.1.螺栓拉断；螺栓拉断； 2.2.底板左侧出现间隙；底板左侧出现间隙； 3.3.底板右侧压溃。底板右侧压溃。 % 螺栓所受的工作拉力螺栓所受的工作拉力iLmaxLmaxFiFmaxmaxZZLFLFLFLF2211%变形条件变形条件imaxmaxiLLFF螺栓所受的螺栓所受的工作拉力与工作拉力与距离成正比距离成正比2FmF2在翻转力矩作用下，接合面挤压应力分布图受翻转力矩前，接合面挤压应力分布图F0%底板受力

16、分析底板受力分析1B1C2F1FF2C2BmF1mF2mF单个螺栓单个螺栓地基受力变形图地基受力变形图F F1 1引起引起F F1 1m m引起引起zLFM1iii力矩平衡：螺栓与地基对底板的共同作用螺栓与地基对底板的共同作用( (左、右侧左、右侧) )下下zLLMF1i2imaxmax受力最大螺栓：maxF最大工作载荷最大工作载荷验算接合面的强度计算验算接合面的强度计算0maxminppp左侧不出现间隙：左侧不出现间隙：pmaxpppmax右侧不压溃：右侧不压溃：AzFp0mbmmaxpCCCWMWM00minWMAzFpppWMAzF0max%小结：小结：1.在实际工作中，螺栓所受的工作载

17、荷往往是以上四种简单形式的不同组合，但不论受力多复杂，都可以将复杂状态简化成以上四种简单的受力状况，先分别求 螺栓的工作载荷，然后向量迭加，就可求出螺栓所受的总载荷；横向荷载横向荷载+轴向载荷轴向载荷+翻转力矩翻转力矩横向载荷横向载荷+旋转力矩旋转力矩2.虽然前面讲了螺栓的四种不同外载（横向、转矩、轴 向、倾覆力矩），但对单个螺栓而言，受力只有两种： 拉力、剪力；3.为了保证螺栓连接的可靠性,还要考虑综合条件，如不出现间隙、不压溃等。1.1.在轴向载荷作用下，螺栓杆或螺纹部分发生塑性变形或 拉断； 5-6 5-6 螺栓连接的强度计算螺栓连接的强度计算一一. . 螺栓连接的失效形式：螺栓连接的失

18、效形式： 受力分析时可分为：v普通螺栓连接：普通螺栓连接： 松螺栓连接松螺栓连接 紧螺栓连接紧螺栓连接v铰制孔用螺栓连接铰制孔用螺栓连接仅受预紧力作用的螺栓受预紧力和工作载荷作用的螺栓螺纹连接的失效往往是由于螺栓的失效而引起。对单个螺栓来说，受力的形式不外乎是轴向力轴向力或横向力横向力。2.2.在横向载荷作用下，铰制孔螺栓连接的失效形式是：螺 栓杆和孔壁的贴合上出现压溃或螺栓杆被剪断；3.3.螺纹牙的磨损。% 螺栓连接大多工作之前应螺栓连接大多工作之前应 预紧，称为紧螺栓连接预紧，称为紧螺栓连接设计准则：设计准则：对受拉螺栓：对受拉螺栓：保证螺栓的静力或疲劳强度。二二. 螺栓连接的强度计算：螺

19、栓连接的强度计算：对受剪螺栓：对受剪螺栓：保证螺栓的挤压强度和螺栓的 剪切强度剪切强度。1. 松螺栓连接的强度计算松螺栓连接的强度计算MPa421dFmm4F1d)mm(1d按标准取d1F F2. 紧螺栓连接的强度计算紧螺栓连接的强度计算1）仅受预紧力的紧螺栓连接）仅受预紧力的紧螺栓连接这种螺栓在预紧力F0和螺旋副的摩擦力矩T1共同作用下。2104dF拉应力4/tan216/2/tan210123120dFddddFvv剪应力对M10M64的普通钢制螺栓，取tanv0.17，tan0.05，d2/d1=1.041.085 . 0得：3 . 15 . 0332222ca MPa4/3 .1210

20、dFca强度条件根据第四强度理论：根据第四强度理论：0F0F0F0F 承受横向载荷作用的普通螺栓连接承受横向载荷作用的普通螺栓连接不滑移条件：ifFKFs0当f=0.15, K s=1.2, i=1时，F0=8F，螺栓的可能尺寸较大。FKifFs0 可用减载零件来承受横向力，此时螺栓只起连接作用，不承载，强度计算按减载零件计算。 1012103 . 144/3 . 1dFddFca或拉伸强度条件2 2）受轴向工作拉力的紧螺栓）受轴向工作拉力的紧螺栓 图示汽缸盖螺栓在汽缸工作前先要拧紧，因此螺栓受到预紧力F0的作用，汽缸工作时，螺栓还要受到由汽缸内部工作压力引起的工作载荷F的作用。F2=F0+F

21、 m b b+ mFF螺母未拧紧螺母已拧紧承受工作载荷预紧力变化：0F0F1（残余预紧力）（残余预紧力）被连接件总压缩量mm螺栓总伸长量：b螺栓总拉力：F2=F+F1bbbFCtan0mmmFCtan0由于螺栓和被连接件都是弹性体，满足虎克定律，因此bF0mF0 bm被连接件变形Om螺栓力变形ObbF0 b力变形ObF2F1FFmbmmmOm被连接件总压缩量mm螺栓总伸长量：b当螺栓工作拉力为F时，设螺栓总拉力为F2螺栓总拉力：F2=F+F1mCFF)(10FFFFbCF mbCCFFFFCCCFmbb或残余预紧力FCCCFFFFFmbb)1 ()(110FCCCFmbm1FCCCFFFFmb

22、b002螺栓总拉力：螺栓相对刚度4/3 . 1212cadF0.90.80.70.2 0.3橡胶垫片铜皮或石棉垫片皮革垫片金属垫片或无垫片垫片类型mbbCCCmbmmbbCCCFFCCCFFFFFF00011)( 为了保证连接的紧密性，防止连接受载后结合面间产生缝为了保证连接的紧密性，防止连接受载后结合面间产生缝隙，应使隙，应使F10。推荐：。推荐：（2）对于一般连接，工作载荷稳定时，FF6 . 02 . 01FF0 . 16 . 01（3）工作载荷不稳定时，（4）对于地脚螺栓连接，FF 1（1）对于有密封性要求的连接，FF8 . 15 . 11设计步骤：确定设计步骤：确定F-选取F1-计算总

23、拉力F2-计算F0-强度计算bF0力变形ObF2F1FFmOm当工作拉力为：当工作拉力为：0 0F则螺栓总拉力为：F0F2 受剪螺栓连接如图所示。可能失效形式有：螺栓杆剪断螺栓杆剪断，螺栓杆和孔壁两者中的弱者被挤坏挤坏。a. 螺栓杆孔壁表面间的压力分布均匀；b. 因F0很小，忽略了F0与T1的影响。挤压强度：挤压强度：ppLdFmin0剪切强度计算：剪切强度计算： 4/20dF3. 承受工作剪力的紧螺栓连接承受工作剪力的紧螺栓连接%假设：假设：孔壁螺栓ppp,min 5-7 5-7 螺纹连接件的材料及许用应力螺纹连接件的材料及许用应力连接件常用材料连接件常用材料：碳素钢 Q215、10、Q23

24、5、35、45等 合金钢 15Cr、40Cr、30CrMnSi等普通垫圈的材料普通垫圈的材料Q235、15、35弹簧垫圈的材料弹簧垫圈的材料65MnP86表5-8 螺栓连接的性能等级。分为10级， 小数点前为B/100，小数点后为10S/B 。P86表5-9 螺母的性能等级。 分为7级，数字表示min/100。许用拉应力许用切应力许用挤压应力SSSS钢铸铁PSPSPBPS 5-8 5-8 提高螺栓连接强度的措施提高螺栓连接强度的措施 一一. . 改善螺纹牙的受力不均改善螺纹牙的受力不均: :变形不谐调是螺纹牙受力不均的根本原因。二二. . 减少应力集中减少应力集中: : 对螺纹来讲，形状突变是

25、产生应力集中的主要原因。三三. 减小附加应力减小附加应力: : 偏心拉伸对螺栓十分不利。四四. .采用强化措施：采用强化措施：氮化、氰化、喷丸等处理。强化的本质是产生预压应力。经强化的螺栓耐腐性能都会下降。bF0力变形ObF2F1FFmOm当工作拉力为当工作拉力为0 0F，则螺栓总拉力F2为：五五. .降低应力幅：降低应力幅：应力幅变化过大是疲劳断裂的根本原因。)(00mbbCCCFFFmbbCCCFF应力幅为应力幅为保持F0和F不变,则可减小Cb或增大Cm。FF2F1FF2F1：bC：mC- - - 例例 题题 - - - 例例1 1：一钢制液压缸有关尺寸如图示，一钢制液压缸有关尺寸如图示，

26、油压油压 P=3N/mmP=3N/mm2 2，为保证密封性，为保证密封性要求，螺栓间距要求，螺栓间距L L不得大于不得大于4.54.5倍螺栓公称直径，试设计该螺倍螺栓公称直径，试设计该螺栓连接（确定螺柱直径、个数栓连接（确定螺柱直径、个数及分布圆直径及分布圆直径D D0 0）。）。解：解：1 1、求螺栓总拉力、求螺栓总拉力 显然，F不变，螺栓直径大则数目Z小；反之Z大则螺栓直径小。因此Z取值不同本题可有多解。考虑到油缸是压力容器，有紧密性要求，故Z应适当大些。另外，数目Z最好是偶数，而且要便于分度。综上：取Z=12NDF60288P412NZFF5024螺栓工作拉力为：螺栓工作拉力为：FF8

27、. 11取螺栓总拉力为：螺栓总拉力为：NFFFF2 .140678 . 212mm066.121602 .140672 . 53 . 1421Fd由强度条件得：由强度条件得：用4.6级的Q235螺栓，拧紧时控制预紧力，取S=1.5，于是（P86表5-8、P87表5-10）aMP1605 .1240Ss2 2、求螺柱直径、求螺柱直径: : 查手册，取M16即可（其d1=13.83512.066）。3 3、确定螺栓分布圆直径、确定螺栓分布圆直径D D0 0：mmdDD2005 . 20暂定临界许用值为(P73表5-5）mmd725 . 4t0螺栓间距为：mmZD76.51180sinto00因此，

28、最终取分布圆直径D0=200mm注：注：根据题意，本题确定Z=12，d=16，D0=200mm后就算解毕，但对于有密封性要求的螺栓连接，一般应确定必须的预紧力。现确定如下： 由结构示意图知，缸盖与缸体间无软垫片，查手册或教材（P84)可得相对刚度为：25.0mbbCCCNFCCCFFmbb2 .1281120于是预紧力为：NF130000最终取预紧力为：例例2.2.图示支架用图示支架用6 6个螺栓连接在砖墙上。已知砖墙为水泥砂浆个螺栓连接在砖墙上。已知砖墙为水泥砂浆缝缝, ,载荷载荷Q=10KN,Q=10KN,螺栓材料螺栓材料Q235,Q235,强度级别强度级别4.64.6级级, ,支架底板与

29、砖支架底板与砖墙间摩擦系数墙间摩擦系数f f=0.3=0.3，底板材料为，底板材料为ZG270-500ZG270-500，试设计该螺栓，试设计该螺栓连接。连接。)1.0(mbbCCC在倾覆力矩M和水平力RH作用下上侧螺栓不被拉断；在铅垂力RV作用下底板不下滑；底板上侧与砖墙不能有间隙；底板下侧或砖墙不能被压溃。考虑到便于安装和制造，采用普通受拉螺栓为好。%分析：分析：支架正常工作的条件是：解：解： 1.1.螺栓受力分析螺栓受力分析NQQRvv866030cosNQQRHH500030sinmNm8QQMHv0051562004802.2.由不下滑条件确定螺栓予紧力：由不下滑条件确定螺栓予紧力： 设螺栓予紧力为F0，在螺栓轴向载荷FH /6作用上以后，底板与墙体间残余予紧力F1产生的摩擦力总和应大于 RV，而力矩M不会影响下滑。即有：VsmbHmRKfCCRCFfF)6(6011 . 1sK取NCCRCfRKFmbHmVs6042650009 . 03 . 0686601 . 1)(660载荷对螺栓组连接的作用可用RH、Rv及M的联合作用来代替，2002002.2.由下侧不被压溃、上侧不出现间隙条件确定