机械设计第5章 螺纹连接和螺旋传动

第5章螺纹连接和螺旋传动§5－1螺纹§5－2螺纹连接的类型及标准连接件§5－3螺纹连接的预紧§5－5螺纹连接的强度计算§5－7螺栓的材料和许用应力§5－8提高螺栓连接强度的措施§5－9螺旋传动§5－4螺纹连接的防松§5－6螺栓组连接的设计1整理ppt1、本章主要内容包括两部分：第一部分为螺栓联接的设计，包括螺栓联接的预紧、强度计算、螺栓组结构设计、受力分析及提高联接强度的措施等；第二部分为滑动螺旋传动的设计计算方法。2、本章特点市内容包括螺纹联接和螺旋传动两个部分。前者属于联接，后者属于传动。二者在内容上虽有一定的联系，但在设计要求上却有很大差别。2整理ppt3、本章学习要求：

对于螺纹联接的基本知识，应了解螺纹及螺纹联接件的类型、特性、标准、结构、应用场合及有关的防松方法等，以便在设计时能够正确地选用。

对于螺栓联接设计及强度计算部分，应掌握结构设计原则及强度计算的理论与方法，能正确进行螺栓组的受力分析，能较为合理地设计出可靠的螺栓组联接。对于螺旋传动部分，主要是掌握螺旋传动性能（效率、自锁等）对螺纹选型的要求及主要零件（螺杆、螺母）的设计计算方法，并通过一种基本类型——螺旋起重器的设计，了解滑动螺旋传动的主要设计过程。

重点：

1.各类不同外载荷情况下，螺栓组中各螺栓的受力分析；

2.螺栓联接的强度计算，尤其是承受轴向拉伸载荷的紧螺栓联接的强度计算。难点：承受倾覆力矩的底板螺栓组联接的设计。3整理ppt学习时注意：1、前四节是叙述性内容，对于设计螺栓是必不可少的基本知识，应当结合阅读机械设计手册学习。2、螺纹及螺纹联接件大都已标准化。设计时，对不太重要的螺纹联接一般只需根据不同情况进行选用，不需自行设计。对重要的螺纹联接，设计计算也只是确定螺栓危险截面的直径（螺纹小径），螺栓联接的其它部分尺寸由标准选定。但是，在个别特殊情况下，需要自行设计某种非标准螺纹联接件。3、螺纹联接的设计主要是螺栓组联接的设计。其设计工作包括两部分内容：一是正确进行结构设计，通过受力分析找出受力最大的螺栓；二是按照单个螺栓联接的强度计算公式来设计这个受力最大螺栓的尺寸，其余螺栓则按同样尺寸选用。4整理ppt复习思考题机械联接可分哪两大类？静联接又可分为哪两类？根据什么条件划分？选用它们时应考虑哪些因素？设计联接时，一般应考虑哪些因素？当一个联接中包含多个危险截面或工作面时，为什么要按最薄弱的部位来决定联接的尺寸？在具体的机器上找出几种联接，分析一下为什么要在那个部位采用那种联接，你认为采用哪种联接最为合适？为什么？5整理ppt联接被联接件联接件联接被联接件与联接件的组合北京林业大学专用作者：潘存云教授6整理ppt

联接的类型和应用联接的类型一、不可拆联接破坏联接件或被联接件方能拆卸的联接。铆接、焊接、粘接、过盈配合联接。二、可拆联接无需破坏零件方可拆卸的联接。螺纹联接、键联接、销联接。北京林业大学专用作者：潘存云教授7整理ppt联接件预制孔＋铆钉铆合铆接特点：工艺简单，可靠，耐冲击；笨重，劳动条件差。应用：目前用于桥梁、飞机制造。联接的类型和应用北京林业大学专用作者：潘存云教授8整理ppt被联接件局部熔融＋熔化焊条填充焊缝冷却焊接特点：重量轻，强度高，工艺简单。残存焊接应力。应用：广泛，单件生产周期短，成本低。联接的类型和应用北京林业大学专用作者：潘存云教授9整理ppt粘合剂＋被联接件粘合剂固化粘接特点：重量轻，耐腐蚀，密封好，适用于不同材料。要求有一定粘接面积。应用：应用于金属三十多年历史。联接的类型和应用北京林业大学专用作者：潘存云教授10整理ppt粘接应用例粘接的蜗轮被联接件粘接表面涂胶粘剂，经固化。粘接的管道粘接的管件联接的类型和应用北京林业大学专用作者：潘存云教授11整理ppt被联接件（包容件与被包容件）间存在过盈量，二者装配后产生压力，工作时靠摩擦力传递载荷。过盈配合联接特点：结构简单，定心性好，对轴无削弱，耐冲击性能好。表面精度要求高。过盈量小时用压入法装配，大时用温差法装配。应用：轻载，定心要求高，不能对轴有削弱之场合。过盈量压入法，温差法联接的类型和应用北京林业大学专用作者：潘存云教授12整理ppt螺纹联接被联接件＋螺纹紧固件（拧紧）。联接的类型和应用北京林业大学专用作者：潘存云教授13整理ppt键联接被联接件＋键（定位，传递扭矩）联接的类型和应用北京林业大学专用作者：潘存云教授14整理ppt销联接被联接件＋销（定位，传递不大的载荷）。联接的类型和应用北京林业大学专用作者：潘存云教授15整理ppt潘存云教授研制潘存云教授研制一、螺纹的形成§5－1螺纹d2螺旋线——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。螺纹——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。螺纹16整理ppt按螺纹的牙型分螺纹的分类按螺纹的旋向分按螺旋线的根数分按回转体的内外表面分按螺旋的作用分按母体形状分矩形螺纹三角形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹17整理ppt潘存云教授研制螺纹的牙型矩形螺纹三角形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹15º30º3º30º潘存云教授研制潘存云教授研制18整理ppt潘存云教授研制按螺纹的牙型分螺纹的分类按螺纹的旋向分按螺旋线的根数分按回转体的内外表面分按螺旋的作用分按母体形状分矩形螺纹三角形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹右旋螺纹潘存云教授研制左旋螺纹19整理ppt潘存云教授研制潘存云教授研制按螺纹的牙型分螺纹的分类按螺纹的旋向分按螺旋线的根数分按回转体的内外表面分按螺旋的作用分按母体形状分矩形螺纹三角形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹右旋螺纹左旋螺纹单线螺纹多线螺纹一般:n≤4PSS=2PPSPS=Pn线螺纹:S=n

P单线螺纹多线螺纹20整理ppt按螺纹的牙型分螺纹的分类按螺纹的旋向分按螺旋线的根数分按回转体的内外表面分按螺旋的作用分按母体形状分矩形螺纹三角形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹右旋螺纹左旋螺纹单线螺纹多线螺纹外螺纹内螺纹螺纹副21整理ppt潘存云教授研制潘存云教授研制外螺纹内螺纹潘存云教授研制潘存云教授研制22整理ppt按螺纹的牙型分螺纹的分类按螺纹的旋向分按螺旋线的根数分按回转体的内外表面分按螺旋的作用分按母体形状分矩形螺纹三角形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹右旋螺纹左旋螺纹单线螺纹多线螺纹外螺纹内螺纹连接螺纹传动螺纹螺旋传动23整理ppt连接螺纹传动螺纹潘存云教授研制潘存云教授研制24整理ppt按螺纹的牙型分螺纹的分类按螺纹的旋向分按螺旋线的根数分按回转体的内外表面分按螺旋的作用分按母体形状分矩形螺纹三角形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹右旋螺纹左旋螺纹单线螺纹多线螺纹外螺纹内螺纹连接螺纹传动螺纹圆柱螺纹圆锥螺纹25整理ppt潘存云教授研制圆柱螺纹圆锥螺纹潘存云教授研制潘存云教授研制管螺纹26整理pptψ潘存云教授研制(3)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。βd1d2d(1)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P

相邻两牙在中径线上对应两点间的轴向距离。(5)

导程S(6)

螺纹升角ψ

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

α

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。tanψ=πd2

nP

牙侧角

β

αβψπd2SS=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SPP/2P/2(8)接触高度

h

内外螺纹旋合后，接触面的径向高度。h27整理ppt

普通螺纹以大径d为公称直径，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，其余的统称为细牙螺纹。60˚螺纹的精度等级:A级B级C级公差小，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用于一般连接，最常用粗牙螺纹应用最广。细牙螺纹的优点：升角小、小径大、自锁性好、强度高缺点：不耐磨，易滑扣。应用：薄壁零件、受动载荷的连接和微调机构。Pd粗牙dP细牙dP细牙28整理ppt潘存云教授研制潘存云教授研制梯形螺纹：梯形锯齿形30º3º30º为了减少摩擦和提高效率，这两种螺纹的牙侧角β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:常用于传动。β=15ºβ=3º

粗牙普通螺纹、细牙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）。螺纹的基本尺寸：29整理ppt潘存云教授研制直径与螺距、粗牙普通螺纹基本尺寸mm30.52.6752.459公称直径（大径）粗牙细牙

D

d

螺距P

中径D2d2小径D2d2螺距P

40.73.5453.24250.83.5454.1340.350.5615.3504.91881.257.1886.647101.59.0268.3761.25,10.75121.7510.86310.1061.5,1.250.5(14)212.70111.8351.5,116214.70113.835(18)2.516.37615.294202.518.37617.294(20)2.520.37619.29424322.05220.752(27)325.05223.752303.527.72726.2112,1.5,1注：括号内的公称直径为第二系列H=0.866P

d2=d-0.6495P

d1=d-1.0825PD1、d1——内、外螺纹小径D2、d2——内、外螺纹中径D、d

——内、外螺纹大径P——螺距标记示例：M24(粗牙普通螺纹、直径24、螺距3)M24×1.5(细牙普通螺纹,直径24,螺距1.5)PP/8P/8P/8H/4D

dD2

d2D1

d1P/2P/430˚60˚90˚30整理ppt潘存云教授研制

细牙普通螺纹基本尺寸mm螺距P

中径D2、d2

小径D1、d10.35d-1+0.773d-1+0.6210.5d-1+0.675d-1+0.4590.75d-1+0.513d-1+0.1881d-1+0.35d-2+0.9181.25d-1+0.188d-2+0.6471.5d-1+0.026d-2+0.3762d-2+0.701d-3+0.8353d-2+0.052d-4+0.75231整理ppt潘存云教授研制潘存云教授研制

梯形螺纹基本尺寸mm标记示例：Tr48×8(梯形螺纹，直径48，螺距8)P

h3=H4

ac

第1系列第2系列D2d2

D1

螺距螺纹牙高牙顶间隙公称直径d

中径内螺纹小径

126.50.590、10085、95d-6d-12105.50.540、70、8038、42、65d-5d-1086.50.548、5246、50d-4d-842.250.2516、2018d-2d-452.750.2524、2822、26d-2.5d-562.250.532、3630、34d-3d-6内螺纹外螺纹dPR1R2D1D4H1D2d2d3acac30˚

H4R232整理ppt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dd2d1P用螺纹密封的管螺纹普通细牙螺纹管螺纹非螺纹密封管螺纹（圆柱管壁α=55˚）用螺纹密封管螺纹（圆锥管壁α=55˚）60˚圆锥管螺纹公称直径——管子的公称通径。强调与普通螺纹不同55˚55˚非螺纹密封的管螺纹dd2d1Pφ2φ33整理ppt§5－2螺纹连接的类型及标准连接件一、

螺纹连接的基本类型螺栓连接基本类型eaal1l1可承受横向载荷。螺纹余留长度l1铰制孔用螺栓静载荷l1>=(0.3~0.5)d;变载荷l1>=0.75d;冲击载荷或弯曲载荷l1≥d;铰制孔用螺栓l1≈d;螺纹伸出长度a=(0.2~0.3)d;螺栓轴线到被连接件边缘的距离e=d+(3~6)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孔与螺杆之间留有间隙潘存云教授研制潘存云教授研制34整理ppt潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制一、

螺纹连接的基本类型螺栓连接基本类型螺钉连接座端拧入深度H，当螺孔材料为：aee双头螺柱连接

连接件厚，允许拆装。钢或青铜H=d;铸铁H=(1.25~1.5)d铝合金H=(1.5~2.5)d螺纹孔深度H1=H+(2~2.5)P;钻孔深度H2=H1+(0.5~1)d;参数l1

、e、a与螺栓相同

l1l1HHH1H1H2H2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。§5－2螺纹连接的类型及标准连接件d35整理ppt潘存云教授研制一、

螺纹连接的基本类型螺栓连接基本类型螺钉连接双头螺柱连接紧定螺钉连接紧定螺钉§5－2螺纹连接的类型及标准连接件潘存云教授研制36整理ppt潘存云教授研制潘存云教授研制二、螺纹紧固件螺栓螺纹紧固件螺栓的结构形式LL0d六角头LdL0小六角头37整理pptdL0L1LL1

——座端长度L0

——螺母端长度二、螺纹紧固件螺纹紧固件双头螺柱螺栓38整理ppt二、螺纹紧固件螺纹紧固件末端结构头部结构螺钉、紧定螺钉双头螺柱螺栓39整理ppt潘存云教授研制二、螺纹紧固件螺纹紧固件潘存云教授研制地脚螺栓潘存云教授研制起吊螺钉螺钉、紧定螺钉双头螺柱螺栓专用螺纹连接T型螺栓40整理ppt二、螺纹紧固件螺纹紧固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６０余种不同结构的螺母螺母螺钉、紧定螺钉双头螺柱螺栓专用螺纹连接六角螺母六角扁螺母六角厚螺母潘存云教授研制圆螺母41整理ppt潘存云教授研制其它螺母：42整理ppt潘存云教授研制其它螺母：43整理ppt垫圈平垫圈薄平垫圈A型平垫圈B型平垫圈螺母螺钉、紧定螺钉双头螺柱二、螺纹紧固件螺栓螺纹紧固件斜垫圈弹簧垫圈圆螺母用止动垫圈作用：增加支撑面积以减小压强，避免拧紧螺母擦伤表面、防松。专用螺纹连接44整理ppt§5－3螺纹连接的预紧预紧力：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。预紧的目的：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。预紧力的确定原则：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%。

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：F0≤(0.6~0.7)σsA1合金钢螺栓：F0≤(0.5~0.6)σsA1A1——危险截面积，A1≈πd21/445整理ppt二、

拧紧力矩T1——克服螺纹副相对转动的阻力矩；T2——克服螺母支撑面上的摩擦阻力矩；设预紧力为F0

或预紧力（不受轴向载荷）fc——摩擦因子。无润滑时取fc=0.15Rf——支撑面摩擦半径。rf=(dw+d0)/4简化公式

适用于M10~M60的粗牙螺纹，f’=0.15,fc=0.15,

T≈0.2F0dFa是由连接要求决定的，为了发挥螺栓的工作能力和保证预紧

可靠，应取：总力矩

注意：对于重要的连接，应尽可能采用大于M12的螺栓。Fad0dT46整理ppt测力矩扳手预紧力控制方法: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，预紧力可能在某一瞬时消失，连接仍有可能松动。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。F定力矩扳手通常螺纹连接拧紧是凭工人的经验来决定的，重要螺栓则必须预紧力进行精确控制。(1)凭手感经验(2)测力矩扳手(3)定力矩扳手(4)测定伸长量潘存云教授研制LSLMLS47整理ppt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1.利用附加摩擦力防松弹簧垫圈对顶螺母§5－3螺纹连接的防松防松——防止螺旋副相对转动。48整理ppt开口销与六角开槽螺母串联钢丝2.采用专门防松元件防松圆螺母用止动垫圈潘存云教授研制止动垫圈潘存云教授研制潘存云教授研制49整理ppt冲点防松法3.其它方法防松1~1.5P用冲头冲2至3点粘合法防松涂粘合剂50整理ppt§5－5螺纹连接的强度计算螺栓连接的主要失效形式滑扣

因经常拆装受拉螺栓塑性变形螺纹部分疲劳断裂受剪螺栓剪断压溃螺杆和孔壁的贴合面经常拆卸——轴向变载荷断裂51整理ppt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强度条件式中d1——螺纹小径mm，[σ]——许用应力二、紧螺栓连接强度计算FaFa力除以面积设计公式装配时需要拧紧，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2.承受预紧力和工作拉力的紧螺栓连接3.承受工作剪力的紧螺栓连接装配时不须要拧紧52整理ppt螺栓受轴向拉力F0和摩擦力矩T1的双重作用。拉应力1.仅承受预紧力的紧螺栓连接扭转切应力对于M10~M64的普通钢制螺纹，可取：Tanρ’≈f‘=0.17，d2/d1=1.04~1.08,tanρ’≈0.5得：

τ≈0.5σ分母为抗剪截面系数计算应力由此可见，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。强度条件53整理ppt潘存云教授研制潘存云教授研制当承受横向工作载荷时，预紧力F0导致接合面所产生的摩擦力应大于横向载荷F。C——可靠性系数，常取C=1.1~1.3预紧力F0

f——摩擦系数，对钢与铸铁，取f=0.1~0.15m——结合面数上图m=1,下图m=2若取f=0.15，C=1.2,m=1,

则F0

≥8F→结构尺寸大FFFF/2F/2F0F0F0F054整理ppt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改进措施：

(1)采用键、套筒、销承担横向工作载荷。螺栓仅起连接作用(2)采用无间隙的铰制孔用螺栓。设流体压强为p，螺栓数目为Z，则缸体周围每个螺栓的平均载荷为pπD2/4F

=ZpFF55整理ppt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

预紧状态潘存云教授研制特别注意，轴向载荷：F2≠

F0+F加预紧力后→螺栓受拉伸长λb→被连接件受压缩短λm加载F

后:螺栓总伸长量增加为总拉力为被连接件压缩量减少为

残余预紧力减少为F1

很显然F1<F0被连接件放松了∆λ+λbλm-∆λF0F0受载变形松弛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+F1F1F1FFλmλb∆λ∆λ

F0F056整理ppt潘存云教授研制潘存云教授研制λb∆λ连接件变形力螺栓变形力∆Fb∆Fm螺栓变形力F2F1FF0F0F0λbarctanCbarctanCmλmλm57整理ppt力螺栓变形arctanCb潘存云教授研制——相对刚度系数F=∆Fb+∆Fm=(Cb+Cm

)∆λ

δCb+CmCbF2=F0+FCb+CmCbF1=F0–F

1-F1=F0-∆F=F0

-Cm

∆λ

F2=F0

+∆Fb=F0

+Cb

∆λCb+CmF∆λ=FF2∆FbF0∆λ代入得：表5－4螺栓的相对刚度系数垫片类型金属垫片或无垫片皮革铜皮石棉橡胶0.2~0.30.70.80.9Cb+CmCb∆FmF158整理ppt静强度条件重要场合的螺栓连接，还应进行疲劳强度校核。设计公式当工作拉力在0~F之间变化时，螺栓所受总拉力在F0

~F2之间变化。F2

F0

θm

θbF若不考虑摩擦力矩的影响，有59整理pptDI因为σmin=const,应力工作点M落在ODGI区域内，依据疲劳强度理论有其中σ-1tc——螺栓材料的对称循环拉压疲劳极限。疲劳极限σ-1

σ-1tc10160~220120~150Q215170~220120~16035220~300170~22045250~340190~25040Cr320~440240~340材料Ψσ——材料特性系数碳素钢ψσ

=0.1~0.2合金钢ψσ

=0.3~0.3σminσ-1eσ-1σaσmOCAσSGMM’3Kσ

——综合影响系数S

——安全系数见下页60整理ppt潘存云教授研制螺栓连接的安全系数S

碳素钢5~44~2.52.5~2碳素钢12.5~8.58.58.5~12.5M6~M16M16~M30M30~M60M16~M16M16~M30M30~M60不控制预紧力的计算控制预紧力的计算受载类型静载荷变载荷松螺栓连接1.2~1.7合金钢5.7~55~3.43.4~3合金钢10~6.86.86.8~101.2~1.51.2~1.5(Sa=2.5~4)钢：Sτ=2.5，Sp=1.25钢：Sτ=3.5~5，Sp=1.5铸铁：Sp=2.0~2.5铸铁：Sp=2.5~3铰制孔用螺栓连接受轴向及横向载荷的普通螺栓连接紧螺栓连接61整理ppt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，螺栓杆则受剪切。3．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的剪切强度条件为F——螺栓所受的工作剪力，单位为N；Lmin铰制孔用螺栓FFd0设计时应使Lmin≥1.25d0d0——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。62整理ppt§5－6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，保证连接结合面受力均匀，通常连接接合面的几何形状都设计成一、螺栓组连接的结构设计基本原则：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

圆形

圆环形

矩形

矩形框

三角形63整理ppt潘存云教授研制▲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成排地布置８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连接接合面的边缘，以减少螺栓的受力。64整理ppt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，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，采用抗剪零件来承受横向载荷。潘存云教授研制潘存云教授研制60˚CCEE60˚扳手空间的尺寸见有关标准。AB潘存云教授研制65整理ppt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。t0潘存云教授研制螺栓间距t0工作压力/MPa7d5d

4.54d3.53dt0/mm≤1.61.6~44~1010~1616~2020~30d▲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。同一螺栓组中的螺栓的材料、直径、长度应相同66整理ppt潘存云教授研制支承面倾斜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切削加工支承面支承面倾斜潘存云教授研制67整理ppt二、螺栓组连接的受力分析受力分析的目的:

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:

(1)所有螺栓的材料、直径、长度和预紧力均相同；(3)受载后连接接合面仍保持为平面。受力分析的类型：(2)螺栓组的对称中心与连接接合面的形心重合；受转矩受横向载荷受轴向载荷受倾覆力矩M68整理ppt（1）对于铰制孔用螺栓连接，每个螺栓所受工作剪力为（2）对于普通螺栓连接，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．受横向载荷的螺栓组连接Ks为防滑系数，设计中可取Ks=1.1~1.3。潘存云教授研制铰制孔螺栓F∑F∑F∑F∑潘存云教授研制普通螺栓或69整理ppt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来抵抗转矩T。采用铰制孔用螺栓，是靠螺栓的剪切和螺栓与孔壁的挤压作用来抵抗转矩T。TrmaxFmaxr1fF0fF0r2riFi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剪切力与距离r的比值为常数70整理ppt潘存云教授研制D3．受轴向载荷的螺栓组连接若作用在螺栓组上轴向总载荷FΣ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F2=F1+FpF∑FF71整理ppt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

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。单个螺栓拉力产生的力矩为F1F0

F0

σp

(

F

0引起)F2mσp2(

F1m引起)σp1(

F1引起)LiLmaxOOxxOMMMi=Fi

Li

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。螺栓承受的载荷与距离成正比72整理ppt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Om

力变形Ob

作用在底板两侧的合力矩与倾覆力矩M平衡，即未加倾覆力矩时，工作点在A。∑Mi=0施加倾覆力矩M时，左边的螺栓，工作点移至B1

和C1

右边的螺栓，工作点移至B2

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

求得最大工作载荷A

F0

73整理ppt螺栓的总拉力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[σ]p(MPa)0.8σS(0.4~0.5)σB2.0~3.01.5~2.02.0~4.0直接引用前面的结论74整理ppt§5－7螺栓的材料和许用应力一、螺纹连接件材料螺栓、螺柱、螺钉常用材料：Q215、Q235、35、45等碳素钢；特殊用途(防磁、导电):特殊钢、铜合金、铝合金等。螺栓、螺柱、螺钉的性能等级分为10级。3.64.64.85.6586.88.89.810.912.9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。冲击振动场合用：15Cr、40Cr、30CrMnSi等合金钢。普通垫圈：Q235、15、35弹簧垫圈：

65Mn75整理ppt选用原则：一般用途：通常选用4.8级左右的螺栓，重要场合：要选用高的性能等级，如在压力容器中常采用8.8级的螺栓。螺母的性能等级分为7级。45689101276整理ppt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(静、变载荷)、装配情况(松、紧连接)、材料、结构尺寸有关。许用拉应力许用切应力和挤压应力被连接件为钢被连接件为铸铁Sτ,Sp——安全系数，其取值详见下页表。77整理ppt潘存云教授研制螺栓连接的安全系数S

碳素钢5~44~2.52.5~2碳素钢12.5~8.58.58.5~12.5M6~M16M16~M30M30~M60M16~M16M16~M30M30~M60不控制预紧力的计算控制预紧力的计算受载类型静载荷变载荷松螺栓连接1.2~1.7合金钢5.7~55~3.43.4~3合金钢10~6.86.86.8~101.2~1.51.2~1.5(Sa=2.5~4)钢：Sτ=2.5，Sp=1.25钢：Sτ=3.5~5，Sp=1.5铸铁：Sp=2.0~2.5铸铁：Sp=2.5~3铰制孔用螺栓连接受轴向及横向载荷的普通螺栓连接紧螺栓连接78整理ppt§5－8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：疲劳断裂容易断裂部位：一、降低螺栓总拉伸载荷F2的变化范围轴向工作载荷F的变化范围0~FCb+CmCbF0~F0+F总拉伸载荷的F2变化范围

Cb

↓

或

Cm

↑→F2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。65%20%15%79整理ppt潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制F0

θm

θb措施一：降低螺栓刚度（

C’b<Cb,θ’b

<θb

）措施二：提高被连接件刚度（C’m

>Cm,θ’m

>θm

）

措施三：综合措施（

C’b

<Cb,C’m

>Cm,F’0

>F0

）∆FFF1

F2

F’2F’∆F

θ’m

F’1θ’

bF’0θm

虽然F’=F∆F’<∆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，F’1

=F1∆F’<∆F前两种措施会导致残余预紧力减小，使密封性能降低。为保证可靠工作，可适当增大预紧力。F’2F’

∆F’F’1

θ’b

F0

θm

θb∆FFF1

F2

F’F’1∆F’F0

θb∆FFF1

F2

θm

80整理pptdd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0.8d0.7d采用柔性结构：加弹性元件、或采用柔性螺栓。2.有密封要求时，采用金属薄垫片3.或者采用O形密封圈宜采取措施:因密封采用软垫片将降低被连接件的刚度，这时可采用81整理ppt潘存云教授研制普通螺母二、改善螺纹牙间的载荷分布措施:

采用均载螺母加厚螺母不能提高连接强度！螺栓杆螺母体螺栓杆螺母体螺栓杆FaF5/2F4/2F3/2F2/2F1/2F5/2F4/2F3/2F2/2F1/2潘存云教授研制螺母体螺栓杆FF=F1+F2+F3+F4+F5F1>F2>F3>F4>F510圈以后，螺母牙几乎不承受载荷。螺栓杆F潘存云教授研制螺栓杆F螺母体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。加厚螺母82整理ppt潘存云教授研制10~15˚悬置螺母环槽螺母内斜螺母10~15˚内斜与环槽螺母均载原理相同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。均载元件悬置螺母环槽螺母内斜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；钢丝螺套加工复杂，仅限于用在重要场合或大型连接。83整理ppt潘存云教授研制采用凸台或沉孔结构潘存云教授研制潘存云教授研制三、减小应力集中1.增大过渡圆角2.切制卸载槽r四、避免或减小附加应力3.卸载过渡结构要从结构、制造与装配精度采取措施。潘存云教授研制支承面不平切削加工支承面潘存云教授研制潘存云教授研制84整理ppt五、采用特殊制造工艺冷镦头部、辗压螺纹疲劳强度提高30%比车削表面处理：氰化、氮化也能提高疲劳强度。球面垫圈采用球面垫圈和腰环螺栓可以保证螺栓的装配精度。潘存云教授研制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85整理ppt复习思考题1.常用的螺纹有哪几类？它们各有什么特点？其中哪些已标准化？2.例举常用的螺纹联接零件,螺纹联接有哪几种基本类型？各适用于什么场合？3.螺纹联接为什么要预紧？预紧力的大小如何保证？4.螺纹联接常用的防松方法有哪几种？它们是如何防松的？其可靠性如何？5.在受横向载荷的螺栓组联接中，什么情况下宜采用铰制孔用螺栓？6.什么叫螺栓刚度？什么叫被联接件刚度？7.在受倾覆力矩的螺栓组联接中，地基和螺栓的刚度对载荷的分配有什么影响？8.受拉伸载荷作用的紧螺栓联接中，为什么总载荷不是预紧力和拉伸载荷之和？9.提高螺栓刚度的措施有哪些？这些措施中哪些主要是针对静载荷？哪些主要是针对变载荷？10.为什么有些汽缸盖联接螺栓采用细腰结构的长螺栓？11.螺纹联接的常用材料是什么？对螺栓和螺母的材料有什么要求？86整理ppt已知：支架和底板用2个受拉螺栓连接。支架和底板的材料为HT200、螺栓的材料为Q235，支架重量不计。P=3000N、α＝30°、A＝200mm、B＝50mm、2l＝250mm、H1＝300mm、H2＝200mm、C＝60mm，试设计此螺栓连接。

习题课：螺栓连接设计实例北京林业大学专用作者：潘存云教授87整理ppt分析：此螺栓组采用受拉螺栓、并有轴向工作载荷，设计公式如下：其中受力最大螺栓的总拉力F2、螺栓的许用拉应力[σ]为未知量。[σ]通过查表得到，F2通过受力分析获得。

为计算方便，我们采用后一公式求F2。则首先应求出受力最大螺栓的工作载荷Fmax和预紧力F0。一、螺栓组连接受力分析北京林业大学专用作者：潘存云教授88整理ppt力系简化2.受力最大螺栓工作拉力Fmax北京林业大学专用作者：潘存云教授89整理ppt3、分析可能的失效形式强度不满足在横向载荷R的作用下，支架有向下滑移的可能在轴向载荷Q的和倾覆力矩M的作用下，结合面上部可能离缝；在轴向载荷Q的和倾覆力矩M的作用下，支架或底板下部被压溃。北京林业大学专用作者：潘存云教授90整理ppt4、确定F0＝？（2）不滑移条件（1）不离缝条件北京林业大学专用作者：潘存云教授91整理ppt把相关数据代入①、②式：取F0＝8539N5、计算F2北京林业大学专用作者：潘存云教授92整理ppt二、螺栓参数确定

按粗牙普通螺纹标准，选用螺纹公称直径d=12mm（螺纹小径的=10.106mm〉9.7mm）北京林业大学专用作者：潘存云教授93整理ppt一、螺旋传动的类型和应用调整螺旋静压螺旋类型运动形式有§5－9螺旋传动螺母固定，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：回转运动直线运动，同时传递动力。螺杆转动，螺母移动刀架按用途分传力螺旋传导螺旋滑动螺旋滚动螺旋按摩擦性质分传递动力传递运动,要求精度高调整相对位置应用实例为车床刀架溜板94整理ppt潘存云教授研制潘存云教授研制调整螺旋调整螺旋95整理ppt应用实例

起重设备（千斤顶）锻压机械(压力机)潘存云教授研制潘存云教授研制96整理ppt应用实例

工件夹紧装置(锯床)潘存云教授研制潘存云教授研制97整理ppt应用实例

潘存云教授研制钳工虎钳潘存云教授研制千分尺98整理ppt整体螺母组合螺母剖分螺母螺母结构潘存云教授研制组合螺母潘存云教授研制调整楔快固定螺钉调整螺钉二、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。1.结构潘存云教授研制剖分螺母99整理ppt潘存云教授研制螺旋副材料要求：足够的强度、耐磨性、摩擦因子小2.滑动螺旋的材料螺杆材料:Q257、45、50钢，或T12、40Cr、65Mn螺母材料:ZCuSn10P1、ZCuSn5Pb5Zn5、ZCuAl10Fe3.螺杆-螺母材料滑动速度m/min许用压力/MPa摩擦因子低速18~25≤311~186~127~10>151~2

淬火钢－青铜

钢－青铜

钢－铸铁

钢－钢

6~1210~130.06~0.08

<2.413~18

6~124~7

低速7.5~130.11~0.170.08~0.1

0.12~0.15

滑动螺旋副材料的许用压力[p]及摩擦因子

100整理ppt潘存云教授研制三、滑动螺旋传动的设计计算承受载荷:

转矩、轴向力设计准则：按耐磨损确定直径，选择螺距校核螺杆、螺母强度等。主要失效形式:

螺牙的磨损滑动螺旋副材料的许用应力许用应力/MPa螺旋副材料螺杆钢

[σＳ]/(3~5)螺母青铜

40~6030~40铸铁

45~5540钢

(0.1~0.2)[σ]0.6[σ][σ][σb][τ]注：1)σs

为材料的屈服极限；

2)载荷稳定时，许用应力取大值。101整理ppt对螺旋传动的要求:

强度足够,耐磨,摩擦因子小.螺杆材料:Q257、45、50钢，或T12、40Cr、65Mn螺母材料:ZCuSn10P1、ZCuSn5Pb5Zn5、

ZCuAl10Fe3。失效形式: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]

πd2hzFaFa为轴向力；z为参加接触的螺纹圈数；d2为螺纹中径；h为螺纹的工作高度；[p]为许用压强。速度v<12m/min4~77~1010~13低速，如人力驱动等10~1815~25-----

螺旋副的许用压强许用压强配对材料钢对铸铁钢对青铜淬火钢对青铜102整理ppt潘存云教授研制螺杆α许用压强螺母设计方法和步骤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：令φ=H/d2

，又因为h=0.5P－矩形、梯形螺纹的工作高度

h=0.75P－锯齿形螺纹的工作高度。代入上式得螺纹中径的计算公式：校核公式：p=πd2huFF——轴向力；=≤[p]