第四章螺纹连接及螺栓连接 机械设计第八版课件(高等教育出版社)

第四章螺纹联接与螺旋传动§4-1螺纹§4-2螺纹联接§4-3单个螺栓联接的强度计算§4-6螺旋传动§4-5提高螺栓联接强度的措施§4-4螺栓组联接受力分析与计算

联接综述

主讲：胡昌军联接综述联接综述由于使用、结构、制造、装配、运输等方面的原因，机器中很多零件需要彼此联接。机械零件之间的联接分为：被联接件之间相互完全固定。被联接件之间能产生一定的相对运动。例如：运动副。静联接：动联接：本课程介绍的联接主要是静联接。联接的类型：螺纹联接键联接、花键联接、销联接弹性环联接等铆接焊接粘接联接可拆联接不可拆联接过盈联接（介于两者之间）§4-1螺纹§4-1螺纹一、螺纹的主要参数大径d

－－是螺纹的公称直径。小径d1－－常用于强度计算。中径d2－－常用于几何计算。螺距P

－－相邻两螺纹牙上对应点间的轴向距离。导程Ph－－沿螺纹上同一条螺旋线转一周所移动的轴向距离，Ph

=nP。线数n

－－螺纹的螺旋线数目。牙型角a－－在轴向截面内，螺纹牙型两侧边的夹角。牙型斜角β－－在轴向截面内，螺纹牙型一侧边与螺纹轴线的垂线之的夹角。螺纹升角y－－螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面间的夹角。螺纹的类型螺纹二、螺纹的类型螺纹外螺纹内螺纹圆柱螺纹圆锥螺纹左旋右旋常用右旋效率较高，主要用于螺旋传动此外还有管螺纹：主要用于管路的联接。按牙型分为普通螺纹：矩形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹（详见表4－1）效率低，易自锁，多用于联接。详细介绍螺纹升角斜面摩擦分析使滑块等速运动所需要的水平力等速上升：平衡条件：驱动力：等速下滑：平衡条件：维持力：自锁条件：当yr时，F0，滑块不能在重力作用下自行下滑。结论：当yr时，滑块自锁。Y-斜面倾角，r=arctanf—摩擦角yyFFaFRy+r

v12FaFFnfFnv12FFay–rFRFRFaFFnfFnrFRr螺纹矩形螺纹（β=0）螺旋副（螺母与螺杆）的相对运动滑块沿斜面运动假设：1)载荷分布在中线上;2)单面产生摩擦力螺旋升角Fad2dd1ys=npv12rFRnnFFay拧紧力拧紧力矩防松力防松力矩自锁条件yr效率η＝有效功／输入功＝Ｆa·Ｓ／（Ｆπｄ2）螺纹槽面摩擦力分析：摩擦力：当量摩擦角：12Fn’2ρ’Fn’结论：槽面的摩擦力大于平面的摩擦力1111Fv121FRFn’F21Fn’Fn/2Fn/2Fn/2Fn/2螺纹§4-2螺纹联接§4-2螺纹联接一、螺纹联接的基本类型受拉螺栓联接（普通螺栓联接）受剪螺栓联接（铰制孔用螺栓联接）1）螺栓联接2）双头螺柱联接3）螺钉联接4）紧定螺钉联接（详见表4－2）详细说明螺栓、螺柱、螺钉、螺母等称为螺纹联接件。在机械制造中常用螺纹联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。受拉螺栓受剪螺栓双头螺柱联接螺钉联接紧定螺钉联接螺纹联接的拧紧螺纹联接二、螺纹联接的拧紧大多数螺纹联接在装配时就已经拧紧，称之为预紧。预紧使联接中的零件所受的力称为预紧力，用

F′表示

。预紧的目的：增大联接的刚性；提高紧密性；防松。预紧力的控制：

通常，通过控制拧紧力矩M

来控制预紧力。1.拧紧力矩和预紧力螺纹间摩擦力矩T1支承面处与螺母间摩擦力矩T2拧紧力矩T：T=T1+T2其中：所需拧紧力矩：注意：对于重要的联接，尽可能不采用直径过小(＜M12)的螺栓。可采用测力矩扳手或定力矩扳手控制拧紧力矩。对于重要的螺栓联接，也可以通过控制螺栓的伸长量来控制预紧力。对于M10~M68的粗牙螺纹，副间无润滑取fc=0.15，tanρ’=0.15一般预紧应力为材料屈服极限的50%----70%螺纹联接的防松螺纹联接三、螺纹联接的防松螺纹联接一般都能满足自锁条件不会自动松脱。但在冲击、振动或变载荷作用下，或在温度变化较大时，螺纹联接可能会产生松脱现象。防松的本质在于防止螺旋副相对转动。按工作原理的不同，防松方法分三类：（详见表4－3）摩擦防松机械防松永久止动详细说明双螺母弹簧垫圈开缝螺母尼龙锁紧螺母锁紧螺母紧定螺钉摩擦防松机械防松开口销止动垫圈金属丝防松焊、铆冲点粘合永久止动螺纹联接螺纹联接的防松2§4-3单个螺栓联接的强度§4-3单个螺栓联接的强度计算本节以螺栓联接为代表，讨论强度计算问题，其方法和结论也适用于其他形式的螺纹联接。螺栓联接强度计算的目的是：确定防止失效所需的螺栓直径。联接的强度计算内容，根据其可能的失效形式而定。螺纹联接的受载形式基本分为：采用受拉螺栓可用受剪螺栓，也可用受拉螺栓。轴向载荷（沿轴线方向）：横向载荷（⊥轴线方向）：下面按螺栓类型和受载形式的不同，分别讨论其强度计算方法。受剪螺栓的强度2）挤压强度条件为：1）螺栓杆的剪切强度条件为：式中：Fs－螺栓所受的工作剪力（N）；

ds－螺栓剪切面的直径（mm）；

m－螺栓受剪面数；－螺栓的许用切应力，见表4－9。单个螺栓联接的强度计算式中：h－计算对象（即最小者）的挤压面高度（mm）；－计算对象的许用挤压应力（Mpa)，见表4－9。一、受剪螺栓联接的强度计算失效形式为：1）螺栓被剪断；2）孔壁被压溃受拉螺栓的强度单个螺栓联接的强度计算二、受拉螺栓联接的强度计算受拉螺栓联接松联接：不预紧的。紧联接：预紧的。1.松螺栓联接的强度计算工作中，松螺栓只受工作拉力

F

。

强度条件为：设计式为：≥式中：d1－螺纹小径（mm）；实例主要失效形式：螺纹部分的塑性变形。螺杆的疲劳断裂。－螺栓的许用拉应力（Mpa)。仅受预紧力的螺栓联接单个螺栓联接的强度计算2.紧螺栓联接的强度计算1）仅受预紧力F′的紧螺栓联接这种联接在拧紧的瞬间最危险，此时：F′引起的拉应力：此外，还有拧紧力矩M

引起的切应力。经分析推导可知：按第四强度理论计算当量应力，则承受轴向载荷的紧螺栓联接强度条件为：单个螺栓联接的强度计算设计式为：2）承受轴向载荷的紧螺栓联接如右图所示的气缸盖上的联接即属此种类型。虽然，这种螺栓是在受预紧力F′的基础上，又受工作拉力F。但是，螺栓的总拉力

。为什么？承受轴向载荷的紧螺栓2预紧时受工作载荷后F″－剩余预紧力螺栓：被联接件：螺栓的总拉力为：单个螺栓联接的强度计算bFdµ¢承受轴向载荷的紧螺栓3可用载荷变形图分析各力之间的关系。螺栓的刚度：Cb被联接件的刚度：Cm力变形力变形力变形则螺栓的总拉力

或写成：受力变形动画单个螺栓联接的强度计算承受轴向载荷的紧螺栓4单个螺栓联接的强度计算令，称为螺栓的相对刚度，其值见表4－4。为保证联接的紧密性，应使F″

＞0。通常根据工作拉力F的性质确定F″。（见教材P72）设计中，根据F确定F″计算满足F″所需的F′计算总拉力计算螺栓的强度。a)静强度计算（F不变化时）强度条件为：≤注：式中“1.3”

考虑的是工作中可能的补充拧紧引起的切应力的影响。设计式为：≥螺栓的疲劳强度计算b)疲劳强度计算（F变化时）当工作拉力在0～F之间变化时，螺栓的总拉力在～之间变化。则螺栓的应力幅强度条件≤许用应力幅单个螺栓联接的强度计算螺纹联接件的许用应力b)

疲劳强度计算的许用应力幅:式中：、－见表4－8。：可按经验公式近似计算－见表4－7。c)受剪螺栓联接的许用应力，见表4－9。单个螺栓联接的强度计算三、螺纹联接件的许用应力螺栓、螺钉、螺柱性能等级示例：，（见表4－5）a)静强度计算的许用拉应力:式中：S－安全系数。松螺栓联接：S=1.2～1.7紧螺栓联接：S

的值见表4－7。说明含义为MPa§4-4螺栓组联接受力分析目的：求出螺栓组中受力最大的螺栓及其所受的力，以便进行螺栓联接的强度计算。假设：1)

所有螺栓的刚度和预紧力均相同；

2)

被联接件为刚体；

3)

各零件的变形在弹性范围内。§4-4螺栓组联接受力分析与计算一、承受轴向载荷时

当通过螺栓组形心时，各螺栓所受的工作载荷相等。则螺栓个数注：如不通过螺栓组的形心，应向形心平移后再计算。螺栓组联接的基本受载类型有四种：受横向载荷1二、受横向载荷时1）用受拉螺栓螺栓预紧后在被联接件的接触面上产生正压力，靠由此产生的摩擦力承受。保证被联接件不相对滑动，须满足：则所需预紧力为式中：K－可靠性系数，见教材

P78。－结合面的摩擦因数。见教材P78。m－结合面数。注：为减小螺栓直径，可采用减载措施。螺栓组联接受力分析与计算受横向载荷22）用受剪螺栓

通过螺栓组形心时，在前述假设下，各螺栓承受的横向力相等。则注：a)

不通过螺栓组形心时，向形心平移后再计算。b)沿方向上的受剪螺栓个数不宜过多。螺栓组联接受力分析与计算减载装置：（图4－15）承受转矩T时1三、承受转矩T时1）用受拉螺栓靠结合面上的摩擦力承受T。保证底板在T作用下不转动，须满足≥则所需预紧力≥式中：、－见教材P78。螺栓组联接受力分析与计算O承受转矩T时22）用受剪螺栓螺栓组联接受力分析与计算在前述假设下，各螺栓所受的工作剪力与其中心到底板中心的距离成正比。底板的静力平衡方程为联立两式求解，得最大工作剪力即O受倾覆力矩M时1螺栓组联接受力分析与计算四、受倾覆力矩M时M在M作用下，底板有绕通过螺栓组形心的轴线O转动的趋势。在前述假设下，各螺栓所受的工作拉力与其中心到翻转轴线的距离成正比。联立两式求解，得最大工作拉力OO即：底板的静力平衡方程为：受倾覆力矩M时2为防止结合面受压最小处出现间隙，要求：为防止结合面受压最大处被压溃，要求：式中：A－结合面的面积（mm2）。W－结合面的抗弯截面模量（mm3）。－许用挤压应力（Mpa），见表4－9。螺栓组联接受力分析与计算注：实际中，螺栓组往往同时承受两种或两种以上的载荷。实例螺栓组联接受力分析与计算例：如图所示的支架受F力。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。螺栓拉断；需要足够大的螺栓直径。螺栓组联接受力分析与计算螺栓组联接受力分析与计算螺栓组联接受力分析与计算螺栓组联接受力分析与计算§4-5提高螺栓强度的措施§4-5

提高螺栓联接强度的措施可从以下几个方面提高螺栓的强度。4）采用合理的制造工艺。2）减小螺栓的应力幅。3）减小附加弯曲应力。1）改善各螺纹牙受载不均的现象。工作中，螺栓受拉，螺母受压，从而产生螺距差，导致旋合的各圈螺纹牙受载不均。见图4－19。改善措施：采用悬置螺母、环槽螺母、内斜螺母。采用钢丝螺套。分析见图4－23。（）减小增大均可使减小。措施：冷镦、碾压、氮化、喷丸等工艺均可提高螺栓的强度。说明见图4－27。凸台、沉头座斜垫圈、球面垫圈措施：分析见图4－20。见图4－21螺纹联接组的设计1螺栓组联接的设计在设计螺栓组联接时，关键是联接的结构设计。它是根据被联接件的结构和联接的用途，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，保证联接结合面受力均匀，通常联接结合面的几何形状都设计成轴对称的简单几何形状。螺栓布置应使各螺栓的受力合理。螺栓的排列应有合理的间距、边距。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。避免螺栓承受附加的弯曲载荷。说明说明说明螺栓组联接的结构设计各螺栓之间的距离大小既要保证联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。

螺旋传动1§4-6

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：说明滑动螺旋滚动螺旋静压螺旋说明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，螺母移动或螺母固定，螺杆转动并移动。

螺旋传动2螺旋传动二、滑动螺旋的结构和材料1．滑动螺旋的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。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．滑动螺旋的材料说明

整体螺母剖分螺母螺母结构:见表4－10螺旋传动3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。1．耐磨性计算滑动螺旋的耐磨性计算，主要是限制螺