机械设计 第5章 螺纹连接和螺旋传动学习课件

俞爱林广东工业大学机电学院电话：39322212EMAIL：allan75@126.com机械设计

DesignofMachinery

重点及难点:

螺栓组的受力分析螺栓联接强度计算第二篇连接一、总论二、螺纹连接与传动三、键销联接任何一部机器都是由若干零件以一定方式连接而成（一）总论与动力源组合零件构件机构机器静连接动连接(运动副)静连接动连接——运动副可拆连接：螺纹连接、键连接、销连接等不可拆连接：铆接、焊接、胶接等连接（二）螺纹连接与螺旋传动5-1螺纹5-2螺纹连接的类型和标准连接件5-3螺纹连接的预紧5-4螺纹连接的防松5-5螺栓组连接的设计

5-6螺栓连接的强度计算5-7螺纹连接件的材料及许用应力5-8提高螺纹连接强度的措施5-9螺旋传动§5-1螺纹参数如用一个平面三角形K沿螺旋线运动并使K平面始终通过圆柱体轴线YY-这样就构成了三角形螺纹。同样改变平面图形，可得到矩形、梯形、锯齿形等一、螺纹的形成螺旋线-将一倾斜角y的直线绕在圆柱体上便形成一条螺旋线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右旋左旋螺纹旋向旋向判断(1)轴线垂直放

右边高—右旋左边高—左旋(2)右手旋，前进—右旋左手旋，前进—左旋→判断方法：从端面数单头→连接多头→传动线数n=1n=2n=3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ｄ(大径－标准直径);ｄ1(小径);ｄ2(中径，其上s=e);

p(螺距)；ｎ(螺旋线数);Ｓ(导程);Ｓ＝np;

(螺纹升角,中径上);

二、螺纹参数S(np)tg

＝np／πｄ2

矩形螺纹三角形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹30º3º30ºα(牙型角),β(牙侧角)

α=60°β＝30°α=0°β＝0°α=30°β＝15°β工＝3°β非＝30°15º1三角形螺纹(M)普通螺纹:α＝60°，易自锁

粗牙:牙高,d1小,ψ大细牙:牙浅,d1大,ψ小,更易自锁α＝60°，米制锥螺纹（管壁）管螺纹:英制，α＝55°-非螺纹密封，无径向间隙

-螺纹密封,英制圆锥管壁2梯形螺纹(Tr)3锯齿形螺纹(S)4矩形螺纹三、螺纹的类型及应用表5-1连接螺纹：普通三角螺纹、锥螺纹、管螺纹(英制)（y小，单线，自锁好）传动螺纹：矩形螺纹、梯形螺纹、锯齿螺纹

（α小、y大，多线，效率高）1三角形螺纹(M)2梯形螺纹(Tr)α＝30°,β＝15°3锯齿形螺纹(S)α＝33,β工＝3°4矩形螺纹α＝０°要自锁好→

β↑y↓(单);要效率高→

β↓y↑(多)tg

＝np／πｄ2tgr′=f／cosb1螺栓连接（被连接件孔不需切制螺纹）§5-2螺纹连接的类型和标准连接件一、螺纹连接基本类型表5-2动画普通螺栓连接特点：孔与杆间有间隙、被连接件上无需切制螺纹、装拆方便适用场合：经常装拆的一般场合铰制孔螺栓连接特点：孔与杆间无间隙、被连接件上无需切制螺纹、装拆方便适用场合：承受横向载荷的场合3双头螺栓连接2螺钉连接结构简单适用场合：被连接件之一较厚，且不常装拆的场合，以免被连接件的螺纹孔磨损而修复困难。适用场合：用于被连接件之一较厚或为了结构紧凑而采用盲孔、经常装拆的场合4紧定螺钉连接适用场合：多用于轴上零件的固定，传递较小的力锥端螺钉连接平端螺钉连接圆柱端螺钉连接5其他连接地脚螺栓连接、吊环螺栓连接、T形槽螺栓连接

螺栓；螺钉；双头螺柱；紧定螺钉螺母：六角螺母；圆螺母垫片：弹簧垫片；斜垫片；球形垫片二、标准螺纹连接件平垫圈薄平垫圈斜垫圈弹簧垫圈圆螺母用止动垫圈一、拧紧力矩T§5-3螺纹连接的预紧→Ｔ＝Ｔ1＋Ｔ2T——拧紧力矩T1——螺纹摩擦阻力矩T2——螺母端环形面与被连接件间的摩擦力矩螺纹连接：松连接——在装配时不拧紧，只在承受工作载荷时才受到力的作用紧连接——在装配时需拧紧，即连接在承受工作载荷前，已预先受力，称为预紧力F0

T＝T1＋T2≈0.2F0d因F0=5T/d若d小，则F0很大，对于重要的联结，不宜采用M12以下的螺栓。T2＝

fcF0rm锁紧螺母嵌有尼龙圈对顶螺母1防松目的实际工作中，外载荷的振动、变化、材料高温蠕变等会造成摩擦力减少，螺纹副中正压力在某一瞬间消失、摩擦力为零，从而使螺纹连接松动，如反复作用，螺纹连接就会松驰而失效。因此，必须进行防松，否则会影响正常工作，造成事故。2防松原理消除（或限制）螺纹副间的相对运动，或增大相对运动难度。3防松办法及措施表5-3（动画）

1）摩擦防松

弹簧垫圈§5-4螺纹连接的防松2）机械防松

→利用便于更换的金属元件来约束螺旋副。槽形螺母和开口销止动垫片圆螺母用带翅垫片串联钢丝防松用机械装置把螺母和螺栓联成一体，消除了它们之间相对转动的可能性3）不可拆防松→焊、铆冲、涂粘合剂螺栓组连接结构设计的目的：接合面形状——对称螺栓布置——合理，间距、边距、扳手空间接合面与螺栓——受力均匀加工安装——方便，螺栓材料、直径、长度相同一螺栓组连接结构设计§5—5螺栓组连接的设计二螺栓组连接的受力分析螺栓组所受载荷类型

螺栓组连接受力分析的目的：找出受力最大的螺栓并求出其所受力的大小横向载荷轴向载荷转矩（扭矩）倾覆力矩平衡条件：

螺栓本身受剪切和挤压各螺栓受力为：1）铰制孔用螺栓连接1受横向载荷F∑的螺栓组连接螺栓本身受预紧拉力F0

拧紧→产生夹紧力→接合面间的摩擦力→承受载荷横向载荷(垂直螺栓轴心线）2）普通螺栓连接Ks—防滑系数Ks=1.1~1.3

i—接合面的数目f—接合面的摩擦系数z——螺栓数目i=2i=2

讨论:

若f=0.2,z=1,i=1,Ks=1.2,则

1）受横向载荷普通螺栓受力比铰制孔用螺栓的大，此时宜采用后者

2）若要采用普通螺栓，靠利用减载键销或减载套筒减载键减载销减载套筒螺栓受剪切和挤压来平衡载荷，各螺栓受力为Fi1）铰制孔用螺栓连接2受转矩T的螺栓组连接分析：受载后接合面仍为平面，螺栓的剪切变形与其到中心的距离成正比,螺栓刚度相同，故其受剪力Fi也与其到中心的距离ri成正比。假设此剪力方向垂直其到中心的向径

即：力矩平衡条件：受力最大的螺栓的工作剪力：2）普通螺栓连接螺栓本身受预紧拉力F0，各螺栓要拧紧产生相同的夹紧力分析：各螺栓预紧拉力均为F0，各螺栓连接处产生相同的摩擦力，并假设此摩擦力集中作用螺栓中心处,且方向垂直其到中心的向径。力矩平衡条件：z—螺栓数目ri—螺栓的向径Ks—防滑系数各螺栓所需受预紧拉力：螺栓受工作拉力为：F=F∑／z3受轴向载荷F∑的螺栓组连接轴向载荷平行螺栓轴心线，各螺栓平均受力★：此时螺栓除了受工作拉力F外，还受预紧力F0作用分析：M作用前：各螺栓受预紧力F0M作用后：一侧螺栓拉力增大，一侧螺栓拉力减少4受倾覆力矩M的螺栓组连接平衡条件：1）螺栓的受力受力最大的螺栓所受工作载荷为Li--螺栓轴线到底板轴线o—o的距离2）被连接件和底板防止接合面被压溃：防止接合面出现缝隙：[σp]查表5—7W—抗弯截面系数针对不同零件的不同失效形式，分别拟定其设计计算方法，而失效形式是设计计算的依据和出发点。§5-6螺栓连接的强度计算1失效形式

1）螺栓杆拉断（普通螺栓）

2）螺纹压溃和剪断（受剪螺栓）

3）经常装拆因磨损而发生滑扣普通螺栓主要为螺纹部分发生断裂受剪螺栓(铰制孔螺栓)主要为压溃和剪切3设计步骤一般设计步骤：螺栓组受力和失效分析→找出受力最大的螺栓→单个螺栓受力分析和失效分析→单个螺栓强度计算→确定螺栓的尺寸（直径、长度）试算法：先选定一个螺栓直径d——查[

]——计算d1。若d1与d1’（假定的小径）相近，则合用；否则再选2设计计算准则受拉螺栓：设计准则为保证螺栓的疲劳拉伸强度和静强度受剪螺栓：设计准则为保证螺栓的挤压强度和剪切强度

一、松螺栓连接强度计算如吊钩螺栓，工作前不拧紧，无F0，只有工作载荷起拉伸作用强度条件为：——验算用

——设计用

d1——螺纹小径（mm）[σ]——许用拉应力N/mm2(MPa)

FF动画紧螺栓连接M10~M64的螺栓：预紧状态的应力：有预紧力，还有工作拉力只有预紧力，无工作拉力紧螺栓拧紧—拧紧力矩—剪应力τ拧紧—预紧拉力—拉应力σ1只有预紧力紧螺栓连接F0的大小与横向载荷有关式5-9二、紧螺栓连接强度计算—工作前有预紧力F02受预紧力Ｆ0和工作拉力Ｆ紧螺栓连接强度压力F0，压缩δm（1）受力和变形关系变形协调条件:

l相同F2≠F+F0F2=F+F1δbδmDlDlTF0F0FFF2F2F1F1预紧F0受载FE螺栓被连接件拉力F0，伸长δb拉力F2,伸长δb

+

l压力F1,压缩δm-

l未预紧未受力、无变形未受力、无变形F0F0（2）受力变形线图F1：残余预紧力防止受载后接合面产生缝隙根据紧密性要求选取，见p83形变δ力Fδbδm

lF1FF2F0被连接件螺栓δm压力F0，压缩δm预紧F0受载FE螺栓被连接件拉力F0，伸长δb拉力F2,伸长δb

+

l压力F1,压缩δm-

l未预紧未受力、无变形未受力、无变形被连接件所受的压力，即残余预紧力螺栓刚度

螺栓的总拉力：

被连接件刚度变形力F0△FF1

FF2--螺栓的相对刚度※

1）要降低F2，只有减少螺栓的相对刚度，即↑Cm，↓Cb

2）为保证连接的紧密性，应保证F1

＞01）静强度公式：F不变设计步骤：1）求工作载荷F2）选定残余预紧力F13）求总拉力F24）强度计算2）疲劳强度公式：F在0~F之间变化因F在0~F之间变化，则F2在F0~F2之间变，应力在σmax~

σmin之间变▲详见P85页变形力F0F1

FF2△F时间3承受工作剪力的紧螺栓连接铰制孔用螺栓，承受剪切和挤压来平衡（横向）载荷F螺栓杆与孔壁的挤压强度：螺栓杆的剪切强度：※：1）d0是螺栓剪切面直径

2）Lmin螺栓杆与孔壁挤压面的最小高度

3）〔σp〕取两者之弱者

螺纹连接件材料的力学性能——螺栓、螺钉、螺柱的性能等级，共十级——见表5-8和表5-9如：4.8表示：σB=400Mpa，σs=320Mpa

一螺纹连接件的材料§5-7螺纹连接件的材料及许用应力二螺纹连接件的许用应力S、Sτ、Sp——安全系数见表5—10※：查表时不控制预紧力的连接要试算解:1.求单个螺栓的总拉力（预紧力F0）2.求螺栓小径d1P86、87：取4.6钢,不严格控制预紧力→σS=240MPa,S=3.5,[σ]=σS/S=240/3.5=68.6MPa例1：一牵引钩用2个普通螺栓固定,已知R=6000N(静载荷),f=0.15,试确定螺栓直径。R式中：平衡条件强度条件

选用M30的粗牙螺纹，d=30mm,d1=26.211＞24.06→合适。S=3.5→合适查指导书p105螺纹标准例2：用2个铰制孔螺栓连接固定牵引钩，已知板厚h=10mm；R=6000N(静载荷)，试确定螺栓直径。解:1.求每个连接受横向载荷F=R/2=3000N剪切强度条件P87挤压强度条件查指导书p113表11.8，取d=6mm,ds=7＞6.31mmRR[τ]=σS/S

=240/2.5=96MPa2.求螺栓直径d0P.87查指导书表11.8Lmin=l–l0–h=8mml=2h+m+H+(0.2~0.3)d=20+5.7+（3.2~4)+(1.2~1.8)=30.1~31.5标准：d=6mm,d0=7mm选用铰制孔用螺栓：GB/T27M6×30RR[σP]

=σS/Sp=240/1.25=192MPall0标准：查表11.8得l=30mm,l0=12mm根据结构：l=板厚+螺母厚+垫圈厚+突出部分合适长度l=？(2)定残余预紧力F1→求F2P.83(1)求单个连接的工作载荷F:∵有紧密要求,∴F1=1.5～1.8F→取F1=1.8F(3)螺栓强度计算(4)结构设计取5.8级,σS=400MPa(表5-8)→暂取S=4(不严格控制预紧力,静～)→[σ]=σS/S=100MPap.87取Z=8F2=F＋F1=2.8F

=11.3kN例3：一钢制液压油缸,油缸壁厚为10mm,缸体和缸盖的凸缘厚度均为10mmD2=160mm，油压p=1.6MPa,试计算其上盖的螺栓连接和螺栓分布圆直径D1。解:(图5-18、P.77)取d=16mm,其d1=13.835mm＞13.7mm→合适取S=4(表5-10)(不严格控制预紧力)→合适D1=D2+2C1+2×10=224mm取C1min=22mm手册p.21螺栓间距:t0=π·D1/Z=π×224/8≈88mm＜7d=7×16=112mm(表5-4p.73)→满足要求手册p.105(4)结构设计(螺栓分布圆直径D1－图5-18P.77)M16×50－合适D1D2C110101014.8(0.2~0.3)d螺栓长度:l

=2×10+(8.2~10.25)+16.4+4.8

49.4~51.45mm

手册p.116、118螺栓组受载类型载荷特点普通螺栓组铰制孔用螺栓组横向载荷F

载荷FR的方向与螺栓轴线垂直转矩T转矩T的方向与螺栓轴线平行轴向载荷F

载荷FQ的方向与螺栓轴线平行翻转力矩M力矩M的方向与螺栓轴线垂直表1.螺栓组中单个螺栓受力计算其中其它见P83-841.螺纹主要参数及分类，螺纹连接基本类型；2.螺纹连接的拧紧目的及防松方法；3.螺栓连接的受力分析和强度计算。小结:受力情况螺栓类型强度计算公式松螺栓连接普通螺栓紧螺栓连接承受横向外载荷普通螺栓承受轴向静载荷普通螺栓受剪切的螺栓连接铰制孔用螺栓

表2.单个螺栓受力情况和强度计算公式课堂练习解:(一)受力分析把实际受力往螺栓组对称中心平移并转化，得１．螺栓组:

横向载荷:F∑

转矩:T=F∑·L2．螺栓：受预紧力F'F∑L(2)在转矩T作用下，各螺栓受预紧力F2'F∑T(1)在横向载荷F∑作用下，各螺栓受预紧力F1'故螺栓所受预紧力F'为：F'＝F1'＋F2'(二)强度计算错误解法课堂练习解:(一)受力分析把实际受力往螺栓组对称中心平移并转化，得１．螺栓组:

横向载荷:F∑