《机械设计》-第5章

5.1螺纹与螺纹连接５.１.１螺纹的主要参数和常用类型现以圆柱普通螺纹的外螺纹为例说明螺纹的主要几何参数，如图５－１所示。１）大径ｄ———螺纹的最大直径，即与螺纹牙顶重合的假想圆柱面的直径，在标准中定为公称直径。２）小径ｄ１———螺纹的最小直径，即与螺纹牙底重合的假想圆柱面的直径，在强度计算中常作为螺杆危险截面的计算直径。３）中径ｄ２———通过螺纹轴向截面内牙型上的沟槽和凸起宽度相等处的假想圆柱面的直径。中径是确定螺纹几何参数和配合性质的直径。下一页返回5.1螺纹与螺纹连接４）线数ｎ———螺纹的螺旋线数目。沿一根螺旋线形成的螺纹称为单线螺纹；沿两根以上的等距螺旋线形成的螺纹称为多线螺纹。为便于制造，一般采用线数ｎ≤４。５）螺距Ｐ———螺纹相邻两个牙型上对应点间的轴向距离。６）导程Ｓ———同一条螺旋线上相邻两个牙型上对应点间的轴向距离。单线螺纹Ｓ＝Ｐ，多线螺纹Ｓ＝ｎＰ。７）螺纹升角ψ———螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面间的夹角。在螺纹的不同直径处，螺纹升角各不相同。通常按螺纹中径ｄ２处计算，即上一页下一页返回5.1螺纹与螺纹连接８）牙型角α———螺纹轴向截面内，螺纹牙型两侧边的夹角。螺纹牙型的侧边与螺纹轴线的垂直平面的夹角称为牙侧角，对称牙型的牙侧角β＝α/２。９）接触高度ｈ———内外螺纹旋合后的接触面的径向高度。螺纹有内螺纹和外螺纹之分，内、外螺纹共同组成螺旋副。螺纹连接和螺旋传动都是利用螺纹副零件进行工作的，但两者的工作性质并不相同，在技术要求上也存在差别。起连接作用的螺纹称为连接螺纹，连接螺纹零件属于紧固件，要求保证连接强度（有时还要求紧密性）；起传动作用的螺纹称为传动螺纹，传动螺纹零件是传动件，要求保证螺旋副的传动精度、效率和使用寿命。上一页下一页返回5.1螺纹与螺纹连接常用的螺纹类型主要有普通螺纹、管螺纹、米制锥螺纹、矩形螺纹、梯形螺纹和锯齿形螺纹。前３种主要用于连接，后３种主要用于传动。各类螺纹的基本尺寸、特点及应用如表５－１所示。５.１.２螺纹连接的类型和标准螺纹连接件１.螺纹连接的基本类型（１）螺栓连接１）普通螺栓连接———被连接件不太厚，螺杆带钉头，通孔不带螺纹，螺杆穿过通孔与螺母配合使用。装配后孔与杆间有间隙，且在工作中此间隙不允许消失。其结构简单，装拆方便，可多次装拆，应用较广，如图５－２（ａ）所示。上一页下一页返回5.1螺纹与螺纹连接２）铰制孔螺栓连接———孔和螺栓杆多采用基孔制过渡配合（Ｈ７／ｍ６、Ｈ７／ｎ６）。装配后无间隙，能精确地固定被连接件的相对位置，并能承受横向载荷，也可作定位用，但其孔的加工精度要求较高，如图５－２（ｂ）所示。（２）双头螺柱连接如图５－３所示，这种连接适用于结构上不能采用螺栓连接且需要经常拆卸，而被连接件之一较厚，不宜制成通孔的场合。对它进行拆装时只需拆螺母，而不必将双头螺柱从被连接件中拧出。（３）螺钉连接上一页下一页返回5.1螺纹与螺纹连接如图５－４所示，这种连接的特点是螺钉直接被拧入被连接件的螺纹孔中，不用螺母。它用于不需经常装拆且受载较小的场合。（４）紧定螺钉连接螺钉拧入后，利用杆的末端顶住另一零件表面或旋入零件相应的缺口中以固定零件的相对位置，这就是紧定螺钉连接，如图５－５所示，它可传递不大的轴向力或扭矩。螺钉除作为连接和紧定用之外，还可用于调整零件的位置，如机器、仪表的调节螺钉等。除上述４种基本螺纹连接形式外，还有一些特殊结构的连接。上一页下一页返回5.1螺纹与螺纹连接例如，专门用于将机座或机架固定在地基上的地脚螺栓连接，如图５－６所示；装在机器或大型零部件的顶盖或外壳上便于起吊用的吊环螺钉连接，如图５－７所示等。２.标准螺纹连接件螺纹连接件的种类很多，在机械制造中常见的螺纹连接件有螺栓、双头螺柱、螺钉、螺母和垫圈等。这类零件都已经标准化，其形状和尺寸在国家标准中都有规定。螺纹大径ｄ是这些标准件的公称尺寸，设计时可由ｄ在标准中查出其他有关尺寸。上一页返回5.2螺纹连接的预紧大多数螺纹连接在装配时必须拧紧螺母，称为预紧。装配时预紧的螺栓连接称为紧螺栓连接；不预紧的螺栓连接称为松螺栓连接。预紧的目的在于增强连接的刚度、紧密性和提高其防松能力。预紧时，螺栓所受的轴向拉力称为预紧力。在连接中适当的预紧力能够提高螺栓连接的疲劳强度和可靠性，对于有紧密性要求的连接（如气缸、管路凸缘等）,还可以提高其气密性。但是，预紧力太大会导致连接件损坏,因此,对于重要的螺栓连接应该对其预紧力加以控制。控制预紧力的方法有很多，通常是借助测力矩扳手或定力矩扳手，如图５－８和图５－９所示，利用控制拧紧力矩的方法来控制预紧力的大小。下一页返回5.2螺纹连接的预紧测力矩扳手的工作原理是根据扳手上的弹性元件在拧紧力的作用下所产生的弹性变形来指示拧紧力矩的大小。为方便计量，可将其指示刻度２直接用力矩值标出。定力矩扳手的工作原理是当拧紧力矩超过规定值时，弹簧３被压缩，扳手卡盘１与圆柱销２之间打滑，如果继续转动手柄，卡盘即不再转动。拧紧力矩的大小可利用调整螺钉４调整弹簧压紧力来加以控制。由此可见，装配时预紧力的大小是通过拧紧力矩来控制的。因此，我们应从理论上找出预紧力和拧紧力矩之间的关系。上一页下一页返回5.2螺纹连接的预紧拧紧螺母时，用扳手施加拧紧力矩Ｔ，用以克服螺纹牙之间相对转动的阻力矩为Ｔ１，螺母支承撑面上的摩擦阻力矩为Ｔ２，如图５－１０所示，故拧紧力矩对于Ｍ１０～Ｍ６８的粗牙普通螺纹的钢制螺栓，其螺纹升角ψ＝１°４２′～３°２′；螺纹中径ｄ２≈０.９ｄ；螺旋副的当量摩擦角φｖ＝ａｒｃｔａｎ１.１５５ｆ（ｆ为摩擦系数，无润滑时ｆ≈０.１～０.２）；螺栓孔直径ｄ０≈１.１ｄ；上一页下一页返回5.2螺纹连接的预紧螺母环行支撑面的外径Ｄ０≈１.５ｄ；螺母与支撑面间的摩擦系数ｆｃ＝０.１５。将上述各参数代入式（５－２），整理后得对于一定公称直径ｄ的螺栓，当所要求的预紧力Ｆ０已知时，即可按上式确定扳手的拧紧力矩Ｔ。对于重要的连接，应尽可能不采用直径小于Ｍ１２～Ｍ１６的螺栓。若必须使用时，则应严格控制其拧紧力矩。上一页返回5.3螺纹连接的防松防松的根本问题就是防止螺纹副的相对转动。具体的防松装置或方法有很多，按其工作原理不同，可分为利用摩擦力、利用机械零件直接锁住和破坏螺纹副的运动关系三种方式。５.３.１摩擦防松如图５－１１所示，双螺母、弹簧垫圈、尼龙垫圈、自锁螺母等都采用摩擦防松的方法。５.３.２机械防松下一页返回5.3螺纹连接的防松如图５－１２所示，开槽螺母与开口销、圆螺母与止动垫圈、弹簧垫片、轴用带翅垫片、止动垫片和串联钢丝等都采用机械防松的方法。５.３.３永久防松端铆、冲点、定位焊５.３.４化学防松黏合上一页返回5.4螺栓组连接的设计５.４.１螺栓组连接的结构设计螺栓组连接的结构设计的主要目的在于合理地确定连接接合面的几何形状和螺栓的布置形式，力求各螺栓和连接接合面间受力均匀，并便于加工和装配。设计时主要考虑以下几点：１）连接接合面的几何形状应尽量简单。我们常常使螺栓组的形心和连接接合面的形心重合，成轴对称的简单几何形状，如图５－１３所示，以方便加工、简化计算。２）螺栓的布置应使各螺栓的受力合理。对于铰制孔用螺栓组连接，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。下一页返回5.4螺栓组连接的设计当螺栓组连接承受弯矩或转矩时，应使螺栓的位置适当地靠近接合面边缘（见图５－１３），以减小螺栓的受力。受较大横向载荷的螺栓组连接应采用铰制孔或减荷装置（见图５－１４）。３）螺栓排列应有合理的边距和间距。布置螺栓时，螺栓轴线与机体壁面间的最小距离，应根据扳手所需的活动空间的大小来决定，如图５－１５所示。对于有紧密性要求的重要螺栓组连接，其螺栓的间距ｔ０不得大于表５－２中所示的推荐值，但也不得小于扳手所需的最小活动空间尺寸。４）同一圆周上螺栓的数目，应尽量取４、６、８等偶数，以便于加工时分度和划线。同一螺栓组中螺栓的直径、长度及材料均应相同。上一页下一页返回5.4螺栓组连接的设计５）避免螺栓承受附加弯曲载荷。被连接件上的螺母和螺栓头部的支撑面应平整并与螺栓轴线垂直。在铸件、锻件等粗糙表面上安装螺栓的部位应做出凸台或沉头座，如图５－１６所示。支撑面为倾斜面时，应采用斜面垫圈，如图５－１７所示。５.４.２螺栓组连接的受力分析对螺栓组连接进行受力分析的目的是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力的大小，以便进行螺栓连接的强度计算。为简化计算，分析螺栓组连接的受力时，一般假设：螺栓组中所有螺栓的材料、直径、长度和预紧力都相同；螺栓组的对称中心与连接接合面的形心重合；受载后连接接合面仍保持为平面；螺栓的应变没有超出弹性范围。上一页下一页返回5.4螺栓组连接的设计根据连接的结构形式及受力特征，可将螺栓组连接的受力分为以下４种典型形式。１.受横向载荷的螺栓组连接受横向载荷的螺栓组连接，其载荷的作用线通过螺栓组的对称中心并与螺栓的轴线垂直，如图５－１８所示。（１）普通螺栓连接的受力分析由图５－１８（ａ）可知，横向载荷ＦＲ靠接合面间的摩擦力来传递。由力的平衡条件可得则螺栓的预紧力为上一页下一页返回5.4螺栓组连接的设计（２）铰制孔用螺栓连接的受力分析由图５－１８（ｂ）可知，横向载荷ＦＲ靠螺栓杆抗剪切和螺栓杆与孔壁接触表面间的挤压来传递。由于该连接不依靠摩擦力，所以，装配时对预紧力没有严格的要求，计算时不用考虑预紧力和摩擦力的影响。设螺栓数目为ｚ，则每个螺栓所受的横向工作剪力为２.受旋转力矩作用的螺栓组连接如图５－１９（ａ）所示，转矩Ｔ作用在连接的接合面内，底板将绕通过螺栓组对称中心Ｏ并与接合面垂直的轴线转动。上一页下一页返回5.4螺栓组连接的设计为防止底板转动，可用普通螺栓连接，也可用铰制孔用螺栓连接。它们的传力方式与受横向载荷的螺栓组连接类似。（１）普通螺栓连接旋转力矩Ｔ靠连接预紧后作用在接合面上的摩擦力矩来传递。假设各螺栓的预紧力相同，各螺栓连接处的摩擦力ｆＦ０集中作用在螺栓杆的中心并垂直于各自的旋转半径ｒｉ。由平衡条件可得各螺栓的预紧力上一页下一页返回5.4螺栓组连接的设计（２）铰制孔用螺栓连接如图５－１９（ｂ）所示，旋转力矩Ｔ由各个螺栓所受剪力Ｆ对转动中心Ｏ之矩的和来平衡，即根据螺栓的变形协调条件，各螺栓的剪切变形量与螺栓杆中心到旋转中心Ｏ的距离成正比。由于各螺栓的剪切刚度相同，所以各螺栓受到的横向工作剪力也与这个距离成正比，即上一页下一页返回5.4螺栓组连接的设计联立式（５－７）和式（５－８），即可求得受力最大的螺栓所受的最大剪切力３.受轴向载荷的螺栓组连接如图５－２０所示的气缸盖螺栓组连接，其载荷通过螺栓组的中心，计算时假定各螺栓平均受载。设螺栓组的螺栓数目为ｚ，则每个螺栓上所受到的轴向载荷为上一页下一页返回5.4螺栓组连接的设计由于受到螺栓及被连接件弹性变形的影响，每个连接螺栓实际所受到的轴向总拉力并不等于轴向工作载荷Ｆ与预紧力Ｆ０之和。４.受翻转力矩的螺栓组连接图５－２１（ａ）所示为受翻转力矩的底板螺栓组连接。翻转力矩Ｍ作用在通过ｘ—ｘ轴并垂直于连接接合面的对称平面内。螺栓需要预紧，每个螺栓的预紧力都为Ｆ０，故有相同的伸长量。在各螺栓预紧力Ｆ０的作用下，假定地基受到均匀压缩，地基对底板的均匀约束反力如图５－２１（ｂ）所示。当连接受到翻转力矩Ｍ的作用后，底板有绕轴线Ｏ—Ｏ发生倾转的趋势。上一页下一页返回5.4螺栓组连接的设计假设底板在倾转过程中始终保持为一平面，则轴线左边的螺栓ｉ受到轴向工作拉力Ｆｉ的作用，右边的地基被进一步压缩，使右边螺栓的受力减小。由静力平衡条件可以得到根据螺栓的变形协调条件，各螺栓的拉伸变形量与其中心至底板翻转轴线的距离成正比。又各螺栓的拉伸刚度相同，所以左边螺栓所受的工作拉力和右边地基座上螺栓处所受的压力都与这个距离成正比，即上一页下一页返回5.4螺栓组连接的设计联立式（５－１１）和式（５－１２），便可求得受力最大的螺栓上所受的最大工作拉力为了保证连接接合面在最大受压处不被压溃和在最小受压处不至于出现缝隙，接合面的压力必须满足下列条件上一页返回5.5螺栓连接的强度计算５.５.１松螺栓连接的强度计算１.松螺栓连接的强度计算如图５－２２所示的吊钩螺栓，工作前不拧紧，无预紧力Ｆ０，只有当工作载荷Ｆ起拉伸作用时，才需要计算松螺栓的连接强度。其强度条件为２.紧螺栓连接的强度计算紧螺栓连接在承受工作载荷前就必须把螺母拧紧。下一页返回5.5螺栓连接的强度计算拧紧螺母时，螺栓一方面受到拉伸，另一方面又因螺纹中阻力矩的作用而受到扭转，故危险截面上既有拉应力σ，又有扭转剪应力。由预紧力Ｆ０产生的拉伸应力σ为由螺纹摩擦力矩Ｔ１产生的剪应力为上一页下一页返回5.5螺栓连接的强度计算按第四强度理论得紧螺栓连接的强度条件为通常为了简便起见，一般紧螺栓连接的设计都是按照拉伸强度公式计算，再考虑到扭转剪应力的影响，把螺栓所受到的轴向拉应力增大３０％。（１）只受预紧力Ｆ０作用的紧螺栓连接上一页下一页返回5.5螺栓连接的强度计算受横向载荷的普通螺栓连接以及受转矩（转矩作用在连接结合面内）作用的普通螺栓连接都是只受预紧力Ｆ０作用的紧螺栓连接，如图５－２３所示，考虑到扭转剪应力的影响，其强度条件为（２）既受预紧力Ｆ０又受轴向静工作拉力Ｆ作用的紧螺栓连接这种紧螺栓连接在实际工作中是最重要的，同时也是最常见的一种。如图５－２４所示的气缸盖的连接螺栓就是典型的实例。上一页下一页返回5.5螺栓连接的强度计算由于螺栓和被连接件都是弹性体，在受到预紧力Ｆ０的作用后，再施以工作拉力Ｆ，螺栓与被连接件之间因受到两者弹性变形的相互制约，故此时螺栓所受的总拉力Ｆ２不等于预紧力Ｆ０与工作拉力Ｆ之和。因此，下面我们将从分析螺栓的受力和变形关系入手，求出螺栓总拉力Ｆ２的大小。图５－２４所示为单个螺栓连接在承受轴向拉伸载荷前后的受力及变形情况。图５－２４（ａ）是螺母刚好拧到和被连接件相接触，但还未拧紧时的情况。此时，螺栓和被连接件都不受力，因而也不产生变形。图５－２４（ｂ）是螺母已拧紧，但还未承受工作拉力时的情况。上一页下一页返回5.5螺栓连接的强度计算此时，螺栓受预紧力Ｆ０的拉伸作用，其伸长量为λｂ。相反，被连接件则在预紧力Ｆ０的压缩作用下，其压缩量为λｍ。图５－２４（ｃ）是受轴向工作拉力Ｆ作用后的情况。这时，螺栓的轴向总拉力由Ｆ０增至Ｆ２，伸长量由λｂ增至（λｂ＋Δλｂ）；被连接件的受压状况随之被部分放松，相应的压缩变形量由λｍ减到λｍ（λｍ－Δλｍ），故其所受压力减小，不是原来的预紧力Ｆ０了，而变为剩余预紧力Ｆ１，根据变形协调条件，螺栓增量Δλｂ应等于被连接件变形的减少量Δλｍ。由静力平衡条件得螺栓所受的总拉力Ｆ２应等于工作拉力Ｆ与剩余预紧力Ｆ１之和，即上一页下一页返回5.5螺栓连接的强度计算即螺栓总拉力为工作载荷与被连接件给它的剩余预紧力之和。根据螺栓与被连接件变形协调条件有以和上一页下一页返回5.5螺栓连接的强度计算代入得：为了保证螺栓连接不出现缝隙及具有必要的紧密性，剩余预紧力Ｆ１应大于零。下列数据可供选择Ｆ１时参考：Ｆ无变化时，Ｆ１＝（０.２～０.６）Ｆ；Ｆ有变化时，Ｆ１＝（０.６～１.０）Ｆ；压力容器的紧密连接时，Ｆ１＝（１.５～１.８）Ｆ，且应保证密封面的剩余预紧力大于压力容器的工作压力。上一页下一页返回5.5螺栓连接的强度计算总结：对于既受预紧力Ｆ０又受工作载荷Ｆ作用的螺栓连接，其设计步骤大致如下：１）根据螺栓受力情况，求出单个螺栓所受的工作拉力Ｆ；２）根据连接的工作要求，选取剩余预紧力Ｆ１；３）计算螺栓的总拉力Ｆ２；４）螺栓在工作时，既受拉伸应力作用又受扭转剪切应力作用，因此在计算时应将总拉力Ｆ２增大３０％作为计算载荷。受拉螺纹部分的强度条件为上一页下一页返回5.5螺栓连接的强度计算（３）既受预紧力Ｆ０又受变轴向工作拉力Ｆ作用的螺栓连接对于既受预紧力又受变轴向工作拉力作用的螺栓连接，其设计步骤一般为：１）求出螺栓中最大的工作拉力Ｆ２；２）按静强度计算螺栓的小径ｄ１，见式（５－１５）；３）按ｄ１查表得螺栓的公称直径ｄ；４）校核其疲劳强度，见式（５－１５）。上一页下一页返回5.5螺栓连接的强度计算下面分别具体介绍其计算步骤。由式（５－９）得知，若工作拉力在０～Ｆ之间变化时，则螺栓中的拉力在Ｆ０与Ｆ２之间变化。此时螺栓的静强度条件为螺栓所受的应力变化为上一页下一页返回5.5螺栓连接的强度计算由于影响零件疲劳强度的主要因素是应力幅，因此，螺栓疲劳强度的验算式为一般情况，螺栓的最大应力计算安全系数可按下式计算５.５.２受剪螺栓连接的强度计算如图５－２５所示，受横向工作载荷作用的铰制孔用螺栓连接，是靠螺栓杆受剪切和挤压力来承受横向载荷的。上一页下一页返回5.5螺栓连接的强度计算工作时，螺栓在结合面处受剪切，螺栓杆与被连接件孔壁相接触的表面受挤压，因此，应分别按挤压强度和剪切强度进行计算。这种连接，其螺栓所受的预紧力很小，所以在计算中可不考虑预紧力和螺纹摩擦力矩的影响。螺栓杆与孔壁的挤压强度条件为螺栓杆的剪切条件为上一页返回5.6螺纹连接件的材料及许用应力５.６.１螺栓连接的材料及性能等级１.螺纹连接的材料根据螺纹零件材质的不同，国家标准规定螺纹连接零件按其机械性能（见表５－７）进行分级。螺栓、螺柱、螺钉的性能等级分为１０级（见ＧＢ／Ｔ３０９８.１—２０１０《紧固件机械性能螺柱、螺钉和螺柱》），即３.６、４.６、５.６、５.８、６.８、８.８、９.８、１０.９、１２.９等。螺栓、螺柱和螺钉的材料可按不同的性能等级选取：３.６———低碳钢；下一页返回5.6螺纹连接件的材料及许用应力４.６～６.８———低碳钢或中碳钢；８.８～９.８———中碳钢或低碳合金钢；１０.９———中碳钢、低碳合金钢或中碳合金钢；１２.９———合金钢。螺母性能等级按螺母的高度ｍ分为两类，见国家标准ＧＢ／Ｔ３０９８.２—２０００中的规定。５.６.２螺栓连接件的许用应力螺栓连接件的许用应力见表５－８。上一页返回5.7提高螺纹连接强度的措施螺纹连接的强度主要取决于螺栓的强度。影响螺纹连接强度的因素有很多，包括螺栓及螺母的材料、结构、尺寸、工艺、螺纹牙间的载荷分布、应力幅度、机械性能、制造工艺等。下面介绍几种提高受拉螺栓连接强度的主要措施。５.７.１降低螺栓的刚度或增大被连接件的刚度根据理论与实践可知，受轴向变载荷的紧螺栓连接，在最小应力不变的条件下，其应力幅越小，则螺栓越不容易发生疲劳破坏，即连接的可靠性越高。当螺栓所受的工作拉力在０～Ｆ之间变化时，则螺栓的总拉力将在Ｆ０～Ｆ２之间变动。下一页返回5.7提高螺纹连接强度的措施由式（５－２５）可知，在保持预紧力Ｆ０不变的条件下，若减小螺栓刚度Ｃｂ或增大被连接件的刚度Ｃｍ，都可以达到减小总拉力Ｆ２的变动范围（即减小应力幅σａ）的目的。但由式（５－２４）可知，在所给定的条件下，减小螺栓刚度Ｃｂ，或增大被连接件的刚度Ｃｍ，都将引起残余顶紧力Ｆ１减小，从而降低了连接的紧密性。因此，若在减小Ｃｂ和增大Ｃｍ的同时，适当增加预紧力Ｆ０，就可以使Ｆ１不致减小太多或保持不变，这对改善连接的可靠性和紧密性是有利的。但预紧力不宜增加得过大，必须控制在规定的范围内，以免过分削弱螺栓的静强度。为了减小螺栓的刚度，可通过减小螺栓杆直径或将螺栓杆做成空心的；为了增大被连接件的刚度，除在结构和尺寸上采取措施外，还可以采用刚性垫片。上一页下一页返回5.7提高螺纹连接强度的措施５.７.２改善螺纹牙上载荷分布不均匀的现象工作中螺栓牙受拉伸长，而螺母牙受压缩短，伸与缩的螺距变化差以紧靠支撑面的第一圈处为最大，其应变最大