西理工机械设计课件04螺纹联接

第二篇联接联接机械动联接运动副机械静联接可拆卸联接不可拆卸联接螺纹联接键、花键、销联接无键联接铆接焊接胶接过盈联接联接的基本类型第五章螺纹联接和螺旋传动第六章键、花键、无键和销联接第七章铆接、焊接、胶接和过盈联接第五章螺纹联接1.了解联接的基本分类；2.掌握螺纹联接的主要类型；3.了解螺栓拧紧时联接中各零件的受力及螺栓的防松原理、装置和方法；4.提高螺栓联接强度的措施；5.掌握螺栓组联接的受力分析及单个螺栓联接的强度计算；基本要求:

Pd2一.螺纹的形成用于联接用于传动单线螺纹S

d2多线螺纹§5–1螺纹二.螺纹的分类：1）按牙形分：2）按螺旋的线数分：单线、多线（一般不超过4线），线数越多，导程越大。单线用于联接，多线用于传动。3）按旋向分：右旋、左旋。一般用右旋。4）内、外螺纹之分：二者旋合组成螺旋副（螺纹副）5）按母体的形状分：圆柱螺纹、圆锥螺纹6）按采取标准制度的不同：公制、英制注：除了矩形螺纹外，其它螺纹都已标准化了，设计时应按国家标准设计。三角形：锯齿形：矩形：剃形：机械制造常用螺纹：常用螺纹（按牙形分）三角螺纹矩形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹圆螺纹普通螺纹管螺纹粗牙螺纹细牙螺纹普通细牙非螺纹密封螺纹密封圆锥管螺纹用于传动用于联接常用螺纹的特点及应用1.普通螺纹：

是牙型角=60º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联接、微调机构中。2.管螺纹：

公称直径为管子的公称通经。

3.用于传动的螺纹：三.螺纹的基本参数：1）大径d：（公称直径）h8）螺纹升角ψ：中径圆柱上，螺旋线切线与垂直螺纹轴线的平面间的夹角。

tgψ=nP/d29）接触高度h：内外螺纹旋合后接触面的径向高度。2）小径d1：（强度计算用）3）中径d2：（分析效率时用）4）螺距P：相邻两牙在中径线上对应点间的轴向距离。5）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=nP6）牙形角

：螺纹轴向截面内，螺纹牙型两侧边的夹角。7）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。ψ§5-2螺纹联接的基本类型

及螺纹标准件一.螺纹联接的基本类型：1.螺栓联接：1）被联接件的孔不用加工螺纹，装拆方便，用于经常拆装的场合。2）只适用于被联接件都较薄的情况。（1）普通螺栓联接（2）铰制孔螺栓联接螺栓联接、螺钉联接、双头螺柱联接、紧定螺钉联接。2.双头螺柱联接：特点及应用：

被联接件之一需加工螺纹孔。用于被联接件之一比较厚，需经常拆装的情况。3.螺钉联接：特点及应用：

被联接件之一需加工螺纹孔，省去了螺母，结构简单。用于被联接件之一比较厚，不宜经常拆装的场合。4.紧定螺钉联接：用于固定两零件的相对位置，并传递不大的力或力矩。地脚螺栓吊环螺栓T形槽螺栓其它常用的螺纹联接二.螺纹紧固件1.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。螺栓联接也可以用于螺钉联接中。2.双头螺柱3.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.螺母普通用的螺纹紧固件，按制造精度分粗制、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。螺纹联接件分三个精度等级：A、B、C（高—底），C级最常用。精度等级要配套使用。5.垫圈§5-3螺纹联接的预紧在装配时，螺纹联接都必须预紧。对于重要的螺纹联接，还应控制其预紧力的大小。1.预紧力：2.预紧的目的：1）增加联接的可靠性；2）增加联接的刚性；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。使联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。预紧力不能太大，太大易过载拉断，因此，预紧力要保证且又不使其过载。3.拧紧力矩T=T1+T2001）螺旋副间的摩擦力矩T1：设F0为螺栓所受的预紧力,则:2）螺母与支撑面间的摩擦力矩：式中:fc为螺母与被联接件支撑面间的摩擦系数。无润滑时fc=0.15拧紧力矩:拧紧力矩:T0.2F0dN·mm为使联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：F0（0.60.7）SA1

合金钢：F0（0.50.6）SA1

对M12以下的螺栓，应注意控制预紧力，以防过载拉断。00对于M10~M68的普通螺纹，，fc=0.15，

，f为螺旋副的间的摩擦系数,无润滑时f=0.1~0.2，则：4.控制预紧力的方法：1）控制拧紧力矩；b.定力矩板手；2）测量螺栓的深长量；a.测力矩板手；3）螺母转角法。1）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，联接就可能松脱；2）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，最终导致联接失效。1.防松的根本原理：防止螺旋副的相对转动。3.防松的方法：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：机械防松可靠，可和摩擦防松联合使用。用于不再拆卸联接。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：2.防松的原因：§5-4螺纹联接的和防松1）摩擦防松：弹簧垫圈防松自锁螺母防松对顶螺母防松2）机械防松：开口销防松止动垫片防松串联钢丝防松3）永久防松：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；§5-5螺栓联接的强度计算一.螺栓联接的失效形式：普通螺栓联接：松螺栓联接紧螺栓联接铰制孔用螺栓联接受横向工作载荷F的紧螺栓联接受轴向工作拉力F的紧螺栓联接螺纹联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或横向力。2.在横向载荷作用下，铰制孔螺栓联接的失效形式是：螺拴杆和孔壁的贴合上可能的压溃或螺栓杆被剪断；3.螺纹牙的磨损。螺栓联接大多工作之前应预紧，称为紧螺栓联接二.设计准则：对受拉螺栓：保证螺栓的静力或疲劳强度。三.螺栓联接的强度计算：对受剪螺栓：保证螺栓的挤压强度和螺栓的剪切强度。1.松螺栓联接的强度计算：许用应力，校核公式设计公式2.紧螺栓联接的强度计算1）受横向工作载荷F的紧螺栓联接

——仅受预紧力的紧螺栓联接螺栓上的作用力：F0、T1对于M10-M68的螺纹，d1、d2、

取平均值，并取tg

v=f´=0.15得：F0F0FFF0

F/f，当f=0.15,F0=8F，螺栓的可能尺寸较大。可用减载零件来承受横向力，此时螺栓只起联接作用，不承载，强度计算按减载零件计算。2）受轴向工作拉力F的紧螺栓联接由于螺栓和被联接件都是弹性体，满足虎克定律。

b

mF0F0F0F0F2F2FFF1F1

螺栓上的总拉力：F2

F0+F=

螺栓上的作用力：预紧后，受外载F前：F0、T1受外载F后：F0、T1、F预紧前：螺栓不受力FF

b

mF0F0F0F0F2F2FFF1F1

bF0F0θbθm

m螺栓被联接件残余预紧力返回

FF

b

mF0F0F0F0F2F2FFF1F1

F-

F0.90.80.70.2~0.3橡胶垫片铜皮或石棉垫片皮革垫片金属垫片或无垫片垫类别为了保证联接的紧密性，防止联接受载后结合面间产生缝隙，应使F1>0。推荐：（2）对于一般联接，工作载荷稳定时，（3）工作载荷不稳定时，（4）对于地脚螺栓联接，（1）对于有紧密性要求的联接，校核公式设计公式失效形式有：1）螺栓杆剪断，2）螺栓杆和孔壁两者中的弱者被压溃。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。3.承受工作剪力的紧螺栓联接假设：挤压强度：剪切强度计算：许用切应力，F24.受轴向变载荷F

的紧螺栓联接除了进行静强度计算外，还要精确校核疲劳强度F：0~FF2：F0~F2：min~max式中：

-1tc——螺栓材料的对称循环拉压疲劳极限§5-6螺栓组联接的设计一.螺栓组联接的结构设计1.被联接件结合面形状应简单对称：

便于加工，便于螺栓对称布置，使螺栓组的对称中心与结合面形心重合2.螺栓的布置应使螺栓受力合理：

受横向力的螺栓组受力方向不超过8个；受力矩作用时应适当远离对称轴；3.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，P77表5-54.分布在同一圆周上的螺栓数目应取偶数5.避免螺栓偏心承载，而产生附加弯曲载荷6.同一螺栓组紧固件形状、尺寸、材料应尽量一致

螺栓组联接设计计算的一般步骤：螺栓组受力分析找出受力最大的螺栓,及其力的大小；

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）。二.螺栓组联接的受力分析：两种情况的工作原理不同！普通螺栓联接铰制孔用螺栓联接1.承受横向载荷作用的螺栓组联接为了简化计算，假设：1）所有螺栓的材料、直径、长度和预紧力均相同；2）螺栓组的几何中心与联接结合面的形心重合；3）受载后联接结合面仍保持为平面。单个螺栓受力螺栓组受力1）普通螺栓组联接单个螺栓受力螺栓组受力剪切强度计算：挤压强度：2）铰制孔用螺栓联接2.受转矩的螺栓组联接1）普通螺栓联接2）铰制孔用螺栓联接变形量越大，则工作剪力越大剪切强度计算：挤压强度：F03.受轴向载荷的螺栓组联接单个螺栓的受力：预紧力F0

工作力F:对于有紧密性要求的联接，4.受翻转力矩的螺栓组联接假定:1)底板为刚体；2)翻转力矩作用在螺栓组联接的形心；3)受载后绕O-O转动仍保持平面。在M的作用下：

左侧：螺栓拉力增大；

右侧：螺栓拉力减小而地面压力增大失效分析：1.螺栓拉断；2.底板左侧出现间隙；3.底板右侧压溃。螺栓所受的工作拉力与距离成正比螺栓所受的工作拉力受翻转力矩前，接合面挤压应力分布图F0底板受力分析在翻转力矩作用下，接合面挤压应力分布图验算接合面的强度计算左侧不出现间隙：右侧不压溃：--许用挤压应力，P82表5-7小结：1.在实际工作中，螺栓所受的工作载荷往往是以上四中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中简单的受力状况，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工作载荷；横向荷载+轴向载荷+翻转力矩横向载荷+旋转力矩FT=Fe2.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.为了保证落栓联接的可靠性，还要考虑综合条件：不出现间隙、不压溃等。§5-7螺纹联接件的材料和许用应力一、常用材料：

碳素钢：

Q215、Q235、10、35、45等合金钢：15Cr、40Cr、30CrMnSi等特殊用途（防蚀、防磁、导电、耐高温）：特种钢（如不锈钢）、铜合金、铝合金等P83表5-8、9螺栓联接的性能等级：3.6~12.9

铰制孔用螺栓受横向载荷

控制预紧力时S=1.2~1.5；

不能严格控制预紧力时S查表5-10

受轴向载荷、横向载荷的普通螺栓联接许用应力

联接的受载情况二、许用应力：安全系数见表5-10§5-8提高螺栓联接强度的措施一.降低影响螺栓疲劳强度的应力幅应力变化幅度过大是疲劳断裂的根本原因。FF2′F1′F0和F保持不变FF2′F1′二.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。三.减少应力集中:

对螺纹来讲，形状突变是产生应力集中的主要原因。四.减小附加应力:

偏心拉伸对螺栓十分不利。五.采用合理的制造工艺方法：1）冷墩头部、滚压螺纹2）氮化、氰化、喷丸等处理。

---例题---例1：一钢制液压缸有关尺寸如图示，油压P=3N/mm2，为保证密封性要求，螺栓间距L不得大于4.5倍螺栓公称直径，试设计该双头螺柱联接（确定螺柱直径、个数及分布圆直径D0）。解：1、求螺柱总拉力显然，F

不变，螺柱直径大则数目Z小；反之Z大则螺柱直径小。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=12螺柱工作拉力为：取螺柱总拉力为：由强度条件得：用4.6级的Q235螺柱，拧紧时控制予紧力,取S=1.5，于是（P83表5-8、P84表5-10）2、求螺柱直径:查手册，取M16可矣（其d1=13.835>计算值12.07）。3、确定螺栓分布圆直径D0：暂定而临界许用值为：

因此，最终取分布圆直径。于是螺栓间距为：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联接，一般应确定必须的予紧力。现确定如下：由结构示意图知，缸盖与缸体间无软垫片，查手册或教材可得相对刚度为：于是预紧力为：最终取预紧力为：例2.图示支架用6个螺栓联接在砖墙上。已知砖墙为水泥砂浆缝，载荷Q=10KN，螺栓材料Q235，强度级别4.6级，支架底板与砖墙间摩擦系数f=0.3，底板材料为

ZG270-500，，试设计该螺栓联接。分析：支架正常工作的条件是：①在倾覆力矩M和水平力FH作用下,上侧螺栓不被拉断；②在铅垂力FV作用下底板不下滑；③底板上侧与砖墙不能有间隙；④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。F

FHFVFHFV解：根据力的分解和简化原理，载荷对螺栓组联接的作用可用轴向力FH

、横向力FV及倾覆力矩M的联合作用来代替，其中：F

FHFVFHFV1、由FH引起的每个螺栓的工作拉力：2、由