第四章 螺纹零件

1、第四章第四章 螺纹零件螺纹零件 一、概述一、概述 1、作用 联接：起联接作用的螺纹; 传动：起传动作用的螺纹; 外螺纹 内螺纹 圆柱 圆锥 母体 2、螺纹的形成 刀具做直线运动； 工件做旋转运动； 螺纹线：转动与直线运动； 螺纹牙：某一个形状小面积沿螺旋线运动就形成； 3、螺纹的种类 牙型形状： 三角=30矩形=0 梯形=15 锯齿=30、3 右旋多数用右旋 左旋 旋向 单线螺纹：沿一根螺旋线形成的螺纹； 双线螺纹：沿二根螺旋线形成的螺纹； 多线螺纹：沿三根以上螺旋线形成的螺纹； 线数 常用螺纹的类型见表9-1，P201。 常用的联接螺纹要求自锁性，故多用单线螺纹；传动螺纹要求 传动效率高，故

2、多用双线或三线螺纹。 米制：我国多采用米制螺纹； 英制（管螺纹）； 标准制 4、主要尺寸、参数（看图P199，图9-1a） 1）外径d螺纹的最大直径，在标准中定为公称直径； 2）内径d1螺纹的最小直径，在强度计算中常作为螺杆危险截面 的计算直径； 3）中径d2近似等于螺纹的平均直径； 4）螺距t相邻两牙中径线上对应轴线间的距离; 5）导程S同一条螺旋线相邻两牙的轴向距离； 单线：S=t 双线：S=2t 多线：S=nt n头数； 右旋 6）升角：螺旋线与水平线夹角； t t S d2 S d2 7）牙型角 牙型斜角 8）牙的工作高度h 二、各种螺纹的特点、应用二、各种螺纹的特点、应用 自锁条件：

3、升角轴 松配 （受拉应力） 铰制孔螺栓联接 孔=轴 紧配 （受剪应力）从受力来分析 图9-4地脚螺栓联接 书P202 3、安装形式 紧螺栓拧紧；螺母需要拧紧，处于拉伸与扭转复合应力状态下； 松螺栓不拧紧；螺母不需要拧紧，在承受工作载荷之前，螺栓不受 力。例如起重吊钩等；P214 4、螺纹零件 精度等级A、B、C：A级精度最高，通常用C级； 材料热处理 尺寸系列化 标准化 M10100（三角、中径、长度） 四、拧紧四、拧紧 在使用上，绝大多数螺纹联接在装配时都必须拧紧；预紧的目的 在于增强联接的可靠性和紧密性。 预紧力的大小是通过拧紧力矩来控制的。因此，应从理论上找出 预紧力和拧紧力矩之间的关系

4、。 端面摩擦力矩T2 摩擦力矩T1 拧紧力矩T Qp 如图所示，由于拧紧力矩T（T=FL）的作用，使螺栓和被联接 件之间产生预紧力 Qp。由机械原理可知，拧紧力矩T等于螺旋副 间的摩擦阻力矩T1和螺母环形端面和被联接件（或垫圈）支撑面间的 摩擦阻力矩T2之和，即： 其中：kt拧紧系数，0.10.3； Qp预紧力； d螺栓的公称直径； 对于一定公称直径d的螺栓，当所要求的预紧力 Qp已知时，即可 按上式确定扳手的拧紧力矩T。 控制预紧力的方法很多，有以下几种方法： 1、根据经验、伸长、圈数来判断拧紧力的大小； 2、用测力矩扳手、定力矩扳手； 图9-6 测力矩扳手 书P204 图9-6定力矩扳手

5、书P204 五、设计螺栓的方法五、设计螺栓的方法 成组使用， ，应力均匀分布。 Qp SP Fmax= ? 螺栓组受力分析求Fmax ; 单个螺栓的受力分析求Q； 1、受力分析 SPF 总 2、应力分析 3、失效分析 4、材料选择 5、计算准则 6、主要参数计算：d查标准螺栓、螺母、垫片； 7、结构设计l（螺杆长度）根据被联接件的厚度； 习题： 第四章第四章 螺纹零件螺纹零件 一、选择题 1、在常用的螺旋传动中，传动效率最高的螺纹是 。 （1）三角形螺纹；（2）梯形螺纹；（3）锯齿形螺纹；（4）矩 形螺纹； 2、在常用的螺纹联接中，自锁性最好的螺纹是 。 （1）三角形螺纹；（2）梯形螺纹；（3

6、）锯齿形螺纹；（4）矩 形螺纹； 3、当两个被联接件不太厚时，宜采用 。 （1）双头螺柱联接；（2）螺栓联接；（3）螺钉联接；（4）紧 定螺钉联接； 4、当两个被联接件之一太厚，不宜制成通孔，且需要经常拆装时， 往往采用 。 （1）螺栓联接；（2）螺钉联接；（3）双头螺柱联接；（4）紧 定螺钉联接； 4 1 2 3 5、当两个被联接件之一太厚，不宜制成通孔，且联接不需要经常拆 装时，往往采用 。 （1）螺栓联接；（2）螺钉联接；（3）双头螺柱联接；（4）紧 定螺钉联接； 6、在拧紧螺栓联接时，控制拧紧力矩有很多方法，例如 。 （1）增加拧紧力；（2）增加扳手力臂；（3）使用测力矩扳手 或定力矩

7、扳手； 7、螺纹联接预紧的目的之一是 。 （1）增强联接的可靠性和紧密性；（2）增加被联接件的刚性； （3）减小螺栓的刚性； 8、有一汽缸盖螺栓联接，若汽缸内气体压力在02Mpa之间循环变 化，则螺栓中的应力变化规律为 。 （1）对称循环变应力；（2）脉动循环变应力；（3）非对称循 环变应力；（4）非稳定循环变应力； 2 3 1 3 六、螺栓组的受力分析六、螺栓组的受力分析 绝大多数情况下，螺栓都是成组使用的，在这一组中，螺栓规 格完全一致。 进行螺栓组受力分析的目的是：求出受力最大的螺栓及其所受的 力。下面针对几种典型的受载情况，分别加以讨论。 1、受轴向载荷的螺栓组联接、受轴向载荷的螺栓组

8、联接 图1为一受轴向总载荷F的汽缸 盖螺栓组联接。F的作用线与螺栓轴 线平行，根据螺栓的静力平衡及变形 协调条件，每个螺栓所受的轴向工作 载荷为： Z螺栓个数； P F=PS 图1 汽缸盖螺栓组联接 2、受横向载荷的螺栓组联接 Qp F F Ff a）松配（普通螺栓联接） 上图所示为一由螺栓组成的受横向载荷的螺栓组联接。横向载荷 的作用线与螺栓轴线垂直，当采用普通螺栓联接时，靠联接预紧后在 结合面间产生的摩擦力来抵抗横向载荷。 对于普通螺栓联接，应保证联接预紧后，结合面间所产生的最大 摩擦力必须大于或等于横向载荷。 假设各螺栓所需要的预紧力均为Qp，螺栓数目为z，则其平衡条 件为（靠摩擦力与外

9、载荷平衡）： ks防滑系数，1.11.3; Qp F F Ff i结合面数； B）紧配（铰制孔螺栓联接） F 当采用紧配螺栓联接时，靠螺栓杆受剪切和挤压来抵抗横向载 荷。因此，每个螺栓所受的横向工作剪力为： z螺栓数目； 3、受转矩的螺栓组联接 T r1 r3 r4 r2 Qpf Qpf 松配 T r1 r3 r4 r2 Qpf Qpf 紧配 机架 地基 A）松配 当采用普通螺栓时，靠联接预紧 后在结合面间产生的摩擦力矩来抵抗 转矩T。根据作用在底板上的力矩平 衡的条件得： 由上式可得各螺栓所需的预紧力为： 式中：f结合面的摩擦系数； ri第i个螺栓的轴线到螺栓组 对称中心O的距离； z螺栓数

10、目； ks防滑系数，同前。 b)紧配 当采用紧配螺栓时，在转矩T的作用下，各螺栓受到剪切和挤压 作用，则各螺栓的剪切变形量与各该螺栓轴线到螺栓组对称中心O的 距离成正比。即距螺栓组对称中心O越远，螺栓的剪切变形量越大， 其所受的工作剪力也越大。 如图所示，用ri、rmax分别表示第i个螺栓和受力最大螺栓的轴线 到螺栓组对称中心O的距离；Fi、Fmax分别表示第i个螺栓和受力最大 螺栓的工作剪力，则得： 上式可变形为： 根据作用在底板上的力矩平衡的条件得： 把 代入 联解以上两式，可求得受力最大的螺栓的工作剪力为： 4、受倾覆力矩M 机架 地基 M 在M的作用下，轴线左边的螺 栓将受到工作拉力F

11、，而轴线右边 的螺栓的预紧力将减小。根据底板 的静力平衡条件有： 根据螺栓的变形协调条件得知，各 螺栓的工作拉力也与这个距离成正 比，于是有： 各螺栓的工作拉力即可通过联立以上 两式求出。 在图中左边距底板翻转轴线最远的螺栓1和10的工作拉力最大，为： 一般来说，其他型式的螺栓受力也可这样分析，其中有些还是 上述四种的特例或组合。 总总 结结 螺栓组 单个螺栓 轴向轴向力 松配：轴向力Qp 紧配：横向力（假定每个螺栓所受力相同） 松配：轴向力Qp 紧配：横向力（单个螺栓所受力是不等的）（rmax） 轴向力 横向力 横向 转矩 对于单个螺栓来讲只受两个方向的载荷 倾覆力矩轴向力（rmax）翻转半

12、径最大的地方; 例题例题1 平行，均匀分布 F 支架 吊环 解： 例题例题2 某钢制吊架用螺栓组固定在水平钢梁上，螺栓组由四个普通 螺栓组成。 吊 架 FQ FQ M r 1 r 2 r 3 r 2 解：找中心线，向中心简化，向联接中心平移。 有两种基本外载荷：轴向力和倾覆力矩，在倾覆力矩作用下，一边受 拉，另一边受力减小，力臂最大处，载荷最大。 例题3 螺栓组联接的的三种方案如图示，试问哪个方案较好？哪种 螺栓布局更合理？ R RR aa aa r = a F1 F2 F1 F2 R F1 T F 1 - F2 F1 解：(1) a）松配 b）紧配 F1 F2 F1 F2 R T （2）第二

13、种方案 半径为a R F1 F2 F1 F2 Fmax （3）第三种 半径为a，最合理。 同时由三个螺栓来承受转矩T，每个螺栓 F2。 F2是有两个螺栓起作用。用平行四边形法 则，预紧力小。 a) 紧配 横向力比第一种小，要合理一些，所用的 螺栓直径很小。 例题4 试分析图示电动机螺栓联接中受哪几种基本载荷？ RV H H V MH V V MV H H T 解：左、右翻，前、后翻。 同时受横向、轴向、转矩和翻转力矩的作用。 七、失效分析、计算准则七、失效分析、计算准则 轴向、横向载荷无论受何种形式； 受轴向载荷：断裂、塑性变形 受横向载荷：剪断、压溃 断裂 剪断 压溃 pp 失效 计算准则

14、对单个螺栓联接而言，其受力的形式不外乎是受轴向力或受横向力。 对于受拉螺栓，其主要破坏形式是螺栓杆螺纹部分发生断裂， 因而其设计准则是保证螺栓的静力拉伸强度；对于受剪螺栓，其主 要破坏形式是螺栓杆和孔壁间压溃或螺栓杆被剪断，其设计准则是 保证联接的挤压强度和螺栓的剪切强度。 八、单个螺栓的受力分析八、单个螺栓的受力分析 1、受轴向载荷 a)松螺栓联接 松螺栓联接装配时，螺母不需要拧紧。在承受工作载荷之前， 螺栓不受力。例如起重吊钩等的螺纹连接均属此类。 图9-18起重吊钩的松螺栓联接 书P214 现以起重吊钩的螺纹联接为例，说明松螺栓联接的强度计算方 法。如图9-18所示，当联接承受工作载荷F

15、时，螺栓所受的工作拉力 为F，则螺栓危险截面的拉伸强度条件为： F（拉应力） 或 式中：d1螺栓危险截面的直径，mm； 螺栓材料的许用应力，Mpa； b)只受预紧力 紧螺栓联接装配时，螺母需要拧紧，在拧紧力矩作用下，螺 栓除受预紧力Qp的拉伸而产生拉伸应力外，还受螺纹摩擦力矩T1的 扭转而产生扭转剪应力，使螺栓处于拉伸与扭转的复合应力状态下。 螺栓危险截面的拉伸应力为： 螺栓危险截面的扭转剪应力为： 把参数代入上式后可得： 根据第四强度理论，求出螺栓预紧状态下的计算应力为： 由此可得： 由此可见，紧螺栓联接在拧紧时虽是同时承受拉伸和扭转的联 合作用，但在计算时，可以只按拉伸强度计算，并将所受的

16、拉力 （预紧力）增大30%来考虑扭转的影响。 C）受预紧力和轴向外载 Qp 和 F Q=?Qp+F 工作载荷 P F 这种紧螺栓联接承受轴向拉伸工作载荷后，由于螺栓和被联接 件的弹性变形，螺栓所受的总拉力并不等于预紧力和工作拉力之和 。应从分析螺栓联接的受力和变形的关系入手，找出螺栓总拉力的 大小。 图9-19表示单个螺栓联接在承受轴向拉伸载荷前后的受力及变 形情况。 QpQp m b b m Qp Qp F mb p QFQ 图9-19a是螺母刚好拧到和被联接件相接触，但尚未拧紧。此时， 螺栓和被联接件都不受力，因而也不产生变形。 图9-19b是螺母已拧紧，但尚未承受工作载荷。此时，螺栓受预

17、紧 力Qp的拉伸作用，其伸长量为b。相反，被联接件则在Qp的压缩作用 下，其压缩量为m。 图9-19c是承受工作载荷时的情况。当螺栓承受工作载荷后，因 所受的拉力由Qp增至Q而继续伸长，其伸长量增加，总伸长量为 b+。与此同时，原来被压缩的被联接件，因螺栓伸长而被放松， 其压缩量也随着减小。根据联接的变形协调条件，则被联接件压缩 变形的减小量应等于螺栓拉伸变形的增加量。因而，总压缩量为 m=m。而被联接件的压缩力由Qp减至Qp。Qp称为残余预紧 力。 显然，联接受载后，由于预紧力的变化，螺栓的总拉力Q并不 等于预紧力Qp与工作拉力F之和，而等于残余预紧力Qp与工作拉力F 之和。 上述的螺栓和被

18、联接件的受力和变形关系，还可以用线图表示。 图9-20a、b分别表示螺栓和被联接件的受力与变形的关系。由图可 见，在联接尚未承受工作拉力F时，螺栓的拉力和被联接件的压缩力 都等于预紧力Qp。因此，为分析上的方便，可将图9-20a、b，合并 成图9-20c。 力 变形 Qp b b 力 变形 Qp m m 如图9-20d所示，当联接承受工作载荷F时，螺栓的总拉力为Q， 相应的总伸长量b+；被联接件的压缩力等于残余预紧力Qp，相 应的总压缩量为m=m。由图可见，螺栓的总拉力Q等于残余 预紧力Qp与工作拉力F之和，即： 力 变形 Qp b b m m Q F Qp F1 F2 图9-20单个螺栓联接

19、受力变形线图 螺栓的预紧力Qp与残余预紧力Qp、总拉力Q的关系，可由图9- 20中的几何关系推出。由图9-20可得： 式中Cb、Cm分别表示螺栓和被联接件的刚度。 由图9-20d得，螺栓的总拉力为： 螺栓的残余预紧力为： 为了保证联接的紧密性，以防止联接受载后结合面间产生缝隙， 应使Qp0。推荐采用Qp为： 对于有密封性要求的联接： Qp=（1.51.8）F； 对于一般联接，工作载荷稳定： Qp=（0.20.6）F； 工作载荷不稳定时： Qp=（0.61.0）F； 对于地脚螺栓联接： Qp F； 设计时，可先根据连接的受载情况，求出螺栓的工作拉力F；再 根据联接的工作要求选取Qp值；然后按式（

20、9-12）计算螺栓的总拉 力Q。求得Q值后即可进行螺栓强度计算。考虑到螺栓在总拉力Q的 作用下；可能需要补充拧紧，故仿前将总拉力增加30%以考虑扭转 剪应力的影响。 于是螺栓危险截面的拉伸强度条件为： 螺栓总拉力为：Q 补充拧紧产生的螺纹摩擦力矩为：T1 Qp下1.3 Q下1.3 这两个不一样 按照第四强度理论： 或 例题9-1：P219 图9-23 图9-23所示钢制搭接梁用8个螺栓（每侧4个）连接起来。梁的厚度为25mm， 搭板厚度为15mm，梁上的横向静载荷F=40kN，梁与搭板接合面之间的摩 擦因数f=0.15，取过载系数Kf=1.2，装配时不控制预紧力，试分别按钢制普 通螺栓连接和钢

21、制铰制孔用螺栓连接设计此连接，并确定连接件的规格。 习题： 第四章第四章 螺纹零件螺纹零件 一、选择题 8、承受预紧力F的紧螺栓联接在受工作拉力F时，剩余预紧力为F， 其螺栓所受的总拉力F0为 。 （1） ； （2） ； （3） ； （4） ； 9 承受横向载荷或旋转力矩的紧螺栓联接，该联接中的螺栓 。 （1）受剪切作用；（2）受拉伸作用；（3）受剪切和拉伸作用； （4）既可能受剪切又可能受拉伸作用； FFF 0 FFF 0 FFF 0 F CC C FF mb b 0 2 4 10、现有一单个螺栓联接，要求被联接件的结合面不分离，假定螺 栓的刚度Cb与被联接的刚度Cm相等，联接的预紧力为F，

22、现开始对 联接施加轴向载荷，当外载荷达到与预紧力F的大小相等时，则 。 （1）被联接件发生分离，联结失效；（2）被联接件即将发生分离， 联接不可靠；（3）联接可靠，但不能再继续加载；（4）联接可靠， 只要螺栓强度足够，外载荷F还可继续增加到接近预紧力F的两倍； 11、在下列四种具有相同公称直径和螺距并采用相同的配对材料的 传动螺旋副中，传动效率最高的是 。 （1）单线矩形螺纹；（2）单线梯形螺纹；（3）双线矩形螺纹； （4）双线锯齿形螺纹； 12、被联接件受横向载荷作用时，若采用一组普通螺栓联接，则载 荷靠 来传递。 （1）结合面之间的摩擦力；（2）螺栓的剪切和挤压；（3）螺栓的 剪切和被联接

23、件的挤压； 4 3 1 13、设计螺栓组联接时，虽然每个螺栓的受力不一定相等，但对该 组螺栓仍均采用相同的材料、直径和长度，这主要是为了 。 （1）外形美观；（2）购买方便；（3）便于加工和安装； 14、确定紧螺栓联接中拉伸和扭转复合载荷作用下的当量应力时， 通常是按 来进行计算的。 （1）第一强度理论；（2）第二强度理论；（3）第三强度理论； （4）第四强度理论； 15、当采用铰制孔用螺栓联接承受横向载荷时，螺栓杆受到 作 用。 （1）弯曲和挤压；（2）拉伸和剪切；（3）剪切和挤压；（4）扭 转和弯曲； 3 4 3 八、单个螺栓的受力分析八、单个螺栓的受力分析 1、受轴向力 a)松螺栓： b

24、)只受预紧力Qp c)Qp和F（受预紧力和轴向外载） 对于受轴向变载荷的重要联接，除作静强度计算外，还应根据 下述方法，对螺栓的疲劳强度作精确校核。 力 变形 Qp b b m m Q F Qp 0F 螺栓中总拉力的变化 螺栓工作拉力的变化 图5-17承受轴向变载荷的螺栓联接 如图9-21所示，当工作拉力在0F之间变化时，螺栓所受的总 拉力将在QpQ之间变化，则螺栓危险剖面的最大拉应力为： 0/2 0 45 45 a m A D G C 45 试件 零件 -1 -1/K (0/2,0/2) (0/2,0/2K ) r=C m=C min=C 0 a m A D G C M N M 3 N 3 I4 5 min M min N 最小拉应力（注意此时螺栓中的应力变化规律是min保持不变）为： 应力幅为： 设螺栓的工作应力点在OJGI区域内，则其应力线应与极限应 力线AG相交，则可仿下式校核螺栓危险截面的疲劳强度。即： 螺栓的最大应力计算安全系数为： R Lmin