螺纹参数计算

1、第第1010章章 连连 接接 u内容内容 10-1 螺纹参数螺纹参数 10-2 螺旋副的受力分析、效率和自锁螺旋副的受力分析、效率和自锁（重点）（重点） 10-3 机械制造常用螺纹机械制造常用螺纹 10-4 螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件 10-5 螺纹连接的预紧和防松螺纹连接的预紧和防松（重点）（重点） 10-6 螺纹连接的强度计算螺纹连接的强度计算（重点）（重点） 10-7 螺纹的材料和许用应力螺纹的材料和许用应力 10-8 提高螺栓连接强度的措施提高螺栓连接强度的措施 10-9 螺旋传动螺旋传动 10-10 滚动螺旋简介滚动螺旋简介 10-11 键连接和花键

2、连接键连接和花键连接（重点）（重点） 10-12 销联结销联结 常见的连接：常见的连接：由于使用、结构、制造、装配、运输由于使用、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连接。等方面的原因，机器中很多零件需要彼此连接。 v连接的类型：连接的类型： 螺纹连接螺纹连接 键连接、花键连接、销连接键连接、花键连接、销连接 弹性环连接等弹性环连接等 焊接焊接 铆接铆接 粘接粘接 连接连接 可拆连接可拆连接 不可拆连接不可拆连接 本章介绍的内容 第第1010章章 连连 接接 n螺纹的形成：螺纹的形成：将一倾斜角为将一倾斜角为的直线绕在圆住体上便形成一的直线绕在圆住体上便形成一 条螺旋线

3、。如用平面图形三角形条螺旋线。如用平面图形三角形K 沿螺旋线运动并使沿螺旋线运动并使K平面始平面始 终通过圆柱体轴线，就得到三角形螺纹。终通过圆柱体轴线，就得到三角形螺纹。 u同样取平面图形同样取平面图形K的形状如右上角任一图形，可得到矩形、梯的形状如右上角任一图形，可得到矩形、梯 形、锯齿形、管螺纹等。形、锯齿形、管螺纹等。 10-1 10-1 螺纹参数螺纹参数 动画动画 动画动画 10-1 10-1 螺纹参数螺纹参数 n螺纹分类：螺纹分类： n一般分法：一般分法：外螺纹、内螺纹；圆柱螺纹、圆锥螺纹；外螺纹、内螺纹；圆柱螺纹、圆锥螺纹； 左旋螺纹、右旋螺纹。左旋螺纹、右旋螺纹。 n按牙型的不

4、同分为：按牙型的不同分为： n三角螺纹，普通螺纹：三角螺纹，普通螺纹：效率低，易自锁，多用于连效率低，易自锁，多用于连 接。接。 n矩形螺纹、梯形螺纹、锯齿形螺纹：矩形螺纹、梯形螺纹、锯齿形螺纹：效率较高，主效率较高，主 要用于螺旋传动。要用于螺旋传动。 n管螺纹：管螺纹：主要用于管路的连接。主要用于管路的连接。 n根据螺旋线数目分：根据螺旋线数目分：单线螺纹（单线螺纹（n=1），双线螺纹），双线螺纹 （n=2），用于连接；多线螺纹（），用于连接；多线螺纹（n2），用于传动。），用于传动。 一般不超过一般不超过4。 10-1 10-1 螺纹参数螺纹参数 10-1 10-1 螺纹参数螺纹参数 n

5、螺纹的主要参数螺纹的主要参数 n大径大径d d 是螺纹的是螺纹的公称直径公称直径， 与外螺纹牙顶与外螺纹牙顶( (或内螺纹牙底或内螺纹牙底) )相相 重合的假想圆柱体的直径重合的假想圆柱体的直径。 n小径小径d d1 1常用于强度计算常用于强度计算， 与外螺纹牙底与外螺纹牙底( (或内螺纹牙顶或内螺纹牙顶) )相相 重合的假想圆柱体的直径。重合的假想圆柱体的直径。 n中径中径d2d2常用于几何计算常用于几何计算， 一个假想圆柱体的直径，该圆一个假想圆柱体的直径，该圆 柱的母线上牙型沟槽和凸起宽柱的母线上牙型沟槽和凸起宽 度相等。度相等。 n螺距螺距P P 相邻两螺纹牙在中相邻两螺纹牙在中 径线

6、上对应点间的轴向距离。径线上对应点间的轴向距离。 n 线数线数 n ：螺纹的螺旋线数目。螺纹的螺旋线数目。 n 导程导程 S ：沿螺纹上同一条螺旋线转沿螺纹上同一条螺旋线转 一周所移动的轴向距离，一周所移动的轴向距离，S = nP。 n 螺纹升角螺纹升角：中径中径d2圆柱上，螺旋圆柱上，螺旋 线的切线与垂直于螺纹轴线的平面线的切线与垂直于螺纹轴线的平面 的夹角的夹角,如上图如上图 。 n 牙型角牙型角a：在轴向截面内，螺纹牙在轴向截面内，螺纹牙 型两侧边的夹角。型两侧边的夹角。 n 牙侧角牙侧角：在轴向截面内，螺纹牙在轴向截面内，螺纹牙 型一侧边与螺纹轴线的垂线之间型一侧边与螺纹轴线的垂线之间

7、 的夹角。的夹角。 2 nP tg d 10-1 10-1 螺纹参数螺纹参数 n 螺旋副的特点：螺旋副的特点： u 螺旋副作为一种空间运动副，其接触面为螺旋面；螺旋副作为一种空间运动副，其接触面为螺旋面； u 螺纹在旋紧或松开过程中，螺纹之间相对移动；螺纹在旋紧或松开过程中，螺纹之间相对移动； u 当螺杆和螺母之间受到轴向力当螺杆和螺母之间受到轴向力Fa时，拧动螺杆或螺时，拧动螺杆或螺 母，螺旋面间将产生摩擦力。母，螺旋面间将产生摩擦力。 10-2 10-2 螺旋副的受力分析、效率和自锁螺旋副的受力分析、效率和自锁 几个补充概念：几个补充概念： u 机械效率：机械效率：输入功与输出功输入功与输

8、出功 之比。之比。 u 自锁：自锁：当机构无论受多大的当机构无论受多大的 驱动力时都无法运动的现象。驱动力时都无法运动的现象。 u 总反力：总反力：运动副中法向反力运动副中法向反力 与摩擦力的合力，称为运动与摩擦力的合力，称为运动 副中的总反力。副中的总反力。 u 摩擦角摩擦角：总反力与法向反力：总反力与法向反力 之间的夹角。其大小为：之间的夹角。其大小为： 10-2 10-2 螺旋副的受力分析、效率和自锁螺旋副的受力分析、效率和自锁 arctan v f n n 2 d s =n p v FR F y y d2 d d1 y y 矩形螺纹受力分析矩形螺纹受力分析(牙侧角牙侧角=0) u 基本

9、假设：基本假设：载荷分布在中线上；单面产生摩擦力。载荷分布在中线上；单面产生摩擦力。 u 力学模型：力学模型：内外螺纹旋合形成的螺旋副，旋紧或松开时，在内外螺纹旋合形成的螺旋副，旋紧或松开时，在 驱动力矩和轴向载荷作用下的相对运动，可简化为作用在中驱动力矩和轴向载荷作用下的相对运动，可简化为作用在中 径上的水平推力推动滑块沿中径展开的斜面上的运动。径上的水平推力推动滑块沿中径展开的斜面上的运动。 10-2 10-2 螺旋副的受力分析、效率和自锁螺旋副的受力分析、效率和自锁 n n 2 d s =n p v FR F y y u拧紧力矩为：拧紧力矩为： 22 tg() 22 a dd TFFy

10、10-2 10-2 螺旋副的受力分析、效率和自锁螺旋副的受力分析、效率和自锁 1.1.拧紧螺母时相当于滑块沿斜面上升拧紧螺母时相当于滑块沿斜面上升 n拧紧力为：拧紧力为： a ()FF tgy n n 2 d s =n p v FR F y y F FR + 3.自锁条件自锁条件 y y u防松力矩为：防松力矩为： 2.松开螺母时相当于滑块沿斜面等速下滑松开螺母时相当于滑块沿斜面等速下滑 a tg()FFy 22 tg() 22 a dd TFFy 0)(tg a y yFF 10-2 10-2 螺旋副的受力分析、效率和自锁螺旋副的受力分析、效率和自锁 u维持滑块等速运动所需的平衡力（防松力）

11、为：维持滑块等速运动所需的平衡力（防松力）为： F FR - n n 2 d s =n p v FR F y y u式中式中f为当量摩擦系数，即为当量摩擦系数，即 aa a FfF f f F coscos tan(104) cos f f u式中式中=arctanf，为当量摩擦角，为当量摩擦角， 为牙侧角。为牙侧角。 非矩形螺纹受力分析非矩形螺纹受力分析( ( 00) ) u如下图所示，非矩形螺纹的如下图所示，非矩形螺纹的 法向力比矩形螺纹的大。法向力比矩形螺纹的大。 u若把法向力的增加看作摩擦若把法向力的增加看作摩擦 系数的增加，则非矩形螺纹系数的增加，则非矩形螺纹 的摩擦阻力可写为的摩擦

12、阻力可写为 10-2 10-2 螺旋副的受力分析、效率和自锁螺旋副的受力分析、效率和自锁 1.拧紧螺母拧紧螺母 u当滑块沿非矩形螺纹等速上升时，可得水平推力：当滑块沿非矩形螺纹等速上升时，可得水平推力： F=Fatg(+) u相应的拧紧力矩相应的拧紧力矩 2.松开螺母松开螺母 u当滑块沿非矩形螺纹等速下滑时，可得：当滑块沿非矩形螺纹等速下滑时，可得： F=Fatg(-) 相应的防松力矩为相应的防松力矩为 22 tg() 22 a dd TFFy 22 tg() 22 a dd TFFy 10-2 10-2 螺旋副的受力分析、效率和自锁螺旋副的受力分析、效率和自锁 n若螺纹升角若螺纹升角小于当量

13、摩擦角小于当量摩擦角，则螺旋具有自，则螺旋具有自 锁特性，如不施加驱动力矩，无论轴向驱动力锁特性，如不施加驱动力矩，无论轴向驱动力 Fa多大，都不能使螺旋副相对运动。多大，都不能使螺旋副相对运动。 n考虑到极限情况，考虑到极限情况，非矩形螺纹的自锁条件可表非矩形螺纹的自锁条件可表 示为示为 n为了防止螺母在轴向力作用下自动松开，用于为了防止螺母在轴向力作用下自动松开，用于 连接的紧固螺纹必须满足自锁条件。连接的紧固螺纹必须满足自锁条件。 10-2 10-2 螺旋副的受力分析、效率和自锁螺旋副的受力分析、效率和自锁 n螺旋副的效率 n螺旋副的效率是有效功与输入功之比螺旋副的效率是有效功与输入功之

14、比。若按螺旋转动一圈。若按螺旋转动一圈 计算，输入功为计算，输入功为2T，此时升举滑块所作的有效功为，此时升举滑块所作的有效功为FaS， 故螺旋副的效率为故螺旋副的效率为 n由上式可知，当量摩擦角由上式可知，当量摩擦角一定一定 时，效率只是螺纹升角时，效率只是螺纹升角的函数。的函数。 效率曲线如图效率曲线如图10-6所示。令所示。令 d/d=0，可得当，可得当=45/2时时 效率最高。效率最高。 2 2 nP d 2 2tg() 2 tg tg()tg() aa a F SF T F nP d y y yy 10-2 10-2 螺旋副的受力分析、效率和自锁螺旋副的受力分析、效率和自锁 10-2

15、 10-2 螺旋副的受力分析、效率和自锁螺旋副的受力分析、效率和自锁 滑块沿斜面匀速上升（旋紧）滑块沿斜面匀速上升（旋紧）滑块沿斜面匀速下滑（松开）滑块沿斜面匀速下滑（松开） 水平推力水平推力 驱动力矩驱动力矩 效率效率 自锁条件自锁条件 ) (ytgFF a ) ( 2 2 ytg d FT a ) (y y tg tg ) (ytgFF a ) ( 2 2 ytg d FT a y 10-3 10-3 机械制造常用螺纹机械制造常用螺纹 动画动画 10-4 10-4 螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件 n除上述基本类型以外，还有其它特殊连接：如地脚螺除上述基本类型以

16、外，还有其它特殊连接：如地脚螺 栓、吊环螺钉等。栓、吊环螺钉等。 螺纹连接的基本类型螺纹连接的基本类型 螺栓连接螺栓连接 双头螺栓连接双头螺栓连接 螺钉连接螺钉连接 紧定螺钉连接紧定螺钉连接 普通螺栓连接普通螺栓连接 铰制孔螺栓连接铰制孔螺栓连接 螺栓连接的基本类型螺栓连接的基本类型 10-4 10-4 螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件 普通螺栓连接普通螺栓连接 n特点：特点：孔与杆间有孔与杆间有 间隙、被连接件上间隙、被连接件上 无需切制螺纹、装无需切制螺纹、装 拆方便。拆方便。 n适用场合：适用场合：经常装经常装 拆的一般场合。拆的一般场合。 10-4 10-4

17、 螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件 n 螺钉连接螺钉连接 n特点：特点：孔与杆间有孔与杆间有 间隙、被连接件上间隙、被连接件上 需切制螺纹、装拆需切制螺纹、装拆 方便。方便。 n适用场合：适用场合：被连接被连接 件之一较厚，且不件之一较厚，且不 常装拆的场合。常装拆的场合。 10-4 10-4 螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件 n 双头螺栓连接双头螺栓连接 n特点特点：孔与杆间有孔与杆间有 间隙、被连接件上间隙、被连接件上 需切制螺纹、装拆需切制螺纹、装拆 方便。方便。 n适用场合适用场合：用于被用于被 连接件之一较厚、连接件之一较厚、

18、经常装拆的场合。经常装拆的场合。 10-4 10-4 螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件 n 紧定螺钉连接紧定螺钉连接 n适用场合：适用场合：多多 用于轴上零件用于轴上零件 的固定，传递的固定，传递 较小的力。较小的力。 n其他连接其他连接 u地脚螺栓连接、吊环螺栓连接、地脚螺栓连接、吊环螺栓连接、 T T形槽螺栓连接形槽螺栓连接 10-4 10-4 螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件 n螺纹紧固件螺纹紧固件 u螺纹紧固件的种类繁多，有适应面广、用螺纹紧固件的种类繁多，有适应面广、用 量大的量大的通用螺纹紧固件通用螺纹紧固件，还有适应某种需，

19、还有适应某种需 要、具有特殊结构的要、具有特殊结构的专用螺纹紧固件专用螺纹紧固件。 u通用螺纹紧固件已标准化通用螺纹紧固件已标准化。常用的有螺栓、。常用的有螺栓、 双头螺柱、螺钉、紧定螺钉、螺母和垫圈双头螺柱、螺钉、紧定螺钉、螺母和垫圈 等，这类零件的结构型式和尺寸都已标准等，这类零件的结构型式和尺寸都已标准 化，设计时可根据有关标准选用。化，设计时可根据有关标准选用。 10-4 10-4 螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件 10-4 10-4 螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件 动画动画 10-5 10-5 螺纹连接的预紧和防松螺纹连接的预

20、紧和防松 n基本概念基本概念 n预紧：预紧：螺纹连接在装配时通常都要拧紧，这种拧紧称之为螺纹连接在装配时通常都要拧紧，这种拧紧称之为 预紧。预紧。 n紧螺栓连接：紧螺栓连接：装配时预紧的螺栓连接。装配时预紧的螺栓连接。 n松螺栓连接：松螺栓连接：不预紧的螺栓连接。不预紧的螺栓连接。 n预紧的目的：预紧的目的：增加连接的刚度、紧密性，以防止螺纹连接增加连接的刚度、紧密性，以防止螺纹连接 的松脱。拧紧螺母时要克服螺纹副的阻力矩和螺母支承面的松脱。拧紧螺母时要克服螺纹副的阻力矩和螺母支承面 间的摩擦力矩。间的摩擦力矩。 n对于紧螺栓连接，在装配时都要预紧，对于紧螺栓连接，在装配时都要预紧，预紧的目的

21、预紧的目的在于在于增强增强 连接的可靠性和紧密性，以防止受载后被连接件间出现缝隙或连接的可靠性和紧密性，以防止受载后被连接件间出现缝隙或 发生相对滑移发生相对滑移。 n预紧后，螺栓受到的预紧力是通过拧紧力矩获得的。因为预紧预紧后，螺栓受到的预紧力是通过拧紧力矩获得的。因为预紧 力的大小对螺纹连接的可靠性、强度和密封性均有很大的影响，力的大小对螺纹连接的可靠性、强度和密封性均有很大的影响， 因此对于重要的螺纹连接，应控制其预紧力。因此对于重要的螺纹连接，应控制其预紧力。 n拧紧力矩拧紧力矩 n拧紧力矩拧紧力矩T T：是用以克服螺纹副相对是用以克服螺纹副相对 转动的阻力矩转动的阻力矩T1和螺母支承

22、面上的和螺母支承面上的 摩擦阻力矩摩擦阻力矩T2 ，它与预紧力，它与预紧力F0间的间的 关系为：关系为： 12 0 2 0 tg() 2 cf TTT Fd f Fry u式中：式中：rf为支承面摩擦半径，为支承面摩擦半径， rf(dw+d0)/4，其中，其中dw为螺母支承为螺母支承 面的外径，面的外径， d0为螺栓孔直径为螺栓孔直径(如图所示如图所示)。 图图10-15 支承面摩擦阻力矩支承面摩擦阻力矩 10-5 10-5 螺纹连接的预紧和防松螺纹连接的预紧和防松 0 0.2N mmTF d u对于对于M10M68的粗牙螺纹的粗牙螺纹 u 预紧预紧F0值的确定：值的确定：是由螺纹连接的要求来

23、决定的。是由螺纹连接的要求来决定的。 u 为了充分发挥紧固件的工作能力，保证预紧的可靠，为了充分发挥紧固件的工作能力，保证预紧的可靠， 拧紧后螺纹紧固件的预紧应力一般可达到材料屈服极拧紧后螺纹紧固件的预紧应力一般可达到材料屈服极 限限S的的5070%，但不得超过，但不得超过S的的80。对于一般。对于一般 连接用钢螺栓，预紧力可参考下式确定：连接用钢螺栓，预紧力可参考下式确定： 10 10 ) 6 . 05 . 0 ( ) 7 . 06 . 0 ( AF AF s s 合合金金钢钢螺螺栓栓 碳碳素素钢钢螺螺栓栓 10-5 10-5 螺纹连接的预紧和防松螺纹连接的预紧和防松 螺纹大径螺纹大径 螺纹

24、危险螺纹危险 截面面积截面面积 n对于受轴向工作载荷的重要连接和有特殊要求的对于受轴向工作载荷的重要连接和有特殊要求的 螺栓，预紧力应根据其使用实践确定，并在装配螺栓，预紧力应根据其使用实践确定，并在装配 图标注出其预紧力和拧紧力矩，以便安装时控制。图标注出其预紧力和拧紧力矩，以便安装时控制。 n 预紧力预紧力QP的控制：的控制： u测力矩板手测力矩板手测出预紧力矩。测出预紧力矩。 u定力矩板手定力矩板手达到固定的拧紧力矩达到固定的拧紧力矩T时，弹时，弹 簧受压将自动打滑。簧受压将自动打滑。 3.测量预紧前后螺栓伸长量测量预紧前后螺栓伸长量精度较高。精度较高。 10-5 10-5 螺纹连接的预

25、紧和防松螺纹连接的预紧和防松 n螺纹连接的防松螺纹连接的防松 1 1、防松目的（原因）：、防松目的（原因）： u连接用的三角形螺纹都具有自锁性，在静载荷和工连接用的三角形螺纹都具有自锁性，在静载荷和工 作温度变化不大时不会自动松脱。作温度变化不大时不会自动松脱。 u但是在冲击、振动和变载的作用下，预紧力可能但是在冲击、振动和变载的作用下，预紧力可能 在某一瞬间消失，连接仍有可能松脱。在高温或在某一瞬间消失，连接仍有可能松脱。在高温或 温度变化较大时，由于温度变形差异等原因，也可温度变化较大时，由于温度变形差异等原因，也可 能导致连接的松脱。能导致连接的松脱。 u螺栓连接一旦松脱，轻者会影响机器

26、的正常运转，螺栓连接一旦松脱，轻者会影响机器的正常运转， 重者会造成重大事故。因此，为了保证连接可靠，重者会造成重大事故。因此，为了保证连接可靠， 必须采取有效的防松措施。必须采取有效的防松措施。 10-5 10-5 螺纹连接的预紧和防松螺纹连接的预紧和防松 n 防松原理（防松的实质、根本问题）防松原理（防松的实质、根本问题） u防止螺纹副的相对转动。防止螺纹副的相对转动。 n 防松方法防松方法 u螺纹连接防松的方法按工作原理可分为螺纹连接防松的方法按工作原理可分为: 摩擦防松：摩擦防松： 详细介绍详细介绍 弹簧垫圈弹簧垫圈 对顶螺母对顶螺母 尼龙圈锁紧螺母尼龙圈锁紧螺母 开口销和槽形螺母开口

27、销和槽形螺母 圆螺母用带翅垫片圆螺母用带翅垫片 止动垫片止动垫片 机械防松：机械防松： 其它：其它： u破坏螺纹副关系（铆冲、粘接、焊接），排除了螺母破坏螺纹副关系（铆冲、粘接、焊接），排除了螺母 相对螺栓转动的可能。相对螺栓转动的可能。 串联金属丝串联金属丝 自锁螺母自锁螺母 10-5 10-5 螺纹连接的预紧和防松螺纹连接的预紧和防松 n受拉螺栓的失效形式：受拉螺栓的失效形式：螺螺 栓杆的塑性变形或断裂。栓杆的塑性变形或断裂。 其破坏部位及其出现的百其破坏部位及其出现的百 分比见右图。分比见右图。 n受剪螺栓的失效形式：受剪螺栓的失效形式：螺螺 栓杆和孔壁间压溃或螺栓栓杆和孔壁间压溃或螺栓

28、 杆被剪断。杆被剪断。 10-6 10-6 螺栓连接的强度计算（重点）螺栓连接的强度计算（重点） 普通螺栓连接普通螺栓连接 （受拉螺栓）（受拉螺栓） 铰制孔螺栓连接铰制孔螺栓连接 （受剪螺栓）（受剪螺栓） 轴向拉力轴向拉力 剪切力剪切力 u螺栓连接螺栓连接 松螺栓连接松螺栓连接 紧螺栓连接紧螺栓连接 65% 20%15% n螺栓的受力螺栓的受力 n螺栓的失效形式螺栓的失效形式 n螺栓连接的设计方法螺栓连接的设计方法 u根据约束根据约束强度条件强度条件确定螺栓确定螺栓(或螺钉、双头螺柱或螺钉、双头螺柱)的大径。的大径。 根据螺栓连接的受力情况，通过分析，确定其所属类根据螺栓连接的受力情况，通过分

29、析，确定其所属类 型，然后计算出受力最大螺栓的拉力或剪力，即可按型，然后计算出受力最大螺栓的拉力或剪力，即可按 强度条件计算出螺栓的小径强度条件计算出螺栓的小径d1(或螺栓杆直径或螺栓杆直径d0)。由。由 所计算出的所计算出的d1或或d0，根据标准即可查出相应的螺栓大，根据标准即可查出相应的螺栓大 径径d。 u由螺栓大径由螺栓大径d ，根据标准，查出全部螺纹连接件的尺寸，根据标准，查出全部螺纹连接件的尺寸 和相应的代号。和相应的代号。 u完成设计。完成设计。 10-6 10-6 螺栓连接的强度计算螺栓连接的强度计算（重点）（重点） n松螺栓连接松螺栓连接 n当承受轴向工作载当承受轴向工作载 荷

30、荷Fa(N)时，其强度时，其强度 条件为条件为 设计公式：设计公式： a F d 4 1 )1110( 4 2 1 d Fa 计算出计算出d d1 1后，再按标准查选螺纹的公称直径。后，再按标准查选螺纹的公称直径。 10-6 10-6 螺栓连接的强度计算螺栓连接的强度计算（重点）（重点） Fa Fa 分析分析 n紧螺栓连接紧螺栓连接 4 2 1 d Fa 2 12 32 111 tg() 2 2 tg() 164 a a t Fd FTd ddWd y y 工件工件 受压受压(Fa) 当当拧紧拧紧时时 螺栓螺栓受拉受拉(Fa) 拉力拉力Fa 扭矩扭矩T1 复合应力复合应力 拉应力拉应力 e当量

31、应力当量应力 扭剪应力扭剪应力 第四强度理论第四强度理论 22 3 e 10-6 10-6 螺栓连接的强度计算螺栓连接的强度计算（重点）（重点） n对于对于M10M68的普通螺纹，取的普通螺纹，取d1、d2和和的平均值，并的平均值，并 取取tg=f=0.15，得，得0.5。则当量应力。则当量应力e为为 n故螺栓螺纹部分的强度条件为故螺栓螺纹部分的强度条件为 3 . 15 . 033 2222 ）（ e )1210( 4 3 . 1 2 1 d Fa e 考虑扭剪应力考虑扭剪应力 设计公式：设计公式： a F d 3 . 14 1 10-6 10-6 螺栓连接的强度计算螺栓连接的强度计算（重点）

32、（重点） 1. 1. 受横向工作载荷受横向工作载荷F F的螺栓强度的螺栓强度 根据根据d1d1，按标准查选螺纹的公称直径。，按标准查选螺纹的公称直径。 4 3 . 1 2 1 d Fa e a F d 3 . 14 1 0a CF FF mf 受受 横横 向向 工工 作作 载载 荷荷 F F 的的 螺螺 栓栓 强强 度度 10-6 10-6 螺栓连接的强度计算螺栓连接的强度计算（重点）（重点） u 可靠性系数可靠性系数 C=1.11.3， um为接合面数目。为接合面数目。 n从上式可以计算，当摩擦系数从上式可以计算，当摩擦系数f =0.15、可靠性、可靠性 系数系数C=1.2、 结合面数目结合

33、面数目m =1时，时，F08F。即预。即预 紧力应为横向工作载荷的紧力应为横向工作载荷的8倍，所以螺栓连接靠倍，所以螺栓连接靠 摩擦力来承担横向载荷时，其尺寸是较大的。摩擦力来承担横向载荷时，其尺寸是较大的。 n为了避免上述缺点，可用键、套筒或销承担横为了避免上述缺点，可用键、套筒或销承担横 向工作载荷，而螺栓仅起连接作用，如下图。向工作载荷，而螺栓仅起连接作用，如下图。 （重点）（重点） 10-6 10-6 螺栓连接的强度计算螺栓连接的强度计算（重点）（重点） n也可以采用螺杆与孔之间没有间隙的也可以采用螺杆与孔之间没有间隙的铰制孔用螺栓铰制孔用螺栓来承受横向载来承受横向载 荷，这些减载装置

34、中的键、套筒、销和铰制孔用螺栓可按受剪切荷，这些减载装置中的键、套筒、销和铰制孔用螺栓可按受剪切 和受挤压进行强度核算、许用切应力和受挤压进行强度核算、许用切应力和许用挤压应力和许用挤压应力P 见表见表 10-6。 n铰制孔用螺栓受力特点：铰制孔用螺栓受力特点：螺栓受载前后不需预紧，横向载荷靠螺栓受载前后不需预紧，横向载荷靠 螺栓杆与螺栓孔壁之间的相互挤压传递。螺栓杆与螺栓孔壁之间的相互挤压传递。 n挤压强度条件：挤压强度条件： P min0 P Ld F 剪切强度条件：剪切强度条件： md F 2 0 4 10-6 10-6 螺栓连接的强度计算螺栓连接的强度计算（重点）（重点） n如下图所示

35、的气缸盖上的连接即属此种类型。设缸内流体压强为如下图所示的气缸盖上的连接即属此种类型。设缸内流体压强为p， 螺栓数为螺栓数为z，则缸体周围每个螺栓平均承受的轴向工作载荷为，则缸体周围每个螺栓平均承受的轴向工作载荷为 n虽然，这种螺栓是在受预紧虽然，这种螺栓是在受预紧 力力F0 的基础上，又受工作拉的基础上，又受工作拉 力力FE 。但是，螺栓的总拉力。但是，螺栓的总拉力 FaF0FE 。为什么？。为什么？ z pD FE 4 2 D 0 FE FE 受轴向工作载荷的螺栓强度受轴向工作载荷的螺栓强度 u下面分析受下面分析受预紧力预紧力F0 和和 工作拉力工作拉力FE 。作用时，。作用时， 螺栓的螺

36、栓的受力与变形关系。受力与变形关系。 10-6 10-6 螺栓连接的强度计算螺栓连接的强度计算（重点）（重点） 10-6 10-6 螺栓连接的强度计算螺栓连接的强度计算（重点）（重点） 动画动画 b0 力力 螺栓变形螺栓变形 F0 力力 被连接被连接 件变形件变形 F0 c0 u工作载荷工作载荷F FE E和残余预紧力和残余预紧力F FR R一起作用在螺栓上，所以螺一起作用在螺栓上，所以螺 栓的总拉伸载荷为栓的总拉伸载荷为：F Fa a= F= FE E + F + FR R 10-6 10-6 螺栓连接的强度计算螺栓连接的强度计算（重点）（重点） 力力 变形变形 F0 C0b0 Fa FC

37、FR FE Fb 单个紧螺栓连接受力变形图单个紧螺栓连接受力变形图 n螺栓刚度：螺栓刚度： kb F0 /b （受力与变形之比）（受力与变形之比） n被连接件刚度：被连接件刚度：kc F0 /c0 n受工作载荷后，螺栓及被连接件均产生变形，受工作载荷后，螺栓及被连接件均产生变形， 且满足变形协调条件：且满足变形协调条件： b= c = Fb= kb ， Fc= kc 而而 FE = Fb+ Fc = kb + kc cb E kk F 10-6 10-6 螺栓连接的强度计算螺栓连接的强度计算（重点）（重点） b aEREE bc k FFFFF kk 螺栓总拉力螺栓总拉力: 工件残余预紧力工件

38、残余预紧力: 0 c RE bc k FFF kk u 螺栓的相对刚度螺栓的相对刚度 ：与螺栓及被连接件螺栓及被连接件 的材料、尺寸和结构有关，的材料、尺寸和结构有关，见下表见下表 。 cb b kk k 10-6 10-6 螺栓连接的强度计算螺栓连接的强度计算（重点）（重点） 垫片类别垫片类别 金属垫片或金属垫片或 无垫片无垫片 皮革皮革 垫片垫片 铜皮石棉铜皮石棉 垫片垫片 橡胶橡胶 垫片垫片 0.20.30.70.80.9 cb b kk k v设计步骤设计步骤: : (1)求单个连接的工作载荷求单个连接的工作载荷FE (2)按工作要求定残余预紧力按工作要求定残余预紧力FR 4 3 .

39、1 2 1 d Fa e (3)求求Fa： ： Fa = FR FE (4) 根据螺栓强度计算根据螺栓强度计算d1，查表确定，查表确定d FE地脚螺栓连接地脚螺栓连接 1.51.8 FE有紧密性要求有紧密性要求 0.61.0 FE0.20.6 FE 工作载荷变化工作载荷变化工作载荷稳定工作载荷稳定 一般连接一般连接 a F d 3 . 14 1 结构设计结构设计 10-6 10-6 螺栓连接的强度计算螺栓连接的强度计算（重点）（重点） u注意：注意：若轴向工作载荷若轴向工作载荷FE在在0 FE间周间周 期性变化，则螺栓所受总拉伸载荷应在期性变化，则螺栓所受总拉伸载荷应在 F0 Fa间变化。受变

40、载荷螺栓的粗略计间变化。受变载荷螺栓的粗略计 算可按总拉伸载荷算可按总拉伸载荷Fa进行，其强度条件进行，其强度条件 仍为式仍为式(10-12)，所不同的是许用应力应，所不同的是许用应力应 按表按表10-6和表和表10-7在变载荷项内查取。在变载荷项内查取。 10-6 10-6 螺栓连接的强度计算螺栓连接的强度计算（重点）（重点） 10-7 10-7 螺栓的材料和许用应力螺栓的材料和许用应力 u螺栓的常用材料为螺栓的常用材料为Q215、Q235、 10、 35和和45钢，重要和特殊用途的螺纹连接钢，重要和特殊用途的螺纹连接 件可采用件可采用15Cr、40Cr、30CrMnSi等力等力 学性能较高

41、的合金钢。这些材料的力学学性能较高的合金钢。这些材料的力学 性能见表性能见表9-1。螺纹连接的许用应力及。螺纹连接的许用应力及 安全系数见表安全系数见表10-6和表和表10-7。 u螺纹连接件的性能等级如下表。螺纹连接件的性能等级如下表。 10-7 10-7 螺栓的材料和许用应力螺栓的材料和许用应力 表表10-710-7 表表10-610-6 表表10-710-7 10-7 10-7 螺栓的材料和许用应力螺栓的材料和许用应力 10-8 10-8 提高螺栓连接强度的措施提高螺栓连接强度的措施 n螺栓的失效形式：螺栓的失效形式：受拉时为塑性变形、断裂，受剪时为压溃或剪断。受拉时为塑性变形、断裂，受

42、剪时为压溃或剪断。 n螺栓连接承受轴向变载荷时，其损坏形式多为螺栓杆部分的疲劳断螺栓连接承受轴向变载荷时，其损坏形式多为螺栓杆部分的疲劳断 裂，通常都发生在应力集中较严重之处，即螺栓头部、螺纹收尾部裂，通常都发生在应力集中较严重之处，即螺栓头部、螺纹收尾部 和螺母支承平面所在处的螺纹。和螺母支承平面所在处的螺纹。 n螺栓连接的强度主要取决于螺栓的强度，提高螺栓强度有以下几种螺栓连接的强度主要取决于螺栓的强度，提高螺栓强度有以下几种 措施：措施： 一、降低螺栓总拉伸载荷一、降低螺栓总拉伸载荷F Fa a的变化范围的变化范围 u螺栓所受的轴向工作载荷螺栓所受的轴向工作载荷FE在在0 FE 间变化时

43、，拉伸总间变化时，拉伸总 拉伸载荷拉伸载荷Fa的变化范围为的变化范围为F0 螺栓刚度螺栓刚度kb和被连接件刚度和被连接件刚度kc对对Fa变化范围的影响如图所示。变化范围的影响如图所示。 ， cb b E kk k FF 0 10-8 10-8 提高螺栓连接强度的措施提高螺栓连接强度的措施 动画动画 a.柔性螺栓柔性螺栓b.弹性元件弹性元件 u由此可见，受变载荷作用的螺栓，其应力也在一定的幅由此可见，受变载荷作用的螺栓，其应力也在一定的幅 度内变动度内变动，减小螺栓刚度减小螺栓刚度或或增大被连接件刚度增大被连接件刚度等皆可以等皆可以 使螺栓的应力变化幅度减小。使螺栓的应力变化幅度减小。 1.1.

44、减小螺栓刚度的方法减小螺栓刚度的方法 10-8 10-8 提高螺栓连接强度的措施提高螺栓连接强度的措施 2.增大被连接件刚度的方法增大被连接件刚度的方法 a.金属垫片金属垫片b.密封环密封环 10-8 10-8 提高螺栓连接强度的措施提高螺栓连接强度的措施 二、改善螺纹牙间的载荷分配二、改善螺纹牙间的载荷分配 n轴向载荷在旋合螺纹各圈间的分布是不均匀的，旋合圈数越多，轴向载荷在旋合螺纹各圈间的分布是不均匀的，旋合圈数越多， 载荷分布不均的程度也越显著。所以，载荷分布不均的程度也越显著。所以，采用圈数多的厚螺母，并采用圈数多的厚螺母，并 不能提高连接强度不能提高连接强度。（。（动画动画） u导致

45、旋合螺纹牙各圈受力不均的原因是螺杆受拉变长而螺导致旋合螺纹牙各圈受力不均的原因是螺杆受拉变长而螺 母受压变短。母受压变短。 10-8 10-8 提高螺栓连接强度的措施提高螺栓连接强度的措施 u改善螺纹牙载荷分布的措施是采用均载螺母。改善螺纹牙载荷分布的措施是采用均载螺母。 10-8 10-8 提高螺栓连接强度的措施提高螺栓连接强度的措施 三、减小应力集中三、减小应力集中 10-8 10-8 提高螺栓连接强度的措施提高螺栓连接强度的措施 四、避免附加弯曲应力四、避免附加弯曲应力 u由于设计、制造或安装上的疏忽，有可能使螺栓受到由于设计、制造或安装上的疏忽，有可能使螺栓受到 附加弯曲应力，这对螺栓

46、疲劳强度助影响很大，应设附加弯曲应力，这对螺栓疲劳强度助影响很大，应设 法避免。法避免。 u利用凸台、沉头座或斜垫圈等结构，可避免附加弯曲利用凸台、沉头座或斜垫圈等结构，可避免附加弯曲 应力。应力。 u见书见书P151图图10-29 u另外，在制造工艺上采取冷镦头部和辗压螺纹的螺栓，另外，在制造工艺上采取冷镦头部和辗压螺纹的螺栓， 其疲劳强度比车制螺栓约高其疲劳强度比车制螺栓约高30，氰化、氮化等表面硬，氰化、氮化等表面硬 化处理也能提高疲劳强度。化处理也能提高疲劳强度。 10-8 10-8 提高螺栓连接强度的措施提高螺栓连接强度的措施 10-10-1111 键连接和花键连接键连接和花键连接

47、n键和花键连接是最常用的轴毂连接方式，属于可拆连接。键和花键连接是最常用的轴毂连接方式，属于可拆连接。键主键主 要用来实现轴和轴上零件之间的周向固定以传递转矩。有些类要用来实现轴和轴上零件之间的周向固定以传递转矩。有些类 型的键还可实现轴上零件的轴向固定或轴向移动。型的键还可实现轴上零件的轴向固定或轴向移动。 一、键连接的类型一、键连接的类型 u键连接的类型有键连接的类型有： 松连接松连接 紧连接紧连接 键连接键连接 平键平键 半圆键半圆键 斜键斜键 切向键切向键 键都是标准件，其尺寸和键槽尺寸都有国家标准。键都是标准件，其尺寸和键槽尺寸都有国家标准。 键连接1 1平键连接平键连接 v平键的两

48、侧面是工作面，平键的两侧面是工作面， 上表面与轮毂上的键槽底上表面与轮毂上的键槽底 面之间留有间隙面之间留有间隙。靠键与。靠键与 键槽侧面的相互挤压来传键槽侧面的相互挤压来传 递转矩。递转矩。 v特点：特点：结构简单，装拆方结构简单，装拆方 便，对中性好。便，对中性好。 平键平键 普通平键普通平键： 导向平键导向平键 滑键滑键 用于静连接，用于静连接，应用极为广泛应用极为广泛。 用于用于动连接动连接。 10-10-1111 键连接和花键连接键连接和花键连接 键连接键连接 2 2 2半圆键连接半圆键连接 10-10-1111 键连接和花键连接键连接和花键连接 键连接3 3楔键连接楔键连接 v楔键

49、的上、下面为工楔键的上、下面为工 作面作面，键的上表面及，键的上表面及 轮毂键槽底面均有轮毂键槽底面均有 1:100 的斜度。工作时，的斜度。工作时， 键的上下面分别与轮键的上下面分别与轮 毂和轴的键槽底面相毂和轴的键槽底面相 互压紧。互压紧。 v特点：特点：结构简单，装拆方便，能承受单向的轴向力。但对结构简单，装拆方便，能承受单向的轴向力。但对 中性很差。中性很差。 v常用于低速、轻载和对中性要求不高的场合。常用于低速、轻载和对中性要求不高的场合。 10-10-1111 键连接和花键连接键连接和花键连接 v由两个斜度为由两个斜度为1:100的楔键组成。一个切向键只能传递的楔键组成。一个切向键

50、只能传递 一个方向的转矩，传递双向转矩时，须用互成一个方向的转矩，传递双向转矩时，须用互成120 130角的两个键。角的两个键。 v特点：特点：承载能力很大，但对中性差。承载能力很大，但对中性差。 v常用于对中精度要求不高的重型机械中。常用于对中精度要求不高的重型机械中。 键连接4 4切向键切向键 二、平键的选择和强度校核二、平键的选择和强度校核 1键的尺寸选择键的尺寸选择 平键的截面尺寸平键的截面尺寸 bh： 根据轴径根据轴径 d 由标准中查得；由标准中查得； 键长键长 L：应略短于轮毂的宽度，并符合标准中规定的尺：应略短于轮毂的宽度，并符合标准中规定的尺 寸系列。寸系列。 导向平键的长度根

51、据轮毂宽度及滑动距离确定。导向平键的长度根据轮毂宽度及滑动距离确定。 10-10-1111 键连接和花键连接键连接和花键连接 键连接 v普通普通平键连接平键连接（静连接）（静连接）工作时的主要失效形式为组成连工作时的主要失效形式为组成连 接的键、轴和轮毂中强度较弱材料接的键、轴和轮毂中强度较弱材料表面的压溃表面的压溃，极个别情，极个别情 况下也会出现况下也会出现键被剪断键被剪断的现象。通常只须按工作面上的的现象。通常只须按工作面上的挤挤 压强度压强度进行计算。进行计算。 键被剪断键被剪断 2平键连接的强度校核平键连接的强度校核 10-10-1111 键连接和花键连接键连接和花键连接 键连接5 v静连接的挤压强度静连