十六章 螺纹连接及螺旋传动设

1、第16章 螺纹连接与螺旋传动 16-1 螺纹 16-2 螺纹连接(1、2（22）) 16-3 单个螺栓连接的强度计算（17） 16-4 螺栓组连接的设计(17) 16-5 提高螺栓连接强度的措施(9) 作业：10-110-17(3)中径d2- d1d2d(1)大径d-(2) 小径 d1- (4)牙型角 - Sp二、螺纹的主要参数16-1 螺纹即螺纹的公称直径。用于强度计算。用于几何计算。轴向截面内， (5)牙侧角 - 螺纹牙型的侧螺纹牙型两侧边的夹角 。边与螺纹轴线的垂线间夹角。一、螺纹连接的基本类型16-2 螺纹连接 一、螺纹连接的主要类型1、螺栓连接：普通螺栓连接铰制孔螺栓连接16-2 螺

2、纹连接FFFF受拉螺栓受剪螺栓适用于两薄形零件连接（受拉螺栓连接）（受剪螺栓连接）l1 12.螺纹余留长度l1 静载荷l1=(0.30.5)d;变载荷l1=0.75d;dd0普通螺栓连接（受拉螺栓）结构：1.dd受力失效：受剪力剪断受挤压压溃工艺：特点：dsd16-2 螺纹连接1.螺栓杆与孔有配合关系（过渡或过盈配合)先钻后铰装拆不方便， 主要承受横向载荷16-2 螺纹连接2、双头螺柱连接螺钉连接：工艺： 被连接件一件光孔，受力失效：特点：双头螺柱：d16-2 螺纹连接适用于被连接件之一较厚，不宜制成通孔的场合。3、螺钉连接受拉塑性变形断裂一件螺纹孔不可经常装拆可经常装拆应用：16-2 螺纹连

3、接16-2 螺纹连接16-2 螺纹连接4、紧定螺钉连接 用来固定两个零件的相对位置，受力较小工艺：特点：16-2 螺纹连接 除上述连接的基本类型外，在机器中，还有一些特殊结构的螺纹连接。如：T型槽螺栓连接、吊环螺钉连接和地脚螺栓连接等。说明是辅助定位，不经常装拆， 轴毂轻载连接靠摩擦力，一件加工螺纹孔，功用：另一件配加工锥孔。二、标准螺纹连接件 螺纹连接的类型很多，在机械制造中常见的螺纹连接件的结构型式和尺寸都已经标准化，设计时可以根据有关标准选用。 16-2 螺纹连接 螺纹连接件分为三个精度等级，其代号为A、B、C。其中C级用于一般的螺纹连接。 1、预紧力：增强连接的可靠性和紧密性；提高连接

4、的刚度；提高螺栓在变载荷下的疲劳强度。 拧紧后螺纹连接件的预紧应力不得超过其材料的屈服极限ss的80%。 2、预紧的目的： 3、预紧力的确定原则：16-2 螺纹连接碳素钢螺栓10)7 . 06 . 0(AFSs合金钢螺栓10)6 . 05 . 0(AFSs4211dA-螺栓危险截面面积 三、螺栓连接的预紧大多数螺纹连接在装配时都需要拧紧，使之在承受工作载荷之前，预先受到力的作用，这个预加作用力称为预紧力。一般标准扳手的长度L 15d，若拧紧力为F，则T=FL。所以，对于直径小的螺栓，拧紧时很可能过载拉断。 4、预紧力和预紧力矩之间的关系： 注意：16-2 螺纹连接FL对于重要的连接，应尽可能不

5、采用直径过小(M12)的螺栓。0.275TF dFF则20015000FNFN若，则16-2 螺纹连接 5、预紧力的控制：测力矩扳手 定力矩扳手测定螺栓伸长测力矩扳手定力矩扳手 螺纹连接一般都能满足自锁条件不会自动松脱。但在冲击、振动或变载荷作用下，或在高温或温度变化较大的情况下，螺纹连接中的预紧力和摩擦力会逐渐减小或可能瞬时消失，导致连接失效。 16-2 螺纹连接四、螺纹连接的防松1. 利用摩擦力防松弹簧垫圈对顶螺母防松的根本问题：尼龙圈锁紧螺母防松方法：16-2 螺纹连接在于防止螺旋副相对转动。摩擦防松、机械防松、其它防松开口销与六角开槽螺母2. 机械防松16-2 螺纹连接5圆螺母加止动垫

6、片16-2 螺纹连接止动垫片16-2 螺纹连接串联钢丝动画演示16-2 螺纹连接冲点防松法用冲头冲23点11.5p粘合法防松涂粘合剂3. 其他方法防松16-2 螺纹连接焊点法防松16-2 螺纹连接受拉螺栓连接 一、连接的失效形式与计算准则16-3 单个螺栓连接的强度计算失效：失效：20%65%15%计算准则：计算准则：满足强度条件，满足强度条件，不出现连接失效。不出现连接失效。 受拉螺栓：受拉螺栓： 受剪螺栓：受剪螺栓： 连接失效：连接失效：塑性变形、塑性变形、 疲劳断裂疲劳断裂剪断、剪断、 压溃压溃滑移、滑移、离缝离缝通过大量破坏零件的分析发现螺栓连接很少通过大量破坏零件的分析发现螺栓连接很

7、少发生静强度破坏，约发生静强度破坏，约90%90%属于疲劳破坏。破属于疲劳破坏。破坏一般只发生在两三个部位坏一般只发生在两三个部位计算分类：计算分类：受横向工作载荷的紧螺栓连接受剪螺栓连接松螺栓连接紧螺栓连接： 受轴向工作载荷的紧螺栓连接F214d16-3 单个螺栓连接的强度计算1、松螺栓连接强度计算F 螺栓所受工作拉力为F，则强度条件为：s-校核公式 sFd41-设计公式F二、受拉螺栓连接强度计算 其中：d1-螺纹小径； -许用拉应力 s（1）仅受预紧力的紧螺栓连接(靠摩擦力承受横向载荷）214Fds预紧力引起的拉应力：2v131tan()216TdFTWd螺牙间的摩擦力矩引起的扭转剪应力：

8、 ca211.34Fdss强度条件：22ca3ss根据第四强度理论，拉扭组合的当量应力:16-3 单个螺栓连接的强度计算RF223(0.5 )1.3sss 14 1.3Fd s2、紧螺栓连接强度计算FRF0.5sfRKFFfm 预紧力预紧力 ：不滑移条件：Kf-防滑(可靠性)系数，常取Kf =1.11.3 若取 f =0.15， Kf =1.2, m=1, 则： 8FR 结构尺寸大！结构尺寸大！FRFRFRFR/2FR/2f Fm16-3 单个螺栓连接的强度计算FFRFFF预紧力所产生的摩擦力应大于横向载荷FR。 m-接合面数f-摩擦系数fK 改进措施：改进措施：16-3 单个螺栓连接的强度计

9、算RF/ 2RF/ 2RF 1. 采用键、 2. 采用无间隙的铰制孔螺栓。套筒、销承担横向工作载荷。（2） 受轴向工作载荷的紧螺栓连接 zpDF42以气缸盖为例：要解决的问题：要解决的问题：Dp16-3 单个螺栓连接的强度计算FF设流体压强为p，螺栓数目为z，则缸体周围每个螺栓的平均载荷为：螺栓受到的总载荷F0=?预紧力F=? 受载后才不漏气? 2 1 FFFFFF加预紧力F 后加载F后 螺栓总伸长量增加为： 1+ 被连接件压缩量减少为： 2- 预紧力减小为：残余预紧力F 螺栓受到的总拉力为：F0=F+F螺栓受拉伸长 1被连接件受压缩短 2螺母未拧紧螺母已拧紧已承受工作载荷16-3 单个螺栓连

10、接的强度计算动画演示 1 被连接件变形力螺栓变形力F0FFF 2变形力F 1 2 1 2F F222tanFC-螺栓的刚度-被连接件的刚度FCCCFF212 FCCCFFFF2110 16-3 单个螺栓连接的强度计算111tanCFFCCC211FCCC212211CCC称为螺栓的相对刚度；表(16-3)，取值0-1。1212211CCCCCC16-3 单个螺栓连接的强度计算说明说明当C2C1时，0211CCC 即螺栓受总拉力较小；，F0 F ，当C20F无变化时，F= (0.20.6) FF有变化时，F= (0.61) F有密封要求时，F= (1.51.8) Fq强度条件：变载荷下螺栓的疲劳

11、强度计算静载荷下螺栓的强度计算：F 变形力F0FF F表16-6a、b、c0F1.3 ss112212/4CFCCd as（变应力强度条件）204d msFsF0 1d h三、受剪螺栓连接强度计算 这种连接是利用铰制孔用螺栓抗剪切来承受载荷的。螺栓杆与孔壁之间无间隙，接触表面受挤压。在连接结合面处受剪切。预紧力较小，一般忽略不计。螺栓杆与孔壁的挤压强度条件为：螺栓杆的剪切强度条件为：式中： Fs螺栓所受的横向工作载荷； d0螺栓剪切面的直径（可取螺栓孔直径）； Lmin螺栓杆与孔壁挤压面的最小高度。 m 螺栓抗剪面数目PsFsFsd0Lh1l1 116-3 单个螺栓连接的强度计算Psd0d0h

12、1h1 国家标准规定螺纹连接件按材料的力学性能分出等级。四、螺纹连接件材料16-3 单个螺栓连接的强度计算500MPa, 100min点前数字Bs螺栓、螺柱、螺钉的强度级别为10级：3.6 4.6 4.8 5.6 5.8 6.8 8.8 9.8 10.9 12.9 10mins点后数字点前数字S例如：5.6级minBsminSs7300MPa16-3 单个螺栓连接的强度计算 螺母的强度级别为7级：4 5 6 8 9 10 12100mins数字B7 螺纹连接件的许用应力（表16-4、5、6abc、7）选用螺母的性能级别应不低于与其相配的螺栓的性能级别。因此我们只需计算螺栓的强度，不需要计算螺母

13、注：1受横向载荷的螺栓组连接 FRb)a)FRFRFR （1）普通螺栓（图a）fF fRK FFfzm 或式中：f-接合面的摩擦系数；m-接合面数，（图a)中，m=2）；Kf-防滑系数，设计中可取Kf =1.11.3。强度条件： ca211.3/ 4Fdss16-4 螺栓组连接的设计zfKRFm0mind LsF204dsFPs （2）铰制孔螺栓（图b） 式中：z为螺栓数目。1受横向载荷的螺栓组连接sF 强度条件：剪切强度:Ps挤压强度:每个螺栓所受工作剪力为：16-4 螺栓组连接的设计RFzFRb)a)FRFRFR 式中：ri-第i个螺栓的轴线至螺栓组对称中心 o的距离； （1） 普通螺栓（

14、受拉螺栓）：2受转矩的螺栓组连接16-4 螺栓组连接的设计TfK12zF frF frF fr1fziiK TFfr强度条件： 211.34Fdssf-接合面的摩擦系数。TOrifFfFmaxFmaxF204d剪切强度： 由(a)、(b)可求出最大工作载荷：TO16-4 螺栓组连接的设计1zi iiFr (2)铰制孔用螺栓(受剪螺栓）ZiirTrF12maxmax剪切变形 i ri剪切刚度常数iiiFC(b)- maxmax2211rFrFrFrFiiriFirmaxFmax静力平衡条件：变形协调条件：Ps若r1=r2=r时：（圆形分布） zrTF 原则：原则：ri尽可能相同， ri尽可能大P

15、s0mind L挤压强度： -(a)T3受轴向载荷的螺栓组连接每个螺栓所受轴向工作载荷为： 通常，各个螺栓还承受预紧力F的作用，当连接要有保证的残余预紧力为F时，每个螺栓所承受的总载荷F0为： F0 = F + FzFF 0211.34Fdss强度条件：F F16-4 螺栓组连接的设计只能采用普通螺栓。螺栓均匀分布于D=160mm的圆周上，螺栓材料为35钢，性能等级为5.8级。若采用普通螺栓联接如图，两半联轴器间的摩擦因素1h2hf 61.20 10TN mm例16-2图2-20所示为凸缘联轴器。已知联轴器材料为HT200，传递的转矩，静载荷。两个半联轴器用4个螺栓联接在一起， ，联接的可靠性

16、系数K=1.2，试确定螺栓的直径。解：这种联接靠摩擦力传递载荷，在此联接中，螺栓只受预紧力作用，计算步骤如下：确定螺栓材料的力学性能，螺栓的抗拉确定 由螺栓性能等级5.8级，知500bMPas400sMPas2.求单个螺栓的受力61.20 103750160422RTFNNDZ1.2 37500.15 1RKFFNfm 43 10 N单个螺栓联接所受的横向载荷单个螺栓的预紧力3.求螺栓直径0.15(1) 不控制预紧力（试算法）初选M24mm螺栓，120.752dmm,安全系数， 4003.14sMPaSss127MPa螺栓的许用应力 414 1.34 1.3 3 10127Fdmm s 19.

17、774mm计算螺纹小径由上述计算知，M24mm螺栓满足使用要求 与初选螺栓的1d（注意：如果计算的则应重选螺栓直径进行计算，直到两者相近，方能基本满足使用要求，此即工程上常用的试算法）相差较多，(2) 控制预紧力安全系数由表，在静载荷下取较小值1.3sS 1d，与M24mm螺栓直径接近。,螺栓的许用应力 4001.3sMPaSss 414 1.34 1.3 3 10308Fdmm s 12.697mm计算螺栓小径确定螺栓直径，由附表选M16mm螺栓，螺栓小径113.835dmm由表16-6a知3.14S 按线性插值法求得由表，115,hmm223,hmm例16-3 在例16-2中，在其他条件相

18、同，若改用铰制孔螺栓联接，已知试确定螺栓的直径。解:这种联接靠剪切和挤压传力，属于受剪螺栓联接，计算步骤如下：1.确定螺栓和被联接件的力学性能500,bMPas400sMPas200bMPas螺栓材料的力学性能 与例16-1相同被联接件的强度极限 联轴器材料为HT200，2.求单个螺栓联接所受的横向载荷单个螺栓联接所受横向载荷与例16-1相同，3750RFN3.按剪切强度条件计算螺栓直径安全系数 由表，在静载荷下，由表16-7取2.5S 4002.5sMPaSs160MPa螺栓的许用切应力螺栓杆部直径 044 3750160sFdmm 4.按挤压强度条件计算螺栓直径钢的安全系数 由表16-7，

19、在静载荷下，取1.25S 铸铁的安全系数 由表16-7，取2.5S 14001.25spMPaSss320MPa螺杆的许用挤压应力 22002.5spMPaSss80MPa被联接件的许用挤压应力 21,ppss 2ps显然，所以应取计算强度 12375015 80sspFdmmhs3.1mm螺栓杆部直径 5.确定螺栓直径螺栓直径 综合上诉计算，查表，选用M6mm铰制孔用螺栓 螺栓杆直径07dmm2试校核该螺栓联接的强度。2125Dmm2pMPa例16-4 一钢制液压缸，已知缸内油压(静载)，液压缸内径16Mmm缸盖用6个的螺栓联接在缸体上，结构形式如图2-21所示，螺栓材料，1.5FF 100

20、MPas。根据联接的紧密性要求，取剩余预紧力的许用应力，解：预紧力又受轴向工作载荷的作用，计算步骤如下：计算螺栓的工作载荷222125244zDFpN42.45 10 N42.45 106zFFNZ4083N液压缸盖螺栓组所受的载荷 单个螺栓所受的工作载荷 这是一个承受轴向工作载荷的螺栓组联接，螺栓既受2.求螺栓所受的总拉力1.51.5 4083FFN 6125N剩余预紧力 0(61254083)FFFN41.02 10 N螺栓所受的总拉力 3.校核螺栓联接的强度M16螺纹小径 由附表 113.835dmm402211.31.3 1.02 10413.8354caFMPads88.2MPa 1

21、00MPas螺栓的计算应力 所以联接可靠以螺栓连接为例，螺栓连接的强度主要取决于螺栓的强度，因此，提高螺栓的强度，将大大提高连接系统的可靠性。影响螺栓强度的因素主要有以下几个方面，或从以下几个方面提高螺栓强度。改善螺纹牙上载荷分布不均的现象降低影响螺栓疲劳强度的应力幅减小应力集中的影响采用合理的制造工艺16-5 提高螺纹连接强度的措施F 一、降低影响螺栓疲劳强度的应力幅当轴向工作载荷变化范围为：0F螺栓的总拉力的变化范围为：F F0FCCCFF211016-5 提高螺纹连接强度的措施F0FF F变形力11 F FFF0 1、降低螺栓刚度C1变载荷的紧螺栓连接，在最大应力一定时，应力幅越小，疲劳

22、强度越高在保持预紧力F 不变的条件下，减小C1，可减小总拉力F0的变化范围 F ，减小应力幅。可见：F 一、降低影响螺栓疲劳强度的应力幅当轴向工作载荷变化范围为：0F螺栓的总拉力的变化范围为：F F0FCCCFF211016-5 提高螺纹连接强度的措施F0FF F变形力22 F FFF0 2、增大被连接件刚度C2在保持预紧力F 不变的条件下，增大C2，可减小总拉力F0的变化范围 F ，减小应力幅。可见：一、降低影响螺栓疲劳强度的应力幅当轴向工作载荷变化范围为：0F螺栓的总拉力的变化范围为：F F0FCCCFF2110 在保持预紧力F 不变的条件下，减小C1，增大C2，均可减小总拉力F0的变化范

23、围，减小应力幅。FCCCFF212 但是在F 给定的条件下，减小C1，增大C2，都将引起残余预紧力减小，从而降低了连接的紧密性。所以，应：1、减小螺栓刚度C1 ；2、增大被连接件刚度C2；16-5 提高螺纹连接强度的措施3、适当增大预紧力F F 16-5 提高螺纹连接强度的措施F0F F F变形力22 F F 11同时采取三种措施001122FFCCCC，d0.8d0.7dd1. 采用柔性结构2. 有密封要求时，采用金属薄垫片或者采用O形密封圈宜采取措施:16-5 提高螺纹连接强度的措施螺母体螺栓杆二、改善螺纹牙上载荷分布不均的现象螺母体螺栓杆螺栓杆F螺母体F5/2F4/2F3/2F2/2F1

24、/2F5/2F4/2F3/2F2/2F1/2F1F2F3F4F5F=F1+F2+F3+F4+F5螺栓杆F螺母体螺母体F螺栓杆普通螺母加厚螺母加厚螺母不能提高连接强度。16-5 提高螺纹连接强度的措施措施：内斜螺母16-5 提高螺纹连接强度的措施悬置螺母环槽螺母环槽、内斜151015101510钢丝螺套三、减小应力集中增大过渡圆角卸载槽r卸载过渡结构16-5 提高螺纹连接强度的措施四、避免或减小附加弯曲应力16-5 提高螺纹连接强度的措施凸台沉头座斜面垫圈凸台沉头座斜面垫圈16-5 提高螺纹连接强度的措施五、采用合理的制造工艺1、采用冷墩螺栓头部和滚压螺纹工艺，比车制螺纹提高疲劳强3040%。2

25、、采用氮化、氰化、喷丸等强化工艺。原因：1）降低应力集中；2）材料纤维未被切断，金属流线走向合理；3）冷作硬化，表面有残余压应力。16-5 提高螺纹连接强度的措施内螺纹外螺纹螺纹连接螺纹连接的画法自测题1、在常用的螺旋传动中，传动效率最高的螺纹是_。A、三角形螺纹 B、梯形螺纹 C、锯齿形螺纹 D、矩形螺纹2、当两个被连接件之一太厚，不宜制成通孔，且需要经常装拆时，往往采用_。A、双头螺柱连接 B、螺栓连接 C、螺钉连接 D、紧定螺钉连接3 、重要的螺栓连接直径不宜小于M12，这是由于_。A 、要求精度高 B、减少应力集中 C、防止拧紧时过载拧断 D、便于装配4、采用凸台或沉头座作为螺栓头或螺母的支承面，是为了_。A、避免螺栓受弯曲应力 B、便于放置垫圈 C、减小预紧力 D、减小挤压应力自测题5、紧螺栓连接强度计算时将螺栓所受轴向拉力乘1.3，是由于_。A、安全可靠 B、保证足够的预紧力 C、防止松脱 D、计入扭转剪应力6、受横向载荷的普通螺栓所受的载荷为_，