机械设计Ch05

1、第五章 螺纹连接和螺旋传动5-1 螺纹5-2 螺纹连接的类型和标准连接件5-3 螺纹连接的预紧5-5 螺栓组连接的设计5-6 螺纹连接的强度计算5-8 提高螺纹连接强度的措施5-7 螺纹连接件的材料及许用应力5-9 螺旋传动（简介）5-4 螺纹连接的防松连接螺纹的当量摩擦角较大，自锁性好，连接可靠；传动螺纹的当量摩擦角较小，传动效率高。 螺纹为什么？参见“机械原理”的摩擦、效率二章 内螺纹和外螺纹一、螺纹的类型和应用一、螺纹的类型和应用三角形 矩形 梯形 锯齿形主要用于连接多用于传动 单线螺纹和多线螺纹 左旋螺纹和右旋螺纹单线主要用于连接多线主要用于传动常用右旋组成螺纹连接或螺旋副 螺纹的各种

2、牙型连接螺纹副二、螺纹的主要参数二、螺纹的主要参数大径 d 即螺纹的公称直径。22arctanarctandnPdPh 螺纹来源：“机械原理”摩擦一章小径 d1 常用于连接的强度计算。中径 d2 常用于连接的几何计算。螺距 P 螺纹相邻两牙在中径线上对应两点间的轴向距离。牙型角a 、牙侧角 、接触高度 h升角 在中径圆柱上螺旋线的切线与垂直 于螺纹轴线的平面间的夹角。线数 n 螺纹的螺旋线数目。导程 Ph 螺纹上任一点沿同一条螺旋线转 一周所移动的轴向距离， Ph = nP。连接类型与标准件1螺纹连接的类型和标准连接件一、螺纹连接的一、螺纹连接的基本类型基本类型 除上述连接的基本类型外，在机器

3、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。连接类型与标准件2螺纹连接的类型和标准连接件二、标准螺纹连接件二、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形式和尺寸都已经标准化，设计时可以根据有关标准选用。 利用控制拧紧力矩的方法来控制预紧力的大小。通常可采用测力矩扳手或定力矩扳手，对于重要的螺栓连接，也可以采用测定螺栓伸长的方法来控制预紧力。纹连接的预紧螺纹连接的预紧 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。 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

4、发生相对移动。另外，较大的预紧力有利于提高连接件的疲劳强度。 注意：对于重要的连接，应尽可能不采用直径过小(M12)的螺栓。 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%。v 预紧力：v 预紧的目的：v 预紧力的限制：v 预紧力的控制：v 预紧力和预紧力矩之间的关系：dFT02 . 0详细推导 螺纹连接的防松螺纹连接的防松 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。此外还有一些特殊的防松方法，例如铆冲防松、在旋合螺纹间涂胶防松等。 防松的根本问题在于

5、防止螺旋副相对转动。按工作原理的不同，防松方法分为摩擦防松、机械防松等。螺纹连接组的设计1螺栓组连接的设计 在设计螺栓组连接时，根据被连接件的结构和连接的用途，首先确定螺栓数目和分布形式，然后用强度计算法或者类比法确定螺栓尺寸。v为了便于加工制造和对称布置螺栓，保证连接结合面受力均匀，通常联接结合面的几何形状都设计成轴对称的简单几何形状。v螺栓布置应使各螺栓的受力合理。v螺栓的排列应有合理的间距、边距。v 为了便于在圆周上钻孔时的分度和画线，通常分布在同一圆周上的螺栓数目取成4、6、8等偶数。同一螺栓组应该用相同的螺栓。v避免螺栓承受附加的弯曲载荷。说明说明说明一、螺栓组连接的结构设计一、螺栓

6、组连接的结构设计 设计原则：各螺栓与连接面受力均匀，加工制造方便。为此，一般考虑以下几个方面：大多数机器的螺栓都是成组使用的。 螺纹连接组的设计2螺栓组连接的设计1受横向载荷2受转矩3受轴向载荷4受倾覆力矩 受力分析的目的：根据连接的结构和受载情况，求出受力最大的螺栓 及其所受的力，以便进行螺栓连接的强度计算。 受力分析的类型：二、螺栓组连接的受力分析二、螺栓组连接的受力分析 FFriOOMTfF0fF0FF螺栓组连接的受载情况可能是以上4种简单受力状态的组合，只要分别计算出在每种简单受力状态下每个螺栓的工作载荷，然后以向量叠加 得到每个螺栓的总工作载荷。确定受力最大的螺栓及其载荷后，就可进行

7、单个螺栓连接的强度计算。螺纹联接组的设计3 （1）对于铰制孔用螺栓连接（图b），每个螺栓所受工作剪力为： （2）对于普通螺栓连接（图a） ，按预紧后接合面间所产生的最大摩擦力必须大于或等于横向载荷的要求，有： 式中：z为螺栓数目。 图示为由4个螺栓组成的受横向载荷横向载荷 的螺栓组连接。受横向载荷的螺栓组连接受横向载荷的螺栓组连接zFFFKzifFS0fziFKFS0则得预紧力 Ks为防滑系数，设计中可取Ks =1.11.3。FFFFb)a) 采用铰制孔用螺栓铰制孔用螺栓 或者普通螺栓普通螺栓 ，连接的工作原理不同！螺纹连接组的设计4 同上述，采用普通螺栓和铰制孔用螺栓时，连接的受力情况是不同

8、的。受转矩的螺栓组连接受转矩的螺栓组连接TKfrFfrFfrFsz02010 TrFziii1 当采用普通螺栓普通螺栓 时，是靠连接预紧后在接合面间产生的摩擦力矩来抵抗转矩T 。 采用铰制孔用螺栓铰制孔用螺栓 时，是靠螺栓的剪切和螺栓与孔壁的挤压作用来抵抗转矩T 。iirFrFmaxmaxZiirTrF12maxmaxziirfTKF1S0 典型应用例：凸缘联轴器螺纹连接组的设计4受转矩的螺栓组连接受转矩的螺栓组连接TKDFfzs02 TDFz2 采用普通螺栓普通螺栓 时，连接的平衡条件为： 采用铰制孔用螺栓铰制孔用螺栓 时，连接的平衡条件为：DzTF 2 2S0fzTKF 则得每个螺栓的预紧

9、力：则得每个螺栓的工作剪力：螺纹联接组的设计5受轴向载荷的螺栓组连接受轴向载荷的螺栓组连接 若作用在螺栓组上轴向总载荷F作用线与螺栓轴线平行，并通过螺栓组的对称中心，则各个螺栓受载相同，每个螺栓所受的轴向工作载荷轴向工作载荷 为： 另外，各个螺栓还承受预紧力F0 的作用。每个螺栓所承受的总拉力待下节研究。zFF FDDp螺纹联接组的设计6受倾覆力矩的螺栓组连接受倾覆力矩的螺栓组连接（简介） 倾覆力矩 M 作用在连接接合面的一个对称面内，底板在承受倾覆力矩之前，螺栓已拧紧并承受预紧力F0。 连接安全工作的条件：1. 螺栓抗拉强度足够；2. 右侧底板不压溃，即3. 左侧底板不分离，即ppss201

10、ps螺纹连接的强度计算1螺纹连接的强度计算强度计算方法强度计算方法：首先根据工作情况求螺栓的受力受力，然后判断失效形式失效形式，依此建立计算准则计算准则，就可以由强度条件强度条件 求出螺栓的直径，或者校核连接的强度。一、一、松螺栓连接强度计算松螺栓连接强度计算二、紧螺栓连接强度计算二、紧螺栓连接强度计算1仅受预紧力的紧螺栓连接 2承受预紧力和工作拉力的紧螺栓连接3承受工作剪力的紧螺栓连接 经过上节螺栓组连接的受力分析，确定了受力最大的螺栓及其载荷，就可对单个螺栓进行强度计算。综上所述，单个螺栓连接所受的外载荷不外乎是轴向力和横向力两种，而螺栓本身的受力形式不外乎是受拉和受剪两种。对于受拉螺栓受

11、拉螺栓（普通螺栓），其主要失效形式是螺纹部分发生断裂，因而其设计准则是保证拉伸强度；对于受剪螺栓受剪螺栓（铰制孔用螺栓），其主要失效形式是螺栓杆和孔壁的贴合面压溃或螺栓杆被剪断，其设计准则是保证连接的挤压强度和螺栓的剪切强度。螺纹连接的强度计算2 1仅受预紧力的紧螺栓连接仅受预紧力的紧螺栓连接受横向载荷的普通螺栓连接（螺栓拉力始终为预紧力F0）2104dFs预紧力引起的拉应力：s5 . 0162)tan(312v0ddF螺牙间的摩擦力矩引起的扭转剪应力： ss210ca43 . 1dF强度条件：当连接承受较大的横向载荷F时，由于要求F0Ff，设 f = 0.2，则F05F ，因而需要大幅度地增

12、加螺栓直径。sss3 . 1322ca根据第四强度理论，螺栓在预紧状态下的计算应力:F0F0FF 为避免螺栓直径过大，可采用减载措施。螺纹连接的强度计算3FDDp 螺栓受预紧力F0后，在工作拉力F 的作用下，螺栓的总拉力F2 = ?FFF12 ss4/3 . 1212cadFFCCCFFmbb02这时螺栓的总拉力为： 为使工作载荷作用后，连接结合面间有残余预紧力F1存在，要求螺栓连接的预紧力F0为：静强度条件： 式中F1为残余预紧力残余预紧力 ，为保证连接的紧密性，应使 F1 0，一般根据连接的性质确定F1的大小（课本：P83）。式中：mbbCCC为螺栓的相对刚度，其取值范围为 01 （课本：

13、P84）。 详细分析 螺栓总拉力的另一种表达式FCCCFFmbm10Cb：螺栓刚度Cm：被连接件刚度补充例题2承受预紧力和工作拉力的紧螺栓连接承受预紧力和工作拉力的紧螺栓连接（疲劳强度计算：P8485，略。）螺纹连接的强度计算43承受工作剪力的紧螺栓连接承受工作剪力的紧螺栓连接 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，螺栓杆则受剪切。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：Pmin0PssLdF 204dFFFd0Lmin 几点注意事项：1在设计或校核时，两个强度条件都要计算，不能遗漏。3. 在设计时，求出螺栓杆直径

14、d0 后，还要查标准确定螺纹公称直径 d 。 当 d30 mm时，dd01。2许用剪应力、许用挤压应力和安全系数见课本 P87 ，注意连接件的材料。国家标准规定了螺纹连接件的性能等级。螺栓、螺柱、螺钉的性能等级分为10级，螺母的性能等级分为 7级。在一般用途的设计中，通常选用4.8级左右的螺栓，在重要的或有特殊要求设计中的螺纹连接件，要选用高的性能等级，如在压力容器中常采用8.8级的螺栓。螺纹连接件的材料与许用应力螺纹连接件的材料与许用应力一、螺纹连接件的材料一、螺纹连接件的材料螺纹连接件是标准件。常用的螺纹连接件材料为Q215、Q235、35、45等碳素钢。当强度要求高时，还可采用合金钢，如

15、15Cr、40Cr等。性能等级二、螺纹连接件的许用应力二、螺纹连接件的许用应力1螺纹连接件的许用拉应力2螺纹连接件的许用剪应力和许用挤压应力3螺纹连接件的安全系数SssssSsPsPSss（被连接件为钢）PBPSss（被连接件为铸铁） 补充例题提高螺纹连接强度的措施提高螺纹连接强度的措施以螺栓连接为例，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。采用合理的制造工艺方法 改善螺纹牙上载荷分布不均的现象分析降低影响螺栓疲劳强度的应力幅分析减小应力集中的影响分析螺旋传动1螺旋传动（简介）一、螺旋传动的类型和应用传力螺旋传导螺旋 调整螺旋螺旋传动按其螺旋副摩擦性质的不同，又可分为：说明滑动螺旋 滚动螺旋 静压螺旋说明 螺旋传动是利用螺杆和螺母组成的螺旋副来实现传动的。它主要用于将回转运动转变为直线运动，同时传递动力。螺旋传动按其用途不同，可分为以下三种类型: 螺旋机构在机床的进给机构、起重设备、锻压机械、测量仪器、工具、夹具、玩具及其他工业装备中有着广泛的应用。 螺旋传动常见的运动形式有：螺杆转动，螺母移动或螺母固定，螺杆转动并移动。 外螺纹内螺纹单线螺纹和多线螺纹作 业 55。 改问题为：分别按普通螺栓和铰制孔用螺栓连接,计算螺栓所受的力。（摩擦系数查