机械设计基础第9章 螺纹连接

1、螺纹的类型及主要参数螺纹副的受分分析、效率和自锁螺纹联接的基本类型螺纹联接的预紧与防松单个螺栓联接的强度计算提高螺栓联接强度的措施2被联接件的相互位置固定，工作时不能变化如：蜗轮的齿圈与轮心 连接：joint利用不同方式把机械零件联成一体的技术 可拆连接静连接动连接被联接件的相互位置工作时可按需要变化如：变速箱中滑移齿轮与轴 不可拆连接螺纹连接、键连接、销连接焊接、铆接、粘接分类： 39-1 9-1 螺纹（螺纹（thread)thread)一、螺纹的形成及主要参数一、螺纹的形成及主要参数 将一直角边水平的直角三角形绕在一竖直放置的圆柱体上，则三角形的斜边就形成一条螺旋线。 取图中右上角的任一平

2、面图形，使它沿着螺旋线运动，运动时保持该图形通过圆柱的轴线，则该图形的轨迹就是螺纹。 4d d ( (D D) )： 螺纹大径，螺纹大径，公称直径公称直径d d1 1( ( D D1 1) )：螺纹小径：螺纹小径d d2 2 ( ( D D2 2) )：螺纹中径：螺纹中径n n：螺旋线数目：螺旋线数目p p：螺距：螺距S S：导程，：导程，S S = = npnp：螺纹升角：螺纹升角( ( 中径中径d d2 2 圆周上圆周上) ) h h：螺牙工作高度，：螺牙工作高度，接触面的径向高度接触面的径向高度 ：牙型角：牙型角 连接螺纹连接螺纹 n n =1=1 危险截面计算直径危险截面计算直径S S

3、 = = npnp22tanSnpdd ：牙侧角：牙侧角 5牙牙型型三角形三角形矩矩 形形锯齿形锯齿形梯梯 形形普通螺纹普通螺纹管管 螺螺 纹纹 管路连接管路连接一般连接一般连接传递运动或传力传递运动或传力( (效率高效率高) )牙顶较大圆角，旋合牙顶较大圆角，旋合后无径向间隙，英制后无径向间隙，英制细牙螺纹细牙螺纹粗牙螺纹粗牙螺纹细牙螺纹细牙螺纹 薄壁零件或微调装置薄壁零件或微调装置6螺纹旋向：螺纹旋向： 常用右旋常用右旋，特殊要求时用左旋，特殊要求时用左旋粗牙螺纹粗牙螺纹 =0=0 =3=3 = =1515 =30=30 四种螺纹的牙侧角：四种螺纹的牙侧角：同一：同一d d 下螺距下螺距

4、p p 最大的螺纹最大的螺纹 同一同一d d 下螺距下螺距 p p 小的螺纹小的螺纹 粗牙、细牙螺纹标记示例：粗牙、细牙螺纹标记示例：M12M12细牙螺纹：细牙螺纹：M12M121.51.5、 M12M121.251.25 粗牙粗牙细牙细牙( (要标出螺距要标出螺距) )，用于一般连接，用于一般连接 强度高、自锁性好强度高、自锁性好 用于薄壁或微调机械中用于薄壁或微调机械中 7二、螺纹的分类二、螺纹的分类 按照螺旋线的按照螺旋线的旋向旋向，螺纹分为，螺纹分为左旋和右旋螺纹左旋和右旋螺纹。机。机械制造中一般采用右旋螺纹。械制造中一般采用右旋螺纹。 按照按照螺旋线的数目螺旋线的数目，螺纹还分为，螺

5、纹还分为单线单线螺纹和等距排螺纹和等距排列的列的多线多线螺纹。为了制造方便，螺纹的线数一般不超过螺纹。为了制造方便，螺纹的线数一般不超过4 4。 螺纹有螺纹有内螺纹和外螺纹内螺纹和外螺纹之分，两者旋合组成螺旋副之分，两者旋合组成螺旋副或称螺纹副。或称螺纹副。 按照按照母体形状母体形状，螺纹分为，螺纹分为圆柱螺纹圆柱螺纹和和圆锥螺纹圆锥螺纹。 用于联接的螺纹称为用于联接的螺纹称为联接螺纹联接螺纹；用于传动的螺纹称；用于传动的螺纹称为为传动螺纹传动螺纹，相应的传动称为螺旋传动。，相应的传动称为螺旋传动。8螺旋线方向及螺纹轴向力的判定螺旋线方向及螺纹轴向力的判定一、螺旋线方向的判定一、螺旋线方向的判

6、定 左(右)手自然展开成掌，使拇指与螺纹轴线平行，若左手四个指头的指向与螺纹牙走向一致，则螺纹为左旋螺纹；则螺纹为右旋螺纹。(见右图中左旋螺纹的判定)二、螺纹轴向力的判定二、螺纹轴向力的判定 在螺母固定的情况下，旋动螺杆时，螺杆将沿轴线方向前进或后退，这说明螺杆受到了一个沿运动方向的作用这说明螺杆受到了一个沿运动方向的作用力。力。该作用力方向的判定方法是对左、右旋螺纹分别采用左、右手定则。具体做法如下：拇指伸直，其余四指握拳，令四指弯曲方向与螺杆转动方向一致，拇指的指向即是螺杆前进的方向。9-2 9-2 螺纹副受力分析、效率和自锁螺纹副受力分析、效率和自锁分析两个工程实例：分析两个工程实例：用

7、千斤顶提升重物时，如何计算手柄上的水平推力用千斤顶提升重物时，如何计算手柄上的水平推力F FT T？螺纹连接拧紧螺母螺纹连接拧紧螺母用千斤顶提升重物用千斤顶提升重物FFFTF拧紧螺母时，若忽略螺母与支撑面间的摩擦力矩，如何计拧紧螺母时，若忽略螺母与支撑面间的摩擦力矩，如何计算扳手的拧紧力矩算扳手的拧紧力矩T T？10FdTF 22螺旋副的相对运动可近似看作螺旋副的相对运动可近似看作 作用在中径的水平推力作用在中径的水平推力F F 推动重物沿螺纹表推动重物沿螺纹表面的匀速运动面的匀速运动在水平推力在水平推力F F 作用下，重物沿斜面的匀作用下，重物沿斜面的匀速运动速运动 如果求出假想的水平驱动力

8、如果求出假想的水平驱动力F F，则驱动力矩，则驱动力矩T T 为：为：FaFpd2s 11摩擦角摩擦角： = arctan = arctan f ff f 为摩擦系数为摩擦系数水平驱动力：水平驱动力：驱动力矩：驱动力矩：即为摩擦副间的阻力矩即为摩擦副间的阻力矩当升角较大，重物要匀速下滑时：当升角较大，重物要匀速下滑时： 重物要匀速上升时：重物要匀速上升时：水平驱动力：水平驱动力：驱动力矩：驱动力矩：12 Rv FaNfNF139-2 9-2 螺纹副受力分析、效率和自锁螺纹副受力分析、效率和自锁输入功：输入功： W1 = 2 TW2 = Fa S输出功：输出功：重物上升时：重物上升时：= 2 t

9、an(+)Fad22=21WW= Fa d2tantan tan( +)=效效 率：率：tan=Sd2如何提高螺旋副间的效率？如何提高螺旋副间的效率？重物下降时：tan( )tan=14当量摩擦角当量摩擦角：法向力增加为：法向力增加为：摩擦力增加为：摩擦力增加为：a/cosNF a/cosfF 引入引入当量摩擦系数当量摩擦系数v/cosff v v = arctan = arctan f fv v把力的增加看作是摩擦系数的增加把力的增加看作是摩擦系数的增加NfNv FaFNR 15用 fv f，用 v F F = = F Fa atan(tan( r rv v ）T Ttan(tan( v v

10、 ) )=F=Fa ad d2 22 2tan tan tan(tan( + +v v ) )= =tan(tan(v v) )tantan= =v v16螺螺旋旋千千斤斤顶顶不同场合螺旋副，自锁和效率要求不同不同场合螺旋副，自锁和效率要求不同连接螺纹，必须具有自锁性连接螺纹，必须具有自锁性对于某些传力螺旋，要求自锁对于某些传力螺旋，要求自锁对于传递运动的螺旋副，要求效率高，不需自锁对于传递运动的螺旋副，要求效率高，不需自锁如：车床丝杠与刀架螺旋副如：车床丝杠与刀架螺旋副179-3 9-3 螺纹联接的基本类型螺纹联接的基本类型189-3 9-3 螺纹联接的基本类型螺纹联接的基本类型19联接零件

11、标准联接零件标准 螺纹紧固件的品种很多，包括：螺栓、双头螺柱、螺钉、紧定螺钉、螺母、垫圈，大都已标准化，它是一种商品性零件，经合理选择其规格、型号后，可直接到五金商店购买。 例：螺栓 M12100 GB5782-86 名称：六角头螺栓 公称直径：12mm 公称长度：100209-4 9-4 螺纹联接的预紧和放松螺纹联接的预紧和放松TF预紧目的：预紧目的：增强连接可靠性，使接合面具有足增强连接可靠性，使接合面具有足够的紧密性或承受横向工作载荷够的紧密性或承受横向工作载荷如何控制如何控制F F？一般连接无需控制，拧紧程度一般连接无需控制，拧紧程度由经验决定由经验决定重要连接，需重要连接，需控制拧紧

12、力矩控制拧紧力矩T T 的大小的大小T = T1+T2v2tan()2dF cff F r )N.mm(2.0dF 219-4 9-4 螺纹联接的预紧和放松螺纹联接的预紧和放松二、螺纹联接的放松二、螺纹联接的放松 联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。 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，联接仍有可能松脱。高温的螺纹联接，由于温度变形差异等原因，也可能发生松脱现象，因此设计时必须考虑防松。螺纹联接防松的根本问题在于防止螺纹副的相对转动。22冲头法、粘合法冲头法、粘合法弹簧垫圈弹簧垫圈对顶螺母对顶螺母锁紧螺母锁紧螺母开口销与槽形螺母开口销

13、与槽形螺母止动垫圈止动垫圈串联金属丝串联金属丝2324 合理确定螺栓的间距和边距，保证足够的扳手空间合理确定螺栓的间距和边距，保证足够的扳手空间 合理布置螺栓，使其受载减小合理布置螺栓，使其受载减小受旋转或翻转力矩作用受旋转或翻转力矩作用时，尽量将螺栓远离接时，尽量将螺栓远离接合面对称轴布置合面对称轴布置严格密封：严格密封：t t 2.52.5d d ；一般：；一般： t t (5(58)8)d d T Tt tt t25 支承面应光洁、平整，并与轴线垂直，避免螺栓受附支承面应光洁、平整，并与轴线垂直，避免螺栓受附加弯矩作用加弯矩作用269-5 螺栓联接的强度计算螺栓联接的强度计算一、联接螺栓

14、的一、联接螺栓的失效和设计准则失效和设计准则 双头螺柱连接、螺钉连接与螺栓连接类似双头螺柱连接、螺钉连接与螺栓连接类似27螺栓连接的受载情况：螺栓连接的受载情况：普通螺栓普通螺栓铰制孔螺栓铰制孔螺栓用于轴向或横向工作载荷用于轴向或横向工作载荷用于轴向工作载荷用于轴向工作载荷R RR RR RR RF FF F松螺栓松螺栓紧螺栓紧螺栓用于横向工作载荷用于横向工作载荷28装配时不拧紧，无预紧力装配时不拧紧，无预紧力 FF=FA 2141dF mm41 Fd 二、普通松螺栓联接的强度计算二、普通松螺栓联接的强度计算29三、普通紧螺栓联接的强度计算三、普通紧螺栓联接的强度计算 1. 1. 受横向载荷的

15、普通螺栓连接受横向载荷的普通螺栓连接 装配时要拧紧，载荷作用前，螺栓装配时要拧紧，载荷作用前，螺栓已受预紧力已受预紧力 F F但在但在拧紧螺母过程中拧紧螺母过程中，螺栓受螺栓受 F F和和 T T1 1 的联合作用的联合作用应用第四强度理论把拉应力和扭剪应力合并成当量拉应力应用第四强度理论把拉应力和扭剪应力合并成当量拉应力 靠摩擦力承受靠摩擦力承受R R此连接如何承受横向载荷的？此连接如何承受横向载荷的？螺栓杆受横向剪切和挤压吗？螺栓杆受横向剪切和挤压吗？ 只受拉力作用只受拉力作用拉、扭联合作用下的强度问题拉、扭联合作用下的强度问题RFFFFRFFT1T30FA 4/21dF T T1 1 引

16、起的引起的扭剪应力扭剪应力：131/16Td v231tan()2/16dFd 对于对于M10M10M68M68的的螺纹取平均近似螺纹取平均近似值：值：0.50.5 F F引起的引起的拉应力拉应力：v22112tan()/ 4dFdd 3122ca3 22)5 . 0(3 MPa4/3 . 13 . 121ca dF 3 . 1 mm141.3 Fd 普通螺栓联接承受横向载荷时，螺栓可按纯拉伸强度计算，普通螺栓联接承受横向载荷时，螺栓可按纯拉伸强度计算，但需将拉伸应力增大但需将拉伸应力增大30%30%，以考虑扭剪应力的影响，以考虑扭剪应力的影响 32FRCCRFf m mRFFFFRFF33m

17、fFR/zCCRFf mz /R z3 . 141 Fd34用普通螺栓连接承受横向载荷时，螺栓的尺寸较大，怎么办？用普通螺栓连接承受横向载荷时，螺栓的尺寸较大，怎么办？ 改进措施：改进措施： 采用无间隙的铰制孔螺栓采用无间隙的铰制孔螺栓 采用键、套筒、销承担横向工作载荷采用键、套筒、销承担横向工作载荷R R 而螺栓仅起连接作用而螺栓仅起连接作用 35F F0 0 = = F F+ + F F? ?2. 2. 受轴向工作载荷的普通螺栓连接受轴向工作载荷的普通螺栓连接力力变形图变形图36力力变形量变形量FF12变形量变形量力F121 12 2372112T F0 = F + F未拧紧未拧紧FFFF

18、F0F0FFFF1 = 2 = 螺栓总拉力螺栓总拉力剩余预紧力剩余预紧力轴向外载荷轴向外载荷F FF38力力变形12FF0FF1F 2F bcFFFFFKK cbcKFFFKK bbcKFFKK FFF 0F1 = -F=F+F-FF2=F-F剩余预紧力F021MPa/ 4Fd mm3 . 1401 Fd 考虑扭剪应力的影响，故乘以系数考虑扭剪应力的影响，故乘以系数1.31.3！ MPa4/3 . 13 . 1210ca dF40212CFFFCC 在一般计算中，可先根据联接的工作要求规定残余预紧力F”，其次由式求出总拉伸载荷F0，然后计算螺栓强度。41练练 习习n图示为一普通螺栓联接，预紧后

19、的受力图示为一普通螺栓联接，预紧后的受力变形图已知。如果预紧力为变形图已知。如果预紧力为500N500N，然后承受轴向拉伸工作载荷然后承受轴向拉伸工作载荷500N500N，问此，问此时螺栓及被连接件受载各为多少？时螺栓及被连接件受载各为多少？500N螺栓螺栓被连接件被连接件3060变形量变形量力力42R R直接作用在螺栓上直接作用在螺栓上 使螺栓杆受使螺栓杆受剪切剪切和和挤压挤压 此类螺栓预紧力小，计算时忽略此类螺栓预紧力小，计算时忽略 强度条件：强度条件： 20 MPa/4Rm d d d 0 0 ：螺栓杆受剪面直径：螺栓杆受剪面直径, ,即为光杆直径即为光杆直径铰制孔用螺栓铰制孔用螺栓 d

20、 d0 0 d dm m ：接合面对数：接合面对数MPapmin0p hdRh hminmin：两方向相比，较小挤压高度：两方向相比，较小挤压高度 设计时，按上述公式分别计算出设计时，按上述公式分别计算出 d d0 0 ，取大值，取大值若是螺栓组连接，处理方法同前若是螺栓组连接，处理方法同前439-6 提高螺栓联接强度的措施提高螺栓联接强度的措施 螺栓联接在承受轴向变载荷时，其损坏形式多为疲劳断裂，断裂通常都发生在应力集中较严重之处，如螺母支承平面所在处(旋合的第一圈)、螺纹收尾部和螺栓头部等。各处失效的大致百分比见图。以下简要说明提高强度的措施。9-6 螺栓组的结构设计44一、降低螺栓总拉伸

21、载荷的应力幅一、降低螺栓总拉伸载荷的应力幅 螺栓所受的轴向工作载荷在0F 间变化时，螺栓总拉伸载荷的变化范围为 Fmax F min，减小螺栓刚度减小螺栓刚度k kb b 、增大被联接件刚度、增大被联接件刚度k kc c 都可以减小F0 的变化范围，从而降低应力幅，提高螺栓的疲劳强度。 45二、改善螺纹牙间的载荷分布二、改善螺纹牙间的载荷分布 采用悬置螺母或环槽螺母，则螺母悬置段与螺杆均为拉伸变形，有助于减少螺母与螺栓杆的螺距变化差，从而使载荷分布均匀。46三、减小应力集中三、减小应力集中 例如，在铸件或锻件等未加工表面上安装螺栓时，常采用凸台或沉头座等结构，经切削加工后可获得平整的支承面。四、避免或减小附加应力四、避免或减小附加应力 如图所示，增大过渡圆角处的圆角(图a)、切制卸载槽(图b、c)都是使螺栓截面变化均匀、减小应力集中的有效方法。五、采用合理的制造工艺采用合理的制造工艺47作业P198 9-10 9-1148课堂练习1. 起重机卷筒与大齿轮用8个普通螺栓连接在一起，已知卷筒直径D=400mm，螺栓分布圆直径D0=500mm，结合面间摩擦系数f=0.12