第四章螺纹连接

1、第二篇第二篇 联接联接v联接的功用（联接的功用（whywhy） 便于制造、安装、便于制造、安装、运输、维修、提高运输、维修、提高劳动生产率劳动生产率v分类分类v应用实例应用实例v主要内容主要内容 螺纹连接螺纹连接v学习要求学习要求 掌握螺纹的类型、主要参数、螺纹连接的类型及应掌握螺纹的类型、主要参数、螺纹连接的类型及应用场合、预紧和防松方法、单个螺栓连接的强度计算方法、螺栓用场合、预紧和防松方法、单个螺栓连接的强度计算方法、螺栓组连接设计的内容、受力最大螺栓的确定方法；组连接设计的内容、受力最大螺栓的确定方法； v重点重点 1.1.螺纹、螺纹连接的基本知识螺纹、螺纹连接的基本知识 2. 2.单

2、个螺栓连接的强度计算单个螺栓连接的强度计算 3. 3.螺栓组连接的受力分析、综合计算螺栓组连接的受力分析、综合计算v难点难点 1.1.螺纹连接的结构设计与表达螺纹连接的结构设计与表达 2. 2.受预紧力和轴向工作载荷作用的单个紧螺栓连接的螺栓总拉力受预紧力和轴向工作载荷作用的单个紧螺栓连接的螺栓总拉力的确定的确定 3. 3.复杂受力状态下螺栓组连接受力分析复杂受力状态下螺栓组连接受力分析 4. 4.受倾覆力矩作用的螺栓组连接受力分析受倾覆力矩作用的螺栓组连接受力分析第四章第四章 螺纹连接螺纹连接本章知识点框图本章知识点框图本章知识点本章知识点 4 41 1 螺纹螺纹1.1.形成形成 2.2.类

3、型类型 按牙型分：三角形按牙型分：三角形 矩形矩形 梯形梯形 矩齿形矩齿形 圆柱螺纹圆柱螺纹圆锥螺纹圆锥螺纹按用途分：连接螺纹、传动螺纹按用途分：连接螺纹、传动螺纹按螺旋方向分：左旋按螺旋方向分：左旋 右旋右旋按螺旋线数目分：单线按螺旋线数目分：单线 多线多线按单位制分：米制、英制（管螺纹）按单位制分：米制、英制（管螺纹）按可见性分：内螺纹按可见性分：内螺纹 、 外螺纹外螺纹* * *互动话题：三角形螺纹是否存在多线螺纹？分析原因。互动话题：三角形螺纹是否存在多线螺纹？分析原因。3.3.螺纹的主要参数螺纹的主要参数 d d、d d1 1、d d2 2、p p、s s、n n、螺纹的几何参数动画

4、螺纹的几何参数动画4 42 2 螺纹连接的类型和标准联接件螺纹连接的类型和标准联接件1.1.螺纹连接的定义螺纹连接的定义设计：潘存云外螺纹外螺纹内螺纹内螺纹 2.2.螺纹连接的特点螺纹连接的特点 3.3.联接螺纹分类联接螺纹分类 粗牙、细牙粗牙、细牙 4.4.螺纹标注螺纹标注 MdXpMdXp，如：，如：M24M24，M24X2M24X2dl1d0a(a)(b)dl1d0a(a)(b)dl1d0a(a)(b)dl1d0a(a)(b)5.5.螺纹连接的类型螺纹连接的类型（1 1）螺栓连接（）螺栓连接（hex boltshex bolts）dl1d0a(a)(b)dl1d0a(a)(b)dl1d0

5、a(a)(b)dl1d0a(a)(b) 普通螺栓连接普通螺栓连接 铰制孔用螺栓连接铰制孔用螺栓连接（2 2）双头螺栓连接）双头螺栓连接(studs(studs）（3 3）螺钉连接）螺钉连接(hex head cap screw(hex head cap screw）(b)(a)dHl2dl3Hl2l1(b)(a)dHl2dl3Hl2l1(b)(a)dHl2dl3Hl2l1(b)(a)dHl2dl3Hl2l1（4 4）紧定螺钉连接）紧定螺钉连接(set screws) (set screws) （5 5）特殊螺纹连接）特殊螺纹连接(a)(b)(a)(b)(a)(b)(a)(b)6、螺纹连接件 2

6、 2）双头螺柱）双头螺柱两端带螺纹两端带螺纹 A A型型有退刀槽有退刀槽 B B型型无退刀槽无退刀槽1 1）螺栓）螺栓 普通螺栓普通螺栓 六角头，小六角头，标准六角六角头，小六角头，标准六角头，大六角头头，大六角头, , 内六角内六角 铰制孔螺栓铰制孔螺栓螺纹部分直径较小螺纹部分直径较小rdadsklskllgd1530辗制末端esrdadsklskllgd1530辗制末端esbmlbXXdsd倒角端倒角端辗制末端辗制末端dsdbmlbXXA型B型bmlbXXdsd倒角端倒角端辗制末端辗制末端dsdbmlbXXA型B型4 4）紧定螺钉）紧定螺钉 锥锥 端端适于零件表面硬度较低不常拆卸场合适于零

7、件表面硬度较低不常拆卸场合 平平 端端接触面积大、不伤零件表面，用于顶接触面积大、不伤零件表面，用于顶紧硬度较大的平面，适于经常拆卸紧硬度较大的平面，适于经常拆卸 圆柱端圆柱端压入轴上凹抗中，适于紧定空心轴上零压入轴上凹抗中，适于紧定空心轴上零件的位置、轻材料和金属薄板件的位置、轻材料和金属薄板* * *互动：是否见过其它结构的螺钉？若见过，说说互动：是否见过其它结构的螺钉？若见过，说说其特点？其特点？3 3）螺钉）螺钉与螺栓区别与螺栓区别要求螺纹部分直径较粗要求螺纹部分直径较粗; ;要求全螺纹要求全螺纹nbXdktldRnbXdktldRltnd90Rltnd90R5 5）螺母（六角头标准，

8、薄、）螺母（六角头标准，薄、圆螺母圆螺母+ +止退垫圈）止退垫圈） 6 6）自攻螺钉）自攻螺钉由螺钉攻出螺纹由螺钉攻出螺纹emsd3015emsd30157 7）垫圈）垫圈互动互动1 1：你在何种机器上见过使用圆螺母和止动垫片？想一想它们是如何装：你在何种机器上见过使用圆螺母和止动垫片？想一想它们是如何装配的？配的？互动互动2 2：从创新的角度考虑，是否应存在课本以外的连接件结构？：从创新的角度考虑，是否应存在课本以外的连接件结构？圆螺母用止动垫圈圆螺母用止动垫圈平垫圈平垫圈薄平垫圈薄平垫圈斜垫圈斜垫圈弹簧垫圈弹簧垫圈7 7、材料、材料 螺母、螺栓强度级别（见表螺母、螺栓强度级别（见表4-14

9、-1、表、表4-24-2）：）： 1 1）根据机械性能，把栓母分级并以数字表示，此乃强度级别）根据机械性能，把栓母分级并以数字表示，此乃强度级别 2 2）所依据机械性能为抗拉强度极限）所依据机械性能为抗拉强度极限B B和屈服极限和屈服极限S S 螺栓级别（十级：螺栓级别（十级：3.63.612.912.9）: : 带点数字表示带点数字表示 ， 点前数字为点前数字为100/B点后数字为点后数字为Bs/10螺母级别螺母级别( (七级，七级，4 41212）: : min/100注意：螺母的强度级别应不低于螺栓材料的强度级别，螺母的注意：螺母的强度级别应不低于螺栓材料的强度级别，螺母的硬度稍低于螺栓

10、的硬度（均低于硬度稍低于螺栓的硬度（均低于202040HB40HB） 螺纹联接件：低碳钢（螺纹联接件：低碳钢（Q215Q215、1010）、中碳钢（）、中碳钢（Q235Q235、3535、4545）、合金钢）、合金钢（15Cr15Cr、40Cr40Cr、30CrMnSi30CrMnSi），铜，铝，塑料，钛合金等），铜，铝，塑料，钛合金等垫圈：垫圈：Q235Q235、1515、3535、65Mn65Mn（弹簧垫圈）（弹簧垫圈）8 8、许用应力、许用应力 许用拉应力：许用拉应力： SS* * *互动话题：从安全系数表互动话题：从安全系数表5-105-10中，你发现在什么情况下中，你发现在什么情况下

11、螺栓联接的安全系数大小与螺栓直径有关？想一想原因螺栓联接的安全系数大小与螺栓直径有关？想一想原因是什么？设计策略是什么？是什么？设计策略是什么？（显然显然S S、 与与d d 有关。有关。设计时，先假设设计时，先假设d d，进行试算，选取一安全系数进行计算，进行试算，选取一安全系数进行计算，计算结果与估计直径相比较，如在原先估计直径所属范计算结果与估计直径相比较，如在原先估计直径所属范围内即可，否则需重新进行估算。围内即可，否则需重新进行估算。试算法）试算法）许用切应力：许用切应力：Ss许用挤压应力：许用挤压应力：pspSpBpS各安全系数见表各安全系数见表4-34-3安全系数表4 43 3

12、螺纹连接的预紧和防松螺纹连接的预紧和防松 一、预紧一、预紧2.2.目的目的1.1.定义定义 3.3.预紧力确定规范预紧力确定规范 测量方法：测量方法：预紧力上限拧紧力矩测力矩扳手动画定力矩扳手动画测量螺栓伸长量二、螺纹防松二、螺纹防松 1 1、防松目的、防松目的2 2、防松原理、防松原理3 3、防松方法、防松方法* * *互动：从创新角度互动：从创新角度提出一些简易的新防提出一些简易的新防松方法？分析其可行性松方法？分析其可行性。防松方法动画4.4.预紧力与预紧力矩的关系预紧力与预紧力矩的关系5.5.新型技术设备新型技术设备-预应力设备预应力设备* * *互动：预应力设备的优势是什么？互动：预

13、应力设备的优势是什么？4-4 螺栓组连接设计螺栓组连接设计v设计过程设计过程 结构设计结构设计 受力分析受力分析 强度计算强度计算 1.1.螺栓组连接的结构设计螺栓组连接的结构设计 a. a.目的目的 合理确定结合面的几何形状、螺栓的数目和布置方式，力合理确定结合面的几何形状、螺栓的数目和布置方式，力求各螺栓和结合面间受力均匀，便于加工和装配。求各螺栓和结合面间受力均匀，便于加工和装配。 b. b.考虑问题考虑问题 尽量设计为轴对称的简单几何形状（如圆形、环形、矩形、框形、尽量设计为轴对称的简单几何形状（如圆形、环形、矩形、框形、三角形等三角形等) )，便于加工制造和对称布置螺栓，便于加工制造

14、和对称布置螺栓 同一圆周上的螺栓数目取同一圆周上的螺栓数目取3 3、4 4、6 6、8 8、1212等易于分度的数目，同等易于分度的数目，同一组螺栓材料、直径、长度尽量相同，以简化结构和便于加工装配一组螺栓材料、直径、长度尽量相同，以简化结构和便于加工装配 螺栓排列应有合理的钉距、边距，留足够的扳手空间螺栓排列应有合理的钉距、边距，留足够的扳手空间 求受力最大的螺栓求受力最大的螺栓按受力最大的螺栓进行计算按受力最大的螺栓进行计算扳手空间扳手空间矩形矩形圆形圆形环形环形框形框形 螺栓的布置应使各螺栓的布置应使各螺栓的受力合理。铰制螺栓的受力合理。铰制孔用螺栓，平行于载荷孔用螺栓，平行于载荷方向上

15、不能布置方向上不能布置8 8个以个以上螺栓（受力均匀）；上螺栓（受力均匀）；受弯、扭矩的螺栓连接受弯、扭矩的螺栓连接应靠近连接结合面的边应靠近连接结合面的边缘（载荷小）；同时受缘（载荷小）；同时受轴向载荷和较大的横向轴向载荷和较大的横向载荷，应采用减载元件载荷，应采用减载元件 避免螺栓承受弯曲避免螺栓承受弯曲载荷载荷 合理合理不合理不合理减载销减载销减载套筒减载套筒减载键减载键凸台凸台沉头沉头斜垫斜垫 2.2.受力分析受力分析 假设：假设：各螺栓的拉伸刚度、剪切刚度、预紧力各螺栓的拉伸刚度、剪切刚度、预紧力大小相等；大小相等；被连接件为刚体，受载后连接结合面被连接件为刚体，受载后连接结合面仍保

16、持为平面；仍保持为平面；螺栓的应变在弹性范围内。螺栓的应变在弹性范围内。 2.1 2.1 受横向载荷的螺栓组连接受横向载荷的螺栓组连接 （1 1）普通螺栓组连接）普通螺栓组连接 a.a.失效失效 结合面滑移、螺栓拉断结合面滑移、螺栓拉断 b. b.原理原理 预紧力预紧力 摩擦力摩擦力 抵抗外载防滑抵抗外载防滑 c. c.计算公式计算公式 f为结合面间的摩擦因数，对钢制零件，结合面干燥时，为结合面间的摩擦因数，对钢制零件，结合面干燥时，f=0.10.16；结合面有油时，结合面有油时，f=0.060.1；m为结合面对数（图中为结合面对数（图中m=2）；）；z为螺栓为螺栓数目；数目； 为可靠性系数，

17、为可靠性系数， 。F FF FK Ks sK Ks s=1.1=1.1 1.31.3 b.铰制孔用螺栓组连接铰制孔用螺栓组连接 a.a.失效失效 结合面压溃、螺栓剪断结合面压溃、螺栓剪断 b. b.原理原理 栓杆剪力抵抗外载栓杆剪力抵抗外载 c. c.计算公式计算公式 F FF F 2.2 2.2 受扭转力矩受扭转力矩T T的螺栓组连接的螺栓组连接 受拉的普通螺栓组连接受拉的普通螺栓组连接 a. a.失效失效 结合面滑移、螺栓拉断结合面滑移、螺栓拉断 b. b.原理原理 预紧力预紧力 摩擦力摩擦力 抵抗外载防滑抵抗外载防滑 c. c.计算公式计算公式 TKrfFrfFrfFsz02010izi

18、srfTKF10*按只受预紧力的紧螺栓进行设计按只受预紧力的紧螺栓进行设计应应用用实实例例 铰制孔螺栓组连接铰制孔螺栓组连接 a.a.失效失效 结合面压溃、螺结合面压溃、螺栓剪断栓剪断 b. b.原理原理 栓杆剪力抵抗外载栓杆剪力抵抗外载 c. c.计算公式计算公式 根据变形协调条件知：各螺根据变形协调条件知：各螺栓的剪切变形量与其中心至栓的剪切变形量与其中心至底板旋转中心距离成正比，底板旋转中心距离成正比，因此因此 iirFrFmaxmaxTrFizii1ziirTrF12maxmax静力平衡条件：静力平衡条件：按螺栓抗剪切和挤压条件进行设计按螺栓抗剪切和挤压条件进行设计 2.3 2.3 受

19、倾覆受倾覆力矩的螺栓力矩的螺栓组连接组连接单个地基变形 受力平衡条件：受力平衡条件：变形协调条件：变形协调条件：iziiLFM1iiLFLFmaxmaxziiLMLF12maxmax不压溃条件：不压溃条件：maxmaxpppp不离缝条件：不离缝条件：0maxminpppWMcccMWbmmp)(1maxAzFp0地基结合面上的地基结合面上的附加附加挤压应力：挤压应力：预紧力在地基结合面上预紧力在地基结合面上产生的挤压应力：产生的挤压应力：地基结合面应力分析表表4-44-4 2.42.4受轴向载荷的螺栓组受轴向载荷的螺栓组连接连接 a. a.失效失效 螺栓拉断螺栓拉断 b. b.螺栓受力计算公式

20、螺栓受力计算公式 假设各螺栓均匀受载假设各螺栓均匀受载zFFZ为螺栓的数目为螺栓的数目螺栓组联接设计计算小节螺栓组联接设计计算小节v外载荷向螺栓组接合面形心简化外载荷向螺栓组接合面形心简化v按照螺栓组所受的工作载荷（轴向力、横向按照螺栓组所受的工作载荷（轴向力、横向力、倾覆力矩、旋转力矩）运用变形协调条力、倾覆力矩、旋转力矩）运用变形协调条件和静力平衡条件进行载荷分配，求出各螺件和静力平衡条件进行载荷分配，求出各螺栓对应情况下所受的工作载荷栓对应情况下所受的工作载荷v矢量叠加求出受力最大螺栓所受的最大工作矢量叠加求出受力最大螺栓所受的最大工作载荷载荷v按单个螺栓联接进行强度计算按单个螺栓联接进

21、行强度计算*互动话题：螺栓组设计的主要任务是什么？互动话题：螺栓组设计的主要任务是什么？是否需要考虑防松？是否需要考虑防松？4 45 单个螺栓连接的强度计算单个螺栓连接的强度计算 一、失效形式和原因一、失效形式和原因 受拉螺栓受拉螺栓螺栓杆和螺纹可能发生塑性变形或断裂螺栓杆和螺纹可能发生塑性变形或断裂受剪螺栓受剪螺栓螺栓杆和孔壁间可能发生压溃或被剪断螺栓杆和孔壁间可能发生压溃或被剪断b b）失效原因：应力集中）失效原因：应力集中 a a）失效）失效形式形式 工程中螺栓联接多数为疲劳失效工程中螺栓联接多数为疲劳失效 受拉螺栓：设计准则为保证螺栓的疲劳拉伸强度和静强度受拉螺栓：设计准则为保证螺栓的

22、疲劳拉伸强度和静强度受剪螺栓：设计准则为保证螺栓的挤压强度和剪切强度受剪螺栓：设计准则为保证螺栓的挤压强度和剪切强度 二、设计计算准则二、设计计算准则65%65%20%20%15%15%三、松螺栓联接三、松螺栓联接1.1.结构特点及失效形式结构特点及失效形式2.强度条件为：强度条件为：421dF41Fd 或或 d d1 1螺杆危险截面直径（螺杆危险截面直径（mmmm） 许用拉应力许用拉应力 N/mmN/mm2 2 (MPa) (MPa) SS/s s材料屈服极限材料屈服极限MPaMPa表表5-85-8 S S 安全系数，表安全系数，表5-105-10四、仅受预紧力四、仅受预紧力F F0 0紧螺

23、栓联接紧螺栓联接（1 1）普通螺栓）普通螺栓1.1.受力特点受力特点2.2.应力特点应力特点 3.计算理论计算理论-第四强度理论第四强度理论3 . 1322ca4.4.强度条件：强度条件：43 .1210dFca 5.5.预紧力的获取预紧力的获取ifFKFS0防滑系数防滑系数K KS S=1.11.11.31.3*互动：上述连接会导致螺栓尺寸增大，如何解决？互动：上述连接会导致螺栓尺寸增大，如何解决？ 减载零件减载零件(2)(2)、铰制孔紧螺栓联接、铰制孔紧螺栓联接1.1.结构及受力特点结构及受力特点420dF2.失效及强度条件失效及强度条件或或 PPldFmin0d d0 0为螺杆或孔的直径

24、（为螺杆或孔的直径（mmmm），）， L Lmin min 为被联接件中受挤压孔壁的为被联接件中受挤压孔壁的最小长度（最小长度（mmmm，1.25d1.25d0 0以上），以上）， 为螺栓许用剪应力，为螺栓许用剪应力，MPaMPa，P为螺栓或被联接件中较弱者的许用挤压应力，为螺栓或被联接件中较弱者的许用挤压应力，MPaMPa注意：铰制孔螺栓能承受较大的横向载荷，但被加工件孔注意：铰制孔螺栓能承受较大的横向载荷，但被加工件孔 壁加工精度较高，成本较高壁加工精度较高，成本较高五、受轴向载荷紧螺栓联接强度计算五、受轴向载荷紧螺栓联接强度计算1.1.工作特点：工作前拧紧，有工作特点：工作前拧紧，有F

25、F0 0；工作后加上工作载荷；工作后加上工作载荷F F 工作前、工作中载荷变化工作前、工作中载荷变化2.2.工作原理：靠螺杆抗拉强度传递外载工作原理：靠螺杆抗拉强度传递外载F F3.3.解决问题：解决问题： a) a) 保证安全可靠的工作，保证安全可靠的工作，F F0 0= =？ b) b) 工作时螺栓总载荷，工作时螺栓总载荷， F F2 2= =？ 4.分析：分析： 单个螺栓受力变形动画FFFFbbbb120从栓杆栓杆继续拉继续拉10FFmmmm从总载荷总载荷被连接件被连接件放松放松残余预紧力残余预紧力 1F0F2F从图线可看出，螺栓受从图线可看出，螺栓受工作载荷工作载荷F F时，螺栓总载时

26、，螺栓总载荷荷： 012FFFFFFbbmcFc c 式中式中 -螺栓的相对刚度，与螺栓和被连接螺栓的相对刚度，与螺栓和被连接件的结构尺寸、材料、垫片、工作载荷的作用位置等因素有件的结构尺寸、材料、垫片、工作载荷的作用位置等因素有关。通常：金属（或无垫片）时：；皮革垫片：关。通常：金属（或无垫片）时：；皮革垫片：0.70.7；铜皮；铜皮石棉垫片：石棉垫片：0.80.8；橡胶垫片：；橡胶垫片：0.90.9。mbbccc设计过程：设计过程：21FFF按受预紧力的紧螺栓计算按受预紧力的紧螺栓计算3.143.1421212FddFca变载荷（变载荷（F=0F=0FmaxFmax）：总拉力在）：总拉力在

27、F F0 0F F2 2间变化，则间变化，则212max4dF210min4dF212dFcccmbbaSKKSatcca)2)()(2minmin1知识点滴：安全系数公式参数螺栓疲劳强度校核互动互动1：结合实际分析活塞式空气压缩机汽缸盖联接结合实际分析活塞式空气压缩机汽缸盖联接螺栓在工作时的受力情况，它的最大应力、最小螺栓在工作时的受力情况，它的最大应力、最小应力如何得出？当汽缸内的最高压力提高时，它应力如何得出？当汽缸内的最高压力提高时，它的最大最大应力、最小应力如何变化？的最大最大应力、最小应力如何变化？互动互动2：画出受轴向工作载荷的紧螺栓联接工作时的：画出受轴向工作载荷的紧螺栓联接工作时的受力变形图，并回答（受力变形图，并回答（1）螺栓刚度、被连接件刚）螺栓刚度、被连接件刚度变化对螺栓受力的影响；（度变化对螺栓受力的影响；（2）定性回答预紧力）定性回答预紧力不变时，工作载荷