机械设计Ch05

1、螺纹的类型与特点1 根据连接零部件间是否有相对运动可以分为：机械动连机械动连接，机械静连接接，机械静连接。第二篇 连 接 根据连接工作原理的不同，可以分为三类：形锁合连接、形锁合连接、摩擦锁合连接及材料锁合连接摩擦锁合连接及材料锁合连接。一、连接的分类一、连接的分类 根据可拆性可以分为三类：可拆连接和不可拆连接。可拆连接和不可拆连接。二、连接类型的选择原则二、连接类型的选择原则 1. 1. 以使用要求及经济性要求为根据。以使用要求及经济性要求为根据。一般地说，采用不可拆连接多系由于制造及经济上的原因；采用可拆连接多系由于结构、安装、运输和维修上的原因。 2. 2. 在具体选择连接的类型时，还须

2、考虑到连接的加工在具体选择连接的类型时，还须考虑到连接的加工条件和被连接零件的材料、形状及尺寸等因素。条件和被连接零件的材料、形状及尺寸等因素。 3. 3. 在某些场合，还必须满足密封性要求。在某些场合，还必须满足密封性要求。第五章 螺纹联接与螺旋传动5-1 螺纹5-2 螺纹联接的类型与标准联接件5-3 螺纹联接的预紧5-5 螺纹联接组的设计5-6 螺纹联接的强度计算5-8 提高螺纹联接强度的措施5-7 螺纹联接件的材料与许用应力5-9 螺旋传动5-4 螺纹联接的防松螺纹的类型与特点1螺纹有外螺纹与内螺纹之分，它们共同组成螺旋副。5-1螺纹联接用螺纹的当量摩擦角较大，有利于实现可靠联接；传动用

3、螺纹的当量摩擦角较小，有利于提高传动的效率。螺纹按工作性质分为联接用螺纹和传动用螺纹。一、螺纹的分类 螺纹的类型与特点2二、普通螺纹的主要参数大径d即螺纹的公称直径。小径d1常用于联接的强度计算。中径d2常用于联接的几何计算。螺距P螺纹相邻两个牙型上对应点间的 轴向距离。牙型角a螺纹轴向截面内，螺纹牙型两 侧边的夹角。升角y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S螺纹上任一点沿同一条螺旋线转 一周所移动的轴向距离，S=nP。升角y的计算式为：22arctanarctandnPdSy 5-1 螺纹联接类型与标准件15-2 螺纹联接的类型与标准联接件一、螺纹联接

4、的基本类型 除上述联接的基本类型外，在机器中，还有一些特殊结构的螺纹联接。如：T型槽螺栓联接、吊环螺钉联接和地脚螺栓联接等。说明 联接类型与标准件25-2 螺纹联接的类型与标准联接件二、标准螺纹联接件 螺纹联接的类型很多，在机械制造中常见的螺纹联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。 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测力矩扳手或定力矩扳手定力矩扳手，对于重要的螺栓联接，也可以采用测定螺栓伸长测定螺栓伸长的方法来控制预紧力。纹联接的预紧5-3 螺纹联接的预紧 大多数螺纹联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

5、作用力称为预紧力。 增强联接的可靠性和紧密性，以防止受载后被联接件间出现缝隙或发生相对移动。 注意：对于重要的联接，应尽可能不采用直径过小(M12)的螺栓。预紧力限制 拧紧后螺纹联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 预紧力的确定原则：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 螺纹联接的防松5-4 螺纹联接的防松 螺纹联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，螺纹联接中的预紧力和摩擦力会逐渐减小或可能瞬时消失，导致联接失效。防松的根本问题在于防止螺旋副相对

6、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。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。 螺纹联接组的设计15-5 螺栓组联接的设计 在设计螺栓组联接时，关键是联接的结构设计。它是根据被联接件的结构和联接的用途，确定螺栓数目和分布形式。v为了便于加工制造和对称布置螺栓，保证联接结合面受力均匀，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。v避免螺栓承受附加的弯曲载荷。说明说明说明一、螺栓组联接的

7、结构设计一、螺栓组联接的结构设计 各螺栓之间的距离大小既要保证联接的可靠性又要考虑装拆方便，还应留有足够的扳手空间。大多数机械中螺栓都是成组使用的。 螺纹联接组的设计21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：根据联接的结构和受载情况，求出受力最大的螺栓 及其所受的力，以便进行螺栓联接的强度计算。 受力分析时所作假设：所有螺栓的材料、直径、长度和预紧力均相同； 受载后联接接合面仍保持为平面。 受力分析的类型：二、螺栓组联接的受力分析二、螺栓组联接的受力分析螺栓组的对称中心与联接接合面的形心重合； FFriOOMTfF0fF0FF螺纹联接组的设计3 （1）对于铰制孔用螺栓联接

8、（图b），每个螺栓所受工作剪力为： （2）对于普通螺栓联接（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。 图示为由四个螺栓组成的受横向载荷的螺栓组联接。1 1受横向载荷受横向载荷的螺栓组联接的螺栓组联接zFFFKzifFS0fziFKFS0或 (5-10)FFFFb)a)Ks为防滑系数，设计中可取Ks =1.11.3。螺纹联接组的设计4 采用普通螺栓和铰制孔用螺栓组成的螺栓组受转矩时的受力情况是不同的。2受转矩的螺栓组联接受转矩的螺栓组联接TKfrFfrFfrFsz02010 TrFziii1 采用普通螺栓，是靠联接预紧后在接合面间产生的

9、摩擦力矩来抵抗转矩T。 采用铰制孔用螺栓，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螺栓组联接的设计 螺纹联接组的设计5螺栓组联接的设计3受轴向载荷的螺栓组联接受轴向载荷的螺栓组联接 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，每个螺栓所受轴向工作载荷为： 通常，各个螺栓还承受预紧力F0的作用，当联接要有保证的残余预紧力为F1时，每个螺栓所承受的总载荷F2为。zFFF2 = F1 + F 螺纹联接组的设计6螺栓组联接的设计4 4受倾覆力矩受倾覆力矩的螺栓组联接的

10、螺栓组联接 倾覆力矩 M 作用在联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。 作用在底板两侧的合力矩与倾覆力矩M平衡，即： 由此可以求出最大工作载荷：ziLFM1iiZiLMLF12imaxmax 注意：具体推导见图5-21螺栓-地基受力变形图和公式5-17螺纹联接组的设计7螺栓组联接的设计0maxPPWMAzFss00minPWMAzFs螺栓的总拉力：maxmbb02FCCCFF 为防止结合面受压最大处被压碎或受压最小处出现间隙，要求： 底板受倾覆力矩后，在轴线 O-O 左侧，螺栓与地基的工作点分别移至B1 和C1 ，两者作用在底板上的合力为F。 受倾覆力矩

11、的底板螺栓组联接的受力过程可用右图表示。 在轴线O-O 右侧，螺栓与地基的工作点分别移至B2 和C2 ，两者作用在底板上的合力为 Fm 。在倾覆力矩作用前，螺栓和地基的工作点都处于A点。式中：Cb与Cm分别为螺栓与被连接件的刚度螺纹联接的强度计算15-6 螺纹联接的强度计算 螺栓联接的强度计算主要与联接的装配情况（预紧或不预紧）、外载荷的性质和材料性能等有关。 螺栓联接强度计算的目的是根据强度条件确定螺栓直径，而螺栓和螺母的螺纹牙及其他各部分尺寸均按标准选定。一、松螺栓联接强度计算二、紧螺栓联接强度计算1仅受预紧力的紧螺栓联接 2承受预紧力与工作拉力的紧螺栓联接3承受工作剪力的紧螺栓联接 联接

12、的失效形式：主要是指螺纹联接件的失效。对于受拉螺栓，其失效形式主要是螺纹部分的塑性变形和螺杆的疲劳断裂。对于受剪螺栓，其失效形式可能是螺栓杆被剪断或螺栓杆和孔壁的贴合面被压溃。详细推导65%20%15% ss4/21dF 螺纹联接的强度计算2 5-6 螺纹联接的强度计算1仅受预紧力的紧螺栓联接2104dFs预紧力引起的拉应力：sy5 . 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：当联接承受较大的横向载荷F时，由于要求F0Ff（f=0.2），即F05F ，因而需要大幅度地增加螺栓直径。为减小螺栓直径的增加，可采用减载措施。说明s

13、ss3 . 1322ca根据第四强度理论，螺栓在预紧状态下的计算应力:F0F0FF 螺纹联接的强度计算35-6 螺纹联接的强度计算2受轴向载荷的紧螺栓联接FDDp 螺栓预紧力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，联接结合面间有残余预紧力F1存在，要求螺栓联接的预紧力F0为：FCCCFFmbm10静强度条件：式中F1为残余预紧力，为保证联接的紧密性，应使 F1 0，一般根据联接的性质确定F1的大小。式中：mbbCCC为螺栓的相对刚度，其取值范围为 01。详细分析疲劳强度校

14、核 设流体压强为p，螺栓数目为Z，则缸盖上每个螺栓所受的轴向工作载荷为：p D2/4F =ZpD（2）承受预紧力与工作拉力的紧螺栓连接 前面分析过，当预紧后螺栓若再承受轴向工作载荷或倾覆力矩的作用，则螺栓内部的拉力会进一步增加，螺栓所受的总拉力：F2 F0 + F特别注意：FF图5-25 单个紧螺栓连接受力变形图螺母未拧紧bm螺母已拧紧F0F0螺栓伸长量为: b被连接件压缩量为：m 注意：虽然螺栓所受拉力等于被连接件所受压力，但由于两者的刚度不同，所以它们的变形量也不同。螺栓的伸长量：bbCF0mmCF0被连接件的压缩量：螺栓的刚度被连接件的刚度螺母未拧紧+bbmF1F1FFF2螺母已拧紧已承

15、受工作载荷F0F0m加载 F 后:螺栓总伸长量增加为: +b被连接件压缩量减少为： m =m - 总拉力： F2=F+F1被连接件的压缩力减少为： F1 很显然: F1 0F1 的选取原则如下：有密封性要求时： F1 =（1.51.8）F工作载荷不稳定时 ：F1 =（0.61.0）F 工作载荷稳定的时： F1 =（0.20.6）F一般连接：b连接件变形力螺栓变形力变形力F2F1FF0F0mF0bm 螺栓所受的总拉力： F2= F+ F1mb 以上螺栓连接的受力与变形关系可以用线图（即力与变形坐标图）来表示。被连接件受力变形图力变形bF0Obb螺栓受力变形图mF0力mOm变形设螺栓的刚度为Cb，

16、被连接件的刚度为Cm则：bbbCF0tanmmmCF0tanFbmF- F显见：F0 = F1 + （FF）力变形F0bmbmF2F1FObOmFbmF- F力变形F0bmbmF2F1FObOm由图中的几何关系可得：FFFmbtantanmbCCFCCCFmbb FCCCFmbb 见教材p84页。其大小与螺栓和被连接件的结构尺寸、材料以及垫片等因素有关。数值在01之间。螺栓的相对刚度FbmF- F力变形F0bmbmF2F1FObOmFCCCFmbb FCCCFFmbb110FCCCFmbm1FFF02 F0 = F1 + （FF） 在承受轴向工作拉力的螺栓连接中，采用橡胶垫片和采用铁垫片哪一个

17、对连接有利？为什么？FCCCFmbb0Question：-(5-33)-(5-34)FFF12FCCCFFmbb02螺栓所受的总拉力：-（5-31）-（5-34）承受轴向工作载荷的紧螺栓连接，其设计步骤如下：按连接的受载情况求出螺栓的工作拉力F根据连接要求选取 F1计算螺栓的总拉力F2按F2进行螺栓的强度计算强度条件式：ss21423.1dFca（校核式）或： )(3 . 1421mmFds （设计式） 承受F0和F共同作用的紧螺栓连接，其强度公式与仅承受F0作用时的公式形式相同，区别在于一个是F2，一个是F0。而F2的求法略微复杂。结论：螺纹联接的强度计算4螺纹联接的强度计算3承受工作剪力的

18、紧螺栓联接 这种联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。在联接结合面处，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：式中：F螺栓所受的工作剪力，单位为N；d0螺栓剪切面的直径（可取螺栓孔直径），单位为mm；Lmin螺栓杆与孔壁挤压面的最小高度，单位为mm；设计时应使Lmin1.25d0Pmin0PssLdF 204dFFFd0Lmin 国家标准规定了螺纹联接件的性能等级。螺栓、螺柱、螺钉的性能等级分为9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联接件，要选用高

19、的性能等级，如在压力容器中常采用8.8级的螺栓。螺纹联接件的材料与许用应力5-7 螺纹联接件的材料与许用应力一、螺纹联接件材料常用的螺纹联接件材料为Q215、Q235、35、45等碳素钢。当强度要求高时，还可采用合金钢，如15Cr、40Cr等。性能等级二、螺纹联接件的许用应力1螺纹联接件的许用拉应力2螺纹联接件的许用剪应力和许用挤压应力3螺纹联接件的安全系数说明SssssSsPsPSss（被联接件为钢）PBPSss（被联接件为铸铁） 提高螺纹联接强度的措施5-8 提高螺纹联接强度的措施以螺栓联接为例，螺栓联接的强度主要取决于螺栓的强度，因此，提高螺栓的强度，将大大提高联接系统的可靠性。影响螺栓

20、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 分析分析分析例题：螺栓组连接设计（例题：螺栓组连接设计（P92）（1 1）：结构设计）：结构设计（2 2）：螺栓受力分析）：螺栓受力分析 注意：第注意：第4 4步中摩擦力计算是由公式步中摩擦力计算是由公式5-335-33变化出变化出残余预紧力的计算公式。残余预紧力的计算公式。（3 3）：螺栓直径的确定）：螺栓直径的确定（4 4）：校核螺栓组连接结合面的工作能力）：校核螺栓组连接结合面的工作能力（5 5）：校核螺栓所需的预紧力是否合适）：校核

21、螺栓所需的预紧力是否合适螺旋传动15-9 螺旋传动一、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。 螺旋传动2二、滑动螺旋的结构和材料1滑动螺旋的结构整体螺母组合螺母剖分螺母螺母结构: 滑动螺旋的结构主要是指螺杆、螺母的固定和支承的结构形式。螺旋传动的工作刚度与精度等和支承结构有直接关系。固定螺钉调整螺钉调整楔快 螺杆的材料要有足够的强度和耐磨性。螺母的材料除了要有足