第十三 章 连接设计.

1、91 螺纹连接的基本知识螺纹连接的基本知识一、螺纹的分类一、螺纹的分类第十三章第十三章 连接设计连接设计三角形螺纹三角形螺纹矩形螺纹矩形螺纹梯形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹锯齿形螺纹圆弧形螺纹圆弧形螺纹按螺纹牙型分按螺纹牙型分螺纹的牙型螺纹的牙型螺纹线数螺纹线数螺旋线的绕行方向分螺旋线的绕行方向分右旋螺纹（正螺纹）右旋螺纹（正螺纹）左旋螺纹（反螺纹）左旋螺纹（反螺纹）内螺纹内螺纹外螺纹外螺纹柱螺纹柱螺纹锥螺纹锥螺纹左旋右旋 图图13-1 圆柱螺纹基本参数圆柱螺纹基本参数 1-外螺纹外螺纹 2内螺纹内螺纹 3外螺纹牙顶外螺纹牙顶 4螺纹牙螺纹牙侧侧 5外螺纹牙底外螺纹牙底 6内螺纹牙顶内螺纹牙顶 7-

2、内螺纹牙底内螺纹牙底SSSd1d2d12d1hP P5674dd32二二、 螺纹的基本参数螺纹的基本参数和术语和术语1、外径（大径）、外径（大径）d-公称直径。公称直径。2、小径（内径）、小径（内径）d1-危险截面直径。危险截面直径。3、中径、中径- d处于大径与小径之间，几何计算处于大径与小径之间，几何计算直径直径。4、螺距、螺距P-相邻两螺纹牙同名点之间的轴向距离。相邻两螺纹牙同名点之间的轴向距离。5、导程、导程S-同一条螺旋线上相邻两螺纹牙同名点同一条螺旋线上相邻两螺纹牙同名点之间的轴向距离。之间的轴向距离。S=Pn （-螺旋线头数）螺旋线头数） S=d2tg6、螺旋升角螺旋升角-螺旋线

3、上任意点切螺旋线上任意点切线与垂直于螺纹轴线平线与垂直于螺纹轴线平 面间的夹角。面间的夹角。7、牙型角、牙型角-同一螺同一螺纹牙的两个侧边所夹纹牙的两个侧边所夹锐角。牙侧角锐角。牙侧角。8、工作高度、工作高度h螺纹螺纹副的螺纹牙接触部分副的螺纹牙接触部分的径向高度。的径向高度。自锁条件：自锁条件： v 连接螺纹自锁性要强：连接螺纹自锁性要强： 要小，要小，v 要大。要大。传动用螺旋效率要高：传动用螺旋效率要高： 要大，要大，v 要小。要小。fftgv cos)(vtgtg 三、螺纹副的效率和自锁三、螺纹副的效率和自锁 vtgtgv)( 1、普通螺纹普通螺纹- 主要用于连接主要用于连接 1）、粗

4、牙）、粗牙- 2）、细牙）、细牙-2、矩形螺纹、矩形螺纹-3、梯形螺纹、梯形螺纹-4、锯齿形螺纹、锯齿形螺纹-5、圆弧螺纹、圆弧螺纹-四、机械制造中常用的螺纹四、机械制造中常用的螺纹主要用于传动主要用于传动主要用于排污设备、玻璃器皿主要用于排污设备、玻璃器皿132螺纹连接基本类型和螺纹连接件螺纹连接基本类型和螺纹连接件一、基本类型一、基本类型1、螺栓连接、螺栓连接d d d d L L1 1a aa a螺栓连接11-4b.swf普通螺栓连接工作原理：螺栓受拉力，被连接件结合面产生的摩擦力承受外载荷。应用：应用于被连接件不太厚,被连接件上下两个方向都有操作空间，需要经常拆卸的场合铰制孔用螺栓连接

5、工作原理侧壁受挤压杆横截面受剪 承受外载应用：需精确固定两被连接件的相对位置2、双头螺柱连接、双头螺柱连接 3、螺钉连接、螺钉连接H2H2一个被连接件很厚，或一个被连接件很厚，或单侧有操作空间又要经单侧有操作空间又要经常拆卸的场合。常拆卸的场合。不经常拆卸的场合，不经常拆卸的场合，其它同双头螺柱。其它同双头螺柱。螺钉连接11-6.swf双头螺注连接11-5.swf4、紧定螺钉连接、紧定螺钉连接 用螺钉的尾端直接顶住另外用螺钉的尾端直接顶住另外一个被连接件的表面或顶入凹一个被连接件的表面或顶入凹坑中。用以固定两个被连接件坑中。用以固定两个被连接件的相互位置，可传递较小的力的相互位置，可传递较小的

6、力或转矩。或转矩。 紧定螺钉连接11-7.swf4、其它螺纹连接二、螺纹连接件二、螺纹连接件1、螺栓和螺钉、螺栓和螺钉2、双头螺柱、双头螺柱3、紧定螺钉、紧定螺钉二、螺纹连接件二、螺纹连接件4、螺母和垫圈、螺母和垫圈13-3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（一）目的：（一）目的：增加刚度；增加刚度；增加连接的紧密性；增加连接的紧密性；增加连接的可靠性；增加连接的可靠性；提高螺栓的疲劳强度提高螺栓的疲劳强度。（二）预紧力的大小（二）预紧力的大小Fp1.拧紧力矩拧紧力矩TT = T1 + T2 T2-螺母与支乘面间的摩擦阻力矩螺母与支乘面间的摩擦阻力矩T1-螺纹副摩擦力矩螺

7、纹副摩擦力矩（二）预紧力的大小（二）预紧力的大小Fp202030300231dDdDFfTp 1.拧紧力矩拧紧力矩TT = T1 + T2 T2-螺母与支乘面间的摩擦阻力矩螺母与支乘面间的摩擦阻力矩T1螺纹副摩擦阻力矩螺纹副摩擦阻力矩)(22221vpttgdFdFT 当量摩擦系数当量摩擦系数FpT2D0 螺纹为标准件，将螺纹为标准件，将M12M64螺纹各参数代入上螺纹各参数代入上式整理后得：式整理后得：dFTp)3 . 01 . 0( 取取0.2适用于适用于M12的螺栓的螺栓拉力拉力Fp扭矩扭矩T1结论：拧紧螺栓时结论：拧紧螺栓时d1截面截面 20203030232)tan(21dDdDdf

8、dddFTvP dFTp2 . 0 （三）预紧力大小的控制（三）预紧力大小的控制1、不重要的连接、不重要的连接-不控制预紧力。不控制预紧力。2、重要连接、重要连接-定力矩扳手、测力矩扳手、测量螺栓定力矩扳手、测力矩扳手、测量螺栓伸长量、控制螺母转角、测量螺栓的应变等。伸长量、控制螺母转角、测量螺栓的应变等。 图图13-6 力矩扳手力矩扳手a ）、）、b) 测力矩扳手测力矩扳手 c） 定力矩扳手定力矩扳手b)a)c)二、螺纹连接的防松二、螺纹连接的防松防止螺纹副的相对运动防止螺纹副的相对运动（一）利用摩擦力防松（一）利用摩擦力防松1.原理原理2.方法方法（二）机械防松（二）机械防松1.原理原理2

9、.方法方法（三）永久防松（三）永久防松1.原理原理2.方法方法摩擦防松摩擦防松： 对顶螺母对顶螺母 弹簧垫圈弹簧垫圈 自锁螺母自锁螺母正确不正确机械防松机械防松： 开口销与六角开口销与六角 开槽螺母开槽螺母 止动垫圈止动垫圈 串联钢丝串联钢丝washer antimoving.swf永久防松：永久防松： 点冲点冲 铆合铆合 点焊点焊粘合粘合144 螺栓组连接设计螺栓组连接设计一、螺纹连接失效一、螺纹连接失效1、被连接件：、被连接件：滑移、出现间隙、滑移、出现间隙、压溃及断裂。压溃及断裂。2、连接件：、连接件：断裂、压溃、断裂、压溃、塑性变形、塑性变形、螺纹牙的破坏。螺纹牙的破坏。 螺栓组的受力

10、可归纳为四种情况：螺栓组的受力可归纳为四种情况：XY 受横向载荷受横向载荷F 作用的螺栓组作用的螺栓组连接连接；Z 受轴向载荷受轴向载荷F 作用的螺栓组连接；作用的螺栓组连接；YX受倾覆力矩受倾覆力矩M 作用的螺栓组作用的螺栓组连接连接；Z受旋转力矩受旋转力矩T 作用的螺栓组作用的螺栓组连接连接；一）受横向载荷作用的螺栓组连接一）受横向载荷作用的螺栓组连接FFO二、螺栓组连接的受力分析二、螺栓组连接的受力分析ZF P f mK f F K f=1.11.3。 1、普通螺栓连接、普通螺栓连接fmzFKFfP单个螺栓受预紧力：单个螺栓受预紧力：目的：找出螺栓组中受力最大的螺栓目的：找出螺栓组中受力

11、最大的螺栓2、铰制孔用螺栓连接组、铰制孔用螺栓连接组单个螺栓受工作载荷：单个螺栓受工作载荷：ZFF二）、受转矩作用的螺栓连接组二）、受转矩作用的螺栓连接组 在转矩在转矩T 作用下，被连接件接触面作用下，被连接件接触面不允许发生滑移或压溃。不允许发生滑移或压溃。1）采用普通螺栓）采用普通螺栓螺栓只受预紧力螺栓只受预紧力 各螺栓预紧力各螺栓预紧力Fp相同相同。力平衡条件：力平衡条件：ziifprfTKF1 TKfrFfrFfrFfippp 21Tf Fpr1fFpr2T 2）采用铰制孔用螺栓（找出受力最大的螺栓）采用铰制孔用螺栓（找出受力最大的螺栓）21maxmaxizirTrF受力最大的螺栓的横

12、向工作载荷：受力最大的螺栓的横向工作载荷：力平衡条件：力平衡条件：TrFrFrFii 2211变形协调条件：变形协调条件：maxmax2211rFrFrF34521678910r2F2dTF2T三）受轴向载荷作用的螺栓组三）受轴向载荷作用的螺栓组OFOZFF单个螺栓的轴向工作载荷：单个螺栓的轴向工作载荷：单个螺栓所受总载荷单个螺栓所受总载荷F0 ？工作前各螺栓受工作前各螺栓受预紧力预紧力FP。四）受倾翻力矩四）受倾翻力矩M作用的螺栓连接组作用的螺栓连接组平衡条件：平衡条件：iiziLFM1maxmax2211.LFLFLF 变形协调条件变形协调条件受力最大螺栓的轴向载荷：受力最大螺栓的轴向载荷

13、：21maxmaxiziLMLF受拉侧不许出现间隙；受压侧不允许压溃受拉侧不许出现间隙；受压侧不允许压溃 0minWMAZFPp maxpPpWMAZF（受倾翻力矩倾翻力矩M作用的螺栓连接组作用的螺栓连接组不作考试内容）例：例：a) b) c)图图9-13 螺栓组的力分析螺栓组的力分析x xy yo ozo ox xF Fx xzy yF FF Fx xz zy yo ox xaF F三、螺栓组连接结构设计三、螺栓组连接结构设计设计准则：设计准则：根据载荷情况确定连接接合面的几何形状和根据载荷情况确定连接接合面的几何形状和螺栓组布置形式，力争使各螺栓受力均匀，螺栓组布置形式，力争使各螺栓受力均

14、匀，避免螺栓产生附加载荷，便于加工和装配避免螺栓产生附加载荷，便于加工和装配 。设计准则1、形状尽量简单、形状尽量简单2、便于加工和分度、便于加工和分度3、尽量减少加工面、尽量减少加工面4、各螺栓受力均匀、各螺栓受力均匀5、螺栓排列应有合理的钉距和边距、螺栓排列应有合理的钉距和边距6、其它、其它参数见表10-6 扳手空间11-9c.swf扳手空间11-9b.swf145单个螺栓的强度计算单个螺栓的强度计算 螺栓连接的强度计算主要与螺栓连接的强度计算主要与连接的装配情况（预紧或不预连接的装配情况（预紧或不预紧）、外载荷的性质和材料性能紧）、外载荷的性质和材料性能等有关。等有关。 螺栓连接强度计算

15、的目的是根据强度条件确定螺螺栓连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。按标准选定。 螺纹连接的失效形式：螺纹连接的失效形式：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。或螺栓杆和孔壁的贴合面被压溃。65%20%15%失效位置position of breakage of screw.swf一、普

16、通螺栓一、普通螺栓（一）单个松螺栓连接强度计算（一）单个松螺栓连接强度计算F（一）单个松螺栓连接强度计算（一）单个松螺栓连接强度计算 MPa 421dFF根据根据d1值查手册，确定值查手册，确定d的大小的大小=s/S（MPa） S安全系数，安全系数，FFFPFPFfFf （二）（二）只受预紧力的单个紧连接螺栓强度计算只受预紧力的单个紧连接螺栓强度计算 （受横向载荷作用的单个螺栓强度计算）受横向载荷作用的单个螺栓强度计算）fmzFKFfP横载loading principle.swf214dFP312162)tan(ddFvP螺栓应力：螺栓应力：和和准则：接合面不滑移准则：接合面不滑移 3 .

17、1322 v MPa 43 . 121 dFP根据第四强度理论：根据第四强度理论：只受预紧力的紧螺栓连接强度条件：只受预紧力的紧螺栓连接强度条件： mm 3 . 141PFd（三）受轴向载荷作用的紧螺栓连接强度计算（三）受轴向载荷作用的紧螺栓连接强度计算ZFF螺栓工作载荷：螺栓工作载荷：螺栓受预紧力：螺栓受预紧力：Fp螺栓总载荷：螺栓总载荷：F0？设计要求：设计要求： 在在F作用下，不允许接触面间有间隙，且接触作用下，不允许接触面间有间隙，且接触面间仍有足够的压应力。面间仍有足够的压应力。 1、受力和变形分析：、受力和变形分析： 连接件和被连接件均为弹性体，应变均在连接件和被连接件均为弹性体，

18、应变均在弹性变形范围内。力和变形为线性关系。弹性变形范围内。力和变形为线性关系。12轴向载荷11-16.swf力变形曲线力变形曲线图5-15动画.swf变形曲线11-17b.swf变形曲线11-17c.swf12F0Fp/FFFpOb变形力FpOm2Fp1力连接件刚度连接件刚度C1：被连接件刚度被连接件刚度C2：2211 ppFCFC 力变形关系曲线force and deformation.swf工作前：受力工作前：受力连接件连接件F p 1被连接件被连接件F p 2连接件连接件1 （1+ 1） F0被连接件被连接件2 （ 2- 2） F p/工作中：工作中：F0Fp/FF2Fp1力力根据变

19、形协调条件得：根据变形协调条件得：1=2FFFP /01101cFFFcFFPPP2/2cFFPPF0Fp/FF2Fp1力力得：得：FCCCFFFCCCFFppp 212/2110受轴向载荷作用的紧螺栓连接的总载荷受轴向载荷作用的紧螺栓连接的总载荷F0FCCC212211CCC 螺栓的相对刚度见表螺栓的相对刚度见表13-6F0Fp/FF2Fp1力力FCCC211分析受轴向载荷的紧螺栓连接：分析受轴向载荷的紧螺栓连接： 1）相对刚度）相对刚度与结构、材料、尺寸有关与结构、材料、尺寸有关 2） = 2时连接失效。时连接失效。 所以所以Fp/ 0 3）F0FpF0 变应力变应力疲劳破坏。疲劳破坏。如

20、果工作载荷如果工作载荷F为变载荷（在为变载荷（在 F1F2之间变化）之间变化）则螺栓总载荷则螺栓总载荷F02F01F02 4) F/P的常用值见的常用值见P286 2、受轴向载荷的紧螺栓连接强度计算、受轴向载荷的紧螺栓连接强度计算MPa 43 .1210 dF使用公式说明：使用公式说明：F F不变不变-静强度计算静强度计算F F变化变化-静强度计算静强度计算+ +疲劳强度计算疲劳强度计算 3、疲劳强度计算（应力幅计算）、疲劳强度计算（应力幅计算）421aaaadFAF 211120102.22cccFFFFFa 拉力幅拉力幅应力幅应力幅提高螺栓连接疲劳强度的措施提高螺栓连接疲劳强度的措施211

21、120102.22cccFFFFFa FFFp 0减小减小Fa（ F0 、F /P 和和F不能改变）不能改变） 1、降低、降低C1 ； 2、提高、提高 C2；3、降低、降低C1同时提高同时提高C2。FCCCFFpp 212/减小减小Fa 13-6螺栓的材料和许用应力螺栓的材料和许用应力螺栓、螺柱及螺钉的性能等级见表螺栓、螺柱及螺钉的性能等级见表13-8，如，如36、46、48.。前数字为前数字为b /100；后为屈强比后为屈强比 10s /b。b 为材料的抗拉强度极限为材料的抗拉强度极限s 为材料的屈服极限。为材料的屈服极限。二、紧螺栓连接许用应力见表二、紧螺栓连接许用应力见表13-6一、螺栓

22、的材料见表一、螺栓的材料见表13-8SsS安全系数见表安全系数见表13-7。表表13-7 材材料料静静 载载 荷荷变变 载载 荷荷M6M16M16M30M306M60M6M16M16M30碳素钢碳素钢5 44 2.52.5 212.5 8.58.5合金钢合金钢5.7 55 3.43.4 310 6.86.8控制预紧力时控制预紧力时紧螺栓连接的安全系数紧螺栓连接的安全系数S=1.2 1.5不控制预紧力时紧螺栓连接的安全系数：不控制预紧力时紧螺栓连接的安全系数：二、铰制孔用螺栓连接强度计算二、铰制孔用螺栓连接强度计算MPa MPa 4min0P20pLdFmdF d0d1 Lmin-最小工作长度。

23、最小工作长度。m受剪面对数。受剪面对数。设计要求：不压溃，不剪断。设计要求：不压溃，不剪断。受剪螺栓的许用应力SspSs见表13-8例：一凸缘联轴器若采用例：一凸缘联轴器若采用M16的的普通螺栓联成一体，传递转矩普通螺栓联成一体，传递转矩T450N m，螺栓性能等级，螺栓性能等级4.8，结合面摩擦因数结合面摩擦因数f=0.15，安装时不，安装时不控制预紧力，试设计此螺栓连接。控制预紧力，试设计此螺栓连接。解题思路：解决螺栓个数解题思路：解决螺栓个数Z；横向载荷的普通螺栓组，；横向载荷的普通螺栓组，以预紧力以预紧力FP产生摩擦阻力矩传递转矩产生摩擦阻力矩传递转矩T； 即：即：FPfZrmKfT。 F 43 . 1P21求出由dFp解：查设计手册，解：查设计手册，M16的螺栓，的螺栓，d1=13.835mm， 由性能等级知由性能等级知S=320MPa查表查表13-7（不控制预紧力）取（不控制预紧力）