第11章螺纹连接

1、华东交通大学专用 作者： 潘存云教授 第十一章第十一章 螺纹连接螺纹连接 11.1 11.1 螺纹参数和类型螺纹参数和类型11.2 11.2 螺纹副的受力分析、效率和自锁螺纹副的受力分析、效率和自锁11.4 螺栓连接的强度计算螺栓连接的强度计算11.3 11.3 螺纹连接和螺纹连接件螺纹连接和螺纹连接件11.511.5螺纹连接件的材料和许用应力螺纹连接件的材料和许用应力11.611.6设计螺纹连接时应注意的问题设计螺纹连接时应注意的问题华东交通大学专用 作者： 潘存云教授 1)、螺纹的形成、螺纹的形成11.1. 螺纹参数和类型螺纹参数和类型d2螺旋线螺旋线-一动点在一圆柱体的表面上，一边绕轴线

2、一动点在一圆柱体的表面上，一边绕轴线等速旋转，同时沿轴向作等速移动的轨迹。等速旋转，同时沿轴向作等速移动的轨迹。螺纹螺纹-一平面图形沿螺旋线运动，运动时保持该图一平面图形沿螺旋线运动，运动时保持该图形通过圆柱体的轴线，就得到螺纹。形通过圆柱体的轴线，就得到螺纹。螺纹螺纹华东交通大学专用 作者： 潘存云教授 按螺纹的牙型分按螺纹的牙型分螺螺纹纹的的分分类类按螺纹的旋向分按螺纹的旋向分按螺旋线的根数分按螺旋线的根数分按回转体的内外表面分按回转体的内外表面分按螺旋的作用分按螺旋的作用分按母体形状分按母体形状分矩形螺纹矩形螺纹三角形螺纹三角形螺纹梯形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹锯齿形螺纹华东交通大学专用 作

3、者： 潘存云教授 螺纹的牙型螺纹的牙型矩形螺纹矩形螺纹三角形螺纹三角形螺纹梯形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹锯齿形螺纹1530330华东交通大学专用 作者： 潘存云教授 按螺纹的牙型分按螺纹的牙型分螺螺纹纹的的分分类类按螺纹的旋向分按螺纹的旋向分按螺旋线的根数分按螺旋线的根数分按回转体的内外表面分按回转体的内外表面分按螺旋的作用分按螺旋的作用分按母体形状分按母体形状分矩形螺纹矩形螺纹三角形螺纹三角形螺纹梯形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹锯齿形螺纹右旋螺纹右旋螺纹左旋螺纹左旋螺纹华东交通大学专用 作者： 潘存云教授 按螺纹的牙型分按螺纹的牙型分螺螺纹纹的的分分类类按螺纹的旋向分按螺纹的旋向分按螺旋线的根数分按螺

4、旋线的根数分 按回转体的内外表面分按回转体的内外表面分 按螺旋的作用分按螺旋的作用分按母体形状分按母体形状分矩形螺纹矩形螺纹三角形螺纹三角形螺纹梯形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹锯齿形螺纹右旋螺纹右旋螺纹左旋螺纹左旋螺纹单线螺纹单线螺纹多线螺纹多线螺纹外螺纹外螺纹内螺纹内螺纹螺纹副螺纹副华东交通大学专用 作者： 潘存云教授 设计：潘存云外螺纹外螺纹内螺纹内螺纹华东交通大学专用 作者： 潘存云教授 按螺纹的牙型分按螺纹的牙型分螺螺纹纹的的分分类类按螺纹的旋向分按螺纹的旋向分按螺旋线的根数分按螺旋线的根数分 按回转体的内外表面分按回转体的内外表面分按螺旋的作用分按螺旋的作用分按母体形状分按母体形状分矩形螺

5、纹矩形螺纹三角形螺纹三角形螺纹梯形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹锯齿形螺纹右旋螺纹右旋螺纹左旋螺纹左旋螺纹单线螺纹单线螺纹多线螺纹多线螺纹外螺纹外螺纹内螺纹内螺纹联接螺纹联接螺纹传动螺纹传动螺纹螺旋传动螺旋传动华东交通大学专用 作者： 潘存云教授 联接螺纹联接螺纹传动螺纹传动螺纹华东交通大学专用 作者： 潘存云教授 按螺纹的牙型分按螺纹的牙型分螺螺纹纹的的分分类类按螺纹的旋向分按螺纹的旋向分按螺旋线的根数分按螺旋线的根数分 按回转体的内外表面分按回转体的内外表面分按螺旋的作用分按螺旋的作用分按母体形状分按母体形状分矩形螺纹矩形螺纹三角形螺纹三角形螺纹梯形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹锯齿形螺纹右旋螺纹右旋螺纹

6、左旋螺纹左旋螺纹单线螺纹单线螺纹多线螺纹多线螺纹外螺纹外螺纹内螺纹内螺纹联接螺纹联接螺纹传动螺纹传动螺纹圆柱螺纹圆柱螺纹圆锥螺纹圆锥螺纹华东交通大学专用 作者： 潘存云教授 圆柱螺纹圆柱螺纹圆锥螺纹圆锥螺纹管螺纹管螺纹华东交通大学专用 作者： 潘存云教授 设计：潘存云(3)中径中径d2 也是一个假想圆柱的直径，该圆柱的母线上牙型沟槽和凸起宽度相等。设计：潘存云d1d2d(1)大径大径d 与外螺纹牙顶(或内螺纹牙底)相重合的假想圆柱体的直径。(2) 小径小径 d1 与外螺纹牙底(或内螺纹牙顶)相重合的假想圆柱体的直径。(4) 螺距螺距P 相邻两牙在中径线上对应两点间的轴向距离。(5) 导程导程S

7、(6) 螺纹升角螺纹升角 中径d2圆柱上，螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面的夹角 (7)牙型角牙型角 轴向截面内螺纹牙型相邻两侧边的夹角。牙型侧边与螺纹轴线的垂线间的夹角。tg=d2 nP 牙侧角牙侧角 d2SS = nP同一条螺旋线上的相邻两牙在中径线上对应两点间的轴向距P2) 螺纹的主要几何参数螺纹的主要几何参数SPP/2P/2华东交通大学专用 作者： 潘存云教授 3)3) 常用螺纹的常用螺纹的 特点和应用特点和应用三角形三角形螺纹螺纹普通普通螺纹螺纹 = 60管管螺纹螺纹 = 55普通螺纹以大径普通螺纹以大径d为为公称直径公称直径，同一公称直径可以有多，同一公称直径可以有多种螺距，其中

8、螺距最大的称为种螺距，其中螺距最大的称为粗牙螺纹粗牙螺纹，其余的统称为，其余的统称为细牙螺纹。细牙螺纹。60Pd粗牙粗牙dP细牙细牙dP细牙细牙粗牙螺纹应用最广。粗牙螺纹应用最广。细牙螺纹的优点：细牙螺纹的优点：升角小、小径大、自锁性好、强度高，升角小、小径大、自锁性好、强度高，缺点：缺点：不耐磨易滑扣。不耐磨易滑扣。应用：应用：薄壁零件、受动载荷的联接和微调机构。薄壁零件、受动载荷的联接和微调机构。华东交通大学专用 作者： 潘存云教授 用螺纹密封的管用螺纹密封的管螺纹螺纹普通细牙普通细牙螺纹螺纹管管螺纹螺纹非螺纹密封管非螺纹密封管螺纹螺纹（圆柱管壁 = 55）用螺纹密封管用螺纹密封管螺纹螺纹

9、（圆锥管壁 = 55）60圆锥管圆锥管螺纹螺纹公称直径公称直径-管子的公称通径。管子的公称通径。强调与普通螺纹不同55 55 非螺纹密封的管非螺纹密封的管螺纹螺纹d dd d2 2d d1 1P Pd dd d2 2d d1 1P P2华东交通大学专用 作者： 潘存云教授 设计：潘存云梯形梯形螺纹：螺纹：梯梯 形形锯齿形锯齿形30330为了减少摩擦和提高效率，这两种螺纹的牙侧角比三角形螺纹的要小得多。用于剖分螺母时，梯形螺纹可消除因摩擦而产生的间隙，应用较广。锯齿形螺纹的效率比矩形螺纹高，但只适合单向传动。锯齿形螺纹锯齿形螺纹:常用于传动。常用于传动。= 15= 3螺纹的基本尺寸：螺纹的基本尺

10、寸：华东交通大学专用 作者： 潘存云教授 表表 1 1 直径与螺距、粗牙普通螺纹基本尺寸直径与螺距、粗牙普通螺纹基本尺寸 mmmm3 0.5 2.675 2.459 3 0.5 2.675 2.459 公称直径（大径）公称直径（大径） 粗粗 牙牙 细细 牙牙 D d D d 螺距螺距P P 中径中径 D D2 2 d d2 2 小径小径 D D1 1d d1 1 螺距螺距P P 4 0.7 3.545 3.242 4 0.7 3.545 3.242 5 0.8 3.545 4.1345 0.8 3.545 4.1340.350.350.50.56 1 5.350 4.918 6 1 5.350

11、 4.918 8 1.25 7.188 6.647 8 1.25 7.188 6.647 10 1.5 9.026 8.376 1.25, 1 0.75 10 1.5 9.026 8.376 1.25, 1 0.75 12 1.75 10.863 10.106 1.5, 1.25 0.5 12 1.75 10.863 10.106 1.5, 1.25 0.5 (14) 2 12.701 11.835 (14) 2 12.701 11.835 1.5, 11.5, 116 2 14.701 13.835 16 2 14.701 13.835 (18) 2.5 16.376 15.294 (18)

12、 2.5 16.376 15.294 20 2.5 18.376 17.294 20 2.5 18.376 17.294 (20) 2.5 20.376 19.294 (20) 2.5 20.376 19.294 24 3 22.052 20.752 24 3 22.052 20.752 (27) 3 25.052 23.752 (27) 3 25.052 23.752 30 3.5 27.727 26.211 30 3.5 27.727 26.211 2, 1.5, 12, 1.5, 1注：括号内的公称直径为第二系列注：括号内的公称直径为第二系列 H=0.866P dH=0.866P d2

13、2=d-0.6495P d=d-0.6495P d1 1=d-1.0825P=d-1.0825PD D1 1、d d1 1-内、外螺纹小径内、外螺纹小径 D D2 2、d d2 2-内、外螺纹中径内、外螺纹中径 D D、d d -内、外螺纹大径内、外螺纹大径 P-P-螺距螺距 标记示例：标记示例：M24(M24(粗牙普通螺纹、直径粗牙普通螺纹、直径2424、螺距、螺距3) 3) M24X1.5(M24X1.5(细牙普通螺纹细牙普通螺纹, ,直径直径24,24,螺距螺距1.5) 1.5) P PP/8P/8P/8P/8P/8P/8H/4H/4D dD dD D2 2 d d2 2 D D1 1

14、d d1 1 P/2P/2P/4P/43030 6060 9090 华东交通大学专用 作者： 潘存云教授 表表 2 2 细牙普通螺纹基本尺寸细牙普通螺纹基本尺寸 mmmm螺距螺距P P 中径中径D D2 2、d d2 2 小径小径D D1 1、d d1 10.35 d-1+0.773 d-1+0.621 0.35 d-1+0.773 d-1+0.621 0.5 d-1+0.675 d-1+0.459 0.5 d-1+0.675 d-1+0.459 0.75 d-1+0.513 d-1+0.188 0.75 d-1+0.513 d-1+0.188 1 d-1+0.35 d-2+0.918 1 d

15、-1+0.35 d-2+0.918 1.25 d-1+0.188 d-2+0.647 1.25 d-1+0.188 d-2+0.647 1.5 d-1+0.026 d-2+0.376 1.5 d-1+0.026 d-2+0.376 2 d-2+0.701 d-3+0.835 2 d-2+0.701 d-3+0.835 3 d-2+0.052 d-4+0.752 3 d-2+0.052 d-4+0.752 华东交通大学专用 作者： 潘存云教授 设计：潘存云表表 3 3 梯形螺纹基本尺寸梯形螺纹基本尺寸 mmmm标记示例：标记示例：Tr48X8Tr48X8( (梯形螺纹，直径梯形螺纹，直径4848

16、，螺距，螺距8)8)P hP h3 3=H=H4 4 a ac c 第第1 1系列系列 第第2 2系列系列 D D2 2 d d2 2 D D1 1 螺距螺距 螺纹牙高螺纹牙高 牙顶间隙牙顶间隙 公称直径公称直径d d 中中 径径 内螺纹小径内螺纹小径 12 6.5 0.5 9012 6.5 0.5 90、100 85100 85、95 d-6 d-12 95 d-6 d-12 10 5.5 0.5 4010 5.5 0.5 40、7070、80 3880 38、4242、65 d-5 d-10 65 d-5 d-10 8 6.5 0.5 488 6.5 0.5 48、52 4652 46、5

17、0 d-4 d-8 50 d-4 d-8 4 2.25 0.25 164 2.25 0.25 16、20 18 d-2 d-4 20 18 d-2 d-4 5 2.75 0.25 245 2.75 0.25 24、28 2228 22、26 d-2.5 d-5 26 d-2.5 d-5 6 2.25 0.5 326 2.25 0.5 32、36 3036 30、34 d-3 d-6 34 d-3 d-6 内螺纹内螺纹外螺纹外螺纹d dP PR R1 1R R2 2D D1 1D D4 4H H1 1D D2 2 d d2 2d d3 3a ac ca ac c3030 H H4 4R R2 2

18、华东交通大学专用 作者： 潘存云教授 设计：潘存云vFd2Stg =F/FnFFaFFa螺纹的拧松螺纹的拧松-螺母在螺母在F和和Fa的联合作用下，顺着的联合作用下，顺着Fa等速等速向下运动。向下运动。螺纹的拧紧螺纹的拧紧-螺母在螺母在F和和Fa的联合作用下，逆着的联合作用下，逆着Fa等速等速向上运动。向上运动。1、矩形螺纹、矩形螺纹= 011.211.2 螺旋副的受力分析、效率和自锁螺旋副的受力分析、效率和自锁展开中径展开中径d2 圆柱面得一斜面圆柱面得一斜面.螺旋副在轴向载荷Fa作用下相对运动，可看作在中径的水平力F推动滑块(重物)沿螺纹运动F -水平推力水平推力Fn -法向反力法向反力Fa

19、 -轴向载荷轴向载荷F=f Fn -摩擦力摩擦力f -摩擦系数摩擦系数d2FR -总反力总反力v =tg-1 f -摩擦角摩擦角=f Fn/Fn =f FnFR定角-由材料确定F华东交通大学专用 作者： 潘存云教授 设计：潘存云设计：潘存云 + FnFRvFd2S滑块在F、FR 、Fa三力作用下处于平衡状态d2FFaFFa 作力多边形作力多边形得：得： F=Fatg(+ + ) 驱动力矩：驱动力矩：FaFFR)(22tgFda22dFT 列出力平衡方程：列出力平衡方程：FR + Fa + +F =0 FRFa = + + FR =(1 + + f ) Fn+ +Fa -阻力，阻力，F - 驱动

20、力，驱动力，当螺纹拧紧当螺纹拧紧(滑块上升滑块上升)时：时：FR = Fn + +F FF -摩擦力摩擦力, 沿斜面朝下。沿斜面朝下。华东交通大学专用 作者： 潘存云教授 设计：潘存云设计：潘存云FFa- FRvFRFa当当螺纹拧松螺纹拧松(滑块下滑滑块下滑)时：时：FRFa = - - 滑块在F、FR 、Fa三力作用下处于平衡状态 作力多边形可得：作力多边形可得： F=Fatg(- - ) 驱动力矩：驱动力矩：22dFT )(22tgFdad2FFaFFnF- - 列出力平衡方程：列出力平衡方程：FR + Fa + +F =0 F Fa -驱动力，驱动力，F -阻力，阻力，F -摩擦力摩擦力

21、, 沿斜面朝上。沿斜面朝上。华东交通大学专用 作者： 潘存云教授 )(22tgFdTa若若 ，则则T T为正值，其方向与螺为正值，其方向与螺 母运动方向相反，是母运动方向相反，是阻力阻力；若若 ，则则T T为负值或为零，如为负值或为零，如T为负为负值则值则方向相反，其方向与预先假定的方方向相反，其方向与预先假定的方向相反，而与螺母运动方向相同，成为向相反，而与螺母运动方向相同，成为放松螺母所需外加的放松螺母所需外加的驱动力矩。驱动力矩。提问：提问：当当时，若没有力矩时，若没有力矩T T，螺螺母在母在F Fa a的作用下会运动吗？的作用下会运动吗？不会！不会！-这种现象称为这种现象称为自锁。自锁

22、。T Td2FaFFd2FaFFT T华东交通大学专用 作者： 潘存云教授 螺母螺母螺杆螺杆轴轴线线轴线轴线螺杆螺杆螺母螺母FnFa2、 非矩形螺纹非矩形螺纹 0矩形螺纹忽略升角的影响时有：矩形螺纹忽略升角的影响时有：Fn=Fa当当 0 时，摩擦力为：时，摩擦力为：nFfFaFfcosaFf costgff摩擦系数为摩擦系数为f 的非矩形螺纹所产生的非矩形螺纹所产生的摩擦力与摩擦系数为的摩擦力与摩擦系数为f 的矩形的矩形螺纹所产生的摩擦力相当。螺纹所产生的摩擦力相当。称称 为当量摩擦角为当量摩擦角FaFnFa故称故称 f 为当量摩擦系数。为当量摩擦系数。华东交通大学专用 作者： 潘存云教授 引

23、入参数引入参数f 和和 就可象矩形螺纹那样对非矩形螺纹进就可象矩形螺纹那样对非矩形螺纹进行力的分析。行力的分析。 滑块上升：滑块上升：) (2:) (:2tgFdTtgFFaa驱动力矩水平推力 滑块下降：滑块下降：) (2) (2tgFdTtgFFaa非矩形非矩形螺旋的自锁条件：螺旋的自锁条件： 对于联接螺纹必须满足自锁条件华东交通大学专用 作者： 潘存云教授 设计：潘存云设计：潘存云0 10 20 30 40 50 20406080100效率效率% 定义螺旋副的效率为有效功与输入功之比：定义螺旋副的效率为有效功与输入功之比：TSFa22)(dStgFFaa当一定时，效率只是螺纹升角的函数，由

24、此可以绘出效率曲线.当当一定时，在一定时，在=45=45- -/2 /2 处效率曲线有极大值。处效率曲线有极大值。对于传动螺旋，一般取：对于传动螺旋，一般取：对于联接螺纹，必须取：对于联接螺纹，必须取：升角过大, 制造困难，且效率增高也不明显。 = = 5.75.7 螺旋转动一圈时，有效功为螺旋转动一圈时，有效功为F Fa aS S, , 输入功为输入功为2T2T。f =tg=tg =0.1 =0.1自锁极限自锁极限2525紧固螺纹区紧固螺纹区)(tgtg华东交通大学专用 作者： 潘存云教授 1).螺栓联接11.3 螺纹连接和螺纹连接件1、螺纹连接的基本类型华东交通大学专用 作者： 潘存云教授

25、 2).双头螺柱联接华东交通大学专用 作者： 潘存云教授 3). 螺钉联接华东交通大学专用 作者： 潘存云教授 4). 紧定螺钉联接华东交通大学专用 作者： 潘存云教授 2、 标准螺纹连接件标准螺纹连接件1.螺栓、螺柱、螺钉联接件华东交通大学专用 作者： 潘存云教授 2.紧定螺钉、螺母华东交通大学专用 作者： 潘存云教授 3.垫圈华东交通大学专用 作者： 潘存云教授 其它螺母：其它螺母：华东交通大学专用 作者： 潘存云教授 其它螺母：其它螺母：华东交通大学专用 作者： 潘存云教授 3. 螺纹连接的预紧 一般螺纹连接在装配的时候都必须拧紧，以增强连接的可靠性、紧密性和防松能力。 对于一般连接，可

26、凭经验来控制预紧力F0的大小，但对于重要的连接就要严格控制其预紧力。T=T1+T2=KF0d拧紧时扳手力矩为T可由测力矩扳手测定!式中K为拧紧力矩系数,可查表华东交通大学专用 作者： 潘存云教授 4、 螺栓连接的防松连中常用的单线普通螺纹和管螺纹在冲击、震动或变载荷的作用下容易产生松脱现象。 螺纹联接防松的根本问题在于要防止螺旋副的相对运动。常用的防松方法:摩擦防松机械防松:其他防松弹簧垫圈对顶螺母尼龙圈锁紧螺母开口销带翅垫片止动垫片华东交通大学专用 作者： 潘存云教授 11.4 螺栓连接强度计算 单个螺栓联接的强度计算是螺纹联接设计的基础。 根据联接的的工作情况，可将螺栓按受力形式分为受拉螺

27、栓和受剪螺栓，两者失效形式是不同的。 设计准则：针对具体的失效形式，通过对螺栓的相应部位进行相应强度条件的设计计算（或强度校核）。 螺栓联接的计算主要是确定螺纹小径d1,然后按照标准选定螺纹的公称直径（大径）d等。华东交通大学专用 作者： 潘存云教授 一. 松螺栓连接强度条件：设计公式：421dFAF41Fd式中为松联接螺栓材料的许用拉应力（MPa）d1计算出后,再按标准查选螺纹的公称直径。华东交通大学专用 作者： 潘存云教授 二、 紧螺栓连接只受预紧力的紧螺栓联接螺栓螺纹部分处于拉伸与扭转的复合应力状态。螺栓危险界面上的拉伸应力为4210dF螺栓危险界面上的扭转剪切应力为162/)tan(1

28、63120311ddFdTv华东交通大学专用 作者： 潘存云教授 对于常用的单线、三角形螺纹的普通螺栓，取fv=tanv=0.17，简化处理的=0.5,.根据第四强度理论，可求出计算应力ca为3 . 1)5 . 0(332222ca因此，强度条件为：3 . 1ca即43 . 1210dF设计公式为:3 . 1401Fd华东交通大学专用 作者： 潘存云教授 承受轴向载荷的紧螺栓联接载荷方向与螺栓轴向一致,螺栓受载前需预紧,受载前后受力不同.螺栓内部危险截面上同样既有拉应力,又有扭转剪应力.受力特点强度条件: 设计公式:式中F2为螺栓受载后所受的轴向总拉力(N),通过受载前对螺栓的预紧,和受载后螺

29、栓轴向拉力的分析,可知这里F为单个螺栓的轴向载荷4/3 . 1212dF3 . 1421FdF2 F0+F华东交通大学专用 作者： 潘存云教授 设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云松弛松弛状态状态受载受载变形变形加预紧力后加预紧力后螺栓受拉伸长螺栓受拉伸长b被联接件受压缩短被联接件受压缩短m加载加载 F 后后:螺栓总伸长量增加为螺栓总伸长量增加为: 总拉力为：总拉力为：被联接件压缩量减少为：被联接件压缩量减少为： 残余预紧力减少为：残余预紧力减少为： F1很显然很显然: F1FF2 2FF3 3FF4 4FF5 5螺螺栓栓杆杆F F F F螺螺栓栓杆杆螺母体螺母体假设螺母为刚体，则螺纹牙变形与