学习单元5 螺纹联接的设计

1、学习单元学习单元5 5 螺纹联接的设计螺纹联接的设计济南职业学院济南职业学院机械制造系机械制造系 螺纹连接的相关知识螺纹连接的相关知识2操作与实践操作与实践3自主学习自主学习4拓展知识拓展知识5总结总结6本节自测本节自测7项目导入项目导入1单元内容单元内容 台式钻床千斤顶一、台式钻床的螺栓连接和一、台式钻床的螺栓连接和千斤顶的螺旋传动千斤顶的螺旋传动 第一节、项目导入第一节、项目导入二、螺纹联结二、螺纹联结螺栓联结螺栓联结铰制孔螺栓联结铰制孔螺栓联结双头螺柱联接双头螺柱联接紧定螺钉联接紧定螺钉联接一、螺纹一、螺纹螺纹有外螺纹与内螺纹之分，它们共同组成螺旋副。螺纹有外螺纹与内螺纹之分，它们共同组

2、成螺旋副。螺纹按工作性质分为联接用螺纹和传动用螺纹。螺纹按工作性质分为联接用螺纹和传动用螺纹。 第二节、相关知识第二节、相关知识外螺纹外螺纹内螺纹内螺纹螺纹的旋向螺纹的旋向1 1、螺纹形成、螺纹形成加工方法：车制内外螺纹；加工方法：车制内外螺纹；直径小用碾压法；内螺纹先用钻头钻出光孔，然后丝锥攻螺纹直径小用碾压法；内螺纹先用钻头钻出光孔，然后丝锥攻螺纹螺旋线螺旋线一动点在一圆柱体的表面上，一边绕轴线等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。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，运动时保持该图形通一平面图形沿螺旋线运动，运动时保持该

3、图形通过圆柱体的轴线，就得到螺纹。过圆柱体的轴线，就得到螺纹。螺纹螺纹d22 2、螺纹几何参数、螺纹几何参数(3)中径中径d2d1d2d(1)大径大径d(2) 小径小径 d1(4) 螺距螺距P(5) 导程导程S(6) 螺纹升角螺纹升角 (7)牙型角牙型角 tg=d2 nP 牙侧角牙侧角 d2SS = nPSPP/2P/2二、螺纹的连接类型二、螺纹的连接类型 1 1、连接类型连接类型（1 1）普通螺栓联接普通螺栓联接 螺栓杆与被联接件孔壁之间有间隙。通孔加工螺栓杆与被联接件孔壁之间有间隙。通孔加工精度低，成本低，应用最广。精度低，成本低，应用最广。普通螺栓联结普通螺栓联结（2 2）铰制孔用螺栓联

4、接）铰制孔用螺栓联接 螺栓杆与被联接件孔壁之间无间隙。螺栓杆与被联接件孔壁之间无间隙。孔和孔和螺栓杆多采用基孔制过渡配合螺栓杆多采用基孔制过渡配合(H7(H7 m6m6、H7H7n6)n6)，能能精确定位，精确定位，能承受横向载荷被联接件需钻孔、能承受横向载荷被联接件需钻孔、铰孔，成本高。铰孔，成本高。孔与螺杆之孔与螺杆之间留有间隙间留有间隙铰制孔螺栓联结铰制孔螺栓联结（4 4）螺钉联接）螺钉联接 被联接件之一为光被联接件之一为光孔、另一个为螺纹孔。孔、另一个为螺纹孔。只用螺钉，不用螺母，只用螺钉，不用螺母，直接把螺钉拧进被联接直接把螺钉拧进被联接件的螺钉中。件的螺钉中。 适用于载适用于载荷较

5、轻，且不经常装拆荷较轻，且不经常装拆的场合。的场合。 螺钉联接螺钉联接（3 3）双头螺柱联接）双头螺柱联接 用两头均有螺纹的螺柱用两头均有螺纹的螺柱和螺母把被联接件联接起来和螺母把被联接件联接起来, , 被联接件之一为光孔、另一个被联接件之一为光孔、另一个为螺纹孔。适用于被联接件之为螺纹孔。适用于被联接件之一厚度很大，而又不宜钻通孔，一厚度很大，而又不宜钻通孔，但又经常拆卸的地方。但又经常拆卸的地方。双头螺柱联接双头螺柱联接（5 5）紧定螺钉联接）紧定螺钉联接 利用拧入被联接件螺纹孔中的螺钉末端顶住另利用拧入被联接件螺纹孔中的螺钉末端顶住另一零件的表面，以固定零件的相对位置，可传递不一零件的表

6、面，以固定零件的相对位置，可传递不大的力或扭矩。大的力或扭矩。紧定螺钉联接紧定螺钉联接（6 6）地脚螺栓）地脚螺栓 吊环螺栓吊环螺栓 T T形槽螺栓形槽螺栓2 2、标准螺纹联接件、标准螺纹联接件 两端螺纹可相同或不同，螺柱可带退刀槽或制成腰杆，两端螺纹可相同或不同，螺柱可带退刀槽或制成腰杆，也可制成全螺纹。也可制成全螺纹。双头螺柱双头螺柱螺钉螺钉 头部形状有圆头、扁圆头、六角头、圆柱头和沉头等。头部形状有圆头、扁圆头、六角头、圆柱头和沉头等。头部起子槽有一字槽、十字槽和内六角孔等形式。头部起子槽有一字槽、十字槽和内六角孔等形式。紧定螺钉紧定螺钉 端适用于被紧定零件的表面硬度较低或不经常拆卸的端

7、适用于被紧定零件的表面硬度较低或不经常拆卸的场合；平端接触面积大，不伤零件表面，常用于顶紧硬度场合；平端接触面积大，不伤零件表面，常用于顶紧硬度较大的平面或经常拆卸的场合；圆柱端压入轴上的凹坑中，较大的平面或经常拆卸的场合；圆柱端压入轴上的凹坑中，适用于坚定空心轴上的零件位置。适用于坚定空心轴上的零件位置。自攻螺钉自攻螺钉头部形状有圆头、平头、半沉头及沉头等。头部起子槽有一头部形状有圆头、平头、半沉头及沉头等。头部起子槽有一字槽、十字槽等形式。末端形状有锥端和平端两种。字槽、十字槽等形式。末端形状有锥端和平端两种。六角螺母六角螺母 根据厚度分为标准螺母和薄型螺母两种。制造精度分为根据厚度分为标

8、准螺母和薄型螺母两种。制造精度分为A A、B B、C C三级，分别与相同级别的螺柱配合使用。三级，分别与相同级别的螺柱配合使用。垫圈垫圈 平垫圈分为平垫圈分为A A级和级和C C级两种。用于同一螺纹直径的垫级两种。用于同一螺纹直径的垫圈又分为特大、大、普通和小的四种规格，特大垫圈主要圈又分为特大、大、普通和小的四种规格，特大垫圈主要在铁木结构上使用。斜垫圈只用于倾斜的支承面上。在铁木结构上使用。斜垫圈只用于倾斜的支承面上。三、螺纹联接的预紧和防松三、螺纹联接的预紧和防松1 1螺纹联接的预紧螺纹联接的预紧 拧紧的目的拧紧的目的 1.1.提高联接的紧密性提高联接的紧密性2.2.防止联接松动防止联接

9、松动3.3.提高联接件强度提高联接件强度v 预紧力的控制：预紧力的控制：测力矩扳手测力矩扳手定力矩扳手定力矩扳手定力矩扳手定力矩扳手螺旋副的拧紧力螺旋副的拧紧力矩矩 注意：对于重要的联接，应尽可能不采用直径过小注意：对于重要的联接，应尽可能不采用直径过小(M12)的螺栓。的螺栓。弹簧垫圈防松弹簧垫圈防松2.2.螺纹联接的防松螺纹联接的防松1）摩擦防松）摩擦防松 （保证螺纹副间有足够的轴向压力和摩擦力矩）（保证螺纹副间有足够的轴向压力和摩擦力矩） 对顶螺母，弹簧垫圈对顶螺母，弹簧垫圈 。 结构简单、使用方便。结构简单、使用方便。限制螺旋副的相对转动；限制螺旋副的相对转动；以防止联接的松动，影响正

10、常工作。以防止联接的松动，影响正常工作。防松的实质防松的实质防松方法防松方法 （摩擦防松摩擦防松.机械防松机械防松 .永久防松永久防松 ）自锁螺母防松自锁螺母防松 对顶螺母防松对顶螺母防松2）机械防松）机械防松开口销与开槽六角螺母止动垫圈串联钢丝（在联接中加入其它机械元件（在联接中加入其它机械元件) 开口销、止动垫圈，串联铁丝等。开口销、止动垫圈，串联铁丝等。 适用于冲击振动载荷，重要场合使用，成本高。适用于冲击振动载荷，重要场合使用，成本高。机械防松机械防松 止动垫片防松止动垫片防松机械防松机械防松 止动垫片防松止动垫片防松机械防松机械防松串联钢丝防松串联钢丝防松机械防松机械防松焊接焊接 铆

11、冲铆冲 不可拆卸防松不可拆卸防松3）永久防松）永久防松粘、铆、焊等。粘、铆、焊等。FF/2F/21 1、松螺栓联接强度计算、松螺栓联接强度计算( (不受不受预紧力作用，受外载荷）预紧力作用，受外载荷） 214Fd14 Fd 或F工作拉力，单位为N；d1螺栓危险截面的直径，单位为mm；螺栓材料的许用拉应力，单位为MPa。四、螺纹连接强度的计算四、螺纹连接强度的计算2 2、紧螺栓联接强度计算、紧螺栓联接强度计算（1)1)仅受预紧力的紧螺栓联接结合面的摩擦力来承受横向载荷，防止被仅受预紧力的紧螺栓联接结合面的摩擦力来承受横向载荷，防止被联接件错动联接件错动 1) 螺栓的当量拉力螺栓的当量拉力螺栓受力

12、螺栓受力拧紧力矩拧紧力矩1T螺栓预紧力螺栓预紧力F受受产生拉应力产生拉应力F当量拉力当量拉力3 . 1 FFv联接面间摩擦力联接面间摩擦力2) 保证联接面不滑移的螺栓预紧力保证联接面不滑移的螺栓预紧力FRKmzFfmzRKFf)()3 . 1 (44/2121MPadFdFv拧紧力矩拧紧力矩1T预紧力预紧力FR平衡横向力平衡横向力3) 强度条件强度条件)()3 . 1 (41mmFd摩擦系数摩擦系数螺栓数螺栓数接合面数接合面数3 . 11 . 1fK可靠性系数可靠性系数摩擦力矩引起的剪应力摩擦力矩引起的剪应力5 . 02104dF3 . 15 . 0332222ca（2)受轴向外载荷的紧螺栓联

13、接受轴向外载荷的紧螺栓联接FDDpF1为残余预紧力，为残余预紧力，为保证联接的紧为保证联接的紧密性，应使密性，应使 F1 0，一般根据联接，一般根据联接的性质确定的性质确定F1的的大小。大小。 载荷方向与螺栓轴向一致，螺栓受载前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截面上同样既有拉应力s s，又有扭转剪应力，又有扭转剪应力t t。 螺栓预紧力螺栓预紧力F0后，在工作拉力后，在工作拉力F 的作的作用下，螺栓的总拉力用下，螺栓的总拉力F2 = ?未拧紧未拧紧螺栓：螺栓：被联件：被联件：未受力、无变形未受力、

14、无变形未受力、无变形未受力、无变形拧紧后拧紧后工作前工作前螺栓：螺栓：被联件：被联件：伸长伸长受受F拉拉1缩短缩短受受F压压2工作时工作时螺栓：螺栓：被联件：被联件：再加再加F总伸长总伸长)(1联接面间受压联接面间受压F总压缩量总压缩量)(2对应拉力对应拉力0F 4/3 . 1212cadF214 1.3 Fd 或Q螺栓危险截面的拉伸强度条件拉伸强度条件为对于有密封性要求的联接，对于有密封性要求的联接，一般联接，工作载荷稳定时：一般联接，工作载荷稳定时： 工作载荷不稳定时：工作载荷不稳定时：FF8 . 15 . 11FF6 . 02 . 01FF0 . 16 . 01螺栓所受总拉力螺栓所受总拉

15、力Q = 工作拉力工作拉力F + 剩余预紧力剩余预紧力F1Q（3)3)承受工作剪力的紧螺栓联接承受工作剪力的紧螺栓联接 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。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：螺栓杆与孔壁的挤压强度条件为：螺栓杆的剪切强度条件为：螺栓杆的剪切强度条件为：式中：式中：F螺栓所受的工作剪力，单位为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），单位为螺栓剪切面的直径（可

16、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，单位为螺栓杆与孔壁挤压面的最小高度，单位为mm；设计时；设计时应使应使Lmin1.25d0Pmin0PLdF 204dFFFd0Lmin1.汽缸盖受气体压力汽缸盖受气体压力：P=pD2/4=3.142502/4=58875 (N)2.单个螺栓工作载荷单个螺栓工作载荷：F=P/z=58875/12=4906.25(N)3.查表查表811，紧密因数，紧密因数K=2.7：螺栓所受总拉力：螺栓所受总拉力F=2.7F2=2.74906.25=13246.88(N)4.选择螺栓材料，计算需用应力选择螺栓材料，计算需用应力查表查表812，选择

17、，选择Q215,屈服极限屈服极限ss=220Mpa ，有表，有表813，安全因数，安全因数S1.4，许用应力，许用应力s=ss/S=220/1.4=157.143(Mpa)5确定螺栓小径确定螺栓小径：查标准，取查标准，取M16，其，其d113.8411.81，其公称直径，其公称直径16mm s=11.81d= 5.2 FFDDp 210ca43 . 1dF解解 1. 采用普通螺栓联接采用普通螺栓联接（1）普通螺栓的主要失效形式为螺纹部分断裂失效。）普通螺栓的主要失效形式为螺纹部分断裂失效。（2）螺栓受力分析）螺栓受力分析 即每个螺栓的即每个螺栓的横向工作载荷横向工作载荷 F=2T/D=2*0.

18、9*106/150=12*103（3）普通螺栓联接，靠预紧力产生的摩擦力来传递横向力，其预紧力）普通螺栓联接，靠预紧力产生的摩擦力来传递横向力，其预紧力Q=SF/mfz，其中结合面，其中结合面m1，螺栓个数，螺栓个数z4，结合面摩擦系数，结合面摩擦系数f0.15，安全因数，安全因数S3, Q=SF/mfz=24103（4）确定许用拉应力）确定许用拉应力查表查表12，13。螺栓材料为。螺栓材料为Q235的的M12， s = 240MP,S=3, = s /S=80MP查机械手册，查机械手册，M12螺栓小径螺栓小径d110.106mm 1.3424103/ （10.1062）388.96 = 80

19、故强度不足故强度不足s /S=240/2.5=96MP=b/s=300/2=150MP（4）计算；机械手册查铰制孔用螺栓）计算；机械手册查铰制孔用螺栓M12受剪处直径受剪处直径d13mm，查，查表表88螺栓杆与孔壁挤压面最小高度螺栓杆与孔壁挤压面最小高度LMIN=hl15312（3）求许用切应力和许用挤压应力）求许用切应力和许用挤压应力z22.696MPz19.23=150MP小结：通过以上两种情况的分析和计算，可以看出，小结：通过以上两种情况的分析和计算，可以看出，虽然受到的外载荷相同，但由于螺栓联接的类型不虽然受到的外载荷相同，但由于螺栓联接的类型不同，单个螺栓的受力情况会有很大差异，致使

20、所选同，单个螺栓的受力情况会有很大差异，致使所选螺栓直径相差很大。为了避免采用普通螺栓时螺栓螺栓直径相差很大。为了避免采用普通螺栓时螺栓直径太大的缺点，可采用减载装置，来传递横向力，直径太大的缺点，可采用减载装置，来传递横向力，这样所需的预紧力较小，不但减小了螺栓直径，使这样所需的预紧力较小，不但减小了螺栓直径，使结构紧凑，而且工作可靠。因此在机械设计中，结结构紧凑，而且工作可靠。因此在机械设计中，结构设计的优劣必须给予足够重视。构设计的优劣必须给予足够重视。 其不同之处在于：其不同之处在于：普通螺栓联接，靠预紧力产生的摩擦力来传递横向普通螺栓联接，靠预紧力产生的摩擦力来传递横向力力五、螺栓组

21、联接的结构分析五、螺栓组联接的结构分析 1、螺纹联接的机构分析、螺纹联接的机构分析（1）联接接合面的几何形状通常都设计成）联接接合面的几何形状通常都设计成轴对称轴对称的简单几何形状，如的简单几何形状，如圆形，环形，矩形，框形，三角形等。这样不但便于加工制造，而且便圆形，环形，矩形，框形，三角形等。这样不但便于加工制造，而且便于对称布置螺栓，使于对称布置螺栓，使螺栓组的对称中心和联接接合面的形心重合螺栓组的对称中心和联接接合面的形心重合，从而，从而保证接合面受力比较均匀。保证接合面受力比较均匀。 （2）螺栓的布置应使各螺栓的受力合理。对于铰制孔用螺栓联接，不）螺栓的布置应使各螺栓的受力合理。对于

22、铰制孔用螺栓联接，不要在平行于工作载荷的方向上成排地布置八个以上的螺栓，以免载荷分要在平行于工作载荷的方向上成排地布置八个以上的螺栓，以免载荷分布过于不均。当螺栓联接承受弯矩或转矩时，应使螺栓的位置适当靠近布过于不均。当螺栓联接承受弯矩或转矩时，应使螺栓的位置适当靠近联接接合面的边缘，以减小螺栓的受力（下图）。联接接合面的边缘，以减小螺栓的受力（下图）。接合面受弯矩或转矩时螺栓的布置接合面受弯矩或转矩时螺栓的布置如果同时承受轴向载荷和较大的横向载荷时，应采用销，套筒，键等如果同时承受轴向载荷和较大的横向载荷时，应采用销，套筒，键等抗剪零件来承受横向载荷，以减小螺栓的预紧力及其结构尺寸抗剪零件来

23、承受横向载荷，以减小螺栓的预紧力及其结构尺寸 承受横载荷的减载零件承受横载荷的减载零件(3).为了便于在圆周上钻孔时的分度和画线，通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常分布在同一圆周上的螺栓数目取成4、6、8等等偶数。偶数。(4) 螺栓联接应该保证安装的可能性和拆装方便螺栓联接应该保证安装的可能性和拆装方便螺栓排列的要求螺栓排列的要求(5)(5)螺栓的排列应有合理的间距、边距。最小距离由扳手所需要的活螺栓的排列应有合理的间距、边距。最小距离由扳手所需要的活动空间来定动空间来定(6)(6)避免螺栓承受附加的弯曲载荷。避免螺栓承受附加的弯曲载荷。凸台凸台沉头座沉头座斜面垫圈斜面垫圈一