机械设计第8章：螺纹连接2016

1、第八章第八章F引言F螺纹的种类及主要参数F螺纹副的受力分析与自锁F螺纹紧固件与螺纹联接的类型F螺纹联接的预紧与防松F螺栓联接的设计计算F螺栓组联接的设计计算F螺旋传动第一节第一节F引言F螺纹的种类及主要参数F螺纹副的受力分析与自锁F螺纹紧固件与螺纹联接的类型F螺纹联接的预紧与防松F螺栓联接的设计计算F螺栓组联接的设计计算F螺旋传动标准件标准件n尺寸、结构、材料、精度、公差配合以及制图要求等具有统一标准的零部件，如螺栓、螺钉、螺母、垫圈、铆钉、销、键等连接件以及滚动轴承、联轴器等部件n机械产品中使用数量大的零部件n由专业厂按照标准进行大批量生产，可降低成本、保证质量和可靠性、提高互换性联接联接与

2、动力源组合静联接动联接(运动副)零件构件机构机器静联接可拆联接：螺纹联接、键联接、销联接等不可拆联接：铆接、焊接、胶接等联接件与被联接件的组合联接件与被联接件的组合 第二节第二节F引言F螺纹的种类及主要参数F螺纹副的受力分析与自锁F螺纹紧固件与螺纹联接的类型F螺纹联接的预紧与防松F螺栓联接的设计计算F螺栓组联接的设计计算F螺旋传动螺纹的形成螺纹的形成n 螺纹联接件表面形状为螺纹n 倾斜线绕在圆柱体上形成螺旋线n 平面图形沿螺旋线形成螺纹螺旋线平面图形螺纹的类型螺纹的类型(1)(1)用途用途固定螺纹联接螺纹测量螺纹传动螺纹螺纹的类型螺纹的类型(2)(2)螺旋线方向（旋向）螺旋线方向（旋向）右旋螺

3、纹：常用左旋螺纹：特殊要求旋向判断(1)轴线垂直时， 右边高右旋 左边高左旋(2)右手旋，前进右旋 左手旋，前进左旋螺纹的类型螺纹的类型(2)(2)补充（左旋螺纹应用）补充（左旋螺纹应用）自行车的左侧脚踏船用螺旋桨螺纹的类型螺纹的类型(3)(3)螺旋线数目螺旋线数目单头螺纹：易自锁多头螺纹：传动能力强螺纹的类型螺纹的类型(4)(4)轴向剖面形状（螺纹牙型）轴向剖面形状（螺纹牙型）三角形螺纹：常用于联接矩形螺纹：用于传动梯形螺纹：常用于传动锯齿形螺纹：常用于传动，单向受载螺纹的类型螺纹的类型(5)(5)公（外）螺纹与母（内）螺纹，组合称为螺纹联接螺纹的类型螺纹的类型(5)(5)补充（加工方法）补

4、充（加工方法）碾制碾制车削车削Header blankMoving die plateFixed die plate螺纹的类型螺纹的类型(6)(6)圆柱螺纹圆柱螺纹与与圆锥螺纹圆锥螺纹母体形状母体形状圆柱螺纹的主要参数圆柱螺纹的主要参数大径d、D：最大直径公称直径小径d1、D1：外螺纹的危险剖面直径强度计算直径中径d2、D2：假想直径，牙型沟槽宽与牙的宽度相等效率、升角等的计算直径螺距P：相邻两牙轴向距离导程S：同一条螺纹线的相邻两牙间的轴向距离，S = nP升角：螺纹与其轴线的垂直平面所成的夹角牙型角a ：螺纹两侧边的夹角第三节第三节F引言F螺纹的种类及主要参数F螺纹副的受力分析与自锁F螺纹

5、紧固件与螺纹联接的类型F螺纹联接的预紧与防松F螺栓联接的设计计算F螺栓组联接的设计计算F螺旋传动螺纹副（螺旋副）的力学特性螺纹副（螺旋副）的力学特性n 螺纹副作为一种空间运动副，其接触面为螺旋面n 螺纹在旋紧或松开过程中，螺纹之间相对移动n 当螺杆和螺母之间受到轴向力Q时，拧动螺杆或螺母，螺旋面间将产生摩擦力n 螺纹副的受力决定其效率和自锁条件斜面摩擦斜面摩擦滑块等速运动所需要的水平力等速上升平衡条件：驱动力：等速下滑平衡条件：维持力：自锁条件：自锁条件：当当时，时，Ft 0，原工作阻力，原工作阻力Ft反向作用，作为驱动反向作用，作为驱动力时，滑块才能移动力时，滑块才能移动结论：结论：当当 时

6、，滑块自锁时，滑块自锁FtFR+ v12FFtFnFfR0tFFR+=tan()tFFyr=+v12FtFRRFF Ft tFnFf0tFFR+=tan()tFFyr=-矩形螺纹副的受力、效率及自锁矩形螺纹副的受力、效率及自锁螺旋副（螺母与螺杆）的相对运动 滑块沿斜面运动假设：1)载荷分布在中线上; 2)单面产生摩擦力螺旋升角d2dd12d s =z pv12RnnFt22tandpzds 拧紧力tan()tFFyr=+221tan()22tddTFFyr=+拧紧力矩防松力tan()tFFyr=-22tan()22tddTFFyr= =-防松力矩自锁条件自锁条件tan()0tFFyr=-/ta

7、n/ tan()rdWWhyyr=+效率效率三角螺纹副的受力、效率及自锁三角螺纹副的受力、效率及自锁反力反力摩擦力摩擦力当量摩擦角当量摩擦角FnFn900-900-2cosfneFFFFmmmb=2cosnFFb=arctanarctancoseemrmb=拧紧力拧紧力拧紧力矩拧紧力矩22tan()22teddTFFyr= =-tan()teFFyr=+221tan()22teddTFFyr= =+tan()teFFyr=-防松力防松力防松力矩防松力矩效效 率率自锁条件自锁条件tan()0teFFyr=-e/tan/ tan()rdeWWhyyr=+1. 矩形螺纹和三角螺纹哪一种效率高，宜用于

8、传动？2. 矩形螺纹和三角螺纹哪一种易自锁，宜用于联接？第四节第四节F引言F螺纹的种类及主要参数F螺纹副的受力分析与自锁F螺纹紧固件与螺纹联接的类型F螺纹联接的预紧与防松F螺栓联接的设计计算F螺栓组联接的设计计算F螺旋传动常用螺纹紧固件的类型常用螺纹紧固件的类型螺栓双头螺柱螺钉螺母垫圈标准化常用螺纹紧固件的材料和精度常用螺纹紧固件的材料和精度性能等级与材料按机械性能分10级（螺母等级低于螺栓）常用低碳钢和中碳钢变载、冲击用合金钢（特殊场合用有色金属）螺纹公差和精度公差：内螺纹 G、H外螺纹 e、f、g、h精度：精密中等 一般用途粗糙 精度要求低螺纹联接的基本类型（螺纹联接的基本类型（1 1）螺

9、栓联接螺栓联接普通螺栓工作原理：螺栓受拉承受外载荷应用：被联接件不太厚的常拆卸处受剪螺栓工作原理：侧壁受挤压、杆横截面受剪承受外载应用：需精确固定两被联接件的相对位置螺纹联接的基本类型（螺纹联接的基本类型（2 2）双头螺柱联接双头螺柱联接工作原理：螺栓受拉承受外载应用：被联接件较厚，且常拆卸处螺纹联接的基本类型（螺纹联接的基本类型（3 3）螺钉联接螺钉联接工作原理：螺钉受拉承受外载应用：一被联接件较厚，但不常拆卸处螺纹联接的基本类型（螺纹联接的基本类型（4 4）紧定螺钉联接紧定螺钉联接工作原理螺钉依赖摩擦力承受外载应用定位、传递力、螺纹联接的基本类型（螺纹联接的基本类型（5 5）其它螺纹联接其

10、它螺纹联接螺纹联接类型主要根据受力、结构形式、装拆要求等进行选择地脚螺栓联接 吊环螺栓联接 T形槽螺栓联接螺纹联接的画法螺纹联接的画法XXX第五节第五节F引言F螺纹的种类及主要参数F螺纹副的受力分析与自锁F螺纹紧固件与螺纹联接的类型F螺纹联接的预紧与防松F螺栓联接的设计计算F螺栓组联接的设计计算F螺旋传动螺纹联接的预紧（拧紧）螺纹联接的预紧（拧紧）拧紧力矩拧紧力矩T T T T1 1：螺纹阻力矩：螺纹阻力矩 T T2 2：摩擦力矩：摩擦力矩0.2Fd12螺栓轴向拉力 被联接件轴向压力预紧力预紧力目的：提高螺纹联接刚性、紧密性、紧固性；以及防松原理：预紧力和拧紧力矩221tan()22teddT

11、FFyr= =+2fTF rm=拧紧力矩的控制拧紧力矩的控制测力矩扳手： 手柄易变形，而 稳定作刻度。手柄变形与T成正比定力矩扳手：给钢球足够的压紧力螺纹联接的防松螺纹联接的防松问题：冲击、震动、问题：冲击、震动、 变化变化 副间副间 急剧下降急剧下降目的：防止螺旋副间的相对转动。目的：防止螺旋副间的相对转动。摩擦防松：简便，但不可靠摩擦防松：简便，但不可靠机械防松：增加元件，可靠机械防松：增加元件，可靠破坏螺纹副：可靠，一次性破坏螺纹副：可靠，一次性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fF温度变化，材料蠕变温度变化，材料蠕变 联接松脱联接松脱措施：措施：其他防松弹簧垫圈对顶螺

12、母尼龙圈锁紧螺母开口销带翅垫片止动垫片冲点法粘合法焊点法螺纹联接的防松螺纹联接的防松第六节第六节F引言F螺纹的种类及主要参数F螺纹副的受力分析与自锁F螺纹紧固件与螺纹联接的类型F螺纹联接的预紧与防松F螺栓联接的设计计算F螺栓组联接的设计计算F螺旋传动螺纹联接的主要失效形式和设计准则螺纹联接的主要失效形式和设计准则松动：螺纹紧固件、被联接件拉断：螺纹紧固件（螺栓、螺钉）压溃：螺纹紧固件与被联接件的螺纹牙剪断：螺纹紧固件滑扣：螺纹紧固件与被联接件的螺纹牙磨损在联接不松滑的条件下，通过强度计算确定螺纹紧固件的直径，避免拉断螺纹联接设计的内容螺纹联接设计的内容n 选择适当的螺纹联接形式n 选择螺纹紧固

13、件的材料和精度n 确定螺纹紧固件的公称尺寸n 确定防松和拧紧方法松螺栓联接：无预紧力，只有工作拉力紧螺栓联接：有预紧力，还有工作拉力松螺栓联接的强度设计松螺栓联接的强度设计 21144FdFdsspp s=校核校核设计设计载荷形式轴向拉伸（工作拉力F）失效形式螺栓拉断 (静、疲劳)设计准则保证螺栓拉伸强度强度条件： 无其它载荷的紧螺栓联接的强度设计无其它载荷的紧螺栓联接的强度设计载荷形式轴向拉伸（预紧力F）、扭力T失效形式螺栓拉断 (拉、扭综合作用)设计准则保证螺栓拉伸强度强度条件： e 设计计算方法：螺纹力矩螺纹力矩T T剪应力剪应力预紧拉力预紧拉力F F拉应力拉应力222233(0.5 )

14、1.3esstsss=+=+校核式校核式 :215.2 eFdssp=15.2Fdp s设计式设计式:TFF214Fdsp=23311tan()20.51616eFdTddfrtspp+=受横向载荷的紧螺栓联接的强度设计受横向载荷的紧螺栓联接的强度设计普通螺栓（受拉螺栓）铰制孔螺栓（受剪螺栓）普通螺栓与绞制孔螺栓的失效形式是否相同？FR/2FR/2FR受横向载荷的紧螺栓联接的强度设计受横向载荷的紧螺栓联接的强度设计问题：预紧力问题：预紧力F应满足的条件应满足的条件?依据：被联接件不滑移依据：被联接件不滑移界面摩擦力界面摩擦力F FR R1.2RFFm=1.2RFFm=受载荷形式轴向拉伸（预紧力

15、F）、 扭力T、横向载荷FR失效形式螺栓拉断 (拉扭综合作用)设计准则保证螺栓拉伸强度强度条件： e 设计计算方法：FRFFRF215.2 eFdssp=15.2Fdp s普通螺栓普通螺栓横向载荷过大的情况下，不适宜用普通螺栓。为何？受横向载荷的紧螺栓联接的强度设计受横向载荷的紧螺栓联接的强度设计绞制螺栓绞制螺栓受载荷形式拧紧过程中:轴向拉伸F 、扭力T(预紧力小，计算时可忽略) 工作时：横向载荷FR失效形式侧面压溃及螺栓剪切设计准则保证挤压、剪切强度强度条件： pp、设计计算方法：挤压强度：挤压强度：剪切强度：剪切强度：minRppFdhss=24 RFd mttp=FRFR受轴向载荷的紧螺

16、栓联接的强度设计受轴向载荷的紧螺栓联接的强度设计受载荷形式拧紧过程中: 轴向拉伸F 、 扭力T工作时，再承受工作载荷F螺栓所受的总拉力:F0 = F+F ?TFFFFF0F0须根据静力平衡方程和变形协调条件求解须根据静力平衡方程和变形协调条件求解受轴向载荷的紧螺栓联接的强度设计受轴向载荷的紧螺栓联接的强度设计变形协调条件变形协调条件1 1= = b bF0F+FF0=F+F1b1bTFFFFF0F0FFFF预紧预紧F F受载受载F F螺栓螺栓被联接件被联接件拉力拉力F F，伸长，伸长1 1压力压力F F，压缩，压缩b b拉力拉力F F0 0, , 伸长伸长1 1+ + 1 1压力压力F F,

17、, 压缩压缩b b - -b b未预紧未预紧 未受力、无变形未受力、无变形未受力、无变形未受力、无变形FF受轴向载荷的紧螺栓联接的强度设计受轴向载荷的紧螺栓联接的强度设计压缩弹簧压缩弹簧c2被联接件被联接件拉伸弹簧拉伸弹簧c1螺栓螺栓F压缩弹簧受力：压缩弹簧受力：F F拉伸弹簧受力：拉伸弹簧受力：F F均等于预紧力均等于预紧力12Fccll=D+D12FcclD=+101122212cFFcFFcccFFcFFccll=+D=+=-D=-+受轴向载荷的紧螺栓联接的强度设计受轴向载荷的紧螺栓联接的强度设计受力变形关系受力变形关系形变形变 力力F F1bFFF0F被联接件被联接件螺栓螺栓bCFAE

18、F 212cFFFcc212cFFFcc1012cFFFcc210ccFF210ccFFF提高被联接件刚度提高被联接件刚度c c1 1：螺栓刚度：螺栓刚度c c2 2：被联接件刚度：被联接件刚度受轴向载荷的紧螺栓联接的强度设计受轴向载荷的紧螺栓联接的强度设计静载荷静载荷螺纹力矩螺纹力矩T T剪应力剪应力总拉力总拉力F F0 0拉应力拉应力0214Fdsp=023311tan()20.51616eFdTddfrtspp+=校核式校核式 :0215.2 eFdssp=015.2Fdp s设计式设计式:受轴向载荷的紧螺栓联接的强度设计受轴向载荷的紧螺栓联接的强度设计变载荷变载荷工作载荷在工作载荷在F

19、 F1 1 F F2 2之间变化；螺栓受力在之间变化；螺栓受力在F F0101 F F0202之间变化之间变化力时间OF2F1工作载荷变化变形O力 02012111222aFFFFcFcc21121122()aaacFFFcAdcc螺栓拉力变幅螺栓拉力变幅螺栓应力幅螺栓应力幅提高螺栓联接强度的措施提高螺栓联接强度的措施改善螺纹牙间受力分配改善螺纹牙间受力分配机理：螺栓受拉：机理：螺栓受拉： 自上而下积累，自上而下积累，p p逐渐变大逐渐变大螺母受压：螺母受压： 自上而下积累，自上而下积累，p p逐渐变小逐渐变小措施：措施： 采用受拉螺母：悬置螺母和环槽螺母采用受拉螺母：悬置螺母和环槽螺母 采用

20、内斜螺母：最下面几圈易变形采用内斜螺母：最下面几圈易变形 采用均载装置：钢丝螺套采用均载装置：钢丝螺套 螺栓螺栓p p 螺母螺母p p 螺母采用有色金属等（螺母采用有色金属等（E E小，变形小）小，变形小）除钢丝螺套，皆采用变形协调条件除钢丝螺套，皆采用变形协调条件内斜螺母环槽螺母悬置螺母提高螺栓联接强度的措施提高螺栓联接强度的措施减小附加应力减小附加应力措施：改善被联件结构措施：改善被联件结构提高螺栓联接强度的措施提高螺栓联接强度的措施减轻应力集中减轻应力集中主要在加工和结构处理时考虑主要在加工和结构处理时考虑提高螺栓联接强度的措施提高螺栓联接强度的措施降低应力幅降低应力幅措施：通过降低螺栓

21、刚度，提高被联件刚度措施：通过降低螺栓刚度，提高被联件刚度第七节第七节F引言F螺纹的种类及主要参数F螺纹副的受力分析与自锁F螺纹紧固件与螺纹联接的类型F螺纹联接的预紧与防松F螺栓联接的设计计算F螺栓组联接的设计计算F螺旋传动螺栓组及其设计螺栓组及其设计n螺栓通常成组使用，构成螺栓组n螺栓组采用相同材料和尺寸的螺栓n螺栓组的设计主要确定联接形式、螺栓数目及其分布螺栓组联接的受力分析（螺栓组联接的受力分析（1 1）假设：（1）被联接件为刚体 （2）各螺栓拉伸或剪切刚度相同，F相同 （3）螺栓应变没有超出弹性范围四种典型简单承载情况： 受横向载荷的螺栓组联接 受旋转力矩的螺栓组联接 受轴向载荷的螺栓

22、组联接 受翻转力矩的螺栓组联接概述概述目的：确定最大承载螺栓及其载荷螺栓组联接的受力分析（螺栓组联接的受力分析（2 2）轴向载荷轴向载荷条件：FQ通过螺栓组的对称中心，且平行于螺栓轴线工作载荷/QFFz式中：z螺栓个数FQFF螺栓组联接的受力分析（螺栓组联接的受力分析（3 3）横向载荷横向载荷条件：FR作用线通过螺栓组的对称中心，且垂直于螺栓轴线(a) 受拉螺栓联接受拉螺栓联接(b) 受剪螺栓联接受剪螺栓联接sfRF mzk FfRsk FFmz即：螺栓受剪力侧壁受挤压螺栓受剪力侧壁受挤压各螺栓受载均等各螺栓受载均等RsFFz螺栓组联接的受力分析（螺栓组联接的受力分析（4 4）1zsifiF

23、rk T1fzsiik TFr即(a) 受拉螺栓联接受拉螺栓联接（甲）(b) 受剪螺栓联接受剪螺栓联接1zsi iiF rTmaxmaxsisiFFrrmaxmax21sziiT rFr旋转力矩旋转力矩螺栓组联接的受力分析（螺栓组联接的受力分析（5 5）翻转力矩翻转力矩1.10 2.94.7 5.6M1zi iiMFrmaxmaxiiFFrrmaxmax21ziiM rFr螺栓组联接的受力分析（螺栓组联接的受力分析（6 6）小结小结相同：相同：F0为为F与与F的组合的组合不同：不同：FQ时各工作载荷相等，时各工作载荷相等，M时各工作载荷不等时各工作载荷不等F FQ Q与与M M相同：总载荷仅有相同：总载荷仅有F 或或Fs不同：不同： FR：各载荷相等（：各载荷相等（ F 或或Fs ）T：受拉：各载荷相等受拉：各载荷相等F受剪：各载荷不等受剪：各载荷不等FsmaxF FR R与与T T任意载荷状态下螺栓组联接的受力分析任意载荷状态下螺栓组联接的受力分析n载荷简化至螺栓组的几何形心处n分