第五章-螺纹联接-陆

1、第五章第五章 螺螺 纹纹 联联 接接 和和 螺螺 旋旋 传传 动动5 51 螺纹联接的基本知识螺纹联接的基本知识52 螺纹联接的预紧与防松螺纹联接的预紧与防松53 螺栓联接的强度计算螺栓联接的强度计算55 提高螺纹联接强度的措施提高螺纹联接强度的措施5 50 本章引言本章引言54 螺栓组联接的设计螺栓组联接的设计56 螺旋传动和滚动螺栓螺旋传动和滚动螺栓57 键连接和花键联接键连接和花键联接背背 景景 螺纹件是人类最早发明的简单机械之一。古代时候，人们利螺纹件是人类最早发明的简单机械之一。古代时候，人们利用螺纹固定战袍和铠甲、压榨油料和制酒。用螺纹固定战袍和铠甲、压榨油料和制酒。 第一次工业革

2、命后，英国人发明了车床、板牙和丝锥，为螺第一次工业革命后，英国人发明了车床、板牙和丝锥，为螺纹件的大批生产奠定了技术基础。纹件的大批生产奠定了技术基础。 1841年英国人惠特沃斯（年英国人惠特沃斯（Joseph Whitworth）提出了世界上第一份螺）提出了世界上第一份螺纹国家标准。纹国家标准。 1905年，英国人泰勒（年，英国人泰勒（William Taylor）发明了螺纹量规设计原理。）发明了螺纹量规设计原理。 从此英国成为世界上第一个全面掌握螺纹加工和检测技术的国家，英制从此英国成为世界上第一个全面掌握螺纹加工和检测技术的国家，英制螺纹标准是世界上现行螺纹标准的祖先，英制螺纹标准最早得

3、到世界范螺纹标准是世界上现行螺纹标准的祖先，英制螺纹标准最早得到世界范围的认可。围的认可。 美国的国家螺纹（美国的国家螺纹（N）标准是在英制惠氏螺纹基础上发展起）标准是在英制惠氏螺纹基础上发展起来的。来的。世界上第一份得到国际组织认可的国际标准。世界上第一份得到国际组织认可的国际标准。 米制普通螺纹（米制普通螺纹（M）来源于美制国家螺纹（）来源于美制国家螺纹（N），在欧洲大），在欧洲大陆得到广泛使用，并纳入了陆得到广泛使用，并纳入了ISO标准。标准。生活中常见的螺纹联接生活中常见的螺纹联接 自行车座及车头升降及锁紧螺栓自行车座及车头升降及锁紧螺栓生活中常见的螺纹联接生活中常见的螺纹联接 自行车

4、轮前后轴自行车轮前后轴生活中常见的螺纹联接及密封生活中常见的螺纹联接及密封 水龙头上用螺纹以及水管上管螺纹水龙头上用螺纹以及水管上管螺纹生活中常见的螺纹传动生活中常见的螺纹传动 车用螺纹千斤顶车用螺纹千斤顶生活中常见的螺纹联接生活中常见的螺纹联接 汽车车轮轮毂上用的紧固螺栓汽车车轮轮毂上用的紧固螺栓工业自动化领域中常见的螺纹联接工业自动化领域中常见的螺纹联接 电气上用于固定设备和导线电气上用于固定设备和导线工业系统中常见的螺纹联接工业系统中常见的螺纹联接 液压系统中用于联接、固定、密封液压系统中用于联接、固定、密封机加工设备中常见的螺旋传动机加工设备中常见的螺旋传动 车床上进给机构和车螺纹用的

5、丝杠螺母车床上进给机构和车螺纹用的丝杠螺母塑料工业设备中使用的螺旋传动塑料工业设备中使用的螺旋传动注塑机送料机构注塑机送料机构机加工设备中常见的螺纹传动机加工设备中常见的螺纹传动 铣床上丝杠螺母带动工作台沿轴线移动铣床上丝杠螺母带动工作台沿轴线移动联接联接被联接件被联接件联接件联接件被联接件被联接件与与联接件联接件的的组合组合联接的类型联接的类型一、不可拆联接一、不可拆联接破坏联接件或被联接件方能拆卸的联接。破坏联接件或被联接件方能拆卸的联接。铆接、焊接、粘接、过盈配合联接。铆接、焊接、粘接、过盈配合联接。二、可拆联接二、可拆联接无需破坏零件方可拆卸的联接。无需破坏零件方可拆卸的联接。螺纹联接

6、、键联接、销联接、过盈配合。螺纹联接、键联接、销联接、过盈配合。联接件预制孔铆钉联接件预制孔铆钉铆合铆合铆接铆接特点：工艺简单，可靠，耐冲击；特点：工艺简单，可靠，耐冲击； 笨重，劳动条件差。笨重，劳动条件差。应用：目前用于桥梁、飞机制造。应用：目前用于桥梁、飞机制造。被联接件局部熔融熔化焊条填充焊缝被联接件局部熔融熔化焊条填充焊缝冷却冷却焊接焊接特点：重量轻，强度高，工艺简单。特点：重量轻，强度高，工艺简单。 残存焊接应力。残存焊接应力。应用：广泛，单件生产周期短，成本低。应用：广泛，单件生产周期短，成本低。联接的类型和应用粘合剂被联接件粘合剂被联接件粘合剂固化粘合剂固化粘接粘接特点：重量轻

7、，耐腐蚀，密封好，适用于不同材料。特点：重量轻，耐腐蚀，密封好，适用于不同材料。 要求有一定粘接面积。要求有一定粘接面积。应用：应用于金属三十多年历史。应用：应用于金属三十多年历史。联接的类型和应用联接的类型和应用粘接应用例粘接应用例粘接的蜗轮粘接的蜗轮被联接件粘接表面涂胶粘剂，经固化。被联接件粘接表面涂胶粘剂，经固化。粘接的管道粘接的管道粘接的管件粘接的管件联接的类型和应用联接的类型和应用被联接件（包容件与被包容件）间存在过被联接件（包容件与被包容件）间存在过 盈量，二者装配后产生压盈量，二者装配后产生压力，工作时靠摩擦力传递载荷。力，工作时靠摩擦力传递载荷。过盈配合联接过盈配合联接特点：结

8、构简单，定心性好，对轴无削弱，耐冲击性能好。表面精度要求高。过特点：结构简单，定心性好，对轴无削弱，耐冲击性能好。表面精度要求高。过 盈量小时用压入法装配，大时用温差法装配。盈量小时用压入法装配，大时用温差法装配。应用：轻载，定心要求高，不能对轴有削弱之场合。应用：轻载，定心要求高，不能对轴有削弱之场合。过盈量过盈量压入法，温差法压入法，温差法联接的类型和应用联接的类型和应用螺纹联接螺纹联接被联接件螺纹紧固件（拧紧）。被联接件螺纹紧固件（拧紧）。联接的类型和应用联接的类型和应用键联接键联接被联接件键（定位，传递扭矩）被联接件键（定位，传递扭矩）联接的类型和应用联接的类型和应用销联接销联接被联接

9、件销（定位，传递不大的载荷）。被联接件销（定位，传递不大的载荷）。联接的类型和应用联接的类型和应用51 螺纹联接的基本知识螺纹联接的基本知识定义定义：利用螺纹紧固件或被联接件上制成的螺纹构成的利用螺纹紧固件或被联接件上制成的螺纹构成的 可拆联接。可拆联接。目的目的：正确选用各种螺纹及其联接件（一般属于标准件），正确选用各种螺纹及其联接件（一般属于标准件）， 并在需要的情况进行强度计算。并在需要的情况进行强度计算。作用作用：将各零件联接在一起构成一台可以拆卸的机器或部件。将各零件联接在一起构成一台可以拆卸的机器或部件。特点特点：结构简单，装拆方便，联接可靠性高，应用范围广。结构简单，装拆方便，联

10、接可靠性高，应用范围广。1）螺纹的形成及主要参数）螺纹的形成及主要参数d2螺旋线螺旋线一动点在一圆柱体的表面上，一边绕轴线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。螺螺 纹纹一平面图形沿螺旋线运动，运动时保持该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。图形通过圆柱体的轴线，就得到螺纹。螺纹螺纹2）螺纹的分类）螺纹的分类按螺纹的按螺纹的牙型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按螺纹的按螺纹的旋向旋向右旋螺右旋螺左旋螺左旋螺按螺旋线的按螺旋线的根数根数分分按

11、回转体的按回转体的内外表面内外表面分分按螺旋的按螺旋的作用作用分分按按母体形状母体形状分分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单线螺纹单线螺纹多线螺纹多线螺纹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牙形角：牙形角： 普通螺纹普通螺纹 600用于普通联接用于普通联接 英制螺纹英制螺纹 550用于管螺纹用于管螺纹效率低，自锁性效率低，自锁性好，广泛用于联好，广泛用于联接。接。效率高，强度低，效率高，强度低，精制难，应用受精制难，应用受限，未标准化。限，未标准化。效率、强度均高于效率

12、、强度均高于梯形螺纹。梯形螺纹。用于传递单向载荷。用于传递单向载荷。效率略低，强度较效率略低，强度较高，是传动螺纹的高，是传动螺纹的主要形式。主要形式。螺纹的旋向螺纹的旋向右旋螺纹右旋螺纹左旋螺纹左旋螺纹螺旋线的根数螺旋线的根数单线螺纹单线螺纹多线螺纹多线螺纹一般一般: n 4双线螺纹双线螺纹S = 2PPSPPSS =Pn线螺纹线螺纹: S = n P单线螺纹单线螺纹外螺纹外螺纹内螺纹内螺纹回转体的内外表面回转体的内外表面 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的作用不同螺旋的作用不同圆柱螺纹圆柱螺纹圆锥螺纹圆锥螺纹管螺纹管螺纹母体形状不同母体形状不同(3) 中径中径

13、d2(1)大径大径d公称直径公称直径(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 d2SS = nP3）螺纹的主要几何参数）螺纹的主要几何参数d1d2dSPP/2P/2 4 4）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Fa 轴向载荷轴向载荷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等速向下运动。等速向下运动。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等速向上运动。等速向上运动。FnFRvFd2SF Favd2FFaF矩形螺

14、纹矩形螺纹 = 0F 水平推力水平推力Fn 法向反力法向反力F=f Fn 摩擦力摩擦力f ：摩擦系数：摩擦系数FR 总反力总反力 摩擦角摩擦角d2FFaF F=Fatg( + + ) 驱动力矩：驱动力矩：)(22tgFda22dFT FR + Fa + +F =0 FRFa = = + + vd2S FnF FFa + Fa :为阻力，为阻力，F为驱动力，摩擦力为驱动力，摩擦力F沿斜面朝下。沿斜面朝下。A）当螺纹拧紧）当螺纹拧紧(滑块上升滑块上升)时：时：力平衡方程：力平衡方程：FR = Fn + +F + FaFRFFR作力多边形得：作力多边形得：Fa ：为驱动力，：为驱动力，F成为阻力，摩

15、擦力成为阻力，摩擦力F沿斜面朝上。沿斜面朝上。B）当螺纹拧松）当螺纹拧松(滑块下滑滑块下滑)时：时：FRFa = - - 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 )(22tgFda FRvFFaFnF - -力平衡方程：力平衡方程：FR + Fa + +F =0 - FRFaF d2FFaF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；母运动方向相反；若若，则则T T为负值，其方向与预先假为负值，其方向与预先假定的方向相反，而与螺母运动方向相同，定的方向相反，而与螺母运动方向相同，成为放松螺母所需外加的驱动力矩。成为

16、放松螺母所需外加的驱动力矩。当当 时，若没有力矩时，若没有力矩T T，螺母在，螺母在F Fa a的的作用下会运动吗？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。T TFFd2FaFFT T22dFT )(22tgFda螺母螺母螺杆螺杆轴轴线线轴线轴线螺杆螺杆螺母螺母FnFa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

17、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Fa FnFa故称故称 f 为当量摩擦系数。为当量摩擦系数。引入参数引入参数f 和和 就可像矩形螺纹那样对非矩形螺纹进就可像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： 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当当一

18、定时，上式对一定时，上式对求导得，在求导得，在 =45=45- -/2/2 处效率曲线有处效率曲线有极大值。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： = = 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题题5-1：已知摩擦系数：已知摩擦系数f=0.12，在静载荷作用下，试，在静载荷作用下，试计算计算M12粗牙普通螺纹能否自锁？（查螺纹标准知粗牙普通螺纹能否自锁？（查螺纹标准知M12

19、的螺距的螺距P=1.75mm，中径，中径d2=10.86mm） 解：解：1.螺纹升角螺纹升角 ： 2.当量摩擦角当量摩擦角 ： 94. 286.1075. 1arctanarctan2dP89. 730cos12. 0arctancosarctanf得：得：可以自锁可以自锁5) 机械制造常用螺纹机械制造常用螺纹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为公称直径，同一公称直径可以有多种螺距，其为公称直径，同一公称直径可以有多种螺距，其中螺距最大的称为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

20、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)细牙螺纹的细牙螺纹的优点：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。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（圆柱管壁螺纹（圆柱管壁 = 55）用螺纹密封管用螺纹密封管螺纹（圆锥管壁螺纹（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。55 55 非螺纹密封的管非螺纹密封的管

21、螺纹螺纹d dd d2 2d d1 1P Pd dd d2 2d d1 1P P2梯形梯形螺纹：螺纹：梯梯 形形锯齿形锯齿形30330锯齿形螺纹锯齿形螺纹:常用于传动。常用于传动。= 15 = 36) 螺纹联接的基本类型及其紧固件螺纹联接的基本类型及其紧固件螺栓联接螺栓联接螺钉联接螺钉联接双头螺柱联接双头螺柱联接紧定螺钉联接紧定螺钉联接垫圈垫圈螺母螺母螺钉、紧定螺钉螺钉、紧定螺钉双头螺柱双头螺柱螺栓螺栓螺纹紧固件螺纹紧固件 螺纹联接的基本类型螺纹联接的基本类型eaal1 1l1 1螺纹余留长度螺纹余留长度l1 铰制孔螺栓铰制孔螺栓孔与螺孔与螺杆之间杆之间有间隙有间隙静载荷静载荷l1=(0.30

22、.5)d;变载荷变载荷l1=0.75d;冲击载荷或弯曲载荷冲击载荷或弯曲载荷l1 d;铰制孔用螺栓铰制孔用螺栓l1 d;螺纹伸出长度螺纹伸出长度a=(0.20.3)d; 螺栓轴线到边缘的距离螺栓轴线到边缘的距离e=d+(36) mmd螺栓联接螺栓联接d螺钉联接螺钉联接座端拧入深度座端拧入深度H，当螺孔材料为：，当螺孔材料为：ae ee e双头螺柱联接双头螺柱联接钢或青铜钢或青铜 H=d;铸铁铸铁 H=(1.251.5)d铝合金铝合金 H=(1.52.5)d螺纹孔深度螺纹孔深度 H1=H+(22.5)P;钻孔深度钻孔深度 H2=H1+(0.51)d;参数参数l1 、e、a与螺栓相同与螺栓相同 l

23、1 1l1 1H HH HH H1 1H H1 1H H2 2H H2 2d紧定螺钉联接紧定螺钉联接紧定螺钉紧定螺钉螺纹紧固件螺纹紧固件 螺栓螺栓LL0d六角头六角头LdL0小六角头小六角头螺栓的结构形式螺栓的结构形式双头螺柱双头螺柱dL0L1LL1 座端长度座端长度L0 螺母端长度螺母端长度螺纹紧固件螺纹紧固件螺钉、紧定螺钉螺钉、紧定螺钉螺纹紧固件螺纹紧固件末端末端结构结构头部头部结构结构螺母螺母六角螺母六角螺母六角扁螺母六角扁螺母六角厚螺母六角厚螺母圆螺母圆螺母螺纹紧固件螺纹紧固件垫圈垫圈平垫圈平垫圈薄平垫圈薄平垫圈A型平垫圈型平垫圈B型平垫圈型平垫圈螺纹紧固件螺纹紧固件斜垫圈斜垫圈弹簧垫

24、圈弹簧垫圈圆螺母用止动垫圈圆螺母用止动垫圈作用：增加支撑面积以减小压强，避作用：增加支撑面积以减小压强，避免拧紧螺母擦伤表面、防松。免拧紧螺母擦伤表面、防松。fearQftgdFTTT0221)(2)(22021vtgdQTTT螺纹联接的预紧螺纹联接的预紧21TTTT T1 1克服螺纹副相对转动的阻力矩；克服螺纹副相对转动的阻力矩；T T2 2克服螺母支撑面上的摩擦阻力矩；克服螺母支撑面上的摩擦阻力矩；设轴向力为设轴向力为Q Q0 0 预紧力预紧力 fe e摩擦系数；摩擦系数； 无润滑时取：无润滑时取： fe e =0.15 =0.15rf f支撑面摩擦半径；支撑面摩擦半径；rf =( =(d

25、w w3 3- -d0 03 3)/3)/3(dw w2 2-d0 02 2)简化公式：简化公式：T 0.2 Q 0.2 Q0 0d预紧应力：预紧应力：=(0.5=(0.50.7) s s52 螺纹联接的预紧与防松螺纹联接的预紧与防松dd0Q Q0 0总力矩：总力矩：测力矩扳手测力矩扳手工程上常采用工程上常采用测力矩扳手测力矩扳手或或定力矩扳手定力矩扳手来控制预紧力来控制预紧力的大小。的大小。F F定力矩扳手定力矩扳手. . 螺纹联接的防松及方法螺纹联接的防松及方法1) 利用附加摩擦力防松利用附加摩擦力防松尼龙圈锁紧螺母尼龙圈锁紧螺母弹簧垫圈弹簧垫圈对顶螺母对顶螺母开口销与六开口销与六角开槽螺

26、母角开槽螺母2) 采用专门防松元件防松采用专门防松元件防松圆螺母用止动垫圈圆螺母用止动垫圈止动垫圈止动垫圈3) 其他方法防松其他方法防松11.5P用冲头冲用冲头冲23点点冲点防松法冲点防松法粘合法防松粘合法防松涂粘合剂涂粘合剂串联钢丝串联钢丝2) 采用专门防松元件防松采用专门防松元件防松53螺栓联接的强度计算螺栓联接的强度计算主要失效形式：主要失效形式：螺栓拉断螺栓拉断螺纹压溃或剪断螺纹压溃或剪断滑扣滑扣(1)松螺栓联接松螺栓联接强度条件：强度条件：4/21dFa式中式中:d1螺纹小径螺纹小径， mmFaFa1. 受拉螺栓联接受拉螺栓联接4/3 . 1210dF切应力：切应力：16/311dT

27、4/) (221012dFtgdd16/2) (3120ddtgF对于对于M10M64的普通螺纹，取的普通螺纹，取d2/d11.041.08和和tan0.05并取：并取： tg = f =0.15 得：得： 0.5 当量应力：当量应力：223 ca22)5 . 0( 3强度条件：强度条件：3 . 14/210dF拉应力：拉应力：(2)紧螺栓联接紧螺栓联接螺栓受轴向拉力螺栓受轴向拉力F0和摩擦力矩和摩擦力矩T的双重作用。的双重作用。1)只承受预紧力作用的螺栓只承受预紧力作用的螺栓 2)受轴向工作载荷的螺栓强度受轴向工作载荷的螺栓强度设流体压强为设流体压强为p，螺栓数目为，螺栓数目为Z，则，则缸体

28、周围每个螺栓的平均载荷为：缸体周围每个螺栓的平均载荷为：p D2/4F = =ZpFFD但是注意，螺栓的轴向载荷：但是注意，螺栓的轴向载荷：F2 F0+F 预紧状态预紧状态松弛状态松弛状态21F0F0 受载变形受载变形F1F1FFF0F0加预紧力加预紧力F0后后螺栓受拉伸长螺栓受拉伸长1被联接件受压缩短被联接件受压缩短2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 F2F2F2=F+F1很显然很显然: F101) 静载荷静载荷 F = C时，时， F1= (0.20.6) F2

29、) 变载荷变载荷 FE C时，时，F1= (0.61.0) F3) 密封性要求密封性要求, F1= (1.51.8) F力力螺栓变形螺栓变形arctgCbFF2FF0FF1工作拉力：工作拉力：0F；螺栓所受总拉力：；螺栓所受总拉力：F0F2，不考虑螺纹摩擦力矩的扭转作用，不考虑螺纹摩擦力矩的扭转作用，螺栓危险截面的最大拉应力：螺栓危险截面的最大拉应力：4/212maxdF 最小拉应力：最小拉应力：（螺栓中的应力变化规律是（螺栓中的应力变化规律是minmin保持不变保持不变）：）：4/210mindF 21minmaxa22dFCCCmbb 按照按照min =C，校核疲劳极限：，校核疲劳极限：S

30、KKSatc )2)()(2minmin1ca 2. (1)受横向工作载荷的螺栓强度受横向工作载荷的螺栓强度螺栓与孔之间有间隙，工作时预紧力螺栓与孔之间有间隙，工作时预紧力F0导致接合面所产生的摩导致接合面所产生的摩擦力应大于横向载荷擦力应大于横向载荷F。C可靠性系数，常取可靠性系数，常取C=1.11.3mfCFF 0预紧力预紧力F0 ： f摩擦系数，对钢与铸铁，取摩擦系数，对钢与铸铁，取: f =0.10.15M结合面数结合面数若取若取 f =0.15， C=1.2, m=1, 则：则：Fa 8F螺栓的结构尺寸大螺栓的结构尺寸大FFFF/2F/2FaFaFaFam=1m=2改进措施：改进措施

31、： 采用键、套筒、销承担横向工作载荷采用键、套筒、销承担横向工作载荷 采用无间隙的铰制孔螺栓采用无间隙的铰制孔螺栓FF/2F/2FF(2).受剪螺栓联接受剪螺栓联接m=2420dzmF0pzdFPdF0F0m=3. 螺纹联接件的材料和许用应力螺纹联接件的材料和许用应力一般螺纹联接件一般螺纹联接件 Q215 Q235 10 35 45 重要螺纹联接件重要螺纹联接件15Cr 40Cr 30Cr MnSi A. 螺纹联接件的材料螺纹联接件的材料螺栓、螺钉和螺柱按材料的螺栓、螺钉和螺柱按材料的力学性能力学性能分成分成10个等级个等级, 从从 3.612.9X.Y材料屈服极限与抗拉强度极限的比值的材料屈

32、服极限与抗拉强度极限的比值的10倍倍材料抗拉强度极限的材料抗拉强度极限的1/100螺母分螺母分7个等级，从个等级，从412；选用时螺母的性能等级应高于相配螺栓的性能等级选用时螺母的性能等级应高于相配螺栓的性能等级B. 螺纹联接件的许用应力螺纹联接件的许用应力许用拉应力：许用拉应力：许用切应力：许用切应力：许用挤压应力：许用挤压应力： SSPPSS钢钢铸铸 铁铁PPSBBS、PSSS、分别表示材料的屈服极限和强度极限分别表示材料的屈服极限和强度极限表示螺纹联接的安全系数表示螺纹联接的安全系数(查表查表) SS5.4 5.4 螺栓组联接的设计螺栓组联接的设计设计内容及方法设计内容及方法1 1螺栓组

33、联接的结构设计螺栓组联接的结构设计 确定结合面的几何形状及螺栓的布置方式和个数；确定结合面的几何形状及螺栓的布置方式和个数；2 2根据联接受载情况，进行受力分析；根据联接受载情况，进行受力分析；3 3根据螺栓受力进行螺栓强度计算。根据螺栓受力进行螺栓强度计算。1)1) 螺栓组联接的结构设计螺栓组联接的结构设计目的：合理确定联接结合面的几何形状，及螺栓布置方式及个数；目的：合理确定联接结合面的几何形状，及螺栓布置方式及个数；螺栓组联接的结构设计应考虑的问题螺栓组联接的结构设计应考虑的问题 被联接件形状应简单对称；被联接件形状应简单对称； 根据载荷的类型合理布置螺栓位置；根据载荷的类型合理布置螺栓

34、位置； 铰制孔用螺栓受力方向不超过铰制孔用螺栓受力方向不超过8 8个；个； 受弯矩或扭矩时应适当离对称轴远些。受弯矩或扭矩时应适当离对称轴远些。布置螺栓应留有合理的间距；布置螺栓应留有合理的间距； 扳手空间尺寸扳手空间尺寸 压力容器的螺栓间距压力容器的螺栓间距同一圆周上的螺栓数量应为偶数，同组螺栓的直径、同一圆周上的螺栓数量应为偶数，同组螺栓的直径、 长度、材料应相同；长度、材料应相同；避免螺栓偏心承载。避免螺栓偏心承载。2) 2) 螺栓组联接的受力分析螺栓组联接的受力分析 目的：目的：找出受力最大的螺栓及力为强度计算提供依据；找出受力最大的螺栓及力为强度计算提供依据； 假设：假设： 受载后，

35、结合面保持为平面；受载后，结合面保持为平面； 一组螺栓的直径、长度、材料和预紧力相同（即拉伸刚一组螺栓的直径、长度、材料和预紧力相同（即拉伸刚度、剪切刚度相同）；度、剪切刚度相同）； 螺栓组的对称中心与结合面的形心重合。螺栓组的对称中心与结合面的形心重合。一、受轴向载荷一、受轴向载荷F FQQ的螺栓组联接的螺栓组联接 压力容器螺栓组联接，轴向载荷压力容器螺栓组联接，轴向载荷F FQQ作用线与螺栓轴线平作用线与螺栓轴线平行，并通过螺栓组的对称中心。设螺栓数目为行，并通过螺栓组的对称中心。设螺栓数目为z z，各螺栓，各螺栓平均受载，则每个螺栓所受的轴向工作载荷平均受载，则每个螺栓所受的轴向工作载荷

36、F F为为F=FF=FQ Q/z/z。二、受横向载荷二、受横向载荷F FR R的螺栓组联接的螺栓组联接1. 1. 对于普通螺栓联接：对于普通螺栓联接：承受横向力时，靠联接预紧后，在结承受横向力时，靠联接预紧后，在结合面间产生的摩擦力来抵抗横向载荷。合面间产生的摩擦力来抵抗横向载荷。 根据联接不产生相对滑动，可确定螺栓的预紧力根据联接不产生相对滑动，可确定螺栓的预紧力F F0 0。 或或 式中式中 F F0 0即为每个螺栓所受的轴向工作拉力；即为每个螺栓所受的轴向工作拉力；k kf f为防滑系数，为防滑系数，k kf f=1.1=1.11.31.3；mm为结合面数；为结合面数；z z为螺栓数目。

37、为螺栓数目。 RfsFkzmF 0 mzFkFsRf 02. 2. 铰制孔螺栓联接：铰制孔螺栓联接：承受横向载荷时，靠螺栓的挤压、剪切承受横向载荷时，靠螺栓的挤压、剪切承受外载，每个螺栓所受的横向工作剪力为承受外载，每个螺栓所受的横向工作剪力为F FS S=F=FR R/z/z。式。式中中 z z为螺栓数目为螺栓数目三、受旋转力矩三、受旋转力矩T T的螺栓组联接的螺栓组联接 （1 1）普通螺栓联接普通螺栓联接 假定由假定由F F0 0在结合面内产生的摩擦力为集中力，且该力与螺在结合面内产生的摩擦力为集中力，且该力与螺栓中心和该组螺栓中心的连线相垂直。栓中心和该组螺栓中心的连线相垂直。 根据各力

38、对底板的静力平衡，可求得根据各力对底板的静力平衡，可求得F F0 0，即，即 TkrFrFrFfzsss 02010 ziisfzsfrTkrrrTkF1210 （2 2）采用铰制孔螺栓联接）采用铰制孔螺栓联接 各螺栓所受横向工作剪力的方向与它的轴心和螺栓组对称各螺栓所受横向工作剪力的方向与它的轴心和螺栓组对称中心中心O O的连线（即力臂的连线（即力臂r ri i）相垂直。假设底板为刚体，受载后接）相垂直。假设底板为刚体，受载后接合面仍保持为平面，忽略联接中的预紧力和摩擦力。根据底板合面仍保持为平面，忽略联接中的预紧力和摩擦力。根据底板静力平衡条件得：静力平衡条件得： 根据变形协调条件：根据变

39、形协调条件： 则受力最大的螺栓的工作剪力为：则受力最大的螺栓的工作剪力为： isisrFrF maxmaxTrFrFrFzszss 2211 ziisrTrF12maxmax 例：例：如图钢板厚度如图钢板厚度 =16mm=16mm 用用 两个铰制孔用螺栓固定在两个铰制孔用螺栓固定在机架上，机架上，F=5000NF=5000N，其它尺，其它尺寸如图。板和机架材料均为寸如图。板和机架材料均为Q235Q235。试：（试：（1 1）分析铰制孔用螺栓的）分析铰制孔用螺栓的失效形式失效形式 ；（2 2）分析铰制孔用螺栓的受力）分析铰制孔用螺栓的受力（3 3）按强度设计铰制孔用螺栓）按强度设计铰制孔用螺栓的

40、直径的直径（4 4）若用普通螺栓，计算螺栓）若用普通螺栓，计算螺栓 的直径（的直径（ S S=0.2=0.2，k kf f=1.1=1.1） NmmMNF6105 . 15000NFNaMFNFFSTF79067500250075002500222 4/20dFS mmFdMPaSSs24.1096790644965 . 22400 粗选粗选d=10mmd=10mm，d d0 0=11mm=11mm的六的六角头铰制孔用螺栓，螺母角头铰制孔用螺栓，螺母d=10mmd=10mm，H=8H=8。根据机架，板。根据机架，板厚及螺母厚及螺母HH选用选用l=100l=100（l l3 3=82=82， l

41、 l2 2=2=2）选用两个选用两个M10M10100 GB27-88100 GB27-88六角头铰制孔用螺栓。六角头铰制孔用螺栓。 MPadFMPaSSpsp9 .591211790619225.1240min0 按挤压强度校核按挤压强度校核mm121870100minNFkFSSf434832 .079061 .10 MPaSmmFds12022405 .24120434833 . 143 . 1401 选用两个选用两个M30M30（d d1 1=26.21=26.21）的六角螺栓。）的六角螺栓。 小结：小结：受复合载荷螺栓，其合力按向受复合载荷螺栓，其合力按向量相加；铰制孔用螺栓比普通螺

42、栓尺寸量相加；铰制孔用螺栓比普通螺栓尺寸小很多小很多。四、受翻转力矩四、受翻转力矩MM的螺栓组联接的螺栓组联接 假设假设MM作用在通过作用在通过x-xx-x轴并垂直轴并垂直于联接接合面的对称平面内。于联接接合面的对称平面内。力的分析：力的分析： MM未作用时，每个螺栓均受未作用时，每个螺栓均受F F0 0作作用（拉力），受用（拉力），受MM作用时，左侧作用时，左侧螺栓拉力加大，右侧减少。螺栓拉力加大，右侧减少。 单个螺栓单个螺栓地基的受力变形地基的受力变形分析：分析：为简便起见，地基为简便起见，地基与底板间的分布力用各螺与底板间的分布力用各螺栓中心的集中力表示。图栓中心的集中力表示。图中，斜线

43、中，斜线O O1 1A A表示螺栓的表示螺栓的受力受力变形线；斜线变形线；斜线OO2 2A A表示地基的受力表示地基的受力变形线。变形线。 力的计算：力的计算：根据各力对底板的静力平衡根据各力对底板的静力平衡 根据螺栓变形协调条件：根据螺栓变形协调条件： 则则: :式中式中F Fmaxmax代表最大的工作载荷，代表最大的工作载荷， 根据预紧力根据预紧力F F0 0、最大工作载荷、最大工作载荷F Fmaxmax可确定受力最大的螺栓的可确定受力最大的螺栓的总拉力总拉力F F2 2，则可进行强度计算。，则可进行强度计算。 ziiiLFM1iiLFLF maxmax ziiLMLF12maxmax失效

44、分析：失效分析：紧螺栓受拉扭；底板左侧出现间隙；底板右紧螺栓受拉扭；底板左侧出现间隙；底板右 侧压溃。侧压溃。强度计算螺栓的强度：螺栓的强度：右侧不压溃：右侧不压溃：左侧不分离：左侧不分离：ppWMAzF0max00minWMAzFp43.1212dFca小小 结结1 1）普通螺栓联接）普通螺栓联接 轴向力轴向力F F可根据轴向载荷和倾覆力矩确定，预紧力可根据轴向载荷和倾覆力矩确定，预紧力F F0 0可根据可根据横向载荷和转矩确定，螺栓的总拉力横向载荷和转矩确定，螺栓的总拉力 2 2）铰制孔螺栓联接）铰制孔螺栓联接 根据横向载荷和转矩确定螺栓的工作剪力。求得受力最大根据横向载荷和转矩确定螺栓的

45、工作剪力。求得受力最大的螺栓及所受的剪力后，再进行单个螺栓联接的强度计算。的螺栓及所受的剪力后，再进行单个螺栓联接的强度计算。max02FCCCFFmbb xzyFzFxFyoTzMxMy螺栓组受力分析螺栓组受力分析 3 3个方向，个方向，6 6种载荷：种载荷： 横向力：横向力：F Fx x、F Fy y 轴向力：轴向力：F Fz z 翻转力矩：翻转力矩：MMx x、MMy y 转矩：转矩：T Tz z受复合载荷的螺栓组联接横向载荷+ +轴向载荷受复合载荷的螺栓组联接横向载荷+ +旋转力矩受复合载荷的螺栓组联接计算时应求出受力最大螺栓的受力55提高螺栓联接强度的措施提高螺栓联接强度的措施承受轴

46、向变载荷时，螺栓的损坏形式：承受轴向变载荷时，螺栓的损坏形式： 疲劳断裂疲劳断裂容易断裂部位：容易断裂部位：) )降低螺栓总拉伸载荷的降低螺栓总拉伸载荷的Fa变化范围变化范围轴向工作载荷轴向工作载荷F的变化范围的变化范围: 0 F Cb +CmCbF0 F0 +F总拉伸载荷的总拉伸载荷的F2变化范围变化范围: Cb Cm F2变化范围变化范围d0.8d0.7dd1. 采用柔性结构采用柔性结构2. 有密封要求时，采用金属薄垫片有密封要求时，采用金属薄垫片 或者采用或者采用O形密封圈形密封圈宜采取措施宜采取措施:2)2)改善螺纹牙间的载荷分布改善螺纹牙间的载荷分布措施措施: 采用悬置螺母。采用悬置

47、螺母。加厚螺母不能提高联接强度。加厚螺母不能提高联接强度。普通螺母普通螺母加厚螺母加厚螺母螺母体螺母体螺螺栓栓杆杆悬置螺母均载原理悬置螺母均载原理 螺螺母母体体螺螺栓栓杆杆螺螺栓栓杆杆F Fa a螺螺母母体体F=FF=F1 1+F+F2 2+F+F3 3+F+F4 4+F+F5 5F F1 1FF2 2FF3 3FF4 4FF5 5螺母体螺母体F Fa a螺螺栓栓杆杆F F5 5/2/2F F4 4/2/2F F3 3/2/2F F2 2/2/2F F1 1/2/2F F5 5/2/2F F4 4/2/2F F3 3/2/2F F2 2/2/2F F1 1/2/2螺螺栓栓杆杆F Fa a螺螺母

48、母体体支承面不平支承面不平3)3)减小应力集中减小应力集中1.1.增大过渡圆角增大过渡圆角2.2.切制卸载槽切制卸载槽r r4)4)避免或减小附加应力避免或减小附加应力采用凸台或沉孔结构采用凸台或沉孔结构切削加工支承面切削加工支承面被联接件变形太大被联接件变形太大5)5)采用特殊制造工艺采用特殊制造工艺冷镦头部、辗压螺纹冷镦头部、辗压螺纹疲劳强度提高疲劳强度提高30%表面处理：表面处理： 氰化、氮化也能氰化、氮化也能提高疲劳强度。提高疲劳强度。本本 章章 重重 点点(1)(1)了解螺纹的类型和主要参数以及螺纹联接的基了解螺纹的类型和主要参数以及螺纹联接的基本本 类型；类型；(2)(2)了解螺栓

49、联接的预紧，防松和螺旋传动的特点、了解螺栓联接的预紧，防松和螺旋传动的特点、 类型；类型；(3)(3)掌握各种联接方式的工作原理和强度计算方法，掌握各种联接方式的工作原理和强度计算方法， 能根据工程实际问题正确选用相应的联接类型并进能根据工程实际问题正确选用相应的联接类型并进行强度计算；行强度计算；(4) (4) 螺栓组设计及计算。螺栓组设计及计算。用途：回转运动用途：回转运动直线运动直线运动一、螺旋传动的类型一、螺旋传动的类型 按使用要求分为三类按使用要求分为三类 1. 传力螺旋传力螺旋 以传递以传递动力动力为主，以较小的力矩产生较大的轴向力。为主，以较小的力矩产生较大的轴向力。FQTV螺旋

50、起重器螺旋起重器螺旋压力机螺旋压力机TFQ螺旋传动螺旋传动2. 传导螺旋传导螺旋 以传递以传递运动运动为主，对运动精度要求高。为主，对运动精度要求高。TFQ例：车床刀架进给机构例：车床刀架进给机构主轴转速主轴转速n卡盘卡盘顶尖顶尖螺旋传动螺旋传动3. 调整螺旋调整螺旋 用以用以调整并固定调整并固定零部件之间的相对位置零部件之间的相对位置例：传动带张紧装置例：传动带张紧装置螺旋传动螺旋传动二、螺旋传动的设计计算二、螺旋传动的设计计算主要失效形式：主要失效形式：磨损磨损计算过程：计算过程：由耐磨性条件确定参数由耐磨性条件确定参数校核校核可能失效形式：螺杆可能失效形式：螺杆强度不足强度不足，螺杆，螺

51、杆刚度不足刚度不足而丧失稳定，而丧失稳定，螺纹牙螺纹牙剪断。剪断。1. 耐磨性计算耐磨性计算以限制压强为耐磨性条件：以限制压强为耐磨性条件：轴向力轴向力(N)螺纹中径螺纹中径(mm)螺纹牙工作高度螺纹牙工作高度(mm)参与接触的螺纹圈数参与接触的螺纹圈数螺纹副的许用压强螺纹副的许用压强p配配 对对 材材 料料许用压强许用压强钢对铸铁钢对铸铁钢对青铜钢对青铜淬火钢对青铜淬火钢对青铜速度速度V12m/mm低速低速47710101310181525MPa2phzdFpQ MPa螺旋传动螺旋传动2. 螺杆强度校核螺杆强度校核载荷特征：拉（压）扭组合载荷特征：拉（压）扭组合轴向力轴向力FQ产生产生 驱动

52、力矩驱动力矩T产生产生 按第四强度理论，当量应力按第四强度理论，当量应力 e:16/34323122122 dTdFaeMPad1螺纹小径螺纹小径(mm); 螺杆材料许用应力，碳素钢螺杆材料许用应力，碳素钢 5080 Mpa；FQ 轴向力轴向力(N);T 扭矩，按螺杆实际受力情况确定。扭矩，按螺杆实际受力情况确定。 长度系数；长度系数； 一端固定一端自由（起重器），一端固定一端自由（起重器）， 2； 一端固定一端铰支（压力机），一端固定一端铰支（压力机）， 0.7； 两端铰支（传导螺杆），两端铰支（传导螺杆）， 1。螺旋传动螺旋传动. 螺杆稳定性校核螺杆稳定性校核FaFaFaFa与其临界载荷与

53、其临界载荷FC有关的因素有材料、螺杆柔度（长细比）有关的因素有材料、螺杆柔度（长细比） ：ili危险截面惯性半径，危险截面惯性半径，i = d1/4 (mm);l螺杆最大工作长度，螺杆最大工作长度，(mm);1) 100时，时，材料弹性模量，钢材：材料弹性模量，钢材：E=2.06105 MPa危险截面惯性矩，危险截面惯性矩， d14 /64 mm42) 40 100时，时，细长杆在较大轴向力作用下，会丧失稳定性。细长杆在较大轴向力作用下，会丧失稳定性。22)( lEIFCN B 470MPa的优质碳素钢：的优质碳素钢：4)57. 2461(21dFC N B 370MPa的普通碳素钢：的普通碳

54、素钢：4)12. 1304(21dFC N螺旋传动螺旋传动4. 螺纹牙的强度校核螺纹牙的强度校核可能失效形式：螺纹牙根部剪断。可能失效形式：螺纹牙根部剪断。校核公式：校核公式： DbzFaMPa参加接触的螺纹圈数参加接触的螺纹圈数螺纹牙根部宽度螺纹牙根部宽度 梯形螺纹梯形螺纹b=0.65P 锯齿形螺纹锯齿形螺纹b=0.74P螺母大径或螺杆小径螺母大径或螺杆小径铸铁螺母铸铁螺母40MPa, 青铜螺母青铜螺母3040MPaFa返回通道返回通道返回通道返回通道反向器（返回通道）反向器（返回通道）返回通道返回通道a) 外循还外循还b) 内循还内循还滚动螺旋简介滚动螺旋简介结构结构滚动螺旋简介滚动螺旋简介主要优点主要优点1. 摩擦损失小，效率在摩擦损失小，效率在90%以上；以上；2. 磨损很小磨损很小, 传动精度高；传动精度高；3. 不