第五章螺纹连接机械设计

1、第二篇第二篇 连连 接接机械动连接机械动连接运动副运动副机械静连接机械静连接焊接、焊接、 胶接、胶接、 铆接铆接螺纹连接螺纹连接、键连接、键连接销连接等销连接等一、螺纹的类型和特点一、螺纹的类型和特点: :v 螺旋副自锁条件螺旋副自锁条件螺旋副效率螺旋副效率)(vtantanvvfarctanvcosff 三角形三角形030 矩形矩形 =0梯形梯形015 第五章第五章 螺纹螺纹连接连接普通螺纹、管螺纹、矩形螺纹、梯形普通螺纹、管螺纹、矩形螺纹、梯形螺纹、锯齿形螺纹螺纹、锯齿形螺纹30o60o33o三角形螺纹自锁性好，三角形螺纹自锁性好，用于连接用于连接。矩形、梯形螺纹传动效率高，矩形、梯形螺纹

2、传动效率高，用于传动用于传动。d2d1d 2dS大径大径 d d 公称直径公称直径小径小径 d d1 1 强度计算直径强度计算直径2dPP2dnptan螺距螺距 p 螺纹相邻两个牙型螺纹相邻两个牙型 上对应点间的轴向距离上对应点间的轴向距离导程导程S S螺纹上任一点沿螺纹上任一点沿同一条螺旋线转一周所移同一条螺旋线转一周所移动的轴向距离动的轴向距离线数线数 n 螺纹的螺旋线数目螺纹的螺旋线数目二、螺纹的主要参数二、螺纹的主要参数普通螺纹的标记普通螺纹的标记螺纹代号螺纹代号-公差带代号公差带代号-旋合长度代号旋合长度代号M和公称直径中径和顶径公差带S、N、L M105g6gS螺纹代号（普通螺纹，

3、公称直径为10mm） 中径公差带代号 顶径（大径）公差带代号 旋合长度代号 M101 左6H 螺纹代号（公称直径为10mm，螺距为1mm的细牙螺纹，螺纹旋向左旋）中径和顶径（小径）公差带代号 M2025H / 5g6g 内螺纹公差带代号 外螺纹公差带代号 5-2 5-2 螺纹螺纹连接的连接的类型类型和标准连接件和标准连接件1 1、螺栓连接螺栓连接装拆方便装拆方便螺栓受拉力螺栓受拉力普通螺栓连接普通螺栓连接一、螺纹一、螺纹连接的连接的基本基本类型类型F0FpFF0F预紧力预紧力铰制孔螺栓连接铰制孔螺栓连接螺栓受剪切、挤压螺栓受剪切、挤压用于横向载荷大的用于横向载荷大的连接连接FF2 2、双头螺柱

4、连接双头螺柱连接用于被连接件较厚，用于被连接件较厚，不宜制成通孔，不宜制成通孔，且经常装拆且经常装拆的场合的场合双头螺柱双头螺柱受拉力受拉力F0F预紧力预紧力3、螺钉连接、螺钉连接用于不经常装拆的场合用于不经常装拆的场合螺钉螺钉受拉力受拉力F0F预紧力预紧力4、紧定螺钉连接、紧定螺钉连接二、标准螺纹二、标准螺纹连接件连接件螺栓、螺母、螺钉、垫圈等螺栓、螺母、螺钉、垫圈等5-3 5-3 螺纹连接的预紧螺纹连接的预紧预紧的目的预紧的目的保证可靠性、紧密性保证可靠性、紧密性防止联接松动防止联接松动提高联接的紧密性提高联接的紧密性提高联接的紧密性提高联接的紧密性测力矩扳手定力矩扳手预紧方法： TLF2

5、1TTTT1螺旋副摩擦阻力矩螺旋副摩擦阻力矩T2螺母和支承面上的摩擦阻力矩螺母和支承面上的摩擦阻力矩T0FT1螺旋副摩擦阻力矩螺旋副摩擦阻力矩FdT221)tan(202vFdT2螺母和支承面上的摩擦阻力矩螺母和支承面上的摩擦阻力矩20203030023dDdDFfTCd0D00FNfFFvRdF00.2202030300023)tan(2dDdDFfFdTCvFLdLNF15,200NF150000TLF5-3 5-3 螺纹连接的防松螺纹连接的防松1 1、摩擦防松、摩擦防松对顶螺母对顶螺母弹簧垫圈弹簧垫圈螺纹升角螺纹升角=1o42 3o2 v= 6.5o 10.5o防松的根本问题：防松的根本

6、问题： 防止螺旋副的相对转动防止螺旋副的相对转动摩擦防松摩擦防松：自锁螺母：自锁螺母2 2、机械防松、机械防松开口销与槽形螺母开口销与槽形螺母止动垫片止动垫片机械防松机械防松：串联钢丝防松：串联钢丝防松正确错误3 3、其他防松、其他防松: :破坏螺纹副关系防松破坏螺纹副关系防松防松的根本问题：防松的根本问题： 防止螺旋副的相对转动防止螺旋副的相对转动1 1、3 3、螺栓的排列应有合理的间距和边距；、螺栓的排列应有合理的间距和边距；2 2、减小螺栓受力，尽量受力均匀。、减小螺栓受力，尽量受力均匀。FL螺栓布置靠近边缘螺栓布置靠近边缘螺栓排数不宜过多螺栓排数不宜过多4 4、分布在圆周上的螺栓数目、

7、分布在圆周上的螺栓数目多多为偶数；为偶数；5 5、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与沉孔凸台与沉孔斜面垫圈斜面垫圈F0螺栓组受力分析的目的：螺栓组受力分析的目的： 分析螺栓组中各螺栓的受力情况，找出分析螺栓组中各螺栓的受力情况，找出受力最大的螺栓，以便进行强度计算。受力最大的螺栓，以便进行强度计算。螺栓组所受的外载情况：螺栓组所受的外载情况：几点假设：几点假设：（1 1）所有螺栓的材料、直径、长度和预紧）所有螺栓的材料、直径、长度和预紧力均相同；力均相同；（2 2）螺栓的对称中心与连接结合面的形心）螺栓的对称中心与连接结合面的形心重合；重合；（3 3）受载后连接结合面

8、仍保持为平面。）受载后连接结合面仍保持为平面。用普通螺栓连接用普通螺栓连接FFFKiZfFS 0连接的不滑移条件：连接的不滑移条件：iZfFKFS 01i2i0F0FfF01 1、受横向载荷受横向载荷的螺栓组连接的螺栓组连接用用铰制孔螺栓连接铰制孔螺栓连接FZFF螺栓受剪力螺栓受剪力Z螺栓的数目螺栓的数目 F0 0=100N,=100N,z=3,=3,f =0.15, Ks=1.2求求F=?=?FKfZiFS0不滑移条件：不滑移条件：SKfZiFF0N1502143150100.FF 2 2、受转矩的螺栓组连接受转矩的螺栓组连接Ta.a.用普通螺栓连接用普通螺栓连接TKrfFSizi10连接的

9、不转动条件：连接的不转动条件：ziiSrfTKF10fF0fF0ir160120T=10Nm,z=6,f =0.15, Ks=1.2求F0=?r1r2ziiSrfTKF10不转动条件：不转动条件：r1 =60mm,r2 =100mmNF7 .307)1004602(15. 01000102 . 10b.采用铰制孔螺栓连接采用铰制孔螺栓连接iirFrFmaxmaxziiiTrF1ziirTrF12maxmax受载最大的螺栓受载最大的螺栓所受剪力所受剪力TmaxrmaxFiriFrzTFFmaxmaxrri160120T=10Nm, z=6,求求Fmax=? =? r1r2r1 =60mm, r2

10、 =100mmN18.21100460210010001022ziirTrF12maxmax气缸螺栓连接图气缸螺栓连接图D3 3、受轴向力的紧螺栓组、受轴向力的紧螺栓组pFzDpF4/2工作拉力工作拉力0F4、受倾覆力矩受倾覆力矩M的螺栓组连接的螺栓组连接iiLFLFmaxmaxziiiMLF1ziiLMLF12maxmax0MiFmaxFmaxLiLAzF00MiFmaxFmaxLiLAzF0 pPppmaxmax0maxminpppWMpmax绕轴绕轴y-y受倾覆力受倾覆力矩矩M=10Nm, 求求F Fmaxmax=? =? ziiLMLF12maxmax160120yyxx L1L1=8

11、0N25.31804801000102若绕轴若绕轴x-x受倾覆力受倾覆力矩矩M=10Nm, 求求F Fmaxmax=?=? NF7 .27606601000102max L2L2=60连接方式连接方式失效形式失效形式设计准则设计准则强度计算强度计算FF4210dF16/311dT16/)tan(23102dFdv5 . 00F0F1 1、 仅受预紧力仅受预紧力1.3.3系数是考虑扭转切应力系数是考虑扭转切应力的影响的影响 0143 . 1Fd设计式设计式3 . 1322ca43 . 1210dF验算式验算式2 . 0 ,0fFFfFF50减载销减载销减载套筒减载套筒减载键减载键FF0F0FFF

12、例例1 1：普通螺栓连接，：普通螺栓连接，3 3个螺栓个螺栓,=200MPa,=200MPa,f =0.15, Ks=1.2,F=15000N,求所需螺栓的直求所需螺栓的直径径d1？1)1)不滑移条件：不滑移条件：fZiFKFS02315. 0150002 . 1=20 000N 0143 . 1Fd2)2)强度条件：强度条件：2002000043 . 1=12.86mmM16 d1=13.835mm气缸螺栓连接图气缸螺栓连接图D2 2、受预紧力和工作拉力的紧螺栓、受预紧力和工作拉力的紧螺栓pFzDpF4/2工作拉力工作拉力预紧力预紧力0FFFF02？2F？0F未拧紧未拧紧b m F 再受工再

13、受工作载荷作载荷FFFF12受的总拉力受的总拉力残余预紧力 m 已拧紧已拧紧, ,未未受工作载荷受工作载荷0FmCFF010F1FbCFF02Cb螺栓刚度Cm被连接件刚度0F力变形b m 力变形0F0F变形力mb FFF122Fm1FFbmbbbFCtan0mmmFCtan0FbbCFtanmCFFFCCCFmbbFCCCFFFFmbb002FFCCCFFFFmbb021FCCCFmbm0 Ss静强度计算静强度计算当工作拉力当工作拉力 F F 变化时，应验算变化时，应验算疲劳强度安全系数疲劳强度安全系数4/212dF1.3强度条件：相对刚度相对刚度mbbCCC总拉力总拉力FFFCCCFFmbb

14、102FCCCFFmbm01F1F2F0F力m b 变形1FFF2CminCdF4210min4212maxdF按按 判定强度计算方法判定强度计算方法, ,验验算疲劳强度安全系数。算疲劳强度安全系数。Cmin2 ,2minmaxminmaxmaam K1s NM MNamScaSmaxlimminL0d3、受剪螺栓连接、受剪螺栓连接的的 ppLdFmin0 4/20dF剪切强度剪切强度失效形式：失效形式：螺栓剪断螺栓剪断接触表面压溃接触表面压溃挤压强度挤压强度注意：注意： -螺栓材料；螺栓材料； p p-螺栓或孔壁较弱的材料螺栓或孔壁较弱的材料例例:图示气缸盖用图示气缸盖用6个普通螺栓连接个普

15、通螺栓连接,已知气缸压已知气缸压力力p=2MPa，D=80mm,取取 试求试求: 1、螺栓小径、螺栓小径d1； （F-工作拉力）工作拉力） 2、安装时预紧力、安装时预紧力,2,5 . 11bmCCFF?0FpD ,MPa160 解：解：1、求工作拉力、求工作拉力FNDpZFF1674 6480264222、求总拉力、求总拉力F2NFFFFFF41855 . 25 . 112DFFp3、求螺栓小径、求螺栓小径4、求螺栓的预紧力、求螺栓的预紧力0F mmFd58. 6160418543 . 143 . 121NFCCCFFmbb3627 167431418520FF5 . 11 )(10FCCCF

16、FFmbbDpma例：一横板用两个普通螺栓联在立柱上，已例：一横板用两个普通螺栓联在立柱上，已知知P=4000N，L=200mm，d=100mm, f =0.15, , 试求螺栓小径试求螺栓小径d1.2 . 1SK ,300MPa 解解: 1、将外力、将外力P 向螺向螺栓组形心简化。栓组形心简化。螺栓组受载螺栓组受载横向力：横向力： P转矩：转矩： T=PL =800000NmmLdPd转矩转矩TPLdPd转矩转矩TP1F1F1F1F2F2F2F2FF 2、分析在各载荷作用、分析在各载荷作用下，每个螺栓的受力。下，每个螺栓的受力。NFPP1000 :412504800000 :2rzTFT28

17、28N3、求合力、求合力NFFFFF3605 45cos2828200022828200045cos2222122210F4、求螺栓的预紧力、求螺栓的预紧力FKfFS0不滑移条件：不滑移条件：NfFKFS2884015. 036052 . 105、求螺栓小径、求螺栓小径d1 mmFd61.123002884043.143.1016、讨论、讨论1）其他条件不变，使螺栓之间的距离由）其他条件不变，使螺栓之间的距离由100增至增至200mm,对连接有何影响？对连接有何影响？合力：合力：NfFKFS1788015. 022352 . 10NrzTFT141421004800000 :2NFFFFF22

18、35 45cos1414100021414100045cos222212221 mmFd93.93001788043.143.101结论：受转矩和倾结论：受转矩和倾覆力矩作用的螺栓覆力矩作用的螺栓组，螺栓应远离螺组，螺栓应远离螺栓组形心或旋转轴栓组形心或旋转轴线。线。ziiSrfTKF10ziirTrF12maxmaxziiLMLF12maxmax2) 当螺栓布置方式发生改变时当螺栓布置方式发生改变时, 会有何影响？会有何影响？LPdd2) 如果采用铰制孔螺如果采用铰制孔螺栓，会有何影响？栓，会有何影响？求合力求合力NFFFFF3605 45cos2828200022828200045cos2

19、222122211F1F1F1F2F2F2F2FFLdPd转矩转矩TP用剪切强度计算螺栓直径用剪切强度计算螺栓直径 mmFd78. 33203605441校核配合面的挤压强度校核配合面的挤压强度HLLP例：图示支座用例：图示支座用4个螺钉连接个螺钉连接,已知已知P=8000N，H=120mm,L=80mm, 取摩擦系数取摩擦系数 f=0.15, 防滑防滑系数系数 试求螺栓小径试求螺栓小径., 2 . 1SK ,MPa120 ,3.0mbbCCC解：解：1、将外力、将外力P 移至接合面形心移至接合面形心HLLPPMHPM横向载荷横向载荷P 倾覆力矩倾覆力矩2、求工作拉力、求工作拉力FHLLPPM

20、FFNLZHPLZMF300080412080003、按不滑移条件求预紧力、按不滑移条件求预紧力0F不滑移条件：不滑移条件： PKiZfFS0NiZfPKFS160001415. 080002 . 104、求总拉力、求总拉力F2NFCCCFFmbb1690030003 . 01600002HLLPPMFF5、求螺栓小径、求螺栓小径 mmFd27.151201690043 . 143 . 1216、接合面是否出现间隙？、接合面是否出现间隙？01390030001690021NFFF900900 SS SspSpS：pBpSF2bCmC2F0F力变形m b 1FFFCCCFFmbb02FCCCFF

21、mbm010F0F2F1FFF0F0F0F0（大圆角和卸载结构）（大圆角和卸载结构）图示支座用图示支座用4个螺钉连接个螺钉连接,已知已知P=5600N，夹角，夹角a=45,h=320mm, L=140mm,b=150mm, 取摩擦系取摩擦系数数 f =0.15, 防滑系数防滑系数Ks=1.2,试设计螺栓连接试设计螺栓连接.hh1b 150P140LLHPVPHPVPM1P1PmaxFVF PHPPH作用下每个螺栓工作拉力：zPPH1M作用下 螺栓工作拉力：LMF4maxmax1FPF工作拉力工作拉力bPhPMVH2cosPPVsinPPH不滑移条件不滑移条件:M 作用对摩擦力没有影响作用对摩擦

22、力没有影响 VSPKZfF1)(1)(010HmbmVSVSmbmPCCCfPKZFPKZPCCCFf 2143 . 1FdFCCCFFmbb02ZPV/1PCCCmbbVSPKFZf1VSHmbmPK)ZPCCCfZ(F00F力力变形变形2F1F1P校核连接安全的工作的必要条件：校核连接安全的工作的必要条件：1、连接结合面下端不压溃条件、连接结合面下端不压溃条件2、连接结合面上端不出现缝隙的条、连接结合面上端不出现缝隙的条件件F图示两根梁用两块钢盖板和八个图示两根梁用两块钢盖板和八个4.6级普通螺栓连接，级普通螺栓连接，材料的屈服极限为材料的屈服极限为240MPa。梁受到的拉力。梁受到的拉力F=32kN，取结合面摩擦系数取结合面摩擦系数f=0.2，安全系数，安全系数S=1.5，防滑系数，防滑系数Ks=1.2。试确定所需螺