第13章 螺纹连接

1、 螺纹螺纹 螺栓连接的强度计算螺栓连接的强度计算第第1313章章 螺纹连接螺纹连接螺螺纹纹连连接接 螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件 螺纹连接的预紧和防松螺纹连接的预紧和防松 螺纹副的受力分析、效率和自锁螺纹副的受力分析、效率和自锁第第3 3章章 连连 接接第第1313章章 螺纹连接螺纹连接联联接接螺栓的材料和许用应力螺栓的材料和许用应力 螺旋传动概述螺旋传动概述 提高螺栓连接强度的措施提高螺栓连接强度的措施 螺栓连接的强度计算螺栓连接的强度计算第一节第一节 螺纹螺纹一、螺纹的形成一、螺纹的形成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

2、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螺 纹纹一平面图形沿螺旋线运动，运动时保持该图形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，就得到螺纹通过圆柱体的轴线，就得到螺纹 d2螺纹螺纹按螺纹的牙型分按螺纹的牙型分二、螺纹的分类二、螺纹的分类三角形螺纹（常用于连接）三角形螺纹（常用于连接）矩形螺纹矩形螺纹梯形螺纹梯形螺纹 （多用于传动）（多用于传动）锯齿形螺纹锯齿形螺纹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按螺纹的旋向分按螺纹的旋向分右旋螺纹（常用）右旋螺纹（常用）左旋螺纹左旋螺纹按回转体

3、的内外表面分按回转体的内外表面分 外螺纹外螺纹内螺纹内螺纹螺纹副螺纹副外螺纹外螺纹内螺纹内螺纹按螺纹的线数分按螺纹的线数分单线螺纹单线螺纹-主要用于连接主要用于连接多线螺纹多线螺纹-多用于传动多用于传动按螺旋的作用分按螺旋的作用分连接螺纹（单线的三角螺纹）连接螺纹（单线的三角螺纹）传动螺纹传动螺纹螺旋传动螺旋传动连接螺纹连接螺纹传动螺纹传动螺纹按母体形状分按母体形状分圆柱螺纹圆柱螺纹圆锥螺纹圆锥螺纹圆锥螺纹圆锥螺纹圆柱螺纹圆柱螺纹管螺纹管螺纹d1d2dSPP/2P/25) 5) 导程导程 SS = nP 同一条螺旋线上的相邻同一条螺旋线上的相邻两牙在中径线上对应两点两牙在中径线上对应两点间的轴

4、向距间的轴向距P P6) 螺纹升角螺纹升角 中径中径d d2 2圆柱上，螺旋线的切线圆柱上，螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面的夹角与垂直于螺纹轴线的平面的夹角7)7)牙型角牙型角 轴向截面内螺纹牙型相邻两侧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边的夹角。牙型侧边与螺纹轴线的垂线间的夹角。的垂线间的夹角。牙侧角牙侧角 d2S 3)3)中径中径d2d1d2d1) 1) 大径大径 d d2) 2) 小径小径 d14) 4) 螺距螺距PSPP/2P/2三、螺纹的主要几何参数三、螺纹的主要几何参数 与外螺纹牙顶与外螺纹牙顶( (或内螺或内螺纹牙底纹牙底) )相重合的假想圆相重合的假想圆

5、柱体的直径柱体的直径 与外螺纹牙底与外螺纹牙底( (或内螺纹牙顶或内螺纹牙顶) )相相重合的假想圆柱体的直径重合的假想圆柱体的直径也是一个假想圆柱的直径，该圆柱的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。母线上牙型沟槽和凸起宽度相等。相邻两牙在中径线上对应两点间的轴向距离相邻两牙在中径线上对应两点间的轴向距离四、常用螺纹四、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 普通螺纹以普通螺纹以大径大径d为公称直径，同一公称直径可以有多种螺为公称直径，同一公称直径可以有多种螺距，其中螺距最大的称为距，其中螺距最大的称为粗牙螺纹粗牙螺纹，其余的统称为

6、细牙螺纹。粗，其余的统称为细牙螺纹。粗牙螺纹应用最广。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：薄壁零件、受动载荷的连接和微调机构。应用：薄壁零件、受动载荷的连接和微调机构。Pd粗牙粗牙dP细牙细牙dP细牙细牙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（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

7、非螺纹密封的管非螺纹密封的管螺纹螺纹d dd d2 2d d1 1P P55 2d dd d2 2d d1 1P P55 梯形梯形螺纹：螺纹：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：查阅螺纹的基本尺寸：查阅机械零件设计手册机械零件设计手册及有关参考书及有关参考书梯梯 形形锯齿形锯齿形30330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tan =F

8、/FnFFaF一、矩形螺纹一、矩形螺纹= 0第二节第二节 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.F 水平推力水平推力Fn 法向反力法向反力Fa 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 =tan-1 f 摩擦角摩擦角=f Fn/Fn =fFFaFd2螺母在螺母在F和和Fa的联合的联合作用下，逆着作用下，逆着Fa等等速向上运动速向上运动螺纹的拧紧螺纹的拧紧螺母在螺母在F和和Fa的联的联合作用下，顺着合作用下，顺着Fa等速向下运动。等速向下运动。螺纹的拧松螺纹的拧松 FnFRvFd2S

9、Fa+ + F+ FaFaFR螺纹的拧紧螺纹的拧紧( (滑块上升滑块上升) ) FnFRvFd2SFa+ + F+ FaFaFRFa 阻力，阻力，F 驱动力，驱动力，F 摩擦力摩擦力, 沿斜面朝下。沿斜面朝下。FRFa = + + FR = Fn + +F FR =(1 + + f ) Fn得：得：F=Fatan(+ + ) 驱动力矩：驱动力矩：2tan()2adF 22dFT 当螺纹拧松当螺纹拧松( (滑块下滑滑块下滑) )时：时：- FRvFRFaFnFF FFaFa 阻力，阻力，F 驱动力，驱动力，F 摩擦力摩擦力, 沿斜面朝下。沿斜面朝下。FRFa = - - 列出力平衡方程：列出力平

10、衡方程：FR + Fa + +F =0 作力多边形可得：作力多边形可得： F=Fatan(- - )驱动力矩：驱动力矩：22dFT 2tan( - )2adF 2tan(-)2adTF则则T T为正值，其方向与螺母运动方向相为正值，其方向与螺母运动方向相反，是阻力；反，是阻力； 则则T T为负值，方向相反，其方向与预先为负值，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，假定的方向相反，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。成为放松螺母所需外加的驱动力矩。不会！不会！-这种现象称为自锁。这种现象称为自锁。若若 若若 提问：当提问：当 时，若没有力矩时，若没有力矩T

11、 T，螺母在，螺母在F Fa a的作用下会运动吗？的作用下会运动吗？当当v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。0 10 20 30 40 50 20406080100效率效率% 定义螺旋副的效率定义螺旋副的效率为有效功与输入功之比：为有效功与输入功之比：TSFa2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： v v= = 5.75.7v v =(0.30.5)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 0;螺纹伸出长度螺纹伸出长度

12、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) mm用于经常拆装易磨损之处。dd第三节第三节 螺纹联接的基本类型及螺纹紧固件螺纹联接的基本类型及螺纹紧固件基孔制过基孔制过渡配合渡配合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 e3. 双头螺柱连接双头螺柱连接 联接件厚，允许拆装。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 l1 1l1 1H HH

13、 HH H1 1H H1 1H H2 2H H2 2结构简单，省了螺母，不宜经常拆装，以免损坏螺孔而修复困难。d2. 螺钉连接螺钉连接紧定螺钉紧定螺钉4. 紧钉螺钉连接紧钉螺钉连接二、二、螺纹紧固件螺纹紧固件1. 螺栓螺栓螺栓的结构形式螺栓的结构形式LL0d六角头六角头LdL0小六角头小六角头dL0L1LL1 -座端长度座端长度L0 -螺母端长度螺母端长度2. 双头螺柱双头螺柱3. 螺钉、紧钉螺钉螺钉、紧钉螺钉4. 螺母螺母六角螺母六角螺母圆螺母圆螺母5. 垫圈垫圈平垫圈平垫圈斜垫圈斜垫圈弹簧垫圈弹簧垫圈圆螺母用止动垫圈圆螺母用止动垫圈facarFftgdFTTT)(2221)+tan(2=+

14、=221dFTTTa一、一、 拧紧力矩拧紧力矩一般螺纹联接在装配时都必须拧紧，这时螺纹联接受到预紧力的作用。对于重要的螺纹联接，应控制其预紧力，因为的大小对螺纹联接的可靠性，强度和密封均有很大影响。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F Fa a 或预紧力（不受轴向载荷） fc c 摩擦系数。摩擦系数。 无润滑时取：无润滑时取： fc c =0.15 =0.15rf f 支撑面摩擦半径。支撑面摩擦半径。 rf =( =(dw w+ +d0 0)/4)/4dd

15、0dwT简化公式：简化公式： 适用于M10M60的粗牙螺纹， f=0.15, fc=0.15, T 0.2 F 0.2 Fa a d预紧应力：预紧应力：=(0.5=(0.50.7) s sF Fa aFa是由联接要求决定的，为了发挥螺栓的工作能力和保证预紧 可靠，应取：通常螺纹联接拧紧是凭工人的经验来决定的，重要螺栓则必须预紧力进行精确控制。总力矩：总力矩：第四节第四节 螺纹连接的预紧和防松螺纹连接的预紧和防松测力矩扳手测力矩扳手工程上常采用测力矩扳手或定力矩扳手来控制预紧力的大小。工程上常采用测力矩扳手或定力矩扳手来控制预紧力的大小。二、二、 螺纹连接的防松螺纹连接的防松联接用三角形螺纹都具

16、有自锁性，在静载荷和工作温度变化不大时，不会自动松脱。但在冲击、振动和变载条件下，预紧力可能在某一瞬时消失，联接仍有可能松动。高温下的螺栓联接，由于温度变形差异等，也可能发生松脱现象（如高压锅），因此设计时必须考虑防松。即防止相对转动。防松的方法防松的方法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F F弹簧垫圈弹簧垫圈对顶螺母对顶螺母定力矩扳手定力矩扳手开口销与六开口销与六角开槽螺母角开槽螺母串联钢丝串联钢丝2. 采用专门防松元件防松采用专门防松元件防松(机械防松机械防松)圆螺母用止动垫圈圆螺母用止动垫圈潘存云教授研制止动垫圈止动垫圈主要失主要失效形式：效形式：螺栓

17、拉断螺栓拉断螺纹压溃或剪断螺纹压溃或剪断滑扣滑扣 因经常拆装螺栓与螺母的螺纹牙及其他各部尺寸是根据等强度原则及使用经验规定的。采用标准件时，这些部分都不需要进行强度计算。所以，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公称直径d及螺距P等。 一、松螺栓连接一、松螺栓连接 装配时不须要拧紧强度条件：强度条件：21 /4Fd式中式中:d1 螺纹小径，螺纹小径， mm二、紧螺栓连接二、紧螺栓连接 装配时须要拧紧，在工作状态下可能还需要补充拧紧。螺栓受轴向拉力螺栓受轴向拉力Fa和摩擦力矩和摩擦力矩T的双重作用。的双重作用。4/21dFa拉应力拉应力：FFa力除以面积第五节第五节 螺栓连

18、接的强度计算螺栓连接的强度计算211.3 /4aFd切应力：切应力：16/3111dTWTT231tan()2/16avFdd22112tan()/4avFddd对于对于M10M68的普通螺纹，取的普通螺纹，取d1、d2和和的平均值，的平均值，并取：并取： tanv = f v =0.15 得：得： 0.5 当量应力：当量应力：223c22)5 . 0( 3强度条件：强度条件：3 .1分母为抗剪截面系数1. 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Fa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

19、于横向载荷F。C 可靠性系数，常取可靠性系数，常取C=1.11.3mfCFFa预紧力预紧力Fa ： 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 上图m=1,下图m=2若取若取 f =0.15， C=1.2, m=1,则：则：Fa 8F结构尺寸大结构尺寸大FFFF/2F/2FaFaFF/2F/22. 受轴向工作载荷的螺栓强度受轴向工作载荷的螺栓强度改进措施：改进措施： a) 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。螺栓仅起连接作用b) 采用无间隙的受剪螺栓。采用无间隙的受剪螺栓。设流体压强为设流体压强为p，螺栓数目为

20、，螺栓数目为Z，则缸体周，则缸体周围每个螺栓的平均载荷围每个螺栓的平均载荷为：为：p D2/4FE = =ZpFEFED松弛松弛状态状态受载受载变形变形特别注意，轴向载荷：特别注意，轴向载荷：Fa F0+FE加预紧力后加预紧力后螺栓受拉伸长螺栓受拉伸长b0被连接件受压缩短被连接件受压缩短C0加载加载 FE 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： FR 很显然很显然: FRF0 被联接件放松了 + b0C0 - - b0C0FE FEFEFEFaFaFa=FE+FRFRFR F0F0F0

21、F0被连接件变形被连接件变形力力FbFc螺栓、被连接件变形螺栓、被连接件变形力力FaFRFEF0b0C0F0C0arcotkcF0C0arcotkcb0螺栓变形螺栓变形力力F0arcotkb相对刚度系数相对刚度系数kb +kckbFa = F0 +FEkb +kckbFR = F0 FE 1 1- - 螺栓的相对刚度系数螺栓的相对刚度系数垫片类型垫片类型 金属垫片或无垫片金属垫片或无垫片 皮革皮革 铜皮石棉铜皮石棉 橡胶橡胶 0.20.3 0.7 0.8 0.9kb +kckb力力螺栓变形螺栓变形arcotkbFEFaFbF0FcFR一般螺栓一般螺栓Q215 Q235 10 35 45 重要螺

22、栓重要螺栓15Cr 40Cr 30Cr MnSi 紧螺栓连接的受载情况紧螺栓连接的受载情况 许用应力许用应力 受轴向载荷受轴向载荷, 横向载荷横向载荷受剪螺栓受受剪螺栓受 横向载荷横向载荷静载荷静载荷变载荷变载荷控制预紧力时控制预紧力时S=1.21.5不能严格控制预紧力时查不能严格控制预紧力时查表表13-5被连接件为钢被连接件为钢被连接件为铸铁被连接件为铸铁p按静载荷按静载荷p值降低值降低20%30%1.25Sp =3.55=S22.5Bp =2.5S =SS =表表1 106 螺栓的许用应力螺栓的许用应力第六节第六节 螺栓的材料和许用应力螺栓的材料和许用应力表表13-5 螺栓联接的安全系数螺

23、栓联接的安全系数S(不能严格控制预紧力时不能严格控制预紧力时)碳素钢碳素钢 43 32 106.5 6.5 M6M16 M10M30 M6M16 M10M30合金钢合金钢 54 42.5 7.65 5静载荷静载荷 变载荷变载荷材材 料料承受轴向变载荷时，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：一、一、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FE的变化范围的变化范围: 0 FEkb +kckbF0 F0 +FE总拉伸载荷的总拉伸载荷的Fa变化范围变化范围: kb 或或 kc Fa变化范围变化范围提高螺

24、栓联接强度的措施第七节第七节 提高螺栓联接强度的措施提高螺栓联接强度的措施二、二、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: 采用采用悬置悬置( (均载均载) )螺母螺母。加厚螺母不能提高联接强度。加厚螺母不能提高联接强度。F=FF=F1 1+F+F2 2+F+F3 3+F+F4 4+F+F5 5螺母体螺母体假设螺母为刚体，则螺纹牙变形与普通螺木相同。但实际上螺母也是弹性体，受载也被拉长，变形螺纹牙产生回弹，从而减小两者螺距变化，使受载均匀。10圈以后，螺母牙几乎不承受载荷。普通螺母普通螺母加厚螺母加厚螺母采用凸台或沉孔结构采用凸台或沉孔结构三、减小应力集中三、减小应力集中1.1.

25、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 r四、避免或减小附加应力四、避免或减小附加应力3.3.卸载过渡结构卸载过渡结构要从结构、制造与装配精度采取措施。要从结构、制造与装配精度采取措施。支承面不平支承面不平切削加工支承面切削加工支承面作用：用来实现轴和轴上零件的周向固定以传递扭矩，作用：用来实现轴和轴上零件的周向固定以传递扭矩， 或实现零件的轴向固定或移动。或实现零件的轴向固定或移动。一、键联接的类型一、键联接的类型类型：平键、半圆键、楔键、切向键等。类型：平键、半圆键、楔键、切向键等。1. 1. 平键连接平键连接特点：结构简单、工作可靠、特点：结构简单、工作可靠、对中性好、装

26、拆方便。对中性好、装拆方便。种类种类普通平键普通平键导向平键导向平键第一节第一节 键连接键连接工作表面：平键的两侧面。工作表面：平键的两侧面。第第14 14章章 轴毂连接轴毂连接滑键滑键盘铣刀盘铣刀 普通普通平键平键结构结构单圆头单圆头(C型型)圆头圆头(A型型)方头方头(B型型)用指状铣刀加工，固定良好，轴槽应力集中大。用指状铣刀加工，固定良好，轴槽应力集中大。用盘铣刀加工，轴的应力集中小。用盘铣刀加工，轴的应力集中小。用于轴端用于轴端普通平键应用最广。普通平键应用最广。起键螺孔起键螺孔导向平键导向平键固定螺钉固定螺钉零件可以在轴上移动，构成动联接。零件可以在轴上移动，构成动联接。结构特点：

27、长度较长，需用螺钉固定在轴上。结构特点：长度较长，需用螺钉固定在轴上。为便于装拆，制有起键螺孔。为便于装拆，制有起键螺孔。滑键滑键结构特点：长度较短，需用螺钉固定结构特点：长度较短，需用螺钉固定 在毂上。在毂上。2. 2. 半圆键连接半圆键连接优点：结构简单、工作可靠、定心优点：结构简单、工作可靠、定心好，装配方便。好，装配方便。因半圆键能在轴槽中摆动以适应轮毂槽底面。缺点：对轴的削弱较大，只适缺点：对轴的削弱较大，只适 用于轻载连接。用于轻载连接。特别适用于锥形轴端的连接。特别适用于锥形轴端的连接。工作面工作面bA型型d二、平键连接的强度校核二、平键连接的强度校核键的材料：键的材料：B 600 Mpa的碳素钢，常用的碳素钢，常用45钢。钢。键的截面尺寸键的截面尺寸b、h依据轴径依据轴径d查表选取，长度查表选取，长度L参照轮毂长度参照轮毂长度从标准中选取。从标准中选取。键的主要失效形式：压溃、磨损键的主要失效形式：压溃、磨损(动联接动联接)、剪断。、剪断。Lbh/2挤压