机械设计基础 南理工7

1、第二篇联 接 篇(Joints)联接 近代机械设计中最感兴趣的课题 之一，也是最近一些年来发明创 造最多的。 在通用机械中，联接件占总零件 数的2050。 联接静联接(immovable Joints)动联接(mobile Joints)不可拆联接可拆联接(运动副等)(螺纹、键等)(焊接、铆接等)2第四章 螺纹联接与螺旋传动(Threaded Joints and Power Screws）本章主要介绍螺纹联接类型及防松原理，紧螺栓联接的强度计算，螺栓组联接的设计与受力分析，提高螺纹联接强度措施及螺旋传动简介。重点内容： 单个螺栓联接的强度计算 螺栓组联接的设计与受力分析难点内容： 单个螺栓联

2、接的强度计算4-1 螺 纹(Screws)4-2 螺纹联接的类型及螺纹联接件 (Threaded Joints Types and Fasteners)4-3 螺纹联接的预紧和防松 (Screws Tightening and Locking) 4-4 单个螺栓联接的强度计算 (Calculation of Single Threaded joint Strength ) 4-5 螺栓组联接的设计与受力分析 (Design and Load Analysis of A Group Joints)4-6 提高螺纹联接强度的措施 (Measures for Enhancement of Screw

3、s Strength)4-7 螺旋传动(Power Screws)44-1 螺 纹（Screws） 一、螺纹的形成(Form of Screws)一个与轴线共面的平面图形（三角形、梯形等），绕圆柱面作螺旋运动(helical motion)，则得到一圆柱螺旋体。 5按牙型: 三角形螺纹(triangle thread) 、锥螺纹(taper thread) 管螺纹(tube thread)联接螺纹(connection thread)。 矩形(square thread)、梯形(acme thread)、 锯齿形(buttress thread)螺纹传动螺纹(power thread)。按位置

4、：内螺纹(internal threads) 在圆柱孔的内表面形成的螺纹。 外螺纹(external threads) 在圆柱孔的外表面形成的螺纹。螺旋线方向：左旋(laevogyrate thread)如图 右旋(dextrogyrate thread)常用二、螺纹的类型(Screws Types)6三角形螺纹 粗牙螺纹(coarse thread)用于紧固件。细牙螺纹(fine thread)同样的公称直径下螺距最小，自锁性好，适于薄壁 细小零件和冲击变载等。螺旋线头数： 单线(single-threaded)螺纹（n=1）用于联接 双线(double-threaded)螺纹（n=2）如图

5、 多线(multiple-threaded)螺纹（n2）用于传动71）外径（大径）d 与外螺纹牙顶相重合的假想圆柱 (major diameter) 面直径，亦称公称直径。2）内径（小径）d1 与外螺纹牙底相重合的假想圆柱 (minor diameter) 面直径，强度计算中为计算直径。三、螺纹的主要参数(Main Parameters of Screws)3）中径d2 (mean diameter) 在轴向剖面内牙厚与牙间 宽相等处的假想圆柱面的 直径，d20.5(d +d1) 。 为确定螺纹几何参数和配 合性质的直径。84）螺距P (pitch) 螺纹相邻两牙型上对应点间的轴向距离。5）导

6、程L(lead) 螺纹上任一点沿同一螺旋线旋转一周移 动的轴向距离。6）线数n (number of threads) 螺纹螺旋线数目，一般为便于制造n4。 L=nP 。97）螺旋升角(lead angle)中径圆柱面上螺旋线的切线与垂直于螺旋线轴线的平面的夹角：8）牙型角 (thread angle) 螺纹轴向平面内螺纹牙型两侧边 的夹角。10螺旋副的自锁条件为(self-locking condition)：螺旋副的传动效率为(screw efficiency)：克服轴向力Q匀速上升所需的圆周力：(tangential force needed for overcome vertical

7、force Q )11四、常用螺纹的种类、特点与应用字母公称直径导程线数左旋（M或T）（粗牙，单线时不标）（单线时不标）（右旋不标）12锯齿形螺纹三角形螺纹(triangle thread)矩形螺纹梯形螺纹(acme thread)(buttress thread)(square thread)13联接螺纹传动螺纹MGTrB粗牙细牙螺 纹管 螺 纹梯形螺纹锯 齿 形 螺 纹普 通是最常用的联接螺纹用于细小的精密或薄壁零件用于水管、油管、气管等薄壁管子上，用于管路的联接。用于各种机床的丝杠，做传动用。只能传递单方向的动力。螺 纹 种 类特征代号外 形 图用 途常用的几种螺纹的特征代号及用途144

8、2 螺纹联接的类型及螺纹联接件 (Threaded Joints Types and Fasteners) 一、螺纹联接主要类型(Threaded Joints Types)1、螺栓联接(bolt Joints):被联接件不太厚经常装拆。a)普通螺栓联接(common bolt joints )15b) 铰制孔用螺栓联接 (bolt joints by interference with a reamed hole)162、双头螺栓联接(stud joints)常拆卸 而被联接件之一较厚时。173、螺钉联接(cap screw joints)适于被联接 件之一较厚，不经常装拆。18特殊联接：地

9、脚螺栓联接 , 吊环螺钉联接。4、紧定螺钉联接(withstand screw joints)拧入后，利用杆末端顶住另一零件表面或旋入零件相应的缺口中以固定零件的相对位置。可传递不大的轴向力或扭矩。19将机座或机架固定在地基上。2021二、螺纹联接件(Threaded Fasteners)1）螺栓(bolt Joints ):用于被联接件不太厚，经常装拆的场合普通螺栓 六角头，小六角头，标准六角头，大六角头, 内六角铰制孔螺栓螺纹部分直径较小，基孔制配合，横向载荷22 2）双头螺柱(stud joints)两端带螺纹 A型有退刀槽 B型无退刀槽233）螺钉(cap screw joints)

10、与螺栓区别要求螺纹部分直径较粗;要求全螺纹244）紧定螺钉(withstand screw) 锥 端适于零件表面硬度较低不常拆卸场合 平 端接触面积大、不伤零件表面，用于顶紧硬度较大的平面，适于经常拆卸 圆柱端压入轴上凹抗中，适于紧定空心轴上零件的位置轻材料和金属薄板255）自攻螺钉(tapping screw)：由螺钉攻出螺纹266）螺母(nut)：圆螺母+止退垫圈(round nut+lugged lock washer)六角螺母(hexagon nut)：标准，扁，厚 。 带有缺口，应用时带翅垫圈内舌嵌入轴槽中，外舌嵌入圆螺母的槽内，螺母即被锁紧277）垫圈(washer)普通垫圈(pl

11、ain washer)保护支承表面。防松垫圈(lock washer)防松作用带翅垫圈(lugged lock washer):配合圆螺母用等。284-3 螺纹联接的预紧和防松 (Screws Tightening and Locking) 一、预紧(tightening)螺纹联接：松联接(joints without initial load)在装配时 不拧紧，只存受外载时才受到力的作用。 紧联接(joints with initial load)在装配时需拧 紧，即在承载时，已预先受力，预紧力QP 。结构特点：受工作载荷之前不受预紧力29预紧目的增大联接刚度、紧密性和提高防松能力。预紧力(

12、preload)QP预先轴向作用力（拉力）。 预紧过紧：拧紧力QP过大，螺杆静载荷(static load)增大、 降低本身强度。 预紧过松：拧紧力QP过小，工作不可靠 。通常规定：拧紧后螺纹联接件的预紧应力不得超过其材料的屈服极限s的80。碳素钢螺栓：合金钢螺栓：一般：A1=d12/4螺栓最小剖面面积30扳手拧紧力矩 T=FHLT=T1+T2 拧紧力矩系数(torque coefficient)T2螺母端环形面与被联接件间的摩擦力矩。FH 作用于手柄上的力(load on spanner)，L力臂(arm of force)。T 拧紧力矩(tightening torque)。T1螺纹摩擦阻

13、力矩(resistance moment of screw friction)。一般 K=0.10.3 31一般 K=0.10.3 由于直径过小的螺栓，容易在拧紧时过载拉断，所以对于重要的联接不宜小于M10对于M1068螺母，将其标准参数代入，简化的即：扳手拧紧力矩T=FHL, 一般：L15d 联立的Qp=75FH说明d过小，螺栓易过载拉断最好取M16M30322、定力矩扳手(torque-wrenches)达到固定的拧紧力矩时， 卡盘不转动。预紧力QP的控制：1、测力矩扳手(torque-wrenches with measurement):测出预紧力矩。3、测量预紧前后螺栓伸长量精度较高。

14、 录像：控制拧紧力矩的方法33二、防松(locking) 理论上，螺纹联接的螺旋升角三角螺纹当量摩擦角341、防松目的 在振动、冲击或变载时，螺纹副中正压力可能减小或瞬间消失，摩擦力为零，使螺纹联接松动。如经反复作用，螺纹联接就会松驰而失效。因此必须进行防松，否则会影响正常工作，造成事故。 2、防松原理 消除（或限制）螺纹副之间的相对运动，或增大相对运动的难度。1）摩擦防松(locking by friction) 双螺母(two nuts)、 弹簧垫圈(elastic washer)、 尼龙垫圈(nylon washer)、自锁螺母(lock nut)等。 3、防松办法及措施 35弹簧垫圈(

15、elastic washer)双螺母(two nuts jammed together)自锁螺母(lock nut)螺母一端做成非圆形收口或开峰后径面收口，螺母拧紧后收口涨开，利用收口的弹力使旋合螺纹间压紧363）永久防松端铆(riveted joints)、冲点(center punching)、点焊(local welding)。4）化学防松粘合(adhesive joining)。 开槽螺母与开口销(nut with slot and cotter pin)圆螺母与止动垫圈(round nut and lugged lock washer)串联钢丝(wire locking)2）机械防松

16、(locking by mechanisms)37 4-4 单个螺栓联接的强度计算 (Calculation of Single Threaded joint Strength )针对不同零件的不同失效形式，分别拟定其设计计算方法，则失效形式是设计计算依据和出发点。1、失效(failure)形式受拉螺栓(axially loaded threaded parts) 螺栓杆和螺纹可能发生塑性变形或断裂。受剪螺栓(shear-loaded threaded parts) 螺栓杆和孔壁间可能发生压溃或被剪断。联接中的螺栓，受力形式主要有：轴向拉力或横向剪力。失效统计表明：90以上的螺栓属于疲劳破坏失

17、效原因：应力集中 应力集中促使疲劳裂纹的发生和发展过程381.螺母支承面第一、第二牙圈处占65。2.螺杆尾退刀槽处占20；3.钉头支承面处占15。39受拉螺栓：设计准则为保证螺栓的疲劳拉伸强度和静强度受剪螺栓：设计准则为保证螺栓的挤压强度和剪切强度 2、设计计算准则与思路改善工艺、改进结构、正确安装、注意使用方法均可提高抗疲劳强度设计思路：根据联接的类型、材料性质、受力状态、失效形式，按相应的强度条件，计算螺栓危险剖面的直径，其它尺寸可按公称直径由标准选取。40、松螺栓联接(loose joints) 验算用 设计用 d1 螺杆危险截面直径（mm） 许用拉应力 N/mm2 (MPa) s表4-

18、8。 n 安全系数，表4-9 。如吊钩螺栓，工作前不拧紧，无QP，只有工作载荷F起拉伸作用。强度条件：(conditon for strength)41工作前拧紧，在拧紧力矩T作用下，处于复合应力状态：二、紧螺栓联接(prestressed joints)工作前有预紧力QP按第四强度理论：预紧力QP产生拉伸应力螺纹摩擦力矩T1产生剪应力 The resultant stress 42 QP 预紧力（N） T1 螺纹摩擦力矩，起扭剪作用，又称螺纹扭矩，N.mm 1.3系数将外载荷提高30%，以考虑螺纹力矩对螺栓 联接强度的影响，这样把拉扭的复合应力状态简 化为纯拉伸来处理，故又称简化计算法。 强

19、度条件：(conditon for strength)431、横向载荷的紧螺栓联接计算(shear-loaded prestressed joints) 防止被联接件滑移 （1）普通螺栓联接(common bolt joints)f 接缝面间的摩擦系数，表4-4。 i接缝界面数目(the number of joints)。 KS防滑系数（可靠性系数） KS=1.11.3 。靠拧紧的正压力(QP)产生摩擦力来平衡外载荷。不产生相对滑移(relative slippage):44强度条件： 设计公式： (conditon for strength)(design formula)分析：由上式可知

20、，当f=0.2,i=1,KS=1则QP=5R，说明这种联接螺栓直径大，且在冲击振动变载下工作极不可靠 为增加可靠性，减小直径，简化结构，提高承载能力可采用如下减载装置：45a)减载销(pin)b)减载套筒(bush)c)减载键(key)可采用如下减载装置(methods for reducing shearing load)：46（2）铰制孔螺栓联接防滑移 螺杆直接承受挤压和剪切来平衡外载荷R进行工作。(the shearing load is taken by the bolt shank) R 横向载荷（N）。 d0螺杆或孔的直径（mm）。Lmin 被联接件中受挤压孔壁的最小长度（mm）。

21、 螺栓许用剪应力，Mpa。 螺栓或被联接件中较弱者的许用挤压应力，Mpa。螺栓的剪切强度条件：螺栓与孔壁接触表面的挤压强度条件： (bolt joints by interference with a reamed hole)47铰制孔螺栓能承受较大的横向载荷，但被加工件孔壁加工精度较高，成本较高482、轴向载荷紧螺栓联接强度计算 (axially loaded prestressed joints) 工作特点：工作前拧紧，有QP ； 工作后加上工作载荷F (external load) ； 工作过程中载荷变化。 工作原理：靠螺杆抗拉强度平衡外载F。 解决问题： a) 保证安全可靠的工作，(p

22、reload) QP=？ b) 工作时螺栓总载荷， (sum load) Q=？ 分析： 图1，螺母未拧紧，螺栓螺母松驰状态。 图1螺母未拧紧49螺栓：拉b QP凸缘：压m QP拧紧预紧状态图2螺母已拧紧凸缘50加载F后 工作状态螺栓：继续拉凸缘：放松 QP残余预紧力 (residual pressingload) Q总拉力图3承载变形协调条件：51 作图单个紧螺栓联接受力变形图 （force-deformation relation） 从图线可看出，螺栓受工作载荷F时，螺栓总载荷： F 部分工作载荷。(partial external load) 设：材料变形在弹性极限内，力与变形成正比。

23、上图拧紧螺母时,螺栓与被联接件的力与变形 下图将上两图合并，并施加工作载荷F52由图可知，螺栓刚度(stiffness)： 被联接件刚度： 螺栓的相对刚度(relative stiffness)。 F 部分工作载荷 53对残余预紧力的要求，为保证受载后接合面联接的紧密性应使 。QP的取法: QP =（1.51.8）F 有密封要求。 QP =（0.20.6）F 一般联接，载荷稳定。 QP =（0.61.0）F 一般联接，载荷不稳定。 QPF 地脚螺栓联接。54讨论： ） 最不利的情况： ） 最理想的情况： ） 不允许的情况有缝隙存在：） 降低螺栓受力的措施： a) 必须采用刚度小螺栓（空心、加长

24、、细颈）。b) 加硬垫片或直接拧在凸缘上均可提高螺栓强度。 为联接紧密、不漏气，要求： 555）计算时可根据已知条件选择其一进行计算：a）轴向静力紧螺栓联接强度计算 静力F不变，Q为静力b）轴向变载荷紧螺栓联接强度计算 螺栓总载荷：由QpQ QP 工作载荷：由 0F0 强度条件： 验算用设计用部分载荷，由0F0 56轴向变载荷紧螺栓联接强度计算 min=c 对于变载荷的紧螺栓联接，不仅要验算最大应力，还要验算循环应力幅。最大拉应力： 循环应力幅： 57c) 当验算不满足时措施：2) 改善结构、降低应力集中。包括工艺、结构、制造如： CmCb。1)58三、螺栓材料与许用应力计算(Bolt Mat

25、erials and Allowed Stress ) 1、材料(Bolt Materials )：表和表47。 螺母、螺栓强度级别： 1）根据机械性能把栓、母分级并以数字表示，此为强度级别。 2）所依据机械性能为抗拉强度极限Bmin和屈服极限Smin 。注意：选择螺母的强度级别应低于螺栓材料的强度级别； 螺母的硬度稍低于螺栓的硬度。（均低于2040HB）。 螺栓级别: 带点数字表示 点前数字为：点后数字为：螺母级别: 592、许用应力(Allowed Stress ) 许用拉应力： 许用剪切应力： 许用挤压应力： 钢 铸铁 60 不控制QP的紧螺栓联接，易过载，设计时应取较大的安全系数；控制

26、预紧力时可取较小的安全系数。 n，与d 有关 设计时，先假设d，进行试算，选取一安全系数进行计算，计算结果与估计直径相比较，如在原先估计直径所属范围内即可，否则需重新进行估算。 试算法6145 螺栓组联接的设计与受力分析 工程中螺栓皆成组使用，单个使用极少。因此，必须研究栓组设计和受力分析。它是单个螺栓计算基础和前提条件。螺栓组联接设计：选布局定数目力分析设计尺寸。 一、结构设计原则 1、布局要尽量对称分布，螺栓组中心与联接结合面形心重合（有利于分度、划线、钻孔），以受力均匀。(Design and Load Analysis of A Group Joints)622、受剪螺栓组（铰制孔螺栓

27、联接）时，不要在外载作用方向布置8个以上，以免螺栓受力太不均匀；但弯扭作用螺栓组，要适当靠接缝边缘布局，否则受力不均。 3、合理间距，适当边距，以利用扳手装拆。63 4、避免偏心载荷(eccentric loading)作用 a）被联接件支承面不平突起 b）表面与孔不垂直 c）钩头螺栓联接64防偏载措施：a）凸合；b）凹坑（鱼眼坑）；c）斜垫片 65假设： 被联接件不变形，为刚性，只有地基变形。 各螺栓材料、尺寸、拧紧力均相同。 受力后材料变形（应变）在弹性范围内。 接合面形心与螺栓组形心重合，受力后其接缝面仍保持平面。1、受轴向载荷螺栓组联接 单个螺栓工作载荷为： F=P/Z P 轴向外载

28、Z 螺栓个数 二、螺栓组受力分析 求受力最大螺栓(the bolt resisting the heaviest load)的载荷强度计算如44。(A set of bolts carrying loads whose resultant is perpendicular to the contact surface and passes through its center of gravity.)662、受横向载荷的螺栓组联接特点：普通螺栓，铰制孔用螺栓皆可用，防滑； 外载垂直于螺栓轴线。普 通 螺 栓 受拉伸作用。铰制孔螺栓受横向载荷剪切、挤压作用。单个螺栓所承受的横向载荷相等 ： R=

29、R/Z 。强度计算如44(A set of bolts resisting a shearing force acting in the plane of the joint along its axis of symmetry.)67a) 普通螺栓联接 则各个螺栓所需的预紧力为:联接件不产生相对滑动的条件为：3、受扭矩螺栓组联接传力方式与受横向载荷的螺栓组相同 A set bolts carrying design torque acting in the plane of the joint.(common bolt joints )68b) 铰制孔螺栓联接组 由变形协调条件可知，各个螺栓

30、的变形量和受力大小与其中心到接合面形心的距离成正比:由被联接件力矩平衡：(bolt joints by interference with a reamed hole)69特点： 倾覆力矩M在铅直平面 内，底座有绕O-O倾转 趋势，取板为受力对象， 由静平衡条件： 4、受倾覆（纵向）力矩螺栓组联接 Fi 第i个螺栓受到底座的轴向力。Li 第i个螺栓到螺栓组对称轴线距离。A set bolts carrying overturn torque70 螺栓杆不拉断的条件 设计公式： 验算公式： 接合面右侧不压溃条件 QP作用下接合面的挤压应力： M作用下接合面的挤压应力： 71 接合面左侧(A)不开

31、缝的条件 总设计思路：螺栓组结构设计（布局、数目）螺栓组受力分析（载荷类型、状态、形式）求单个螺栓的最大工作载荷（判断哪个最大）按最大载荷的单个螺栓设计（求d1标准）全组采用同样尺寸螺栓（互换目的）Structure DesignLoad AnalysisFind The Heaviest LoadDesign The Bolt Resisting The Heaviest Load.all bolts in a joint take the same diameter7246 提高螺栓联接强度的措施影响联接强度的因素很多，如材料、结构、尺寸、工艺、螺纹牙间、载荷分布、应力幅度、机械性能，而螺

32、栓联接的强度又主要取决于螺栓的强度。 一、改善螺纹牙间载荷分布不均状况(Asymmetrical Load Distribution) 工作中螺栓牙抗拉伸长，螺母牙受压缩短，伸与缩的螺距变化差以紧靠支承面处第一圈为最大，应变、应力最大，其余各圈依次递减。采用圈数过多的加厚螺母，并不能提高联接的强度。 Measures for Enhancement of Screws Strength73措施：降低刚性，使螺栓或螺母易变形、增加协调性以缓和矛盾。 使螺母也受拉，与螺栓变形一致使螺母内缘下端局部受拉将螺母下端受力大的几圈螺纹处制成的斜角,使螺纹牙的载荷向上转移兼有b)和c)的作用二、降低螺栓应力

33、幅 Reduce Bolt Stress Amplitude1、降低螺栓刚性(reduce bolt stiffness) 74抗疲劳强度得到提高，可用竖心杆、细长杆、柔性螺栓联接 前提：Qp、F、m不变752、增大凸缘刚度(enhance joints stiffness) 措施：采用高硬度垫片或直接拧在铸铁被联接件表面上； 密封要求采用密封元件。 抗疲劳强度得到提高。分析：763、同时使用Cb,Cm同时适当增加QP理想方法 抗疲劳强度得到提高。分析：77三、减小应力集中的影响(Reduce Stress-concentration Influence)1）加大过渡处圆角(图1) 2）卸载槽

34、，(图2) 3）卸载过渡结构。（图3） 4）改用退刀槽78四、采用合理的制造工艺 1、用挤压法（滚压法）制造螺栓，疲劳强度提高3040% 。 2、冷作硬化，表层有残余应力（压）、氰化、氮化、喷丸等可提高疲劳强度。3、热处理后再进行滚压螺纹，效果更佳，强度提高70100 %，此法具有优质、高产、低消耗功能。4、控制单个螺距误差和螺距累积误差。(Reasonable Manufacture Technics)7947 螺旋传动一、螺旋传动的类型、特点与应用 1、应用 螺旋传动是利用螺杆和螺母组成的螺旋副来实现传动要求的。它主要用于将回转运动变为直线运动或将直线运动变为回转运动，同时传递运动或动力。

35、 (Power Screws) Power Screw are designed to convert rotary motion to linear motion or convert linear motion to rotary motion, and to exert the necessary force to move a machine element along a desired path. They use the principle of a screw thread and its mating nut.802、传动形式： a) 螺杆转螺母移 (screw rotate

36、s while nut translates) b) 螺杆又转又移（螺母固定nut is fixed）用得多 c) 螺母转螺杆移(nut rotates while screw translates) d) 螺母又转又移（螺杆固定screw is fixed）用得少 81 按用途分三类： 1）传力螺旋(power screw to produce force) 举重器、千斤顶、加压螺旋。 特点：低速、间歇工作，传递轴向力大、自锁。 2）传导螺旋(power screw to produce motion) 机床进给丝杠。 特点：速度高、连续工作、精度高。 3）调整螺旋(power screw to adjustment) 机床、仪器及测试装置中的微调螺旋。 特点：是受力较小且不经常转动。 3、螺旋传动类型82