(整理)第5章-螺纹连接

1、精品文档第五章螺纹联接51螺纹（一）螺纹的形成螺旋线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。螺纹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。（二）螺纹的类型及应用1、螺纹的分类：按螺纹的牙型分：三角形螺纹、矩形螺纹、梯形螺纹、锯齿形螺纹（如下图）30三角形螺纹矩形螺纹、梯形螺纹锯齿形螺纹按螺纹的旋向分：左旋、右旋按螺旋线的根数分：单头、多头（不超过4头）按回转体的内外表面分：内螺纹、外螺纹（内外螺纹组成螺旋副）按螺旋的作用分：联接螺纹、传动螺纹按母体形状分：圆柱螺纹、圆锥螺纹2、各种螺纹的特点：按螺旋的作用分类来介绍。1）联接螺纹：普通三

2、角形螺纹：牙型为等边三角形，牙型角a=60，同一公称直径下有粗牙及细牙。细牙的p小，屮小,自锁性好；但牙浅不耐磨，易滑扣。故：一般联接使用粗牙，变载荷、薄壁件用细牙。管螺纹：用于管子联接的三角形螺纹，牙型为等边三角形，牙型角a=55。根据其密封性能，可将其分为密封管螺纹和非密封管螺纹。密封管螺纹的螺纹牙分布在圆锥体上，其螺旋副具有密封和机械联接两种功能；非密封管螺的螺纹牙分布在圆柱体上，螺旋副仅具有机械联接一种功能。2）传动螺纹：矩形螺纹：牙型角a=0，其传动效率较其它螺纹高，但牙根强度弱，螺旋副磨损后，间隙难以修复和补偿，传动精度降低。矩形螺纹尚未标准化，已逐渐被梯形螺纹代替。梯形螺纹：牙型

3、角a=30,内外螺纹以锥面贴紧不易松动。与矩形螺纹相比，传动效率略低，但工艺性好，牙根强度高，对中性好。如用剖分螺母，还可以调整间隙。梯形螺纹是最常用的传动螺纹。锯齿形螺纹：牙型为不等腰梯形，工作面的牙侧角为3，非工作面的牙侧角为30，外螺纹牙形螺纹传动效率高、梯形螺纹牙根强度高的特点，但只能用于单向受力的螺纹联接或螺旋传动中,根有较大的圆角,以减小应力集中。内、外螺纹旋合后，大径处无间隙，便于对中。这种螺纹兼有矩图5-1如螺旋压力机。三）螺纹主要参数以三角形外螺纹（图5-1）为例说明。主要几何参数如下大径d即螺纹的公称直径。如M20d=20mm小径q螺纹的最小直径，常用于联接的强度计算。中径

4、d2齿厚=齿槽宽处直径，线数n螺纹的螺旋线数目。螺距P螺纹相邻两个牙型上对应点间的轴向距离。导程S螺纹上任一点沿同一条螺旋线转一周所移动的轴向距离，S=nP。螺纹升角屮一螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面间的夹角。nP屮=arctan=arctan一兀d兀d22牙型角L螺纹轴向截面内，螺纹牙型两侧边的夹角。52螺纹联接的类型和标准联接件（一）螺纹联接的基本类型1、螺栓联接1）普通螺栓联接：被联接件的通孔与普通螺栓的杆部之间留有一定的间隙。通孔的加工精度要求较低，结构简单，装拆方便，应用十分广泛。螺栓孔的直径大约是螺栓公称直径的1.1倍。2）绞制孔螺栓联接：铰制孔用螺栓联接（也称配合螺栓联接）的

5、被联接件通孔与螺栓的杆部之间多采用基孔制过渡配合，螺栓能精确固定被联接件的相对位置，并能承受横向载荷。工而成，联接也因此得名。2、双头螺柱联接使用于结构上不能采用螺栓联接的场合，例如，被联接件之一太厚不宜制成通孔，材料又比较软，且需要经常拆卸的场合。3、螺钉联接螺钉直接拧入被联接件的螺纹孔中，不必用螺母，结构简单紧凑。当要经常拆卸时，易使螺纹孔磨损，导致被联接件报废，故多用于受力不大，不许经常拆卸的场合。4、紧定螺钉联接紧定螺钉联接是利用拧入的螺钉末端顶住另一零件的表面或顶入相应的凹坑中，以固定两个零件的相对位置，并可同时传递不太大的力或力矩。（二）螺纹紧固件机械制造中常用的螺纹联接件有：螺栓

6、、双头螺栓、螺钉、螺母和垫圈（表5-2）。这些零件的结构和尺寸均已标准化，设计时根据有关标准选用。53螺纹联接的预紧预紧力：大多数螺纹联接在装配时都需要拧紧，使之在承受工作载荷之前，预先受到力的作用，这个预加作用力称为预紧力，用F0表示。预紧的目的：在于增强联接的紧密性，防止受载后出现间隙及滑动。预紧力大小：不应超过其材料屈服极限的80%,一般联接的预紧力：（碳素钢螺栓）%（合金钢螺栓）预紧力矩：T=T1+T2片螺纹副间的摩擦力矩：T=F冬tan（y+申）-1102v1D3d3乙螺母支承面间的摩擦阻力矩：T=fF0亠223c0D2d200屮螺纹导程角，Q螺旋副的当量摩擦角，f端面摩擦系数，d螺

7、栓孔直径，D螺母环形支撑面外Vc00径。将一些已知条件代入，整理后的简化公式：T0.2Fd（d螺纹公称直径）控制预紧力矩的方法：TfF0f拉断、滑扣；T；不能满足工作要求，故需控制T的大小。方法如下：一般情况凭经验，拧紧即可；测力矩扳手；定力矩扳手；测量螺栓伸长量。54螺纹联接的防松松动原因：螺纹联接一般都能满足自锁条件，但在振动或变载荷作用下，螺纹联接中的预紧力和摩擦力会减小或瞬时消失，导致联接失效。为保证联接安全可靠，设计时必须采取有效的防松措施。放松方法：按放松原理不同，分为三类：1）摩擦放松如弹簧垫圈、对顶螺母等；2）机械放松（直接锁住）如开口销、槽形螺母等。3）破坏螺纹副关系（不可拆

8、卸）如胶接、焊接等5-5螺栓联接的强度计算螺栓联接中，螺栓、螺母、垫片均按等强度设计，故只要保证螺栓强度即可。螺栓的失效形式：受拉螺栓：主要是疲劳断裂（90%），断裂位置发生在尺寸有突变的地方（螺纹根部85%，螺杆头与光杆部15%）。受剪螺栓：剪断，压溃螺栓组的强度计算：通过受力分析找到受力最大的螺栓，然后再按下面介绍的方法进行强度计算。（一）松螺栓联接强度计算例如起重滑轮螺栓，仅受轴向工作拉力F作用。强度条件：二-兀d2/417I4F1屈d1危险截面计算直径；2螺栓材料的许用应力，（二）紧螺栓联接强度计算1、只受预紧力F0的紧螺栓联接只受预紧力的情况：以图5-15的螺栓联接为研究对象。这种情

9、况，工作载荷施加前后螺栓的受力不改变，仍然是预紧力。强度条件：螺栓受轴向力（预紧力F0）和拧紧力矩，产生轴向拉伸应力和剪应力。兀，其中拉应力：=-Id2041剪应力：T=1-=WFtg（屮+申）o2v兀d316F0兀d24dtg屮+tg申2vd1-tg屮tg申沁0.5c图515M10M64普通螺纹钢制螺栓,tg申=0.17,tg屮=0.05，vd/d=1.041.08）21根据第四强度理论得到的计算应力为：c=g2+3t2=、Q2+3X（0.5g）2沁1.3cca1.3Fr5-14a)于是，只受预紧力的紧螺栓联接的强度条件为：=oJca兀d24i螺栓小径为：di二”耳咅卜5-14b)预紧力的确

10、定：在图5-15的情况下，F0的大小应能保证板不滑移:F0f=CF或Fo二CF/f(5-14c)式中：f为接触面的摩擦系数（f=0.10.15）,C为可靠性系数（C=1.11.3）讨论：由5-14c，当f=0.1,C=1.2时，F0=12F,这表明需要很大的预紧力，这将导致螺栓尺寸很大。为此采取下列措施减载：如图514的减载零件，或采用铰制孔螺栓（即受剪螺栓）。2、受预紧力F0和工作载荷F的紧螺栓联接受预紧力F0和工作载荷F的情况：典型的受力模型如图5-24。1）静强度计算静强度条件：设流体压强为p，螺栓数目为乙则缸体周围每个螺栓的p兀D2/4平均载荷，即工作载荷为：F=z-Z设螺栓受到的总拉

11、力为f2（MF0+F）,同理，考虑扭转作用，强度条件1.3Fr1为：=2=F其他情况：如有滑动趋势的接合面，要按不滑动条件确定2）疲劳强度校核：对重要的联接，如内燃机的汽缸盖，还应作疲劳强度校核。对变载荷，当工作拉力在0F之间变化时，螺栓的总拉力将在F0F2之间变化，如图517。FFC=0,C=2minnmaxnd2d24141a22AC+Cnd2图5-17c-cAFC2FCmaxminbb疲劳强度校核条件：Sca2c+(K-V21tccmin(K+屮)(2c+c)ccaminS（各符号含义见教科书）3、承受工作剪力的紧螺栓联接图5-18示为受剪螺栓（即铰制孔螺栓），螺栓杆与孔壁间无间隙，螺栓

12、杆受剪切和挤压作用，失效形式为剪断和压溃。fr1挤压强度条件：c=pdLp0min剪切强度条件：=KT01020zsKTFsfii=1(2)铰制孔用螺栓联接(5-23b)：靠螺栓的剪切和螺栓与孔壁的挤压作用来抵抗转矩T。FF半径越大受力越大：rmaxmax=力的平衡条件：EFr=Tiii=1受力最大螺栓的工作剪力：FmaxTrmaxfr2ii=13、受轴向载荷的螺栓组联接若作用在螺栓组上轴向总载荷平行，并通过螺栓组的对称中心，则各个螺栓受载相同，每个作用线与螺栓轴线Dx螺栓所受轴向工作载荷为：F=乍4.、受倾覆力矩的螺栓组联接受倾覆力矩作用的两个阶段：底板在承受倾覆力矩之前，螺栓已拧紧并承受预

13、紧力F0倾覆力矩M作用在底板接合面的对称面内(图5-25b),(图5-25a)；使其绕O-O倾转一个角度，从而在O-O左侧，螺栓被进一步拉伸，地基被放松；在O-O右侧，螺栓被进放松，地基被进一步压缩。将此刻左右螺栓作用在底板的力标在图5-25c的底板上方，地基的应力标在底板下方。二个阶段的受力分析：可借助受力变形图（图5-26）。（1）底板在承受倾覆力矩之前，螺栓和图5-25地基均受预紧力F,工作点在A点；（2）倾覆力矩M作用后：左侧：螺栓被进一步拉伸，工作点在B点，载荷为F2；地基被放松，工作点在C点，载荷为片；右侧：螺栓被放松，工作点在B2点，载荷为耳；22m地基被进一步压紧，工作点在点，

14、载荷为耳；21m螺栓的强度计算：显然应按左边来计算。由前推导：CF-F+bF20C+Cbm故须先求出螺栓的工作载荷F。由于有多个螺栓，应求最大的。设F及F.分别是M作用后螺栓的最大工作载荷及第i颗螺栓的工作载荷。因螺栓处的工作载荷等效于maxiM作用效果，从而可求出工作载荷：MFL（5-30a）iii=1FFTOC o 1-5 h z由于螺栓受力与距O-O的距离（图5-25d）成正比，故：-max=L（5-30b）_J_JmaxiML联立5-30a、b得：F=max。从而可求出最大螺栓拉力F2，作为强度计算的依据。maxZ2maxL2ii=1地基的校核：为防止结合面受压最大处被压碎或受压最小处

15、出现间隙，要求：TOC o 1-5 h zG=G+Ag0PminPPmaxZFMC其中：G=亠，代表预紧力产生的挤压应力；Ag=（b），代表M产生的附加挤PAPmaxWC+Cbm压应力之最大值。57螺纹联接的材料及许用应力（一）螺纹联接件材料常用的螺纹联接件材料为Q215、Q235、35、45等碳素钢。当强度要求高时，还可采用合金钢，如15Cr、40Cr等。普通垫片用Q235，15钢，弹簧垫片用65Mn钢。国家标准规定了螺纹联接件的性能等级。螺栓、螺柱、螺钉的性能等级分为10级，从3.6到12.9（表58），螺母的性能等级分为7级，从4到12（表59）。螺栓、螺柱、螺钉的性能等级的含义：小数点

16、前的数等于OB/100,小数点后的数等于10OS/OB。BSB在一般用途的设计中，通常选用4.8级左右的螺栓，在重要的或有特殊要求设计中的螺纹联接件，要选用高的性能等级，如在压力容器中常采用8.8级的螺栓。二）螺纹联接件的许用应力许用拉应力Q1，S许用剪应力WS（钢）Q计PSP铸铁）T许用挤压应力Q-sPSP公式中的安全系数由表510确定。58提高螺纹联接强度的措施1、改善螺纹牙间受力分配用加高a）悬置螺母b）内斜螺母c）环槽螺母图5-31图5-32图5-31:螺栓受拉，螺母受压。第一圈受力最大，第810圈后几乎不受力，且各圈受力不均。.采用加高螺母不能提高联接强度。措施：图5-31：采用受拉螺母（变形一致）减小螺栓螺母螺距变化差，如悬置螺母、内斜螺母、环槽螺母等。2、减小附加弯曲应力引起附加弯曲应力因素：螺纹孔不正、被联件表面不平、螺栓受偏心载荷作用，被联接件刚度不足等因素。措施（图5-33）：垫圈、凸台、沉孔等。8）采用球面垫圈b）采用斜垫圏C）采用凸台T）采用沉头座e）采用环腰5333、减轻应力集中产