工学第5章螺纹联接和螺旋传动课件

第五章螺纹联接和螺旋传动§5－1螺纹§5－2螺纹联接的类型及标准联接件§5－3螺纹联接的预紧§5－5螺栓组联接的设计§5－7螺栓的材料和许用应力§5－8提高螺栓联接强度的措施§5－9螺旋传动§5－4螺纹联接的防松§5－6单个螺栓联接的强度计算第五章螺纹联接和螺旋传动§5－1螺纹§5－2螺纹联接的1一、螺纹的形成§5－1螺纹二、螺纹的分类按螺纹的牙型分螺纹的分类按螺纹的旋向分按螺旋线的根数分按回转体的内外表面分按螺旋的作用分按母体形状分矩形螺纹三角形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹右旋螺纹左旋螺纹单线螺纹多线螺纹外螺纹内螺纹联接螺纹传动螺纹圆柱螺纹圆锥螺纹一、螺纹的形成§5－1螺纹二、螺纹的分类按螺纹的牙型分2(3)中径d2d1d2d(1)大径d(2)小径d1(4)螺距P(5)导程SS=nP三、螺纹的主要几何参数SPP/2P/2(6)螺纹线数n(7)螺纹升角ψ(8)牙型角

α(9)接触高度

h(10)旋向(3)中径d2d1d2d(1)大径d(2)小径d1(4)螺距3§5－2螺纹联接的类型及标准联接件一、

螺纹联接的基本类型螺栓联接：基本类型铰制孔用螺栓

受拉螺栓(普通)螺钉联接：双头螺柱联接：

紧定螺钉联接§5－2螺纹联接的类型及标准联接件一、螺纹联接的基本类4螺纹紧固件垫圈螺母螺钉、紧定螺钉双头螺柱螺栓专用螺纹联接二、螺纹紧固件螺纹紧固件垫圈螺母螺钉、紧定螺钉双头螺柱螺栓专用螺纹联接5§5－3螺纹联接的预紧预紧力：预紧的目的：增强联接的可靠性和紧密性，防止受载后被联接件间出现缝隙或发生相对移动。一、概述二、拧紧力矩简化公式，适用于M10~M60的粗牙螺纹。T≈0.2F0d三、预紧力控制方法:(1)凭手感经验(2)测力矩扳手(3)定力矩扳手(4)测定伸长量§5－3螺纹联接的预紧预紧力：预紧的目的：增强联接的可靠性6尼龙圈锁紧螺母防松的方法(或：防松原理)：1.利用附加摩擦力防松弹簧垫圈对顶螺母§5－4螺纹联接的防松防松——防止螺旋副相对转动。冲点防松法2.其它方法防松1~1.5P用冲头冲2至3点粘合法防松涂粘合剂尼龙圈锁紧螺母防松的方法(或：防松原理)：1.利用附加摩7开口销与六角开槽螺母串联钢丝3.采用专门防松元件防松圆螺母用止退垫圈止动垫圈开口销与六串联钢丝3.采用专门防松元件防松圆螺母用止退垫圈8§5－5螺栓组联接的设计在设计螺栓组联接时，关键是联接的结构设计。根据被联接件的结构和联接的用途，确定螺栓数目和分布形式。▲联接接合面几何形状设计成一、螺栓组联接的结构设计基本原则：轴对称的简单几何形状▲螺栓布置应使各螺栓的受力合理▲螺栓的排列应有合理的间距、边距，以保证扳手空间▲为了便于在圆周上钻孔时的分度和画线，通常分布在同一圆周上的螺栓数目取成4、6、8等偶数。▲同一螺栓组中的螺栓的材料、直径、长度应相同▲避免螺栓承受附加的弯曲载荷§5－5螺栓组联接的设计在设计螺栓组联接时，关键是9二、螺栓组联接的受力分析受力分析的目的:根据联接的结构和受载情况，找出受力最大的螺栓并求出其所受的力，以便进行单个螺栓联接的强度计算。受力分析时所作假设:(1)所有螺栓的材料、直径、长度和预紧力均相同；(3)受载后联接接合面仍保持为平面。受力分析的类型：(2)螺栓组的对称中心与联接接合面的形心重合；受转矩受横向载荷受轴向载荷受倾覆力矩M二、螺栓组联接的受力分析受力分析的目的:根据联接的结10（1）对于铰制孔用螺栓联接，每个螺栓所受工作剪力为式中z为螺栓数目。1．受横向载荷的螺栓组联接铰制孔用螺栓

F∑F∑F∑F∑

（1）对于铰制孔用螺栓联接，每个螺栓所受工作剪力为式中z为螺11（2）普通螺栓，当承受横向工作载荷时，预紧力F0导致接合面所产生的摩擦力应大于横向载荷F。KS

——可靠性系数，常取KS=1.1~1.3预紧力F0

f——摩擦系数i——结合面数FFF0F0

F∑F∑F∑F∑

普通螺栓（2）普通螺栓，当承受横向工作载荷时，KS——可靠性系数，12潘存云教授研制TO潘存云教授研制O2．受转矩的螺栓组联接采用普通螺栓，是靠联接预紧后在接合面间产生的摩擦力矩来抵抗转矩T。采用铰制孔用螺栓，是靠螺栓的剪切和螺栓与孔壁的挤压作用来抵抗转矩T。TrmaxFmaxr1fF0fF0r2riFi潘存云教授研制TO潘存云教授研制O2．受转矩的螺栓组联接133．受轴向载荷的螺栓组联接若作用在螺栓组上轴向总载荷FΣ作用线与螺栓轴线平行，并通过螺栓组的对称中心，则各个螺栓受载相同，每个螺栓所受轴向工作载荷为通常，各个螺栓还承受预紧力F0的作用，当联接要有保证的残余预紧力为F1时，每个螺栓所承受的总载荷F2为F2=F1+FDpF∑FF作用在缸体上的总载荷为3．受轴向载荷的螺栓组联接若作用在螺栓组上轴向总载荷FΣ14加预紧力后→螺栓受拉伸长λb→被联接件受压缩短λm加载F

后:螺栓总伸长量增加为总拉力为被联接件压缩量减少为

残余预紧力减少为F1

很显然F1<F0被联接件放松了∆λ+λbλm-∆λ松弛状态预紧状态F0F0F0F0λbλm受载变形F1F1FF∆λ∆λ

F2F2F2=F+F1加预紧力后→被联接件受压缩短λm加载F后:螺栓总伸长量增15λb∆λ被联接件变形力螺栓变形力∆Fb∆Fm变形力F2F1FF0F0F0λbarctanCbarctanCmλmλm螺栓刚度：被联接件刚度：Cb＝tanθb：Cm＝tanθm：螺栓相对刚度系数Cb+CmCbF2=F0+FCb+CmCbF1=F0

–F

1-λb∆λ被联接件变形力螺栓变形力∆Fb∆Fm变形力F2F1F16§5－6单个螺栓联接的强度计算螺栓联接的主要失效形式滑扣

受拉螺栓塑性变形：疲劳断裂：受剪螺栓

剪断压溃：螺杆和孔壁的贴合面经常拆卸：轴向变载荷断裂螺纹部分§5－6单个螺栓联接的强度计算螺栓联接的主要失效形式滑扣17一、松螺栓联接强度计算强度条件式中：d1——螺纹小径mm，

[σ]——许用应力FaFa设计公式二、紧螺栓联接强度计算1.仅承受预紧力的紧螺栓联接2.承受预紧力和工作拉力的紧螺栓联接3.承受工作剪力的紧螺栓联接一、松螺栓联接强度计算强度条件式中：d1——螺纹小径181.仅承受预紧力的紧螺栓联接对于M10~M64普通螺纹的钢制紧螺栓联接，在拧紧时，虽然同时承受拉伸和转矩的联合作用，但在计算时，可以只考虑拉伸强度计算，并将预紧力增大30%来考虑转矩的影响。强度条件2.受预紧力和工作拉力的紧螺栓联接DpFF静强度条件设计公式1.仅承受预紧力的紧螺栓联接对于M10~19重要场合的螺栓联接，还应进行疲劳强度校核。当工作拉力在0~F之间变化时，F2

F0

θm

θbF若不考虑摩擦力矩的影响，有螺栓所受总拉力在F0

~F2之间变化。重要场合的螺栓联接，还应进行疲劳强度校核。当工作拉力在0~F20DI因为σmin=const,应力工作点M落在ODGI区域内，依据疲劳强度理论有其中σ-1tc——螺栓材料的对称循环拉压疲劳极限。疲劳极限σ-1

σ-1tc10160~220120~150Q215170~220120~16035220~300170~22045250~340190~25040Cr320~440240~340材料Ψσ——材料特性系数碳素钢ψσ

=0.1~0.2合金钢ψσ

=0.3~0.3σminσ-1eσ-1σaσmOCAσSGMM’3Kσ

——综合影响系数S

——安全系数DI因为σmin=const,应力工作点M落在21

3．承受工作剪力的紧螺栓联接螺栓杆与孔壁的挤压强度条件为螺栓杆的剪切强度条件为F——螺栓所受的工作剪力，单位N；Lmin铰制孔用螺栓FFd0设计时应使Lmin≥1.25d0d0——螺栓剪切面的直径(可取被联接件孔直径)，单位mm；Lmin——螺栓杆与孔壁挤压面的最小高度，单位为mm。3．承受工作剪力的紧螺栓联接螺栓杆与孔壁的挤压强度条件为22§5－7螺栓的材料和许用应力一、螺纹联接件材料螺栓、螺柱、螺钉常用材料：Q215、Q235、35、45等碳素钢；特殊用途(防磁、导电):特殊钢、铜合金、铝合金等。螺栓、螺柱、螺钉的性能等级分为10级。3.6，4.6，4.8，5.6，5.8，6.8，8.8，9.8，10.9，12.9冲击振动场合用：15Cr、40Cr、30CrMnSi等合金钢。普通垫圈：Q235、15、35，弹簧垫圈：65Mn螺母的性能等级分为7级：4，5，6，8，9，10，12选用原则：一般用途：通常选用4.8级左右的螺栓，重要场合：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。§5－7螺栓的材料和许用应力一、螺纹联接件材料螺栓、螺柱、23二、螺纹联接件的许用应力螺纹联接件的许用应力与载荷性质(静、变载荷)、装配情况(松、紧联接)、材料、结构尺寸有关。许用拉应力许用剪切应力和挤压应力被联接件为钢被联接件为铸铁Sτ,Sp——安全系数，其取值详见表5－10。二、螺纹联接件的许用应力螺纹联接件的许用应力与载荷24§5－8提高螺栓联接强度的措施承受轴向变载荷时，螺栓的损坏形式：疲劳断裂容易断裂部位：一、降低螺栓总拉伸载荷F2的变化范围轴向工作载荷F的变化范围0~FCb+CmCbF0~F0+F总拉伸载荷的F2变化范围

Cb

↓

或

Cm

↑→F2变化范围∆F

↓65%20%15%§5－8提高螺栓联接强度的措施承受轴向变载荷时，螺栓的损坏25F0

θm

θb措施一：降低螺栓刚度（

C’b＜Cb,θ’b

＜θb

）∆FFF1

F2

虽然F’=F但有∆F’＜∆F强调残余预紧力减小F’2F’

∆F’F’1

θ’b

F0

θm

θb∆FFF1

F2

措施二：提高被联接件刚度（C’m＞Cm,θ’m

＞θm

）

∆F’＜∆F强调残余预紧力减小F’=FF’2F’∆F’

F’1θ’m

F0

θb∆FFF1

F2

θm

∆F’＜∆F措施三：综合措施（

C’b

＜Cb,C’m

＞Cm,F’0

＞F0

）θ’

bF’0θm

F’=F，F’1

=F1F’F’1∆F’F0θmθb措施一：降低螺栓刚度（C’b＜Cb,26

普通螺母二、改善螺纹牙间的载荷分布措施:

采用均载螺母加厚螺母不能提高联接强度！加厚螺母螺栓杆螺栓杆F螺栓杆F均载螺母均载原理螺母体螺母体螺栓杆螺母体螺栓杆FaF5/2F4/2F3/2F2/2F1/2F5/2F4/2F3/2F2/2F1/2螺母体螺栓杆FF=F1+F2+F3+F4+F5F1＞F2＞F3＞F4＞F5普通螺母二、改善螺纹牙间的载荷分布措施:采用均载螺母加厚2710~15˚悬置螺母环槽螺母内斜螺母10~15˚内斜与环槽螺母均载原理相同→螺母也受拉力的作用点外移，使载荷上移。均载元件悬置螺母环槽螺母内斜螺母：内斜螺与环槽螺母→加工复杂，仅限于用在重要场合或大型联接。10~15˚悬置螺母环槽螺母内斜螺母10~15˚内斜与环槽螺28采用凸台或沉孔结构

三、减小应力集中1.增大过渡圆角2.切制卸载槽r四、避免或减小附加应力3.卸载过渡结构要从结构、制造与装配精度采取措施。切削加工支承面采用凸台或沉孔结构三、减小应力集中1.增大过渡圆角2.切制29五、采用特殊制造工艺冷镦头部、辗压螺纹疲劳强度提高30%表面处理：氰化、氮化也能提高疲劳强度。五、采用特殊制造工艺冷镦头部、辗压螺纹疲劳强度提高30%表面30一、螺旋传动的类型和应用调整螺旋静压螺旋类型运动形式有§5－9螺旋传动螺母固定，螺杆转动并移动螺旋传动是利用螺杆和螺母组成的螺旋副来实现传动的。作用：回转运动直线运动，同时传递动力。螺杆转动，螺母移动刀架

按用途分传力螺旋传导螺旋滑动螺旋滚动螺旋按摩擦性质分→传递动力→传递运动,要求精度高→调整相对位置一、螺旋传动的类型和应用调整螺旋静压螺旋类运动形式有§5－931第五章螺纹联接和螺旋传动§5－1螺纹§5－2螺纹联接的类型及标准联接件§5－3螺纹联接的预紧§5－5螺栓组联接的设计§5－7螺栓的材料和许用应力§5－8提高螺栓联接强度的措施§5－9螺旋传动§5－4螺纹联接的防松§5－6单个螺栓联接的强度计算第五章螺纹联接和螺旋传动§5－1螺纹§5－2螺纹联接的32一、螺纹的形成§5－1螺纹二、螺纹的分类按螺纹的牙型分螺纹的分类按螺纹的旋向分按螺旋线的根数分按回转体的内外表面分按螺旋的作用分按母体形状分矩形螺纹三角形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹右旋螺纹左旋螺纹单线螺纹多线螺纹外螺纹内螺纹联接螺纹传动螺纹圆柱螺纹圆锥螺纹一、螺纹的形成§5－1螺纹二、螺纹的分类按螺纹的牙型分33(3)中径d2d1d2d(1)大径d(2)小径d1(4)螺距P(5)导程SS=nP三、螺纹的主要几何参数SPP/2P/2(6)螺纹线数n(7)螺纹升角ψ(8)牙型角

α(9)接触高度

h(10)旋向(3)中径d2d1d2d(1)大径d(2)小径d1(4)螺距34§5－2螺纹联接的类型及标准联接件一、

螺纹联接的基本类型螺栓联接：基本类型铰制孔用螺栓

受拉螺栓(普通)螺钉联接：双头螺柱联接：

紧定螺钉联接§5－2螺纹联接的类型及标准联接件一、螺纹联接的基本类35螺纹紧固件垫圈螺母螺钉、紧定螺钉双头螺柱螺栓专用螺纹联接二、螺纹紧固件螺纹紧固件垫圈螺母螺钉、紧定螺钉双头螺柱螺栓专用螺纹联接36§5－3螺纹联接的预紧预紧力：预紧的目的：增强联接的可靠性和紧密性，防止受载后被联接件间出现缝隙或发生相对移动。一、概述二、拧紧力矩简化公式，适用于M10~M60的粗牙螺纹。T≈0.2F0d三、预紧力控制方法:(1)凭手感经验(2)测力矩扳手(3)定力矩扳手(4)测定伸长量§5－3螺纹联接的预紧预紧力：预紧的目的：增强联接的可靠性37尼龙圈锁紧螺母防松的方法(或：防松原理)：1.利用附加摩擦力防松弹簧垫圈对顶螺母§5－4螺纹联接的防松防松——防止螺旋副相对转动。冲点防松法2.其它方法防松1~1.5P用冲头冲2至3点粘合法防松涂粘合剂尼龙圈锁紧螺母防松的方法(或：防松原理)：1.利用附加摩38开口销与六角开槽螺母串联钢丝3.采用专门防松元件防松圆螺母用止退垫圈止动垫圈开口销与六串联钢丝3.采用专门防松元件防松圆螺母用止退垫圈39§5－5螺栓组联接的设计在设计螺栓组联接时，关键是联接的结构设计。根据被联接件的结构和联接的用途，确定螺栓数目和分布形式。▲联接接合面几何形状设计成一、螺栓组联接的结构设计基本原则：轴对称的简单几何形状▲螺栓布置应使各螺栓的受力合理▲螺栓的排列应有合理的间距、边距，以保证扳手空间▲为了便于在圆周上钻孔时的分度和画线，通常分布在同一圆周上的螺栓数目取成4、6、8等偶数。▲同一螺栓组中的螺栓的材料、直径、长度应相同▲避免螺栓承受附加的弯曲载荷§5－5螺栓组联接的设计在设计螺栓组联接时，关键是40二、螺栓组联接的受力分析受力分析的目的:根据联接的结构和受载情况，找出受力最大的螺栓并求出其所受的力，以便进行单个螺栓联接的强度计算。受力分析时所作假设:(1)所有螺栓的材料、直径、长度和预紧力均相同；(3)受载后联接接合面仍保持为平面。受力分析的类型：(2)螺栓组的对称中心与联接接合面的形心重合；受转矩受横向载荷受轴向载荷受倾覆力矩M二、螺栓组联接的受力分析受力分析的目的:根据联接的结41（1）对于铰制孔用螺栓联接，每个螺栓所受工作剪力为式中z为螺栓数目。1．受横向载荷的螺栓组联接铰制孔用螺栓

F∑F∑F∑F∑

（1）对于铰制孔用螺栓联接，每个螺栓所受工作剪力为式中z为螺42（2）普通螺栓，当承受横向工作载荷时，预紧力F0导致接合面所产生的摩擦力应大于横向载荷F。KS

——可靠性系数，常取KS=1.1~1.3预紧力F0

f——摩擦系数i——结合面数FFF0F0

F∑F∑F∑F∑

普通螺栓（2）普通螺栓，当承受横向工作载荷时，KS——可靠性系数，43潘存云教授研制TO潘存云教授研制O2．受转矩的螺栓组联接采用普通螺栓，是靠联接预紧后在接合面间产生的摩擦力矩来抵抗转矩T。采用铰制孔用螺栓，是靠螺栓的剪切和螺栓与孔壁的挤压作用来抵抗转矩T。TrmaxFmaxr1fF0fF0r2riFi潘存云教授研制TO潘存云教授研制O2．受转矩的螺栓组联接443．受轴向载荷的螺栓组联接若作用在螺栓组上轴向总载荷FΣ作用线与螺栓轴线平行，并通过螺栓组的对称中心，则各个螺栓受载相同，每个螺栓所受轴向工作载荷为通常，各个螺栓还承受预紧力F0的作用，当联接要有保证的残余预紧力为F1时，每个螺栓所承受的总载荷F2为F2=F1+FDpF∑FF作用在缸体上的总载荷为3．受轴向载荷的螺栓组联接若作用在螺栓组上轴向总载荷FΣ45加预紧力后→螺栓受拉伸长λb→被联接件受压缩短λm加载F

后:螺栓总伸长量增加为总拉力为被联接件压缩量减少为

残余预紧力减少为F1

很显然F1<F0被联接件放松了∆λ+λbλm-∆λ松弛状态预紧状态F0F0F0F0λbλm受载变形F1F1FF∆λ∆λ

F2F2F2=F+F1加预紧力后→被联接件受压缩短λm加载F后:螺栓总伸长量增46λb∆λ被联接件变形力螺栓变形力∆Fb∆Fm变形力F2F1FF0F0F0λbarctanCbarctanCmλmλm螺栓刚度：被联接件刚度：Cb＝tanθb：Cm＝tanθm：螺栓相对刚度系数Cb+CmCbF2=F0+FCb+CmCbF1=F0

–F

1-λb∆λ被联接件变形力螺栓变形力∆Fb∆Fm变形力F2F1F47§5－6单个螺栓联接的强度计算螺栓联接的主要失效形式滑扣

受拉螺栓塑性变形：疲劳断裂：受剪螺栓

剪断压溃：螺杆和孔壁的贴合面经常拆卸：轴向变载荷断裂螺纹部分§5－6单个螺栓联接的强度计算螺栓联接的主要失效形式滑扣48一、松螺栓联接强度计算强度条件式中：d1——螺纹小径mm，

[σ]——许用应力FaFa设计公式二、紧螺栓联接强度计算1.仅承受预紧力的紧螺栓联接2.承受预紧力和工作拉力的紧螺栓联接3.承受工作剪力的紧螺栓联接一、松螺栓联接强度计算强度条件式中：d1——螺纹小径491.仅承受预紧力的紧螺栓联接对于M10~M64普通螺纹的钢制紧螺栓联接，在拧紧时，虽然同时承受拉伸和转矩的联合作用，但在计算时，可以只考虑拉伸强度计算，并将预紧力增大30%来考虑转矩的影响。强度条件2.受预紧力和工作拉力的紧螺栓联接DpFF静强度条件设计公式1.仅承受预紧力的紧螺栓联接对于M10~50重要场合的螺栓联接，还应进行疲劳强度校核。当工作拉力在0~F之间变化时，F2

F0

θm

θbF若不考虑摩擦力矩的影响，有螺栓所受总拉力在F0

~F2之间变化。重要场合的螺栓联接，还应进行疲劳强度校核。当工作拉力在0~F51DI因为σmin=const,应力工作点M落在ODGI区域内，依据疲劳强度理论有其中σ-1tc——螺栓材料的对称循环拉压疲劳极限。疲劳极限σ-1

σ-1tc10160~220120~150Q215170~220120~16035220~300170~22045250~340190~25040Cr320~440240~340材料Ψσ——材料特性系数碳素钢ψσ

=0.1~0.2合金钢ψσ

=0.3~0.3σminσ-1eσ-1σaσmOCAσSGMM’3Kσ

——综合影响系数S

——安全系数DI因为σmin=const,应力工作点M落在52

3．承受工作剪力的紧螺栓联接螺栓杆与孔壁的挤压强度条件为螺栓杆的剪切强度条件为F——螺栓所受的工作剪力，单位N；Lmin铰制孔用螺栓FFd0设计时应使Lmin≥1.25d0d0——螺栓剪切面的直径(可取被联接件孔直径)，单位mm；Lmin——螺栓杆与孔壁挤压面的最小高度，单位为mm。3．承受工作剪力的紧螺栓联接螺栓杆与孔壁的挤压强度条件为53§5－7螺栓的材料和许用应力一、螺纹联接件材料螺栓、螺柱、螺钉常用材料：Q215、Q235、35、45等碳素钢；特殊用途(防磁、导电):特殊钢、铜合金、铝合金等。螺栓、螺柱、螺钉的性能等级分为10级。3.6，4.6，4.8，5.6，5.8，6.8，8.8，9.8，10.9，12.9冲击振动场合用：15Cr、40Cr、30CrMnSi等合金钢。普通垫圈：Q235、15、35，弹簧垫圈：65Mn螺母的性能等级分为7级：4，5，6，8，9，10，12选用原则：一般用途：通常选用4.8级左右的螺栓，重要场合：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。§5－7螺栓的材料和许用应力一、螺纹联接件材料螺栓、螺柱、54二、螺纹联接件的许用应力螺纹联接件的许用应力与载荷性质(静、变载荷)、装配情况(松、紧联接)、材料、结构尺寸有关。许用拉应力许用剪切应力和挤压应力被联接件为钢被联接件为铸铁Sτ,Sp——安全系数，其取值详见表5－10。二、螺纹联接件的许用应力螺纹联接件的许用应力与载荷55§5－8提高螺栓联接强度的措施承受轴向变载荷时，螺栓的损坏形式：疲劳断裂容易断裂部位：一、降低螺栓总拉伸载荷F2的变化范围轴向工作载荷F的变化范围0~FCb+CmCbF0~F0+F总拉伸载荷的F2变化范围

Cb

↓

或

Cm

↑→F2变化范围∆F

↓65%20%15%§5－8提高螺栓联接强度的措施承受轴向变载荷时，螺栓的损坏56F0

θm

θb措施一：降低螺栓刚度（

C’b＜Cb,θ’b

＜θb

）∆FFF1