机械设计第5章课件

第二篇连接1）机器工作时，被连接的零件之间可以有相对运动（但不能分开）——机械动连接（运动副）；

机械（机器）都是通过各种机械零件相互联系、连接而组成的；

机械的连接可分为两大类：2）机器工作时，被连接的零件之间不允许产生相对运动——机械静连接；按照工作性质可分为三类：型锁合连接摩擦锁合连接材料锁合连接第二篇连接1）机器工作时，被连接的零件之间可11）型锁合连接：通过被连接件或附加固定零件的形状互相嵌合来达到连接目的。例如，铰制孔螺栓连接，平键连接等。2）摩擦锁合连接：通过被连接件的压紧，在接触面间产生摩擦力阻止被连接件的相对移动，以达到连接目的。例如，在横向载荷作用下的紧螺栓连接，过盈配合连接等。3）材料锁合连接：靠分子间的分子力将零件连接在一起，例如胶接，焊接等。按照可拆性(静连接)可拆（卸）连接不可拆（卸）连接1）型锁合连接：通过被连接件或附加固定零件的形状互相嵌合来达2机器连接类型的设计（选择）：

可拆连接：在需要拆卸时，不允许毁坏（有些甚至不允许损伤）连接中的任一零件就可拆开的连接；常用可拆连接：螺纹、键、销接等

不可拆连接：在需要拆卸时，至少要毁坏连接中的某一部分才能拆开的连接（铆钉、焊接、胶接等）；

过盈配合联接：既可拆又不可拆；使用要求经济性加工条件、材料、形状、尺寸机器连接类型的设计（选择）：可拆连接：在需要3第五章螺纹连接与螺旋传动

§5—1螺纹一、螺纹的形成、类型及应用螺纹连接是静连接；螺旋传动为动连接第五章螺纹连接与螺旋传动§5—1螺纹一、螺4按牙型三角形螺纹（粗牙、细牙）管螺纹（三角形）非密封密封螺纹分类方法矩形梯形主要用于传动螺纹锯齿形

用于连接按牙型三角形螺纹（粗牙、细牙）螺纹分5锯齿形螺纹矩形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹矩形螺纹梯形螺纹6

内螺纹（在圆孔的内表面）按位置外螺纹（在圆柱的外表面）

右旋（常用）按螺旋线绕行方向

左旋单线（头）螺纹——用于连接根据螺旋线数目双线螺纹多线螺纹用于传动

米制（我国常用）按制式英制内螺纹（在圆孔的内表面71）大径（外径）d——与螺纹牙顶相重合的假想圆柱面直径，制订标准时，称为“公称直径”；2）小径（内径）d1——与螺纹牙底相重合的假想圆柱面直

径，强度计算时的危险截面；3）中径d2——在轴向截面内凸起宽度（牙厚）与沟槽（牙间宽）相等处的假想圆柱面直径，d2≈0.5(d+d1)二、螺纹的主要参数1）大径（外径）d——与螺纹牙顶相重合的假想圆柱面直二、螺纹84）线数n——螺纹螺旋线数目；

5）螺距P——相邻两牙对应点间的轴向距离；6）导程S——同一条螺旋线转一周所移动的轴向距离，即同一条螺旋线上相邻两牙对应点间的轴向距离；单线螺纹：S=P；多线螺纹：S=nP

4）线数n——螺纹螺旋线数目；97）螺纹升角ψ——螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面之间夹角，一般按照中径处计算；8）牙型角α——螺纹轴向截面内，螺纹牙型两侧边的夹角；9）牙侧角β——螺纹牙的侧边与螺纹轴线的垂直平面的夹角对称牙型时：α=2β

10）接触高度h——内外螺纹旋合后的接触面的径向高度7）螺纹升角ψ——螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面之10§5—2螺纹连接的类型及标准连接件一、螺纹连接基本类型1、螺栓连接

被连接件为通孔（光孔），螺杆一端有螺栓头，螺杆穿过通孔与螺母配合使用。装配后孔与杆间有间隙，主要承受拉伸载荷,孔的加工精度低，结构简单，装拆方便，应用很广。1）普通螺栓连接§5—2螺纹连接的类型及标准连接件一、螺纹连接基本类112）铰制孔螺栓连接孔和螺栓杆采用基孔制过渡配合，装配后无间隙，主要承受横向载荷，也可作定位用。2）铰制孔螺栓连接孔和螺栓杆采用基孔制过渡配合，装配后无间隙122、双头螺柱连接螺杆无螺栓头，两端均有螺纹，装配时一端旋入被连接件（一般为盲螺纹孔），另一端配以螺母。适于常拆卸而被连接件之一较厚时。2、双头螺柱连接螺杆无螺栓头，两端均有螺纹，装配时一端旋入被13

一端有螺钉头，不需螺母，适于受载较小、被连接件之一较厚（有螺纹孔），不需经常装拆。3、螺钉连接3、螺钉连接14

无螺钉头，一端开槽，不需螺母，拧入螺纹孔顶紧另一零件表面（或凹坑），以固定两个零件的相对位置并能传递一定的扭矩。4、紧定螺钉连接无螺钉头，一端开槽，不需螺母，拧入螺纹孔顶紧另4、紧定螺钉15特殊连接：地脚螺栓

吊环螺钉T型槽螺栓特殊连接：地脚螺栓16二、螺纹标准连接件

1、螺栓普通螺栓

铰制孔螺栓

六角头，小六角头，大六角头,内六角；按照精度分为：A、B、C三级，常用C级；

二、螺纹标准连接件1、螺栓17

2、双头螺柱——两端带螺纹

A型——有退刀槽B型——无退刀槽2、双头螺柱——两端带螺纹184、紧定螺钉锥端、平端、圆柱端3、螺钉圆头、扁圆头、六角头、圆柱头、沉头等；

圆头、扁圆头、沉头——使用螺丝刀；圆柱头（内六角）——内六角扳手；

4、紧定螺钉3、螺钉196、螺母六角螺母、标准、扁、厚

5、自攻螺钉——由螺钉在被连接件上攻出螺纹6、螺母5、自攻螺钉——由螺钉在被连接件上攻出螺纹208、垫圈7、圆螺母与止退垫圈

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。8、垫圈7、圆螺母与止退垫圈21§5—３螺纹连接的预紧一、预紧

预紧目的——增强连接的可靠性和紧密性，提高防松能力。螺纹连接松连接——装配时不拧紧，加载时受力作用。紧连接——装配时拧紧。两种情况：若预紧力过大，螺杆静载荷增大、降低强度；预紧力过小，工作不可靠。

预紧力F0——螺纹连接时，预加于被连接件上的力。一般来说：预紧应力不得超过材料屈服极限的80%。

§5—３螺纹连接的预紧一、预紧预紧目的——增强连接22预紧力控制方法：测力矩板手——测出预紧力矩；定力矩板手——达到固定拧紧力矩时，弹簧受压自动打滑；测量预紧前后螺栓伸长量。扳手拧紧力矩计算方法：预紧力控制方法：扳手拧紧力矩计算方法：23其中，T1——螺纹摩擦阻力矩；这里，F——手柄上的作用力；L——力臂；

T2——螺母环形端面与被连接件间面之间的摩擦阻力矩；式中，——螺母与支承面之间的摩擦系数；D0——螺母环形端工作面（支承面）外径；d0------螺栓孔径；——螺旋副的当量摩擦角；其中，T1——螺纹摩擦阻力矩；这里，F——24

K——拧紧力矩系数；常用的M10～M64粗牙普通钢制螺栓，K=0.1～0.3

注意：按照以上各式计算出的预紧力不适应于直径小的螺栓（M12以下），容易在拧紧时过载拧断螺栓。K——拧紧力矩系数；常用的M10～M64粗牙普通钢制螺25工作中，外载荷振动、变化、高温蠕变等会造成摩擦力减少，螺纹副中正压力在某一瞬间消失、摩擦力为零，从而使螺纹连接松动，如经反复作用，螺纹连接就会松驰而失效。因此，必须进行防松，否则会影响正常工作，造成事故。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

双螺母

方法、措施：

§5—4螺纹连接的防松工作中，外载荷振动、变化、高温蠕变等会造成摩擦力减少，螺纹26弹簧垫圈自锁螺母——螺母一端做成非圆形收口或开缝后径面收口，螺母拧紧后收口胀开，利用收口的弹力使旋合螺纹间压紧。弹簧垫圈自锁螺母——螺母一端做成非圆形收口或开缝后273）破坏螺旋副运动关系的防松永久防松(端铆、冲点、点焊)；化学防松(粘合)

开槽螺母与开口销螺母与止动垫圈串联钢丝2、机械防松3）破坏螺旋副运动关系的防松开槽螺母螺母串联钢丝2、机械防松28§5—5螺栓组连接的设计

工程中螺栓皆成组使用，单个使用极少；螺栓组连接设计的顺序——选布局、定数目、力分析、计算尺寸；

一、螺栓组结构设计

1）布局要尽量对称分布，螺栓组中心与连接接合面形心重合（有利于分度、划线、钻孔、受力均匀）；

2）受剪螺栓组（铰制孔螺栓）时，不要在外载作用方向成排布置8个以上，以免受力不均；

受弯扭、转矩作用螺栓组，要适当靠近接合面的边缘，减小螺栓的受力（图5-12）；§5—5螺栓组连接的设计工程中螺栓皆成组使用，单个使293）螺栓排列有适当的间距、边距，留足扳手活动空间表5-4；轴向和横向载荷同时作用时，设置销、套筒、键等来抗剪切作用，以减小螺栓组的预紧力及结构尺寸（图5-23）；4）同一圆周上的螺栓数目，应取偶数；5）避免偏心结构，附加弯曲载荷——设置凸台、沉孔、加斜面垫圈；3）螺栓排列有适当的间距、边距，留足扳手活动空间表5-4；30二、螺栓组连接的受力分析

求受力最大的螺栓或被连接件必要的假设：各螺栓材料、直径、长度、预紧力均相同；接合面形心与螺栓组对称中心重合；受力后接合面保持平面；外载垂直于螺栓轴线并通过螺栓组的对称中心；普通螺栓、铰制孔用螺栓皆可用，图5-16。1、受横向载荷的螺栓组连接

二、螺栓组连接的受力分析求受力最大的螺栓或被连接件必要的假31近似认为：单个螺栓所承受的横向载荷相等；

1)铰制孔螺栓组连接——螺杆承受剪切和挤压抵抗横向载荷

设横向总载荷为F∑；连接用螺栓总数目为z个；

每个螺栓工作载荷（剪力）为：近似认为：单个螺栓所承受的横向载荷相等；1)铰322)普通螺栓组连接——预紧后产生的摩擦力抵抗横向载荷；受力条件：应保证连接预紧后，接合面间产生的最大摩擦力必须大于等于横向载荷。

式中，f——摩擦系数（表5-5）；

Ks——防滑系数，一般取1.1~1.3;

i——接合面数；2、受转矩的螺栓组连接

转矩T作用在连接接合面内，在T作用下，底板将绕通过螺栓组对称中心O并与接合面相垂直的轴线转动（图5-17）。2)普通螺栓组连接——预紧后产生的摩擦力抵抗横向载荷；331)普通螺栓——预紧后在接合面间产生的摩擦力矩抵抗转矩；矩形分布上式，——各螺栓轴线到螺栓组对称中心O的距离；

1)普通螺栓——预紧后在接合面间产生的摩擦力矩抵抗转矩；矩342)铰制孔螺栓组

当被连接板（底板）为刚体且受载后保持平面，则各螺栓剪切变形量与各r成正比，变形量越大，剪切力越大（变形协调条件）。2)铰制孔螺栓组当被连接板（底板）为刚体且受载后保持平面35则有由平衡条件对按照圆均布的螺栓组（如联轴器），各个r相等；

普通螺栓铰制孔螺栓则有由平衡条件对按照圆均布的螺栓组（如联轴器），各个r相等；363、受轴向载荷的螺栓组连接（如图5-18）

单个螺栓轴向工作载荷为：3、受轴向载荷的螺栓组连接（如图5-18）单个螺栓轴向工作374、受倾覆力矩螺栓组连接

矩形分布，力矩M在铅直平面内，绕O-O回转；设底板（上）刚性，下底板（地基）不动；螺栓可能被拉断，地基被压溃；4、受倾覆力矩螺栓组连接矩形分布，力矩M在铅直平面内，绕O38倾覆力矩M作用前情况：螺栓受预紧力F0而伸长，地基被压缩；

M作用后情况：O-O左侧的螺栓再伸长，地基被放松；右侧螺栓被放松；地基再压缩；

螺栓与地基受力与变形情况如图5-20所示。倾覆力矩M作用前情况：M作用后情况：螺栓与地基受力与变形39由平衡条件：由变形协调条件：上式，——各螺栓轴线到底板轴线O-O的距离；

由平衡条件：由变形协调条件：上式，40为保证地基接合面受压最大处不被压碎，则应

为保证地基接合面受压最小处不出现缝隙，则应

为保证地基接合面受压最大处不被压碎，则应为保证地基接合面受41总结及说明：１、工程中受力情况往往很复杂，但只要合理简化，一般都可转化为以上四种典型受力状态，或它们的不同组合。计算时只要分别计算出螺栓组在这些简单受力状态下每个螺栓的工作载荷，然后按向量叠加起来，便得到每个螺栓的总工作载荷，再对受力最大的螺栓进行强度计算即可；２、计算公式是在对称分布情况下推导出来的，对不对称情况，要做适当简化后也可以用这些公式计算。总结及说明：42

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（互换的目的）。

设计思路：43§5—6螺纹连接的强度计算1、失效形式和原因

受拉螺栓——螺栓杆和螺纹可能发生塑性变形或断裂受剪螺栓——螺栓杆和孔壁间可能发生压溃或被剪断b）失效原因：应力集中

a）失效形式

载荷：拉（压）、横、弯、扭失效：静载荷，变载荷疲劳工程中螺栓多数为疲劳失效

受拉螺栓：保证螺栓疲劳拉伸和静强度受剪螺栓：保证螺栓的挤压和剪切强度

应力集中促使疲劳裂纹的发生和发展过程。2、设计计算准则与思路§5—6螺纹连接的强度计算1、失效形式和原因受拉螺44、松螺栓连接强度计算例如拉杆、吊钩螺栓，螺母不需要拧紧，工作前无F0。当受到工作载荷F（拉力）时，螺栓受到拉伸作用。强度条件：d1——螺杆危险截面直径（mm）；[σ]——许用拉应力(MPa)；

、松螺栓连接强度计算例如拉杆、吊钩螺栓，螺母不需要拧紧，工作45二、紧螺栓连接1、只承受预紧力F0的紧螺栓连接

受力情况：螺母要拧紧，在力矩T作用下，螺栓承受预紧力F0的拉伸作用以及螺纹摩擦力矩T1的扭剪作用。

应力情况：F0——拉伸应力T1——扭剪切应力复合应力状态拉伸应力扭剪切应力二、紧螺栓连接1、只承受预紧力F0的紧螺栓连接受力情况46按照第四强度理论：

即计算应力约为1.3倍的拉伸应力。据此，强度条件为：对于Ｍ１０－Ｍ６４的普通钢制螺栓：按照第四强度理论：即计算应力约为1.3倍的拉伸应力。对于Ｍ47

工作要求：当被连接件受到横向载荷（Ｆ）作用时，施加的预紧力要保证被连接件在工作中不发生错动，条件为：分析：取f=0.2则F0≥5F；这要加大螺栓直径；在冲击、振动、变载下工作极不可靠。解决办法：加减载销、减载套筒、减载键工作要求：当被连接件受到横向载荷（Ｆ）作用时，施加的48２、承受工作剪力（铰制孔）紧螺栓连接连接情况：螺拴与孔紧配合，无间隙；螺杆承受挤压和剪切；２、承受工作剪力（铰制孔）紧螺栓连接连接情况：49式中，d0——螺杆或孔的直径（mm）；Lmin——挤压孔壁的最小高度（mm）；——螺栓或孔壁材料的许用挤压应力（MPa）；[τ]——材料许用剪应力（MPa）；螺栓杆与孔壁接触表面的挤压强度：

螺栓的剪切强度条件为：式中，d0——螺杆或孔的直径（mm）；螺栓杆与孔壁接触表面的50３、在预紧力和轴向工作拉力作用下的紧螺栓连接１）工作状态：拧紧螺母，有F0；工作中加上工作载荷F；２）变形分析当未拧紧螺母时，螺栓与螺母均处于松驰状态，不受力，不变形。

图5-24a３、在预紧力和轴向工作拉力作用下的紧螺栓连接１）工作状态：拧51当拧紧螺母后：螺栓受F0作用而被拉长λb；被连接件受F0作用被压缩λm图5-24b当拧紧螺母后：图5-24b52当螺栓再受到外载荷Ｆ的作用后：螺栓再被拉长△λ；总伸长量（λb+△λ）；

图5-24c连接件被放松，原压缩量λm要减小△m

。

当螺栓再受到外载荷Ｆ的作用后：图5-24c连接件被放松，53根据变形协调条件：螺栓伸长增加量△λ=被连接件压缩变形减小量△m

∴总压缩量

根据变形协调条件：∴总压缩量54

3)载荷变化分析螺栓的总拉力等于工作拉力与残余预紧力之和

F2=Ｆ＋F1

被连接件受到的压缩力由F0减到F1

F1——残余预紧力对残余预紧力Ｆ１的要求：为保证受载后接合面连接的紧密性，应使

有密封要求时，F1=（1.5～1.8）F；一般连接载荷稳定时，F1=（0.2～0.6）F；载荷不稳定F1=（0.6～1.0）F；地脚螺栓连接，F1>F；3)载荷变化分析螺栓的总拉力等于工作拉力与残余预紧力之和被55

受力与变形关系图——仅预紧力作用时：螺栓被连接件受力与变形关系图——仅预紧力作用时：螺栓被连接件56受力与变形关系图——预紧力+工作拉力时：由图知：螺栓的刚度：连接件刚度：受力与变形关系图——预紧力+工作拉力时：由图知：螺栓的刚度：57——螺栓的相对刚度

令

——螺栓的相对刚度令58４）分析与讨论为降低螺栓的受力，以提高连接的承载能力，应使Kc尽量小。

这是最理想的情况。

若被连接件的刚度大，螺栓的刚度小，即若螺栓的刚度很大，被连接件的刚度很小，即

这是最坏的情况。４）分析与讨论这是最理想的情况。若被连接件的刚度大，螺59解决办法：a)采用刚度小的螺栓（例如空心、加长、细颈）b)加垫片（金属、皮革、铜皮、石棉、橡胶等）

解决办法：60５）计算方法与步骤第一步，受载分析，求F

第二步，根据工作要求，取F1；由F2=F1+F，求F2第三步，补充拧紧并考虑扭转切应力，将F2增加30%第四步，强度计算（静拉伸强度）：５）计算方法与步骤第一步，受载分析，求F第二步，根据工作要61一、常用材料

根据机械性能，把螺栓、螺柱、螺钉分１０级并以数字表示（如表5-8）。

例如３.63表示材料的抗拉强度极限为300MPa;6表示屈服极限与抗拉强度极限比值的10倍为0.6小数点前的数字表示小数点后的数字表示螺母等级分７级（如表5-9）

注意：所选螺母的级别应不低于相配螺栓的级别。

数字表示螺母承受最小应力的1/100§5—7螺纹连接件的材料及许用应力

一、常用材料根据机械性能，把螺栓、螺柱、螺钉分１０级并62二、许用应力

许用拉应力：

许用切应力：

许用挤压应力：

以上各式中的安全系数见表5-10。

二、许用应力许用拉应力：许用切应力：许用挤压应力：以63§5—8提高螺纹连接强度的措施影响连接强度的因素很多：如材料、结构、尺寸、工艺、螺纹牙型、载荷分布、应力幅、机械性能等。

一、改善螺纹牙间载荷分布不均状况

旋合螺纹间的载荷分布如图所示。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，应力、应变亦最大，其余各圈依次递减。采用圈数过多的加厚螺母，并不能提高连接的强度。

§5—8提高螺纹连接强度的措施影响连接强度的因素很多：如64机械设计第5章课件65悬置螺母环槽螺母c)内斜螺母d)环槽内斜e)钢丝套圈悬置螺母66二、降低螺栓应力幅

1、降低螺栓刚性

2、增大连接件的刚度

3、降低螺栓刚性

、增大连接件刚度与预紧力并用具体措施：增加螺栓长度；端头螺纹光杆（腰状杆）螺栓；空心螺栓；弹性垫圈（弹性元件）具体措施：不用垫圈、刚度好的垫圈；金属垫圈代替软质垫圈；密封环代替垫圈；二、降低螺栓应力幅1、降低螺栓刚性2、增大连接件的刚度67三、减小应力集中的影响1、加大过渡处圆角半径；2、卸载槽；3、卸载过渡结构；4、改用退刀槽。三、减小应力集中的影响1、加大过渡处圆角半径；68四、合理的制造工艺

1、切削法、冷镦法、滚压法；2、冷作硬化、氰化、氮化、喷丸、热处理后滚压螺纹；３、控制单个螺距误差和螺距累积误差。四、合理的制造工艺1、切削法、冷镦法、滚压法；69例题:已知总载荷Ｆ∑＝4800Ｎ，α＝50°，h=340，b=150，试设计该螺栓组连接。解：1、结构设计（图示）这里，z=4，对称布置。

2、力分析(分解)1）轴向力F∑h=F∑sinα=3677N

2）横向力F∑v=F∑cosα=3085N3）倾覆力矩M=16F∑h+15F∑v=105107N.cm

例题:已知总载荷Ｆ∑＝4800Ｎ，α＝50°，解：1、703、求螺栓承受的载荷1)F∑h的作用下,各螺栓承受的工作拉力

Fa=F∑h/z=3677N/4=919N2)在M作用下,上部两个螺栓受到加载拉伸作用,下部受到减载作用,所以上部两螺栓受力较大:

3、求螺栓承受的载荷Fa=F∑h/z=36771

则,上部两螺栓的轴向工作载荷为:

4、求所需要的预紧力F0在横向力F∑v的作用下,接合面不产生滑移(向下)的条件为:则,上部两螺栓的轴向工作载荷为:472查表5-6,f=0.16;取螺栓相对刚度为0.2,则地基相对刚度为0.8;取防滑系数Ks=1.2;代入计算得:F0=6520N

查表5-6,f=0.16;735、计算上部各螺栓所承受的总拉力F2螺栓(材料Q235,性能等级4.6);查表5-8,σs=240MPa;查表5-10,S=1.5;则,[σ]=σs/S=160MPa;6、确定螺栓直径(选螺栓）5、计算上部各螺栓所承受的总拉力F2螺栓(材料Q235,性能74查国标（GB196-81）选用M12的普通粗牙螺栓（螺纹d1=10.106mm）7、相关校核1）接合面（下部）不被压碎的条件:查国标（GB196-81）7、相关校核1）接合面（下部75查表5-7,[σp]=0.5σB=125MPa＞1.84MPa(安全)。２）接合面（上部）不开缝（间隙）的条件:查表5-7,[σp]=0.5２）接合面（上部）不开缝（间隙）76３）预紧力是否过大（Ｍ10）

满足要求，不会拧断螺栓。

8、结构设计（螺栓长度、精度、螺母、垫圈等）

３）预紧力是否过大（Ｍ10）满足要求，不会拧断螺栓。77§5—9螺旋传动一、螺旋传动的类型、特点与应用

利用螺杆和螺母组成的螺旋副来实现传动。主要用于将回转运动变为直线运动，亦可反之。

按照相对运动关系：１、螺杆转螺母移——机床进给丝杠；２、螺杆又转又移（螺母固定）——压力机；３、螺母转螺杆移；４、螺母又转又移（螺杆固定）。

§5—9螺旋传动一、螺旋传动的类型、特点与应用利用螺杆78按照用途：１、传力（力放大器）——起重机；２、传导（导向、运动为主）——机床进给机构；３、调整（微调机构）；

按照摩擦性质：１、滑动螺旋；２、滚动螺旋；３、静压螺旋（流体摩擦）；

按照用途：按照摩擦性质：79二、螺旋起重器二、螺旋起重器80三、设计计算要点

受力情况：拉压与转矩失效形式：传力螺旋——强度要求自锁螺旋——自锁性精密传导螺旋——刚度细长螺杆——稳定性高速长螺杆——临界转速（横向振动）相对滑动——耐磨性三、设计计算要点受力情况：拉压与转矩失效形式：传力81滚动螺旋传动摩擦性质为滚动摩擦。滚动螺旋传动是在具有圆弧形螺旋槽的螺杆和螺母之间连续装填若干滚动体（多用钢球），当传动工作时，滚动体沿螺纹滚道滚动并形成循环。按循环方式有：内循环、外循环两种。

滚动螺旋传动82本章总结及要点：1、常用连接方法及用途；2、螺纹的分类及主要参数计算公式；3、螺纹连接的类型；4、螺纹连接常用标准件及用途；5、螺纹连接预紧、防松的目的及方法；

本章总结及要点：836、螺栓组连接结构设计要点；7、螺栓组连接的受力分析方法；8、螺栓连接强度计算方法；9、提高螺纹连接强度的措施；10、螺旋传动的类型及用途。

作业：P101-102T5-4、6、T5-7、T5-８

作业：P101-10284第二篇连接1）机器工作时，被连接的零件之间可以有相对运动（但不能分开）——机械动连接（运动副）；

机械（机器）都是通过各种机械零件相互联系、连接而组成的；

机械的连接可分为两大类：2）机器工作时，被连接的零件之间不允许产生相对运动——机械静连接；按照工作性质可分为三类：型锁合连接摩擦锁合连接材料锁合连接第二篇连接1）机器工作时，被连接的零件之间可851）型锁合连接：通过被连接件或附加固定零件的形状互相嵌合来达到连接目的。例如，铰制孔螺栓连接，平键连接等。2）摩擦锁合连接：通过被连接件的压紧，在接触面间产生摩擦力阻止被连接件的相对移动，以达到连接目的。例如，在横向载荷作用下的紧螺栓连接，过盈配合连接等。3）材料锁合连接：靠分子间的分子力将零件连接在一起，例如胶接，焊接等。按照可拆性(静连接)可拆（卸）连接不可拆（卸）连接1）型锁合连接：通过被连接件或附加固定零件的形状互相嵌合来达86机器连接类型的设计（选择）：

可拆连接：在需要拆卸时，不允许毁坏（有些甚至不允许损伤）连接中的任一零件就可拆开的连接；常用可拆连接：螺纹、键、销接等

不可拆连接：在需要拆卸时，至少要毁坏连接中的某一部分才能拆开的连接（铆钉、焊接、胶接等）；

过盈配合联接：既可拆又不可拆；使用要求经济性加工条件、材料、形状、尺寸机器连接类型的设计（选择）：可拆连接：在需要87第五章螺纹连接与螺旋传动

§5—1螺纹一、螺纹的形成、类型及应用螺纹连接是静连接；螺旋传动为动连接第五章螺纹连接与螺旋传动§5—1螺纹一、螺88按牙型三角形螺纹（粗牙、细牙）管螺纹（三角形）非密封密封螺纹分类方法矩形梯形主要用于传动螺纹锯齿形

用于连接按牙型三角形螺纹（粗牙、细牙）螺纹分89锯齿形螺纹矩形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹矩形螺纹梯形螺纹90

内螺纹（在圆孔的内表面）按位置外螺纹（在圆柱的外表面）

右旋（常用）按螺旋线绕行方向

左旋单线（头）螺纹——用于连接根据螺旋线数目双线螺纹多线螺纹用于传动

米制（我国常用）按制式英制内螺纹（在圆孔的内表面911）大径（外径）d——与螺纹牙顶相重合的假想圆柱面直径，制订标准时，称为“公称直径”；2）小径（内径）d1——与螺纹牙底相重合的假想圆柱面直

径，强度计算时的危险截面；3）中径d2——在轴向截面内凸起宽度（牙厚）与沟槽（牙间宽）相等处的假想圆柱面直径，d2≈0.5(d+d1)二、螺纹的主要参数1）大径（外径）d——与螺纹牙顶相重合的假想圆柱面直二、螺纹924）线数n——螺纹螺旋线数目；

5）螺距P——相邻两牙对应点间的轴向距离；6）导程S——同一条螺旋线转一周所移动的轴向距离，即同一条螺旋线上相邻两牙对应点间的轴向距离；单线螺纹：S=P；多线螺纹：S=nP

4）线数n——螺纹螺旋线数目；937）螺纹升角ψ——螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面之间夹角，一般按照中径处计算；8）牙型角α——螺纹轴向截面内，螺纹牙型两侧边的夹角；9）牙侧角β——螺纹牙的侧边与螺纹轴线的垂直平面的夹角对称牙型时：α=2β

10）接触高度h——内外螺纹旋合后的接触面的径向高度7）螺纹升角ψ——螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面之94§5—2螺纹连接的类型及标准连接件一、螺纹连接基本类型1、螺栓连接

被连接件为通孔（光孔），螺杆一端有螺栓头，螺杆穿过通孔与螺母配合使用。装配后孔与杆间有间隙，主要承受拉伸载荷,孔的加工精度低，结构简单，装拆方便，应用很广。1）普通螺栓连接§5—2螺纹连接的类型及标准连接件一、螺纹连接基本类952）铰制孔螺栓连接孔和螺栓杆采用基孔制过渡配合，装配后无间隙，主要承受横向载荷，也可作定位用。2）铰制孔螺栓连接孔和螺栓杆采用基孔制过渡配合，装配后无间隙962、双头螺柱连接螺杆无螺栓头，两端均有螺纹，装配时一端旋入被连接件（一般为盲螺纹孔），另一端配以螺母。适于常拆卸而被连接件之一较厚时。2、双头螺柱连接螺杆无螺栓头，两端均有螺纹，装配时一端旋入被97

一端有螺钉头，不需螺母，适于受载较小、被连接件之一较厚（有螺纹孔），不需经常装拆。3、螺钉连接3、螺钉连接98

无螺钉头，一端开槽，不需螺母，拧入螺纹孔顶紧另一零件表面（或凹坑），以固定两个零件的相对位置并能传递一定的扭矩。4、紧定螺钉连接无螺钉头，一端开槽，不需螺母，拧入螺纹孔顶紧另4、紧定螺钉99特殊连接：地脚螺栓

吊环螺钉T型槽螺栓特殊连接：地脚螺栓100二、螺纹标准连接件

1、螺栓普通螺栓

铰制孔螺栓

六角头，小六角头，大六角头,内六角；按照精度分为：A、B、C三级，常用C级；

二、螺纹标准连接件1、螺栓101

2、双头螺柱——两端带螺纹

A型——有退刀槽B型——无退刀槽2、双头螺柱——两端带螺纹1024、紧定螺钉锥端、平端、圆柱端3、螺钉圆头、扁圆头、六角头、圆柱头、沉头等；

圆头、扁圆头、沉头——使用螺丝刀；圆柱头（内六角）——内六角扳手；

4、紧定螺钉3、螺钉1036、螺母六角螺母、标准、扁、厚

5、自攻螺钉——由螺钉在被连接件上攻出螺纹6、螺母5、自攻螺钉——由螺钉在被连接件上攻出螺纹1048、垫圈7、圆螺母与止退垫圈

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。8、垫圈7、圆螺母与止退垫圈105§5—３螺纹连接的预紧一、预紧

预紧目的——增强连接的可靠性和紧密性，提高防松能力。螺纹连接松连接——装配时不拧紧，加载时受力作用。紧连接——装配时拧紧。两种情况：若预紧力过大，螺杆静载荷增大、降低强度；预紧力过小，工作不可靠。

预紧力F0——螺纹连接时，预加于被连接件上的力。一般来说：预紧应力不得超过材料屈服极限的80%。

§5—３螺纹连接的预紧一、预紧预紧目的——增强连接106预紧力控制方法：测力矩板手——测出预紧力矩；定力矩板手——达到固定拧紧力矩时，弹簧受压自动打滑；测量预紧前后螺栓伸长量。扳手拧紧力矩计算方法：预紧力控制方法：扳手拧紧力矩计算方法：107其中，T1——螺纹摩擦阻力矩；这里，F——手柄上的作用力；L——力臂；

T2——螺母环形端面与被连接件间面之间的摩擦阻力矩；式中，——螺母与支承面之间的摩擦系数；D0——螺母环形端工作面（支承面）外径；d0------螺栓孔径；——螺旋副的当量摩擦角；其中，T1——螺纹摩擦阻力矩；这里，F——108

K——拧紧力矩系数；常用的M10～M64粗牙普通钢制螺栓，K=0.1～0.3

注意：按照以上各式计算出的预紧力不适应于直径小的螺栓（M12以下），容易在拧紧时过载拧断螺栓。K——拧紧力矩系数；常用的M10～M64粗牙普通钢制螺109工作中，外载荷振动、变化、高温蠕变等会造成摩擦力减少，螺纹副中正压力在某一瞬间消失、摩擦力为零，从而使螺纹连接松动，如经反复作用，螺纹连接就会松驰而失效。因此，必须进行防松，否则会影响正常工作，造成事故。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

双螺母

方法、措施：

§5—4螺纹连接的防松工作中，外载荷振动、变化、高温蠕变等会造成摩擦力减少，螺纹110弹簧垫圈自锁螺母——螺母一端做成非圆形收口或开缝后径面收口，螺母拧紧后收口胀开，利用收口的弹力使旋合螺纹间压紧。弹簧垫圈自锁螺母——螺母一端做成非圆形收口或开缝后1113）破坏螺旋副运动关系的防松永久防松(端铆、冲点、点焊)；化学防松(粘合)

开槽螺母与开口销螺母与止动垫圈串联钢丝2、机械防松3）破坏螺旋副运动关系的防松开槽螺母螺母串联钢丝2、机械防松112§5—5螺栓组连接的设计

工程中螺栓皆成组使用，单个使用极少；螺栓组连接设计的顺序——选布局、定数目、力分析、计算尺寸；

一、螺栓组结构设计

1）布局要尽量对称分布，螺栓组中心与连接接合面形心重合（有利于分度、划线、钻孔、受力均匀）；

2）受剪螺栓组（铰制孔螺栓）时，不要在外载作用方向成排布置8个以上，以免受力不均；

受弯扭、转矩作用螺栓组，要适当靠近接合面的边缘，减小螺栓的受力（图5-12）；§5—5螺栓组连接的设计工程中螺栓皆成组使用，单个使1133）螺栓排列有适当的间距、边距，留足扳手活动空间表5-4；轴向和横向载荷同时作用时，设置销、套筒、键等来抗剪切作用，以减小螺栓组的预紧力及结构尺寸（图5-23）；4）同一圆周上的螺栓数目，应取偶数；5）避免偏心结构，附加弯曲载荷——设置凸台、沉孔、加斜面垫圈；3）螺栓排列有适当的间距、边距，留足扳手活动空间表5-4；114二、螺栓组连接的受力分析

求受力最大的螺栓或被连接件必要的假设：各螺栓材料、直径、长度、预紧力均相同；接合面形心与螺栓组对称中心重合；受力后接合面保持平面；外载垂直于螺栓轴线并通过螺栓组的对称中心；普通螺栓、铰制孔用螺栓皆可用，图5-16。1、受横向载荷的螺栓组连接

二、螺栓组连接的受力分析求受力最大的螺栓或被连接件必要的假115近似认为：单个螺栓所承受的横向载荷相等；

1)铰制孔螺栓组连接——螺杆承受剪切和挤压抵抗横向载荷

设横向总载荷为F∑；连接用螺栓总数目为z个；

每个螺栓工作载荷（剪力）为：近似认为：单个螺栓所承受的横向载荷相等；1)铰1162)普通螺栓组连接——预紧后产生的摩擦力抵抗横向载荷；受力条件：应保证连接预紧后，接合面间产生的最大摩擦力必须大于等于横向载荷。

式中，f——摩擦系数（表5-5）；

Ks——防滑系数，一般取1.1~1.3;

i——接合面数；2、受转矩的螺栓组连接

转矩T作用在连接接合面内，在T作用下，底板将绕通过螺栓组对称中心O并与接合面相垂直的轴线转动（图5-17）。2)普通螺栓组连接——预紧后产生的摩擦力抵抗横向载荷；1171)普通螺栓——预紧后在接合面间产生的摩擦力矩抵抗转矩；矩形分布上式，——各螺栓轴线到螺栓组对称中心O的距离；

1)普通螺栓——预紧后在接合面间产生的摩擦力矩抵抗转矩；矩1182)铰制孔螺栓组

当被连接板（底板）为刚体且受载后保持平面，则各螺栓剪切变形量与各r成正比，变形量越大，剪切力越大（变形协调条件）。2)铰制孔螺栓组当被连接板（底板）为刚体且受载后保持平面119则有由平衡条件对按照圆均布的螺栓组（如联轴器），各个r相等；

普通螺栓铰制孔螺栓则有由平衡条件对按照圆均布的螺栓组（如联轴器），各个r相等；1203、受轴向载荷的螺栓组连接（如图5-18）

单个螺栓轴向工作载荷为：3、受轴向载荷的螺栓组连接（如图5-18）单个螺栓轴向工作1214、受倾覆力矩螺栓组连接

矩形分布，力矩M在铅直平面内，绕O-O回转；设底板（上）刚性，下底板（地基）不动；螺栓可能被拉断，地基被压溃；4、受倾覆力矩螺栓组连接矩形分布，力矩M在铅直平面内，绕O122倾覆力矩M作用前情况：螺栓受预紧力F0而伸长，地基被压缩；

M作用后情况：O-O左侧的螺栓再伸长，地基被放松；右侧螺栓被放松；地基再压缩；

螺栓与地基受力与变形情况如图5-20所示。倾覆力矩M作用前情况：M作用后情况：螺栓与地基受力与变形123由平衡条件：由变形协调条件：上式，——各螺栓轴线到底板轴线O-O的距离；

由平衡条件：由变形协调条件：上式，124为保证地基接合面受压最大处不被压碎，则应

为保证地基接合面受压最小处不出现缝隙，则应

为保证地基接合面受压最大处不被压碎，则应为保证地基接合面受125总结及说明：１、工程中受力情况往往很复杂，但只要合理简化，一般都可转化为以上四种典型受力状态，或它们的不同组合。计算时只要分别计算出螺栓组在这些简单受力状态下每个螺栓的工作载荷，然后按向量叠加起来，便得到每个螺栓的总工作载荷，再对受力最大的螺栓进行强度计算即可；２、计算公式是在对称分布情况下推导出来的，对不对称情况，要做适当简化后也可以用这些公式计算。总结及说明：126

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（互换的目的）。

设计思路：127§5—6螺纹连接的强度计算1、失效形式和原因

受拉螺栓——螺栓杆和螺纹可能发生塑性变形或断裂受剪螺栓——螺栓杆和孔壁间可能发生压溃或被剪断b）失效原因：应力集中

a）失效形式

载荷：拉（压）、横、弯、扭失效：静载荷，变载荷疲劳工程中螺栓多数为疲劳失效

受拉螺栓：保证螺栓疲劳拉伸和静强度受剪螺栓：保证螺栓的挤压和剪切强度

应力集中促使疲劳裂纹的发生和发展过程。2、设计计算准则与思路§5—6螺纹连接的强度计算1、失效形式和原因受拉螺128、松螺栓连接强度计算例如拉杆、吊钩螺栓，螺母不需要拧紧，工作前无F0。当受到工作载荷F（拉力）时，螺栓受到拉伸作用。强度条件：d1——螺杆危险截面直径（mm）；[σ]——许用拉应力(MPa)；

、松螺栓连接强度计算例如拉杆、吊钩螺栓，螺母不需要拧紧，工作129二、紧螺栓连接1、只承受预紧力F0的紧螺栓连接

受力情况：螺母要拧紧，在力矩T作用下，螺栓承受预紧力F0的拉伸作用以及螺纹摩擦力矩T1的扭剪作用。

应力情况：F0——拉伸应力T1——扭剪切应力复合应力状态拉伸应力扭剪切应力二、紧螺栓连接1、只承受预紧力F0的紧螺栓连接受力情况130按照第四强度理论：

即计算应力约为1.3倍的拉伸应力。据此，强度条件为：对于Ｍ１０－Ｍ６４的普通钢制螺栓：按照第四强度理论：即计算应力约为1.3倍的拉伸应力。对于Ｍ131

工作要求：当被连接件受到横向载荷（Ｆ）作用时，施加的预紧力要保证被连接件在工作中不发生错动，条件为：分析：取f=0.2则F0≥5F；这要加大螺栓直径；在冲击、振动、变载下工作极不可靠。解决办法：加减载销、减载套筒、减载键工作要求：当被连接件受到横向载荷（Ｆ）作用时，施加的132２、承受工作剪力（铰制孔）紧螺栓连接连接情况：螺拴与孔紧配合，无间隙；螺杆承受挤压和剪切；２、承受工作剪力（铰制孔）紧螺栓连接连接情况：133式中，d0——螺杆或孔的直径（mm）；Lmin——挤压孔壁的最小高度（mm）；——螺栓或孔壁材料的许用挤压应力（MPa）；[τ]——材料许用剪应力（MPa）；螺栓杆与孔壁接触表面的挤压强度：

螺栓的剪切强度条件为：式中，d0——螺杆或孔的直径（mm）；螺栓杆与孔壁接触表面的134３、在预紧力和轴向工作拉力作用下的紧螺栓连接１）工作状态：拧紧螺母，有F0；工作中加上工作载荷F；２）变形分析当未拧紧螺母时，螺栓与螺母均处于松驰状态，不受力，不变形。

图5-24a３、在预紧力和轴向工作拉力作用下的紧螺栓连接１）工作状态：拧135当拧紧螺母后：螺栓受F0作用而被拉长λb；被连接件受F0作用被压缩λm图5-24b当拧紧螺母后：图5-24b136当螺栓再受到外载荷Ｆ的作用后：螺栓再被拉长△λ；总伸长量（λb+△λ）；

图5-24c连接件被放松，原压缩量λm要减小△m

。

当螺栓再受到外载荷Ｆ的作用后：图5-24c连接件被放松，137根据变形协调条件：螺栓伸长增加量△λ=被连接件压缩变形减小量△m

∴总压缩量

根据变形协调条件：∴总压缩量138

3)载荷变化分析螺栓的总拉力等于工作拉力与残余预紧力之和

F2=Ｆ＋F1

被连接件受到的压缩力由F0减到F1

F1——残余预紧力对残余预紧力Ｆ１的要求：为保证受载后接合面连接的紧密性，应使

有密封要求时，F1=（1.5～1.8）F；一般连接载荷稳定时，F1=（0.2～0.6）F；载荷不稳定F1=（0.6～1.0）F；地脚螺栓连接，F1>F；3)载荷变化分析螺栓的总拉力等于工作拉力与残余预紧力之和被139

受力与变形关系图——仅预紧力作用时：螺栓被连接件受力与变形关系图——仅预紧力作用时：螺栓被连接件140受力与变形关系图——预紧力+工作拉力时：由图知：螺栓的刚度：连接件刚度：受力与变形关系图——预紧力+工作拉力时：由图知：螺栓的刚度：141——螺栓的相对刚度

令

——螺栓的相对刚度令142４）分析与讨论为降低螺栓的受力，以提高连接的承载能力，应使Kc尽量小。

这是最理想的情况。

若被连接件的刚度大，螺栓的刚度小，即若螺栓的刚度很大，被连接件的刚度很小，即

这是最坏的情况。４）分析与讨论这是最理想的情况。若被连接件的刚度大，螺143解决办法：a)采用刚度小的螺栓（例如空心、加长、细颈）b)加垫片（金属、皮革、铜皮、石棉、橡胶等）

解决办法：144５）计算方法与步骤第一步，受载分析，求F

第二步，根据工作要求，取F1；由F2=F1+F，求F2第三步，补充拧紧并考虑扭转切应力，将F2增加30%第四步，强度计算（静拉伸强度）：５）计算方法与步骤第一步，受载分析，求F第二步，根据工作要145一、常用材料

根据机械性能，把螺栓、螺柱、螺钉分１０级并以数字表示（如表5-8）。

例如３.63表示材料的抗拉强度极限为300MPa;6表示屈服极限与抗拉强度极限比值的10倍为0.6小数点前的数字表示小数点后的数字表示螺母等级分７级（如表5-9）

注意：所选螺母的级别应不低于相配螺栓的级别。

数字表示螺母承受最小应力的1/100§5—7螺纹连接件的材料及许用应力

一、常用材料根据机械性能，把螺栓、螺柱、螺钉分１０级并146二、许用应力

许用拉应力：

许用切应力：

许用挤压应力：

以上各式中的安全系数见表5-10。

二、许用应力许用拉应力：许用切应力：许用挤压应力：以147§5—8提高螺纹连接强度的措施影响连接强度的因素很多：如材料、结构、尺寸、工艺、螺纹牙型、载荷分布、应力幅、机械性能等。

一、改善螺纹牙间载荷分布不均状况

旋合螺纹间的载荷分布如图所示。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，应力、应变亦最大，其余各圈依次递减。采用圈数过多的加厚螺母，并不能提高连接的强度。

§5—8提高螺纹连接强度的措施影响连接强度的因素很多：如148机械设计第5章课件149悬置螺母环槽螺母c)内斜螺母d)环槽内斜e)钢丝套