项目四-螺纹连接及设计说课材料

项目四--螺纹连接及设计4-1总论静联接动联接——运动副机械设计基础——联接与动力源组合零件构件机构机器静联接动联接(运动副)可拆联接：螺纹联接、键联接、销联接等不可拆联接：铆接、焊接、胶接等联接2一、螺纹的主要参数1螺纹形成螺旋线形成：倾斜线绕在圆柱体上形成的曲线螺纹形成：平面图形沿螺旋线形成三角形、矩形、梯形、锯齿形、半圆形螺纹螺旋线的数目(线数):单线、多线机械设计基础——联接旋向(螺旋线方向)：常用右旋，特殊要求时用左旋问题：旋向判断

？粗牙螺纹——一般联接细牙螺纹——d1大、强度大、自锁性好，常用于变载d2SP联接传动3螺纹旋向判断旋向(螺旋线方向)：常用右旋，特殊要求时用左旋旋向判断:(1)轴线垂直放，右边高—右旋左边高—左旋机械设计基础——联接(2)右手旋，前进—右旋左手旋，前进—左旋4d22主要参数大径d、D：最大直径—公称直径小径d1：外螺纹的危险剖面直径——强度直径中径d2、D2：假想直径，牙型沟槽宽与牙的宽度相等——计算直径螺距P：相邻两牙轴向距离导程S：同一条螺纹线的相邻两牙间的轴向距离，S=nP机械设计基础——联接升角y：螺纹与其轴线的垂直平面所成的夹角牙型角a：螺纹两侧边的夹角d1D,dαSP5用于联接

三角形螺纹：普通螺纹（紧固联接）管螺纹（紧密联接）用于传动

梯形螺纹锯齿形螺纹二、机械制造常用螺纹6普通螺纹我国国家标准中，把牙型角α＝60o的三角形米制螺纹称为普通螺纹。粗牙螺纹和细牙螺纹

同一公称直径的螺纹可以有多种螺距，其中螺距最大的称为粗牙螺纹，其余都称为细牙螺纹。

一般情况下的联接都应选择粗牙螺纹。7细牙螺纹的特点小径大,螺距小,螺纹升角小,所以自锁性好,强度高,但不耐磨,易滑扣。它适用于薄壁零件、受动载荷的联接、微调机构及管道密封。

粗牙螺纹与细牙螺纹的区别：8管螺纹

用于需要密封气、液管道。管螺纹分类非螺纹密封的管螺纹（α＝55o）螺纹密封的管螺纹（α＝55o）60o圆锥管螺纹（α＝60o）

9梯形螺纹一般用于传动.α＝55o。效率较低,但克服了矩形螺纹的缺点，应用广泛。锯齿形螺纹一般用于传动.效率高,强度大,单向传动。矩形螺纹：实际中很少使用。101.螺纹联接的基本类型螺栓联接普通螺栓联接铰制孔螺栓联接双头螺栓联接螺钉联接紧定螺钉其它联接：地脚螺栓、吊环螺钉螺纹联接类型主要根据受力、结构形式、装拆要求等进行选择机械设计基础——联接四、螺纹联接件主要类型11螺栓联接普通螺栓联接特点：孔与杆间有间隙、被联接件上无需切制螺纹、装拆方便适用场合：经常装拆的一般场合铰制孔螺栓联接特点：孔与杆间无间隙、被联接件上无需切制螺纹、装拆方便适用场合：承受横向载荷的场合机械设计基础——联接12双头螺栓、螺钉联接双头螺栓联接特点：孔与杆间有间隙、被联接件上无需切制螺纹、装拆方便适用场合：用于被联接件之一较厚、经常装拆的场合螺钉联接特点：孔与杆间有间隙、被联接件上无需切制螺纹、装拆方便适用场合：被联接件之一较厚，且不常装拆的场合机械设计基础——联接13紧定螺钉联接适用场合：多用于轴上零件的固定，传递较小的力锥端螺钉联接平端螺钉联接圆柱端螺钉联接机械设计基础——联接14其他联接地脚螺栓联接、吊环螺栓联接、T形槽螺栓联接机械设计基础——联接152.标准螺纹联接件螺栓普通螺栓铰制孔螺栓双头螺栓螺钉联接螺钉紧定螺钉、自攻螺钉螺母：六角螺母、圆螺母垫圈：平垫圈、斜垫圈螺纹联接件通过组合形成螺纹联接机械设计基础——联接161.螺栓联接一、螺纹连接的类型7.2螺纹联接预紧与防松17拧紧目的：提高螺栓联接刚性、紧密性、紧固性要求；以及防松拧紧力矩和预紧力预紧：安装时将螺母拧紧，使联接受到一定的预紧力。螺纹间摩擦力矩支承面处与螺母间摩擦力矩拧紧力矩T螺纹连接的预紧及其控制螺纹连接T2

=fc

F`

rf所以：T=T1+T2=KF`d18F/—预紧力;d2—螺纹中径;/—当量摩擦角;

fc—螺母与被联接件支承面间摩擦系数,无润滑时取fc＝0.15；rf—支承面摩擦半径rf≈(D1+d0)/4；式中D1、d0—螺母支承面的外径、内径。螺纹连接注意：对于重要的联接，尽可能不采用直径过小(＜M12)的螺栓。简化计算：对M10－M68的粗牙普通螺纹取f/=tg/=0.15，fc＝0.15得：T≈0.2F`dN.mm19控制拧紧力矩方法

1）拧紧程度——通常由经验控制2）重要联接——根据联接要求决定计算出T的值。在拧紧时用侧力矩扳手或定力矩扳手控制T按T计算式螺纹连接20使用测力矩扳手测力矩扳手原理：利用弹性件的变形量正比于拧紧力矩的原理，借助手柄上的指针指示刻度扳上拧紧力矩值,以控制F’。

使用定力矩扳手定力矩扳手原理：当拧紧力矩超过规定值时，弹簧压缩，卡盘与圆柱销之间打滑，如果继续转动手柄，卡盘不再回转，拧紧力矩的大小可用螺钉调整弹簧压力来加以控制。螺纹连接211、螺纹联接多采用单线普通螺纹，一般都具有自锁性；2、在静载荷和工作环境温度变化不大的情况下不会自动松脱。但在振动、冲击、变载荷或温度变化很大时，3、联接就有可能松脱。为保证联接安全可靠，设计时必须考虑放松问题。防松方法：

摩擦防松机械防松永久止动螺纹连接的防松螺纹连接224.2螺纹联接预紧与防松螺纹联接防松的实质在于限制螺旋副的相对转动螺纹联接防松的方法按工作原理可分为:1摩擦防松2机械防松3其它：破坏螺纹副关系（铆冲、粘接、焊接）机械设计基础——联接231摩擦防松使螺纹接触面间始终保持一定的压力，始终有阻止螺旋副转动的摩擦阻力矩弹簧垫圈防松、对顶螺母(双螺母)防松机械设计基础——联接24对顶螺母防松使螺纹接触面间始终保持一定的压力，始终有阻止螺旋副转动的摩擦阻力矩对顶螺母防松机械设计基础——联接252机械防松用机械装置把螺母和螺栓联成一体，消除了它们之间相对转动的可能性开口销、止动垫圈、串联钢丝防松机械设计基础——联接螺栓开槽螺母开口销装配图26止动垫圈防松用机械装置把螺母和螺栓联成一体，消除了它们之间相对转动的可能性机械设计基础——联接27串联钢丝防松机械设计基础——联接用机械装置把螺母和螺栓联成一体，消除了它们之间相对转动的可能性283其它：破坏螺纹副关系焊接铆冲机械设计基础——联接29一次性使用的方法304.3螺栓联接的强度计算松螺栓联接：无预紧力，只有工作拉力紧螺栓联接：有预紧力，还有工作拉力1失效形式2设计步骤3松螺栓联接强度设计4紧螺栓联接强度设计仅受预紧力的紧螺栓联接受横向载荷的紧螺栓联接受轴向载荷的紧螺栓联接受偏心载荷的紧螺栓联接机械设计基础——联接螺栓组联接311失效形式失效形式：1.螺栓杆拉断（普通螺栓）2.螺纹压溃和剪断（受剪螺栓）3.经常装拆因磨损而发生滑扣普通螺栓主要为螺纹部分发生断裂受剪螺栓(铰制孔螺栓)主要为压溃和剪切机械设计基础——联接322设计步骤一般设计步骤：螺栓组受力和失效分析→找出受力最大的螺栓→单个螺栓受力分析和失效分析→单个螺栓强度计算→确定螺栓的尺寸（直径、长度）试算法：先选定一个螺栓直径d——查[]——计算d1。若d1与d1’（假定的小径）相近，则合用；否则再选机械设计基础——联接333松螺栓联接强度设计受载荷形式——轴向拉伸(工作拉力F)失效形式——螺栓拉断(静、疲劳)设计准则——保证螺栓拉伸强度强度条件：

s≤[s]设计计算方法：校核式:设计式:机械设计基础——联接F34例题已知：吊钩上的载荷Fa=25kN,材料为35钢,许用拉应力[]=60N/mm2。确定螺纹解:查表得出：螺纹M27的d=27mm,d1=23.752mm，略大于所求的小径，合适。因此吊钩的螺纹可用M27。根据设计公式354紧螺栓联接强度设计(1)仅受预紧力的紧螺栓联接受载荷形式—拧紧后:轴向拉伸(工作拉力Fs)

拧紧过程中:轴向拉伸Fs、扭力T失效形式—螺栓拉断(拉、扭综合作用)设计准则—保证螺栓拉伸强度强度条件：

s’≤[s]设计计算方法：校核式:机械设计基础——联接TFsFs拧紧力矩T→剪应力τ预紧拉力FS→拉应力σ设计式:36（2）受横向载荷的螺栓联接A普通螺栓联接抵抗横向载荷的作用力结合面内的摩擦力决定摩擦力的因素螺栓的预紧力、接合面摩擦系数

37mF0fCFF0

CF/mf其中m：接合面C：可靠性系数（C=1.1-1.3)f:摩擦系数（0.15-0.2）针对常用材料的计算当f=0.15，C=1.2，m=1时F0

7F只靠摩擦力来承担横向载荷时，要求予紧力相当大，螺栓尺寸也将较大，不可靠，所以我们应避免采用此机构。一般采用减载装置。加装键、销或套筒承担横向载荷。38减荷措施减荷销减荷套筒减荷键螺栓起联接作用，载荷由减荷销、套筒、键承担减荷销、套筒、键的计算按剪切和挤压进行强度核算（材料力学）39(3)受轴向静载荷的紧螺栓联接受载荷形式—拧紧过程中:轴向拉伸Fs、扭力T工作时，再承受工作载荷F此时，螺栓所受的总拉力:F0=FS+F?机械设计基础——联接TFSFSFFF0F0×须根据静力平衡方程和变形协调条件求解40受力和变形关系变形协调条件:l1=lb=l机械设计基础——联接F0≠F+FSF0=F+F’S1bD1DbTFSFSFFF0F0FsFsF’sF’s预紧FS受载F螺栓被联接件拉力FS，伸长l1压力FS，压缩lb拉力F0,伸长l1+

l1压力F’S,压缩lb-lb未预紧未受力、无变形未受力、无变形FF41一般要求F’s=(0.2-1.8)F紧螺栓联接对残余预紧力FR的要求:保证被联接件的接合面不出现缝隙。当F没有变化时，F’s

＝(O.2-0.6)F；当F有变化时，F’s

＝(0.6-1.0)F；有紧密性要求的联接(如压力容器)，

F’s＝(1.5-1.8)F。42受轴向静载荷螺栓强度计算螺栓受到的总拉力F0=F+F’S则螺栓强度计算公式：机械设计基础——联接校核式:设计式:43（4）受剪螺栓连接铰制孔用螺栓的计算按剪切和挤压进行强度核算。44其中[p]、[]和S表7.8减载装置的强度计算公式与铰制孔的螺栓其强度相同。剪切强度挤压强度螺栓受剪切力和挤压力45螺栓组联接的基本受载类型：2．受横向载荷FSFS4．受倾覆力矩OM3．受转矩riOT1．受轴向载荷FFS假设：所有螺栓的刚度和预紧力均相同；被联接件为刚体；各零件的变形在弹性范围内。4.4螺栓组连接的受力分析与设计46§5-4螺栓组联接受力分析一、承受轴向载荷的螺栓组连接

如图所示为压力容器的螺栓组连接，所受轴向总载荷FQ通过螺栓组形心，螺栓组各螺栓所受的工作载荷相等。螺栓数目注：如FQ不通过螺栓组的形心，应向形心平移后再计算。螺栓组连接的设计轴向外载荷受轴向载荷的螺栓组连接

47受横向载荷1二、承受横向载荷的螺栓组连接１.普通螺栓连接

螺栓预紧后在被联接件的接触面上产生正压力，靠由此产生的摩擦力承受。

保证被联接件不相对滑动，须满足：则所需预紧力为式中：K－可靠性系数－结合面的摩擦因数m－结合面数螺栓组连接的设计受横向载荷的螺栓组连接

48受横向载荷2２.受铰制孔螺栓连接各螺栓承受的横向力相等。分别进行剪切强度和挤压强度计算。螺栓组连接的设计三、承受转矩T的螺栓组连接连接受载后有绕螺栓组形心转动的趋势，螺栓受力情况与承受横向工作载荷的螺栓连接类似

承受转矩的螺栓组连接

49承受转矩T时1１.普通螺栓连接

靠结合面上的摩擦力承受T。

保证底板在T作用下不转动，须满足≥则所需预紧力≥螺栓组连接的设计r1、r2、…rz——各螺栓中心与螺栓组形心间的距离。50承受转矩T时2２.铰制孔螺栓连接各螺栓所受的工作剪力与其中心到底板中心的距离成正比。底板的静力平衡方程为联立两式求解，得最大工作剪力即螺栓组连接的设计51受翻转力矩M时1四、承受倾翻力矩M的螺栓组连接

在M作用下，底板有绕通过螺栓组形心的轴线O转动的趋势。

在前述假设下，各螺栓所受的工作拉力与其中心到翻转轴线的距离成正比。底板的静力平衡方程为联立两式求解，得最大工作拉力螺栓组连接的设计52受翻转力矩M时2为防止结合面受压最小处出现间隙，要求：为防止结合面受压最大处被压溃，要求：式中：A－结合面的面积（mm2）W－结合面的抗弯截面模量（mm3）－许用挤压应力（Mpa）实际中，螺栓组往往同时承受两种或两种以上的载荷。螺栓组连接的设计工作时承受外载荷FP

轴向载荷FV横向载荷FH

翻转力矩M534.5螺栓材料和许用应力材料：一般用途：低碳钢或中碳钢(35~45及Q235~Q275)重要联接：合金钢（40Cr、30CrMnTi

）国标(GB/T3098.1_2000)规定螺栓按材料的力学性能分出十个等级：3.6,4.6,4.8,5.6,5.8,6.8,8.8,9.8,10.9,12.9规则：小数点前数字表示sB/100,小数点后数字表示10sS/sB如：5.8级：表示sB=500MPa，sS=400MPa许用应力：表7-1机械设计基础——联接计算螺栓小径时采用试算法来选用54已知：一钢制液压油缸，油缸壁厚t为10mm，油压P=1.6MPa，D=160mm，计算螺栓联接和螺栓分布圆直径。解：1计算工作载荷FE，取螺栓Z=8。552求总拉力

Fa=FE+FR=FE+1.8FE=2.8FE=2.84.02=11.3kN3求螺栓直径

s=355MPa(选取45号钢)S=3(装配时不要求严格控制预紧力)[]=s/S=355/3=118MPa计算出螺栓小径查附表7-1(P108)M=16，再查表7.9(P96)，S=3是正确的.56由P143注释可知，当p1.6MPa时,要求l7d，可知取的D0和Z是合适的.4确定螺栓的分布圆直径:从P137图10-9可得螺栓轴线到边缘的距离e=d+(3-6)=19-22螺栓的分布圆直径D0=D+2t+2e=160+210+2(19-22)=218-224取D0=220mm螺栓间距57

4.6提高螺栓联接强度的措施

降低螺栓总拉伸载荷Fa的变化范围；改善螺纹牙间的载荷分布；减少应力集中；避免或减少附加应力；采用塑性加工工艺。58一、降低螺栓总拉伸载荷Fa措施

1从减少螺栓的刚度的角度

减小螺栓光杆部分直径；采用空心螺杆；增加螺栓的长度。2从增大被联接件的刚度的角度密封时采用金属薄垫片；采用O形密封圈。59二改善螺纹牙间的载荷分布采用普通螺母时，轴向载荷在旋合螺纹各圈间的分布是不均匀的。第一圈受载最大；以后各圈递减；到第8-10圈以后，螺纹几乎不受载荷。

错误：采用圈数多的厚螺母提高联接强度×60改善螺纹牙间的载荷不均匀分布的措施采用悬置(受拉)螺母

（螺母锥形悬置段与螺栓杆为一起变形）采用环槽螺母61三减少应力集中增大过渡处园角；切制卸载槽。62四避免或减少附加应力不平整的表面；被联接件刚度不足；偏心钩头螺栓。63措施：支承面加工凸台、沉孔；采用斜垫片；加垫块或套筒。64五采用塑性加工工艺采用冷镦头部和辗压螺纹；采用表面硬化处理（如碳化、氮化和氰化）。65§4.7螺旋传动螺旋传动主要是把螺旋运动改变成为直线运动。螺旋传动的分类传力螺旋、传导螺旋、调整螺旋661传力螺旋以传递动力为主，要求用较小的力矩转动螺杆(或螺母)而使螺母(或螺杆)产生轴向运动和较大的轴向力。典型应用如起重和加压设备。672传导螺族以传递运动为主，要求有很高的运动精度。典型应用机床刀架或工作台的进给机构。

683调整螺旋调整并固定零件或部件之间的相对位置。典型应用调整带传动的初拉力。69螺杆和螺母的材料螺杆一般可用Q275、45、50；重要的用T12、40Cr、65Mn，要热处理；螺母铸造锡青铜ZCuSn10P1、ZCuSn5Pb1Zn5；重载低速用高强度铸铝青铜ZCuAl10Fe3；低速轻载可用铸铁。70螺旋传动的失效形式主要是螺杆螺纹磨损。还可能有螺杆在拉压塑性变形、螺杆失稳、螺纹牙剪断。螺旋传动的设计过程1设计螺杆的直径和螺母高度(耐磨性计算)2螺杆强度校核3螺杆的稳定性校核4螺纹牙强度校核711耐磨性计算通常限制压强p。校核公式引入系数设计公式梯形螺纹锯齿形螺纹722螺杆强度校核受拉、受扭要根据第四强度理论校核733螺杆的稳定性校核根据柔度计算临界载荷其中：l—螺杆的最大工作长度，—长度系数，I—螺杆危险截面惯性半径≥100时40＜＜100时≥470MPa的优质碳素钢≥370MPa的碳素钢＜40时，不要进行稳定性校核74校核公式四、螺纹牙强度校核校核公式754.8键联接一、键联接的分类及结构二、键的强度校核三、花键联接机械设计基础——联接76一、键联接的分类及结构目的：键是用来实现轴与轴上零件的周向固定以传递转矩（静联接），或实现轴上零件的轴向固定或轴向移动（动联接）它是标准件分类：机械设计基础——联接键联接松联接紧联接—楔键—（静联接，单向轴向固定）平键半圆键—（静联接）普通平键—（静联接）导向平键—（动联接）花键771松联接（1）平键联接结构:键两侧与键槽相配合(静联接为过渡配合,动联接为间隙配合),上端面与轮毂键槽底面有间隙工作原理:两侧面是工作面，靠两侧面挤压传递转矩失效形式:静联接：工