哈工大机械设计课件第三章

静连接:在机器中,把两个零(部)件连接起来使之没有相对运动的机械连接称为机械静连接,简称连接1连接－指被连接件与连接件的组合被连接件－轴与轴上的零件，箱体与箱盖等连接件－又称紧固件，如螺栓、螺母，键、销釘等2连接分类按被连接件运动情况动连接（按需要变化）静连接（不允许变化）机械制造中的“连接”常指“静连接”连接的定义及分类第三章螺纹连接螺纹连接是利用螺纹零件构成的连接特点：构造简单，拆装方便，工作可靠，标准件，应用广8.2节螺旋传动是利用具有螺纹的零件来实现回转运动与直线运动之间的转换，同时也传递力和转矩不可拆连接按拆开是否破坏连接件{可拆连接

连接用螺纹的当量摩擦角较大，有利于实现可靠连接；传动用螺纹的当量摩擦角较小，有利于提高传动的效率。

3.1螺纹螺纹{外螺纹内螺纹螺旋副{连接用螺纹传动用螺纹(螺纹按工作性质分)

螺纹3.1.2螺纹的主要参数除矩形螺纹外，其他螺纹的参数均已标准化。有米制和英制两种标准尺寸。在我国，除管螺纹保持英制外，其他都采用米制，国际上多数国家也采用米制，少数用英制。

要求：学会按标准选择，设计计算。以普通圆柱外螺纹为例：一般有10个参数。螺纹的形成螺纹的类型与特点2普通螺纹的主要参数螺纹大径d－即螺纹的公称直径。螺纹小径d1－常用于连接的强度计算。中径d2－常用于连接的几何关系计算。螺距P－螺纹相邻两个牙型在中径线上对应点间的轴向距离。线(头)数n－螺纹的螺旋线数目。一般导程Ph－同一条螺旋线上相邻两个牙型在中径线上对应点间的轴向距离，Ph=nP。

旋向：螺旋线绕行的方向右旋，左旋牙型角---轴向剖面内螺纹牙型两侧边的夹角牙侧角---螺纹牙型侧边与螺纹轴线的垂线的夹角螺纹升角ψ－螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面间的夹角。3.1.1常用螺纹类型及特点螺纹的分类：按牙形：普通螺纹、矩形螺纹、梯形螺纹、锯齿形螺纹、管螺纹按母体形状：圆柱螺纹、圆锥螺纹对螺纹的要求：足够的强度和良好的工艺性连接螺纹：自锁管螺纹：紧密性、气密性传动螺纹：效率高调整螺纹：精度高起重螺纹：效率高、自锁性好1普通螺纹特点：牙型为等边三角形，螺纹的牙型角=2=60。牙侧角大，因为所以自锁条件故自锁性好，主要用于连接细牙螺纹与粗牙螺纹的比较粗牙：常用同一公称直径的螺纹按螺距的大小分为粗牙螺纹和细牙螺纹细牙：同样的d下：细牙的d1大，强度高细牙的d2大，p小小，自锁性能好细牙的缺点：牙小，相同载荷下磨损快，易脱扣细牙的应用场合：常用于承受冲击、振动及变载荷、或空心、薄壁零件上及微调装置中2、矩形螺纹特点：牙形为正方形，=0，f’小小高矩形螺纹：效率高，用于传动,牙根强度弱，加工困难，磨损后不易补偿，常被梯形螺纹代替非标准3、梯形螺纹特点：=2=30。比矩形螺纹效率略低。牙根强度高，易于对中，易于制造，剖分螺母可消除间隙，在螺旋传动中有广泛应用。4、锯齿形螺纹特点：工作边=3，非工作边=30，便于加工。它综合了矩形螺纹效率高和梯形螺纹牙根强度高的优点,能承受较大的载荷,但只能用于单向传动5、圆柱管螺纹

特点：用于管件连接的三角螺纹，=55以管子内径为公称直径6、圆锥螺纹特点：螺纹均布在锥度为1:16的管上,=55或60螺纹面间没有间隙，不用填料，靠牙变形，密封性好，适用于高温、高压的连接3.1.3

螺纹的公差和精度管螺纹—工作状态下内、外螺纹间有一定的过盈量—气密性丝杠——螺距误差小，空行程小——足够的位移精度普通螺栓—可靠性，可旋入性只介绍普通螺纹的有关公差精度方面的知识1.普通螺纹的公差等级及精度GB/T197-2003规定：公差等级有3，4，5，6，7，8，9共七级精度有精密级，中等级和粗糙级共3种。3级公差精度最高6级公差为基本级9级公差精度最低2.螺纹标记和螺纹副标记示例3.1.4螺纹副的受力关系、效率和自锁

圆周力F：拧紧时松开时效率：拧紧时松开时式中:f--摩擦系数F′

--轴向力,N--当量摩擦系数′--当量摩擦角当不受外力作用时，螺纹副要松开自锁：自锁条件3.2螺纹连接的类型与标准连接件3.2.1螺纹连接的基本类型螺栓连接

螺钉连接双头螺柱连接紧定螺钉连接受拉螺栓连接(普通螺栓连接）受剪螺栓连接（铰制孔螺栓连接）1、螺栓连接用螺栓穿过被连接件的光孔后拧紧螺母的连接。用于连接2个不太厚的零件。连接方式有两种。a）普通螺栓连接。加工、装拆方便，应用十分广泛。b）铰制孔螺栓连接。孔需精加工，螺栓也用铰制孔用螺栓，螺栓与孔采用过渡配合，主要承受横向载荷，兼起定位作用。2、螺钉连接当被连接件之一受结构限制，有下列4种情况之一时采用。不能开通孔希望结构紧凑希望有光整的外露表面无法装拆螺母注意：螺钉连接不易用在经常拆卸的场合，以免损坏被连接件的螺纹孔。简化画法标准画法3、双头螺柱连接

当需要螺钉连接，又要经常拆卸或螺钉无法安装时用。注意在结构上的特殊要求一般情况下：螺纹孔深度>螺柱座端长度

安装时，螺柱座端全部拧入螺纹孔中，靠螺纹尾部横向压紧，紧定在螺纹孔中，拆时也不旋出螺柱。简化画法头部中段座端标准画法螺纹孔深4、紧定螺钉连接b）顶入相应的坑槽中a）顶住被连接件表面固定相对位置传递不大的力常用来连接、固定2个零件相对位置的情况，有时也可以传递不大的力和力矩。结构特点：被连接件之一有螺纹孔，另一个没有900

除上述连接的基本类型外，在机器中，还有一些特殊结构的螺纹连接。如：T型槽螺栓连接、吊环螺钉连接和地脚螺栓连接等。吊环螺钉3.2.2标准螺纹连接件

螺纹连接的类型很多，在机械制造中常见的螺纹连接件的结构型式和尺寸都已经标准化，设计时可以根据有关标准选用。

普通型防冲击铰制孔防松孔螺栓紧固件结构图紧定螺钉末端一般有较高硬度典型头部结构典型末端结构顶入凹坑、可传递一定的力软表面，不常调整硬表面，常调整其它标准螺纹连接件简介其它标准螺纹连接件简介其它标准螺纹连接件简介英制木螺丝碟形螺帽轻钢结构用螺钉鱼尾螺栓3.2.3螺纹连接零件常用材料和机械性能等级1、常用材料：普通连接：低碳钢，中碳钢，如:Q215、Q235和10、15、35、45号钢变载荷或有冲击、振动的重要连接：合金钢，如:40Cr、15MnVB、30CrMnSi螺母材料一般较相配合的螺栓的硬度低20~40HBW2、螺纹连接精度等级GB/T3103.1-1982规定了3个精度等级，代号：A、B、C，A级最高。它们对应螺纹的性能。选用条件：A级用于要求配合精确的连接B级用于受载较大，经常拆卸的场合C级用于一般连接。常用螺纹连接一般选用C级。螺纹的性能等级和机械性能可查表。螺栓、螺钉、螺柱性能等级

（摘自GB3098—1982）（1988年确认）

性能等级

3．6

4．6

4．8

5．6

·5．8

6．8

8．8

9．8

10．9

12．9抗拉强度极限σbmin（MPa）

330

400

420

500

520

600

800

900

1040

1220屈服极限σsmin（MPa）

190

240

340

300

420

480

640

720

940

1100

硬度

（HBw）

90

114

124

147

152

181

240

276

304

366

推荐材料低碳钢低碳钢或中碳钢低碳合金钢或中碳钢淬火并回火中碳钢，低中碳合金钢淬火并回火合金钢

注：1.性能等级的标记代号含义：“.”前的数字为公称抗拉强度极限σb的1/100，“.”后的数字为屈强比的10倍，即（σs/σb）﹡10。2.规定性能等级的螺栓、螺母在图纸上只注性能等级，不应标出材料牌号。C级A,B级3、螺母性能等级

摘自GB3098.2—1982）（1988年确认）布置大作业13.3螺纹连接的预紧与防松

大多数螺纹连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。

增强连接的可靠性和紧密性，以防止受载后被连接件间出现缝隙或发生相对移动。

预紧力：

预紧的目的：预紧力过大，会使连接超载预紧力不足，可能导致连接失效重要的螺栓应控制预紧力3.3.1螺纹连接的拧紧力矩及其控制方法拧紧螺母时的预紧力和力矩螺纹副间摩擦力矩螺母与支撑面间摩擦力矩

注意：对于重要的连接，应尽可能不采用直径过小(＜M12)的螺栓。将常用的钢制M10~M68普通螺栓的数据代入后平均可得：

利用控制拧紧力矩的方法来控制预紧力的大小。通常可采用测力矩扳手或定力矩扳手，对于重要的螺栓连接，也可以采用测定螺栓伸长的方法来控制预紧力。

预紧力的控制：螺纹联接的防松3.3.2螺纹连接的防松

螺纹连接一般都能满足自锁条件，不会自动松脱。但在冲击、振动或变载荷作用下，或在高温或温度变化较大的情况下，螺纹连接中的预紧力和摩擦力会逐渐减小或可能瞬时消失，导致连接失效。按工作原理摩擦防松（保持摩擦力矩，阻止相对转动）机械防松（用机械办法约束螺旋副）永久防松（将螺母与螺栓焊死、铆死和胶住）防松的根本问题在于防止螺纹副相对转动一摩擦防松1双螺母2弹簧垫圈3、锁紧螺母1）拧紧螺母时，利用嵌在螺母内的弹性环或尼龙圈挤入旋合螺纹中防松2）螺母椭圆口的弹性变形箍紧螺杆二机械防松三永久防松3.4螺栓组连接的设计

在设计螺栓组连接时，关键是连接的结构设计。它是根据被连接件的结构和连接的用途，确定螺栓数目和分布形式。3.4.1螺栓组连接的结构设计

各螺栓之间的距离大小既要保证连接的可靠性又要考虑装拆方便，还应留有足够的扳手空间。大多数机械中螺栓都是成组使用的。为了便于加工制造和对称布置螺栓，保证连接结合面受力均匀，通常连接结合面的几何形状都设计成轴对称的简单几何形状。

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。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。产生偏心载荷的原因

受力分析的目的：根据连接的结构和受载情况，求出受力最大的螺栓及其所受的力，以便进行螺栓连接的强度计算。

受力分析时所作假设：1被连接件是刚体2各螺栓的拉伸刚度或剪切刚度（即螺栓的材料、直径、长度）及预紧力均相同3螺栓的应变在弹性范围内3.4.2螺栓组连接的受力分析

1．受横向载荷2．受转矩3．受轴向载荷4．受倾覆力矩

受力分析的类型：1、受轴向载荷FQ的螺栓组连接FQ2、受横向载荷FR的螺栓组连接（1）普通螺栓连接式中：f—接合面间摩擦系数

m—接合面数

Kf—考虑摩擦系数不稳定及靠摩擦传力有时不可靠而引入的可靠性系数一般Kf=1.1~1.3FRFR(2)用绞制孔螺栓连接FRFR3、受旋转力矩T的螺栓组连接(1)采用普通螺栓连接时，靠预紧后在接合面上各螺栓处摩擦力对形心的力矩之和平衡外加力矩T式中:r1、r2、...rz——各螺栓中心至螺栓组形心O的距离

Kf—可靠性系数f—接合面间摩擦系数（2）采用绞制孔用螺栓连接时，忽略接合面上的摩擦力，外加力矩T靠螺栓所受剪力对底板旋转中心的力矩之和来平衡根据螺栓变形协调条件4、受倾覆力矩M的螺栓组连接受倾覆力矩的螺栓组联接除要求螺栓强度足够外，还应保证接合面既不出缝隙也不被压馈接合面右端应满足：接合面左端应满足：由上面的2个公式分别求得预紧力F′，并取其中较大值,求出工作拉力Fmax，算出作用在螺栓上的总拉力F0后，再求出所需螺栓直径螺纹联接的强度计算13.5单个螺纹连接的强度计算

螺栓连接的强度计算主要与连接的装配情况（预紧或不预紧）、外载荷的性质和材料性能等有关。强度计算的目的：确定螺栓直径螺栓和螺母的螺纹牙及其他各部分尺寸均按标准选定。

单个螺栓需要考虑强度的部位有：螺纹根部剪切、弯曲，螺杆截面拉伸、扭转等螺纹部分与螺杆保持等强度，因此可以只计算螺杆3.5.1松螺栓连接3.5.2紧螺栓连接的强度计算受横向载荷的紧螺栓连接

受轴向载荷的紧螺栓连接1、受横向载荷的紧螺栓连接

（1）普通螺栓连接对于常用的M10~M68的普通螺栓螺栓的当量应力（第四强度理论）螺栓的强度条件为：设计公式校核公式公式表明：1）螺栓的拉应力增加了30%，相当于考虑了剪应力。

2）公式只适用于单头普通螺纹，1.3必须乘在拧紧时所产生的轴向力上，对于矩形螺纹乘1.2，梯形螺纹乘1.25。（2）铰制孔螺栓连接

螺栓杆的剪切强度条件为:螺栓与孔壁的挤压强度条件为：MPaMPa—螺栓抗剪面直径，mm式中m—螺栓抗剪面数目—螺栓杆与孔壁挤压面的最小高度mm，设计时应使—螺栓的许用剪切应力，MPa

—螺栓或孔壁材料的许用挤压应力，MPa2．受轴向载荷的紧螺栓连接

螺栓预紧力F’后，在工作拉力F的作用下，螺栓的总拉力F0=?（1）受力分析力与变形关系演示由螺栓的静力平衡条件，可得：＊＊根据变形协调条件＊＊螺栓的相对刚度当工作载荷F过大或预紧力F’过小时，接合面会出现缝隙，导致连接失去紧密性，并在载荷变化时发生冲击。为此必须保证：对紧固连接：静载时：变载时：对气密连接：（2）静强度计算或MPamm式中—紧螺栓连接的许用拉应力（3）疲劳强度计算

对于受变载荷的螺栓连接，按静强度设计尺寸后，还需进行疲劳强度校核螺栓危险截面上的最大、最小拉应力和应力幅为：疲劳强度条件为MPaMPa式中—有效应力集中系数（查表3.8）—螺纹制造工艺系数

—尺寸系数—安全系数—螺栓材料的对称拉压疲劳极限约等于0.45σB3.5.3螺栓连接的许用应力表3-9螺栓许用剪应力及许用挤压应力3.5.4受轴向工作拉力作用的紧螺栓连接设计流程图P48例3.13.6提高螺纹连接强度的措施

以螺栓连接为例，螺栓连接的强度主要取决于螺栓的强度，因此，提高螺栓的强度，将大大提高连接系统的可靠性。

影响螺栓强度的因素主要有以下几个方面改善螺纹牙上载荷分布不均的现象降低影响螺栓疲劳强度的应力幅减小应力集中的影响3.6.1改善螺纹牙上载荷的分配均载螺母1均载螺母2均载螺母3采用钢丝螺套：选用较软的螺母材料，弹性模量小，容易变形，也可改善螺纹牙受力不均的情况3.6.2避免螺栓承受附加额外载荷在铸、锻件表面上安装螺栓时，制做凸台或沉头座孔支承面为斜面时，采用斜垫圈采用球面垫圈3.6.3提高疲劳强度的措施1减小应力幅减少螺栓刚度增加被连接件刚度8.2螺旋传动8.2.1螺旋传动的类型和应用

螺旋传动是利用螺杆和螺母组成的螺旋副来实现传动的。它主要用于将回转运动转变为直线运动，同时传递力和转矩。按用途不同调整螺旋传力螺旋

传导螺旋

按螺旋副摩擦性质不同静压螺旋滑动螺旋滚动螺旋滑动螺旋的失效形式有：螺纹磨损、螺杆断裂、螺纹牙根剪断和弯断、受压螺杆很长时还可能失稳螺杆的材料：要求有足够的强度常用35、45号钢;需经热处理以达到高硬度的重要螺杆，则常用合金钢，如65Mn、40Cr、T12、20CrMnTi等8.2.2滑动螺旋的失效形式和材料螺母材料：除要有足够的强度外，还要求在与螺杆配合时摩擦系数小并且耐磨重载低速时用强度较高的铸造青铜ZCuAl10Fe3或铸造黄铜ZCuZn25Al6Fe3Mn3低速不重要的螺旋传动也可用耐磨铸铁或灰铸铁螺旋传动2滑动螺旋的结构整体螺母组合螺母剖分螺母螺母结构:

滑动螺旋的结构主要是指螺杆、螺母的固定和支承的结构形式。螺旋传动的工作刚度与精度等和支承结构有直接关系。

螺旋传动3

8.2.3滑动螺旋传动的设计计算设计方法和步骤：1．耐磨性计算螺纹的磨损多发生在螺母上滑动螺旋的耐磨性计算，主要是限制螺纹工作面上的压力

假想螺纹牙可以展成一长条，设螺旋的轴向载荷为F，螺母旋合高度为H、螺距为p，螺纹旋合圈数为Z=H/p、螺纹工作高度为h、承压面积为A，螺纹工作面上的压强为ps。则螺纹的耐磨性条件为：若按耐磨性条件设计螺纹中径d2时，可引用系数以消去Hmm对于矩形和梯形螺纹，h=0.5p,则对于锯齿形螺纹，h