机械基础教学最好的PPT机械设计5螺纹联接(精品)

联接的类型机械联接有两大类：动联接和静联接。静联接又分为可拆联接和不可拆联接，其种类如下：静联接可拆联接不可拆联接螺纹联接键（包括非导向平键、花键、半圆键等）、销联接楔联接铆接焊接胶接弹性环联接过盈联接第5章螺纹联接与螺旋传动§5.1

螺纹§5.2

螺纹联接的类型与标准联接件§5.3

螺纹联接的预紧§5.4

螺纹联接的防松§5.5

螺纹联接的强度计算§5.6螺纹组联接的设计§5.7螺纹联接件的材料与许用应力§5.8提高螺纹联接强度的措施§5.9螺旋传动§5.1

螺纹一、螺纹的类型和应用

螺纹有外螺纹与内螺纹之分，它们共同组成螺旋副。螺纹按工作性质分为联接用螺纹和传动用螺纹。联接用螺纹的当量摩擦角较大，有利于实现可靠联接；传动用螺纹的当量摩擦角较小，有利于提高传动的效率。常用螺纹的类型主要有普通螺纹、米制锥螺纹、管螺纹、梯形螺纹、矩形螺纹和锯齿形螺纹。其中除矩形螺纹外，都已标准化。普通螺纹牙型为等边三角形，牙型角为60°。同一公称直径按螺距大小，分为粗牙和细牙。细牙螺纹的螺距小，升角小，自锁性好，联接强度高，因牙细不耐磨，容易滑扣。一般联接多用粗牙螺纹。§5.1

螺纹管螺纹或米制锥螺纹管螺纹：牙型角a＝55°，牙顶有较大的圆角，螺纹分布在圆锥管壁上。螺纹旋合后，利用本身的变形就可以保证联接的紧密性，不需要任何填料。适用于管子、管接头、旋塞、阀门和其它螺纹联接的附件。米制锥螺纹：牙型角a＝60°，牙顶为平顶，锥度为1:16。矩形螺纹牙型角a=0°的正方形，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。目前尚未标准化，已逐渐被梯形螺纹所代替。§5.1

螺纹牙型角a＝30°的等腰梯形。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。。梯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°。这种螺纹兼有矩形螺纹传动效率高、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。锯齿形螺纹§5.1

螺纹二、螺纹的主要参数大径d－即螺纹的公称直径。小径d1－常用于联接的强度计算。中径d2－常用于联接的几何计算。螺距P－螺纹相邻两个牙型上对应点间的轴向距离。牙型角a－螺纹轴向截面内，螺纹牙型两侧边的夹角。升角y－螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面间的夹角。线数n－螺纹的螺旋线数目。螺纹主要几何参数导程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。接触高度h。

§5.2

螺纹联接的类型与标准联接件一、螺纹联接的基本类型螺栓联接分普通螺栓联接和铰制孔用螺栓联接。

普通螺栓联接：被联接件的通孔与螺栓杆之间留有间隙。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直径的1.1倍。铰制孔用螺栓联接：被联接件通孔与螺栓杆之间采用基孔制过渡配合，联接能精确固定被联接件的相对位置，并能承受横向载荷，但对孔的加工精度要求较高。。§5.2

螺纹联接的类型与标准联接件2.螺钉联接和双头螺柱联接螺钉联接：螺钉联接的特点是螺钉直接拧入被联接件的螺纹孔中，结构简单紧凑。但当要经常拆卸时，易使螺纹孔磨损，故多用于受力不大，不需经常拆卸的场合。双头螺柱联接：双头螺柱联接适用于结构上不能采用螺栓联接的场合，且需要经常拆卸的场合。§5.2

螺纹联接的类型与标准联接件3.紧定螺钉联接紧定螺钉联接：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。除上述联接的基本类型外，在机器中，还有一些特殊结构的螺纹联接。如：T型槽螺栓联接地脚螺栓联接吊环螺钉联接§5.2

螺纹联接的类型与标准联接件二、标准螺纹联接件六角头螺栓：普通六角头螺栓的种类很多，应用最广。精度分为Ａ、Ｂ、Ｃ三级，通用机械中多用Ｃ级。螺杆部可制出一段螺纹或全螺纹，螺纹有粗牙和细牙之分。双头螺柱：螺柱两端都制有螺纹，两端螺纹可相同或不同，螺柱可带退刀槽或制成腰杆，也可制成全螺纹的螺柱。螺钉紧定螺钉标注示例：螺栓GB5782-86M1280§5.2

螺纹联接的类型与标准联接件自攻螺钉六角螺母：根据螺母厚度的不同，螺母分为标准螺母和薄型螺母两种。薄型螺母常用于受剪力的螺栓上或空间尺寸受限制的场合。螺母的制造精度与螺栓相同，分为Ａ、Ｂ、Ｃ三级，分别与相同级别的螺栓配用。垫圈圆螺母：圆螺母常与止动垫圈配用，装配时将垫圈内舌插入轴上的槽内，而将垫圈的外舌嵌入圆螺母的槽内，螺母即被锁紧。常作为滚动轴承的轴向固定用。§5.3

螺纹联接的预紧预紧力：螺纹联接在装配时需要拧紧，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。预紧目的：增强联接的可靠性和紧密性，以防止受载后被联接件间出现缝隙或发生相对移动。预紧力的确定原则：拧紧后螺纹联接件的预紧应力不得超过其材料的屈服极限ss的80%。预紧力的控制：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，对于重要的螺栓联接，也可以采用测定螺栓伸长的方法来控制预紧力。§5.3

螺纹联接的预紧测力矩扳手定力矩扳手卡盘圆柱销弹簧螺钉§5.3

螺纹联接的预紧采用测力矩扳手或定力矩扳手控制预紧力，准确性较差，也不适用与大型的螺栓联接。为此，可以采用测定螺栓伸长的方法来控制预紧力。§5.3

螺纹联接的预紧预紧力和预紧力矩之间的关系若使螺栓和被联接件之间产生预紧力F0，拧紧螺母时，需要克服螺旋副的螺纹力矩T1和螺母的承压面力矩T2，因此拧紧力矩T=T1+T2。

螺旋副的拧紧力矩式中，f为螺旋副间的摩擦系数；fc为螺母与支承面间的摩擦系数；v为螺旋副的当量摩擦角，拧紧力矩的近似值为§5.4

螺纹联接的防松在冲击、振动或变载荷作用下，或在高温或温度变化较大的情况下，螺纹联接中的预紧力和摩擦力会逐渐减小或可能瞬时消失，导致联接失效。防松的根本问题在于防止螺旋副相对转动。按工作原理的不同，防松方法分为摩擦防松、机械防松等。此外还有一些特殊的防松方法，例如铆冲防松、在旋合螺纹间涂胶防松等。对顶螺母防松弹簧垫圈防松§5.4

螺纹联接的防松自锁螺母防松开口销与六角螺母防松止动垫圈防松串联钢丝防正确不正确§5.5

螺纹联接的强度计算螺纹联接的失效形式：主要是指螺纹联接件的失效。对于受拉螺栓，其失效形式主要是螺纹部分的塑性变形和螺杆的疲劳断裂。对于受剪螺栓，其失效形式可能是螺栓杆被剪断或螺栓杆和孔壁的贴合面被压溃。螺栓联接强度计算的目的是根据强度条件确定螺栓直径，而螺栓和螺母的螺纹牙及其他各部分尺寸均按标准选定。螺栓联接的强度计算主要与联接的装配情况（预紧或不预紧）、外载荷的性质和材料性能等有关。螺纹联接的失效形式一、松螺栓联接强度计算松螺栓联接装配时，螺母不需要拧紧。在承受工作载荷之前，螺栓不受力。当承受工作载荷F时，螺栓所受的工作拉力为F

，则螺栓危险截面的拉伸强度条件为§5.5

螺纹联接的强度计算起重吊钩二、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或§5.5

螺纹联接的强度计算承受横向载荷的普通螺栓联接1．仅承受预紧力的紧螺栓联接进行仅承受预紧力的紧螺栓强度计算，应综合考虑拉伸应力和扭转切应力的作用。螺栓危险截面的拉伸应力为：螺栓危险截面的扭转切应力为根据第四强度理论，螺栓预紧状态下的计算应力为：§5.5

螺纹联接的强度计算减载销螺栓危险截面的拉伸强度条件为：为了提高螺栓联接的可靠性，可采用具有减载零件的紧螺栓联接，其联接强度按减载零件的强度条件计算。减载套筒减载键§5.5

螺纹联接的强度计算受预紧力和工作拉力的螺栓联接2．承受预紧力和工作拉力的紧螺栓联接这种紧螺栓联接承受轴向拉伸工作载荷后，由于螺栓和被联接件的弹性变形，螺栓所受的总拉力并不等于预紧力和工作拉力之和。总拉力还受到螺栓刚度及被联接件刚度的影响，见单个紧螺栓联接受力变形图。螺栓受预紧力F0后，在工作拉力F的作用下，螺栓的总拉力为F2。设：F1为残余与紧力，b为螺栓受F0拉伸作用时的伸长量；m为被联接件在F0压缩作用下的压缩量；F2为螺栓承受工作载荷F时的总拉力，相应的总伸长量为b+。§5.5

螺纹联接的强度计算显然，螺栓的总拉力等于残余预紧力与工作拉力之和，即下面推导螺栓预紧力F0与残余预紧力F1、总拉力F2、工作载荷F之间的关系。根据虎克定律得：式中，Cb、Cm分别表示螺栓和被联接件的刚度，为常量。§5.5

螺纹联接的强度计算关键：螺栓变形量的改变等于被联接件变形量的改变且符号相反。各载荷之间的关系：为了保证联接的紧密性，防止联接受载后结合面产生缝隙，应使F1>0。式中：为螺栓的相对刚度，其取值范围为0~1。静强度条件：考虑到螺栓可能需要补充拧紧，将总拉力增加30%以考虑扭转切应力的影响。于是螺栓危险截面的拉伸强度条件为

§5.5

螺纹联接的强度计算疲劳强度校核

对于受轴向变载荷的联接，还应对螺栓的疲劳强度作精确校核。校核方法如下：

当工作拉力在0~F之间变化时，螺栓所受拉力变化范围为F0~

F2，螺栓危险截面的最大和最小拉应力分别为

§5.5

螺纹联接的强度计算应力幅为按σmin=C进行疲劳强度较核计算，得最大应力计算安全系数设计步骤：求工作拉力F；选定残余预紧力F1；计算螺栓总拉力F2；进行螺栓强度计算。§5.5

螺纹联接的强度计算螺栓杆的剪切强度条件为：3．承受工作剪力的紧螺栓联接对于铰制孔螺栓联接，应分别按挤压及剪切强度条件计算。计算时假设螺栓杆与孔壁表面上的压力分布是均匀的，且不考虑预紧力和摩擦力矩的影响。螺栓杆与孔壁的挤压强度条件为：承受工作剪力的紧螺栓联接§5.6

螺栓组联接的设计一、螺栓组联接的结构设计大多数机械中螺栓都是成组使用的。在设计螺栓组联接时，关键是联接的结构设计。它是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。各螺栓之间的距离大小既要保证联接的可靠性又要考虑装拆方便，还应留有足够的扳手空间。为了便于加工制造和对称布置螺栓，保证联接结合面受力均匀，通常联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。

避免螺栓承受附加的弯曲载荷。§5.6

螺栓组联接的设计二、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，求出受力最大的螺栓及其所受的力，以便进行螺栓联接的强度计算。受力分析时的假设：1)所有螺栓的材料、几何尺寸和预紧力均相同；2）螺栓组的对称中心与联接接合面的形心重合；3）受载后联接接合面仍保持为平面。受横向载荷的螺栓组联接

1．受横向载荷的螺栓组联接计算假设：在横向总载荷F的作用下，各螺栓所承担的工作载荷均相等。对于铰制孔用螺栓联接，每个螺栓所受的横向工作剪力为§5.6

螺栓组联接的设计受横向载荷的螺栓组联接

设各螺栓所需预紧力均为F0，其平衡条件为式中z为螺栓数目

对于普通螺栓联接，应保证联接预紧后，结合面间所产生的最大摩擦力必须大于或等于横向载荷。或式中，f为接合面间的摩擦系数；i接合面数；Ks防滑系数。§5.6

螺栓组联接的设计受转矩的螺栓组联接2．受转矩的螺栓组联接

如图所示，采用普通螺栓联接时，假设各螺栓预紧程度相同，且摩擦力集中作用在螺栓中心处。根据作用在底板上的力矩平衡条件，fFfFTriOOTFrF

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。§5.6

螺栓组联接的设计受轴向载荷的螺栓组联接3．受轴向载荷的螺栓组联接

如图所示，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+F§5.6

螺栓组联接的设计受倾覆力矩的螺栓组联接倾覆力矩M作用在联接接合面的一个对称面内，底板在承受倾覆力矩之前，螺栓已拧紧并承受预紧力F0。作用在底板两侧的合力矩与倾覆力矩M平衡，即：最大工作载荷：4．受倾覆力矩的螺栓组联接§5.6

螺栓组联接的设计代表由于加载而在地基接合面上产生的附加挤压应力的最大值，为防止结合面受压最大处被压碎或受压最小处出现间隙，要求：计算受倾覆力矩的螺栓组的强度时，先由预紧力、最大工作载荷确定受力最大的螺栓总拉力F2，即在实际使用中，螺栓组联接所受的工作载荷常常是以上四种简单受力状态的不同组合。§5.7

螺纹联接件的材料与许用应力一、螺纹联接件材料国家标准规定螺栓、螺柱、螺钉的性能等级分为10级，螺母的性能等级分为7级。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。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。二、螺纹联接件的许用应力螺纹联接件的许用拉应力螺纹联接件的许用剪应力和许用挤压应力（被联接件为钢）（被联接件为铸铁）§5.8

提高螺纹联接强度的措施螺纹联接的强度主要取决于螺栓的强度，主要影响因素有：螺纹牙的载荷分配、应力变化幅度、应力集中、附加应力和材料的机械性能等。一、降低影响螺栓疲劳强度的应力幅

所以采取如下措施都可以达到减小总拉力的变动范围：

减小螺栓的刚度适当增加螺栓长度，减小螺栓杆截面积，在螺母下面安装弹性元件

增大被联接件的刚度不用垫片或采用刚度较大的垫片§5.8

提高螺纹联接强度的措施二、改善螺纹牙上载荷分布不均的现象螺栓和螺母螺纹牙所受的载荷主要集中在螺纹牙的最初几圈上，加厚螺母不能提高连接强度，应从改善结构入手。通常采用均载螺母结构。螺母体螺栓杆F旋合螺纹变形示意普通螺母加厚螺母旋合螺纹间的载荷分布§5.8

提高螺纹联接强度的措施三、减小应力集中的影响减小应力集中影响可以在螺栓上的螺纹、螺栓头和螺栓杆的过渡处以及螺栓横截面突变处等应力集中较大处卸荷结构来达到。加大圆角卸载槽卸载过渡结构§5.8

提高螺纹联接强度的措施为了避免螺纹联接产生附加弯曲应力，可以采取球面垫圈等措施来达到；同时应对螺母、螺栓头部和被联接件的支承面加工要求。球面垫圈腰环螺栓联接四、采用合理的制造工艺方法可采用冷镦螺栓头部和滚压螺纹的工艺方法，热处理方法等。冷镦和滚压加工螺栓中的金属流线§5.9

螺旋传动一、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，同时传递动力。根据螺杆和螺母的相对运动关系，螺旋传动的常用运动形式主要有两种：一是螺母移动，另一是螺杆移动。螺旋传动按其用途不同，可分为以下三种类型：

1）传力螺旋，2）传导螺旋和3）调整螺旋。螺旋传动按其螺旋副的摩擦性质不同，又可分为滑动螺旋、滚动螺旋和静压螺旋。§5.9

螺旋传动二、滑动螺旋的结构和材料

1．滑动螺旋的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，主要考虑工作刚度与精度和支承结构有直接关系。螺母的结构有整体螺母、组合螺母和剖分螺母等形式，主要考虑轴向间隙的补偿问题。组合螺母

2．滑动螺旋的材料螺杆的材料要有足够的强度和耐磨性。螺母的材料除了要有足够的强度外，还要求在与螺杆材料相配合时摩擦系数小和耐磨。§5.9

螺旋传动三、滑动螺旋传动的设计计算通常，滑动螺旋的失效形式主要是螺纹磨损，其设计是根据耐磨性条件进行。同时，根据不同工作条件和要求，还可能进行如下计算：螺杆危险截面及螺母螺纹牙的强度计算、自锁性校核、刚度校核或计算、稳定性校核、临界转速校核等。在设计时，应根据可能的失效形式选择不同的设计准则，不必逐项进行校核。

1．耐磨性计算滑动螺旋的耐磨性计算，主要是限制螺纹工作面上的压力，其强度条件：螺旋副受力§5.9

螺旋传动设计计算时，可令=H/d2，代入上式，求出d2，然后选取相应的公称直径及螺距。对有自锁性要求的螺旋传动，应校核自锁条件：计计算时，可令=H/d2，代入上式，求出d2，然后选取相应的公称直径及螺距。§5.9

螺旋传动式中，F为螺杆所受的轴向压力（或拉力），T为螺杆所受的扭矩，

2．螺杆的强度计算螺杆工作时承受轴向力F和扭矩T作用，校核螺杆强度时应根据第四强度理论求出危险截面的计算应力，其强度条件为

3．螺母螺纹牙的强度计算螺纹牙多发生剪切和挤压破坏，一般螺母材料强度低于螺杆，故只需校核螺母螺纹牙的强度。其剪切强度条件为§5.9

螺旋传动弯曲强度条件为当螺杆和螺母的材料相同时，应校核螺杆螺纹牙的强度螺母螺纹圈的受力

4．螺母外径与凸缘的强度计算对于非标准结构的螺母，应对可能产生破坏的部位进行强度校核。

5．螺杆的稳定性计算对于长径比大的螺杆，应进行稳定性计算。螺杆的稳定性条件为单个紧螺栓联接受力变形图未预紧已预紧已承受工作载荷螺栓的布置对受力的影响合理不合理对于铰制孔用螺栓联接，不要在平衡于工作载荷的方向上成排地布置８个以上的螺栓，以免载荷分布过于不均；当螺栓联接弯距或转距时，应使螺栓的位置适当靠近联接接合面的边缘，以减少螺栓的受力