机械设计课件-螺纹联接

联接动联接运动副静联接可拆联接不可拆联接螺纹联接键联接花键联接销联接小过盈配合焊接铆接胶接大过盈配合第二篇联接第二篇联接第五章 螺纹联接和螺旋传动§5—1螺纹一、形成、类型及应用1.形成

S—导程

P—螺距ψ—升角螺旋线：螺纹：第五章 螺纹联接和螺旋传动。普通螺纹管螺纹矩形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹2.类型梯形牙矩形牙强度低锯齿形牙强度高效率高

公制英制

自锁性好(2)按用途分螺纹传动矩形：η最高，牙根强度弱，磨损后间隙不可调梯形：η高，强度高，双向传动锯齿形：η高,强度高,单向传动联接三角形普通粗牙：常用M20细牙：紧固、薄壁、微调圆锥圆柱英制α=55°圆锥公制α=60°管（3）按旋向分三角形螺纹：粗牙螺纹——用于紧固件

细牙螺纹——自锁性好，适于薄壁

细小零件和冲击变载等

右旋左旋（4）按线段分:螺旋线根数(单、多)单线:ψ小自锁性好联接多线:ψ大效率高传动小结:联接螺纹:单线、三角形螺纹（效率低，易自锁）传动螺纹:多线、矩形、梯形、锯齿形螺纹（效率高）二、主要参数d——大径公称直径M10d1——小径危险直径d2——中径平均直径d2=(d1+d)／2n——线数

p——螺距S——导程S=npα——牙形角ψ——升角

ψ=arctg公制：600英制：550β——牙侧角h——接触高度效率：自锁条件：§5-2螺纹联接的类型和标准联接件1.螺栓联接：被联接件不厚，必须打成通孔一、螺栓联接的基本类型2.双头螺柱联接：⑴被联接件不能打成通孔

⑵经常拆卸处⒊螺钉联接：⑴被联接件不能打成通孔

⑵不经常拆卸处⒋紧定螺钉联接：⑴用于轴向或周向固定

⑵传递不大的力或力矩普通螺栓联接铰制孔螺栓联接§5-2螺纹联接的类型和标准联接件普通螺栓双头螺柱螺钉螺钉联接紧定螺钉自攻螺钉普通螺栓联接铰制孔用螺栓联接盲孔双头螺柱联接螺钉联接紧定螺钉联接5其他：

地脚螺栓联接T型槽螺栓联接吊环螺栓联接二、标准螺纹联接件五大件：螺栓、双头螺栓、螺钉、螺母、垫圈★★自学（结构、特点、应用）★★螺母★★预紧的目的提高联接的紧密性防止联接松动提高联接件强度＃关键是控制预紧力Fo一、一般联接：预紧力F0碳素钢：F0≤(0.6～0.7)σSA1合金钢：F0≤（0.5～0.6)σSA1§5-3螺纹联接的预紧§5-3螺纹联接的预紧

二、重要联接：拧紧力矩TT=T1+T2T1：螺旋副摩擦阻力矩T2：螺母支承面的摩擦阻力矩对于普通粗牙螺纹M10~M68T≈0.2F0d※注意：对于重要联接d≥M12※∵一般扳手长度L=15dT=FL∴Qp=75F(拧紧力）当F=200NQp=15000NM12以下的螺栓以被拧断三、控制Qp的方法⒈测力矩扳手，定力矩扳手（不准确）⒉测量螺栓伸长量的方法（准确）定力矩扳手测力矩扳手冲击扳手§5-4螺纹联接的防松目的：防止螺旋副相对转动，以防止联接的松动，影响正常工作。静载荷温差小：靠本身自锁变载荷温差大：要有防松措施§5-4螺纹联接的防松

⒈摩擦防松：增大摩擦力，不可靠一防松方法：类型结构特点⒉机械防松：锁住螺旋副，可靠⒊不可拆卸防松：铆、冲、焊、胶接弹簧垫圈防松自锁螺母防松摩擦防松摩擦防松---对顶螺母防松机械防松机械防松----止动垫片机械防松----止动垫片机械防松

----串联钢丝串联金属丝铆冲焊接不可拆卸防松

§5-5螺纹联接的强度计算选择螺栓类型：轴向载荷倾覆力矩横向载荷转矩普通螺栓普通螺栓铰制孔用螺栓普通螺栓受拉螺栓铰制孔螺栓受剪螺栓§5-6螺纹联接的强度计算

失效形式：⒈受拉螺栓：静力或疲劳断裂⒉受剪螺栓：⑴接合面被压溃⑵螺栓杆被剪断设计准则：⒈受拉螺栓：⒉受剪螺栓：一受拉螺栓：普通螺栓㈠松联接（不预紧）例：拉杆、吊钩、定滑轮架等强度条件：或设计式：校核式:（二）紧联接（预紧）⒈只受预紧力（横向载荷、转矩）例：索引器、联轴器拉应力：根据第四强度理论：剪应力：＃＃近似处理强度条件：校核式:或设计式：⒉同时受预紧力和工作拉力（轴向载荷倾覆力矩）例：汽缸、高压容器⑴预紧未加工作载荷螺栓：拉伸变形为被联接件：压缩变形为单个紧螺栓联接受力变形图变形力力力λbλmλbλm△δF0F0F2FF1θ1θ2螺栓被联接件F0单个螺栓受力变形线图受预紧力⑵加入工作载荷螺柱：进一步拉伸变形为被联接件：放松F1

变形为受工作载荷后⑶螺栓的总拉力①②①选择有密封性要求时

一般联接，载荷稳定时

一般联接，载荷不稳定时地脚螺栓联接②根据横向载荷或转矩求出强度条件：螺栓的相对刚度，表5-4校核式:或设计式：⒊受轴向载荷（图5-18)工作拉力在0～F之间变化螺栓总拉力在Qp～

Q之间变化因此可知：★★按

⒈螺栓杆与孔壁的挤压条件：⒉螺栓杆的剪切强度条件：挤压面的最小高度光杆直径二受剪螺栓：铰制孔用螺栓§5-6 螺栓组联接的设计★★螺栓组联接一般均成组使用螺栓组联接设计内容｛结构设计受力设计一、结构设计目的：合理确定接合面的形状和螺栓组的布置⒈联接接合面为简单几何形状：圆形、环形、矩形、三角形，便于制造、受力均匀§5-5 螺栓组联接的设计

⒉螺栓的布置应保证受力合理⑴铰制孔用螺栓小于8⑵承受弯矩或转矩时，应靠边缘布置⒊合理的间距和扳手空间⒋同一圆周数为偶数（4、6、8等）且螺栓的直径材料长度均相同⒌避免承受附加弯曲载荷铸锻表面应制成凸台或沉头座倾斜面加斜面垫圈球面垫圈斜面垫圈的应用凸台与沉头座的应用斜面垫圈球面垫圈

二、螺栓组联接的受力分析目的：找出受力最大的螺栓和求出所受力，以便于强度计算。几种典型受力分析：

受横向载荷的螺栓组联接横向载荷：载荷作用线垂直螺栓轴线⒈普通螺栓组联接：要求接和面不滑移，靠摩擦力来抵抗横向载荷受横向载荷的螺栓组联接每个螺栓所受预紧力f接合面摩擦系数（表（5-7)i接合面数

防滑系数，

=1.1~1.52.铰制孔用联接靠螺栓杆受挤压和剪切来抵抗横向载荷每个螺栓所受剪力F受转矩T

防止底版绕对称中心O转动⒈普通螺栓联接：螺栓受预紧力特例：联轴器⒉铰制孔用螺栓组联接：螺栓受剪力F根据变形协调原则：距对称中心O越远，剪切变形量越大，所受工作剪力越大。

或或特例：联轴器受轴向载荷轴向载荷：载荷作用线平行螺栓轴线螺栓受拉力预紧力联合作用F2总拉力受倾覆力矩的螺栓组连接受倾覆力矩M

(图5-27)防止底板绕对称轴线OO翻转根据变形协调原则或两项验算：⒈接合面受压最大处不压溃接合面材料（表5-8)⒉接合面受拉最大处不出现间隙※注意：实际螺栓组受力为组合状况※普通螺栓联接：受拉力⒈按和M求工作拉力F⒉按和T求预紧力求Q总拉力铰制孔用螺栓联接：受剪力按和T求工作剪力

§5-7材料及许用应力一材料常用材料：螺栓一般：碳钢低碳钢Q215、10中碳钢Q235、35、45变载荷；合金钢低碳钢：15Cr高合金钢：40Cr、30CrMnSi特殊用途：防锈、防磁、导电耐高温§5-7材料及许用应力

螺母，垫圈：Q235、15、35弹簧垫圈：65Mn二许用应力许用拉应力：许用切应力：许拥挤压应力：钢：铸铁：表5-9安全系数表5-11§5-8提高螺栓联接强度的措施一降低应力幅，提高疲劳强度F,Qp

不变

减少螺栓刚度增加被联接件刚度Q降低应力幅⒈减少螺栓刚度⑴加长螺栓§5-8提高螺栓联接强度的措施⑵柔性螺栓：

空心腰杆⑶螺母下加弹性元件

⒉增加被联接件的刚度⑴刚度大的垫圈

⑵密封环（图5-32)⒊同时再增大预紧力Qp更有效（图5-29c)二改善牙间载荷分布不均螺母：受压Pm螺栓：受拉Pb第一圈变化最大第一圈承受1/3的载荷第八圈几乎不受载荷措施：使减小⑴拉伸螺母：悬置、环槽（图5-35)⑵内斜螺母：载荷上移、趋于均匀⑶环槽、内斜螺母：综合⑷钢丝螺套：均载、防震（图5-36)三减少应力集中

⒈加大圆角卸载槽螺尾退刀槽

⒉减小弯曲应力：凸台沉头座球面垫圈要环螺栓四合理的制造工艺⒈改车制为冷镦、滚压⒉表面处理：氮化、氰化、喷丸等108

QQ例2、设计图示螺纹联接：1.受拉螺栓2.受剪螺栓解：一）受力分析RTFSRFSRFSRFSRFSTFSTFSTFSTR=Q/2=10000NQT=R×300=3000000N.mm[例题]固定在钢制立柱上的铸铁托架已知：载荷P、底版尺寸[解]

1.螺栓组结构设计

2.螺栓组受力分析：向底板对称中心简化。

轴向载荷

轴向载荷

倾覆力矩3.螺栓受力分析上面两螺栓受力最大：4.在作用下，按底板接合面不滑移的条件，求出残余预紧力预紧力:5.螺栓所受总拉力Q6.强度计算7.螺栓组接合面的两项校核

（1）接合面不压溃

（2）接合面不产生间隙

1.组成螺旋副效率高｛螺杆螺母§5-9螺旋传动一、螺旋传动的类型和应用｛变转动为移动传递运动和动力2.作用§5-9螺旋传动丝杠3.类型（1）按用途分

传力螺旋：增力（千斤顶，压力机）

传导螺旋：传递运动（进给、分度）

调整螺旋：调节位置（相机、仪器）（2）按摩擦性质分

滑动螺旋：简单，易制造，易自锁，

滚动螺旋

静压螺旋}，精度高1.托杯；2.螺钉3.手柄；4.挡环5.螺母；6.紧订螺钉7.螺杆；8.底座9.挡环起重量Q（KN）1015202530起重高度H（mm）150200250280300手柄操作力P（N）150150200250250螺旋千斤顶的设计数据二、滑动螺旋的结构和材料

1.结构 螺杆：多线，梯形、锯齿形螺纹 螺母：整体：简单，间隙不可调 剖分 组合}间隙可调2.材料

要求：强度、耐磨性、减磨性、工艺性

螺杆（耐磨）

螺母（减磨）{一般：45等青铜ZCu10P1等重要：40Cr等螺旋副材料牌号应用范围Q235,Q275,45,50材料不经热处理，适用于经常运动，受力不大，转速较地的传动40Cr,65Mn,T12,40WMn,

8CrMnTi材料需经热处理，以提高其耐磨性，适用于重载、转速较高的重要传动螺杆

9Mn2V,CrWMn,

8CrMnAl材料需经热处理，以提高其尺寸稳定性，适用于精密传导螺旋传动ZCu10P1,ZCu5Pb5Zn5材料耐磨性好，适用于一般传动螺母ZCuAl9Fe4Ni4Mn2,ZCn25Al6Fe3Mn3材料耐磨性好，强度高，适用于重载、底速的传动。对于尺寸较大或高传动螺母可采用钢或铸铁制造，内孔浇注青铜或巴氏合金三、滑动螺旋传动的设计计算

主要失效形式：螺纹磨损

设计内容：

（1）按耐磨性计算确定主要参数d2H2

（2）其他失效形式的较核计算

（3）查手册确定螺旋的其他尺寸1.耐磨性计算{确定d2H2验算自锁条件（1）{较核：设计：{矩形、梯形：锯齿形(2)系数中{整体式剖分式载荷大、精度高、寿命长工作高度h{矩形、梯形：h=0.5p锯齿形：h=0.75p工作圈数许用应力（3）自锁条件摩擦系数f（4）按d2查手册确定（d，p）防止其他实效形式的校核2.螺杆的强度计算螺杆受力拉(压)力扭矩{第四强度理论：注：1）为材料屈服极限。

2）载荷稳定时，许用应力取最大值。3.螺母螺纹细牙的强度计算将一圈螺纹展开，相当悬臂梁

剪切强度条件：弯曲强度条件：b：根部厚度{矩形b=0.5p梯形b=0.6p锯齿形b=0.75p注：1）为材料屈服极限。

2）载荷稳定时，许用应力取最大值。4.螺母外径与凸缘的强度计算拉伸强度条件：注：考虑螺纹细牙摩擦力矩影响将Q增加20~30%挤压强度条件：弯曲强度条件：5.螺杆的稳定性计算Q>QcQ——轴向力Qc——临界载荷

稳定条件为：安全系数Ss

传力螺旋：Ss=3.5~5.0

传导螺旋：Ss=2.5~4.0

精密螺杆或水平螺杆：Ss>4临界载荷Qc：按柔度计算：长度系数，：惯性半径I：惯性矩（1）当时，按欧拉公式计算（2）当时对的普通碳素钢对的优质碳素钢（3）当时，不必进行稳定性较核。

注：如不满足要求时，应增大d1正、反螺旋快速调整结构镗刀差动螺旋微调结构问答题1.问：常用螺纹的类型主要有哪些？

答：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。2.问：哪些螺纹主要用于联接？哪些螺纹主要用于传动？

答：普通螺纹、米制锥螺纹、管螺纹主要用于联接。梯形螺纹、矩形螺纹和锯齿形螺纹主要用于传动。3.问：螺纹联接的基本类型有哪些？

答：螺栓联接、双头螺柱联接、螺钉联接、紧定螺钉联接。其它还有地脚螺栓联接、吊环螺钉联接和T型槽螺栓联接等。4.问：螺纹联接预紧的目的是什么？

答：预紧的目的在于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滑移。5.问：螺纹联接防松的方法按工作原理可分为哪几种？

答：摩擦防松、机械防松（正接锁住）和铆冲防松（破坏螺纹副关系）等。6.问：受拉螺栓的主要破坏形式是什么？

答：静载荷下受拉螺栓的损坏多为螺纹部分的塑性变形和断裂。变载荷下多为栓杆部分的疲劳断裂。7.问：受剪螺栓的主要破坏形式是什么？

答：螺栓杆和孔壁的贴合面上出现压溃或螺栓杆被剪断。8.问：为了提高螺栓的疲劳强度，在螺栓的最大应力一定时，可采取哪些措施来降低应力幅？并举出三个结构例子。

答：可采取减小螺栓刚度或增大被联接件刚度的方法来降低应力幅。1）适当增加螺栓的长度；2）采用减小螺栓杆直径的腰状杆螺栓或空心螺栓；3）在螺母下面安装弹性元件。9.问：螺纹联接设计时均已满足自锁条件，为什么设计时还必须采取有效的防松措施？

答：在静载荷及工作温度变化不大时，联接一般不会自动松脱。但在冲击、振动、载荷变化、温度变化较大或高温下均造成联接间摩擦力减小或瞬时消失或应力松驰而发生联接松脱。10.问：横向载荷作用下的普通螺栓联接与铰制孔用螺栓联接两者承受横向载荷的机理有何不同？当横向载荷相同时，两种

答：前者靠预紧力作用，在接合面间产生的摩擦力来承受横向力；后者靠螺栓和被联接件的剪切和挤压来承载。前者由于靠摩擦传力，所需的预紧力很大，为横向载荷的很多倍，螺栓直径也较大。

11.问：承受预紧力Fo和工作拉力F的紧螺栓联接，螺栓所受的总拉力F2是否等于Fo+F？为什么？

答：不等于。因为当承受工作拉力F后，该联接中的预紧力Fo减为残余预紧力F1，故F2=F1+F12.问：对于紧螺栓联接，其螺栓的拉伸强度条件式中的系数1.3的含义是什么？

答：系数1.3是考虑到紧联接时螺栓在总拉力F2的作用下可能补充拧紧，故将总拉力增加30%以考虑此时扭转切应力的影响。选择题1、采用普通螺栓联接的凸缘联轴器，在传递转矩时，＿＿。

A、螺栓的横截面受剪切B、螺栓与螺栓孔配合面受挤压

C、螺栓同时受剪切与挤压D、螺栓受拉伸与扭转作用2、当螺纹公称直径、牙型角、螺纹线数相同时，细牙螺纹的自锁性能比粗牙螺纹的自锁性能＿＿。

A、好B、差C、相同D、不一定3、用于联接的螺纹牙型为三角形，这是因为三角形螺纹＿＿。

A牙根强度高，自锁性能好B、传动效率高

C、防振性能好D、自锁性能差4、若螺纹的直径和螺旋副的摩擦系数一定，则拧紧螺母时的效率取决于螺纹的＿＿。

A、螺距和牙型角B、升角和头数C、导程和牙形斜角D、螺距和升角5、对于联接用螺纹，主要要求联接可靠，自锁性能好，故常选用＿＿。

A、升角小，单线三角形螺纹B、升角大，双线三