螺纹参数计算课件

第10章连

接内容§10-1螺纹参数§10-2螺旋副的受力分析、效率和自锁（重点）§10-3机械制造常用螺纹§10-4螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件§10-5螺纹连接的预紧和防松（重点）§10-6螺纹连接的强度计算（重点）§10-7螺纹的材料和许用应力§10-8提高螺栓连接强度的措施§10-9螺旋传动§10-10

滚动螺旋简介§10-11键连接和花键连接（重点）§10-12销联结常见的连接：由于使用、结构、制造、装配、运输等方面的原因，机器中很多零件需要彼此连接。连接的类型：螺纹连接键连接、花键连接、销连接弹性环连接等焊接铆接粘接连接可拆连接不可拆连接本章介绍的内容第10章连

接螺纹的形成：将一倾斜角为ψ的直线绕在圆住体上便形成一条螺旋线。如用平面图形三角形K

沿螺旋线运动并使K平面始终通过圆柱体轴线，就得到三角形螺纹。同样取平面图形K的形状如右上角任一图形，可得到矩形、梯形、锯齿形、管螺纹等。§10-1螺纹参数动画动画§10-1螺纹参数§10-1螺纹参数螺纹的主要参数大径d

——是螺纹的公称直径，与外螺纹牙顶(或内螺纹牙底)相重合的假想圆柱体的直径。小径d1——常用于强度计算，与外螺纹牙底(或内螺纹牙顶)相重合的假想圆柱体的直径。中径d2——常用于几何计算，一个假想圆柱体的直径，该圆柱的母线上牙型沟槽和凸起宽度相等。螺距P——相邻两螺纹牙在中径线上对应点间的轴向距离。线数n

：螺纹的螺旋线数目。导程S

：沿螺纹上同一条螺旋线转一周所移动的轴向距离，S=nP。螺纹升角ψ：中径d2圆柱上，螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面的夹角,如上图。牙型角a：在轴向截面内，螺纹牙型两侧边的夹角。牙侧角β：在轴向截面内，螺纹牙型一侧边与螺纹轴线的垂线之间的夹角。§10-1螺纹参数几个补充概念：机械效率：输入功与输出功之比。自锁：当机构无论受多大的驱动力时都无法运动的现象。总反力：运动副中法向反力与摩擦力的合力，称为运动副中的总反力。摩擦角：总反力与法向反力之间的夹角。其大小为：§10-2螺旋副的受力分析、效率和自锁nns=npvrFRFFayFad2dd1y矩形螺纹受力分析(牙侧角β=0°)基本假设：载荷分布在中线上；单面产生摩擦力。力学模型：内外螺纹旋合形成的螺旋副，旋紧或松开时，在驱动力矩和轴向载荷作用下的相对运动，可简化为作用在中径上的水平推力推动滑块沿中径展开的斜面上的运动。§10-2螺旋副的受力分析、效率和自锁nns=npvrFRFFay拧紧力矩为：§10-2螺旋副的受力分析、效率和自锁1.拧紧螺母时相当于滑块沿斜面上升拧紧力为：nns=npvρFRFFayFFRFaρ+ψ式中f′为当量摩擦系数，即式中ρ′=arctanf′，为当量摩擦角，β为牙侧角。非矩形螺纹受力分析(β≠0°)如下图所示，非矩形螺纹的法向力比矩形螺纹的大。若把法向力的增加看作摩擦系数的增加，则非矩形螺纹的摩擦阻力可写为§10-2螺旋副的受力分析、效率和自锁1.拧紧螺母当滑块沿非矩形螺纹等速上升时，可得水平推力：

F=Fatg(ψ+ρ′)相应的拧紧力矩2.松开螺母当滑块沿非矩形螺纹等速下滑时，可得：

F=Fatg(ψ-ρ′)相应的防松力矩为§10-2螺旋副的受力分析、效率和自锁若螺纹升角ψ小于当量摩擦角ρ′，则螺旋具有自锁特性，如不施加驱动力矩，无论轴向驱动力Fa多大，都不能使螺旋副相对运动。考虑到极限情况，非矩形螺纹的自锁条件可表示为

ψ≤ρ′

为了防止螺母在轴向力作用下自动松开，用于连接的紧固螺纹必须满足自锁条件。§10-2螺旋副的受力分析、效率和自锁§10-2螺旋副的受力分析、效率和自锁滑块沿斜面匀速上升（旋紧）滑块沿斜面匀速下滑（松开）水平推力驱动力矩效率自锁条件

§10-3机械制造常用螺纹动画§10-4螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件除上述基本类型以外，还有其它特殊连接：如地脚螺栓、吊环螺钉等。螺纹连接的基本类型螺栓连接双头螺栓连接螺钉连接紧定螺钉连接普通螺栓连接铰制孔螺栓连接§10-4螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件螺钉连接特点：孔与杆间有间隙、被连接件上需切制螺纹、装拆方便。适用场合：被连接件之一较厚，且不常装拆的场合。§10-4螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件双头螺栓连接特点：孔与杆间有间隙、被连接件上需切制螺纹、装拆方便。适用场合：用于被连接件之一较厚、经常装拆的场合。§10-4螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件紧定螺钉连接适用场合：多用于轴上零件的固定，传递较小的力。螺纹紧固件螺纹紧固件的种类繁多，有适应面广、用量大的通用螺纹紧固件，还有适应某种需要、具有特殊结构的专用螺纹紧固件。通用螺纹紧固件已标准化。常用的有螺栓、双头螺柱、螺钉、紧定螺钉、螺母和垫圈等，这类零件的结构型式和尺寸都已标准化，设计时可根据有关标准选用。§10-4螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件§10-4螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件动画§10-5螺纹连接的预紧和防松基本概念预紧：螺纹连接在装配时通常都要拧紧，这种拧紧称之为预紧。紧螺栓连接：装配时预紧的螺栓连接。松螺栓连接：不预紧的螺栓连接。预紧的目的：增加连接的刚度、紧密性，以防止螺纹连接的松脱。拧紧螺母时要克服螺纹副的阻力矩和螺母支承面间的摩擦力矩。对于紧螺栓连接，在装配时都要预紧，预紧的目的在于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滑移。预紧后，螺栓受到的预紧力是通过拧紧力矩获得的。因为预紧力的大小对螺纹连接的可靠性、强度和密封性均有很大的影响，因此对于重要的螺纹连接，应控制其预紧力。

对于M10~M68的粗牙螺纹预紧F0值的确定：是由螺纹连接的要求来决定的。为了充分发挥紧固件的工作能力，保证预紧的可靠，拧紧后螺纹紧固件的预紧应力一般可达到材料屈服极限σS的50％~70%，但不得超过σS的80％。对于一般连接用钢螺栓，预紧力可参考下式确定：§10-5螺纹连接的预紧和防松螺纹大径螺纹危险截面面积对于受轴向工作载荷的重要连接和有特殊要求的螺栓，预紧力应根据其使用实践确定，并在装配图标注出其预紧力和拧紧力矩，以便安装时控制。预紧力QP的控制：测力矩板手——测出预紧力矩。定力矩板手——达到固定的拧紧力矩T时，弹簧受压将自动打滑。测量预紧前后螺栓伸长量——精度较高。§10-5螺纹连接的预紧和防松螺纹连接的防松1、防松目的（原因）：连接用的三角形螺纹都具有自锁性，在静载荷和工作温度变化不大时不会自动松脱。但是①在冲击、振动和变载的作用下，预紧力可能在某一瞬间消失，连接仍有可能松脱。②在高温或温度变化较大时，由于温度变形差异等原因，也可能导致连接的松脱。螺栓连接一旦松脱，轻者会影响机器的正常运转，重者会造成重大事故。因此，为了保证连接可靠，必须采取有效的防松措施。§10-5螺纹连接的预紧和防松防松原理（防松的实质、根本问题）

防止螺纹副的相对转动。防松方法螺纹连接防松的方法按工作原理可分为:⑴摩擦防松：详细介绍弹簧垫圈对顶螺母尼龙圈锁紧螺母开口销和槽形螺母圆螺母用带翅垫片止动垫片⑵机械防松：⑶其它：破坏螺纹副关系（铆冲、粘接、焊接），排除了螺母相对螺栓转动的可能。串联金属丝自锁螺母§10-5螺纹连接的预紧和防松受拉螺栓的失效形式：螺栓杆的塑性变形或断裂。

其破坏部位及其出现的百分比见右图。受剪螺栓的失效形式：螺栓杆和孔壁间压溃或螺栓杆被剪断。

§10-6螺栓连接的强度计算（重点）普通螺栓连接（受拉螺栓）

铰制孔螺栓连接（受剪螺栓）

轴向拉力剪切力螺栓连接松螺栓连接

紧螺栓连接

螺栓的受力螺栓的失效形式螺栓连接的设计方法根据约束强度条件确定螺栓(或螺钉、双头螺柱)的大径。根据螺栓连接的受力情况，通过分析，确定其所属类型，然后计算出受力最大螺栓的拉力或剪力，即可按强度条件计算出螺栓的小径d1(或螺栓杆直径d0)。由所计算出的d1或d0，根据标准即可查出相应的螺栓大径d。由螺栓大径d

，根据标准，查出全部螺纹连接件的尺寸和相应的代号。完成设计。§10-6螺栓连接的强度计算（重点）松螺栓连接当承受轴向工作载荷Fa(N)时，其强度条件为设计公式：计算出d1后，再按标准查选螺纹的公称直径。§10-6螺栓连接的强度计算（重点）FaFa分析紧螺栓连接工件→受压(Fa)当拧紧时螺栓→受拉(Fa)拉力Fa

扭矩T1

→复合应力→拉应力→σe－当量应力扭剪应力→→第四强度理论→§10-6螺栓连接的强度计算（重点）对于M10~M68的普通螺纹，取d1、d2和ψ的平均值，并取tgρ′=f′=0.15，得τ≈0.5σ。则当量应力σe为故螺栓螺纹部分的强度条件为考虑扭剪应力设计公式：§10-6螺栓连接的强度计算（重点）1.受横向工作载荷F的螺栓强度根据d1，按标准查选螺纹的公称直径。受横向工作载荷F的螺栓强度§10-6螺栓连接的强度计算（重点）可靠性系数

C=1.1～1.3，m为接合面数目。从上式可以计算，当摩擦系数f=0.15、可靠性系数C=1.2、结合面数目m=1时，F0≥8F。即预紧力应为横向工作载荷的8倍，所以螺栓连接靠摩擦力来承担横向载荷时，其尺寸是较大的。为了避免上述缺点，可用键、套筒或销承担横向工作载荷，而螺栓仅起连接作用，如下图。（重点）§10-6螺栓连接的强度计算（重点）也可以采用螺杆与孔之间没有间隙的铰制孔用螺栓来承受横向载荷，这些减载装置中的键、套筒、销和铰制孔用螺栓可按受剪切和受挤压进行强度核算、许用切应力[τ]和许用挤压应力[σP]见表10-6。铰制孔用螺栓受力特点：螺栓受载前后不需预紧，横向载荷靠螺栓杆与螺栓孔壁之间的相互挤压传递。挤压强度条件：剪切强度条件：§10-6螺栓连接的强度计算（重点）如下图所示的气缸盖上的连接即属此种类型。设缸内流体压强为p，螺栓数为z，则缸体周围每个螺栓平均承受的轴向工作载荷为虽然，这种螺栓是在受预紧力F0

的基础上，又受工作拉力FE

。但是，螺栓的总拉力Fa≠F0＋FE

。为什么？D0FEFE受轴向工作载荷的螺栓强度下面分析受预紧力F0

和工作拉力FE

。作用时，螺栓的受力与变形关系。§10-6螺栓连接的强度计算（重点）§10-6螺栓连接的强度计算（重点）动画δb0力螺栓变形F0力被连接件变形F0δc0工作载荷FE和残余预紧力FR一起作用在螺栓上，所以螺栓的总拉伸载荷为：Fa=FE+FR

§10-6螺栓连接的强度计算（重点）Δδ力变形F0δC0δb0FaΔFCFRFEΔFb单个紧螺栓连接受力变形图螺栓刚度：kb＝F0/δb（受力与变形之比）被连接件刚度：kc＝F0/δc0受工作载荷后，螺栓及被连接件均产生变形，且满足变形协调条件：Δδb=Δδc=Δδ∴ΔFb=kb·Δδ，

ΔFc=kc·Δδ而FE=ΔFb+ΔFc=kb·Δδ+kc·Δδ§10-6螺栓连接的强度计算（重点）螺栓总拉力:工件残余预紧力:螺栓的相对刚度：与螺栓及被连接件的材料、尺寸和结构有关，见下表。§10-6螺栓连接的强度计算（重点）垫片类别金属垫片或无垫片皮革垫片铜皮石棉垫片橡胶垫片0.2～0.30.70.80.9设计步骤:

(1)求单个连接的工作载荷FE(2)按工作要求定残余预紧力FR(3)求Fa：

Fa=FR＋

FE(4)根据螺栓强度计算d1，查表确定d≥FE地脚螺栓连接1.5～1.8FE有紧密性要求0.6～1.0FE0.2～0.6FE工作载荷变化工作载荷稳定一般连接⑸结构设计§10-6螺栓连接的强度计算（重点）注意：若轴向工作载荷FE在0~FE间周期性变化，则螺栓所受总拉伸载荷应在F0~Fa间变化。受变载荷螺栓的粗略计算可按总拉伸载荷Fa进行，其强度条件仍为式(10-12)，所不同的是许用应力应按表10-6和表10-7在变载荷项内查取。§10-6螺栓连接的强度计算（重点）§10-7螺栓的材料和许用应力螺栓的常用材料为Q215、Q235、10、35和45钢，重要和特殊用途的螺纹连接件可采用15Cr、40Cr、30CrMnSi等力学性能较高的合金钢。这些材料的力学性能见表9-1。螺纹连接的许用应力及安全系数见表10-6和表10-7。螺纹连接件的性能等级如下表。§10-7螺栓的材料和许用应力表10-7表10-6表10-7§10-7螺栓的材料和许用应力§10-8提高螺栓连接强度的措施螺栓的失效形式：受拉时为塑性变形、断裂，受剪时为压溃或剪断。螺栓连接承受轴向变载荷时，其损坏形式多为螺栓杆部分的疲劳断裂，通常都发生在应力集中较严重之处，即螺栓头部、螺纹收尾部和螺母支承平面所在处的螺纹。螺栓连接的强度主要取决于螺栓的强度，提高螺栓强度有以下几种措施：

一、降低螺栓总拉伸载荷Fa的变化范围螺栓所受的轴向工作载荷FE在0~FE

间变化时，拉伸总拉伸载荷Fa的变化范围为F0~螺栓刚度kb和被连接件刚度kc对Fa变化范围的影响如图所示。§10-8提高螺栓连接强度的措施动画a.柔性螺栓b.弹性元件由此可见，受变载荷作用的螺栓，其应力也在一定的幅度内变动，减小螺栓刚度或增大被连接件刚度等皆可以使螺栓的应力变化幅度减小。1.减小螺栓刚度的方法§10-8提高螺栓连接强度的措施2.增大被连接件刚度的方法a.金属垫片b.密封环§10-8提高螺栓连接强度的措施二、改善螺纹牙间的载荷分配轴向载荷在旋合螺纹各圈间的分布是不均匀的，旋合圈数越多，载荷分布不均的程度也越显著。所以，采用圈数多的厚螺母，并不能提高连接强度。（动画）导致旋合螺纹牙各圈受力不均的原因是螺杆受拉变长而螺母受压变短。§10-8提高螺栓连接强度的措施改善螺纹牙载荷分布的措施是采用均载螺母。§10-8提高螺栓连接强度的措施三、减小应力集中§10-8提高螺栓连接强度的措施四、避免附加弯曲应力由于设计、制造或安装上的疏忽，有可能使螺栓受到附加弯曲应力，这对螺栓疲劳强度助影响很大，应设法避免。利用凸台、沉头座或斜垫圈等结构，可避免附加弯曲应力。见书P151图10-29另外，在制造工艺上采取冷镦头部和辗压螺纹的螺栓，其疲劳强度比车制螺栓约高30％，氰化、氮化等表面硬化处理也能提高疲劳强度。§10-8提高螺栓连接强度的措施§10-11

键连接和花键连接键和花键连接是最常用的轴毂连接方式，属于可拆连接。键主要用来实现轴和轴上零件之间的周向固定以传递转矩。有些类型的键还可实现轴上零件的轴向固定或轴向移动。一、键连接的类型键连接的类型有：松连接紧连接键连接平键半圆键斜键切向键键都是标准件，其尺寸和键槽尺寸都有国家标准。键连接11．平键连接平键的两侧面是工作面，上表面与轮毂上的键槽底面之间留有间隙。靠键与键槽侧面的相互挤压来传递转矩。特点：结构简单，装拆方便，对中性好。

平键普通平键：导向平键滑键用于静连接，应用极为广泛。用于动连接。§10-11

键连接和花键连接键连接22．半圆键连接§10-11

键连接和花键连接键连接33．楔键连接楔键的上、下面为工作面，键的上表面及轮毂键槽底面均有1:100的斜度。工作时，键的上下面分别与轮毂和轴的键槽底面相互压紧。特点：结构简单，装拆方便，能承受单向的轴向力。但对中性很差。常用于低速、轻载和对中性要求不高的场合。§10-11

键连接和花键连接由两个斜度为1:100的楔键组成。一个切向键只能传递一个方向的转矩，传递双向转矩时，须用互成120°～130°角的两个键。特点：承载能力很大，但对中性差。常用于对中精度要求不高的重型机械中。键连接44．切向键二、平键的选择和强度校核1．键的尺寸选择平键的截面尺寸b×h：

根据轴径d由标准中查得；键长L：应略短于轮毂的宽度，并符合标准中规定的尺寸系列。导向平键的长度根据轮毂宽度及滑动距离确定。§10-11

键连接和花键连接键连接普通平键连接（静连接）工作时的主要失效形式为组成连接的键、轴和轮毂中强度较弱材料表面的压溃，极个别情况下也会出现键被剪断的现象。通常只须按工作面上的挤压强度进行计算。键被剪断2．平键连接的强度校核§10-11

键连接和花键连接键连接5静连接的挤压强度条件为:动连接的耐磨性计算条件为：式中：；l：为键的接触长度。导向平键连接和滑键连接（动连接）的主要失效形式为工作面的过度磨损。通常只进行耐磨性计算。平键受力情况§1