螺纹连接与螺旋传动

螺纹连接与螺旋传动第一页，共七十九页，编辑于2023年，星期五

第13章螺纹连接与螺旋传动

13.1概述13.2螺纹连接的主要类型、特点及应用13.3螺纹连接的预紧和防松

13.4螺栓组连接的设计13.5螺纹连接的强度计算13.6提高螺栓连接强度的措施13.7螺旋传动作业第二页，共七十九页，编辑于2023年，星期五一、螺纹的形成13.1概述d2螺纹----一平面图形（三角、梯形）沿螺旋线运动，运动时保持该图形通过圆柱体的轴线，就得到螺纹。螺纹第三页，共七十九页，编辑于2023年，星期五按螺纹的牙型分螺纹的分类按螺纹的旋向分按螺旋线的根数分按回转体的内外表面分按螺旋的作用分按母体形状分矩形螺纹三角形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹右旋螺纹左旋螺纹单线螺纹多线螺纹外螺纹内螺纹连接螺纹传动螺纹圆柱螺纹圆锥螺纹

二、螺纹的类型及应用

第四页，共七十九页，编辑于2023年，星期五螺纹的牙型矩形螺纹三角形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹15º30º3º30º潘存云教授研制潘存云教授研制牙型角不同第五页，共七十九页，编辑于2023年，星期五螺纹的旋向和线数:第六页，共七十九页，编辑于2023年，星期五外螺纹内螺纹潘存云教授研制潘存云教授研制第七页，共七十九页，编辑于2023年，星期五连接螺纹传动螺纹潘存云教授研制潘存云教授研制第八页，共七十九页，编辑于2023年，星期五圆柱螺纹圆锥螺纹潘存云教授研制潘存云教授研制管螺纹第九页，共七十九页，编辑于2023年，星期五三、螺纹的主要参数大径d(公称直径);小径d1(强度直径);中径d2(假想圆柱的直径);S=nP升角

λ,定义在中径圆上;螺距

P;导程

S;线数

n;牙型角

α;λ第十页，共七十九页，编辑于2023年，星期五

螺纹的精度等级:A级B级C级公差小，精度最高，用于配合精确，防振动等场合；受载较大且经常拆卸，调整或承受变载荷的连接；用于一般联接，最常用。Pd粗牙dP细牙dP细牙第十一页，共七十九页，编辑于2023年，星期五13.2螺纹连接的主要类型、特点及应用P336表13.11、螺栓连接（1）普通螺栓——被连接件不太厚，螺杆带钉头，通孔不带螺纹，螺杆穿过通孔与螺母配合使用。装配后孔与杆间有间隙，并在工作中不许消失预紧应力，结构简单，装拆方便，可多个装拆，应用较广。（2）铰制孔用螺栓——装配后无间隙，主要承受横向载荷，也可作定位用，采用基孔制配合铰制孔螺栓连接。第十二页，共七十九页，编辑于2023年，星期五2、双头螺柱连接——螺杆两端无钉头，但均有螺纹，装配时一端旋入被连接件，另一端配以螺母。适于常拆卸而被连接件之一较厚时。拆装时只需拆螺母，而不将双头螺柱从被连接件中拧出。3、螺钉连接——适于被连接件之一较厚（上带螺纹孔），不需经常装拆，一端有螺钉头，不需螺母，适于受载较小情况第十三页，共七十九页，编辑于2023年，星期五特殊连接：地脚螺栓连接,吊环螺钉连接4、紧定螺钉连接——拧入后，利用杆末端顶住另一零件表面或旋入零件相应的缺口中以固定零件的相对位置。可传递不大的轴向力或扭矩。第十四页，共七十九页，编辑于2023年，星期五联接类型与标准件2标准螺纹联接件螺纹联接的类型很多，在机械制造中常见的螺纹联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。

第十五页，共七十九页，编辑于2023年，星期五13.3螺纹连接的预紧和防松

一、预紧1)预紧目的——保证正常工作。增加连接刚度、紧密性和提高防松能力。螺纹连接：松连接——在装配时不拧紧，只在受外载时才受到力的作用紧连接——在装配时需拧紧，即在承载时，已预先受力，预紧力F0

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%。预紧力的确定原则：第十六页，共七十九页，编辑于2023年，星期五2）拧紧力矩：T=T1+T2T——拧紧力矩，T1——螺纹副摩擦阻力矩T2—螺母支承面与被连接件间的摩擦力矩

一般Kt=0.1~0.3,取0.2Kt——拧紧力矩系数由于直径过小的螺栓，容易在拧紧时过载拉断，所以对于重要的联接不宜小于M12第十七页，共七十九页，编辑于2023年，星期五3）预紧力的控制测力矩板手——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——精度较高测力矩扳手定力矩扳手第十八页，共七十九页，编辑于2023年，星期五一般情况下螺纹连接能满足自锁条件，不会松脱。1）防松的目的当外载荷有振动、变化、材料高温蠕变等会造成摩擦力减少，螺纹副中正压力在某一瞬间消失、摩擦力为零，从而使螺纹连接松动，如经反复作用，螺纹连接就会松驰而失效。因此，必须进行防松，否则会影响正常工作，造成事故。2）防松原理消除（或限制）螺纹副之间的相对运动，或增大相对运动的难度。3）防松办法及措施P339表13.2

（1）摩擦防松

双螺母、弹簧垫圈、尼龙垫圈、自锁螺母等。

二、螺纹连接的防松

第十九页，共七十九页，编辑于2023年，星期五自锁螺母——螺母一端做成非圆形收口或开缝后径向收口，螺母拧紧后收口涨开，利用收口的弹力使旋合螺纹间压紧。（2）机械防松开槽螺母与开口销，圆螺母与止动垫圈，止动垫片，串联钢丝等。弹簧垫圈第二十页，共七十九页，编辑于2023年，星期五3）永久防松（破坏螺旋副）：端铆、冲点、点焊化学防松——粘合

开口销与六角开槽螺母圆螺母与止动垫圈串联钢丝第二十一页，共七十九页，编辑于2023年，星期五13.4螺栓组连接的设计一、螺栓组连接的结构设计工程中螺栓都成组使用，单个使用极少。螺栓组连接设计的顺序——选布局、定数目、力分析、设计尺寸。

结构设计原则：

（1）布局要尽量简单，对称分布，螺栓组中心与联接结合面形心重合（有利于分度、划线、钻孔），以受力均匀。第二十二页，共七十九页，编辑于2023年，星期五

（2）同一组螺栓材料、尺寸相同，便于装配。不要在外载荷作用方向布置8个以上，否则受力不均。弯扭作用螺栓组，要适当靠接缝边缘布局。（3）合理间距，适当边距，以利用扳手装拆。扳手空间第二十三页，共七十九页，编辑于2023年，星期五（4）避免偏心载荷作用

a）被联接件支承面不平，突起；

b）表面与孔不垂直；

c）钩头螺栓联接。防偏载措施：a）凸台；b）凹坑（鱼眼坑）；c）斜垫片

第二十四页，共七十九页，编辑于2023年，星期五螺纹联接组的设计21．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。受力分析时所作假设：所有螺栓的材料、直径、长度和预紧力均相同；受载后联接接合面仍保持为平面。受力分析的类型：二、螺栓组联接的受力分析螺栓组的对称中心与联接接合面的形心重合；

第二十五页，共七十九页，编辑于2023年，星期五1、受横向载荷的螺栓组连接特点：外载垂直于螺栓轴线。（1)普通螺栓连接

螺栓受预紧力F0

，靠接合面间的摩擦力来传递载荷。

每个螺栓所承受的横向载荷相等:F=FR/z图

不滑动条件:

kf—可靠度系数，取1.1~1.3f—摩擦系数m—结合面数量z—螺栓数量FRFRFRFR第二十六页，共七十九页，编辑于2023年，星期五（2)铰制孔用螺栓连接受横向剪切、挤压作用。每个螺栓所承受的横向载荷相等。

横向剪力：

FRFR第二十七页，共七十九页，编辑于2023年，星期五螺纹联接组的设计42．受旋转力矩的螺栓组联接

（1）普通螺栓连接靠连接预紧后在接合面间产生的摩擦力矩来抵抗转矩T。

不滑动条件：每个螺栓所需的预紧力：O第二十八页，共七十九页，编辑于2023年，星期五(2)铰制孔用螺栓连接由变形协调条件可知，各个螺栓的变形量和受力大小与其中心到接合面形心的距离成正比由假设——板为刚体不变形，工作后仍保持平面，则剪应变与半径成正比。在材料弹性范围内，应力与应变成正比

由静平衡条件：Fح2受力最大的螺栓所受的剪力：Fح1O第二十九页，共七十九页，编辑于2023年，星期五3、受轴向载荷螺栓组连接

每个螺栓的轴向工作载荷为：

FQ各螺栓还承受预紧力F0的作用，当连接要有保证的残余预紧力为F0’时，每个螺栓所受的总载荷为：第三十页，共七十九页，编辑于2023年，星期五4.受翻转力矩的螺栓组连接特点：M在铅直平面内，绕O-O回转，只能用普通螺栓。设单个螺栓工作载荷为Fi

受力最大螺栓的工作拉力：

M底板力矩平衡条件：第三十一页，共七十九页，编辑于2023年，星期五螺纹联接组的设计7螺栓的总拉力：

为防止结合面受压最大处被压碎或受压最小处出现间隙，必须满足：右侧不压溃条件（被连接件）：

左侧不开缝的条件（被连接件）

：

Mσpminσpmax第三十二页，共七十九页，编辑于2023年，星期五实际使用中螺栓组联接所受的载荷是以上四种简单受力状态的不同组合。计算时只要分别计算出螺栓组在这些简单受力状态下每个螺栓的工作载荷，然后按向量叠加起来，便得到每个螺栓的总工作载荷。说明：①工程中受力情况很复杂，但均可转化为四种典型情况进行解决。②计算公式在对称分布情况下推导，但不对称也可以用.第三十三页，共七十九页，编辑于2023年，星期五例1：求图中受力最大的螺栓所受的工作载荷。工作载荷:力和旋转力矩第三十四页，共七十九页，编辑于2023年，星期五实例例2：如图所示的支架受F力。

分析：将F力分解并向螺栓组形心及结合面平移，得：轴向载荷横向载荷翻转力矩设计中，需要防止如下四种可能的失效形式：上沿开缝：下沿压溃：支架下滑：需要足够大的F0

。螺栓拉断：需要足够大的螺栓直径。第三十五页，共七十九页，编辑于2023年，星期五13.5螺纹连接的强度计算1、主要失效形式：滑扣

因经常拆装受拉螺栓塑性变形螺纹部分疲劳断裂受剪螺栓剪断压溃螺杆和孔壁的贴合面经常拆卸断裂--轴向变载荷一、螺纹连接的失效形式第三十六页，共七十九页，编辑于2023年，星期五2、设计准则受拉螺栓静强度计算疲劳强度计算受剪螺栓剪切强度计算挤压强度计算第三十七页，共七十九页，编辑于2023年，星期五国家标准规定了螺纹连接件的性能等级。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连接件，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。二、螺纹连接的常用材料和许用应力(1)螺纹连接件材料常用的螺纹连接件材料为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。P347表13.4第三十八页，共七十九页，编辑于2023年，星期五(2)螺纹连接件的许用应力1)螺纹连接件的许用拉应力:2)螺纹连接件的许用剪应力和许用挤压应力:螺纹连接件的安全系数,P348表13.7,13.8。不控制预紧力的S与d有关，先初步选择d，再查安全系数，最后再修正

。（被连接件为钢）（被连接件为铸铁）第三十九页，共七十九页，编辑于2023年，星期五潘存云教授研制1、松螺栓连接强度计算(1)强度条件：式中:d1----螺纹小径mm，[σ]—许用应力FF(2)设计公式：三、普通螺栓连接的强度计算动画第四十页，共七十九页，编辑于2023年，星期五2、紧螺栓连接强度计算（1）仅承受预紧力的紧螺栓强度（2）承受预紧力和工作拉力（静、变）的紧螺栓连接（3）承受工作剪力的紧螺栓连接(铰制孔用螺栓)第四十一页，共七十九页，编辑于2023年，星期五FFF0F0螺栓受轴向拉力F0和摩擦力矩T1的双重作用。拉应力：（1）仅受预紧力的紧螺栓连接扭转切应力：第四十二页，共七十九页，编辑于2023年，星期五计算应力：强度条件：其中的系数1.3，是考虑螺纹力矩对螺栓连接强度的影响，这样把拉扭的复合应力状态简化为纯拉伸来处理。第四十三页，共七十九页，编辑于2023年，星期五2.受预紧力和工作载荷的紧螺栓联接设气体压强为p，螺栓数目为Z，则缸体周围每个螺栓的平均载荷为：p·πD2/4F

=Z

（1）受力分析第四十四页，共七十九页，编辑于2023年，星期五特别注意，轴向载荷：F∑≠F0+F加预紧力F0

后→螺栓受拉伸长λb→被连接件受压缩短λ

m加载F

后:螺栓总伸长量为:总拉力FΣ为：被联接件压缩量为：

残余预紧力为：∆

λ

+λ

b动画a)未拧b)拧紧，未受载荷c)受载荷

第四十五页，共七十九页，编辑于2023年，星期五动画a)未拧b)拧紧，未受载荷c)受载荷第四十六页，共七十九页，编辑于2023年，星期五λb∆λ

连接件变形力螺栓变形力∆F变形力F∑F’0FF0F0λmF0λb

λmθbθm材料变形在弹性极限内，力与变形成正比.

动画b)拧紧，未受载荷c)受载荷第四十七页，共七十九页，编辑于2023年，星期五----相对刚度系数(a)式/(b)式，得：

力变形θbFF∑∆FF0∆λF0’表13.9螺栓的相对刚度系数垫片类型金属垫片或无垫片皮革铜皮石棉橡胶0.2~0.30.70.80.9C1+C2C1第四十八页，共七十九页，编辑于2023年，星期五力螺栓变形θbFF∑∆FF0∆λ

F0’紧螺栓连接应能保证被连接件的接合面不出现缝隙:

残余预紧力

>0(1)F为静载荷：=（0.2~0.6）F(2)F变化：＝（0.6～1.0）F(3)有紧密性要求的连接：＝（1.5～1.8）F

∆

λ<λm第四十九页，共七十九页，编辑于2023年，星期五（2）强度计算：a）轴向静载荷紧螺栓连接强度计算

静力F不变，考虑补充拧紧静强度条件：设计公式：

第五十页，共七十九页，编辑于2023年，星期五b）轴向变载荷紧螺栓连接强度计算

分析：当工作载荷，由0→F

；螺栓总载荷，由F0→F∑疲劳强度条件：第五十一页，共七十九页，编辑于2023年，星期五第五十二页，共七十九页，编辑于2023年，星期五四.铰制孔用螺栓连接的强度计算特点：螺杆与孔间紧密配合，无间隙，由光杆直接承受挤压和剪切来传递外载荷进行工作。1.螺栓的剪切强度条件为：图，FحFح第五十三页，共七十九页，编辑于2023年，星期五2.螺栓与孔壁接触表面的挤压强度条件为：

式中：Fح

——剪力（N）d0——螺杆或孔的直径（mm）

h

——被联接件中受挤压孔壁的最小长度（mm）[τ]——螺栓许用剪应力，MPa，——螺栓或被联接件中较弱者的许用挤压应力，MPa铰制孔螺栓能承受较大的横向载荷，但被加工件孔壁加工精度较高，成本较高。FحFح第五十四页，共七十九页，编辑于2023年，星期五螺栓组设计总的思路：螺栓组结构设计（布局、数目）→螺栓组受力分析（载荷类型、状态、形式）→求单个螺栓的最大工作载荷（判断哪个最大）→按最大载荷的单个螺栓设计（按照d1，查标准d

）→全组采用同样尺寸螺栓（互换的目的）。

第五十五页，共七十九页，编辑于2023年，星期五例：一钢制液压油缸，油压p＝1.6MPa，D2＝160mm，试确定其上盖的螺栓(公称直径d,数量)。解：⑴决定螺栓工作载荷F：暂取螺栓数z＝8，则每个螺栓承受的平均工作载荷

第五十六页，共七十九页，编辑于2023年，星期五⑵螺栓总拉伸载荷F∑

压力容器取残余预紧力=1.8F，得

F∑＝F＋1.8F＝2.8×4.02＝11.3KN⑶求螺栓直径：暂选取螺栓材料为35钢，性能等级4.8，σs＝300MPa，（表13.5），装配时不要求严格控制预紧力，则螺栓的许用拉应力与其公称直径有关，故采用试算法。

假定螺栓公称直径d＝16mm，则由表13.7取S＝3，可求得螺栓得许用拉应力为[σ]=σs/s=300/3=100MPa

得螺纹的小径d1=13.68mm（4）由手册查得，普通粗牙螺栓公称直径d=16mm时，d1=13.835mm，合适。第五十七页，共七十九页，编辑于2023年，星期五例：一块钢板A、用四个M16的普通螺栓固定在钢板B上，钢板尺寸受力如图。已知钢板间摩擦系数f=0.16，螺纹中径d2=14.7mm，螺纹内径d1=13.835mm，螺栓许用拉应力：[σ]=190Mpa，防滑系数kf=1.1，试校核该螺栓组联接。课本 P356～360中的例题13.1-13.2,自学。不懂问老师或者同学。第五十八页，共七十九页，编辑于2023年，星期五13.6提高螺栓连接强度的措施影响连接强度的因素很多，如材料、结构、尺寸、工艺、螺纹牙间载荷分布、应力幅度、应力集中，而螺栓连接的强度又主要取决于螺栓的强度。

1、改善螺纹牙间载荷分布不均状况

工作中螺栓牙受拉伸长，螺母牙受压缩短，伸与缩的螺距变化差以紧靠支承面处第一圈为最大，应变最大，应力最大，其余各圈依次递减，旋合螺纹间的载荷分布如图所示。所以采用圈数过多的加厚螺母，并不能提高联接的强度。

办法：降低刚性，易变形、增加协调性，以缓和矛盾.

第五十九页，共七十九页，编辑于2023年，星期五a)悬置螺母b)环槽螺母c)内斜螺母d)环槽内斜2、减小应力幅

工作载荷和剩余预紧力不变，降低螺栓刚性C1,增大被连接件的刚度C2。

抗疲劳强度得到提高，可用空心杆、细长杆、柔性螺栓联接

第六十页，共七十九页，编辑于2023年，星期五3、减小应力集中1）加大过渡处圆角2）卸载槽3）卸载过渡结构第六十一页，共七十九页，编辑于2023年，星期五4.避免或减小附加应力

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（图13.24），这对螺栓疲劳强度的影响很大，应设法避免。例如，在铸件或锻件等未加工表面上安装螺栓时，常采用凸台或沉头座等结构，经切削加工后可获得平整的支承面。第六十二页，共七十九页，编辑于2023年，星期五5、采用合理的制造工艺

1）用挤压法（滚压法）制造螺栓，疲劳强度提高30~40%。2）冷作硬化，表层有残余应力（压），氰化、氮化、喷丸等可提高疲劳强度。3）热处理后再进行滚压螺纹，效果更佳，强度提高70~100%，此法具有优质、高产、低消耗。第六十三页，共七十九页，编辑于2023年，星期五螺旋传动113.7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。

用途：将回转运动转变为直线运动，同时传递动力。运动形式：螺杆转动，螺母移动；螺母固定，螺杆转动并移动。

第六十四页，共七十九页，编辑于2023年，星期五传力螺旋；传导螺旋；调整螺旋。（2）按其螺旋副摩擦性质分滑动螺旋；滚动螺旋；静压螺旋。1、类型（1）按用途分2、应用螺旋机构在机床的进给机构、起重设备、锻压机械、测量仪器、工具、夹具、玩具及其他工业装备中有着广泛的应用。

第六十五页，共七十九页，编辑于2023年，星期五螺旋传动2二、滑动螺旋传动1．滑动螺旋的结构和材料

（1）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。支承结构：螺母支承：短粗、垂直布置螺杆支承：细长、水平布置

第六十六页，共七十九页，编辑于2023年，星期五螺旋传动2整体螺母组合螺母剖分螺母螺母结构: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，