第16章螺纹联接设计新资料课件

1§16-1

螺纹的主要参数及类型§16-2

螺旋副的分析、效率和自锁§16-3

螺纹联接和螺纹联接件§16-4

螺栓联接的强度计算§16-5

螺纹联接的结构设计2*.

螺纹连接——用螺纹联接件（螺栓，螺钉）将两个以上零件联成一体。联接件被联接件*.本章的主要内容螺纹类型及主要参数;螺纹联接的主要类型、特点及应用;螺旋副的受力、效率及自锁,预紧和防松;螺栓的强度计算;4.螺栓组的结构设计.Dp螺母垫圈螺栓3§16-1

螺纹的主要参数及类型一.

螺纹形成原理将一倾斜角为λ的直线绕在圆柱体上就形成一条螺旋线。取一平面图形使其沿螺旋线运动，该平面图形在空间的轨迹即为螺纹。二．常用螺纹类型按螺纹绕行方向分类左旋螺纹——自右下方向左上方绕行的螺纹右旋螺纹——自左下方向右上方绕行的螺纹左旋d2phπd2右旋4按螺纹牙分的表面分类外螺纹——在圆柱外表面上形成的螺纹，如螺栓、螺钉内螺纹——在圆柱空内壁上形成的螺纹，如螺母内螺纹外螺纹螺杆螺母按螺纹牙的度量衡分类公制螺纹

mm英制螺纹 扣

/

in5按螺纹牙的牙型分类:普通螺纹——牙型角α=60º，当量摩擦系数较大，自锁性能好，主要用于连接。圆柱管螺纹—牙型角α=55º，用于压力p≤1.57MPa的管子连接矩形螺纹——牙型角α=0º，当量摩擦系数小，效率高，用于传动梯形螺纹——牙型角α=30º，牙根强度高，效率较高，易保证加工精度，广泛用于传动。锯齿形螺纹—牙型斜角两边不相等，工作面β=3º,非工作面β=30º，效率较三角形螺纹高，只能用于单向传动。60º普通螺纹内螺纹p30º外螺纹dd2d1p

内螺纹外螺纹矩形螺纹dd2d130ºp15º

外螺纹dd2d1梯形螺纹dd2d1内螺纹 内螺纹p外螺纹30º

3ºp圆柱管螺纹内螺纹dd2d1外螺纹55º锯齿形螺6纹按螺纹线数分类单线螺纹——Z=1，效率低，自锁性好，易加工三线螺纹——Z=3，效率高，自锁性差，难加工双线螺纹——Z=2，效率较Z=1

高单线螺纹双线螺纹三线螺纹7三.

螺纹的主要参数——以圆柱普通外（内）螺纹为例来说明α413...螺距大径中径Pdd：2：：外、内螺纹的最大直径，为螺纹的公称直径（管螺纹除外）相邻两牙在中径线上对应两点间的轴向距离。处于大径和小径之间的一个假想圆柱的直径，在该圆柱的母线上螺纹牙厚度与牙槽宽度相等。25

..小径导程dP1：：与外螺纹牙底或内螺纹牙顶相重合的假想圆柱上面的直径。螺纹上任一点沿螺旋线绕一周所移过轴向距离。P=zP。h

h在强度计算中常用作危险截面的计算直径。6.升角λ：螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面间的夹角，通常用中径处的升角λ表示。其计算式为：梯形螺纹等对称牙型，γ

=α/2。γPPh7

.牙型角α：在螺纹轴线平面内螺纹牙两侧面的夹角α

。螺纹牙型的侧边与螺纹轴线的垂线间的夹角称为牙型斜角γ

。对于三角形、d2dd1内螺纹

λ外螺纹8.大径d：与外螺纹牙顶或内螺纹牙底相切的圆柱直径，规定为螺纹的公 称直径（管螺纹除外）。.小径d1：与外螺纹牙底或内螺纹牙顶相相切圆柱体直径。在强度计算中 常用作危险截面的计算直径。.中径d2：处于大径和小径之间的一个假想圆柱的直径，在该圆柱的母线 上螺纹牙厚度与牙槽宽度相等。.螺距P：相邻两牙在中径线上对应两点间的轴向距离。.导程Ph

：螺纹上任一点沿螺旋线绕一周所移过轴向距离。Ph=zP。.升角λ：螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面间的夹角 ，通常用中径处的升角λ表示。其计算式为：.牙型角α：在螺纹轴线平面内螺纹牙两侧面的夹角α

。螺纹牙型的侧边与螺纹轴线的垂线间的夹角称为牙型斜角γ

。对于三角形、梯形螺纹等对称牙型，γ

=α/2。9二、螺旋副的受力关系、效率和自锁（一） 矩形螺纹副（牙型角α=0°）的受力关系及效率1）拧紧螺母时——相当相当于滑块沿斜面等速上升运动2

d2d1tQ拧紧力矩:

T

F

1Qttan

F tan

水平力:

F

F效率：FtFQFtFtFQFtFQfFRnv*

F*FRρFRλ+ρ102）松脱螺母时——相当于滑块沿斜面等速下降FtFQFfFRv**FRnρFQFtFRλ-ρ当滑块在FQ作用下沿斜面等速下f降时，滑块上的摩擦力F

沿斜面向上，斜面对滑块的总反力FR与FQ之间夹角为λ-ρ，由力三角形可的水平力：3）螺旋副的自锁条件由松脱螺母时的水平力计算式可知，若λ≤ρ，则Ft为负值。表明要使滑块在FQ作用下沿斜面等速下滑，必须加一反方向的水平力Ft，否则不论FQ力有多大，滑块都不会在其作用下自行下滑，即螺母不会在轴向载荷FQ作用下自行松脱——此现象称为自锁。螺旋副的自锁条件：λ≤ρ11矩形螺纹副（二） 非矩形螺纹副（牙型角α≠0°）的受力关系及效率FQFQF'Rnγ1）矩形螺纹：FRn=FQFf=FRnf=

FQ

f摩擦角ρ=arctanfFRn2）非矩形螺纹：

F'

=F

/cosγRn

QF

f=

F'

f=

F f

/cosγ=

F

fRn

Q

Q

v摩擦角ρv=arctanfv效率：非矩形螺旋副的自锁条件：λ≤ρv非矩形螺纹副12一）螺栓联接——螺栓联接是利用螺栓穿过被联接件的孔，拧上螺母，将被联接件联成一体。其被联接件的孔内不切制螺纹，使用方便。通常用被联接件不太厚，能从被联接件两边进行装配的场合。§16-2

螺纹联接一.

螺纹联接的基本类型结构特点：被联接件通孔和螺栓间有间隙故通孔加工精度要求较低，其结构简单、装拆方便，应用广泛。普通螺栓联接1.

普通螺栓（即受拉螺栓）联接受力特点：

联接承受外载荷时，螺栓受拉力作用d0FRFRd

F'F'13化工管道142. 铰制孔用螺栓（即受剪螺栓）联接。铰制孔用螺栓联接普通螺栓联接al1dd0FRFRd0FRFRd

F'F'结构特点：被联接件孔和螺栓杆之间常采用基孔制过渡配合（H7/m6，H7/n6）。用于要求精确固定被联接件相对位置，并能承受横向载荷，但孔的加工精度要求较高。受力特点：联接借助螺栓杆承受横向外载荷，螺栓受剪力作用。15二）双头螺柱联接特点是：将螺栓一端旋紧在一被联接件的螺纹孔内，另一端穿过另一被联接件的孔，旋上螺母，从而将被联接件联成一体。应用：用于被联接件之一太厚不便穿孔，且需经常装拆或结构上受限制不能采用螺栓联接的场合。注意：被联接件上螺纹孔底部正确绘制d16发动机缸体17三）螺钉联接特点：螺钉联接不用螺母，而是直接将螺钉拧入被联接件之一的螺纹孔内，从而实现联接。应用：用于被联接件之一较厚的场合，不经常装拆联接的场合。注意：被联接件上螺纹孔底部正确绘制18特点：紧定螺钉联接，是利用紧定螺钉旋入一零件，并以其末端顶紧另一零件（或该零件的的凹坑内）来固定两零件之间的相互位置四）紧定螺钉联接应用：可用于传递不大的力及转矩，多用于轴和轴上零件的联接。紧定螺钉联接二.

螺纹联接件一）螺栓sedblk六角头螺栓19klbdsedlkdPl2l0六角头铰制孔用螺栓二）双头螺栓——两端均制有螺纹，两端螺纹可相同（均为粗牙）也可不同（一端为粗牙，另一端为细牙）。d020三）地脚螺栓——是将机座固定在地基上一种特殊螺栓。四）螺钉、紧定螺钉——螺钉头部、紧定螺钉末端有多种结构型式地脚螺栓螺钉头部结构型式外六角头内六角头一字槽沉头十字槽沉头十字槽半圆头一字槽圆柱头锥端平端圆柱端尖锥端紧定螺钉末端结构21五）螺母六角薄螺母六角厚螺母六角槽形螺母圆螺母22六）垫圈平垫圈斜垫圈弹簧垫圈圆螺母用带翘垫圈23§16-2

螺纹联接二.

螺纹联接的预紧1、预紧的目的：为了增大连接的刚性、紧密性提高放松能力和抗疲劳强度。即工作之前将螺纹联接拧紧加预紧力F′。一般预紧力F′产生的应力不超过材料的屈服极限的80%碳素钢

F′≤（0.6～0.7）σsA1合金钢

F′≤（0.5～0.6）σsA12、预紧的方法F′不容易控制，一般采用1)凭手感经验（不准确）；2)测力矩扳手；3)定力矩扳手；

4)测定伸长量。24LMLS测定伸长量25测力矩扳手定力矩扳手拧紧力矩大小LSTD126如图所示，在拧紧螺母时，需要克服螺纹副相对扭转的阻力矩T1和螺母与支承面之间的摩擦阻力矩T2，即拧紧力矩T=T1+T2拧紧力矩27设预紧力为F′总力矩：T1

——克服螺纹副相对转动的阻力矩；

T2

——克服螺母支撑面上的摩擦阻力矩；

fc

——摩擦系数。无润滑时取：fc

=0.15rf

——支撑面摩擦半径。

rf

=(dw+d0)/4T≈

0.2

F′

d§16-2

螺纹联接三.

螺纹联接防松防松的根本目的在于防止螺纹副间的相对转动。防松的措施很多，按工作原理可分为如下三类。1．摩擦防松这类防松措施是使拧紧的螺纹之间不因外载荷变化而失去压力，即始终有摩擦阻力防止联接松脱。这种方法不十分可靠，故多用于冲击和振动不剧烈场合。常用的有如下几种：弹簧垫圈双螺母尼龙圈锁紧螺母282.机械防松机械防松的措施是，利用各种止动零件，以阻止拧紧的螺纹零件产生相对转动。这类防松方法相当可靠，应用很广。常用的方法有：槽形螺母和开口销串联钢丝正确结构错误结构止动垫圈293.粘合和破坏螺纹副防松将粘合剂涂于螺纹旋合表面，拧紧螺母后，粘合剂能自行固化，防松效果良好。利用焊、冲点的方法，排除了螺母相对螺栓转动的可能。如右图30§16-3

单个螺栓联接的强度计算一.

螺栓联接强度计算的目的：是确定螺栓的公称直径d二.

螺栓联接的失效形式及计算准则.受拉螺栓（受轴向载荷或横向载荷的普通螺栓）——主要破坏形式为螺栓杆和螺纹部分可能发生塑性变形或断裂，其计算准则是：保证螺栓的静力（或疲劳）拉伸强度。.受剪螺栓（受横向载荷的铰制孔螺栓）——主要破坏形式为螺栓杆与孔壁间压溃或螺栓杆被剪断，计算准则应是保证联接的挤压强度和螺栓的剪切强

度，其中联接的挤压强度对联接的可靠性起决定性的作用。dd0FRFRF'F'普通螺栓联接铰制孔用螺栓联接al1dd0FRFR压溃剪断31吊环螺栓联接（松）FF0气缸盖螺栓联接（紧）三.

螺栓联接的强度计算按装配情况螺栓联接可分为两大类松螺栓联接——装配时不需拧紧螺母如吊环螺栓联接紧螺栓联接——装配时必须将螺母拧紧，应用广泛。如气缸盖螺栓联接等。一）受轴向载荷（力作用线与螺栓轴线平行）的螺栓连接DpF321.

松螺栓联接工作载荷前，螺栓并不受力螺栓受力工作时受拉力F（由外加载荷产生）螺栓危险剖面的抗拉强度条件为：MPa校核计算式：设计计算式：mm式中：螺栓的公称直径d确定：根据d1>d1ca的原则查普通螺纹基本尺寸（GB196-81）《机械设计课程设计》表11-1，确定螺栓的公称直径d。d1

—螺栓危险剖面直径，即螺纹小径，mm；—松螺栓联接的许用应力，Mpa，——螺栓材料的屈服极限S松——松螺栓联接的安全系数，S=1.2~1.7吊环螺栓联接33螺 距（p） 中

径（d2）mm

mm小径（d1）mm公称直径（mm）第一系列 第二系列81.257.1886.6471.007.3506.9170.757.5187.188101.59.0268.3761.259.1888.6471.009.3508.9170.759.5139.188121.7510.86310.1061.511.02610.3761.2511.18810.6741.011.35010.917142.012.70111.8351.513.02686.647

108.3761210.106普通螺纹基本尺寸（GB196-81）《课程设计》表11-11411.83512.376

342、紧螺栓联接装配时须要拧紧，在工作状态下可能还需要补充拧紧。1)只受预紧力作用的紧螺栓联接d0FRFRd

F'F'螺栓与孔之间有间隙，工作时预紧力F′导致接合面所产生R的摩擦力应大于横向载荷F

。预紧力F′Kf

——可靠性系数，常取Kf

=1.1~1.3m——结合面数图示m=1f——摩擦系数，对钢与铸铁，取:f=0.1~0.15若取

f=0.15，

C=1.2,

m=1,

则：Fa

≥8F

结构尺寸大35改进措施：采用键、套筒、销承担横向工作载荷。螺栓仅起连接作用采用无间隙的铰制孔螺栓。FF/2F/236螺栓受预紧力F′和摩擦力矩T的双重作用。拉应力强度计算d0FRFRd

F'F'：切应力分母为抗剪截面系数37对于M10~M68的普通螺纹，取d1、d2和ψ的平均值，并取：

tanρV

=

f

V

=0.15得：

τ

≈

0.5σ当量应力：强度条件：设计式38依所得d1靠标准直径dp·πD2/4F

=Z2)受预紧力和轴向工作载荷的紧螺栓联接设流体压强为p，螺栓数目为Z，则缸体周围每个螺栓的平均载荷为：F0F390pD此时,螺栓受总拉力F0

=

F′+ F吗?特别注意，轴向总载荷F0：F0

≠

F′+

F松弛状态受载分析加载过程：加预紧力后

螺栓受拉伸长δ1

被联接件受压缩短δ2加载F

后:螺栓总伸长量增加为:∆δ

+δ1被联接件压缩量减少为：2δ

-

∆

δ预紧δ1F′

F′δ2F′F′状态FFEE

FFEEFFF0变形F0残余预紧力减少为：F″总拉力为：

F0=F+F″很显然:

F″<F′

被联接件放松了F″

F″∆δ∆δ40联接件变形力螺栓变形力F′F′∆F螺栓变形力F0F″FF′δ1∆δδ2θ1δ1θ2δ241力螺栓变形arcotC1——相对刚度系数F=

∆F

+∆F2

=(C1

+C2

)

∆δC1C1

+C20F =

F′

+FC

1

C1

+C2F″

=

F′–F

1-F″=

F′-

∆

F2F

0=

F′+∆

F=

F′

+

C1

∆

δ=

F′

–

C2

∆δC1

+C2F∆δ=FF0∆FF0∆δ代入得：表10-5

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0.2~0.30.70.80.91C

+C2C1∆F2F″42说明:1、螺栓相对刚度在0～

1之间2、残余压应力F″按工程需要选择载荷稳定

载荷不稳定地脚螺栓有紧密性要求F″=（0.2～0.6）FF″=（0.6～1.0）FF″≥FF″=（1.5～1.8）F{3、螺栓静强度计算式强度条件：设计式4、螺栓疲劳强度计算式435、螺栓设计一般步骤：由已知条件→定单个螺栓的载荷F→由工作要求定残余预紧力F″→总载荷F0

→选择螺栓强度级别→定小径d1

→靠标准。二）受剪的绞制孔螺栓连接44这种联接是利用铰制孔用螺栓抗剪切和接触表面受挤压来承受载荷，因此，应分别按挤压强度和剪切强度条件计算。FSFSal1螺栓杆与孔壁的挤压强度螺栓杆的剪切强度dm=1m=2h45四 螺栓的材料、性能级别和许用应力重要螺栓——紧螺栓联接的受载情况许用应力受轴向载荷,

横向载荷铰制孔用螺栓受横向载荷静载荷变载荷控制预先紧力时S=1.2~1.5不能严格控制预紧力时查表10-7被联接件为钢被联接件为铸铁[σp]按静载荷[σp]值降低20%~30%1.25p[σ

]=3.5~5[τ]=2~2.5σSσBp[σ

]=2.5σSσS[τ]

=σSS[σ]=15Cr表10－640Cr 30Cr

MnSi螺栓的许用应力一般螺栓——Q215Q23510

3545性能级别——表10-45.68.846表10-747螺栓联接的安全系数S(不能严格控制预紧力时)材

料静载荷变载荷M6~M16M16~M30M6~M16M16~M30碳素钢4~33~210~6.56.5合金钢5~44~2.57.6~55§16-4

螺栓组联接的设计（一）螺栓组联接的结构设计主要目的：确定螺栓的数目及布置形式；确定螺栓联接的结构尺寸。应综合考虑以下问题：1.联接结合面形状应和机器的结构形状相适应482.螺栓的布置应使各螺栓受力合理§16-4

螺栓组联接的设计493.

螺栓的排列应有合理的间距、边距、留必要的板手空间。板手空间的具体尺寸可查有关手册。50§16-4

螺栓组联接的设计分布在同一圆周的螺栓数目,宜取偶数,以便在圆周上钻孔时,分度和划线。在同一圆周的螺栓组中，螺栓的材料、直径和长度均应相同。避免螺栓承受偏心载荷51（二） 螺栓组联接的受力分析§16-4

螺栓组联接的设计52FQ1.

受轴向力FQ的螺栓组联接FDp设单个螺栓所受工作载荷为FQ，螺栓数目为z，则有：F=FQ/z2.

受横向力FR的螺栓组联接当用普通螺栓联接时，螺栓仅受预紧力F′作用，靠接合面间的摩擦力来传递载荷。因此，接合面间所产生的最大摩擦力必须大于或等于横向载荷，即：53F'F'Kf

——可靠性系数，常取K

=1.1~1.3f当用铰制孔用螺栓联接时，靠螺栓杆受剪切和挤压来传递载荷。因此，可认为每个螺栓所受的横向工作载荷

FS是相等的，即：543.受转矩的螺栓组联接当用受拉螺栓联接时,假设螺栓结合面的摩擦力相等并集中在螺栓的中心处,与螺栓中心至底板的旋转中心垂直,由底板的静力平衡条件:55当用铰制孔螺栓联接时,假设螺栓的工作载荷与螺栓中心至底板的旋转中心垂直,忽略联接中的预紧力和摩擦力,由底板的力矩平衡条件:变形协调关系564.受倾覆力矩的螺栓组联接57如图所示，在M的作用下，根据底板的静力平衡条件有：根据螺栓变形协调条件及螺栓拉伸刚度相同，得：584.受倾覆力矩的螺栓组联接可见，距离中心线越远的螺栓受力越大。595.

螺栓组联接应满足的一般要求图示螺栓组连接根据受力情况,主要失效有结合面压溃、脱开、滑移和螺栓拉断。防止接合面受压最大处被压碎或受压最小处出现间隙，接合面间的应力符合以下条件：605.

螺栓组联接应满足的一般要求所以，上述条件可表达为：不压溃不脱开不拉断不滑移61§16－5

提高螺栓联接强度的措施承受轴向变载荷时，螺栓的损坏形式：疲劳断裂容易