螺纹联接与传动

第七章螺纹联接与传动一）教学要求：掌握螺纹和螺纹联接的基本知识、螺栓组联接的结构设计原则和受力分析；掌握单个螺栓联接的强度计算理论和方法，以及螺纹联接的预紧与防松措施；熟练掌握提高螺纹联接强度的各种措施。（二）重点难点：1、掌握单个螺栓联接的强度计算理论和方法2、掌握螺纹联接的预紧与防松措施（三）教学手段与方式：课堂讲授，实物模型、课件演示、课堂练习（四）建议学时：6（五）教学内容：由于使用、结构、制造、装配、运输等原因，机器中有相当多的零件需要彼此联接。、、、八、、J静联接：被联接件之间相互固定，不能做相互运动。联接分为：1动联接：能按一定运动形式做相互运动的——运动副。本课程所讲“联接”通常主要是指“静联接”。联接的类型：'螺纹联接可拆联接1键、花键、销联接（常用与轮毂联接）弹性环联接等（常用与轮毂联接）1过盈联接——介于两者之间「铆接——裂纹遇到铆钉孔后，就停止扩展，所以有利于提高疲不可拆联接1不可拆联接1劳强度。焊接——1粘接——如飞机机翼的蜂窝状结构是粘接的。热时往往失效。可拆联接：是指联接拆开时，不破坏联接中的零件。重新安装后，可以继续使用。不可拆联接：是指拆开时，要破坏联接中的零件，不能继续使用的联接。本章主要讨论螺纹联接的构造，计算和设计。第一节螺纹连接的基本知识一、螺纹的王要参数、 ［一、螺纹的王要参数、 ［外螺纹螺纹分为［内螺纹圆柱螺纹圆锥螺纹「1.大经D（或d）——作为公称直径入王要参数有:小经D（或d）——作为危险截面的直径11中经D入王要参数有:小经D（或d）——作为危险截面的直径11中经D（或d）——其上牙厚二牙间宽度。22牙型角a牙型斜角P<6.工作高度h——接触面的径向高度7.螺距P是理想直径。8.导程SS=nP9.螺纹头数nnP10螺纹升角九tgX=竺兀d2TP二、常用的螺纹「联接螺纹；要求自锁性好按用途不同分为1〔传动螺纹：要求效率1咼按牙型不同分为:牙型斜角B自锁性效率加工强度普通螺纹30°易低易高矩形螺纹0°不易高不易低梯形螺纹15°较易较咼较易较咼矩齿形螺纹3°不易较咼较易较咼注：目前：除了矩形螺纹尚无标准以外，其它三种均已标准化。使用时，可查阅标准。第二节螺纹联接的基本类型及其预紧和防松、王要联接形式实现螺纹联接，通常有两种方式：在被联接件上直接做出，内、外螺纹，把两个被联接件直接拧在一起是利用具有，内、外螺纹的辅助零件（螺纹紧固件）来实现。对于第二种方式，根据辅助零件的不同可以分为四种基本类型：丽士人時+立［普通螺栓 工作中只受拉（受拉螺栓）八 ［铰制孔用螺栓（受剪螺栓）＜双头螺柱： （它们的结构、特点、应用见教材）螺钉联接：、紧固螺钉联接：（I.掌握：结构、特点、要求会选用。（选的要合适）2.注意：两种“螺栓”的区别。（结构和受载）注意：23.各形式的应用场合。4.螺纹紧固件都是标准件，有专门的厂家按国家标准制造。对使用者，选好规格尺寸到商店买即可。、螺纹联接的拧紧（1.防松，保证紧密性拧紧的目的：2拧紧的目的：|2.增强联接的刚性，还可提高螺栓的疲劳强度。根据装配时是否拧紧分为（紧螺栓联接：——工作之前安装时就拧紧，各零件就已受力。2松螺栓联接: 工作之前安装时不拧紧，不收力。多数情况下，螺纹联接在装配时需要拧紧，称为“预紧”。预紧使联接中的零件受到的力，称为“预紧力”。预紧力的大小会影响联接的可靠性，强度和密封性。所以对重要的联接应控制预紧力预紧力的控制通常是通过控制拧紧时所施加的拧紧力矩来实现的。拧紧螺母时，需要克服的摩擦阻力矩由两部分组成：见教材计算公式）螺纹副上的摩擦阻力矩T见教材计算公式）支撑面的摩擦阻力矩T12经推导分析得拧紧力矩T=T+T12即 t=KF.dt式中：F'——螺栓所受预紧力d——螺栓的直径K——拧紧力矩系数。K"0.2tt控制拧紧力矩的常用方法是用测力矩扳手，定力矩扳手来实现。见教材上的图。控制预紧力的更精确的方法：通过测量拧紧时螺栓的伸长量来控制F'。由于摩擦系数不稳定，和加在扳手上的力难于准确控制。对于直径较小的螺栓，有时可能会被拧断。所以，对于重要的联接，不宜采用小于M12〜M16的螺栓。三螺纹联接的防松螺纹联接虽然在设计上都是满足自锁条件的，但在实际中，由于会遇到冲击、振动，温度变化等因素的影响，使联接也可能出现松动现象。导致机器不能正常工作，甚至发生严重事故。所以设计时，应考虑到防宋的问题。以保证连接安全可靠。通常采用的防松措施很多（见教材上的表，对照表讲解）。'摩擦防松——增大摩擦力按工作原理分为｛机械防松、永久止动注：前述内容比较零散，但是都不可缺少。（要求最起码记住几种常用的防松方法）第三节单个螺栓联接的受力分析和强度计算单个螺栓联接的强度计算是螺栓联接强度计算的基础。螺栓、螺柱、螺钉联接的强度计算基本相同，本节以螺栓联接为代表，分析螺纹连接的强度计算问题。就单个螺栓联接而言，工作中所受的载荷（力）有两种基本形式：'受轴向力—一沿螺栓杆轴线方力的用普通螺栓q 「可用受剪螺栓受横向"一垂直螺栓杆轴线的可可用剪通螺栓下边就按螺栓受力方向不同，分别讨论强度计算方法。一、受剪螺栓（铰制孔螺栓）强度计算（通常可认为不拧紧，不受预紧力）如图所示：工作中螺栓受横向力Fs的作用。螺栓联接的可能失效形式为J螺栓杆的剪断[螺栓杆或孔壁压溃因此，针对这两种可能的失效进行剪切强度和挤压强度计算。1.螺栓杆的剪切强度（安全）条件为：F4FT=—= s—S」Am兀d2ms式中：m——螺栓受剪面数（如前面图为m=2）d——螺栓杆受剪面直径s[t]——螺栓材料的许用切应力见表5-92.螺栓杆或孔壁的挤压强度（安全）条件F=s<

dh式中：h——计算对象的受压高度［b］计算对象的材料许用挤压应力见表5-9p注意：①计算对象可能是螺栓，也可能是两个被联件之中的一个。②考虑到各零件的材料和受压高度不同，应取hJ乘积p最小者为计算对象。二、受拉螺栓（普通螺栓）的强度计算勒、J受静载荷时，失效为:——螺杆有螺纹部分的塑性变形或断裂受拉螺栓［受变载荷时，失效为:——螺杆部分的疲劳断裂受拉螺栓的强度计算主要是：确定或验算螺纹危险剖面的尺寸，以保证螺栓杆不破环（即不失效）。至于螺栓的其他部分（如：螺纹牙、螺栓头）以及螺母、垫圈的结构尺寸，是根据等强度条件以及适用经验来设计的。［等强度－—就是说：在一个螺栓联接中，如果具有螺纹的螺杆处不被破坏。那其它部分也不会破坏］。所以，除了螺杆以外的其他部分一般无需进行强度计算，可根据螺栓的公称直径从有关标准查取。受拉螺栓工作中又可分为：'受拉螺栓工作中又可分为：'松螺栓联接：不预紧紧螺栓联接：预紧（一）松螺栓联接的强度计算装配时，不拧紧，不受预紧力。工作中只承受轴向工作拉力F,例如起重吊钩或滑轮。4F「］拉伸强度安全条件：b ＜丘」nd21didi按计算值去选标准的螺纹直径）式中：di——螺纹的小径:a］—螺栓的许用应力F——所受的轴向拉力（二）紧螺栓联接螺栓联接强度计算①仅承受预紧力的紧螺栓强度螺栓受轴向拉力F0和摩擦力矩T1的双重作用。拉应力：Fa<Q]nd2/4i扭转切应力：〒 T Ftg（屮+p'）-d,2T— 1 ——a 1——nd3/i6 nd3/i6ii2d / 小F2tg（屮+p'） a—d nd2/4ii

对于M10〜M64的普通钢制螺纹，可取:=0.17d2/d1=1.04-1.08, tgp0.5得：T~0.5a计算应力：强度条件:a= 20.5得：T~0.5a计算应力：强度条件:a= 2+3t2 2+3(O.5q)2〜ca1.3Fa=l<[a]ca 兀d2/41②承受横向工作载荷的紧螺栓联接当承受横向工作载荷时，预紧力F0导致接合面所产生的摩擦力应大于横向载荷F。特别注意，轴向载荷：（图形见课件）特别注意，轴向载荷：（图形见课件）预紧力F0：C---可靠性系数，常取C=1.1〜1.3；m---结合面数；f---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,贝U：F0鼻8F-结构尺寸大。这种联接的螺栓在预紧力作用下，在其危险截面（小径处）产生拉应力；为对螺栓施加预紧力，拧紧时螺栓同时还受扭矩，螺栓受轴向拉力F0和摩擦力矩T1的双重作用。据前述的强度条件其小径为：1.3F—,aa= 叶<[a]eca兀d2/41③受轴向载荷的紧螺栓联接设流体压强为p,螺栓数目为乙则缸体周围每个螺栓的平均载荷为：p•兀D2/4F=—Z

F2工Fo+F加预紧力后〜螺栓受拉伸长入b0〜被联接件受压缩短入m0加载F后：螺栓总伸长量增加为：A入+入b0被联接件压缩量减少为：入m0-A入残余预紧力减少为：F1总拉力为：F2=F+F1很显然：F1<Fo为了保证联接的紧密性，受轴向载荷的紧联接必须维持一定的剩余预紧力。的大小可根据联接的工作条件按课件中表7-5选取。考虑到联接在外载荷的作用下可能需要补充拧紧，即螺栓除受总拉力外，还同时受扭矩T作用，与受横向载荷的紧螺栓联接相似，螺栓的强度条件为：<Q]1.3F<Q]2兀d2/4式中，［O］为许用应力（MPa），按课件中表查算。三）、配合螺栓联接的强度计算F—螺栓所受的工作剪力，单位为N；d°—螺栓剪切面的直径（可取螺栓孔直径），单位为mm；Lmin—螺栓杆与孔壁挤压面的最小高度，单位为mm；c二丄]c二丄]PdL Pomin較制孔螺栓螺栓杆的剪切强度条件为："丄＜□-d24o设计时应使： Lmin$l・25do四、螺栓组联接的结构分析大多数机械中螺栓都是成组使用的。基本原则：（图形见课件）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。螺栓布置应使各螺栓的受力合理（1） 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；（2） 当螺栓联接弯矩或转矩时，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。（3） 当同时承受轴向载荷和较大的横向载荷时，采用抗剪零件来承受横向载荷。螺栓的排列应有合理的间距、边距，以保证扳手空间对于压力容器等紧密性要求较高的重要联接。螺栓的间距不大于所推荐的取值（见课件中的表）。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。同一螺栓组中的螺栓的材料、直径、长度应相同。避免螺栓承受附加的弯曲载荷。第四节螺栓组连接的结构设计（自学，了解）大多数机械中螺栓都是成组使用的。基本原则：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。螺栓布置应使各螺栓的受力合理（1） 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；（2） 当螺栓联接弯矩或转矩时，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。（3） 当同时承受轴向载荷和较大的横向载荷时，采用抗剪零件来承受横向载荷。螺栓的排列应有合理的间距、边距，以保证扳手空间对于压力容器等紧密性要求较高的重要联接。螺栓的间距不大于所推荐的取值。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。

同一螺栓组中的螺栓的材料、直径、长度应相同。5．避免螺栓承受附加的弯曲载荷。第五节螺纹连接件材料及许用应力一螺纹联接件材料国家标准规定了螺纹联接件的性能等级。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。二螺纹联接的许用应力螺纹联接件（螺栓、螺柱、螺钉、螺母等）都已标准化。有专门的厂家生产，机械设计中，我们只要按有关标准选用合适的尺寸规格即可。不用自己设计制造。1.螺纹标准间的性能等级国家标准给螺纹标准间规定了两种等级：产品等级 按公差大小（精度大小）不同分为：A、B、C三级。< A级精度等级最高，C级则较低，用于一般场合。、性能等级——按力学性能的好坏分有不同的等级。性能等级：用两个数字表示：例如：4.64.88.8等'整数部分表示:小数部分表示:c'整数部分表示:小数部分表示:c=整数x100(MP)ba屈强比即：性能等级3.6(4.6)4.85.65.86.8(8.8)9.810.912.9c (MP)bmin a33040042050052060080090010401220c(MP)smin a1902403403004204806407209401100「A、B级 8.8国家标准还规定：］c级——4.6或4.8JA、B级产品的性能等级为8.8级〔C级产品的性能等级为4.6或4.8级螺母的性能等级应与螺栓相同。螺母的性能等级用一个数字表后b的大小。例如：①当螺母较大时:表示b=400MPba②当螺母较小时，仿照时钟的数字排列2.许用应力：在螺纹联接的设计中，由设计者自己根据具体情况确定性能等级。之后可按下式计算许用应力；静应力时：b静应力时：b］二b~S变应力时：b]=a式中：变应力时：b]=a£・b―© 1K-Sbb其中：5.32bb第六节提高螺栓连接强度的措施分析影响螺栓连接强度的因素，从而提出提高联接强度的措施。这对于螺纹联接的设计也是很重要的。螺纹联接的强度，主要取决于螺栓的强度。影响螺栓强度的因素很多，有材料、结构、尺寸、制造、工艺等。实际设计中，通常主要是以下几个方面考虑来提高联接的强度。一、 改善螺纹牙之间的受力分布：对于普通螺母如右图示。工作中螺栓受拉，使螺距增大，而螺母受压，其螺距减小。导致螺栓、螺母产生了螺距差。这样，向旋合的螺栓和螺母的各圈螺纹牙不能都保持良好的接触，那末各圈螺纹牙所分担的载荷就不相等。（如教材中图所示）。理论分析和实践都表明：从螺母支撑面算起第一圈受载荷最大。以后各圈依次减小。第10圈后的各圈几乎不受力。［所以采用加厚螺母，增加旋合圈数，对提高连接强度并没有多少作用。］改善措施：设计中，普通螺母圈数不要超过10。采用悬置螺母，环槽螺母，或内斜螺母（改变牙的刚度）。前两者，工作中螺母受拉。与螺栓螺距差减小。采用钢丝螺套—－也可以减轻螺纹牙的受力不均，并可以减轻冲击、振动。这些措施多可以提高螺栓的疲劳强度。二、 减小应力幅（可提高疲劳强度）大家知道，影响疲劳强度的主要因素是变应力中的应力幅bT，则越易产生疲劳破坏。aC© /，则可以提高疲劳强度。由螺栓总拉