螺纹连接(机械设计课件).ppt

1、机 械 设计,第二篇 连接,上海工程技术大学陆宁老师课件,联接的分类和意义,静联接,动联接,可拆联接(螺纹联接、键联接）,不可拆联接（铆接、焊接、胶接）,联接的选择（根据使用要求与经济要求来选择、根据联接的加工条件和被联接零件的材料、形状和尺寸等）,联接的设计要求,1强度条件（等强度条件）,2经济性,3刚度条件或紧密性条件,螺纹联接和螺旋传动,第五章 螺纹联接和螺旋传动,5-1 螺纹,5-2 螺纹联接的类型和标准联接件,5-3 螺纹联接的预紧,5-4 螺纹联接的防松,5-5 单个螺栓联接的强度计算,5-6 螺栓组联接的设计,5-7 提高螺纹联接强度的措施,螺纹连接,一字螺钉,六角螺栓,十字螺钉

2、,内六角螺栓,紧定螺钉,自攻螺钉,翼形螺钉,圆头螺钉,六角螺母,盖形螺母,开槽六角螺母,翼形螺母,螺纹连接,5-0 引 言,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联接。 机械零件之间的联接分为：,被联接件之间相互完全固定。（形锁合、摩擦锁合、材料锁合）,被联接件之间能产生一定的相对运动。例如：运动副。,静联接：,动联接：,本课程介绍的联接主要是静联接。,联接的类型：,螺纹联接,螺纹的形成,螺旋线一动点在一圆柱体的表面上，一边绕轴线等速旋转，同时沿轴向作等速移动的轨迹。,螺纹一平面图形沿螺旋线运动，运动时保持该图形通过圆柱体的轴线，就得到螺纹。,螺纹,牙型角为60,

3、牙根较厚，强度较高。同一公称直径的普通螺纹可分为粗牙、细牙。,普通螺纹(M),螺 纹,牙型角为55 ，牙顶呈圆弧形。其公称直径近似为管子的孔径，以英寸为单位。旋合螺纹之间没有径向间隙，紧密性好。如果要求连接具有密封性时，需添加密封物。,55非密封管螺纹(G),螺 纹,55非密封管螺纹,螺 纹,牙型角为55 ，牙顶呈圆弧形。螺纹分布在1:16的圆锥管壁上。内外螺纹配合时没有间隙，不用填料也可以保证不渗漏，拧紧时可消除制造误差或磨损所产生的间隙。,55密封管螺纹（R）,螺 纹,牙型为等腰梯型，牙型角为30。梯形螺纹的效率比矩形螺纹低，但牙根的强度较高，易于加工，对中性好，当采用剖分式螺纹时，还可以

4、消除因磨损而产生的间隙。,梯形螺纹(Tr),螺 纹,牙型为锯齿型，工作面的牙型边倾斜角为3，非工作面的牙型边倾斜角为30。比梯形螺纹牙根强度高。,锯齿形螺纹(B),螺 纹,以上的螺纹有些只要标注牙型代号，就能分辨出螺纹种类，称为标准螺纹。 有些螺纹，必须画出牙型才能加工，例如方牙螺纹，称为非标准螺纹。,标准螺纹与非标准螺纹,螺 纹,螺纹牙型为正方形，牙厚是螺距的一半。矩形螺纹不是标准螺纹，没有代号。标注时应注出大径、小径和螺距。,矩形螺纹,螺 纹,螺纹的牙型,外螺纹,内螺纹,螺旋线,A,制在回转体外表面 的螺纹为外螺纹,车刀,制在回转体内表面 的螺纹为内螺纹,形成,卡盘,车外螺纹,车内螺纹,螺

5、尾和退刀槽,螺纹的加工方法：,螺 尾,退刀槽,螺纹收尾,外螺纹制作： 把工件车到一定的尺寸，用板牙绞出外螺纹； 工程上大量制造的尺寸较小的外螺纹件用搓丝机制作。,内螺纹制作,首先用钻头在工件上钻孔，再用丝锥攻丝得到内螺纹。,5-1 螺纹, 螺纹的牙型,在通过螺纹轴线的剖面上，螺纹的轮廓形状。,常用的有：, 螺纹的大径、小径和中径,大径：与外螺纹牙顶或内螺纹牙底相切的 假想圆柱面的直径。D、d,小径：与外螺纹牙底或内螺纹牙顶相切的 假想圆柱面的直径。 D1、d1,外螺纹,内螺纹,大径 D、d,小径D1、d1,中径D2、d2,螺纹的中径：,一个假想圆柱的直径。该圆柱的母线通过牙型上沟槽和凸起宽度相

6、等的地方。, 螺纹的线数n,沿一条螺旋线形成的螺纹叫做单线螺纹；沿两条或两条以上在轴向等距分布的螺旋线所形成的螺纹叫做多线螺纹。,单线螺纹,双线螺纹, 螺距和导程,螺纹上相邻两牙在中径线上对应两点之间的轴向距离P称为螺距。,同一条螺纹上相邻两牙在中径线上对应两点之间的轴向距离Ph称为导程。,单线螺纹：P=Ph,多线螺纹：P=Ph/n,=导程,单线螺纹,多线螺纹,P = L / n, 螺纹的旋向,右旋(常用),左旋,注意：只有上述各要素完全相同的内、外 螺纹才能旋合在一起。,螺旋在上方用右旋，则顺时针方向是搬紧，合乎用力习惯。反之，在下方用左旋则顺时针方向是搬紧，合乎用力习惯。,5-1 螺纹,大

7、径d 是螺纹的公称直径。,小径d1常用于强度计算。,中径d2常用于几何计算。,螺距P 相邻两螺纹牙上对应点间的轴向距离。,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。,线数 n 螺纹的螺旋线数目。,牙型角a在轴向截面内，螺纹牙型两侧边的夹角。,牙型斜角在轴向截面内，螺纹牙型一侧边与螺纹轴线的垂 线之间的夹角。,（6）螺纹的角度,螺纹升角y螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面间的夹角。,AA,（7）螺纹连接的画法,画图要点：, 大径线和大径线对齐；小径线和小径线 对齐。, 旋合部分按外螺纹画；其余部分按各自 的规定画。,按不剖画,内、外螺纹剖面线方向相反,画图步骤：, 画

8、外螺纹, 确定内螺纹的端面位置, 画内螺纹及其余部分投影,外螺纹剖视画法：,（8）螺纹的标注, 标注的基本格式,特征代号,公称直径,导程(P螺距),旋向,公差带代号,旋合长度代号,粗牙螺纹不标注螺距。,旋合长度为中等时，“N”可省略。,右旋螺纹不用标注旋向，左旋时则标注LH。,公差带代号应按顺序标注中径、顶径公差带代号。,注意事项,粗牙螺纹不标注螺距。,管螺纹公称直径为英寸，近似等于管子的通径。 其公差等级代号外螺纹为A、B两级，内螺纹仅一 种公差等级 ，故不标注。,右旋螺纹不用标注旋向，左旋时则标注LH 。,公差带代号应按顺序标注中径、顶径公差带代 号。内螺纹G、H两种；外螺纹e、f、g、h

9、四种。 若中径和顶径的公差带相同时，只注一个。,螺纹各种数据的查表,G1,M30,M201.5-6g-LH,Tr2410(p5),B4032(P8),大径,小径,导程,旋向,线数,标记,螺纹名称,螺距,公称尺寸,牙型,30,26.211,3.5,右,1,普通粗牙 螺纹,3.5,30,三角形60度,20,18.376,1.5,左,1,普通细牙 螺纹,1.5,20,三角形60度,24,10,右,2,梯形螺纹,5,24,梯形30度,40,32,右,4,锯齿形螺纹,8,40,锯齿形30度,33.249,30.291,2.309,右,1,普通粗牙 螺纹,2.309,1英寸,三角形55度,18.50,标注

10、示例,M2025g6gS LH,例1：,例2：,Tr4014(P7)7HL,右旋,螺纹的标记,M202LH5g6gS,例3：,例4：,Tr4014(P7)7HL,右旋,2）螺母,3）垫圈,螺纹紧固件连接,4）螺纹紧固件的标记方法,名称,标准编号,形式与尺寸,材料,热处理,表面处理,螺纹紧固件连接,例:螺纹规格d=M12，公称长度L=80，性能等级为4.8级，不进行表面处理，全螺纹，C级的六角头螺栓： 螺栓 GB/T 5780-2000 M1280,a）螺栓,标记: 螺栓 标准号 螺纹规格 有效长度,螺纹紧固件连接,例:螺纹规格D=M12，性能等级为10级，不经表面处理，A级的六角螺母。 螺母

11、GB/T 6170-2000 M12,b）螺母,标记: 螺母 标准号 螺纹规格,螺纹紧固件连接,例: 标准系列，公称尺寸d=8，性能等级为140HV，不经表面处理的平垫圈 垫圈 GB/T 97.1-2000 8,c）垫圈,标记: 垫圈 标准号 公称直径,螺纹紧固件连接,螺纹的类型,常用右旋,此外，还有 管螺纹： 主要用于管路的联接。,效率低，易自锁，多用于联接。,？,?,?,过大的螺旋升角制造困难,而且当角度大于25度后效率相差不大了.一般取不大于20-25度.,传动应效率高,希望螺旋升角大 紧固要求自锁,希望螺旋升角小 牙型角小摩擦就小，易于传 动，但太小则牙根强度不够。、 牙型角大摩擦就大

12、，易于紧固 连接，但太大拧紧费力,V,5-2 螺纹联接的类型和标准联接件,一基本类型（请掌握各联接的特点及适用场合）,1螺栓联接,2双头螺柱联接（常拆场合）,3螺钉联接（不常拆场合）,4紧定螺钉联接,普通螺栓既可用来承担轴向载荷也可用来承担横向载荷，但铰制孔用螺栓一般用来承担横向载荷。,螺纹紧固件连接的基本形式有：,螺栓连接,双头螺柱连接,螺钉连接,普通螺栓连接,l计=t1+t2+0.15d(垫圈厚) +0.8d(螺母厚)+0.3d, 螺栓、垫圈、螺母按不剖画, 螺栓的有效长度按下式计算,计算后查表取标准值, 两块板的剖面线方向相反, 被连接件的孔径=1.1d,普通螺栓联接,普通螺栓联接,普通

13、螺栓联接,普通螺栓联接,普通螺栓联接,铰制孔用螺栓联接,铰制孔用螺栓联接,铰制孔用螺栓联接,铰制孔用螺栓联接,普通螺栓联接 （受拉螺栓联接）,铰制孔用螺栓联接 (受剪螺栓联接),铰制孔螺栓,双头螺柱联接,不能采用螺栓的场合,例如:连接件之一太厚不宜采用通孔,材料又比较软.,螺钉联接,螺钉联接,多用于受力不大且不需要经常拆卸的场合,bm:,钢： bm=d,铸铁: bm=1.25d或1.5d,铝: bm=2d,螺钉长度： l计=bm+t,柱端紧定螺钉利用端部小圆柱插入机件上的小孔或环槽起定位、固定作用。,紧定螺钉分锥端、柱端、平端三种。,锥端紧定螺钉靠端部锥面顶入机件上的小锥坑起定位、固定作用。,

14、平端紧定螺钉靠其端平面与击机件的摩擦力起定位作用。,螺钉联接,螺钉联接,螺钉联接,螺钉联接,螺钉联接,螺钉连接,螺钉连接,螺钉拧入深度H: 钢或青铜 Hd 铸铁 H=(1.251.5)d 铝合金 H=(1.52.5)d,双头螺柱连接,其他螺纹连接类型,紧定螺钉连接 地脚螺栓连接 吊环螺栓连接 T型槽螺栓连接,紧定螺钉连接,紧定螺钉连接,地脚螺栓连接,吊环螺栓连接,吊环螺栓连接,T型槽螺栓连接,例：已知被连接件: 板厚1230 板宽60 螺栓 GB/T 5782-2000 24L（螺栓长度） 垫圈 GB/T 93-1987 24 螺母 GB/T 6170-2000 24,为了提高画图速度，螺纹连

15、接件各部分的 尺寸（除公称长度外）都可用d（或）的一 定比值画出，称为比例画法。,螺栓连接,螺纹紧固件连接,螺栓连接件的简化画法,0.9d,螺栓长度的选取,被连接件1的厚度1 =30 被连接件2的厚度2 =30,螺栓长度L =120.2d0.8d0.3d = 30+30+(0.150.80.2)24 = 91.2 将L圆整为标准螺栓系列长度100 螺纹部分长度 = 2d = 224 = 48,1.扩大接触面、降低紧固力对被紧固件的应力集中，防止损坏被紧固件。2.拧紧螺母时不会划伤被紧固件。3.花垫和弹簧垫还有防止螺母松脱的作用。,1精度等级：A、B、C （精度由高低） A类用于要求配合精确、防

16、止振动的重要场合 B类用于受载大且常拆、调整或变载荷的场合 C类用于一般的螺纹联接的场合,一预紧目的,1增加联接可靠性,2增加联接紧密性,5-3螺纹联接的预紧,二拧紧力矩T,do,预紧力F0,三控制方法（控制预紧力QP的大小）,测力矩扳手,定力矩扳手,测力矩扳手,定力矩扳手,2r1,2r2,r,dr,F0,T1为螺旋副间的摩擦力矩 T2为螺母与支承面间的摩擦力矩,当F=200N,则F0=1500N,很大的力和力矩.所以对于重要螺栓不用过小的直径.,当F=200N,则F0=1500N,很大的力和力矩.所以对于重要螺栓不用过小的直径.,测量伸长量（QP=l*Cb）,一防松目的,防松根本问题：防止螺

17、旋副的相对转动,二防松方法：有三种（图例见下页）,1摩擦防松,2机械防松,3铆冲防松（破坏螺纹副）,5-4螺纹联接的防松,摩擦防松,机械防松,串联钢丝,一普通螺栓联接的强度计算,5-5单个螺栓联接的强度计算,失效形式：螺纹部分的塑变或断裂，危险截面为螺纹小径d1所对应的面积A=d21/4,设计准则：保证静强度或疲劳强度,d1,小径,(一)松螺栓联接的强度计算（螺母不需要拧紧、在承受工作载荷前，螺栓不受力）,(二)紧螺纹联接的强度计算（螺母需要拧紧、承受工作载荷前，螺栓受预紧力）,1仅受预紧力时紧螺栓联接,只有横向载荷,没有轴向拉力,64,M,10,M,普通螺纹的钢制螺栓,对,虽然同时承受拉应力

18、和剪切应力，但只按拉应力计算，增加百分之三十拉应力做为对剪切应力的影响的考虑。,F0, 1.3的含义,危险截面在小径d1处,计算求得d1后应查标准d1 ,然后确定大径d,如何求出预紧力F0？实际中何种情况使用上述公式？,问,注意,2受预紧力和工作拉力的紧螺栓联接,2受预紧力和工作拉力的紧螺栓联接,A单个螺栓受力变形图,F,松弛 状态,受载 变形,预紧 状态,F0,螺栓 F0 F1+F,螺栓预紧力 F0 F1,被连接件 F0 F1,螺栓和被连接件受力与变形的关系即刚度,螺栓相对刚度cb/(cb+cm),F2 F0+F,掌握变形协调图,提示,求出工作拉力F,确定预紧力F1,随后解出F2,求总拉力F

19、2的二种情况：,(1)由F2 F1+F 求：当有刚性或紧密性要求时 不产生缝隙至少F10推荐：,受轴向变载荷（工作拉力）作用的紧螺栓联接的计算,为什么上述螺栓联接的强度计算仅对螺栓杆进行？,当工作载荷为变载荷时，强度计算如何进行？,受轴向变载荷（工作拉力）作用的紧螺栓联接的强度计算：不仅要进行静强度计算，还要进行疲劳强度计算。,问题,螺母和螺栓是等强度的,而螺栓的小径更小.所以主要讨论螺栓的连接强度.,如图为一受轴向工作载荷的紧螺栓连接工作时力和变形的关系,问: (1)螺栓刚度和被连接件的刚度大小对螺栓受力F2有何影响? (2)若预紧力F0=800N,工作载荷F=1000N,Cm=4Cb求:螺

20、栓上的总载荷F2以及残余预紧力F1,解: (1)减小Cb增大Cm可以使总载荷F2下降 (2),想一想会出现什么情况?,间隙, 某气缸缸体与缸盖间用10个M20（d1=17. 294mm）的普通螺栓联接。缸体内径D250mm，缸内工作压力p为01MPa之间变化，螺栓的屈服极限S=340 MPa,安全系数取S=2。 1）若结合面上的残余预紧力F1为工作载荷的1.5倍，试校核该螺栓的静强度。 2）仍按上述条件，计算汽缸工作时螺栓危险剖面上的最大拉应力，最小拉应力，平均应力和应力幅.（已知螺栓的相对刚度0.5 ）,校核该螺栓的静强度,螺栓总拉力:,应力(计入切应力):,安全,螺栓应力在F2与F0之间波

21、动,一降低应力幅,1降低cb,2增大cm,方法： 增加螺栓长度 腰状杆螺栓或空心螺栓 螺母下装弹性元件,方法：采用刚度较大的金属垫片或密封环,3同时降低cb，增大cm和Qp,5-6提高螺纹联接强度的措施,1降低cb(减小 ),F0,F1,F,F2,F2,螺栓总拉力的变动范围(应力幅)下降,F0,F,F2,F0,F,F2,2增大cm( ),也可使应力幅下降,3同时降低cb，增大cm和F0,F0,二改善螺纹牙上载荷分布不均现象,1改善螺母结构：悬置螺母、环槽螺母、内斜螺母,2采用钢丝螺套,3合理选配材料,二改善螺纹牙上载荷分布不均现象,三减小应力集中的影响,四采用合理的制造工艺方法,1采用冷镦螺栓

22、头部和滚压螺纹的方法。,2采用强化处理的方法（氮化、氰化、喷丸）,1采用大圆角和卸载结构。,2在设计、制造及装配上避免产生附加弯曲应力,圆角和卸栽结构,5-7 铰制孔用螺栓联接的强度计算,A失效形式： 1螺栓杆剪断 2螺栓杆与被联接件孔壁的压溃,1剪切强度条件螺杆的,2挤压强度条件联接的,B强度条件,如何正确理解联接的挤压强度公式？,问,注意：取Lmin及 p小者代入计算,投影面积A=d0*Lmin,5-8 性能等级及许用应力,联接件材料,常用 Q235 103545,冲击振动时15Cr40Cr30CrMnTi,性能等级,螺栓,例如： 4.6,抗拉强度极限400MPa,屈服极限与抗拉强度极限之

23、比为0.6,可知屈服极限为:,许用应力有s、 t 、s p三种,一般而言螺栓与螺母的性能要相配,一螺栓组联接的结构设计,1宜对称,2受力合理,3有合理的间距、边距,4尽量取偶数，且规格相同,5避免偏心,5-9螺栓组联接的设计,足够的扳手空间,避免偏心,球面垫圈,斜面处理,二螺栓组联接的受力分析,目的：找到受力最大的螺栓及其所受的力,假设：,各螺栓规格相同,各螺栓预紧力相同,螺栓组中心与接合面形心重合,各螺栓在弹性限度内工作,1受横向载荷时：分两种情况,A采用普通螺栓联接时（结合面不滑移）,F,F,F,F,a),通过由预紧力所产生的结合面上的摩擦力来平衡横向外载荷F，,式中,设每个螺栓预紧力都是

24、F0,B采用铰制孔用螺栓联接（结合面不滑移）,b),通过剪切力F来平衡外载荷F，因此每个螺栓中受力相等，皆为F。,问题： 受横向载荷时螺栓联接的强度如何进行计算？,1采用普通螺栓联接时按仅受预紧力时的紧螺栓联接的强度计算方法计算。,2采用铰制孔用螺栓联接时按铰制孔用螺栓联接的强度计算方法计算。,2受旋转力矩时：分两种情况,A采用普通螺栓联接（不发生转动）,通过由预紧力F0所产生的结合面上的摩擦力矩来平衡外载荷T，因此每个螺栓中受力相等，皆为F0,ri越大，所需F0就越小，所以应远距离分布。,讨论,问题： 受旋转力矩时普通螺栓联接的强度如何 进行计算？,采用普通螺栓联接时按仅受预紧力时的紧螺栓联

25、接的强度计算方法计算,B采用铰制孔用螺栓联接（不发生转动）,通过剪切力F所产生的力矩来平衡外载荷T，由于此时由于螺栓的位置不同，因此每个螺栓的受力不相等，关键是找受力最大的螺栓所受到的力Fmax,变形协调条件： 每个螺栓受到的剪切力与其到中心点的距离成正比。,由变形协调条件可知：,问题： 受旋转力矩时铰制孔用螺栓联接的强度如何进行计算？,采用铰制孔用螺栓联接时首先找受力最大的螺栓所受到的力Fmax，然后按铰制孔用螺栓联接的强度计算方法计算,FG,F”,F,T,r,单个螺栓所受最大横向力,螺栓很多,应取按照余弦定理合成所得最大的摩擦力即,普通螺栓组同时受外力和外力矩作用时预紧力的计算,转距产生的

26、切向力,F”,F,T,r,单个螺栓所受最大横向力,铰制孔用螺栓连接,FG,3受轴向载荷时普通螺栓联接,根据假设可知，每个螺栓所承担的工作拉力皆相等为F，即：,问题：受轴向载荷时普通螺栓联接的强度如何进行计算？,求出工作拉力F后按受预紧力和工作拉力的紧螺栓联接的强度计算方法计算。,4受倾覆力矩时普通螺栓联接,M,通过左右两侧螺栓与地基间所产生的力F形成的力偶来平衡外载荷M，由于此时由于螺栓的位置不同，因此每个螺栓的受力不相等，关键是找受力最大的螺栓所受到的力Fmax,变形协调条件：每个螺栓受到的工作拉力与其到中心点的距离成正比。,A 轴向工作载荷F,式中Li各螺栓轴线到螺栓组对称中心的垂直距离

27、（ Li与ri 含义不同）,由变形协调条件可知：,单个螺栓工作拉力,B.倾覆力矩时普通螺栓联接的强度如何进行计算？,首先找受力最大的螺栓所受到的力Fmax然后按受预紧力和工作拉力的紧螺栓联接的强度计算方法计算。,C承受倾覆力矩条件下接合面可靠工作条件,先算出倾覆力矩和轴向工作拉力产生的合力F轴向,受倾覆力矩作用的零件与底板不滑移的条件是残余预紧力所产生的摩擦力大于滑移方向总外力,不滑移,用防滑移条件算预紧力FO,受倾覆力矩作用的零件与底板不滑移的条件是残余预紧力所产生的摩擦力大于滑移方向总外力,不滑移,不压溃,无间歇,F1残余应力,单个螺栓受轴向拉力：,弯矩产生最大轴向力,工作载荷,在实际使用

28、中，螺栓组所受的载荷是以上四种简单受力状态的不同组合，但不论如何复杂，都可以将其简化成上述简单受力状态，从而分别计算每个螺栓的工作载荷，然后将其进行向量迭加得到每个螺栓的总的工作载荷。,对普通螺栓可按轴向载荷以及倾覆力矩来确定螺栓的工作拉力，按横向载荷以及转矩来确定联接所需的预紧力，最后求出螺栓的总拉力Q。对受力最大的螺栓进行强度计算。,对铰制孔用螺栓按横向载荷以及转矩来确定螺栓的工作剪力，对受剪力最大的螺栓进行强度计算。,说明：,教材例题 图示为一固定在立柱上的铸铁拖架,总载荷F=4800N ,作用线与垂直方向夹角呈50O,设计此螺栓组连接.,M,b,H,h,查表得摩擦系数为,则,按不滑移条件确定预紧力,取,取,得,72.44N/cm2=0.72MPa0,184.6N/cm2=1.84MPa,不压溃,无间隙,单个螺栓直径的确定