第五章 螺纹联接 教案与讲稿.doc

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1、河海大学机电学院 教案与讲稿课程：机械设计 20112012学年 上学期 主讲教师：苏 洲教 学 课 题螺纹联接教学目的与要求掌握螺纹联接类型及防松方法，松、紧螺栓联接强度计算掌握螺栓组设计方法，了解提高螺纹联接强度的常用措施和螺旋传动的设计教学重点螺纹联接的特点、预紧与防松的方法和螺纹设计的要点难点螺纹防松的原理与设计要点；螺纹联接类型及防松原理，紧螺栓联接的强度计算螺栓组联接的设计与受力分析教 具实物与挂图讲 稿（教学要点与板书）51 螺纹为使机器制造、安装、调整、维修和运输、减重、省科、降成、提高效率、等等 必须采用各种方式联接成整体，才能实现上述要求。因此一个出色的设计者应了解联接的种

2、类、特点和应用，熟悉联接设计的准则。掌握好设计的方法。联接近代机械设计（机器设计）中最感兴趣的课题之一，也是近一些年来，发明创造最多的。在通用机械中，联接件占总零件数的2050%。如Boengs 747中有250万个紧固联接件联接：静联接被联接件间不充许产生相对运动 不可折联接：铆、焊、介于可折不可折之间，胶（粘）接等可折联接：螺纹、键、花键、销、成型而联接等动联接被联接零件间可产生相对运动各种运动副联接一、螺纹的形成如图4-1所示：把一锐角为的直角三角形绕到一直径为d的圆柱体上，绕时底边与圆柱底边重合，则斜边就在圆柱体上形成一条空间螺旋线。如用一个平面图形K（如三角形）沿螺旋线运动并使K平面

3、始终通过圆柱体轴线YY-这样就构成了三角形螺纹。同样改变平面图形K，同样可得到矩形、梯形、锯齿形、圆弧形（管螺纹）二、螺纹的类型螺纹 三角形（普通螺纹）、管螺纹联接螺纹（精密传动）按牙型 矩形螺纹，梯形螺纹，锯齿形螺纹传动螺纹按位置 内螺纹在圆柱孔的内表面形成的螺纹螺纹 外螺纹在圆柱孔的外表面形成的螺纹三角形 粗牙螺纹用于紧固件螺纹 细牙螺纹同样的公称直径d下，P小，自锁性好，适于薄壁细小零件和冲击变载等情况根据螺旋线 左旋图4-2b绕行方向螺纹 右旋常用 单头螺纹（n=1）用于联接根据螺旋 双头螺纹（n=2） 线头数 多线螺纹（n2） 用于传动三、螺纹的主要参数（图4-3）1）外径d（大径）

4、（D）与外螺纹牙顶相重合的假想圆柱面直径亦称公称直径2）内径（小径）d1(D1)与外螺纹牙底相重合的假想圆柱面直径，在强度计算中作危险剖面的计算直径3）中径d2在轴向剖面内牙厚与牙间宽相等处的假想圆柱面的直径，近似等于螺纹的平均直径 d20.5(d+d1)4）螺距P相邻两牙在中径圆柱面的母线上对应两点间的轴向距离5）导程（S）同一螺旋线上相邻两牙在中径圆柱面的母线上的对应两点间的轴向距离6）线数n螺纹螺旋线数目，一般为便于制造n4螺距、导程、线数之间关系：L=nP7）螺旋升角在中径圆柱面上螺旋线的切线与垂直于螺旋线轴线的平面的夹角。8）牙型角螺纹轴向平面内螺纹牙型两侧边的夹角9）牙型斜角螺纹牙

5、型的侧边与螺纹轴线的垂直平面的夹角。对称牙型各种螺纹（除矩形螺纹）的主要几何尺寸可查阅有关标准公称尺寸为螺纹外径对管螺纹近似等于管子的内径。螺旋副的自锁条件为：（见机械原理）螺旋副的传动效率为：克服轴向力Q匀速上升所需的圆周力四、常用螺纹的种类、特点与应用，比较具体见表4-1，为加深印象，特列表如下（管螺纹除外）。英制细牙螺纹，内外螺纹旋合后无径向间隙，以保证配合紧密，公称直径为管子内径，适于以下的水、煤、气、油等管路。常用螺纹的比较（管螺纹除外类似于三角形）名称三角梯形锯齿矩形剖面形状结构特点牙型角牙型倾角正三角形=60=30等腰梯形=30=15不等腰梯形=30=3正方形=0=0当量摩擦系数

6、-fv当量摩擦角-v传动效率自锁性牙根强度工艺性能一般应用Fv=f/cos=1.155ffv=1.035ffv=1.001ffv=f错误！链接无效。 （在螺纹升角相同的条件下） 条件 当（p、d、tv材料相同的条件下）t0旋合长度即可车又可铣只能车不能铣联接传动传动传动特点（优缺点及结构性能）由P分：粗牙Md用于紧固件细牙Mdxpd同而d小，因而P，自锁性，适于薄壁细小零件、冲击、变载等场合联接可靠、防震性好，适于重要的动力传动，要求精密强度高等，适于双向传动，如车库丝扭、双面工作。用部分螺母可调间隙，应用广泛。性能介于梯形与矩形之间，适于单向传动，单面工作（3）应用千斤顶等特适于高效、轻载传

7、动如高低机、方向机等，但强度低、精度差、磨损后有间隙，加工艺性差，为便于铣磨，现已改用=10,=5自行设计：p=1/4d,d=5/4d1h=1/8d152 螺纹联接的类型及螺纹联接件一、螺纹联接主要类型口述：四种基本类型，两个变种（地脚与吊环）。根据设计应用情况，今后工作需要，抽讲两点最重要的内容，其余以自学为主。注意：结构特点、作用与应用场合1、螺栓联接普通螺栓联接被联接件不太厚，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，结构简单，装折方便，可多个装拆，应用较广。精密螺栓联接装配后无间隙，主要承受横向载荷，也可作定位用，采用基孔制配合铰制

8、孔螺栓联接（H7/m6,H7/n6）2、双头螺栓联接螺杆两端无钉头，但均有螺纹，装配时一端旋入被联接件，另一端配以螺母。适于常拆卸而被联接件之一较厚时。折装时只需拆螺母，而不将双头螺栓从被联接件中拧出。3、螺钉联接螺钉联接适于被联接件之一较厚（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（手册无六角头螺钉，L0=L即可）4、紧定螺钉联接拧入后，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。特殊联接：地脚螺栓联（图4-6a,b） 吊环螺钉联接（图4-8）二、螺纹联接件螺栓联接（图4-9）用于工艺联接 普通螺栓 六角头：小六

9、角头，标准六角头，大六角头1）螺栓 圆柱头（内六角） 铰制孔螺栓螺纹部分直径较小螺栓 粗制 精制机械制造中常用2）双头螺栓两端带螺纹 A型有退刀槽 施入端长度也各有不同。 B型无退刀槽3）螺钉种类繁多 半圆头 一字槽 平圆头 十字槽 共有按头部形状 六角头 头部起子槽 内六角孔 圆柱头 一字加十字槽 沉头 要求全螺纹与螺栓区别 要求螺纹部分直径较粗4）紧定螺钉 锥端适于零件表面硬度较低不常拆卸常合 末端 平端接触面积大、不伤零件表面，用于顶紧硬度较大的平面，适于经常拆卸 圆柱端压入轴上凹抗中，适于紧定空心轴上零件的位置适于较轻材料和金属薄板5）自攻螺钉由螺钉攻出螺纹6）螺母 六角螺母：标准，扁

10、，厚 圆螺母（与带翅垫圈）+止退垫圈带有缺口，应用时带翅垫圈内舌嵌入轴槽中，外舌嵌入圆螺母的槽内，螺母即被锁紧。螺母 粗制 精制 粗制平垫 精制 A型7）垫圈 普通垫圈 斜垫 B型带倒角 防松垫圈（弹簧垫圈）起防松作用 带翅垫圈等5-3 螺纹联接的预紧与防松一、预紧螺纹联接 松联接在装配时不拧紧，只存受外载时才受到力的作用轻少用 紧联接在装配时需拧紧，即在承载时，已预先受力，预紧力QP预紧目的：保持正常工作。如汽缸螺栓联接，有紧密性要求，防漏气，接触面积要大性，靠摩擦力工作时，增大刚性等。必拧紧增大刚性增加联接刚度、紧密性和提高防松能力预紧力QP预力轴向作用力（拉力）但：预紧过紧拧紧力过大QP

11、螺杆静载荷增大、降低本身强度 过松拧紧力QP过小工作不可靠一般：碳钢： 螺栓最小剖面积 合金钢： 屈服极限 MPa板手拧紧力矩T=FHL （4-4）FH作用于手柄上的力，L力臂。拧紧时螺母：T=T1+T2T拧紧，T1螺纹，T2端面摩擦力矩螺栓：T1=T3+T4T1螺纹，T3钉头，T4夹持其中：螺纹阻力矩： （4-5）端面摩擦力矩： （4-6）其中：fc螺母与支承面间的摩擦系数，取fc =0.15D1,d0支承面的内、外直径。见图4-8其余参数同前。 （4-7）则 （4-8） 一般K=0.10.3对M10M68螺母，将其标准参数代入，经简化后得K0.2 即：T=0.2QPd (4-9)而T=FH

12、L=FHd QP=75FH说明d过小螺栓易过载！(一般L=15d)注：由于 dM10 易过载 dM68应力分布不均 最好取d=M16M30预紧力QP的控制 测力矩板手测出预紧力矩图4-9，图4-12 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。图4-10，图4-13测量预紧前后螺栓伸长量S精度较高。二、防松：理论上，螺纹联接升角 为什么还要防松：目的 满足自锁 根据什么防松：原理三角形螺纹当量摩擦角 防松方法措施1、防松目的（口述）实际工作中，外载荷有振动、有变化、材料高温需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，从而使螺纹联接松动，如经反复作用，螺纹联接就会

13、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、防松原理概括成一句话，即消除（或限制）螺纹副之间的相对运动，或增大相对运动的难度。3、防松办法及措施表4-31）摩擦防松双螺母、弹簧垫圈、尼龙垫圈、自锁螺母等尼母垫圈除防松外还可起密封作用螺母一端做成非圆形收口或开峰后径面收口，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，弹簧垫片，轴用带翅垫片，止动垫片，串联钢丝等。3）永久防松：端铆、冲点（破坏螺纹）、点焊4）化学防松粘合思考题：双头螺栓联接，旋入端如何防松？出过题 利用螺尾旋紧产生横向扩张；利用过盈配合达到横向扩张；利

14、用杆端预紧，产生轴向预紧作用。54 单个螺栓联接的强度计算针对不同零件的不同失效形式，分别拟定其设计计算方法，则失效形式是设计计算依据和出发点。1、失效形式和原因a）形式工程中螺栓联接多数为抗拉疲劳失效，静态失效较少，但严重过载拉断，螺牙剪断，螺纹压溃等可出现。统计表明：90%以上螺栓失效皆与应力集中有关，集中分布在三处：螺母支承面第一、二牙圈处占65%杆螺尾退刀槽处占20%钉头支承面处：占15%b）失效原因：应力集中应力集中促使疲劳裂纹的发生和发展过程改善工艺、改进结构、正确安装、注意使用方法皆可提高抗疲劳强度2、设计计算准则与思路受拉螺栓：设计准则为保证螺栓的疲劳拉伸强度和静强度受剪螺栓：

15、设计准则为保证螺栓的挤压强度和剪切强度根据联接特点、材料性质、受力状态、失效形式、确定螺杆危险剖面处的尺寸，实质将螺栓看成最小直径的光杆。其它尺寸和附件由等强度条件或使用经验确定。系统思路单栓计算一、松栓不预紧、无QP、仅工作载F对杆拉伸、防断求d1二、紧栓必预紧、有QP 1）横向外载（防滑） 1）普栓仅QP对杆拉伸求d1 2）精栓横载对杆同时剪挤求d0 2）轴向外载（防断）普栓求总载Q a）静轴外载按Q对杆拉伸求d1 b) 变轴外载按静设计，再接疲劳强度计算三、材料与许用应力一、松螺栓联接图4-11如吊钩螺栓，工作前不拧紧，无QP，只有工作载荷F起拉伸作用，防断。强度条件为： MPa 验算用

16、（4-11）或 （mm） （设计用）定公称直径d （4-12）式中：d1螺杆危险截面直径（mm） 许用拉应力 N/mm2 (MPa) 材料屈服极限Mpa表4-8n安全系数，表4-9二、紧螺栓联接工作前有预紧力QP工作前拧紧，在拧紧力矩T作用下：预紧力QP产生拉伸应力 复合应力状态螺纹摩擦力矩T1产生剪应力a) b) 接第四强度理论：强度条件为： （4-13）式中：QP预紧力（N） T1螺纹摩擦力矩，起扭剪作用，又称螺纹扭矩，N.mm 1.3系数将外载荷提高30%，以考虑螺纹力矩对螺栓联接强度的影响，这样把拉扭的复合应力状态简化为纯拉伸来处理，大大简化了计算手续，故又称简化计算法。QP、（T1与

17、QP有关）的确定？与联接方式和载荷类型有关。1、横向载荷的紧螺栓联接计算主要防止被联接件错动（1）普通螺栓联接防滑图4-12 P79特点：杆孔间有间隙，靠拧紧后正压力由（QP）产生摩擦力来传递外载荷，保证联接可靠（不产生相对滑移）的条件为：设所须的预紧力为QP （4-14）工作前后不变，起拉作用式中：f接缝面间的摩擦系数，表4-4 i拉缝界面数目 （图4-12a，i=2） KS防滑系数（可靠性系数） KS=1.11.3强度条件验算公式：为式（4-13）设计公式为： （4-15）分析：由式（4-14）可知，当f=0.2,i=1,KS=1则QP=5R，说明这种联接螺栓直径大，且在冲击振动变载下工作

18、极不可靠，为增加可靠性，减小直径，简化结构，提高承载能力，须采用如下减载装置： 图4-16a) 减载销；b) 减载套筒；c) 减载键；d) 减载牙齿；e) 精螺栓联接2、铰制孔螺栓联接防滑动，图4-12b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R进行工作螺栓的剪切强度条件为： MPa (4-16)螺栓与孔壁接触表面的挤压强度条件为： （4-17）R横向载荷（N）；d0螺杆或孔的直径（mm）lmin被联接件中受挤压孔壁的最小长度（mm），如图4-12b中lmin所示为一般要求：lmin1.25d0螺栓许用剪应力，MPa，（钢，安全系数，表4-9）螺栓或被联接件中较弱

19、者的许用挤压应力，MPa铜： 见表4-8铸铁： np安全系数表4-9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。2、轴向载荷紧螺栓联接强度计算特点：加载前有预紧力QP、轴向工作载荷F 只适于普通螺栓，不能用精螺栓防断，受QP与F联合作用，如汽缸盖螺栓如图4-19(a) 螺母未拧紧 (b) 螺母已拧紧 (c) 承受工作载荷图4-17 单个紧螺栓联接受力变形图工作特点：工作前拧紧，有QP；工作后加上工作载荷F工作前、工作中载荷变化，求工作时总载荷Q=？工作原理：靠螺杆抗拉强度传递外载F解决问题：a) 保证安全可靠的工作，QP=？ 实质是如何计算b) 工作时螺栓总载荷， Q

20、=？分析：图a，未拧紧栓母松驰状态 图b，拧紧预紧状态 凸缘压QP 静平衡（作用与反作用力） 栓杆拉QP 图c，加载F后工作状态栓杆继拉总载凸缘放松残余预紧力 作图，为了更明确以简化计算（受力变形图）设：材料变形在弹性极限内，力与变形成正比单个紧螺栓联接受力变形图从图线可看出，螺栓受工作载荷F时，螺栓总载荷：，一般已知，F，如何求Q？1）已知：、F，求Q2）要求和F，求静平衡条件变形协调条件：凸缘压力减量为变形缩小 由变形协调条件 杆缘拉力增量变形增加 （在一个整体中两者必须相等，否则不能成为一个整体结构）由图可知：螺栓刚度： （a）被联接件刚度： （b） (c)由式（a）和（b）得 式中：称

21、螺栓相对于联接的刚度，称螺栓的相对刚度 部分工作载荷表4-5 与螺栓，被联接件材料，垫片等有关又 （d）由（c）代入（d）得： （4-20） （4-21）对残余预紧力的要求，为保证受载后接合面联接的紧密性应使0的取法 =（1.51.8）F有密封要求 =（0.20.6）F 载荷稳定 =（0.61.0）F 载荷不稳定 一般联接 地脚螺栓联接 F结论：讨论：1）当 最不利的情况 2）当 最理想情况 3）当0 即0，即F d)6）计算时： 两者均可根据已知条件行事a）轴向静大紧螺栓联接强度计算静大F不变，Q为静大，但考虑补充拧紧防断强度条件：验算公式： （MPa） (4-22)设计公式： （mm）(公

22、称直径) （4-23）b）轴向变载荷紧螺栓联接强度计算图4-20分析：当工作载荷，上0F。 Q 螺栓总载，由Q 则 部分载荷，由00 A当只进行验算时，其强度条件按公式进行按式（2-26）进行疲劳强度计算变载荷螺栓大多为疲劳破坏，而应力幅是变载荷下螺栓疲劳强度的主要因素，对变载荷的紧螺栓联接，不仅应按最大应力进行强度计算，还要验算螺纹部分的循环应力幅，即强度条件：最大拉应力： Mpa (4-24) 循环应力幅： Mpa (4-25)螺栓的最大许用拉应力，钢螺栓，见表48，n安全系数，表49 n=1.252.5螺栓的许用应力幅 Mpa 钢螺栓对称循环拉压疲劳极限（表4-8） 应力幅安全系数表4-

23、9有效应力集中系数表4-10 尺寸系数表4-9再按式（4-25）校核。3、当验算不满足时措施：a)b)最好改善结构、降低应力集中。包括：工艺、结构、制造、，适当提高等综合措施。三、螺栓材料与许用应力计算1、材料 P289 表4-6，4-7 对照自学螺母、螺栓强度级别：保谓强度级别；如何分级；标记方法1）据据成的机械性能，把栓母分级，并以数字表示，此乃强度级别如5-6，8-82）所依据机械性能为抗拉强度极限和屈服极限；螺栓级别用带点数字表示 点前数字为 点后数字为螺母级别用表示注意：选择对螺母的强度级别应低于螺栓材料的强度级别，螺母的硬度稍低于螺栓的硬度（均低于2040HB）2、许用应力许用拉应

24、力： 表4-8 n表4-9 P85已知：不控制的紧螺栓联接，易过载。设计时应取较大的完全系数。控制预紧力时可取较小的安全系数n。显然n，与d有关。设计时，先假设d，进行试算，选取一安全系数进行计算，计算结果与估计直径相比较，如在原先估计直径所属范围内即可，否则需重新进行估算。试算法：设计时先假设dn和d1(d)与假设比较：符合完成；不符合重算许用剪切应力与许用挤压应力： （Mpa） 、表4-8 (Mpa) nt，nP安全系数，表4-12试算法：设计时先估d，如d=1630mm，在表4-9中选n算求d1再根据d1查d在此范围，则合格如d30或dQP2理想方法。四、减小应力集中的影响，图4-29螺

25、纹牙根、收尾、螺栓头部与螺栓杆的过渡处等均可能产生应力集中。1）加大过渡处圆角，(图4-29a) 2）改用退刀槽2040%（螺纹收尾处）3）卸载槽，(图4-32b) 4）卸载过渡结构。（图3-32c）五、（工艺方法）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3040%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70100%，此法具有优质、高产、低消耗功能。4）控制单个螺距误差和螺距累积误差。例4-1 自学龙门起重机导轨托架螺栓组联接习题：4-20（两板各用4个螺栓与主轴相联）。托架承受的最大载荷为F=20KN，

26、载荷有较大变动试问：1）用普通螺栓与铰制孔螺栓，那个为宜？ 2）如用铰制孔螺栓，其直径为多大？注意：当图上划出T、P、Ri时，则F不划，否则矛盾。解一、 阻止板下滑用铰制孔螺栓为宜，便于装配、调整、定位。二、 设计铰制孔用精螺栓尺寸1、每半边板受力2、力向回转中心简化在P作用下各螺栓剪力，在T作用下各螺栓剪力，Vi、Ri力方向如图3、求各螺栓总剪力R中最大者Rmax4、材料、许用应力5、螺栓光杆直径6、螺栓标准化划出力学模型P、Vi、Ri与T由变形卡加调条件知中最大者为2，3两个螺栓选螺栓材料（6.6级45# =Mpa, =360Mpa）由表4-12知 45#由表6-1知，载荷变动时（=0.4

27、），下降30%取 附表7-3（P349）查手册P92表5-9，取表上为d1，d=12(mm)取M1240铰铰孔螺栓取螺栓 M12L（40） GB7-76 （光杆直径）d0=13mm 螺母 M12 GB6170-86 手册 P98 表5-18垫片 12 GB97.1-85 P101 表5-21注意：本来要验算挤压应力57 螺旋传动一、 螺旋传动的类型、特点与应用1、应用 回转 直线 传递运动、动力 不自锁时2、传动形式：a) 螺杆转螺母移 b) 螺杆又转又移（螺平固定）用得多c) 螺母转螺杆移 d) 螺母又转又移（螺杆固定）用得少3、螺旋传动类型按用途分三类：1）传力螺旋举重器、千斤顶、加压螺旋

28、。特点：低速、间歇工作，传递轴向力大、自锁2）传导螺旋机床进给汇杠传递运动和动力，特点：速度高、连续工作、精度高3）调整螺旋机床、仪器及测试装置中的微调螺旋。其特点是受力较小且不经常转动螺旋传动按摩擦副的性质分：重点介绍1、滑动螺旋：构造简单、传动比大，承载能力高，加工方便、传动平稳、工作可靠、易于自锁。缺点：磨损快、寿命短，低速时有爬行现象（滑移），摩擦损耗大，传动效率低（3040%）传动精度低。滑动螺旋的这些致命缺点，使之不能适应现代工业发展的需要。2、滚动螺旋传动摩擦性质为滚动摩擦。滚动螺旋传动是在具有圆弧形螺旋槽的螺杆和螺母之间连续装填若干滚动体（多用钢球），当传动工作时，滚动体沿螺纹滚道滚动并形成循环。按循环方式有：内循环、外循环，滚动螺旋两种。如图4-36（a）和（b），为保证循环装有反向器。特点：传动效率高（可达90%），起动力矩小，传动灵活平稳，低速不爬行，同步性好，定位精度高，正逆运动效率相同，可实现逆传动。预紧后刚度好，定位精度高（重复定位精度高）缺点：不自锁，需附加自锁装置，抗振性差，结构复杂，制造工艺要求高，成本较高。3、静压螺旋液体摩擦，靠外部液压系统提高压力油，压力油进入螺杆与螺母螺纹间的油缸，促使螺杆、螺母、螺纹牙间产生压力油膜而分隔开，如图4-37特点：f小，效率高可达99%，工作稳定、无爬行