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1、机械设计,第三章螺纹联接Threaded Fasteners,第三章螺纹联接,第一节螺纹及螺纹联接的主要类型,一、螺纹的形成(Generation),二、分类(Forms),按螺纹母体形状分：圆柱形(Column)螺纹、圆锥形(Taper)螺纹。按螺纹牙型分：三角形(V Thread)、矩形(Square)、梯形(Acme)、锯齿形(Buttress)螺纹。按螺纹旋向分：右(Right)旋和左(Left)旋按螺旋线的数目，可分为单线(single)、双线(Double)、三线等。根据螺纹在圆柱表面上的位置，分为：外(External)螺纹：在圆柱外表面上形成；内(Internal)螺纹：在内壁
2、上形成。内外螺纹两者旋合组成的运动副称为螺纹副。,按螺纹牙型分类,Square,Acme,Buttress,V Thread,Pipe Thread,按螺旋线的数目分类,三、圆柱螺纹的主要参数,直径(Diameter)大径(Major dia.)d小径(Minor dia.)d1中径(Pitch dia.)d2螺距(Pitch)P 导程(Lead)S 升角(Lead angle)y 牙型角(Thread angle)a 牙型斜角b 螺纹工作高度(Working depth)h,升角(Lead angle)y,四、螺旋副的受力分析、效率与自锁,矩形螺纹的受力分析 拧紧螺母时的受力分析 旋松螺母时
3、的受力分析 非矩形螺旋副的受力分析,1）受力分析(Force analysis),在矩形螺旋副中，若螺母上作用有轴向载荷Q（包括外载荷与自重）时，螺母在螺旋副上的运动情况可看作推动一重物（滑块）Q沿螺旋运动。,拧紧螺母时的受力分析,当螺母旋转一周时，输入功率(驱动功)为：,升举重物所作的有效功(输出功)为：,螺旋副的效率(Efficiency),由上式可知：当摩擦角一定时，效率只是升角的函数。,螺旋副的效率图,旋松螺母时的受力分析,螺旋副的自锁(Self-locking),当y=r时，F=0 即去掉支持力F，滑块仍能保持平衡。当yr时，F0 即要使滑块沿斜面等速下滑，必须加一反方向的水平推力F
4、。否则，无论Q有多大，滑块也不会自行下滑。这种现象称为螺旋副的自锁。螺旋副的自锁条件为：yr,2）非矩形螺旋副的受力分析,由于非矩形螺纹的牙型斜角b不等于零，所以在同样的轴向载荷Q作用下：,有关公式,力的关系：,驱动力矩：,效率：,自锁条件：,结论,五、常用螺纹,Coarse Thread,Fine Thread,普通螺纹是一种三角形螺纹，a=60，有粗牙、细牙之分管螺纹，a=55矩形螺纹，a=0梯形螺纹，a=30锯齿形螺纹,六、螺纹联接的主要类型(Types),螺栓联接(Bolt and nut)螺钉联接(Screw)双头螺柱联接(Stud and nut)紧定螺钉联接(Setscrew),
5、1）螺栓联接(Bolt and nut),特点和应用：无须在被联接件上切制螺纹，使用不受被联接件材料的限制。构造简单，装拆方便，应用最广。用于可制通孔的场合。分为受拉螺栓联接和受剪螺栓联接。,2）双头螺柱联接(Stud and nut),特点和应用：座端旋入并紧定在被联接件之一的螺纹孔中，用于受结构限制而不能用螺栓或希望联接结构较紧凑的场合。,3）螺钉联接(Screw),特点和应用：不用螺母，而且能有光整的外露表面，应用于与双头螺柱联接相似，但不宜用于时常装拆的联接，以免损坏被联接件的螺纹孔。,4）紧定螺钉联接(Setscrew),Hex Socket Headless Setscrew,特点
6、和应用：旋入被联接件之一的螺纹孔中，其末端顶住另一被联接件的表面或顶入相应的坑中，以固定两个零件的相互位置，并可传递不大的力或转矩。,Types of heads(1),Types of heads(2),第三章螺纹联接,第二节螺纹联接的拧紧与防松,一、螺纹联接的拧紧(Bolt tightening),各种机械中实际使用的螺纹联接，绝大多数在装配时就已预先拧紧，使螺纹联接受到较大的预紧力的作用。其目的是使螺纹联接可靠地承受载荷，获得所要求的紧密性、刚性或防松能力。,1）确定拧紧力矩,F预紧力T拧紧力矩T1螺纹阻力矩T2螺母支承面摩擦力矩T3螺钉头支承面摩擦力矩T4夹持力矩,反映了拧紧力矩、螺纹
7、力矩、预紧力之间的关系；一个小的拧紧力可以产生很大的预紧力，可能导致过载折断。,2）控制预紧力的方法,测量螺栓的伸长量或控制应力或应变；规定螺母拧紧圈数；控制拧紧力矩。,二、螺纹联接的防松(Thread locking),在静载荷作用下，联接用螺纹能满足自锁条件，且螺母与支承面之间的摩擦力矩也有防松作用。因此联接一般不会自动松脱。但在变载荷、冲击振动及温度变化较大的情况下，螺纹副间和支承面间的摩擦阻力可能瞬时消失，经多次重复后，联接就可能松动，甚至松脱而造成事故。螺纹联接防松的根本问题在于防止螺纹副相对转动。凡是能满足这一要求的结构都能防松。按防松原理分，可分为：摩擦防松、机械防松及永久止动。
8、,1）摩擦防松,使螺纹副中有不随联接载荷而变化的压力，因而始终有摩擦力矩防止相对转动。压力可由螺纹副纵向或横向压紧而产生。,2）机械防松,比如：开口销与槽形螺母止动垫片串联金属丝,利用便于更换的金属元件约束螺纹副。,开口销与槽形螺母(Cotter pin&Slotted nut),止动垫片(Lock washer),串联金属丝,机械防松实例,3）永久止动,焊接 铆冲,把螺纹幅转动变为非运动幅，从而排除相对运动的可能。,第三章螺纹联接,第三节螺栓组联接的受力分析(Force analysis),螺栓联接设计计算的一般步骤,螺栓组受力和失效分析找出受力最大的螺栓；单个螺栓受力和失效分析单个螺栓强度
9、计算确定螺栓的尺寸（直径、长度）。,受力分析目的,螺栓组联接的受力分析目的：根据联接的结构和载荷情况，求出联接中受载最大的螺栓及其载荷，为螺栓强度计算提供依据。,受轴向载荷Q的螺栓组联接,每个螺栓承受的工作载荷为：,总拉力的求法见第七节。,受横向载荷R的螺栓组联接,1）受拉螺栓联接每个螺栓需要的预紧力为：,2）受剪螺栓联接每个螺栓受的横向工作剪力为：,受旋转力矩T的螺栓组联接,1）受拉螺栓联接每个螺栓需要的预紧力为：,2）受剪螺栓联接受载最大的螺栓承受的横向工作剪力为：,受翻转力矩M的螺栓组联接,受载最大的螺栓承受的轴向工作拉力为：,注意的问题,2）为防止接合面左边出现间隙，应使,1）为防止接
10、合面右边被压溃，应使,第三章螺纹联接,第四节单个螺纹联接的强度计算,一、失效形式(Failure Types),普通螺栓联接在工作时，螺栓主要受轴向拉力，故又称受拉螺栓联接。在静载荷作用下：螺栓的主要失效形式为螺纹部分的塑性变形或断裂；在变载作用下，螺栓的主要失效形式为疲劳断裂。铰制孔用螺栓联接，其工作时，螺栓只承受横向载荷，故又称受剪螺栓联接，其主要失效形式为螺栓剪断、栓孔或孔壁压溃。,计算准则,对于受拉螺栓联接，保证螺栓的静力或疲劳拉伸强度；对于受剪螺栓联接，保证螺栓的剪切强度或联接挤压强度。,二、受拉螺栓联接强度计算,螺栓联接的强度计算，主要是根据联接类型、载荷状态、装配条件等确定螺栓受
11、力状态。然后按相应的强度计算准则，计算螺栓的危险截面的直径d1或校核其强度。所用紧固件都是标准件，他们是按等强度原则设计的，可按螺栓公称直径由标准中选取。,1）松螺栓联接的强度计算,设计公式：,在承受外载荷之前，联接并不受力（如起重吊钩用的螺栓联接）。在承受工作载荷后，螺栓受拉，其强度条件为：,2）紧螺栓联接的强度计算,紧螺栓联接装配时需将螺母拧紧，在承受工作载荷之前，中已受到螺纹力矩T1和预紧力F的联合作用。这是应用中较广泛的情况。按外载荷及结构不同主要分为下面两种情况：只受预紧力的紧螺栓联接 受预紧力和工作拉力的紧螺栓联接,只受预紧力的紧螺栓联接,外载荷与螺栓轴线垂直。靠螺栓联接预紧后在接
12、合面之间产生的摩擦力来承受和传递横向力。因而在施加外载荷前后，螺栓所受拉力不变，均为预紧力F。只受预紧力的紧联接螺栓的螺纹部分除受预紧力F的拉伸作用外，一般还受拧紧力矩T施加给螺栓的螺纹力矩T1的扭转作用。,正应力与扭应力,一般情况,对于M10M68普通螺栓，有如下统计规律：,故：,当量应力,用于钢制螺栓是塑性材料，根据第四强度理论，其当量应力为,设计公式：,小节,对只承受预紧力作用的紧螺栓，虽然受拉伸和扭转的联合作用，但在强度计算时，仍可按纯拉伸计算，这时只需将所受的拉力增大30。,讨论,靠摩擦力传递横向外载荷的普通螺栓联接，构造简单，装配方便等优点。,此时预紧力为横向外载荷的8倍，因而所的
13、螺栓直径和联接尺寸都较大，并且在变载作用下或有冲击时，f不稳定，因而可靠性较差。,针对性措施,为避免上述缺点，必要时可采取各种减载装置，如减载销、减载套筒、减载键等，他们靠挤压或剪切来传递一部分横向外载荷，这样F可以减小，从而使螺栓联接的结构尺寸减小。此外，还可改用铰制孔用螺栓联接。,受预紧力和工作拉力的紧螺栓联接,这类螺栓联接拧紧后，螺栓受预紧力F的作用，工作时还受到轴向拉力F的作用。螺栓所受的总拉力是否为F+F？由于螺栓和被联接件都是弹性体，当应变在弹性范围内时，联接中各零件受力要由静力平衡和变形协调条件来确定。,螺栓的工作过程,公式的推导,注意的问题,螺栓工作时被联接件间是不允许出现间隙
14、的，因此要求剩余预紧力F 大于零。,强度条件与设计公式,设计公式：,一般紧联接螺栓通常应在承受工作拉力F0之前拧紧。但为了安全，应考虑可能在总拉力F0作用下被补充拧紧（应尽量避免）。所以此时应以F0和由F0引起的螺纹力矩进行计算。因而紧联接螺栓的强度条件为：,受预紧力和变载荷的紧螺栓联接,和,由于影响变载荷零件疲劳强度的主要因素是应力幅，因此螺栓的疲劳强度应计算应力幅sa，但螺栓也可能在最大工作拉力下被静力拉断，故其强度条件为：,二、受剪螺栓联接的强度计算,采用铰制孔螺栓联接时，被联接件上的外载荷是靠螺栓杆的剪切及螺栓杆与被联接件之间的挤压来传递，故联接只需较小的F，一般忽略不计。,强度条件,
15、1）螺栓杆的抗剪切条件：,2）螺栓杆与孔壁接触表面的挤压强度条件为：,三、螺栓联接的材料和许用应力,一般螺母材料的强度级别和硬度比相配螺栓材料稍低，以防咬死和减小磨损。,螺栓联接的许用应力,参见表3-6,对于松螺栓连接：,对于紧螺栓连接：,控制预紧力时S=1.21.5，不控制预紧力时S查表。,第三章螺纹联接,第五节提高螺栓联接强度的措施,一、改善螺纹牙间的载荷分配,螺纹牙间载荷分配不均匀现象：,采取的措施,二、降低螺栓的应力幅,三、避免附加弯曲应力,四、减小应力集中,增大螺纹牙根和螺栓头部与螺栓杆交接处的圆角半径；在交接处切制卸载槽；在螺纹收尾部分改用退力槽等。,五、改善材料的机械性能和制造工
16、艺,选用高强度材料制造螺栓；采用氰化、氮化等表面热处理；采用冷镦头部、碾压螺纹和喷丸处理；严格控制螺距误差和表面质量等。,例题,解题须注意的问题,选择的是普通螺栓还是铰制孔用螺栓是否需要控制预紧力是否受到轴向工作拉力（普通螺栓）如何确定预紧力（通过剩余预紧力或其他条件来确定）是否需要预先估计螺栓直径,螺栓直径,附：GB/T196-1981M10d1=8.376mmM12d1=10.106mmM16d1=13.835mmM18d1=15.294mmM20d1=17.294mmM22d1=19.294mmM24d1=20.752mm,作业一,图示螺栓联接中，采用两个M10（内径d1=8.376mm）的普通螺栓联接，螺栓材料的强度级别为4.6级，安全系数S=1.2，联接结合面摩擦系数fs=0.3，可靠性系数Kf=1.2，试计算该联接允许传递的载荷R为多大？,作业二,由一个螺栓组成的普通螺栓联接，已知：螺栓材料的屈服极限ss=300Mpa，预紧力F=18000N，（不控制预紧力）。试确定合适的螺栓直径。注：M16M30时安全系数S=32；M16时d1=13.835mm；M18时d1=15.294mm；M20时d1=17.294mm；M22时d1=19.294mm。,
