第三章螺纹联接课件.ppt

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1、第十四章 螺纹连接,联接分类：,1.按机械工作时被联接零（部）件间是否有相对运动分：,2.按能否拆开分：,联接,静联接,动联接,螺纹联接、键联接、花键联接、销联接,导向平键联接、导向花键联接及各种运动副,联接,可拆联接,不可拆联接,螺纹联接、键联接，销联接、形面联接,焊接、粘接和铆接等,一、螺纹的主要参数及其分类(P213),第一节 概述,（一）螺纹的形成,1.螺旋线的形成,一、螺纹的主要参数及其分类(P213),第一节 概述,（一）螺纹的形成,1.螺旋线的形成,右旋、单头,左旋、单头,右旋、双头,2.螺纹的形成,右旋单线三角螺纹的形成,右旋双线三角螺纹的形成,右旋双线矩形螺纹的形成,左旋双线

2、矩形螺纹的形成,（二）螺纹的分类,1.按牙型分:,2.按螺纹分布的部位，可分为外螺纹和内螺纹。,外螺纹在圆柱孔的外表面形成的螺纹内螺纹在圆柱孔的内表面形成的螺纹,3.根据螺旋线绕行方向：左旋、右旋。,内外螺纹两者旋合组成的运动副称为螺纹副或螺旋副。,4.根据螺旋线的数目，分为单线螺纹和多线螺纹。,单线螺纹用于连接，多线螺纹用于传动。,二、普通螺纹的主要参数,1.大径 d：最大直径,螺纹的公称直径。,2.小径 d1：最小直径,常用于连接的强度计算,3.中径 d2 轴向剖面内牙厚等于牙间宽处的圆柱直径。,常用于连接的几何计算,4.螺距P,5.导程Ph,PhnP,6.升角：在中径圆柱上，螺旋线的切线

3、与垂直其轴线的平面所夹的夹角,7.牙型角,8.牙型斜角,对称牙型,三、螺旋副的受力分析、效率和自锁,问题的提出：,1.力关系2.效率问题,螺旋千斤顶,3.自锁问题,问题的提出：,1.力关系2.效率问题,螺旋千斤顶,一、矩形螺旋副,1.力关系式,1.力关系式,1.力关系式,1.力关系式,摩擦角r：,1.力关系式,摩擦角r：,当螺母旋转一周时:,2.螺旋副的效率,输入功：,输出功：,当螺母旋转一周时:,输入功：,输出功：,2.螺旋副的效率,Ph,当螺母旋转一周时:,输入功：,输出功：,2.螺旋副的效率,Ph,当螺母旋转一周时:,输入功：,输出功：,2.螺旋副的效率,Ph,当螺母旋转一周时:,输入功

4、：,输出功：,效率:,2.螺旋副的效率,Ph,在工程应用中：,0 10 20 30 40 50 60 70 80,90,100,80,60,40,20,螺纹升角,效率,h,（,%,）,2.螺旋副的效率,3.螺旋副的自锁,当 时，,自锁条件：,螺旋副自锁的用处：,连接用的螺旋副，紧固物件可自动防松；,螺旋千斤顶举重物，可自动防止重物下落。,小结：矩形螺旋副力关系、效率、自锁条件,二、非矩形螺旋副,设,Fa,Ff f N f Fa,NFa/cos,Ff f N f Fa/cos,Fa,Ff f N f Fa,NFa/cos,Ff f N f Fa/cos,fv当量摩擦因数。,rv当量摩擦角。,非矩

5、形螺旋副力关系、效率、自锁条件,讨论：,1.当螺纹升角一定时，螺纹的牙型斜角b愈大，则fv（或rv）愈大，效率愈低，但自锁性愈好。因而在几种牙型的螺纹中，三角形螺纹自锁性最好，其次为梯形、锯齿形螺纹、矩形螺纹自锁性最差，传动效率则与此相反。,2.当fv（或rv）一定时，一般升角愈小，螺纹效率愈低，愈易自锁。故单线螺纹多用于连接，多线螺纹则常用于传动。,因此三角形螺纹用于连接，梯形、锯齿形螺纹、矩形螺纹用于传动。,四、螺纹连接的主要类型和标准连接件,（一）机械设备中的常用螺纹,螺纹,连接用螺纹,传动用螺纹,三角形螺纹,矩形、梯形和锯齿形螺纹,（二）螺纹连接的主要类型,1.螺栓连接,1)普通螺栓连

6、接被连接件不太厚，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，装拆方便，可多次装拆，应用较广。,2)铰制孔螺栓连接铰制孔用螺栓能精确固定连接件的相对位置并能承受横向载荷，但对孔的加工精度要求高。,2.双头螺栓连接双头螺柱旋紧在被连接件之一的螺孔中，用于因结构限制不能用螺栓连接的地方（如被连接之一太厚）或希望结构较紧凑且经常装拆的场合。,3.螺钉连接适于被连接件之一较厚（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。,4、紧定螺钉连接拧入后，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。

7、可传递不大的轴向力或扭矩。,吊环螺钉连接,特殊连接：,地脚螺栓连接,（三）标准螺纹连接件,螺纹连接件的类型很多，在机械设备中常见的有螺栓、双头螺栓、螺钉、螺母和垫圈等。这类零件的结构型式和尺寸都已标准化，设计时应根据有关标准选用。,1.螺栓 普通螺栓 六角头，小六角头，标准六角头，大六角头,内六角 铰制孔螺栓螺纹部分直径较小,2.双头螺柱两端带螺纹,A型有退刀槽 B型无退刀槽,3.螺钉,与螺栓区别要求螺纹部分直径较粗，全螺纹。,4.紧定螺钉 锥 端适于零件表面硬度较低不常拆卸常合。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。圆柱端压入轴上凹坑中，适于紧定空心轴上零件的

8、位置轻材料和金属薄板。,5.自攻螺钉由螺钉攻出螺纹,6.螺母 六角螺母：标准，扁，厚,圆螺母+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,7.垫圈,第二节 螺纹连接的拧紧和防松,（一）螺纹连接的拧紧,螺纹拧紧的目的：增强螺纹的连接的可靠性、紧密性和防松能力。,预紧力F：大多数螺纹连接在装配时都需要拧紧，使之在承受工作载荷之前，预先受到力的作用，这个预加作用力称为预紧力。,1.确定拧紧力矩,T0.2F d(3-8),一般标准扳手的长度L15d,若拧紧力为F，则T=FL,由（3-8）式可得：F 75F。假定F=200N，则F=15000N。,如果用这个预紧力

9、拧紧M12以下的钢制螺栓，就很可能过载折断。因此，对于重要的连接，应尽可能不采用直径过小（例如小于M12）的螺栓。必须使用时，应严格控制其拧紧力矩。,2.控制预紧力的方法,利用控制拧紧力矩的方法来控制预紧力的大小。通常可采用测力矩扳手或定力矩扳手，对于重要的螺栓连接，也可以采用测定螺栓伸长的方法来控制预紧力。,动画,动画,（二）螺纹连接的防松,2.防松原理消除（或限制）螺纹副之间的相对运动，或增大相对运动的难度。按工作原理的不同，防松方法分为摩擦防松、机械防松、永久止动防松等。,1.防松目的实际工作中，外载荷有振动、变化、材料高温蠕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

10、，从而使螺纹连接松动，如经反复作用，螺纹连接就会松驰而失效。因此，必须进行防松，否则会影响正常工作，造成事故。,3.防松办法及措施,1）摩擦防松,双螺母,弹簧垫圈,1）摩擦防松,自锁螺母,1）摩擦防松,以特殊技术使特殊的工程树脂材料永久粘付在螺牙上，利用工程树脂材料的反弹性，使螺栓和螺母在锁紧过程中通过挤压工程树脂材料产生强大的摩擦力，达到对震动及冲击的绝对阻力，彻底解决了螺丝的松动问题。,2）机械防松,开槽螺母与开口销，圆螺母与止动垫圈，止动垫片，串联钢丝等。,开槽螺母与开口销,2）机械防松,圆螺母与止动垫圈,2）机械防松,止动垫片,2）机械防松,串联钢丝,3）永久防松：端铆、冲点、点、粘合

11、,防松紧固的新工艺:微型胶囊防松紧固加工工艺。当紧固件安装进去时，胶囊就会破裂，产生化学反应使之凝固。但以前的这种加工需要较长的凝固时间，而且保管时间也比较短，在使用方法与稳定上都给使用者带来很多不便。Precote作为一种化学毡合剂，他的主要特性就是环氧树脂与固化剂各自独立包装在微型胶囊里。这种专利技术与只有一种成分的胶囊包装工艺相比，他的寿命更长。而且可以避免由于潮湿或溶剂反应而使之提前固化。,第三节 螺栓组连接的结构设计及受力分析,（一）结构设计,设计螺栓组连接结构时，应根据连接的载荷、用途和被连接件的结构，确定连接类型、螺栓的数目和布置形式，应尽可能使各个螺栓受载均匀，装拆方便，工作情

12、况良好，故应综合考虑以下的问题：,1连接接合面的几何形状通常设计成轴对称的简单几何形状。,2螺栓的布置应使各螺栓的受力合理，使接合面上受力比较均匀。,3分布在同一圆周上的螺栓数目应取易于分度的偶数以利画线钻孔。,4为了减少螺栓的规格，便于装配，除非受结构限制或受力相差过大时，一般应使各螺栓的材料，直径和长度相同。,5螺栓排列应有合理的间距、边距，根据扳手空间的尺寸和连接密封性的要求决定。,1.受力分析的目的：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。,2.前提（假设）：(1)各螺栓材料、尺寸、拧紧力均相同。(2)受力后材料变形在弹性范围内。(3)被联接件为刚性不变形，只有地基变

13、形。(4)接合面形心与螺栓组形心重合，受力后其接缝面仍保持平面。,（二）受力分析,一、受轴向载荷Q的螺栓组联接,单个螺栓工作载荷为：F=Q/Z Q轴向外载荷；Z螺栓个数。,二、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：,式中 Kf可靠性系数，Kf=1.11.3；fs接合面间的摩擦系数，对于钢或铸铁的干燥加工表面 fs=0.100.16，当加工表面沾有油污时fs=0.060.10；m 接合面数量。,2.受剪螺栓联接,设联接螺栓数目为z,则每个螺栓受到横向工作剪力为：,三、受旋转力矩T的螺栓组联接,1.受拉螺栓联接,则各个螺栓所需的预紧力为：,联接件不产生相对滑动的条件为

14、：,2.受剪螺栓联接,由底板静力平衡条件（各螺栓的剪切变形量与螺栓中心到底板旋转中心的距离成正比）得：,根据螺栓变形协调条件得：,或,式中 Fsi第i个螺栓承受的横向工作剪力；Fsmax受载最大（离螺栓组形心最远）的螺栓承受的横向工作 剪力；ri第i个螺栓中心至底板旋转中心的距离；rmax受载最大的螺栓中心至底板旋转中心的距离。,四、受翻转力矩M的螺栓组联接,设单个螺栓工作载荷为Fi，取板为受力对象，由静平衡条件得：,或,根据螺栓变形协调条件（各螺栓的工作拉力Fi与距离Li成正比）得：,或,将此式代入上式得,式中 Fmax受载最大（离翻转轴线O-O距离最远）的螺栓承受的轴向工作拉力；Fi第i个

15、螺栓承受的轴向工作拉力；Lmax受载最大的螺栓中心至底板翻转轴线的距离；Li第i个螺栓中心至底板翻转轴线的距离。,1.接合面右边不被压溃的条件,2.接合面左边不出现间隙的条件,式中 F每个螺栓的预紧力（N）；z螺栓数目；A接合面面积（mm2），如图14-14所示，A=ab-ab1；W接合面对O-O轴的抗弯截面模量（mm3）；sp接合面材料的许用挤压应力(MPa)，应接强度较弱者选取，其值列于表14-3。,工程中受力情况很复杂，实际使用中螺栓组联接所受的载荷是以上四种简单受力状态的不同组合。计算时只要分别计算出螺栓组在这些简单受力状态下每个螺栓的工作载荷，然后按向量叠加起来，便得到每个螺栓的总工

16、作载荷，再对受力最大的螺栓进行强度计算即可。,第四节 螺栓联接的强度计算,进行螺栓联接强度计算的目的：是根据强度条件确定螺栓直径或校核其强度。,1.受拉螺栓联接的强度计算,2.受剪螺栓联接的强度计算,一、螺栓联接的失效形式,1.受拉螺栓 失效形式主要是螺纹部分的塑性变形和螺杆的疲劳断裂。,2.受剪螺栓 失效形式可能是螺栓杆被剪断或螺栓杆和孔壁的贴合面被压溃。,二、螺栓联接的强度计算准则,1.受拉螺栓 设计准则是保证螺栓的静力或疲劳抗拉强度；,2.受剪螺栓 设计准则是保证联接的挤压强度和螺栓的抗剪强度，其中联接的挤压强度对联接的可靠性起决定性作用。,1.松螺栓连接,如吊钩螺栓，工作前不拧紧，只有

17、工作载荷F起拉伸作用，强度条件为：,验算用,设计用,式中 d1螺纹小径，mm；s松螺栓连接的许用拉应力，MPa，其值见表14-5。,（一）受拉螺栓连接的强度计算,或,2.紧螺栓连接,（1）只受预紧力的紧螺栓连接,受力时被连接件接合面间不应相对滑移失效，预紧力F的大小根据板件的静力平衡条件可得：,拧紧螺母时，螺栓除受预紧力F产生的拉应力s外，还受螺纹力矩T1产生的扭剪应力t作用。螺栓危险剖面上产生的拉应力s和扭剪应力t分别为,对于常用的M10M68的钢制普通螺栓，可取、，则。,由于钢制螺栓是塑性材料，根据第四强度理论其当量应力为,故螺纹部分的强度条件为,验算用,设计用,式中 s紧连接螺栓的许用拉

18、应力（MPa）,由此可见，同时受拉伸和扭转作用的紧连接螺栓，可把拉力增大30%当纯拉伸来计算螺栓的强度，以考虑螺纹力矩的影响，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。,但由下式可知，当m=1，fs=0.15，Kf=1.2时，螺栓需要的预紧力F=8R。因而所需螺栓尺寸较大，如有冲击、振动或变载荷作用时，连接的可靠性更差。,为避免上述缺点，增加可靠性，减小直径，简化结构，提高承载能力，可采用各种抗剪元件来传递横向载荷，如用销、套简、键等，如下图所示。其强度计算与受剪螺栓连接相似。另外，也可改为铰制孔用螺栓连接。,a)减载销b)减载套筒c)减载键,靠摩擦传递

19、横向载荷的连接，具有结构简单、装配方便等优点。,（2）受预紧力和工作拉力的紧螺栓连接,解决问题：a)工作时螺栓总载荷，a=？b)保证安全可靠的工作，预紧力F=？,工作特点：工作前拧紧，有预紧力F；工作后加上工作载荷F。,根据变形协调条件求螺拴受力,1)螺母拧紧后未受工作拉力时，连接只受F作用,（c）合并后的变形图,设c1、c2分别表示螺栓和被连接件的刚度，则螺栓的伸长变形量为d1=F/c1，被联拉件的压缩变形量为d2=F/c2。,2)螺母拧紧后受工作拉力F作用,从图线可看出，螺栓受工作载荷F时，螺栓总载荷：,Fa=F+F,变形协调条件Dd1=Dd2,Kc的值与螺栓刚度c1和被连接件（包括垫片、

20、螺母和垫圈等）刚度c2有关，在01之间变化。,Kc的值可通过计算或试验确定。对于钢螺栓和钢、铁的被连接件，其值如下：,式中，称为相对刚度系数。,当螺栓刚度c1很小（如细长的或中空螺栓），而被连接件（包括垫片、螺母和垫圈等）刚度c2很大时，由知，螺栓所受总拉力增加很少。,反过来当螺栓刚度c1很大，而被连接件（包括垫片、螺母和垫圈等）刚度c2很小时，由知，螺栓所受总拉力有较大的增加。,为了降低螺栓的受力，提高螺栓连接的承载能力，应使Kc的值尽量小些。,3)剩余预紧力F 的选取,若工作载荷F过大，致使Dd1d2，被连接件间出现缝隙，这是不允许的。因此，要求工作时剩余预紧力F大于零，以保证连接的紧密性

21、和刚性。,通常根据工作要求按经验选取F，下列数据可供参考：,对紧固连接，当F无变化时，F=(0.20.6)F；,当F有变化时，F=(0.61.0)F；,对压力容器等紧密性要求较高的连接，F=(1.51.8)F；,对地脚螺栓连接，FF。,4)设计时力计算公式的使用,已知F、F，由式求出Fa，以计算螺栓的强度；由式（3-13）求出F以检查其是否达到需要值。,5）受预紧力和工作拉力的紧螺栓连接强度条件,设计用,验算用,或,紧连接螺栓通常应在承受工作拉力之前拧紧。为了安全，考虑到可能在总拉力Fa作用下被补充拧紧（应尽量避免），因此螺栓承受了拉、扭应力的作用，按第四强度理论得出的强度条件为：,(二)受剪

22、螺栓连接强度计算,主要失效形式有：螺栓杆被剪断，螺栓杆与孔壁接触表面压溃。,1.螺栓杆的抗剪强度条件为,2.螺栓杆与孔壁接触表面的挤压强度条件为,式中 Fs单个螺栓承受的横向工作剪力（N）；m螺栓杆受剪面的数目，如图14-21a所示，m=1，如图14-21b所示，m=2；d0螺栓杆受剪面的直径（mm）；h螺栓杆与孔壁挤压面的最小高度（mm），如图14-21b所示，取（h1+h2）与h3中的小值；t螺栓的许用切应力（MPa），见表14-5；sp螺栓或孔壁材料的许用挤压应力（MPa），见表14-5。,(三)螺纹连接件的材料和许用应力,1.螺纹连接件的常用材料,一般采用碳素钢，如Q215、Q235、

23、35和45号钢等。对于承受冲击、振动或变载荷的螺纹连接件，可采用15Cr、30CrMnsi、40Cr等力学性能较高的合金钢。,2.螺母、螺栓强度级别(表144),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）,3.螺栓连接的许用应力（表14-5）,4.紧连接螺栓的安全系数S（表14-6）,注意：,1.不控制预紧力的紧螺栓连接，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S。,2.安全系数S 及与d 有关所以设计时，先假设d，选取一安全系数进行试算，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

24、算。试算法,思路：,螺纹连接计算实例：,螺栓组结构设计（布局、数目）螺栓组受力分析（载荷类型、状态、形式）求单个螺栓的最大工作载荷（判断哪个最大）按最大载荷的单个螺栓设计（求d1标准）全组采用同样尺寸螺栓（互换的目的）,例3-1 起重卷筒用6个均匀分布在D0=500mm的圆周上的双头螺柱与齿轮连接，利用双头螺柱夹紧产生的摩擦力矩将转矩传至卷筒（见图3-26）。已知卷筒上的钢绳拉力G=15000N，卷筒直径D=400mm，螺柱强度级别4.6级，连接接合面摩擦系数fc=0.12，可靠性系数Kf=1.2，试计算双头螺柱的直径。,解：,1计算双头螺柱的预紧力F如图3-26所示，卷筒与齿轮连接采用止口结

25、构，因此双头螺柱连接只承受转矩T的作用，不受横向力G的作用。,在连接接合面上双头螺柱以预紧力F夹紧产生的摩擦力矩,保证此双头螺柱连接正常工作的条件为,故为产生足够的摩擦力，每个螺柱所需的预紧力为,卷筒上的阻力矩,即,2确定双头螺柱直径 d(mm),由表3-6查得，因为双头螺柱的强度级别为4.6级，由表3-7查得ss=240N/mm2，初估双头螺柱直径d=22mm（查表得d1=19.294mm），查表3-8，当不控制预紧力时，S=2.57（用插值法求得）。故,则,因18.8mm19.294mm，故选用6个M22（GB897-88）双头螺柱，螺柱长度按结构确定。,影响连接强度的因素很多，如螺纹牙间

26、载荷分配、应力幅、应力集中、附加应力、材料、结构、尺寸参数、制造和装配工艺等，而螺栓连接的强度又主要取决于螺栓的强度。,（一）改善螺纹牙间的载荷分配,工作中螺栓牙抗拉伸长，螺母牙受压缩短，伸与缩的螺距变化差以紧靠支承面处第一圈为最大，应变最大，应力最大，其余各圈依次递减，旋合螺纹间的载荷分布如图所示。约1/3的载荷集中在第一圈上，第810圈以后的螺纹牙几乎不承受载荷所以采用圈数过多的加厚螺母，并不能提高连接的强度。,八、提高螺栓连接强度的措施,办法：降低刚性，易变形、增加协调性，以缓和矛盾,1）悬置螺母（图3-35a），螺母的旋合部分全部受拉，其变形性质与螺栓相同以减少螺距变化差，可提高螺栓疲

27、劳强度达40%；,2）内斜螺母（图3-35b），螺母下端（螺栓旋入端）受力大的几圈螺纹制成1015的斜角，因其刚度减小而把力分移到原受力小的螺纹牙上，可提高螺栓疲劳强度达20%；,3）环槽螺母（图3-35c），利用螺母下端受拉和刚度降低而起上述两种螺母的作用，可提高螺栓疲劳强度达30%。,a)悬置螺母 b)环槽螺母 c)内斜螺母 d)环槽内斜,（二）降低影响螺栓疲劳强度的应力幅,螺栓的最大应力一定时，应力幅越小，疲劳强度越高。在工作载荷和剩余预紧力不变的情况下，减小螺栓刚度或增大被连接件刚度都能达到减小应力幅的目的,应力幅越小，则螺栓越不容易发生疲劳破坏，连接的可靠性越高。,（313）,（31

28、5）,(三)避免附加弯曲应力,(四)减小应力集中,螺纹的牙根和收尾、螺栓头部与栓杆交接处，都有应力集中，是产生疲劳断裂的危险部位，为了减小应力集中，提高螺栓的疲劳强度，可增大螺纹牙根和螺栓头部与栓杆交接处的圆角半径，能提高螺栓疲劳强度达20%40%。,(五)改善材料的机械性能和制造工艺,用高强度钢材制造螺栓，虽对应力集中敏感，但可用更大的预紧力拧紧和得到更高的极限强度，结果还是有利的。采用氰化、氮化、碳氮共渗等表面热处理方法可改善材料的力学性能。采用冷镦螺栓头部和滚压螺纹及喷丸处理的工艺方法，使表层产生残余压应力和冷作硬化作用，其疲劳强度较切削螺纹提高30%40%，且材料利用率高、生产效率高和

29、制造成本低。,牙型为牙型角=60的等边三角形，内外螺纹旋合后留有径向间隙。同一公称直径按其螺矩不同分为粗牙和细牙两种。应用最为广泛。一般连接采用粗牙螺纹。细牙自锁性好，螺纹零件的强度削弱少，但易滑扣，故用于薄壁或细小零件，以及受变载、冲击和振动的连接，亦用于轻载和精密的微调机构中的螺旋副。,双线左旋,双线右旋,拧紧螺母需要的拧紧力矩T是螺纹阻力矩T1与螺母支承面摩擦力矩T2之和即,T=T1+T2,螺纹摩擦力矩T1=F tg(+rv)d2/2,螺母支承面的摩擦力矩,故螺母的拧紧力矩为,对于M10M64粗牙普通螺纹的钢制螺栓，取=14232，螺纹中径d20.9d,varctg1.155f（f为摩擦系数，无润滑时f0.10.2），d01.1d，D01.5d，fc=0.15 代入上式则可得,T0.2F d(3-8),