机械设计基础之机械设计-第8章：螺纹连接

第八章引言螺纹的种类及主要参数螺纹副的受力分析与自锁螺纹紧固件与螺纹联接的类型螺纹联接的预紧与防松螺栓联接的设计计算螺栓组联接的设计计算螺旋传动第一节引言螺纹的种类及主要参数螺纹副的受力分析与自锁螺纹紧固件与螺纹联接的类型螺纹联接的预紧与防松螺栓联接的设计计算螺栓组联接的设计计算螺旋传动标准件尺寸、结构、材料、精度、公差配合以及制图要求等具有统一标准的零部件，如螺栓、螺钉、螺母、垫圈、铆钉、销、键等连接件以及滚动轴承、联轴器等部件标准件是机械产品中使用数量大的零部件标准件由专业厂按照标准进行大批量生产，可降低成本、保证质量和可靠性、提高互换性联接与动力源组合零件构件机构机器静联接动联接(运动副)静联接动联接（运动副）可拆联接：螺纹联接、键联接、销联接等不可拆联接：铆接、焊接、胶接等联接联接件与被联接件的组合第二节引言螺纹的种类及主要参数螺纹副的受力分析与自锁螺纹紧固件与螺纹联接的类型螺纹联接的预紧与防松螺栓联接的设计计算螺栓组联接的设计计算螺旋传动螺纹的形成螺纹联接件表面形状为螺纹倾斜线绕在圆柱体上形成螺旋线平面图形沿螺旋线形成螺纹螺旋线平面图形螺纹的类型(1)用途固定螺纹联接螺纹测量螺纹传动螺纹螺纹的类型(2)螺旋线方向（旋向）右旋螺纹：常用左旋螺纹：特殊要求旋向判断(1)轴线垂直时，右边高—右旋左边高—左旋(2)右手旋，前进—右旋左手旋，前进—左旋螺纹的类型(2)补充（左旋螺纹应用）自行车的左侧脚踏船用螺旋桨螺纹的类型(3)螺旋线数目单头螺纹：易自锁多头螺纹：传动能力强螺纹的类型(4)轴向剖面形状（螺纹牙型）三角形螺纹：常用于联接矩形螺纹：用于传动梯形螺纹：常用于传动锯齿形螺纹：常用于传动，单向受载螺纹的类型(5)公（外）螺纹与母（内）螺纹，组合称为螺纹联接螺纹的类型(5)补充（加工方法）碾制车削HeaderblankMovingdieplateFixeddieplate螺纹的类型(6)圆柱螺纹与圆锥螺纹母体形状螺纹的主要参数大径d、D：最大直径—公称直径小径d1：外螺纹的危险剖面直径—强度直径中径d2、D2：假想直径，牙型沟槽宽与牙的宽度相等—计算直径螺距P：相邻两牙轴向距离导程S：同一条螺纹线的相邻两牙间的轴向距离，S=nP升角y：螺纹与其轴线的垂直平面所成的夹角牙型角a：螺纹两侧边的夹角M8第三节引言螺纹的种类及主要参数螺纹副的受力分析与自锁螺纹紧固件与螺纹联接的类型螺纹联接的预紧与防松螺栓联接的设计计算螺栓组联接的设计计算螺旋传动螺纹副（螺旋副）的力学特性螺纹副作为一种空间运动副，其接触面为螺旋面螺纹在旋紧或松开过程中，螺纹之间相对移动当螺杆和螺母之间受到轴向力Q时，拧动螺杆或螺母，螺旋面间将产生摩擦力螺纹副的受力决定其效率和自锁条件矩形螺纹副的受力、效率及自锁螺旋副（螺母与螺杆）的相对运动滑块沿斜面运动假设：1)载荷分布在中线上;2)单面产生摩擦力螺旋升角Fd2dd1y2ds=zpv12rRnnFtFy22tandpzdsy拧紧力)tan(ryFFt)tan(22221ryFddFTt拧紧力矩防松力)tan('ryFFt)tan(22''22ryFddFTt防松力矩自锁条件0)tan('ryFFtyr效率)tan(/tan/ryydrWW三角螺纹副的受力、效率及自锁反力摩擦力当量摩擦角FFn’Fn’900-900-FFFFenfcos'2FFncos'2rcosarctanarctanee拧紧力拧紧力矩)tan(22''22etFddFTry)tan(etFFry)tan(22221etFddFTry)tan('etFFry防松力防松力矩效率自锁条件0)tan('etFFryyre)tan(/tan/edrWWryy1.矩形螺纹和三角螺纹哪一种效率高，宜用于传动？2.矩形螺纹和三角螺纹哪一种易自锁，宜用于联接？第四节引言螺纹的种类及主要参数螺纹副的受力分析与自锁螺纹紧固件与螺纹联接的类型螺纹联接的预紧与防松螺栓联接的设计计算螺栓组联接的设计计算螺旋传动常用螺纹紧固件的类型螺栓双头螺柱螺钉螺母垫圈标准化常用螺纹紧固件的材料和精度性能等级与材料按机械性能分10级（螺母等级低于螺栓）常用低碳钢和中碳钢变载、冲击用合金钢（特殊场合用有色金属）螺纹公差和精度公差：内螺纹G、H外螺纹e、f、g、h精度：精密中等一般用途粗糙精度要求低螺纹联接的基本类型（1）螺栓联接普通螺栓（受拉螺栓）工作原理：螺栓受拉承受外载荷应用：被联接件不太厚的常拆卸处受剪螺栓工作原理：侧壁受挤压、杆横截面受剪承受外载应用：需精确固定两被联接件的相对位置螺纹联接的基本类型（2）双头螺柱联接工作原理：螺栓受拉承受外载应用：被联接件较厚，且常拆卸处螺纹联接的基本类型（3）螺钉联接工作原理：螺钉受拉承受外载应用：一被联接件较厚，但不常拆卸处螺纹联接的基本类型（4）紧定螺钉联接工作原理螺钉依赖摩擦力承受外载应用定位、传递力、螺纹联接的基本类型（5）其它螺纹联接螺纹联接类型主要根据受力、结构形式、装拆要求等进行选择地脚螺栓联接吊环螺栓联接T形槽螺栓联接螺纹联接的画法第五节引言螺纹的种类及主要参数螺纹副的受力分析与自锁螺纹紧固件与螺纹联接的类型螺纹联接的预紧与防松螺栓联接的设计计算螺栓组联接的设计计算螺旋传动螺纹联接的预紧（拧紧）拧紧力矩TT1：螺纹阻力矩T2：摩擦力矩≈0.2F’dＴ＝Ｔ1＋Ｔ2螺栓→轴向拉力被联接件→轴向压力预紧力Ｆ’目的：提高螺纹联接刚性、紧密性、紧固性；以及防松原理：预紧力和拧紧力矩)tan(22'221etFddFTryfrFT'2拧紧力矩的控制测力矩扳手：手柄易变形，而稳定作刻度。手柄变形与T成正比定力矩扳手：给钢球足够的压紧力螺纹联接的防松问题：冲击、震动、变化副间急剧下降目的：防止螺旋副间的相对转动。摩擦防松：简便，但不可靠机械防松：增加元件，可靠破坏螺纹副：可靠，一次性•弹簧垫圈•对顶螺母•尼龙圈锁紧螺母•开口销•带翅垫片•止动垫片fF温度变化，材料蠕变联接松脱措施：其他防松弹簧垫圈对顶螺母尼龙圈锁紧螺母开口销带翅垫片止动垫片冲点法粘合法焊点法螺纹联接的防松第六节引言螺纹的种类及主要参数螺纹副的受力分析与自锁螺纹紧固件与螺纹联接的类型螺纹联接的预紧与防松螺栓联接的设计计算螺栓组联接的设计计算螺旋传动螺纹联接的主要失效形式和设计准则松动：螺纹紧固件、被联接件拉断：螺纹紧固件（螺栓、螺钉）压溃：螺纹紧固件与被联接件的螺纹牙剪断：螺纹紧固件滑扣：螺纹紧固件与被联接件的螺纹牙磨损在联接不松滑的条件下，通过强度计算确定螺纹紧固件的直径，避免拉断螺纹联接设计的内容选择适当的螺纹联接形式选择螺纹紧固件的材料和精度确定螺纹紧固件的公称尺寸确定防松和拧紧方法松螺栓联接：无预紧力，只有工作拉力紧螺栓联接：有预紧力，还有工作拉力松螺栓联接的强度设计FddF44121校核设计受载荷形式——轴向拉伸（工作拉力F）失效形式——螺栓拉断(静、疲劳)设计准则——保证螺栓拉伸强度强度条件：≤[]无其它载荷的紧螺栓联接的强度设计受载荷形式—轴向拉伸（预紧力F’）、扭力T失效形式—螺栓拉断(拉、扭综合作用)设计准则—保证螺栓拉伸强度强度条件：e≤[]设计计算方法：螺纹力矩T→剪应力预紧拉力F’→拉应力3.1)5.0(332222e校核式:]['2.521dFe]['.251Fd设计式:TF’F’4'21dFr5.0162)tan('1631231ddFdTe受横向载荷的紧螺栓联接的强度设计普通螺栓（受拉螺栓）铰制孔螺栓（受剪螺栓）普通螺栓与绞制孔螺栓的失效形式是否相同？FR/2FR/2FR受横向载荷的紧螺栓联接的强度设计问题：预紧力F’应满足的条件?依据：被联接件不滑移—界面摩擦力≥FRRFF2.1'RFF2.1'受载荷形式—轴向拉伸（预紧力F’）、扭力T、横向载荷FR失效形式—螺栓拉断(拉扭综合作用)设计准则—保证螺栓拉伸强度强度条件：e≤[]设计计算方法：FRF’FRF’]['2.521dFe]['.251Fd普通螺栓横向载荷过大的情况下，不适宜用普通螺栓。为何？受横向载荷的紧螺栓联接的强度设计绞制螺栓受载荷形式—拧紧过程中:轴向拉伸F‘、扭力T(预紧力小，计算时可忽略)工作时：横向载荷FR失效形式—侧面压溃及螺栓剪切设计准则—保证挤压、剪切强度强度条件：p≤[p]、≤[]设计计算方法：挤压强度：剪切强度：][minpRpdhF][42mdFRFRFR受轴向载荷的紧螺栓联接的强度设计受载荷形式—拧紧过程中:轴向拉伸F’、扭力T工作时，再承受工作载荷F螺栓所受的总拉力:F0=F’+F?TF’F’FFF0F0×须根据静力平衡方程和变形协调条件求解受轴向载荷的紧螺栓联接的强度设计变形协调条件1=bF0≠F+F’F0=F+F’’1b1bTF’F’FFF0F0F’F’F’’F’’预紧F’受载F螺栓被联接件拉力F’，伸长1压力F’，压缩b拉力F0,伸长1+1压力F’’,压缩b-b未预紧未受力、无变形未受力、无变形FF受轴向载荷的紧螺栓联接的强度设计压缩弹簧c2被联接件拉伸弹簧c1螺栓F压缩弹簧受力：－F’拉伸弹簧受力：＋F’均等于预紧力21ccF21ccFFcccFcFFFcccFcFF212'2'''211'1'0受轴向载荷的紧螺栓联接的强度设计受力－变形关系形变力F1bF’’FF0F’螺栓bCFAEFFcccFF212FcccFF212FcccFF2110FFcc012FFFcc012提高被联接件刚度c1：螺栓刚度c2：被联接件刚度受轴向载荷的紧螺栓联接的强度设计静载荷螺纹力矩T→剪应力总拉力F0→拉应力4210dFr5.0162)tan(16312031ddFdTe校核式:][2.5210dFe][.2501Fd设计式:受轴向载荷的紧螺栓联接的强度设计变载荷工作载荷在F1F2之间变化；螺栓受力在F01F02之间变化力时间OF2F1工作载荷变化变形O力21112010222cccFFFFFa][)(22112112acaacccdFFAF螺栓拉力变幅螺栓应力幅提高螺栓联接强度的措施改善螺纹牙间受力分配机理：螺栓受拉：自上而下积累，p逐渐变大螺母受压：自上而下积累，p逐渐变小措施：采用受拉螺母：悬置螺母和环槽螺母采用内斜螺母：最下面几圈易变形采用均载装置：钢丝螺套螺栓p螺母p螺母采用有色金属等（E小，变形小）除钢丝螺套，皆采用变形协调条件内斜螺母环槽螺母悬置螺母提高螺栓联接强度的措施减小附加应力措施：改善被联件结构提高螺栓联接强度的措施减轻应力集中主要在加工和结构处理时考虑提高螺栓联接强度的措施降低应力幅措施：通过降低螺栓刚度，提高被联件刚度第七节引言螺纹的种类及主要参数螺纹副的受力分析与自锁螺纹紧固件与螺纹联接的类型螺纹联接的预紧与防松螺栓联接的设计计算螺栓组联接的设计计算螺旋传动螺栓组及其设计螺栓通常成组使用，构成螺栓组螺栓组采用相同材料和尺寸的螺栓螺栓组的设计主要确定联接形式、螺栓数目及其分布螺栓组联接的受力分析（1）假设：（1）被联接件为刚体（2）各螺栓拉伸或剪切刚度相同，F’相同（3）螺栓应变没有超出弹性范围四种典型情况：受横向载荷的螺栓组联接受旋转力矩的螺栓组联接受轴向载荷的螺栓组联接受翻转力矩的螺栓组联接概述目的