16章--螺纹联接设计(讲课09.10)

*.螺纹连接——用螺纹联接件（螺栓，螺钉）将两个以上零件联成一体。联接件螺栓被联接件*.本章的主要内容1.螺纹类型及主要参数;螺纹联接的主要类型、特点及应用;2.螺旋副的受力、效率及自锁,预紧和防松;3.螺栓的强度计算;4.螺栓组的结构设计.Dp螺母垫圈§16-1螺纹的主要参数及类型一.螺纹形成原理将一倾斜角为的直线绕在圆柱体上就形成一条螺旋线。二．常用螺纹类型按螺纹绕行方向分类左旋螺纹——自右下方向左上方绕行的螺纹右旋螺纹——自左下方向右上方绕行的螺纹左旋右旋d2phπd2按螺纹牙分的表面分类外螺纹——在圆柱外表面上形成的螺纹，如螺栓、螺钉内螺纹——在圆柱孔内壁上形成的螺纹，如螺母内螺纹外螺纹螺母螺杆按螺纹牙的牙型分类:普通螺纹——牙型角α=60º，当量摩擦系数较大，自锁性能好，主要用于连接。圆柱管螺纹—牙型角α=55º，用于压力p≤1.57MPa的管子连接矩形螺纹——牙型角α=0º，当量摩擦系数小，效率高，用于传动梯形螺纹——牙型角α=30º，牙根强度高，效率较高，易保证加工精度，广泛用于传动。锯齿形螺纹—牙型斜角两边不相等，工作面β=3º,非工作面β=30º，效率较三角形螺纹高，只能用于单向传动。30º普通螺纹内螺纹p外螺纹dd2d1矩形螺纹内螺纹p外螺纹d1d2d15º内螺纹p外螺纹dd2d1梯形螺纹锯齿形螺纹dd2d1内螺纹p外螺纹3º30ºp圆柱管螺纹d内螺纹d2d1外螺纹粗牙，细牙按螺纹线数分类单线螺纹——Z=1，效率低，自锁性好，易加工三线螺纹——Z=3，效率高，自锁性差，难加工双线螺纹——Z=2，效率较Z=1高单线螺纹双线螺纹三线螺纹三.螺纹的主要参数——以圆柱普通外（内）螺纹为例来说明γSPαdd2d11.大径d：外、内螺纹的最大直径，为螺纹的公称直径（管螺纹除外）2.小径d1：与外螺纹牙底或内螺纹牙顶相重合的假想圆柱的直径。在强度计算中常用作危险截面的计算直径。3.中径d2：处于大径和小径之间的一个假想圆柱的直径，在该圆柱的母线上螺纹牙厚度与牙槽宽度相等。4.螺距P：相邻两牙在中径线上对应两点间的轴向距离。5.导程S：螺纹上任一点沿螺旋线绕一周所移过轴向距离。S=zP。6.升角ψ：螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面间的夹角，通常用中径处的升角ψ表示。其计算式为：2tandS7.牙型角α：在螺纹轴线平面内螺纹牙两侧面的夹角α。螺纹牙型的侧边与螺纹轴线的垂线间的夹角称为牙型斜角β。对于三角形、梯形螺纹等对称牙型，β=α/2。内螺纹外螺纹β四.螺纹副的受力关系及效率FtFFt由机械原理可知螺旋副在拧紧、松开时的受力关系、效率和自锁为：cosarctantan)tan(tantantantanff当量摩擦系数f当量摩擦角拧紧时效率FFF拧紧力VVVVVVVtVtF—螺旋副所受轴向力自锁条件松开力松开时效率β---牙型斜角ψψV一）螺栓联接——§16-2螺纹联接一.螺纹联接的基本类型结构特点：普通螺栓联接1.普通螺栓（即受拉螺栓）联接受力特点：dd0FRFR联接承受外载荷时，螺栓受拉力作用F'F'使用方便,通常被联接件不太厚，能从被联接件两边进行装配的场合。被联接件通孔和螺栓间有间隙,通孔加工精度要求较低，其结构简单、装拆方便，应用广泛。2.铰制孔用螺栓（即受剪螺栓）联接。选取时按ds选被联接件孔和螺栓杆之间常采用基孔制过渡配合（H7/m6，H7/n6）。用于要求精确固定被联接件相对位置，并能承受横向载荷，但孔的加工精度要求较高。铰制孔用螺栓联接普通螺栓联接al1dd0FRFRdd0FRFRF'F'受力特点：联接借助螺栓杆承受横向外载荷，螺栓受剪力作用。结构特点：将螺栓一端旋紧在一被联接件的螺纹孔内，另一端穿过另一被联接件的孔，旋上螺母，从而将被联接件联成一体。二）双头螺柱联接用于被联接件之一太厚不便穿孔，且需经常装拆或结构上受限制不能采用螺栓联接的场合。注意：被联接件上螺纹孔底部正确绘制d特点：应用：螺钉联接不用螺母，而是直接将螺钉拧入被联接件之一的螺纹孔内，从而实现联接。三）螺钉联接用于被联接件之一较厚的场合，不经常装拆联接的场合。注意：被联接件上螺纹孔底部正确绘制特点：应用：特点：紧定螺钉联接，是利用紧定螺钉旋入一零件，并以其末端顶紧另一零件（或该零件的的凹坑内）来固定两零件之间的相互位置四）紧定螺钉联接应用：可用于传递不大的力及转矩，多用于轴和轴上零件的联接。二.螺纹联接件紧定螺钉联接一）螺栓klbd二）双头螺栓——两端均制有螺纹，两端螺纹可相同（均为粗牙）也可不同（一端为粗牙，另一端为细牙）。sedl0lkdPl2六角头铰制孔用螺栓d0三）地脚螺栓——是将机座固定在地基上一种特殊螺栓。地脚螺栓螺钉头部结构型式外六角头内六角头一字槽沉头十字槽沉头十字槽半圆头一字槽圆柱头四）螺钉、紧定螺钉——螺钉头部、紧定螺钉末端有多种结构型式锥端平端圆柱端尖锥端紧定螺钉末端结构五）螺母六角薄螺母六角厚螺母六角槽形螺母圆螺母六）垫圈平垫圈斜垫圈弹簧垫圈圆螺母用带翘垫圈拧紧力矩T等于螺旋副间的阻力矩T1与螺母环形端面和被连接件(或垫圈)支承面间的摩擦力矩T2之和，即拧紧力矩和预紧力三、螺纹连接的预紧预紧的目的是为了增强连接的刚性、紧密性和防松能力。式中：——螺母与被连接件的环形接触面的外径和内径；K--拧紧力矩系数，—般K=0.1～0.3，平均取K=0.2。00、dD通常通过控制拧紧力矩等方法来控制预紧力的大小。用测力矩扳手或定力矩扳手可控制拧紧力矩。为保证螺纹连接的可靠性，对于重要的螺栓连接，在装配时应采用一定的措施控制预紧力。测力矩板手：测出预紧力矩定力矩板手：达到固定的拧紧力矩T时，弹簧受压将自动打滑。M121．摩擦防松这类防松措施是使拧紧的螺纹之间不因外载荷变化而失去压力，即始终有摩擦阻力防止联接松脱。这种方法不十分可靠，故多用于冲击和振动不剧烈场合。常用的有如下几种：弹簧垫圈双螺母尼龙圈锁紧螺母四、螺纹连接的防松2.机械防松机械防松的措施是，利用各种止动零件，以阻止拧紧的螺纹零件产生相对转动。这类防松方法相当可靠，应用很广。常用的方法有：槽形螺母和开口销串联钢丝正确结构错误结构止动垫圈3.破坏及改变螺旋副关系粘合防松将粘合剂涂于螺纹旋合表面，拧紧螺母后，粘合剂能自行固化，防松效果良好。冲点法防松焊住防松§16-3螺栓联接的强度计算一.螺栓联接强度计算的目的：确定螺栓的公称直径d二.螺栓联接的失效形式及计算准则2.受剪螺栓（受横向载荷的铰制孔螺栓）——1.受拉螺栓（受轴向载荷或横向载荷的普通螺栓）——普通螺栓联接dd0FRFRF'F'铰制孔用螺栓联接al1dd0FRFR压溃剪断主要破坏形式为螺栓杆和螺纹部分可能发生塑性变形或断裂计算准则：保证螺栓的静力（或疲劳）拉伸强度。螺栓杆与孔壁间压溃或螺栓杆被剪断计算准则:保证联接的挤压强度和螺栓的剪切强度，其中联接的挤压强度对联接的可靠性起决定性的作用。吊环螺栓联接（松）FF0气缸盖螺栓联接（紧）三.螺栓联接的强度计算按装配情况螺栓联接可分为两大类松螺栓联接——装配时不需拧紧螺母如吊环螺栓联接紧螺栓联接——装配时必须将螺母拧紧，应用广泛。如气缸盖螺栓联接等。一）受拉螺栓连接DpF螺栓危险剖面的抗拉强度条件为：(一）松螺栓联接螺栓受力工作载荷前，螺栓并不受力工作时受拉力F（由外加载荷产生）212144dFdFAFMPa校核计算式：设计计算式：Fd41mm式中：d1—螺栓危险剖面直径，即螺纹小径，mm；吊环螺栓联接螺栓的公称直径d确定：根据d1查普通螺纹基本尺寸（GB196-81）《机械设计课程设计》表11-1，确定螺栓的公称直径d。—松螺栓联接的许用应力，Mpa，][,松Sss——螺栓材料的屈服极限（见表16-5p337）S松——松螺栓联接的安全系数，S=1.2~1.7公称直径（mm）螺距（p）mm中径（d2）mm小径（d1）mm第一系列第二系列81.257.1886.6471.007.3506.9170.757.5187.188101.59.0268.3761.259.1888.6471.009.3508.9170.759.5139.188121.7510.86310.1061.511.02610.3761.2511.18810.6741.011.35010.917142.012.70111.8351.513.02612.37686.647108.3761210.106普通螺纹基本尺寸（GB196-81）《课程设计》表11-11411.8351.只受预紧力的紧螺栓联接可采用两种不同的螺栓联接承受横向外载荷即：普通螺栓（即受拉螺栓）联接铰制孔用螺栓（即受剪螺栓）联接铰制孔用螺栓联接FRFR普通螺栓联接FRFR只受预紧力F'的紧螺栓联接同时受预紧力F'和轴向工作载荷F的紧螺栓联接（略）（二）紧螺栓联接dd0采用普通螺栓联接承受横向外载荷FR被连接件间不发生相对滑移的条件：其接合面之间的摩擦力必须大于横向载荷，即：结构特点：螺栓杆与孔间有间隙承载原理：靠被连接件接合面间的摩擦力来承受横向外载荷普通螺栓联接FRFRT∑F'F'螺栓受力：螺栓所受拉力不变，均等于预紧力F'F'F'预紧力F'大小：根据防止被连接件间发生相对滑移所需要的接合面之间的摩擦力Ff来决定。RfFKfFmmfFKFRfdd0T∑mfFKFRf预紧力F'计算式：—--可靠性系数，常取=1.1～1.3f—被联接件接合面之间的摩擦系数表16-2(P331)m——被联接件接合面的面数∑FR∑FR/2式中：∑FR/2ZFmfKmfFKFRfRf'FRFRdd0F'F'm=1FR——单个螺栓所受横向外载荷Z个螺栓联接时：ZFFRR'm=2fKfK螺栓危险剖面的抗拉强度条件为：212131443131dF.dF.AF.eMPa校核计算式：设计计算式：mm3.141Fd式中：1.3——考虑拧紧螺母时，螺栓在力矩T作用下，扭剪应力影响，将拉力增大30%。σe——紧螺栓的当量拉应力——紧螺栓联接的许用应力，Mpa，][紧Sss——螺栓材料的屈服极限见表16-4(P336)S紧——紧螺栓联接的安全系数，表16-6a(P337)2.受预紧力和轴向工作载荷的紧螺栓连按(1)螺栓和被连接件的受力与变形工作时｛螺栓：再加F总伸长（）总拉力F0被联件：总压缩量（）联接面间受压F”2211≠F’+F(2)各力的关系式)(21CCCDBDF21CCF总拉力FCCCFBDFF211''0剩余预紧力FCCCFCDFF212''螺栓相对刚度被联件相对刚度所以FCCCCCDFCCCCBD21222111212211CCCCCC•归纳：••这三个公式是计算受轴向载荷紧螺栓连接的基本公式，C1／(C1+C2)为螺栓的相对刚度,大小与螺栓及被连接件的材料、尺寸、结构形状和垫片等因素有关，其值在0—1之间变动。若被连接件的刚度很大(如采用刚性簿垫片)，而螺栓的刚度很小(如细长或空心螺栓)时，则螺栓的相对刚度趋于零；反之，其值趋于l。为了降低螺栓的受力，提高螺栓连接的承载能力，应使C1／(C1+C2)值尽量小些。C1/(C1+C2)值可通过计算或实验确定。•一般设计时．可参考表16—3。C2／(C1+C2)为被连接件的相对刚度，因C2／(C1+C2)=1-C1／(C1+C2)，则可按C1／(C1+C2)值求得C2／(C1+C2)。螺栓工作载荷过大时，使连接出现缝隙,这是不允许的。显然F’’应大于零，以保证连接的紧密性。选择F”时：④有紧密性要求的螺栓连接，通常可取F”=(1.5～1.8)F①一般的连接，工作载荷稳定时，可取F”=(0.2～0.6)F,②外载荷有变化时,可取F”=(0.6～1.0)F;③地脚螺栓连接，可取F“≥F;考虑在工作载荷下可能补充拧紧螺母强度