第5章-螺纹连接和螺旋传动

第五章螺纹连接和螺旋传动《机械设计》（第八版）5-1螺纹…5-2螺纹连接的类型和标准连接件…5-3螺纹连接的预紧…5-4螺纹连接的防松…5-5螺纹组连接的设计…第五章螺纹连接和螺旋传动《机械设计》（第八版）5-6螺纹连接的强度计算…5-7螺纹连接件的材料及许用应力…5-8提高螺纹连接强度的措施…5-9螺旋传动…5-1螺纹－－分类按所处位置分类：（1）内螺纹（2）外螺纹它们共同组成螺旋副。按连接作用分类：（1）连接螺纹（2）传动螺纹按母体形状分类：（1）圆柱螺纹（2）圆锥螺纹按制式分类：（1）米制螺纹（2）英制螺纹按牙型分类：（1）普通螺纹（2）管螺纹（3）梯形螺纹（4）矩形螺纹（5）锯齿形螺纹★除矩形螺纹外，都已标准化。（1）连接螺纹普通螺纹：非螺纹密封的管螺纹：用螺纹密封的管螺纹：米制锥螺纹：（2）传动螺纹矩形螺纹：梯形螺纹：锯齿形螺纹：螺纹的主要参数（圆柱普通外螺纹）（1）大径d（2）小径d1（3）中径d2（4）线数n（5）螺距P（6）导程S（7）螺纹升角ψ（8）牙型角α（9）接触高度h★大径是公称直径右螺纹和左螺纹常用的螺纹为右螺纹，只是在一些特殊的场合中使用左螺纹。5-2螺纹连接的类型和标准连接件螺纹连接的基本类型：（1）螺栓连接…（2）双头螺柱连接…（3）螺钉连接…（4）紧定螺钉连接…（5）特殊结构的连接…5-2螺纹连接的类型和标准连接件（1）六角头螺栓…（2）双头螺柱…（3）螺钉…（4）紧定螺钉…（5）自攻螺钉…（6）六角螺母…（7）圆螺母…（8）垫圈…根据GB/T3103.1-1982的规定，螺纹连接件分为三个精度等级，其代号为A、B、C级。（1）A级精度的公差小，精度最高，用于要求配合精度、防止振动等重要零件的连接（2）B级精度多用于受力较大，且经常装拆、调整或承受变载荷的连接；（3）C级精度多用于一般的螺纹连接。螺栓连接•普通螺栓连接•铰制孔用螺栓连接H7/m6H7/n6FF•受拉螺栓•受剪螺栓加工简单成本低应用广精确固定相对位置螺栓连接双头螺柱连接•连接在结构上不能采用螺栓连接的场合；•材料比较软；•需要经常拆装的连接。螺钉连接•简单、紧凑•螺纹孔磨损•场合:受力不大，或不需要经常拆装紧定螺钉连接•利用拧入螺纹孔中的螺钉末端顶住另一零件的表面或顶入相应的凹坑中，以固定两个零件的相对位置，并可传递不大的力或转矩。•螺钉的作用除作为连接和紧定用外，可用于调整零件位置。特殊结构的连接（1）地脚螺栓连接（2）吊环螺栓连接特殊结构的连接（3）T型槽螺栓连接六角头螺栓和内六角螺栓•螺纹可用粗牙(A、B、C级)或细牙（A、B级）六角头螺栓和内六角螺栓双头螺柱螺钉紧定螺钉自攻螺钉六角螺母圆螺母垫圈5-3螺纹连接的预紧•预紧的目的：•预紧力的大小：对重要的螺纹连接，要控制预紧力。•预紧力的数值：预紧应力屈服极限σs的80%。•碳素钢螺栓F0≤（0.6～0.7）σsA1•合金钢螺栓F0≤（0.5～0.6）σsA1屈服极限危险截面面积增强连接的可靠性、紧密性，以防止受载后被连接件间出现缝隙或发生相对滑移。控制预紧力的方法测力矩扳手定力矩扳手控制预紧力的方法采用测定螺栓伸长量的方法来控制预紧力。测力矩扳手定力矩扳手预紧力与拧紧力矩之间的关系螺旋副间的摩擦力矩为：螺母与支承面间的摩擦力矩为：预紧力与拧紧力矩之间的关系T=T1+T2螺旋副间的摩擦力矩为：螺母与支承面间的摩擦力矩为：•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。T≈0.2F0d5-4螺纹连接的防松•连接螺纹满足螺纹连接的自锁条件：•造成螺纹连接松脱的原因：高温、温变大；振动、冲击。•螺纹连接防松必要性：一旦出现松脱，轻者会影响机器的正常运转，重者会造成严重事故。•防松的根本问题在于防止螺旋副相对转动。5-4螺纹连接的防松摩擦防松常用防松方法机械防松铆冲防松特殊防松对顶螺母弹簧垫圈自锁螺母止动垫圈开口销与六角开槽螺母串联钢丝破坏螺纹防松摩擦防松•结构简单；•适用于平稳、低速和重载的固定装置上的连接。对顶螺母摩擦防松•结构简单；•使用方便；•由于垫圈的弹力不均，在冲击、振动的工作条件下，其防松效果较差，一般用于不甚重要的连接。弹簧垫圈摩擦防松•结构简单；•防松可靠；•可多次装拆而不降低防松性能。自锁螺母尼龙圈锁紧螺母摩擦防松图片机械防松•适用于较大冲击、振动的高速机械中运动部件的连接。开口销与六角开槽螺母机械防松•结构简单；•使用方便；•防松可靠。止动垫圈机械防松•适用于螺钉组连接；•防松可靠；•装拆不便。串联钢丝机械防松图片破坏螺纹防松•端面冲点法防松、粘合法防松，防松效果良好，但仅适用于很少拆开或不拆的连接。冲点法粘合法5-6螺纹组连接的设计•螺栓组设计的一般步骤：•确定螺栓尺寸的方法（1）选定螺栓的数目及布置形式；（2）确定螺栓连接的结构尺寸。（1）对于不重要的螺栓连接，可以参考现有的机械设备，用类比法确定，不再进行强度校核。（2）对于重要的连接，应根据连接的工作载荷，分析各螺栓的受力状况，找出受力最大的螺栓进行强度校核。螺栓组连接的结构设计•主要目的：受力均匀，便于加工和装配•设计时应综合考虑以下几方面的问题：（1）连接接合面的几何形状通常都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；（3）螺栓的排列应有合理的间距、边距；（4）分布在同一圆周上的螺栓数目，应取成4、6、8等偶数；（5）避免螺栓承受附加的弯曲载荷；（6）根据连接的工作条件合理地选择螺栓组的防松装置。（2）螺栓的布置应使各螺栓的受力合理•铰制孔用螺栓连接：不要在平行于工作载荷的方向上成排地布置八个以上的螺栓，以免载荷分布过于不均。•承受弯矩或转矩时，应使螺栓的位置适当靠近连接接合面的边缘，以减小螺栓的受力。合理不合理•如果同时承受轴向载荷和较大的横向载荷时，应采用销、套筒、键等抗剪零件来承受横向载荷，以减小螺栓的预紧力及其结构尺寸。（3）螺栓的排列应有合理的间距、边距•扳手空间的尺寸可查有关标准。•对于压力容器等紧密性要求较高的重要连接，螺栓的间距t0不得大于表中的推荐值。（3）螺栓的排列应有合理的间距、边距•扳手（3）螺栓的排列应有合理的间距、边距•扳手（5）避免螺栓承受附加的弯曲载荷螺栓组连接的受力分析•根据连接的结构和受载情况，求出受力最大的螺栓及其所受的力，以便进行螺栓连接的强度计算。•普通螺栓可按轴向载荷或（和）倾覆力矩确定螺栓的工作拉力；按横向载荷或（和）转矩确定连接所需要的预紧力；然后求出螺栓的总拉力并进行螺栓连接的强度计算。•铰制孔用螺栓按横向载荷或（和）转矩确定螺栓的工作剪力。求得受力最大的螺栓及其所受的剪力后，再进行单个螺栓连接的强度计算。螺栓组连接的受力分析•受横向载荷的螺栓组连接•受转矩的螺栓组连接•受轴向载荷的螺栓组连接•受倾覆力矩的螺栓组连接受横向载荷的螺栓组连接•计算时可近似地认为，在横向总载荷F的作用下，各螺栓所承担的工作载荷是均等的。•采用铰制孔用螺栓连接•普通螺栓连接•Ks——防滑系数，Ks=1.1～1.3。受转矩的螺栓组连接•采用普通螺栓受转矩的螺栓组连接•采用铰制孔用螺栓凸缘联轴器承受转矩的螺栓组连接•普通螺栓连接•铰制孔用螺栓连接受轴向载荷的螺栓组连接•计算时，认为各螺栓平均受载，则每个螺栓所受的轴向工作载荷为•单个螺栓的强度校核按承受预紧力和工作拉力的紧螺栓连接计算。受倾覆力矩的螺栓组连接受倾覆力矩的螺栓组连接单个螺栓—地基的受力分析受载前的工作点受载后左边螺栓的工作点受载后左边地基的工作点受载后右边螺栓的工作点受载后右边地基的工作点作用在底板两侧所有的合力之和，形成一个力矩，这个力矩应与外加的倾覆力矩M平衡。螺栓所受最大拉力由于：式中：Fmax——代表最大的工作载荷；z——代表总的螺栓数；Li——代表各螺栓轴线到底板轴线O—O的距离；Lmax——表示Li中最大的值。挤压应力的最大值与最小值防止接合面受压最大处被压碎：防止接合面受压最小处出现间隙：地基的相对刚度简化计算：5-6螺纹连接的强度计算•螺栓的受载形式：受轴向拉力(受拉螺栓）设计准则是保证螺栓的静力或疲劳拉伸强度。5-6螺纹连接的强度计算•受横向力（受剪螺栓）•设计准则是保证连接的挤压强度和螺栓的剪切强度。•螺栓连接的强度计算步骤：（1）确定螺栓的受力；（2）确定螺栓危险截面的直径（螺纹小径）；（3）由螺纹小径从标准中选定螺栓螺纹的公称直径。不同受力形式的强度计算（1）松螺栓连接强度计算…工作前不承受预紧力。（2）紧螺栓连接强度计算工作前承受预紧力。应按其受力的不同形式进行不同的计算。其受力形式主要有如下三种：●仅承受预紧力的紧螺栓连接…●承受预紧力和工作拉力的紧螺栓连接…●承受工作剪力的紧螺栓连接…松螺栓连接强度计算•当连接承受工作载荷F时，螺栓所受的工作拉力为F，则螺栓危险截面（一般为螺纹牙根圆柱的横截面）的拉伸强度条件为：螺栓材料的许用拉应力，MPa螺栓危险截面的直径，mm仅承受预紧力的紧螺栓连接•螺栓的受力分析（1）受预紧力F0：（2）螺纹摩擦力矩T1：由于螺栓材料是塑性的，故可根据第四强度理论计算应力：仅承受预紧力的紧螺栓连接螺栓危险截面的拉伸强度条件：•普通螺栓连接承受横向载荷预紧力的大小，根据接合面不产生滑移的条件确定。改善用摩擦力抵抗工作载荷的方法靠摩擦力抵抗工作载荷的紧螺栓连接：F0≥F/f,f=0.2,F0≥5F此外，在振动、冲击或变载荷下，由于摩擦系数f的变动，将使连接的可靠性降低，有可能出现松脱。可以用各种减载零件来承但横向的工作载荷。承受预紧力和工作拉力的紧螺栓连接•由于螺栓和被连接件的弹性变形，螺栓所受的总拉力并不等于预紧力和工作拉力之和。螺栓总拉力与残余预紧力•螺栓总拉力：F2=F1+FF2≠F0+F；•残余预紧力F1的取值为了保证连接的紧密性，以防止连接受载后接合面间产生缝隙，应使F1＞0。推荐采用的F1为：●对于有密封性要求的连接，F1=（1.5～1.8）F；●对于一般连接，工作载荷稳定时，F1=（0.2～0.6）F；●工作载荷不稳定时，F1=（0.6～1.0）Ｆ；●对于地脚螺栓连接，F1≥F。预紧力F0、残余预紧力F1和总拉力F螺栓被连接件螺栓的相对刚度螺栓的相对刚度•大小与螺栓和被连接件的结构尺寸、材料以及垫圈、工作载荷的作用位置等因素有关，其值在0～1之间变动。•★被连接件的刚度大，螺栓的刚度很小（细长或中空），螺栓的相对刚度趋于零。此时工作载荷作用后，使螺栓所受的总拉力增加很少；•★当螺栓的相对刚度较大时，则工作载荷作用后，将使螺栓所受的总拉力有较大的增加。螺栓的相对刚度为了降低螺栓的受力，提高螺栓连接的承载能力，应使螺栓的相对刚度值尽量小些。螺栓的相对刚度：（1）金属垫片（或无垫片）：0.2－0.3；（2）皮革垫片：0.7；（3）铜皮石棉垫片：0.8；（4）橡胶垫片：0.9。受拉紧螺栓连接设计步骤螺栓连接设计步骤：（1）根据连接的受力情况，求出螺栓的工作拉力F；（2）根据连接的工作要求选取F1值；（3）计算螺栓的总拉力F2；（4）用F2值进行螺栓强度计算；（5）考虑扭转切应力的影响，总应力增加30%进行计算。螺栓危险截面的拉伸强度条件为：受拉紧螺栓的疲劳强度校核σ-1tc——螺栓材料的对称循环拉压疲劳极限；Kσ——拉压疲劳强度综合影响系数；ψσ——循环应力中平均应力的折算系数：碳钢：0.1～0.2；合金钢：0.2～0.3。承受工作剪力的紧螺栓连接•计算时假设：压力分布均匀，不考虑预紧力和螺纹摩擦力矩的影响。•螺栓杆与孔壁的挤压强度条件：•螺栓杆的剪切强度条件：Lmin——螺栓杆与孔壁挤压面的最小高度mm，设计时应使Lmin≥1.25d0；5-7螺纹连接件的材料及许用应力螺纹连接件的材料适合制造螺纹连接件的材料品种很多，常用材料有：（1）低碳钢：Q215、10号钢；（2）中碳钢：Q235、35、45号钢；（3）低合金钢、合金钢：15Cr、40Cr、30CrMnSi，适用于承受冲击、振动或变载荷的螺纹连接件；（4）特种钢，适用于防锈、防磁等的螺纹连接件；（5）铜合金、