第03章螺纹联接

机械设计第三章螺纹联接ThreadedFasteners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)S二、分类(Forms)1)按螺纹母体形状分：圆柱形(Column)螺纹、圆锥形(Taper)螺纹。2)按螺纹牙型分：三角形(VThread)、矩形(Square)、梯形(Acme)、锯齿形(Buttress)螺纹。3)按螺纹旋向分：右(Right)旋和左(Left)旋4)按螺旋线的数目，可分为单线(single)、双线(Double)、三线等。5)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SquareAcmeButtressVThreadPipeThread按螺旋线的数目分类S=PS=2PS=3P三、圆柱螺纹的主要参数1)直径(Diameter)大径(Majordia.)d小径(Minordia.)d1中径(Pitchdia.)d22)螺距(Pitch)P3)导程(Lead)S4)升角(Leadangle)5)牙型角(Threadangle)a6)牙型斜角b7)螺纹工作高度(Workingdepth)h升角(Leadangle)22arctanarctandnPdSS四、螺旋副的受力分析、效率与自锁1)矩形螺纹的受力分析①拧紧螺母时的受力分析②旋松螺母时的受力分析2)非矩形螺旋副的受力分析1）受力分析(Forceanalysis)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。①拧紧螺母时的受力分析S)tan(QF2)tan(2221dQdFT当螺母旋转一周时，输入功率(驱动功)为：112TW升举重物所作的有效功(输出功)为：SQW2螺旋副的效率(Efficiency))tan(tan2)tan(2tan222112dQdQTSQWW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EfficiencyLeadAnglef=0.15f=0.10f=0.05)tan(tan②旋松螺母时的受力分析)tan(QF螺旋副的自锁(Self-locking)当=时，F=0——即去掉支持力F，滑块仍能保持平衡。当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。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：)tan(QF2）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：bcosQNvffQfQfQfNFbbcoscosbcosffv有关公式力的关系：)tan(vQF驱动力矩：2)tan(21dQTv效率：)tan(tanv自锁条件：v结论所以三角形螺纹用于联接，其它螺纹用于传动。bavvf所以单线螺纹用于联接，多线螺纹用于传动。五、常用螺纹CoarseThreadFineThread1)普通螺纹是一种三角形螺纹，a=60°，有粗牙、细牙之分2)管螺纹，a=55°3)矩形螺纹，a=0°4)梯形螺纹，a=30°5)锯齿形螺纹六、螺纹联接的主要类型(Types)螺栓联接(Boltandnut)螺钉联接(Screw)双头螺柱联接(Studandnut)紧定螺钉联接(Setscrew)1）螺栓联接(Boltandnut)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(Studandnut)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)HexSocketHeadlessSetscrew特点和应用：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。Typesofheads(1)Typesofheads(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(Bolttightening)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TT2T1T1T3T4F'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)tan(21dFTv21TTTdFT2.02）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。测力矩扳手定力矩扳手定力矩扳手测力矩扳手二、螺纹联接的防松(Threadlocking)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。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(Cotterpin&Slottednut)螺栓装配图开槽螺母开口销止动垫片(Lockwasher)串联金属丝正确错误机械防松实例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(Forceanalysis)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：zQF总拉力的求法见第七节。FQpDRRRR/2R/2F'F'a)b)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：zmfRKFsfzRFs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：ziisfzsfrfTKrrrfTKF121)(2）受剪螺栓联接受载最大的螺栓承受的横向工作剪力为：ziisrTrF12maxmax受翻转力矩M的螺栓组联接ziiLMLF12maxmax受载最大的螺栓承受的轴向工作拉力为：a)b)c)注意的问题2）为防止接合面左边出现间隙，应使0minWMAFzpMFpp][maxppMFppWMAFz1）为防止接合面右边被压溃，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(FailureTypes)15%20%65%m=1FF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。12h2h1Fd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计算危险截面的直径d1查取公称直径d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2141dFAFFd41设计公式：F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TT2T1T1T3T4F'F'TT2T1T1T3T4F'F'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：①只受预紧力的紧螺栓联接②受预紧力和工作拉力的紧螺栓联接①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。TT2T1T1T3T4F'F'TT2T1T1T3T4F'F'正应力与扭应力2141dF3121161)tan(2ddFWTvTTTT2T1T1T3T4F'F'TT2T1T1T3T4F'F'一般情况对于M10~M68普通螺栓，有如下统计规律：17.0tanv121.1dd05.0tan故：5.0415.021dFT当量应力3.1)5.0(332222Te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Fd3.141设计公式：e21413.1dF强度条件为：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％。21413.1dF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。zmfRKFsf2.1fK1m15.0sf但分析若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。②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。FD1D2Q螺栓的工作过程'2211Fcc21公式的推导FKFFFFc011cF22cFF21211cccKcFKFcccFc211注意的问题)a)b)c)d螺栓工作时被联接件间是不允许出现间隙的，因此要求剩余预紧力F大于零。强度条件与设计公式210413.1dF013.14Fd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