金城机械设计幻灯片：螺纹连接

第三章 螺纹联接与螺旋传动,§3-1 螺纹基本知识,§3-3 单个螺栓联接的强度计算,§3-6 螺旋传动,§3-4 提高螺栓联接强度的措施,§3-2 螺栓组联接受力分析与计算,§3-5 螺纹连接的防松,连 接,机械动连接, 运动副,机械静连接, 焊接、,胶接、,铆接,螺纹连接,、键连接,销连接等,一、螺纹的形成,将直角三角形缠绕到直径为d2的圆柱上，其斜边在圆柱上形成的螺旋形体螺纹,螺纹的类型（表3-2）,§3-1 螺纹联接基本知识,（1）普通螺纹 牙型为三角形、用米制表达尺寸、用于紧固的圆柱形联接螺纹。,1）大径d： 公称直径；,2）小径d1： 强度计算用直径；,3）中径d2： 螺纹配合用直径；,4）螺距 P： 中径线上两牙之距；,5）导程 L： 同一条螺旋线上两牙之距；,（为螺旋线头数）,二、螺纹的主要参数,6）升角 ：螺柱底平面与中径线上螺旋线切线之间所夹锐角；,7）牙型角 ：螺纹牙型之夹角（ =60o 三角螺纹）；,（2）螺纹特点及应用:,螺旋副效率,螺旋副自锁条件,同一公称直径上根据螺距不同普通螺纹可分为：,1）普通粗牙螺纹：用于一般联接。 2）普通细牙螺纹：用于薄壁零件联接。,三角形螺纹自锁性好，用于连接螺纹。,矩形、梯形螺纹传动效率高，用于传动螺纹。,三、螺纹的精度:,螺纹代号-公差带代号-旋合长度代号,M105g6gS,四、螺纹联接的基本类型,1、常用标准螺纹联接件,按直径特点分为：等径螺柱、不等径螺柱,2、螺纹连接类型 （1）螺栓联接,螺栓杆部与被联接件孔之间有间隙，孔加工精度要求低；结构简单；装拆方便；螺栓受拉力主要承受轴向载荷；应用广泛。,普通螺栓联接,螺栓杆部与被联接件空之间为配合关系，杆孔配合精度要求高；螺栓受剪切、挤压主要用于横向载荷大的联接。,铰制孔螺栓联接,（2）双头螺柱联接,双头螺柱受拉力，主要适用于被联接件之一较厚或必须采用盲孔，且经常拆卸的场合，拆卸时只需拧下螺母。,（3）螺钉联接,螺钉受拉力，主要适用于被联接件之一较厚或必须采用盲孔，且不经常拆卸的场合。,（4）紧定螺钉联接,适用于固定两个零件间的位置，并可传递不大的力或转矩。,（1）螺栓组的布置应尽可能对称，以使接合面受力比较均匀，一般都将接合面设计成对称的简单几何形状，并应使螺栓组的对称中心与接合面的形心重合，如图所示.,原则：合理确定螺栓组的布置形式及接合面的几何形状；使各螺栓受力均匀，便于加工、装配,§3-2 螺栓组联接的结构设计和受力分析,一、螺栓组的结构设计,（2）当螺栓联接承受弯矩和转矩时，还须将螺栓尽可能地布置在靠近接合面边缘，以减少螺栓中的载荷。,如果普通螺栓联接受较大的横向载荷，则可用套筒、键、销等零件来分担横向载荷，以减小螺栓的预紧力和结构尺寸。,减荷装置,（3）螺栓布置要有合理的距离。在布置螺栓时，螺栓中心线与机体壁之间、螺栓相互之间的距离，要根据扳手活动所需的空间大小来决定.如下图和表3-4,扳手空间,（4）分布在同一圆周上的螺栓数，应取为4、6、8等易于等分的数目，以便于加工。,目的：求出螺栓组中受力最大的螺栓及其所受的力，以便进行螺栓 联接的强度计算。,假设：（1）所有螺栓的材料、直径、长度和预紧力均相同；（2） 螺栓的对称中心与连接结合面的形心重合；（3）受载后连 接结合面仍保持为平面。,二、螺栓组联接受力分析与计算,螺栓组联接的基本受载类型有四种：,1、受轴向力的紧螺栓组连接,单个螺栓工作拉力,注：如 不通过螺栓组的形心，应向形心平移后再计算。,2、受横向载荷的螺栓组连接,铰制孔用螺栓连接,Z螺栓的数目,用普通螺栓连接,单个螺栓受剪力,用普通螺栓连接,联接的不滑移条件：,m接合面数目（摩擦工作面）； QP单个螺栓预紧力 Kn安全系数，一般取1.11.3,例：Qp=100N,z=3,f =0.15, K=1.2求F=? 不滑移的条件：,3、受扭矩的螺栓组连接,a.用普通螺栓连接,联接不转动的条件：,靠结合面上的摩擦力承受T 。,T=10Nm,z=6, f =0.15, Kn=1.2求单个螺栓Qp=?,r1,r2,r1 =60mm,r2 =100mm,解：不转动的条件：,b.采用铰制孔螺栓连接,则受载最大的螺栓所受剪力,T=10Nm, z=6, 求Fmax=? F1= ?,r1,r2,r1 =60mm,r2 =100mm,4、受翻转力矩M 的螺栓组连接,例1：绕轴y-y受翻转力矩M=10Nm, 求Qmax=?,Lmax=L=80,若绕轴x-x受翻转力矩M=10Nm, 求Qmax=?,§3-3 单个螺栓联接的强度计算,一、失效形式,螺栓失效中，65%的断裂发生在螺母和被联接件的接合处。,二、受拉螺栓联接的强度计算,单个螺栓联接的强度计算,1. 松螺栓联接的强度计算（不预紧）,松螺栓联接装配时不需要把螺 母拧紧，在承受工作载荷前， 除有关零件的自重外，联接并 不受力。 工作中，松螺栓只受工作拉力 F 。,强度条件为：,式中：d1螺栓小径（mm）； 螺栓的许用拉应力（Mpa)。,注：对钢制螺栓 ,屈服极限、安全系数见表格。,Q,Q,单个螺栓联接的强度计算,2. 紧螺栓联接的强度计算,（1）仅受预紧力 Qp的紧螺栓联接横向载荷,这种联接在拧紧的瞬间最危险， 此时：,Qp引起的拉应力：,按第四强度理论计算当量应力，则,F,强度条件为：,单个螺栓联接的强度计算,设计式为：,1.3系数是考虑扭转切应力的影响,减载销(图3-7a) 减载套筒(图3-7b) 减载键(图3-7c),例2：普通螺栓连接，3个螺栓,=200MPa,f =0.15, Kn=1.2,F=15000N,求所需螺栓的直径d1？,=20 000N,解：不发生滑移的条件：,2)强度条件：,=12.86mm,查标准,单个螺栓联接的强度计算,（2）承受轴向载荷的紧螺栓联接,虽然，这种螺栓是在受预紧力Qp的基础上，又受工作拉力Q。但是，螺栓的总拉力,预紧力Qp 单个螺栓工作拉力Q：,预紧时,受工作载荷后,Qp残余预紧力,螺栓的总拉力为,单个螺栓联接的强度计算,Qp,可用载荷变形图分析各力之间的关系。,单个螺栓联接的强度计算,变形协调条件： 螺栓总拉力：,单个螺栓联接的强度计算,注（1）为保证工作安全，必须QpO,工程上一般取： 工作载荷Q稳定时： 工作载荷Q不稳定时： 有密封要求时：,讨论：,） 最不利的情况,） 最理想的情况,）不允许的情况有缝隙存在，漏气,）降低螺栓受力的措施：,a) 必须采用刚度小螺栓（空心、加长、细颈） b) 加硬垫片或直接拧在凸缘上均可提高强度,）为联接紧密、不漏气，要求,6）计算时可根据已知条件选择其一进行计算,a）轴向静力紧螺栓联接强度计算,静力Q不变，Q为静力，但考虑补充拧紧防断,强度条件 验算公式：,设计公式：,b）轴向变载荷紧螺栓联接强度计算,分析：当工作载荷，由0Q,螺栓总载，由QpQ0 QP,部分载荷，由0Q0,7)当验算不满足时措施：,b) 最好改善结构、降低应力集中。包括：工艺、结构、制造、CTCL，适当提高QP等综合措施,a),例3:图示气缸盖用6个普通螺栓连接,已知气缸压力p=2MPa，D=80mm,取 试求: 1、螺栓小径d1；2、安装时预紧力 （F-工作拉力）,解：1、求工作拉力Q,2、求总拉力Q0,3、求螺栓小径,4、求螺栓的预紧力,三、受剪螺栓连接的强度计算,剪切强度,失效形式：,挤压强度,d0杆抗剪面直径 m抗剪面数目 许用剪应力 p -螺栓或孔壁较弱的材料,四、螺栓材料与许用应力计算,1、材料,螺母、螺栓强度级别：,1）根据机械性能，把栓母分级并以数字表示，此乃强度级别,2）所依据机械性能为抗拉强度极限bmin和屈服极限Smin,螺栓级别:,带点数字表示 ， 点前数字为,点后数字为,螺母级别:,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）,螺母性能等级： 4 5 6 8 9 10 12,螺栓性能等级： 3.6，4.6，4.8(d16) 3.6，4.6，4.8 (d16) 5.6， 5.8 6.8 8.8 9.8 (d16) 10.9 12.9,2、许用应力,许用拉应力：,已知：不控制QP的紧螺栓联接，易过载。 设计时应取较大的安全系数。控制预紧力时可取较小的安全系数S。 显然S、与d 有关。 设计时，先假设d，进行试算，选取一安全系数进行计算，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，否则需重新进行估算。 试算法,机理:,螺母受压，p,一、改善螺纹牙间受力分配,第一圈：p最大，受力最大 第810圈后几乎不受力,§3-4 提高螺栓联接强度的措施,P:螺距, 采用加高螺母不能 提高联接强度。,常用方法（变形一致） 减小螺栓螺母螺距变化差,二、降低应力幅,措施： 1）螺栓长度 2）光杆直径,3）采用细长/空心螺栓,措施：不宜采用刚度小的垫片。,3、减小螺栓刚度、增大被连接件刚度，同时增加预紧力,三、减轻应力集中,卸载槽；退刀槽；,增大牙根处过渡圆角半径。,四、减小附加弯曲应力,螺纹孔不正、被联件表面不平、发生变形等。,引起附加弯曲应力因素：,措施：垫圈、凸台、沉孔等。,五、采用合理的制造方法,1.冷镦螺栓头，滚压螺纹； 2. 采用氮化、氰化、喷丸处理。 目的：提高螺栓疲劳强度。,§3-5 螺纹连接的预紧和防松,螺旋副摩擦阻力矩,螺母和支承面上的摩擦阻力矩,一、螺纹连接的预紧保证可靠性、紧密性,F,L,螺旋副摩擦阻力矩,螺母和支承面上的摩擦阻力矩,预紧方法： 测力矩扳手（图3-15） 定力矩扳手（图3-16）,预紧力QP的控制： 测力矩板手测出预紧力矩，如上图 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，如下图 测量预紧前后螺栓伸长量精度较高,防松的本质在于防止螺旋副相对转动。,按工作原理的不同，防松方法分三类：,二、 螺纹联接的防松,螺纹升角=1o42 3o2,v= 6.5o 10.5o,1. 摩擦力防松,（1）双螺母,（2）弹簧垫圈,（3）锁紧螺母,2. 机械方法防松,（1）止动垫圈,（2）槽形螺母与开口销,（3）串联钢丝,3.变成不可拆卸,本章作业：P46 习题 3-8，3-9，3-10， 3-11,1、螺栓连接,装拆方便,螺栓受拉力,普通螺栓连接,铰制孔螺栓连接,螺栓受剪切、挤压,用于横向载荷大的连接,2、双头螺柱连接,用于被连接件较厚，不宜制成通孔， 且经常装拆 的场合,双头螺柱受拉力,3、螺钉连接,用于不经常装拆的场合,螺钉受拉力,