机械原理与机械零件第九章螺纹联接设计.ppt

第二篇 联接设计,,第九章 螺纹联接设计,螺纹,螺纹副的受力分析/效率和自锁,螺纹联接的基本类型,螺纹联接的预紧和防松,螺纹联接的强度计算,螺栓组的结构设计,提高螺栓联接强度的措施,螺旋传动( 自学),§9–1 螺 纹,一、螺纹的形成 将一倾斜角为ψ的直线绕于圆柱体上形成一螺旋线 取一平面图形使它沿螺旋线运动(保持图形通过圆柱体的轴线) 二、螺纹分类 按平面图形形状分： 三角形、梯形和锯齿形 按螺旋旋向分： 左旋、右旋(常用) 按螺纹位置分: 内螺纹、外螺纹 按母线分: 圆柱螺纹、圆锥螺纹 按螺纹头数(≤4)分: 单线、多线,三、螺纹参数 大径d : 公称直径 小径 d1 : 在强度计算时使用 中径d2: 母线上牙沟槽和牙厚相等的假想圆柱的直径； 是确定螺纹几何参数和配合性质的直径d2≈(d +d1)/2,螺距P : 相邻两牙中径 线上对应两点间的轴 向距离 导程S: 同一螺旋线上相邻两牙中径线上对应两点间的轴向距离 若螺旋线数为n，则 S＝nP,升角ψ: 中径d2圆柱上，螺旋线的切线与垂直于螺纹 轴线的平面间的夹角tgψ = ——,np,πd2,牙型角α：轴向截面内螺纹牙型相邻两侧边的夹角。

牙型斜β：牙型侧边螺纹轴线的垂线间的夹角 对于对称牙型 β＝α/2 (如三角螺纹),§9-2 螺旋副的受力分析、效率和自锁,一、矩形螺纹(β=0º) 将矩形螺纹沿中径展开可得一斜面在轴向载荷Fa 作用下螺旋副的相对运动，可看作推动滑块沿此斜面(螺纹面) 运动 当滑块沿斜面等速上升时，驱动力 F= Fa tg(ψ+ρ) 当滑块沿斜面等速下滑时，驱动力 F= Fa tg(ψ-ρ) 当量摩擦角ρ=tg-1f 驱动力矩 T=Fd2/2,滑块受力分析,二、非矩形螺纹( 如三角、梯形和锯形螺纹) 受力分析： 若略去ψ的影响，在轴向力Fa作用下，非矩形螺纹 的法向力大于矩形螺纹将法向力的增加看作摩擦系数的增加则非矩形螺纹的摩擦阻力可写为： fFn= fFa/cosβ = (f/cosβ)Fa = f ’Fa ρ’=tg -1f ’ 当滑块沿非矩形螺纹等速上升时, 驱动力F=Fatg(ψ+ρ’) 当滑块沿非矩形螺纹等速下滑时, 驱动力F=Fa tg(ψ-ρ’) 驱动力矩 T=Fd2/2,螺旋副的效率： 螺纹上升时的驱动力矩T是用来克服螺旋副的摩擦阻力和升起重物的螺旋副的效率是有效功与输入功之比。

按螺旋转动一圈计算，输人功为2πT ，有效功为FaS，则螺旋副的效率为： ρ’一定时，η=f(ψ)取dη/dψ=0, 得ψ = 45º- ρ’/2时, 效率最高 一般ψ ≤ 25º(∵ ψ过大制造困难, 且对提高η不显著)螺旋副自锁的条件： 当滑块沿非矩形螺纹等速下滑时的驱动力 F=Fatg(ψ-ρ’) 是用来维持滑块等速下滑的支持力 当ψ ≤ ρ’ 时，无论Fa多大，滑块不会自动下滑的现象, 称为螺旋副的自锁自锁条件是: ψ ≤ ρ’,§9–3 螺纹联接的基本类型,,普通螺纹,用于紧固联接,牙型角α＝60º的三角形米制螺纹大径d为公称直径同一公称直径有多种螺距，其中螺距最大的为粗牙螺纹(应用最多) ，其余为细牙螺纹细牙螺纹升角小、小径大，因而自锁性能好、强度高但不耐磨、易滑扣适用于薄壁零件、受动载荷的联接和微调机构一、机械制造常用螺纹,三角螺纹,,管螺纹,用于紧密联接,英制螺纹，公称直径是管子的公称通径55º圆柱管螺纹:,55º圆锥管螺纹,60º圆柱管螺纹,普通细牙管螺纹,用于水、煤气、润滑管路系统中用于高精密密封处，不用填料、旋合迅速梯形螺纹,锯形螺纹,β =3º，效率比梯形螺纹高,但只能承受单方向轴向力。

β =15º，比矩形螺纹易切削,用于传动 β β三角,,,结论:β↑,cosβ↓,ρ’↑, η↓ η矩 η锯 η梯 η三,小结：6种螺纹,附表: 直径与螺距、粗牙普通螺纹基本尺寸(摘自GB/T196-1981),注: 括号内的公称直径为第二系列H=0.866P d2=d-0.6495P d1=d-1.0825P D、d------内、外螺纹大径 D2、d2------内、外螺纹中径 D1、d1------内、外螺纹小径 P------螺距 标记示例: M24(粗牙普通螺纹,直径24,螺距3) M24×1.5(细牙普通螺纹,直径24,螺距1.5),二、螺纹联接的基本类型,双头螺柱,螺 栓,螺 钉,紧定螺钉,普通螺栓,铰制孔螺栓,,螺纹紧固件,§9–4 螺纹联接的预紧和防松,对于重要的螺纹联接, 应控制其预紧力因预紧力的大小对螺纹联接的可靠性、强度和密封有很大影响 一、拧紧力矩,Fa: 预紧力 d2: 螺纹中径 fc: 螺母与被联接件支承 面间的摩擦系数无 摩擦fc=0.15 rf : 支承面摩擦半径 rf =(D0+d0)/4 D0 : 螺纹支承面的外径 d0 : 螺栓孔直径,对于M10~M68的粗牙螺纹, 若取f ’=0.15, fc=0.15, 则得： T=0.2Fad (d: 螺纹公称直径),拧紧力矩的控制： 小直径螺栓装配时应施加小拧紧力矩; 对重要的有强度要求的螺接联接，不宜采用小于M12的螺栓。

通常: 拧紧程度凭人工经验决定; 重要联接处: 小批量生产时用测力矩扳手和定力矩扳手、大量生产时用风扳机控制测力矩扳手,定力矩扳机,二、螺纹联接的防松 静载荷下，三角螺纹紧固件可自锁在冲击、振动和变载作用下，联接须防松 螺纹联接防松的根本问题在于防止螺纹副的相对转动防松方法很多，常用方法如下§9–5 螺纹联接的强度计算,螺栓的主要失效形式有：(1) 螺栓杆拉断(静载受拉螺栓)；(2) 螺纹的压溃和剪断(铰制孔螺栓)；(3) 经常装拆而滑扣(动载受拉螺栓) 螺栓设计遵循等强度原则, 其强度计算是:确定螺纹小径d 1, 再按标准选定螺纹公称直径(大径)d及螺距P 一、松螺栓联接强度计算 松螺栓联接时螺母不拧紧，在承受工作载荷前不受力当承受工作载荷F 时，其强度条件为：,例: 起重机吊钩,二、紧螺栓联接强度计算 1. 仅受预紧力的紧螺栓联接 紧螺栓联接时, 螺栓除受预紧力F0 外, 还要承受螺纹副相对转动的阻力矩T1，因此其应力为:,故紧螺栓联接的强度条件为：,对于M10~M68的螺纹，取 f ’=0.15, d1、d2和ψ取平均值(d2/d1=1.04~1.08)，得： τ≈ 0.5σ 由于螺栓是塑性材料，故按第四强度理论(最大形变能理论), 当量应力为σca为：,,,2. 受预紧力和轴向工作载荷的螺栓联接 由于螺栓和被联接件的变形, F2≠F0 + F , 应从分析螺栓联接的受力和变形入手, 找出螺栓总拉力的大小。

螺栓拧紧但不受工作载荷时, 螺栓受拉力F0 , 伸长λb 被联接件受压力F0 , 缩短λm,当承受轴向载荷F时, 螺栓伸长量为λb+Δλ, 受拉力F2根据变形协调条件( 被联接件压缩变形减小量等于螺栓拉伸变形增加量), 被联接件总压缩量为λm-Δλ, 而被联接件的压缩量由F0减至F1 F1称为残余预紧力螺栓总拉力：F2=F +F1,用线图表示螺栓和被联接件的受力变形关系,F2=F + F1,若F 在0~ F 间变化时，则F2在F0 ~ F2间变化设计步骤 先求F，再根据联接情况选择F1，最后求F2 ,计算螺栓强度；当F和F0已知时，则先求F2，再检验F1是否合乎要求 F1的确定 当F 不变时，可取 F1=(0.2~0.6)F 当F 变化时，可取 F1=(0.6~1.0)F 对有密封性要求的联接， F1=(1.5~1.8)F 螺栓联接的强度条件为：,,3. 受横向载荷的螺栓联接 螺栓受横向工作载荷F 时，若接合面的摩擦力足够大，则联接件间不会发生相对滑动因此螺栓所需的轴向力(即预紧力)应为：,附: 当f=0.15, KS=1.2，m=1时，F0 ≥ 8F故靠摩擦力来承担横向载荷时，其尺寸较大。

F0：预紧力 KS: 可靠性系数, 通常KS＝1.1~1.3 m: 接合面数目, 对钢铁被联接件可取 f: 接合面摩擦系数, 对钢铁f=0.1~0.15,附: 为避免上述缺点、可用： 键、套筒或销承担横向工作载荷，螺栓来联接 铰制孔用螺栓(螺杆与孔之间无间隙) 这些减载装置中的键、套筒、销和铰制孔用螺栓可按受剪切和受挤压进行强度核算附: 螺纹联接件的材料与许用应力,国标规定了螺纹联接件的性能等级螺栓、螺柱、螺钉的性能等级分为10级，螺母的性能等级分为7级，常用4.8级左右的螺栓，重要或特殊要求中选用高性能等级，如压力容器中常用8.8级螺栓一、螺纹联接件材料,常用螺纹联接件材料为Q215、Q235、35、45等碳素钢高强度时可采用合金钢，如15Cr、40Cr等选材时，应使螺母材料的强度级别低于螺栓材料、硬度稍低于螺栓，以减少磨损及避免咬死，并便于换螺母二、螺纹联接件的许用应力,1. 螺纹联接件的许用拉应力,2. 螺纹联接件的许用剪应力和许用挤压应力,3. 螺纹联接件的安全系数,(被联接件为钢),(被联接件为铸铁),§9-6 螺栓组的结构设计,目的：求出螺栓组中各螺栓受力的大小，特别是其中受力最大的螺栓及其载荷。

一、受横向载荷F∑的螺栓组联接 1、受剪螺栓: 2、受拉螺栓: fF0mz=KSF∑,f: 接合面摩擦系数 F0: 螺栓预紧力; m : 接合面数; KS: 考虑摩擦传力的可靠性系数,F : 各螺栓所受的工作载荷 F∑: 横向载荷; z : 螺栓数目,二、受转矩T的螺栓组联接 1. 普通螺栓(受拉),根据螺栓变形协调条件，作用在各螺栓上的剪力及其剪切变形量与其中心到底板旋转中心的距离成正比离底板旋转中心的距离最远的螺栓受力最大靠联接预紧后在接合面间产生摩擦力矩抵抗T,靠螺栓的剪切和螺栓与孔壁的挤压抵抗T,2. 受剪螺栓(铰制孔) (补充),,三、受轴向载荷F∑的螺栓组联接 若作用在螺栓组上轴向总载荷FΣ作用线与螺栓轴线平行，并通过螺栓组的对称中心，则各个螺栓受载相同，每个螺栓所受轴向工作载荷为：,通常，各个螺栓还承受预紧力F0的作用，当联接要有保证的残余预紧力为F1时，每个螺栓所承受的总载荷F2为: F2 = F1 + F,F∑: 轴向力; z : 螺栓数目,四、受翻转力矩M的螺栓组联接,因螺栓拉伸刚度相同,由变形协调条件，各螺栓拉伸变形量与其中心至翻转中心轴线的距离成正比,倾覆力矩 M 作用在联接接合面的一个对称面内, 底板在承受倾覆力矩之前, 螺栓已拧紧并承受预紧力F0。

作用在底板两侧的合力矩与倾覆力矩M平衡，即：,,离翻转轴线最远的受拉应力的螺栓最危险,为防止结合面受压最大处被压碎或受压最小处出现间隙，要求：,,螺栓的总拉力：,左端边缘处最小挤压应力大于等于零,限制右端边缘处的最大挤压应力,保证右半边结合面不被压溃,___,§9–7 提高螺栓联接强度的措施,螺栓联接的强度主要取决于螺栓的强度螺栓承受轴向变载荷时，其失效形式为：螺杆疲劳断裂，常发生在螺栓头、尾部和螺纹支承平面处影响螺栓强度的因素和提高强度的措施有：,改善螺纹牙上载荷分布不均的现象,降低影响螺栓疲劳强度的应力幅,减小应力集中的影响,采用合理的制造工艺,一、减小应力幅 若F ：0 ~ F，则F2：F0 ~ F0 + F Cb /(Cb+ Cm) 减小F2变化范围, 对防止螺栓的疲劳损坏十分有利故可减小Cb或增大Cm 具体措施：减小螺栓光杆部分直径或采用空心螺杆、增加螺栓长度、采用软垫片等方法减小Cb 二、螺纹牙载荷分配 采用普通螺母时，轴向载荷随旋合螺纹圈数增多递减(第一围受载最大，以后各圈递减)到第8~10 圈后，螺纹几乎不受载故采用厚螺母不能提高联接强度 具体措施：用悬置(受拉)螺母，环槽螺母等。

三、减小应力集中 具体措施：增大过渡圆角、切制卸荷槽使螺栓截面变化均匀、减小应力集中四、采用合理的制造。