机械设计基础：第10章 联接2.ppt

4. 螺纹联接的基本类型和标准联接件螺纹联接的基本类型和标准联接件 4.1 螺纹联接的基本类型螺纹联接的基本类型 ：螺纹联接常用类型有四种，：螺纹联接常用类型有四种，见表见表10.24.2 标准联接件：标准联接件：见表见表10.35. 螺纹联接的预紧和防松螺纹联接的预紧和防松 5.1 螺纹联接的预紧螺纹联接的预紧 ：： 1. 拧紧力矩拧紧力矩T的计算：的计算：T = T1 + T2 ，其中其中T1螺纹摩擦副间摩擦阻力矩，螺纹摩擦副间摩擦阻力矩， T2螺螺母和被联件支承面间摩擦阻力矩经简化对母和被联件支承面间摩擦阻力矩经简化对M10∽∽M68粗牙螺纹可取粗牙螺纹可取 T ≈ 0.2Fad 式中：式中： Fa为螺栓受到的轴向载荷，为螺栓受到的轴向载荷，d为螺栓公称直径为螺栓公称直径 2. 拧紧力矩控制方法拧紧力矩控制方法：如图示如图示，要求不高时，可用图，要求不高时，可用图a测力矩扳手；要求高测力矩扳手；要求高时，应用图时，应用图b定力矩扳手；对大批生产，应用风扳机或电动定力矩扳手定力矩扳手；对大批生产，应用风扳机或电动定力矩扳手 5.2 螺纹联接的防松螺纹联接的防松 ：： 三角螺纹都具有自锁性，一般不会自行松脱。

但在冲击、振动和变载的三角螺纹都具有自锁性，一般不会自行松脱但在冲击、振动和变载的作用下，仍有松脱可能；高温的螺纹联接，由于温度变形差异等原因，也可作用下，仍有松脱可能；高温的螺纹联接，由于温度变形差异等原因，也可能发生松脱因此联接设计时一般应考虑防松问题能发生松脱因此联接设计时一般应考虑防松问题 螺纹联接防松的根本目的在于防止螺纹副的相对转动防松方法很多，螺纹联接防松的根本目的在于防止螺纹副的相对转动防松方法很多，今将常用的几种列于今将常用的几种列于表表10.5中中 表10.2 螺栓联接的主要类型类型结 构 简 图结 构 尺 寸结构特点和应用场合螺栓联接1)螺尾余留长度l l1 1 受拉螺栓受拉螺栓联联接接： 静载荷 l1≥(0.3∽∽0.5)d 变载荷 l1≥0.75d冲击、弯曲载荷 l1≥(0.3∽∽0.5)d 受剪螺栓受剪螺栓联联接：接： l1尽可能小2)螺纹伸出长度 l2 l2≈0.2∽∽0.3d3)螺栓轴线到被联件边缘距e e = d +(3∽∽6)mm 无须在被联接件上切螺纹，构造简单，装拆方便，应用最广。

用于通孔，并能从两边装配的场合，左图为普通受拉螺栓，孔精度要求低，右图为铰制孔螺栓，钉杆同孔配合，需铰孔加工 螺钉联接1)螺纹旋入深度： 当螺孔材料为 钢或青铜 l3≈d 铸铁 l3≈(1.25～1.5)d 铝合金 l3≈(1.5～2.5)d2)螺纹孔深度 l4≈ l3 +(2～2.5)P3)钻孔深度 l5≈ l4 +(0.5～1)d4)其余尺寸 l1、 l2和和e同上同上 不用螺母，有光整的外露表面，应用与双头螺柱相似因螺纹孔中螺纹易磨损，且不容易修复，所以常用于比较厚的下被联接件上，不宜用于常拆卸的场合双头螺柱联接 螺柱末端旋入并紧固在被联接件的螺纹孔中，以保持松紧上面螺母时螺杆不跟随转动用于受结构限制不能用螺栓或希望结构紧凑的场合，可多次装拆，而不损坏被联接零件紧定螺钉联接d=(0.2∽0.3)d轴转矩大的时候取大值 紧定螺钉旋入被联接件之一的螺孔之中，其末端顶住另一被联接件表面（或孔中），达到固定的目的，并可承担小的力或力矩返回表表10.3 常用标准螺纹联接件常用标准螺纹联接件---（（1））类型图 例 和 标 记结 构 特 点、应 用 和 标 记 意 义六角头螺栓标记：螺栓M10x100 GB5785-86 螺栓主要区别在于头部形状，其中以六角头螺栓的应用最广，六角头又有标准头和小六角头两种，小六角头的尺寸小、重量轻，比较经济，但不适用于频繁拆卸的场合。

按加工精度不同可分为；粗制和精制两种，机械行业中多用精制螺栓标记标记意意义义：粗牙普通螺纹 d=10mm L=100mm 六角头螺栓 执行GB5785-86号国家标准双头螺柱标记：螺柱 M10x50 GB898-88 双头螺柱两端都制有螺纹，结构上分A型和B型两种，前者有退刀槽，后者中部比较细，无须退刀槽A型多用根据旋入端长度又分为四种规格； bm = d 用于钢或青铜制的螺纹孔中 bm =1.25 d 用于铸铁制的螺纹孔中 bm =1.5 d 用于铸铁制的螺纹孔中 bm =2 d 用于铝合金制的螺纹孔中 标记标记意意义义：粗牙普通螺纹 d=10mm L=50mm双头螺柱 执行GB898-88号国家标准 螺钉标记；螺钉M10x50 GB67-85 螺钉头部常见的有：半圆头、平圆头、圆柱头和沉头四种头部起子槽口常有：一字槽、十字槽和内六角孔三种其中十字槽螺钉头部强度高，对中性好，便于自动装配多用内六角孔螺钉能承受比较大的扳手力矩，联接强度高，可代替六角头螺栓，用于要求结构紧凑，外观要求美观的场合。

一字槽螺钉在机械中少用，常用于木器等联接 标记标记意意义义：粗牙普通螺纹 d=10mm L=50mm圆头螺钉 执行GB67-85号国家标准 紧定螺钉标记；螺钉M10x30 GB71-85 紧定螺钉一般通体加工螺纹其末端形式主要有三种类型：锥端、平端和圆柱端锥端适用于被联接件表面硬度比较低或不经常拆卸的场合；平端接触面积较大，不会因联接而损伤零件表面，常用于顶紧硬度较大的表面或经常拆卸的场合；圆柱端常用于需要在被联接表面钻凹坑，螺钉紧定在凹坑中的情况下，适用于紧定空心轴上的零件 紧定螺钉的螺纹起子口一般都采用一字槽口 标记标记意意义义；粗牙普通螺纹 d=10mm L=30mm 锥端紧定螺钉 执行GB71-85号国家标准转续表表表10.3 常用标准螺纹联接件常用标准螺纹联接件---（（2））类型图 例 和 标 记结 构 特 点、应 用 和 标 记 意 义六角螺母和圆螺母 标记1；螺母M10 GB41-86 标记2；圆螺母M16x1.5 GB812-88 六角螺母应用最为广泛，根据螺母的厚度不同可以分为：标准螺母、扁螺母和厚螺母三种规格扁螺母常用于螺栓受剪切力或空间尺寸受到限制的场合；厚螺母用在经常拆卸，螺纹容易磨损的场合；一般主要选用标准螺母。

螺母制造精度和螺栓相同，分别与相同精度螺栓组配圆螺母常与止动垫片一起配合使用（其结构见§10.5.2），一般是用在轴上的零件固定用，例如轴承等固定 标记1意义；粗牙普通螺纹d=10mm 六角螺母 执行GB41-86号国家标准 标记2意义；细牙普通螺纹 d=16mm 圆螺母 执行GB812-88号国家标准 垫圈 标记；垫圈10 GB97.2-85 垫圈是螺纹联接中不可缺的附件，起保持支承表面、增大被联接件刚度、使支承表面与螺栓轴线相垂直等作用，还有的垫圈可以起到防止松脱的作用（见§10.5.2）同螺栓一样，按加工精度的不同，分为粗制和精制两种精制垫圈又分A型（平垫圈左图）和B型（平垫圈右图）斜垫圈用于支承面和孔轴线不垂直，特别是型钢的联接 标记意义；螺纹公称直径d=10mm A型垫圈 执行GB97.2-85号国家标准 返回11页表表10.5 常用的防松方法常用的防松方法----1通过在螺旋副内附加摩擦力防松示例图使用说明和优缺点 弹弹簧簧垫垫片防松片防松——上图为弹簧垫片自然状态，它用弹簧钢制造，装配后被压平，其恢复原状的反弹力使螺纹间增加了正压力和摩擦力另外，其开口处刃口也有阻止螺母和螺杆相对转动、防松作用。

本方法结构简单，使用方便，外廓小；但螺杆受到附加弯矩作用对强度不利，同时冲击振动时也不很可靠，勿用重要场合对顶对顶螺母防松螺母防松——利用两螺母的对顶作用，增加其间螺纹的附加拉力，从而使螺母和螺杆间正压力增加，也就增加了它们之间的附加摩擦力，使螺母不易松脱这种方法结构简单，成本很低，同弹簧垫片相比，没有螺杆上附加弯矩的作用，螺杆寿命可以提高，同时该方式不受外载荷变化的影响，即使外载荷消失，其间仍保持顶紧力但该方式结构比较庞大，适用低速重载场合 椭圆椭圆收口螺母收口螺母——这是一种特殊螺母，螺母的上端制成椭圆收口状，当拧紧螺母后，收口端因螺杆的撑挤作用而胀开，使螺纹副横向压紧，螺母紧紧抱压在螺杆上，增加了螺纹间的压力和摩擦力这种方法结构简单，工作可靠，可多次拆装不降低防松性能缺点是，螺母的制造成本较高，拧紧螺母时稍显困难适用于较重要的联接需注意：有椭圆收口的一面应作为螺母上表面通过用专用防松元件机械式防松示例图使用说明和优缺点 开口开口销销和槽形螺母防松和槽形螺母防松——螺母上端开有垂直于轴线的若干槽，螺母拧紧后，找一合适的槽位,在螺柱上垂直于螺杆轴线方向打一通孔，将开口销穿过槽和通孔，从另端劈分折向两边。

使螺杆和螺母不会相对转动有时也用普通螺母拧紧后再配钻开口销孔其优点是；防松可靠，缺点是；螺杆要钻孔，对强度有较大影响适用于有振动高速机械上 圆圆螺母配翅形螺母配翅形垫垫片防松片防松——下图是翅形垫片 的形状，其孔内有一凸块，螺纹沿轴线方向开有一相应形状的凹槽，装配时，先将垫片沿槽装入，旋紧圆螺母后，找垫片外圆周上某一合适的凸块，将其向上折入圆螺母外圆周上的四个开口之一，保证了螺母相对螺杆不会发生转动，从而防止了松脱它不需打孔，对螺杆强度削弱较小，但也要在螺纹上开槽，对螺纹的寿命和耐磨性等也有影响常用于轴上螺纹联接的防松 带带翅止翅止动垫动垫片防松片防松——此种垫片一般比较大，外观一端有一个较大的凸块，使用时通常用在位于被联接件边缘的螺孔，将垫片放入螺杆中，压紧螺母后，找一个螺母靠内部的六角平面，将垫片向上折起，贴紧在平面上，另端凸块在被联接件边缘处折下，防止了两者的相对转动优点是不损坏螺纹和螺母，应用方便缺点是垫片比较大，结构上不美观，使用不灵活，一般只能用于边缘的联接，常用在机座的联接上转续表粘粘结结式、式、焊焊接式防松接式防松——粘结式：就是在拧螺母之前将螺柱上涂上强力粘结剂，然后迅速将螺母拧紧。

随着粘结剂的固化，螺母和螺柱之间就无法转动了焊接法：螺母和螺柱拧紧后，将螺母上部用点若干点焊点，防止了两者相对转动此两种方式、时间用久后仍有可能松脱，重要场合还应注意这样两种方式都是损害螺纹的，不推荐使用，只有在重要场合，松脱可能带来严重危害，且更换较容易的条件下，或简单机械上才有应用不适用经常拆卸的场合冲点式防松冲点式防松——这属于破坏式防松方法装配完毕后，为阻止松脱，可以用尖冲将螺母上部螺柱上螺纹冲倒若干个点显然这种方法是以损坏螺纹为代价的，因此不适用常拆卸的螺纹说明和优缺点示例图其他防松返回11页表表10.5 常用的防松方法常用的防松方法----2----26. 螺纹联接的强度计算螺纹联接的强度计算 6.1 单个螺栓联接的失效形式和强度计算单个螺栓联接的失效形式和强度计算：： 1.单个螺栓联接的失效形式和计算准则单个螺栓联接的失效形式和计算准则 (1)普通受拉螺栓普通受拉螺栓——常见螺杆小径拉断失效，部位常见螺杆小径拉断失效，部位如图如图10.8其中八成以上其中八成以上在螺母支承面第一圈处拉断，故常认定小径断面为危险截面在螺母支承面第一圈处拉断，故常认定小径断面为危险截面。

(2)铰制孔用螺栓铰制孔用螺栓——常见螺栓杆部受剪切断裂或孔常见螺栓杆部受剪切断裂或孔(杆杆)面压溃 (3)经常拆装的螺栓经常拆装的螺栓——磨损滑扣失效，常控制使用条件防止发生磨损滑扣失效，常控制使用条件防止发生 2.单个螺栓联接的分类和强度计算单个螺栓联接的分类和强度计算 ：： (1)松螺栓联接：指工作前无须拧紧的联接，见松螺栓联接：指工作前无须拧紧的联接，见图图10.9起重装置上的滑轮架起重装置上的滑轮架螺杆只承受工作拉力螺杆只承受工作拉力F，属力学中杆件单纯受拉的情况，该杆件的直径可以，属力学中杆件单纯受拉的情况，该杆件的直径可以近似认为是螺纹的最危险截面直径近似认为是螺纹的最危险截面直径——小径小径d1其强度计算其强度计算公式如上公式如上 (2)紧螺栓联接：工作前需施加力矩拧紧的联接为螺栓联接最常见的形式紧螺栓联接：工作前需施加力矩拧紧的联接为螺栓联接最常见的形式根据其承载形式的不同，又可分多种类型，其强度计算也有差别：根据其承载形式的不同，又可分多种类型，其强度计算也有差别： ①①单纯预紧状态的普通受拉螺栓，单纯预紧状态的普通受拉螺栓，如图如图10.10a：因拧紧螺栓时需施加拧紧：因拧紧螺栓时需施加拧紧力矩力矩T1，使螺杆危险截面上产生扭剪应力，而当螺杆拧紧后其内有轴向拉，使螺杆危险截面上产生扭剪应力，而当螺杆拧紧后其内有轴向拉力力Fa ，使截面上产生正应力。

故螺杆危险截面是处在正应力和扭剪应力共，使截面上产生正应力故螺杆危险截面是处在正应力和扭剪应力共同作用的复合应力状态强度计算须同时考虑两者影响同作用的复合应力状态强度计算须同时考虑两者影响 公式推导为公式推导为：：松螺栓联接强度计算公式松螺栓联接强度计算公式: : 或或[ [σσ] ]螺栓材料的许用应力，查表螺栓材料的许用应力，查表10.810.8 F F——螺纹部分受到轴向拉力螺纹部分受到轴向拉力 ,(N) ,(N) d d1 1——螺纹的小径螺纹的小径 （（mmmm）） 单纯预紧状态的普通受拉螺栓强度计算公式单纯预紧状态的普通受拉螺栓强度计算公式: :F Fa a所生正应力所生正应力——T T1 1所生剪应力所生剪应力——代入常用代入常用M10M10～～M68M68平均参数，取平均参数，取tgρtgρ′=f′=′=f′=0.15 0.15 得得利用第四强度理论结论：利用第四强度理论结论：强度公式为：强度公式为： 或或 6. 螺纹联接的强度计算螺纹联接的强度计算 ……6.1 单个螺栓联接的失效形式和强度计算单个螺栓联接的失效形式和强度计算：：……2.单个螺栓联接的分类和强度计算单个螺栓联接的分类和强度计算 ：：……(2)紧螺栓联接：紧螺栓联接：…… ②②受横向载荷的普通受拉紧螺栓受横向载荷的普通受拉紧螺栓 ，，如图如图10.10b：应用广：应用广泛的联接形式。

拧紧的螺栓靠被联件表面上的摩擦力泛的联接形式拧紧的螺栓靠被联件表面上的摩擦力承担横向外载荷承担横向外载荷FR故其为保持横向载荷平衡所需要故其为保持横向载荷平衡所需要的预紧力的预紧力Fa和螺栓所承担的横向外载荷和螺栓所承担的横向外载荷FR是有关的，是有关的，可用摩擦力和外载荷的平衡条件求取可用摩擦力和外载荷的平衡条件求取过程如上过程如上 由受横向载荷普通受拉紧螺栓静力平衡条件由受横向载荷普通受拉紧螺栓静力平衡条件mFmFa af≥CFf≥CFR R ，即即：F Fa a≥CF≥CFR R/mf/mf 式中：式中：m m为摩擦面数，为摩擦面数，f f 摩擦面上摩擦系数，摩擦面上摩擦系数， C C为可靠性系数，以确保摩擦表面间无滑动，一为可靠性系数，以确保摩擦表面间无滑动，一般可取般可取C C=1.1=1.1～～1.31.3之间常取之间常取C C=1.2=1.2 将求得的所需预紧力代入紧螺栓式中计算强度将求得的所需预紧力代入紧螺栓式中计算强度 或或 上方式虽结构简单，但缺点也突出：如设上方式虽结构简单，但缺点也突出：如设f =0.15，，C =1.2，，m =1，代入，代入公式中得公式中得 Fa=8FR ，即螺栓需要的预紧力是其横向载荷的，即螺栓需要的预紧力是其横向载荷的8倍，即须取较大倍，即须取较大螺栓才可满足强度要求，无疑造成对零件和材料的浪费。

螺栓才可满足强度要求，无疑造成对零件和材料的浪费 为减小零件尺寸，可用减载销、套筒或键传递横向力．如为减小零件尺寸，可用减载销、套筒或键传递横向力．如图图10.12具有这种减载件的紧螺栓联接，其强度按销、套筒和键的强度条件计算，可忽这种减载件的紧螺栓联接，其强度按销、套筒和键的强度条件计算，可忽略结合面上的摩擦力略结合面上的摩擦力 但缺点是结构复杂，装配比较麻烦为兼顾二者的但缺点是结构复杂，装配比较麻烦为兼顾二者的优点，实践中常采用优点，实践中常采用“绞制孔螺栓，钉杆和钉孔公称尺寸一致，装配时紧绞制孔螺栓，钉杆和钉孔公称尺寸一致，装配时紧密配合因钉孔需要用绞刀制造，所以称为绞制孔螺栓，如密配合因钉孔需要用绞刀制造，所以称为绞制孔螺栓，如图图10.166. 螺纹联接的强度计算螺纹联接的强度计算 ……6.1 单个螺栓联接的失效形式和强度计算单个螺栓联接的失效形式和强度计算：：……2.单个螺栓联接的分类和强度计算单个螺栓联接的分类和强度计算 ：：……(2)紧螺栓联接：紧螺栓联接：…… ③③受轴向工作载荷的普通受拉紧螺栓受轴向工作载荷的普通受拉紧螺栓(图图10.10c) ：在拧紧的螺栓上：在拧紧的螺栓上(受预紧力受预紧力Fa)又加沿螺杆轴线工作载荷又加沿螺杆轴线工作载荷F。

图图10.13压力容器法兰螺栓是其常见应用压力容器法兰螺栓是其常见应用 该联接应保证螺栓受工作载荷后，被联接件间保持足够的压紧力，以防该联接应保证螺栓受工作载荷后，被联接件间保持足够的压紧力，以防漏气因螺栓是变形体，施加工作载荷后，螺栓上承受的总工作拉力并不漏气因螺栓是变形体，施加工作载荷后，螺栓上承受的总工作拉力并不等于预紧力和工作载荷的简单叠加，需要考虑变形因素进行分析等于预紧力和工作载荷的简单叠加，需要考虑变形因素进行分析 a)用用图图10.14说明各力之间的关系说明各力之间的关系：图：图a是未拧紧状态表示各件的原始长；是未拧紧状态表示各件的原始长；图图b是拧紧后但未承担工作载荷的情况螺杆及被联接件间仅承受预紧力是拧紧后但未承担工作载荷的情况螺杆及被联接件间仅承受预紧力Fa，螺杆伸长变形量，螺杆伸长变形量δb0，被联件压缩变形量，被联件压缩变形量δc0；图；图c螺栓上又施加轴向工作载螺栓上又施加轴向工作载荷荷F，螺杆进一步伸长，增加变形量，螺杆进一步伸长，增加变形量△△δ，这给原本压缩变形的被联接件提，这给原本压缩变形的被联接件提供了些许变形恢复空间供了些许变形恢复空间△△δ，其内部压紧力也同步减少，下降到了残余预紧，其内部压紧力也同步减少，下降到了残余预紧力力FP。

很明显，此时螺杆上的总载荷很明显，此时螺杆上的总载荷F∑应为工作载荷应为工作载荷F和残余预紧力和残余预紧力FP的的和；图和；图d是工作载荷进一步增加，螺杆上变形增量大到超过了被联接件原先是工作载荷进一步增加，螺杆上变形增量大到超过了被联接件原先的压缩变形量，被联接件压缩变形完全恢复，也就没有残余预紧力，这时的压缩变形量，被联接件压缩变形完全恢复，也就没有残余预紧力，这时螺杆上承受的总载荷只有螺杆上施加的工作载荷螺杆上承受的总载荷只有螺杆上施加的工作载荷F  2.单个螺栓联接的分类和强度计算单个螺栓联接的分类和强度计算 ：：……(2)紧螺栓联接：紧螺栓联接：…… ③③受轴向工作载荷的普通受拉紧螺栓受轴向工作载荷的普通受拉紧螺栓…… b)用用图图10.15分析各力之间关系表达式分析各力之间关系表达式：图：图a为螺杆刚度线，图为螺杆刚度线，图b表示被联件表示被联件刚度线，图刚度线，图c为两者复合的刚度线图中螺栓刚度为两者复合的刚度线图中螺栓刚度kb=Fa/δb0，被联接件刚，被联接件刚度度kc=Fa/δC0，从图，从图(c)得得 ：： 图图(c)中看到：中看到： 得得 代入两式得代入两式得残余预紧力残余预紧力: :总工作载荷总工作载荷: :` `kb/(kb+kc)称为螺栓的相对刚称为螺栓的相对刚性系数性系数。

在在0-1间变化可查表间变化可查表10.6 确定，显然其数值小，确定，显然其数值小，螺栓总载荷小，有利于提高螺栓总载荷小，有利于提高其强度，减小螺栓刚度，加其强度，减小螺栓刚度，加大被联接件刚度可有效减少大被联接件刚度可有效减少其数值其数值。