机械设计基础(陈立德第二版)螺纹连接.ppt

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7.1螺纹联接的基本知识7.2螺纹联接的预紧与防松7.3单个螺栓联接的强度计算7.4螺栓组联接的设计计算与实例分析7.5提高螺栓联接强度的措施7.6螺旋传动,第7章螺纹联接,引言,由于使用、结构、制造、装配、运输等方面的原因，机器中很多零件需要彼此联接。

机械零件之间的联接分为：

联接的类型：

联接概述,7.1螺纹联接的基本知识,左旋螺纹和右旋螺纹单线螺纹和多线螺纹,螺纹分为内螺纹和外螺纹，二者共同组成螺纹副用于联接和传动。

螺纹的牙型,一、螺纹的类型,三角形矩形梯形锯齿形,主要用于联接,多用于传动,大径d公称直径（查标准）。

小径d1计算直径（强度计算）。

中径d2几何直径（几何计算）。

螺距P相邻螺牙对应点间轴向距离。

导程S同一螺线相邻螺牙对应点间轴向距离S=nP（n-线数）。

升角螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面间的夹角。

牙型角螺纹轴截面内，牙型两侧边的夹角。

牙型斜角螺纹轴截面内，牙型侧边与横截面的夹角。

7.1螺纹联接的基本知识,二、螺纹的主要参数,普通螺纹,三、常用螺纹的特点及应用,管螺纹,矩形螺纹,梯形螺纹,锯齿形螺纹,7.1螺纹联接的基本知识,1.螺栓联接,四、螺纹联接的基本类型,7.1螺纹联接的基本知识,2.双头螺柱联接,7.1螺纹联接的基本知识,3.螺钉联接,7.1螺纹联接的基本知识,4.紧定螺钉联接,7.1螺纹联接的基本知识,五、标准螺纹联接件,1.螺栓、螺柱、螺钉联接件,7.1螺纹联接的基本知识,2.紧定螺钉、螺母,7.1螺纹联接的基本知识,3.垫圈,7.1螺纹联接的基本知识,六、螺旋机构的效率与自锁,7.1螺纹联接的基本知识,2、螺纹自锁的条件为三角螺纹满足自锁条件,1、螺旋机构的效率,故增大，v减小，传动效率提高。

三角螺纹用于联接，其他牙型用于传动，多线螺纹传动效率高。

7.2螺纹联接的预紧和防松,一般螺纹联接在装配的时候都必须拧紧，使联接在承受工作载荷之前，预先受到力的作用，这个预加的作用力称为预紧力F0。

预紧目的：

以增强联接的可靠性、紧密性和防松能力。

一、螺纹联接的预紧,对于一般联接，可凭经验来控制预紧力F0的大小，但对于重要的联接就要严格控制其预紧力。

T=T1+T2=KF0d,拧紧时扳手力矩为,预紧力控制方法：

采用测力矩扳手采用定力矩扳手测螺栓伸长量,式中K为拧紧力矩系数,可查表一般也可取为0.2。

二、螺纹联接的防松,联接中常用的单线普通螺纹和管螺纹在冲击、震动或变载荷的作用下容易产生松脱现象。

螺纹联接放松的根本问题在于要防止螺旋副的相对运动。

常用的防松方法:

摩擦防松,机械防松:

其他防松,弹簧垫圈,对顶螺母,尼龙圈锁紧螺母,开口销,带翅垫片,止动垫片,7.2螺纹联接的预紧和防松,7.3单个螺栓联接的强度计算,单个螺栓联接的强度计算是螺纹联接设计的基础。

根据联接的的工作情况，可将螺栓按受力形式分为受拉螺栓和受剪螺栓，两者失效形式是不同的。

设计准则：

针对具体的失效形式，通过对螺栓的相应部位进行相应强度条件的设计计算（或强度校核）。

螺栓联接的计算主要是确定螺纹小径d1，然后按照标准选定螺纹的公称直径（大径）d等。

一、受拉螺栓联接普通螺栓联接,1.松螺栓联接,强度条件：

设计公式：

式中s为松联接螺栓的许用拉应力（MPa）,查表,d1计算出后,再按标准查选螺纹的公称直径d。

7.3单个螺栓联接的强度计算,2.紧螺栓联接,

（1）只受预紧力的紧螺栓联接,螺栓螺纹部分处于拉伸与扭转的复合应力状态。

螺栓危险界面上的拉伸应力为,螺栓危险界面上的扭转剪切应力为,7.3单个螺栓联接的强度计算,对于常用的单线、三角形螺纹的普通螺栓，取fv=tanjv=0.15，简化处理的t=0.5s，根据第四强度理论，可求出当量应力se为,因此，强度条件为：

即,设计公式为,7.3单个螺栓联接的强度计算,

（2）受横向外载荷的紧螺栓联接,载荷与螺栓轴向垂直，靠被联接件间的摩擦力传递。

螺栓受载前需预紧,受载前后受力相同。

受力特点,螺栓预紧力,7.3单个螺栓联接的强度计算,式中：

f接合面间摩擦系数；m接合面数；Kf考虑摩擦系数不稳定及靠摩擦传力有时不可靠而引入的可靠性系数。

一般Kf=1.11.3,当f=0.15、Kf=1.2、m=1时，可得,此结构，要使联接不发生滑动，螺栓要承受8倍于横向外载荷的预紧力。

结构笨重、不经济。

因此横向外载荷较大时，可采用以下措施：

7.3单个螺栓联接的强度计算,采用减载装置：

a）减载销b）减载套筒c）减载键采用铰制孔用螺栓,（3）承受轴向静载荷的紧螺栓联接,载荷方向与螺栓轴向一致,螺栓受载前需预紧,受载前后受力不同.螺栓内部危险截面上同样既有拉应力s,又有扭转剪应力t.,受力特点,强度条件:

设计公式:

7.3单个螺栓联接的强度计算,式中FS为螺栓受载后所受的轴向总拉力（N）。

式中F0为残余预紧力，为保证联接的紧密性，应使F00一般根据联接的性质确定F0的大小。

对于有密封要求的联接：

F0=（1.51.8）F；对于一般联接，工作载荷稳定时：

F0=（0.20.6）F；工作载荷不稳定时：

F0=（0.61.0）F；对于地脚螺栓联接：

F0F；,FS为螺栓受载后所受的轴向总拉力（N）,通过受载前对螺栓的预紧，和受载后螺栓轴向拉力的分析,可知,FS=F0+F,7.3单个螺栓联接的强度计算,为螺栓的相对刚度系数,k1螺栓的刚度系数；k2连接件的刚度系数,7.3单个螺栓联接的强度计算,螺栓所受总拉力FS也可表示为,为使工作载荷作用后，联接结合面间有残余预紧力F0存在，要求螺栓联接的预紧力F0为：

（螺栓的相对刚度系数）,二、受剪切螺栓联接铰制孔用螺栓联接,受力特点：

螺栓受载前后不需预紧，横向载荷靠螺栓杆与螺栓孔壁之间的相互挤压传递。

挤压强度条件,剪切强度条件,螺栓材料的许用切应力,螺栓与孔壁中较弱材料的许用挤压应力,7.3单个螺栓联接的强度计算,三、螺纹联接件的材料与许用应力1.螺纹联接件的材料,其它对螺纹有特殊要求（如防腐、耐高温）时，应选择有特殊性能的材料。

一般螺纹联接件常用材料为低碳钢和中碳钢，如Q215、Q235、15、35、45等,受冲击、振动和变载荷作用的螺栓可用合金钢，如15Cr、40Cr、30CrMnSi、15CrVB等,7.3单个螺栓联接的强度计算,2.螺栓、螺母材料性能等级,a、螺栓材料性能等级：

3.6、4.6、4.8、5.6、5.8、6.8、8.8、9.8、10.9、12.9,b、螺母的性能等级：

4，5，6，8，9，10，12螺母性能等级表示可与该螺母相配最高性能等级螺栓抗拉强度的1/100,7.3单个螺栓联接的强度计算,3.螺纹联接件的许用应力,7.3单个螺栓联接的强度计算,表7.4螺栓联接的许用应力,表7.5紧螺栓联接的安全系数（不控制预紧力时）,7.4螺栓组联接的设计计算与实例分析,要设计成轴对称的几何形状。

一、螺栓组联接的结构设计,螺栓的布置应使螺栓的受力合理,7.4螺栓组联接的设计计算与实例分析,螺栓的布置应有合理的间距、边距,7.4螺栓组联接的设计计算与实例分析,扳手空间尺寸,同一组螺栓联接中各螺栓的直径和材料均应相同。

分布在同一圆周上的螺栓应取4、6、8等偶数，便于分度。

7.4螺栓组联接的设计计算与实例分析,避免螺栓承受偏心载荷,7.4螺栓组联接的设计计算与实例分析,7.4螺栓组联接的设计计算与实例分析,避免螺栓承受偏心载荷的措施,二、螺栓组联接的受力分析,螺栓组受力分析的目的是，根据螺栓组联接的结构和受载况，求出受载最大的螺栓及其受力。

受力分析是在作如下假设条件下进行的，即：

同组中的各螺栓都受相同的预紧力。

螺栓组的对称中心与被联接结合面的形心重合。

被联接件为刚体,联接结合面为刚性平面。

螺栓的变形在弹性范围内。

7.4螺栓组联接的设计计算与实例分析,螺栓组受力可划分为4种典型情况：

受横向载荷的螺栓组联接,受旋转力矩的螺栓组联接,受轴向载荷的螺栓组联接,受翻转力矩的螺栓组联接,各种复杂受力情况都可看作以上四种情况的不同组合。

7.4螺栓组联接的设计计算与实例分析,1、受横向载荷R的螺栓组连接,

（1）普通螺栓连接,式中：

f接合面间摩擦系数m接合面数Kf考虑摩擦系数不稳定及靠摩擦传力有时不可靠而引入的可靠性系数一般Kf=1.11.3,7.4螺栓组联接的设计计算与实例分析,

（2）用绞制孔螺栓连接,单个螺栓受力,7.4螺栓组联接的设计计算与实例分析,2、受旋转力矩T的螺栓组连接,7.4螺栓组联接的设计计算与实例分析,式中:

r1、r2、.rz：

各螺栓中心至螺栓组形心O的距离Kf可靠性系数f接合面间摩擦系数,7.4螺栓组联接的设计计算与实例分析,

（1）采用普通螺栓连接时，靠预紧后在接合面上各螺栓处摩擦力对形心的力矩之和平衡外加力矩T。

（距回转中心最远螺栓受力最大）,

（2）采用绞制孔用螺栓连接时，忽略接合面上的摩擦力，外加力矩T靠螺栓所受剪力对底板旋转中心的力矩之和来平衡。

7.4螺栓组联接的设计计算与实例分析,3、受轴向载荷Q的螺栓组连接,设定有z个螺栓则：

单个螺栓受外力,7.4螺栓组联接的设计计算与实例分析,4、普通螺栓组承受倾翻力矩,M作用在x-x平面内，机座在M作用下绕O-O转动。

机座刚性较大，变形后与基础的接触面仍为平面。

受力分析表,7.4螺栓组联接的设计计算与实例分析,力平衡条件,

（1）代入

（2）,变形协调条件,最大工作载荷,7.4螺栓组联接的设计计算与实例分析,受倾覆力矩的螺栓组连接除要求螺栓强度足够外，还应保证接合面既不出缝隙也不被压馈。

接合面右端应满足：

MPa,MPa,左端应满足：

MPa,MPa,A接合面的有效接触面积mm2W接合面的有效抗弯截面系数mm3,7.4螺栓组联接的设计计算与实例分析,步骤：

1.螺栓连接结构设计（结构、形状、数目、布局）2.螺栓设计：

（1）螺栓类型选择

（2）螺栓尺寸确定dLA.受力分析求单个螺栓的最大工作载荷（判断哪个最大）B.强度计算求d1（按最大载荷的单个螺栓设计）查dC.根据结构要求确定螺栓长度LD.一组螺栓采用同样尺寸（互换的目的）,三、螺栓组联接的设计,7.4螺栓组联接的设计计算与实例分析,7.4螺栓组联接的设计计算与实例分析,四、实例分析,7.4螺栓组联接的设计计算与实例分析,7.4螺栓组联接的设计计算与实例分析,7.4螺栓组联接的设计计算与实例分析,7.4螺栓组联接的设计计算与实例分析,7.4螺栓组联接的设计计算与实例分析,7.5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，提高螺栓强度有以下几种措施：

改善螺纹牙间的载荷分配,内斜螺母,环槽螺母,悬置螺母,减小螺栓的应力变化幅度,受变载荷作用的螺栓，其应力也在一定的幅度内变动，减小螺栓刚度或增大被联接件刚度等皆可以使螺栓的应力变化幅度减小。

减小螺栓刚度的方法,a.柔性螺栓,b.弹性元件,7.5提高螺栓联接强度的措施,增大被联接件刚度的方法,a.金属垫片,b.密封环,7.5提高螺栓联接强度的措施,减小应力集中,7.5提高螺栓联接强度的措施,避免附加弯曲应力,7.5提高螺栓联接强度的措施,7.6螺旋传动,螺旋运动是利用由螺杆和螺母组成的螺旋副来实现传动要求的。

它主要用于将回转运动转变为直线运动，同时传递运动和动力的场合。

一、螺旋传动的类型,传力螺旋,传动螺旋,调整螺旋,1.按用途分,2.按摩擦性质分,滑动螺旋滚动螺旋静压螺旋,二、螺旋传动的结构及材料,1.螺母结构,整体螺母,不能调整间隙，只能用在轻载且精度要求较低的场合。

组合螺母对开螺母,便于操作，能消除间隙，补偿磨损，用于双向传动螺旋，可避免反向传动时的空行程。

2.螺杆结构,通常采用牙型为矩形、梯形或锯齿形的右旋螺纹。

特殊情况下也采用左旋螺纹。

7.6螺旋传动,3.材料,螺杆材料的选用：

高精度传动多选碳素工具钢,重要螺杆可采用40Cr、65Mn、30CrMoAl,一般情况下可用Q235、Q275、45、50钢,螺母材料可采用铸造锡青铜，重载低速的场合可选用铸造铝铁青铜，而轻载低速时也可选用耐磨铸铁。

7.6螺旋传动,螺旋副材料性能要求：

除了具有足够的强度外，还要有较高的耐磨性与减摩性。

在螺杆和螺母制建设有封闭循环的滚道，在滚道间填充钢珠，使螺旋副的滑动摩擦变为滚动摩擦，提高传动效率，这种传动称为滚动螺旋传动，又称为滚珠丝杠副。

三、滚动螺旋传动简介,7.6螺旋传动,1.滚珠丝杠的分类,按用途,定位滚珠丝杠,传动滚珠丝杠,通过旋转角度和导程控制轴向位移量，称为P类滚珠丝杠。

用于传动动力的滚珠丝杠，称为T类滚珠丝杠。

7.6螺旋传动,按循环方式,内循环滚珠丝杠,外循环滚珠丝杠,7.6螺旋传动,2.滚珠丝杠的特点及应用,滚珠丝杠的优点,滚动摩擦系数小，传动效率高。

启动扭矩接近运转扭矩，工作较平稳。

磨损小且寿命长，可用调整装置调整间隙，传动精度与刚度均得到提高。

不具有自锁性，可将直线运动变为回转运动。

7.6螺旋传动,滚珠丝杠的缺点,结构复杂，制造困难。

在需要防止逆转的机构中，要加自锁机构。

承载能力不如滑动螺旋传动大。

滚动丝杠多用在机床、汽车、航空等制造业中对传动精度要求较高的场合。

7.6螺旋传动,基本导程Ph、公称直径d0、滚珠直径DW等,3.滚珠丝杠副的主要参数,测力矩扳手,定力矩扳手,弹簧垫圈,对顶螺母,尼龙圈锁紧螺母,开口销,带翅垫片,止动垫片,冲点法,粘合法,焊点法,串联钢丝,调整螺旋,传动螺旋,传力螺旋,左旋,右旋,单线螺纹和多线螺纹,图7.37整体螺母,整体螺母,图7.38组合螺母1一固定螺钉；2一调整螺钉；3一调整楔块,组合螺母,图7.38对开螺母,对开螺母,