十六章 螺紋連接與螺旋傳動設(shè)

1、第16章 螺紋連接與螺旋傳動 16-1 螺紋 16-2 螺紋連接(1、2（22）) 16-3 單個螺栓連接的強度計算（17） 16-4 螺栓組連接的設(shè)計(17) 16-5 提高螺栓連接強度的措施(9) 作業(yè)：10-110-17(3)中徑d2- d1d2d(1)大徑d-(2) 小徑 d1- (4)牙型角 - Sp二、螺紋的主要參數(shù)16-1 螺紋即螺紋的公稱直徑。用于強度計算。用于幾何計算。軸向截面內(nèi)， (5)牙側(cè)角 - 螺紋牙型的側(cè)螺紋牙型兩側(cè)邊的夾角 。邊與螺紋軸線的垂線間夾角。一、螺紋連接的基本類型16-2 螺紋連接 一、螺紋連接的主要類型1、螺栓連接：普通螺栓連接鉸制孔螺栓連接16-2 螺

2、紋連接FFFF受拉螺栓受剪螺栓適用于兩薄形零件連接（受拉螺栓連接）（受剪螺栓連接）l1 12.螺紋余留長度l1 靜載荷l1=(0.30.5)d;變載荷l1=0.75d;dd0普通螺栓連接（受拉螺栓）結(jié)構(gòu)：1.dd受力失效：受剪力剪斷受擠壓壓潰工藝：特點：dsd16-2 螺紋連接1.螺栓桿與孔有配合關(guān)系（過渡或過盈配合)先鉆后鉸裝拆不方便， 主要承受橫向載荷16-2 螺紋連接2、雙頭螺柱連接螺釘連接：工藝： 被連接件一件光孔，受力失效：特點：雙頭螺柱：d16-2 螺紋連接適用于被連接件之一較厚，不宜制成通孔的場合。3、螺釘連接受拉塑性變形斷裂一件螺紋孔不可經(jīng)常裝拆可經(jīng)常裝拆應(yīng)用：16-2 螺紋連

3、接16-2 螺紋連接16-2 螺紋連接4、緊定螺釘連接 用來固定兩個零件的相對位置，受力較小工藝：特點：16-2 螺紋連接 除上述連接的基本類型外，在機器中，還有一些特殊結(jié)構(gòu)的螺紋連接。如：T型槽螺栓連接、吊環(huán)螺釘連接和地腳螺栓連接等。說明是輔助定位，不經(jīng)常裝拆， 軸轂輕載連接靠摩擦力，一件加工螺紋孔，功用：另一件配加工錐孔。二、標(biāo)準(zhǔn)螺紋連接件 螺紋連接的類型很多，在機械制造中常見的螺紋連接件的結(jié)構(gòu)型式和尺寸都已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，設(shè)計時可以根據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)選用。 16-2 螺紋連接 螺紋連接件分為三個精度等級，其代號為A、B、C。其中C級用于一般的螺紋連接。 1、預(yù)緊力：增強連接的可靠性和緊密性；提高連接

4、的剛度；提高螺栓在變載荷下的疲勞強度。 擰緊后螺紋連接件的預(yù)緊應(yīng)力不得超過其材料的屈服極限ss的80%。 2、預(yù)緊的目的： 3、預(yù)緊力的確定原則：16-2 螺紋連接碳素鋼螺栓10)7 . 06 . 0(AFSs合金鋼螺栓10)6 . 05 . 0(AFSs4211dA-螺栓危險截面面積 三、螺栓連接的預(yù)緊大多數(shù)螺紋連接在裝配時都需要擰緊，使之在承受工作載荷之前，預(yù)先受到力的作用，這個預(yù)加作用力稱為預(yù)緊力。一般標(biāo)準(zhǔn)扳手的長度L 15d，若擰緊力為F，則T=FL。所以，對于直徑小的螺栓，擰緊時很可能過載拉斷。 4、預(yù)緊力和預(yù)緊力矩之間的關(guān)系： 注意：16-2 螺紋連接FL對于重要的連接，應(yīng)盡可能不

5、采用直徑過小(M12)的螺栓。0.275TF dFF則20015000FNFN若，則16-2 螺紋連接 5、預(yù)緊力的控制：測力矩扳手 定力矩扳手測定螺栓伸長測力矩扳手定力矩扳手 螺紋連接一般都能滿足自鎖條件不會自動松脫。但在沖擊、振動或變載荷作用下，或在高溫或溫度變化較大的情況下，螺紋連接中的預(yù)緊力和摩擦力會逐漸減小或可能瞬時消失，導(dǎo)致連接失效。 16-2 螺紋連接四、螺紋連接的防松1. 利用摩擦力防松彈簧墊圈對頂螺母防松的根本問題：尼龍圈鎖緊螺母防松方法：16-2 螺紋連接在于防止螺旋副相對轉(zhuǎn)動。摩擦防松、機械防松、其它防松開口銷與六角開槽螺母2. 機械防松16-2 螺紋連接5圓螺母加止動墊

6、片16-2 螺紋連接止動墊片16-2 螺紋連接串聯(lián)鋼絲動畫演示16-2 螺紋連接沖點防松法用沖頭沖23點11.5p粘合法防松涂粘合劑3. 其他方法防松16-2 螺紋連接焊點法防松16-2 螺紋連接受拉螺栓連接 一、連接的失效形式與計算準(zhǔn)則16-3 單個螺栓連接的強度計算失效：失效：20%65%15%計算準(zhǔn)則：計算準(zhǔn)則：滿足強度條件，滿足強度條件，不出現(xiàn)連接失效。不出現(xiàn)連接失效。 受拉螺栓：受拉螺栓： 受剪螺栓：受剪螺栓： 連接失效：連接失效：塑性變形、塑性變形、 疲勞斷裂疲勞斷裂剪斷、剪斷、 壓潰壓潰滑移、滑移、離縫離縫通過大量破壞零件的分析發(fā)現(xiàn)螺栓連接很少通過大量破壞零件的分析發(fā)現(xiàn)螺栓連接很

7、少發(fā)生靜強度破壞，約發(fā)生靜強度破壞，約90%90%屬于疲勞破壞。破屬于疲勞破壞。破壞一般只發(fā)生在兩三個部位壞一般只發(fā)生在兩三個部位計算分類：計算分類：受橫向工作載荷的緊螺栓連接受剪螺栓連接松螺栓連接緊螺栓連接： 受軸向工作載荷的緊螺栓連接F214d16-3 單個螺栓連接的強度計算1、松螺栓連接強度計算F 螺栓所受工作拉力為F，則強度條件為：s-校核公式 sFd41-設(shè)計公式F二、受拉螺栓連接強度計算 其中：d1-螺紋小徑； -許用拉應(yīng)力 s（1）僅受預(yù)緊力的緊螺栓連接(靠摩擦力承受橫向載荷）214Fds預(yù)緊力引起的拉應(yīng)力：2v131tan()216TdFTWd螺牙間的摩擦力矩引起的扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力：

8、 ca211.34Fdss強度條件：22ca3ss根據(jù)第四強度理論，拉扭組合的當(dāng)量應(yīng)力:16-3 單個螺栓連接的強度計算RF223(0.5 )1.3sss 14 1.3Fd s2、緊螺栓連接強度計算FRF0.5sfRKFFfm 預(yù)緊力預(yù)緊力 ：不滑移條件：Kf-防滑(可靠性)系數(shù)，常取Kf =1.11.3 若取 f =0.15， Kf =1.2, m=1, 則： 8FR 結(jié)構(gòu)尺寸大！結(jié)構(gòu)尺寸大！FRFRFRFR/2FR/2f Fm16-3 單個螺栓連接的強度計算FFRFFF預(yù)緊力所產(chǎn)生的摩擦力應(yīng)大于橫向載荷FR。 m-接合面數(shù)f-摩擦系數(shù)fK 改進(jìn)措施：改進(jìn)措施：16-3 單個螺栓連接的強度計

9、算RF/ 2RF/ 2RF 1. 采用鍵、 2. 采用無間隙的鉸制孔螺栓。套筒、銷承擔(dān)橫向工作載荷。（2） 受軸向工作載荷的緊螺栓連接 zpDF42以氣缸蓋為例：要解決的問題：要解決的問題：Dp16-3 單個螺栓連接的強度計算FF設(shè)流體壓強為p，螺栓數(shù)目為z，則缸體周圍每個螺栓的平均載荷為：螺栓受到的總載荷F0=?預(yù)緊力F=? 受載后才不漏氣? 2 1 FFFFFF加預(yù)緊力F 后加載F后 螺栓總伸長量增加為： 1+ 被連接件壓縮量減少為： 2- 預(yù)緊力減小為：殘余預(yù)緊力F 螺栓受到的總拉力為：F0=F+F螺栓受拉伸長 1被連接件受壓縮短 2螺母未擰緊螺母已擰緊已承受工作載荷16-3 單個螺栓連

10、接的強度計算動畫演示 1 被連接件變形力螺栓變形力F0FFF 2變形力F 1 2 1 2F F222tanFC-螺栓的剛度-被連接件的剛度FCCCFF212 FCCCFFFF2110 16-3 單個螺栓連接的強度計算111tanCFFCCC211FCCC212211CCC稱為螺栓的相對剛度；表(16-3)，取值0-1。1212211CCCCCC16-3 單個螺栓連接的強度計算說明說明當(dāng)C2C1時，0211CCC 即螺栓受總拉力較小；，F(xiàn)0 F ，當(dāng)C20F無變化時，F(xiàn)= (0.20.6) FF有變化時，F(xiàn)= (0.61) F有密封要求時，F(xiàn)= (1.51.8) Fq強度條件：變載荷下螺栓的疲勞

11、強度計算靜載荷下螺栓的強度計算：F 變形力F0FF F表16-6a、b、c0F1.3 ss112212/4CFCCd as（變應(yīng)力強度條件）204d msFsF0 1d h三、受剪螺栓連接強度計算 這種連接是利用鉸制孔用螺栓抗剪切來承受載荷的。螺栓桿與孔壁之間無間隙，接觸表面受擠壓。在連接結(jié)合面處受剪切。預(yù)緊力較小，一般忽略不計。螺栓桿與孔壁的擠壓強度條件為：螺栓桿的剪切強度條件為：式中： Fs螺栓所受的橫向工作載荷； d0螺栓剪切面的直徑（可取螺栓孔直徑）； Lmin螺栓桿與孔壁擠壓面的最小高度。 m 螺栓抗剪面數(shù)目PsFsFsd0Lh1l1 116-3 單個螺栓連接的強度計算Psd0d0h

12、1h1 國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定螺紋連接件按材料的力學(xué)性能分出等級。四、螺紋連接件材料16-3 單個螺栓連接的強度計算500MPa, 100min點前數(shù)字Bs螺栓、螺柱、螺釘?shù)膹姸燃墑e為10級：3.6 4.6 4.8 5.6 5.8 6.8 8.8 9.8 10.9 12.9 10mins點后數(shù)字點前數(shù)字S例如：5.6級minBsminSs7300MPa16-3 單個螺栓連接的強度計算 螺母的強度級別為7級：4 5 6 8 9 10 12100mins數(shù)字B7 螺紋連接件的許用應(yīng)力（表16-4、5、6abc、7）選用螺母的性能級別應(yīng)不低于與其相配的螺栓的性能級別。因此我們只需計算螺栓的強度，不需要計算螺母

13、注：1受橫向載荷的螺栓組連接 FRb)a)FRFRFR （1）普通螺栓（圖a）fF fRK FFfzm 或式中：f-接合面的摩擦系數(shù)；m-接合面數(shù)，（圖a)中，m=2）；Kf-防滑系數(shù)，設(shè)計中可取Kf =1.11.3。強度條件： ca211.3/ 4Fdss16-4 螺栓組連接的設(shè)計zfKRFm0mind LsF204dsFPs （2）鉸制孔螺栓（圖b） 式中：z為螺栓數(shù)目。1受橫向載荷的螺栓組連接sF 強度條件：剪切強度:Ps擠壓強度:每個螺栓所受工作剪力為：16-4 螺栓組連接的設(shè)計RFzFRb)a)FRFRFR 式中：ri-第i個螺栓的軸線至螺栓組對稱中心 o的距離； （1） 普通螺栓（

14、受拉螺栓）：2受轉(zhuǎn)矩的螺栓組連接16-4 螺栓組連接的設(shè)計TfK12zF frF frF fr1fziiK TFfr強度條件： 211.34Fdssf-接合面的摩擦系數(shù)。TOrifFfFmaxFmaxF204d剪切強度： 由(a)、(b)可求出最大工作載荷：TO16-4 螺栓組連接的設(shè)計1zi iiFr (2)鉸制孔用螺栓(受剪螺栓）ZiirTrF12maxmax剪切變形 i ri剪切剛度常數(shù)iiiFC(b)- maxmax2211rFrFrFrFiiriFirmaxFmax靜力平衡條件：變形協(xié)調(diào)條件：Ps若r1=r2=r時：（圓形分布） zrTF 原則：原則：ri盡可能相同， ri盡可能大P

15、s0mind L擠壓強度： -(a)T3受軸向載荷的螺栓組連接每個螺栓所受軸向工作載荷為： 通常，各個螺栓還承受預(yù)緊力F的作用，當(dāng)連接要有保證的殘余預(yù)緊力為F時，每個螺栓所承受的總載荷F0為： F0 = F + FzFF 0211.34Fdss強度條件：F F16-4 螺栓組連接的設(shè)計只能采用普通螺栓。螺栓均勻分布于D=160mm的圓周上，螺栓材料為35鋼，性能等級為5.8級。若采用普通螺栓聯(lián)接如圖，兩半聯(lián)軸器間的摩擦因素1h2hf 61.20 10TN mm例16-2圖2-20所示為凸緣聯(lián)軸器。已知聯(lián)軸器材料為HT200，傳遞的轉(zhuǎn)矩，靜載荷。兩個半聯(lián)軸器用4個螺栓聯(lián)接在一起， ，聯(lián)接的可靠性

16、系數(shù)K=1.2，試確定螺栓的直徑。解：這種聯(lián)接靠摩擦力傳遞載荷，在此聯(lián)接中，螺栓只受預(yù)緊力作用，計算步驟如下：1.確定螺栓材料的力學(xué)性能，螺栓的抗拉確定 由螺栓性能等級5.8級，知500bMPas400sMPas2.求單個螺栓的受力61.20 103750160422RTFNNDZ1.2 37500.15 1RKFFNfm 43 10 N 單個螺栓聯(lián)接所受的橫向載荷單個螺栓的預(yù)緊力3.求螺栓直徑0.15(1) 不控制預(yù)緊力（試算法）初選M24mm螺栓，120.752dmm,安全系數(shù)， 4003.14sMPaSss127MPa螺栓的許用應(yīng)力 414 1.34 1.3 3 10127Fdmm s

17、19.774mm計算螺紋小徑由上述計算知，M24mm螺栓滿足使用要求 與初選螺栓的1d（注意：如果計算的則應(yīng)重選螺栓直徑進(jìn)行計算，直到兩者相近，方能基本滿足使用要求，此即工程上常用的試算法）相差較多，(2) 控制預(yù)緊力安全系數(shù)由表，在靜載荷下取較小值1.3sS 1d，與M24mm螺栓直徑接近。,螺栓的許用應(yīng)力 4001.3sMPaSss 414 1.34 1.3 3 10308Fdmm s 12.697mm計算螺栓小徑確定螺栓直徑，由附表選M16mm螺栓，螺栓小徑113.835dmm由表16-6a知3.14S 按線性插值法求得由表，115,hmm223,hmm例16-3 在例16-2中，在其他

18、條件相同，若改用鉸制孔螺栓聯(lián)接，已知試確定螺栓的直徑。解:這種聯(lián)接靠剪切和擠壓傳力，屬于受剪螺栓聯(lián)接，計算步驟如下：1.確定螺栓和被聯(lián)接件的力學(xué)性能500,bMPas400sMPas200bMPas螺栓材料的力學(xué)性能 與例16-1相同被聯(lián)接件的強度極限 聯(lián)軸器材料為HT200，2.求單個螺栓聯(lián)接所受的橫向載荷單個螺栓聯(lián)接所受橫向載荷與例16-1相同，3750RFN3.按剪切強度條件計算螺栓直徑安全系數(shù) 由表，在靜載荷下，由表16-7取2.5S 4002.5sMPaSs160MPa螺栓的許用切應(yīng)力螺栓桿部直徑 044 3750160sFdmm 4.按擠壓強度條件計算螺栓直徑鋼的安全系數(shù) 由表16

19、-7，在靜載荷下，取1.25S 鑄鐵的安全系數(shù) 由表16-7，取2.5S 14001.25spMPaSss320MPa螺桿的許用擠壓應(yīng)力 22002.5spMPaSss80MPa被聯(lián)接件的許用擠壓應(yīng)力 21,ppss 2ps顯然，所以應(yīng)取計算強度 12375015 80sspFdmmhs3.1mm螺栓桿部直徑 5.確定螺栓直徑螺栓直徑 綜合上訴計算，查表，選用M6mm鉸制孔用螺栓 螺栓桿直徑07dmm2試校核該螺栓聯(lián)接的強度。2125Dmm2pMPa例16-4 一鋼制液壓缸，已知缸內(nèi)油壓(靜載)，液壓缸內(nèi)徑16Mmm缸蓋用6個的螺栓聯(lián)接在缸體上，結(jié)構(gòu)形式如圖2-21所示，螺栓材料，1.5FF

20、100MPas。根據(jù)聯(lián)接的緊密性要求，取剩余預(yù)緊力的許用應(yīng)力，解：預(yù)緊力又受軸向工作載荷的作用，計算步驟如下：1.計算螺栓的工作載荷222125244zDFpN42.45 10 N42.45 106zFFNZ4083N液壓缸蓋螺栓組所受的載荷 單個螺栓所受的工作載荷 這是一個承受軸向工作載荷的螺栓組聯(lián)接，螺栓既受2.求螺栓所受的總拉力1.51.5 4083FFN6125N剩余預(yù)緊力 0(61254083)FFFN41.02 10 N螺栓所受的總拉力 3.校核螺栓聯(lián)接的強度M16螺紋小徑 由附表 113.835dmm402211.31.3 1.02 10413.8354caFMPads88.2M

21、Pa 100MPas螺栓的計算應(yīng)力 所以聯(lián)接可靠以螺栓連接為例，螺栓連接的強度主要取決于螺栓的強度，因此，提高螺栓的強度，將大大提高連接系統(tǒng)的可靠性。影響螺栓強度的因素主要有以下幾個方面，或從以下幾個方面提高螺栓強度。改善螺紋牙上載荷分布不均的現(xiàn)象降低影響螺栓疲勞強度的應(yīng)力幅減小應(yīng)力集中的影響采用合理的制造工藝16-5 提高螺紋連接強度的措施F 一、降低影響螺栓疲勞強度的應(yīng)力幅當(dāng)軸向工作載荷變化范圍為：0F螺栓的總拉力的變化范圍為：F F0FCCCFF211016-5 提高螺紋連接強度的措施F0FF F變形力11 F FFF0 1、降低螺栓剛度C1變載荷的緊螺栓連接，在最大應(yīng)力一定時，應(yīng)力幅越

22、小，疲勞強度越高在保持預(yù)緊力F 不變的條件下，減小C1，可減小總拉力F0的變化范圍 F ，減小應(yīng)力幅?？梢姡篎 一、降低影響螺栓疲勞強度的應(yīng)力幅當(dāng)軸向工作載荷變化范圍為：0F螺栓的總拉力的變化范圍為：F F0FCCCFF211016-5 提高螺紋連接強度的措施F0FF F變形力22 F FFF0 2、增大被連接件剛度C2在保持預(yù)緊力F 不變的條件下，增大C2，可減小總拉力F0的變化范圍 F ，減小應(yīng)力幅?？梢姡阂?、降低影響螺栓疲勞強度的應(yīng)力幅當(dāng)軸向工作載荷變化范圍為：0F螺栓的總拉力的變化范圍為：F F0FCCCFF2110 在保持預(yù)緊力F 不變的條件下，減小C1，增大C2，均可減小總拉力F0

23、的變化范圍，減小應(yīng)力幅。FCCCFF212 但是在F 給定的條件下，減小C1，增大C2，都將引起殘余預(yù)緊力減小，從而降低了連接的緊密性。所以，應(yīng)：1、減小螺栓剛度C1 ；2、增大被連接件剛度C2；16-5 提高螺紋連接強度的措施3、適當(dāng)增大預(yù)緊力F F 16-5 提高螺紋連接強度的措施F0F F F變形力22 F F 11同時采取三種措施001122FFCCCC，d0.8d0.7dd1. 采用柔性結(jié)構(gòu)2. 有密封要求時，采用金屬薄墊片或者采用O形密封圈宜采取措施:16-5 提高螺紋連接強度的措施螺母體螺栓桿二、改善螺紋牙上載荷分布不均的現(xiàn)象螺母體螺栓桿螺栓桿F螺母體F5/2F4/2F3/2F2

24、/2F1/2F5/2F4/2F3/2F2/2F1/2F1F2F3F4F5F=F1+F2+F3+F4+F5螺栓桿F螺母體螺母體F螺栓桿普通螺母加厚螺母加厚螺母不能提高連接強度。16-5 提高螺紋連接強度的措施措施：內(nèi)斜螺母16-5 提高螺紋連接強度的措施懸置螺母環(huán)槽螺母環(huán)槽、內(nèi)斜151015101510鋼絲螺套三、減小應(yīng)力集中增大過渡圓角卸載槽r卸載過渡結(jié)構(gòu)16-5 提高螺紋連接強度的措施四、避免或減小附加彎曲應(yīng)力16-5 提高螺紋連接強度的措施凸臺沉頭座斜面墊圈凸臺沉頭座斜面墊圈16-5 提高螺紋連接強度的措施五、采用合理的制造工藝1、采用冷墩螺栓頭部和滾壓螺紋工藝，比車制螺紋提高疲勞強304

25、0%。2、采用氮化、氰化、噴丸等強化工藝。原因：1）降低應(yīng)力集中；2）材料纖維未被切斷，金屬流線走向合理；3）冷作硬化，表面有殘余壓應(yīng)力。16-5 提高螺紋連接強度的措施內(nèi)螺紋外螺紋螺紋連接螺紋連接的畫法自測題1、在常用的螺旋傳動中，傳動效率最高的螺紋是_。A、三角形螺紋 B、梯形螺紋 C、鋸齒形螺紋 D、矩形螺紋2、當(dāng)兩個被連接件之一太厚，不宜制成通孔，且需要經(jīng)常裝拆時，往往采用_。A、雙頭螺柱連接 B、螺栓連接 C、螺釘連接 D、緊定螺釘連接3 、重要的螺栓連接直徑不宜小于M12，這是由于_。A 、要求精度高 B、減少應(yīng)力集中 C、防止擰緊時過載擰斷 D、便于裝配4、采用凸臺或沉頭座作為螺栓頭或螺母的支承面，是為了_。A、避免螺栓受彎曲應(yīng)力 B、便于放置墊圈 C、減小預(yù)緊力 D、減小擠壓應(yīng)力自測題5、緊螺栓連接強度計算時將螺栓所受軸向拉力乘1.3，是由于_。A、安全可靠 B、保證足夠的預(yù)緊力 C、防止松脫 D、計入扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力6、受橫向載荷的普通螺栓所受的載荷為_，受橫