機械設(shè)計基礎(chǔ)之第8章螺紋連接

第八章引言螺紋的種類及主要參數(shù)螺紋副的受力分析與自鎖螺紋緊固件與螺紋聯(lián)接的類型螺紋聯(lián)接的預(yù)緊與防松螺栓聯(lián)接的設(shè)計計算螺栓組聯(lián)接的設(shè)計計算螺旋傳動第一節(jié)引言螺紋的種類及主要參數(shù)螺紋副的受力分析與自鎖螺紋緊固件與螺紋聯(lián)接的類型螺紋聯(lián)接的預(yù)緊與防松螺栓聯(lián)接的設(shè)計計算螺栓組聯(lián)接的設(shè)計計算螺旋傳動標準件尺寸、結(jié)構(gòu)、材料、

精度、公差配合以及

制圖要求等具有統(tǒng)一

標準的零部件，如螺

栓、螺釘、螺母、墊

圈、鉚釘、銷、鍵等

連接件以及滾動軸承、聯(lián)軸器等部件機械產(chǎn)品中使用數(shù)量大的零部件由專業(yè)廠按照標準進行大批量生產(chǎn)，可降低成本、保證質(zhì)量和可靠性、提高互換性聯(lián)接與動力源組合靜聯(lián)接動聯(lián)接(運動副)零件構(gòu)件機構(gòu)機器靜聯(lián)接可拆聯(lián)接：螺紋聯(lián)接、鍵聯(lián)接、銷聯(lián)接等不可拆聯(lián)接：鉚接、焊接、膠接等聯(lián)接件與被聯(lián)接件的組合

第二節(jié)引言螺紋的種類及主要參數(shù)螺紋副的受力分析與自鎖螺紋緊固件與螺紋聯(lián)接的類型螺紋聯(lián)接的預(yù)緊與防松螺栓聯(lián)接的設(shè)計計算螺栓組聯(lián)接的設(shè)計計算螺旋傳動螺紋的形成螺紋聯(lián)接件表面形狀為螺紋傾斜線繞在圓柱體上形成螺旋線平面圖形沿螺旋線形成螺紋螺旋線平面圖形螺紋的類型(1)用途固定螺紋聯(lián)接螺紋測量螺紋傳動螺紋螺紋的類型(2)螺旋線方向（旋向）右旋螺紋：常用左旋螺紋：特殊要求旋向判斷(1)軸線垂直時，右邊高—右旋左邊高—左旋(2)右手旋，前進—右旋左手旋，前進—左旋螺紋的類型(2)補充（左旋螺紋應(yīng)用）自行車的左側(cè)腳踏船用螺旋槳螺紋的類型(3)螺旋線數(shù)目單頭螺紋：易自鎖多頭螺紋：傳動能力強螺紋的類型(4)軸向剖面形狀（螺紋牙型）三角形螺紋：常用于聯(lián)接矩形螺紋：用于傳動梯形螺紋：常用于傳動鋸齒形螺紋：常用于傳動，單向受載螺紋的類型(5)公（外）螺紋與母（內(nèi)）螺紋，組合稱為螺紋聯(lián)接螺紋的類型(5)補充（加工方法）碾制車削Header

blankMoving

die

plateFixed

dieplate螺紋的類型(6)圓柱螺紋與圓錐螺紋母體形狀螺紋的主要參數(shù)大徑d、D：最大直徑—公稱直徑小徑d1：外螺紋的危險剖面直徑—強度直徑中徑d2、D2：假想直徑，牙型溝槽寬與牙的寬度相等

—計算直徑螺距P：相鄰兩牙軸向距離導(dǎo)程S：同一條螺紋線的相鄰兩牙間的軸向距離，S=nP升角y

：螺紋與其軸線的垂直平面所成的夾角牙型角a

：螺紋兩側(cè)邊的夾角第三節(jié)引言螺紋的種類及主要參數(shù)螺紋副的受力分析與自鎖螺紋緊固件與螺紋聯(lián)接的類型螺紋聯(lián)接的預(yù)緊與防松螺栓聯(lián)接的設(shè)計計算螺栓組聯(lián)接的設(shè)計計算螺旋傳動螺紋副（螺旋副）的力學(xué)特性螺紋副作為一種空間運動副，其接觸面為螺旋面螺紋在旋緊或松開過程中，螺紋之間相對移動當螺桿和螺母之間受到軸向力Q時，擰動螺桿或螺母，螺旋面間將產(chǎn)生摩擦力螺紋副的受力決定其效率和自鎖條件斜面摩擦滑塊等速運動所需要的水平力等速上升平衡條件：驅(qū)動力：等速下滑維持力：自鎖條件：當y￡

r時，F(xiàn)t’￡0，原工作阻力Ft’反向作用，作為驅(qū)動力時，滑塊才能移動結(jié)論：當y￡

r

時，滑塊自鎖yFtRy+rFv12FFtFnFfrRFt

+

F

+

R

=

0Ft

=

F

tan(y

+

r)yv12Ft’Fy–rR’R’FFn’Ff’Ft’r平衡條件：

F

'+

F

+

R

'

=

0t

F

'

=

F

tan(y

-

r)t矩形螺紋副的受力、效率及自鎖螺旋升角Fd1d2dypd2s

=z

prR螺旋副（螺母與螺桿）的相對運動

滑塊沿斜面運動假設(shè)：1)載荷分布在中線上;

2)單面產(chǎn)生摩擦力nnv12FtFy22z

pstany

=

=p

d

p

dFt

=

F

tan(y

+

r)2

2F

tan(y

+

r

)d

2

=

d

2T1

=

Ft擰緊力擰緊力矩Ft

'

=

F

tan(y

-

r)2

2d

dT

'

=

Ft

'

2

=

2

F

tan(y

-

r)防松力

防松力矩自鎖條件F

'=F

tan(y

-r)￡0ty￡

r效率h

=Wr

/Wd

=

tany

/

tan(y

+

r

)槽面摩擦力分析當量摩擦角：nf摩擦力：F=

mF思考:與平面摩擦比較？結(jié)論：槽面的摩擦力大于平面的摩擦力sin

qFfF

=

mefF

=

m

Fee

msin

q=

tan

rm

=eer

=

arctan

m2rv1111Pv121RF’nFfF12qqF2Fn2Fn三角螺紋副的受力、效率及自鎖摩擦力當量摩擦角FFn’bb900-b900-bbFn’

bFenfm

=

m

Fcos

bF

=

2

F

'

m

=反力2Fn

'cos

b

=Fcos

br

=

arctan

m

=

arctan

m

e

e擰緊力

擰緊力矩d2

d2Ft

=

F

tan(y

+

re

)ed2

=

d22

2T1

=

FtFt

'

=

F

tan(y

-

re

)T

'

=

Ft

'

2

=

2

F

tan(y

-

re

)防松力F

tan(y

+r

)

防松力矩效

率自鎖條件Ft

'

=

F

tan(y

-

re)

￡

0y

￡

reh

=

Wr

/

Wd

=

tan

y

/

tan(y

+

re

)矩形螺紋和三角螺紋哪一種效率高，宜用于傳動？矩形螺紋和三角螺紋哪一種易自鎖，宜用于聯(lián)接？第四節(jié)引言螺紋的種類及主要參數(shù)螺紋副的受力分析與自鎖螺紋緊固件與螺紋聯(lián)接的類型螺紋聯(lián)接的預(yù)緊與防松螺栓聯(lián)接的設(shè)計計算螺栓組聯(lián)接的設(shè)計計算螺旋傳動常用螺紋緊固件的類型螺栓雙頭螺柱螺釘螺母墊圈標準化常用螺紋緊固件的材料和精度性能等級與材料按機械性能分10級（螺母等級低于螺栓）常用低碳鋼和中碳鋼變載、沖擊用合金鋼（特殊場合用有色金屬）螺紋公差和精度公差：內(nèi)螺紋G、H外螺紋e、f、g、h精度：精密中等

一般用途粗糙

精度要求低螺紋聯(lián)接的基本類型（1）螺栓聯(lián)接普通螺栓工作原理：螺栓受拉承受外載荷

應(yīng)用：被聯(lián)接件不太厚的常拆卸處受剪螺栓工作原理：側(cè)壁受擠壓、桿橫截面受剪承受外載應(yīng)用：需精確固定兩被聯(lián)接件的相對位置螺紋聯(lián)接的基本類型（2）雙頭螺柱聯(lián)接工作原理：螺栓受拉承受外載應(yīng)用：被聯(lián)接件較厚，且常拆卸處螺紋聯(lián)接的基本類型（3）螺釘聯(lián)接工作原理：螺釘受拉承受外載應(yīng)用：一被聯(lián)接件較厚，但不常拆卸處螺紋聯(lián)接的基本類型（4）緊定螺釘聯(lián)接工作原理螺釘依賴摩擦力承受外載應(yīng)用定位、傳遞力、螺紋聯(lián)接的基本類型（5）其它螺紋聯(lián)接螺紋聯(lián)接類型主要根據(jù)受力、結(jié)構(gòu)形式、裝拆要求等進行選擇地腳螺栓聯(lián)接

吊環(huán)螺栓聯(lián)接T形槽螺栓聯(lián)接螺紋聯(lián)接的畫法·

·

·第五節(jié)引言螺紋的種類及主要參數(shù)螺紋副的受力分析與自鎖螺紋緊固件與螺紋聯(lián)接的類型螺紋聯(lián)接的預(yù)緊與防松螺栓聯(lián)接的設(shè)計計算螺栓組聯(lián)接的設(shè)計計算螺旋傳動螺紋聯(lián)接的預(yù)緊（擰緊）T1：螺紋阻力矩T2：摩擦力矩≈0.2F’dＴ＝Ｔ1＋Ｔ2目的：提高螺紋聯(lián)接剛性、緊密性、緊固性；以及防松原理：預(yù)緊力和擰緊力矩預(yù)緊力Ｆ’螺栓→軸向拉力被聯(lián)接件→軸向壓力擰緊力矩T2

2'2e1

tF

tan(d2

dy

+

r

)T

=

F

=f2T

=

mF

'

r擰緊力矩的控制定力矩扳手：給鋼球足夠的壓緊力測力矩扳手：

手柄易變形，而

D穩(wěn)定作刻度。手柄變形與T成正比螺紋聯(lián)接的防松副間

急劇F下f

降問題：沖擊、震動、m

變化溫度變化，材料蠕變聯(lián)接松脫目的：防止螺旋副間的相對轉(zhuǎn)動。措施：摩擦防松：簡便，但不可靠彈簧墊圈

?對頂螺母

?尼龍圈鎖緊螺母機械防松：增加元件，可靠開口銷

?帶翅墊片

?止動墊片破壞螺紋副：可靠，一次性其他防松彈簧墊圈對頂螺母尼龍圈鎖緊螺母開口銷帶翅墊片止動墊片沖點法粘合法焊點法螺紋聯(lián)接的防松第六節(jié)引言螺紋的種類及主要參數(shù)螺紋副的受力分析與自鎖螺紋緊固件與螺紋聯(lián)接的類型螺紋聯(lián)接的預(yù)緊與防松螺栓聯(lián)接的設(shè)計計算螺栓組聯(lián)接的設(shè)計計算螺旋傳動螺紋聯(lián)接的主要失效形式和設(shè)計準則松動：螺紋緊固件、被聯(lián)接件拉斷：螺紋緊固件（螺栓、螺釘）壓潰：螺紋緊固件與被聯(lián)接件的螺紋牙剪斷：螺紋緊固件滑扣：螺紋緊固件與被聯(lián)接件的螺紋牙磨損在聯(lián)接不松滑的條件下，通過強度計算確定螺紋緊固件的直徑，避免拉斷螺紋聯(lián)接設(shè)計的內(nèi)容選擇適當?shù)穆菁y聯(lián)接形式選擇螺紋緊固件的材料和精度確定螺紋緊固件的公稱尺寸確定防松和擰緊方法松螺栓聯(lián)接：無預(yù)緊力，只有工作拉力緊螺栓聯(lián)接：有預(yù)緊力，還有工作拉力pdF4Fp[s

]4121d

=￡

[s

]s

=校核設(shè)計松螺栓聯(lián)接的強度設(shè)計載荷形式——軸向拉伸（工作拉力F）失效形式——螺栓拉斷(靜、疲勞)設(shè)計準則——保證螺栓拉伸強度強度條件：s≤[s]無其它載荷的緊螺栓聯(lián)接的強度設(shè)計載荷形式—軸向拉伸（預(yù)緊力F’）、扭力T失效形式—螺栓拉斷(拉、扭綜合作用)設(shè)計準則—保證螺栓拉伸強度強度條件：se≤[s]設(shè)計計算方法：預(yù)緊拉力F’→拉應(yīng)力=

s

2

+

3(0.5s

)2

?1.3s1校核式:

sp

d

2=

5.2F

'

￡[s

]e1p

[s

]5

.2

F

'd

?設(shè)計式:TF’421F

'pds

=3131F’2

?

0.5s螺紋力矩T→剪應(yīng)力

t

=s

=

s

2

+

3t2epd

16pd

16T

=

F

'

tan(j

+

re

)d2受橫向載荷的緊螺栓聯(lián)接的強度設(shè)計普通螺栓（受拉螺栓）鉸制孔螺栓（受剪螺栓）普通螺栓與絞制孔螺栓的失效形式是否相同？RFR/2FR問題：預(yù)緊力F’應(yīng)滿足的條件?依據(jù)：被聯(lián)接件不滑移—界面摩擦力≥FRmF

'

=1.2FRm1.2FF

'

=

R

受載荷形式—軸向拉伸（預(yù)緊力F’）、扭力T、橫向載荷FR失效形式—螺栓拉斷(拉扭綜合作用)設(shè)計準則—保證螺栓拉伸強度強度條件：se≤[s]設(shè)計計算方法：FRF’FRF’1sp

d

2=

5.2F

'

￡[s

]e1p

[s

]

F

/25

.2

F

'd

?受橫向載荷的緊螺栓聯(lián)接的強度設(shè)計普通螺栓橫向載荷過大的情況下，不適宜用普通螺栓。為何？受橫向載荷的緊螺栓聯(lián)接的強度設(shè)計絞制螺栓受載荷形式—擰緊過程中:軸向拉伸F‘、扭力T(預(yù)緊力小，計算時可忽略)工作時：橫向載荷FR失效形式—側(cè)面壓潰及螺栓剪切設(shè)計準則—保證擠壓、剪切強度強度條件：sp≤[sp]、t≤[t]設(shè)計計算方法：擠壓強度：剪切強度：minppdhFR￡

[s

]s

=￡

[t]t

=pd

2

m4FRFRFR受軸向載荷的緊螺栓聯(lián)接的強度設(shè)計受載荷形式—擰緊過程中:軸向拉伸F’、扭力T工作時，再承受工作載荷F螺栓所受的總拉力:F0

=

F’+F

?TFFF’F0F0F’×須根據(jù)靜力平衡方程和變形協(xié)調(diào)條件求解受軸向載荷的緊螺栓聯(lián)接的強度設(shè)計變形協(xié)調(diào)條件Dl1=

DlbF

≠F+F’0F0=F+F’’l1lbDl1DlbTF’F’FFF0F0F’F’F’’F’’螺栓被聯(lián)接件未預(yù)緊未受力、無變形未受力、無變形預(yù)緊F’拉力F’，伸長l1壓力F’，壓縮lb受載F拉力F0,伸長l1+Dl1壓力F’’,壓縮lb

-DlbFF壓縮彈簧c2被聯(lián)接件拉伸彈簧c1螺栓受軸向載荷的緊螺栓聯(lián)接的強度設(shè)計Fl壓縮彈簧受力：－F’拉伸彈簧受力：＋F’均等于預(yù)緊力F

=

c1Dl

+

c2DlFc1

+

c2Dl

=FF21c2221c1c

+

cc

+

cF

''

=

F

'

-

c

Dl

=

F

'

-F

=

F

'

+

c

Dl

=

F

'

+0

1受軸向載荷的緊螺栓聯(lián)接的強度設(shè)計l形關(guān)系=

FA

C螺栓受力－變力FF

Fl

=F’

F0

EF’’Dlb

l

l

形變l1

b無法顯示該圖片。21c2c

+

cF

￠=

F

￠-1

2c2c

+

cF F

￠=

F

￠+

F1

2c10c

+

cF

=

F

￠+

Fc2

>>

c1F0

?

FF0

?

F

+

F}提高被聯(lián)接件剛度c1：螺栓剛度c2：被聯(lián)接件剛度c2

<<c1受軸向載荷的緊螺栓聯(lián)接的強度設(shè)計靜載荷總拉力F0→拉應(yīng)力421F0s

=1631312

?

0.5s螺紋力矩T→剪應(yīng)力

t

=pd

16pdpdT

=

F0

tan(j

+

re)d21校核式:

s￡[s

]p

d

2=

5.2F0e1p

[s

]5

.2

F

0d

?設(shè)計式:受軸向載荷的緊螺栓聯(lián)接的強度設(shè)計變載荷工作載荷在F1~F2之間變化；螺栓受力在F01~F02之間變化力時間OF2F1工作載荷變化變形O力211201022a2

c

+

cF

-

F

c1=F

-

FF

=211acaAs￡

[s

]pd

2

c

+

c=

Fa

=

2(F2

-

F1

)

c1螺栓拉力變幅螺栓應(yīng)力幅提高螺栓聯(lián)接強度的措施改善螺紋牙間受力分配機理：螺栓受拉：Dd自上而下積累，p逐漸變大螺母受壓：Dd自上而下積累，p逐漸變小措施：

采用受拉螺母：懸置螺母和環(huán)槽螺母采用內(nèi)斜螺母：最下面幾圈易變形采用均載裝置：鋼絲螺套螺栓p<螺母p

螺母采用有色金屬等（E小，變形?。┏摻z螺套，皆采用變形協(xié)調(diào)條件懸置螺母 內(nèi)斜螺母 環(huán)槽螺母提高螺栓聯(lián)接強度的措施減小附加應(yīng)力措施：改善被聯(lián)件結(jié)構(gòu)提高螺栓聯(lián)接強度的措施減輕應(yīng)力集中主要在加工和結(jié)構(gòu)處理時考慮提高螺栓聯(lián)接強度的措施降低應(yīng)力幅措施：通過降低螺栓剛度，提高被聯(lián)件剛度第七節(jié)引言螺紋的種類及主要參數(shù)螺紋副的受力分析與自鎖螺紋緊固件與螺紋聯(lián)接的類型螺紋聯(lián)接的預(yù)緊與防松螺栓聯(lián)接的設(shè)計計算螺栓組聯(lián)接的設(shè)計計算螺旋傳動螺栓組及其設(shè)計螺栓通常成組使用，構(gòu)成螺栓組螺栓組采用相同材料和尺寸的螺栓螺栓組的設(shè)計主要確定聯(lián)接形式、螺栓數(shù)目及其分布螺栓組聯(lián)接的受力分析（1）概述假設(shè)：（1）被聯(lián)接件為剛體（2）各螺栓拉伸或剪切剛度相同，F(xiàn)’相同（3）螺栓應(yīng)變沒有超出彈性范圍目的：確定最大承載螺栓及其載荷四種典型情況：受橫向載荷的螺栓組聯(lián)接受旋轉(zhuǎn)力矩的螺栓組聯(lián)接受軸向載荷的螺栓組聯(lián)接受翻轉(zhuǎn)力矩的螺栓組聯(lián)接螺栓組聯(lián)接的受力分析（2）軸向力條件：FQ通過螺栓組的對稱中心，且平行于螺栓軸線工作載荷F

=

FQ

/

z式中：z－螺栓個數(shù)FQFF螺栓組聯(lián)接的受力分析（3）橫向力msmz(b)受剪螺栓聯(lián)接條件：FR作用線通過螺栓組的對稱中心，且垂直于螺栓軸線(a)受拉螺栓聯(lián)接ms

F

mz

=

k

f

FRk

F即：F

￠=

f

R螺桿受剪力＋側(cè)壁受擠壓各螺栓受載均等zFRsF

=z

ms

F

￠ri

=

k

f

Ti=1zk

f

Tms

rii=1即

F

￠=(a)受拉螺栓聯(lián)接（甲）(b)受剪螺栓聯(lián)接z

Fsiri

=

Ti=1rmaxF

Fri

si

=

s

max

zrF

ii=12=

T

rmaxs

max旋轉(zhuǎn)力矩螺栓組聯(lián)接的受力分析（4）螺栓組聯(lián)接的受力分析（5）翻轉(zhuǎn)力矩4.7

5.61.10

2.9MzM

=

Fi

rirmaxriFii=1=

Fmax