機械設計第三章螺紋連接

機械設計

萬小利博士、教授2006.02第一節(jié)概述一、螺紋的基本參數(shù)標準中定為公稱直徑。（1）大徑d（D）（2）小徑d1(D1)（3）中徑(D2)

d2第三章螺紋連接螺桿危險截面的計算直徑用于運動分析和確定螺紋配合管螺紋公稱直徑不是螺紋大徑，而近似等于管子的內(nèi)徑。

（4）螺距

p

螺紋相鄰兩牙在中徑上對應兩點間的軸

向距離。（5）導程S

螺紋上任一點沿同一條螺旋線轉一周所

移動的軸向距離。（6）線數(shù)

n

螺紋的螺旋線數(shù)目。連接用螺紋要求有

自鎖性，故多用單線螺紋。（7）旋向螺紋有右旋和左旋之分。工程上常用右

旋螺紋。（8）牙型角

螺紋軸向平面內(nèi)螺紋牙型兩側邊的夾角。（9）牙型斜角

軸向剖面內(nèi)，螺紋牙型的側邊與螺紋軸線的垂線間的夾角。對三角形、梯形等對稱牙型

導程與螺距的關系：。（10）工作高度h內(nèi)、外螺紋的徑向接觸高度。（11）螺紋升角

中徑圓柱面上螺旋線的切線與垂直于螺旋線軸線的平面的夾角。

二、螺紋的種類、特點及應用1.普通螺紋公稱直徑相同時，按螺距P的大小分為粗牙和細牙兩種。細牙螺紋的螺距小，自鎖性好，適于薄壁細小零件和沖擊變載等。螺紋的分類:

按功能：傳動螺紋（矩形螺紋，梯形螺紋，鋸齒形螺紋）

連接螺紋（三角形螺紋、管螺紋） 按牙型：三角形螺紋，管螺紋、矩形螺紋，梯形螺紋，鋸齒形螺紋按標準：公制（米制）、英制公制三角形螺紋，牙型角，當量摩擦角大，自鎖性能好，主要用于連接。2.圓柱管螺紋

英制細牙三角形螺紋，牙型角，牙頂有較大圓角，內(nèi)外螺紋旋合后無徑向間隙。公稱直徑近似為管子內(nèi)徑，緊密性好。多用于壓力為1.568MPa以下的水、煤氣管道、潤滑和電線管路系統(tǒng)。3.矩形螺紋牙型為正方形，牙型角為0°，所以當量摩擦角小，效率高。但牙根強度差，磨損后無法補償間隙，定心性能差。矩形螺紋尚未標準化，很少采用，目前已逐漸被梯形螺紋所代替。4.梯形螺紋牙型為等腰梯形，牙型角,與矩形螺紋相比，傳動效率略低，但工藝性好，牙根強度高，對中性好，是應用較廣的傳動螺紋。5.鋸齒形螺紋牙型為不等腰梯形，工作面的牙型半角為3°,非工作面的牙型半角為30°,它綜合了矩形螺紋效率高和梯形螺紋牙根強度高的特點。用于單向受力的傳力螺旋中，如螺旋壓力機。

三、螺紋副的受力分析、自鎖和效率1.螺紋副中軸向力與圓周力的關系擰緊螺母受力圖和力的封閉三角形擰緊螺母松退螺母受力圖和

力的封閉三角形松退螺母對于牙型角不等于零的三角形螺紋和梯形螺紋等

擰緊螺母時

松退螺母時

2.螺紋傳動的效率

旋轉螺母一周所作的總功為

有效功為

螺紋傳動的效率為正常傳動（擰緊螺母）：2.螺紋傳動的效率

旋轉螺母一周所作的總功為

有效功為

螺紋傳動的效率為反轉（松退螺母）：3.螺紋的自鎖自鎖條件：一、螺紋連接主要類型第二節(jié)螺紋連接的類型與結構

(b)鉸制孔用螺栓連接—裝配后無間隙，主要承受橫向載荷，也可作定位用。孔和螺栓桿間采用基孔制過渡配合(H7／m6、H7／n6)。1.螺栓連接

(a)普通螺栓連接—被連接件上開有通孔，通孔不帶螺紋，裝配后孔與桿間有間隙。結構簡單，裝拆方便，應用較廣。

普通螺栓連接與鉸制孔用螺栓連接的區(qū)別

螺桿兩端均有螺紋，裝配時其一端旋入被連接件的螺紋孔中，另一端與螺母旋合。適用于常拆卸而被連接件之一較厚或不宜制成通孔、材料又比較軟的場合。3.螺釘連接2.雙頭螺栓連接螺釘直接擰人被連接件之一的螺紋孔內(nèi)，不用螺母。用途和雙頭螺柱連接相似，但不適合經(jīng)常裝拆，否則易使螺紋孔磨損。擰入后，利用末端頂住另一零件表面或旋入零件相應的缺口中以固定零件的相對位置。可傳遞不大的軸向力或轉矩。4.緊定螺釘連接地腳螺栓連接吊環(huán)螺釘連接T型槽螺栓連接

5.特殊連接

2.雙頭螺柱

1.六角頭螺栓二、標準螺紋連接件

A型——有退刀槽

B型——無退刀槽

3.螺

釘

4.緊定螺釘

圓柱端:壓入軸上凹抗中，適于緊定空心軸上零件的位置輕材料和金屬薄板。錐端:適于零件表面硬度較低不常拆卸的場合。

平端:接觸面積大、不傷零件表面，用于頂緊硬度

較大的平面，適于經(jīng)常拆卸的場合。

6.螺母5.自攻螺釘(由螺釘攻出螺紋)7.圓螺母+止動墊圈8.墊圈

三、螺紋連接零件常用材料和機械性能1.常用材料一般工況：為中低碳鋼，如Q215、Q235、10、

15、35和45鋼等。變載荷或有沖擊、振動的重要連接中：合金鋼，如

40Gr、15MnVB和30CrMnSi等。2.機械性能等級國家標準規(guī)定螺紋連接件按材料的機械性能分級。螺栓、螺柱、螺釘?shù)臋C械性能等級分為十級，自3.6至12.9；螺母的性能等級分為七級，從4到12。

／100

一、螺紋連接的預緊

增強連接的可靠性和緊密性，以防止受載后被連接件間出現(xiàn)縫隙或發(fā)生相對滑移；增加聯(lián)接剛度，提高防松能力；適當選用較大的預緊力可提高螺紋連接件的疲勞強度。

第三節(jié)螺紋連接的預緊和防松在裝配時擰緊，即在承載時，已預先受預緊力。目的：預緊：預緊力控制：通常通過控制擰緊力矩等方法來控制預緊力的大小。用測力矩扳手或定力矩扳手可控制擰緊力矩。

測力矩板手：測出預緊力矩定力矩板手：達到固定的擰緊力矩T時，彈簧受壓將自動打滑。

擰緊時螺母：T=T1+T2擰緊力矩:扳手擰緊力矩:T=F·L對于常用M10-M68粗牙普通鋼制螺紋

消除（或限制）螺紋副之間的相對轉動。摩擦防松

二、螺紋連接的防松1.防松目的3.防松辦法2.防松原理防止實際工作中，在沖擊、振動或變載荷的作用下，螺紋副間的摩擦力可能減小或瞬時消失，從而使螺紋聯(lián)接松動。機械防松破壞螺紋副關系摩擦防松彈簧墊圈對頂螺母尼龍墊圈自鎖螺母機械防松串聯(lián)鋼絲止動墊圈開口銷與槽形螺母破壞螺紋副關系

受剪螺栓受剪螺栓：擠壓強度和剪切強度準則。第四節(jié)單個螺栓的強度計算受載形式

軸向受拉(普通螺栓)橫向受剪(鉸制孔用螺栓)

受力性質(zhì)

靜載荷和變載荷

失效形式（工程中螺栓聯(lián)接90%為疲勞失效）

靜載荷：螺紋部分發(fā)生塑性變形或斷裂受拉螺栓

變載荷：疲勞斷裂。失效部位設計計算準則螺栓桿和孔壁間可能發(fā)生壓潰或被剪斷。受拉螺栓：疲勞拉伸強度和靜強度準則。一、受拉螺栓連接的強度計算強度條件

1.松連接螺栓強度計算設計公式[s]為松螺栓連接的許用拉應力（MPa）,[s]=ss

/S，S=1.2~1.7。F為螺栓承受的工作拉力（N）；d1為螺紋小徑（mm）；T1(螺紋副摩擦力矩)產(chǎn)生的扭轉切應力

按第四強度理論,螺紋部分的計算應力為

2.緊連接螺栓強度計算(預緊力)產(chǎn)生拉應力常用的M10~M64鋼制普通螺紋

（1）僅承受預緊力的緊連接螺栓的強度計算

（1）僅承受預緊力的緊連接螺栓的強度計算

強度條件為設計公式為

為螺栓材料的許用應力（MPa）,見表3-6。套筒減載鍵減載銷釘減載止口減載為增加可靠性，減小直徑，可采用減載裝置（2）承受預緊力F’和工作拉力F的緊連接螺栓強度計算

工作時：

螺栓

被連接件螺栓

被連接件預緊：F’F’F0F’’F變形協(xié)調(diào)條件：預緊工作時對于有密封性要求的連接

工作載荷穩(wěn)定時

工作載荷不穩(wěn)定時

對于地腳螺栓連接

對于一般連接——螺栓的相對剛度金屬墊片(或無墊片)0.2~0.3皮革墊片0.7銅皮石棉墊片0.8橡膠墊片0.9強度條件設計公式①軸向載荷為靜載荷為緊螺栓連接的許用應力，見表3-6。

（2）承受預緊力F’和工作拉力F的緊連接螺栓強度計算

②軸向載荷為變載荷，在0→F之間變化

螺栓的總拉力

應力幅拉力變化幅度

疲勞強度的校核公式為

為螺栓的許用應力幅（MPa），見表3-6。（3）受橫向載荷的鉸制孔用螺栓連接強度計算主要失效形式螺栓桿被剪斷螺栓桿或孔壁被壓潰強度條件擠壓剪切

見表3-9。1.接合面設計成軸對稱的簡單幾何形狀，如圓形、環(huán)形、矩形、三角形等。便于加工制造（有利于分度、劃線、鉆孔），使各個螺栓受力合理，接合面受力均勻。第五節(jié)螺栓組連接受力分析一、螺栓組連接的結構設計

目的：合理確定連接接合面的幾何形狀和螺栓的布置形式，力求各螺栓和連接接合面間受力均勻，便于加工和裝配。

2.

鉸制孔用螺栓連接，不要在平行于工作載荷的方向上成排地布置八個以上的螺栓，以免載荷分布過于不均。當螺栓連接承受彎矩或轉矩時，應使螺栓的位置適當靠近連接接合面的邊緣，以減小螺栓的受力。如果同時承受軸向載荷和較大的橫向載荷，應采用銷、套筒、鍵等抗剪零件來承受橫向載荷，以減小螺栓的預緊力及其結構尺寸。(a)合理(b)不合理TT3.合理間距，適當邊距，以利用扳手裝拆。4.同一螺栓組中螺栓的材料、直徑和長度均應相同，以簡化結構和便于加工裝配。5.分布在同一圓周上的螺栓數(shù)目，應取成4、6、8等偶數(shù)，以便在圓周上鉆孔時的分度和畫線。6.連接件、螺母和螺栓頭部的支承面平整，并與螺栓軸線相垂直。在鑄、鍛件等的粗糙表面上安裝螺栓時，應制成凸臺或沉頭座等。二、螺栓組連接的受力分析

1．受橫向載荷的螺栓組連接

普通螺栓連接

Kn為可靠性系數(shù)，一般鉸制孔用螺栓連接

每個螺栓所受的橫向工作剪力為f為接合面間的摩擦系數(shù)

m為摩擦工作面數(shù)

不滑移條件2．受轉矩的螺栓組連接普通螺栓連接

不滑移條件2．受轉矩的螺栓組連接鉸制孔用螺栓連接θri變形協(xié)調(diào)條件3.受軸向載荷的螺栓組連接

4．受翻轉力矩的螺栓組連接δiliθ4．受翻轉力矩的螺栓組連接4．受翻轉力矩的螺栓組連接最大受壓處不被壓潰條件最小受壓處不出現(xiàn)間隙條件5.載荷為組合載荷的螺栓組分析方法：1）將載荷向螺栓組形心等效變換，均為4種簡單載荷的組合。2）按前面的方法，分別對簡單載荷單獨分析。3）將簡單載荷單獨分析的結果疊加(矢量)，得最終載荷分析結果。例：受橫向載荷和轉矩的組合載荷FlRT將載荷向螺栓組形心等效變換：橫向載荷轉矩對于鉸制孔用螺栓組:RT123456螺栓3，6