1、第五章 螺纹连接和螺旋传动,5-1 螺纹类型和工程应用,5-2 螺纹联接的类型与标准连接件,5-3 螺纹连接的预紧,5-4 螺纹连接的防松,5-5 螺纹连接的受力分析,5-7提高螺纹连接强度的措施,5-6 螺纹连接件的材料和许用应力,连 接,5-1 螺纹连接的类型,一、螺纹形成,联接螺纹 要求：根部强度高，自锁性好( ),1三角形螺纹,普通螺纹=60的三角形米制螺纹 公称直径d(大径)用 Md表示,如:M10d=10mm,5-1 螺纹连接类型,二、常用螺纹,2管螺纹,管螺纹的公称直径管子的公称内径（通径）,5-1 螺纹连接类型,1矩形螺纹(0): 但强度定心性,传动螺纹要求：效率较高,2梯形螺
2、纹(30):较高,易切削,强度定心性,即具有梯形螺纹强度高特点，又具有矩形螺纹效率高特点。锯齿形螺纹只能进行单向传动。,5-1 螺纹连接类型,各种螺纹的特点:,5-1 螺纹连接类型,三、螺纹主要参数,公称直径d,公称直径,螺纹中径d2,螺纹中径:d2=(d1+d)/2,螺纹小径d1,螺纹小径,螺距P,螺距,导程S=nP,导程,螺纹升角,升角,5-1 螺纹连接类型,线数n,升角,牙型角,牙型角,牙侧角,牙侧角,效率,自锁条件,螺纹旋向：左旋、右旋,5-1 螺纹连接类型,例1：一梯螺纹的螺杆，d=20mm,，d1=15.5mm，d2=18mm，P=4mm，n=2，f=0.2，问：该螺纹是否满足自锁
3、条件？,解：,则：,则：,因,，故该机构自锁。,5-3 螺纹连接类型及其紧固件,一、螺纹连接的基本类型,5-3 螺纹连接类型及其紧固件,5-3 螺纹连接类型及其紧固件,二、螺纹紧固件,螺纹联接的类型很多，在机械制造中常见的螺纹联接件的结构型式和尺寸都已经标准化，设计时可以根据有关标准选用。,弹簧垫圈,止动垫圈,5-4 螺纹连接的预紧及防松,预紧力：,大多数螺纹联接在装配时都需要拧紧，使之在承受工作载荷之前，预先受到力的作用，这个预加作用力称为预紧。,预紧的目的：,增强联接的可靠性和紧密性，以防止受载后被联接件间出现缝隙或发生相对移动。,预紧力的确定原则：,拧紧后螺纹联接件的预紧应力不得超过其材
4、料的屈服极限ss的50%70%。,5-4 螺纹连接的预紧及防松,扭紧力矩与预紧力的关系,T=0.2F0d,注意：对于重要的联接，应尽可能不采用直径过小(M12)的螺栓。,预紧力的控制：,人工经验； 测力矩扳手； 定力矩扳手； 测螺栓伸长量；,手作用力F=200N;扳手力臂长:L=15d; T=FL F0=15000N,5-4 螺纹连接的预紧及防松,螺纹防松：,防松的根本问题在于防止螺旋副相对转动。,防松方法：,1) 双螺母防松,2) 弹簧垫圈 防松,3) 自锁螺母防松,摩擦防松,机械防松,1) 开口销及槽型螺母,2) 止动垫片,3) 串联金属丝,破坏螺纹副的关系,焊、点冲、粘合,摩擦防松：,对
5、顶螺母防松,弹簧垫圈防松,自锁螺母防松,5-4 螺纹连接的预紧及防松,续表,机械防松,开口销与槽螺母,止动垫片防松,串联钢绳防松,5-4 螺纹连接的预紧及防松,其它方法防松,铆冲防松,焊接防松,胶粘防松,5-4 螺纹连接的预紧及防松,5-5 螺纹连接的受力分析,大多数机器的螺纹联接件都是成组使用的，其中以螺栓组联接最具有典型性，故以螺栓组联接为例，讨论它的设计和计算问题，其结论对双头螺柱组、螺钉组联接也同样适用。,螺栓设计步骤：1、结构设计：螺栓数目、布置方式。2、受力分析：找出受最大的螺栓。3、强度计算：确定螺栓的直径。,5-5 螺纹连接的受力分析,一、螺栓组联接的结构设计1、联接接合面的几
6、何形状通常都设计成轴对称的简单几何形状，如圆形、环形、矩形、框形、三角形等。便于对称布置螺栓，使螺栓组的对称中心和联接接合面的形心重合，从而保证联接接合面受力比较均匀。,2、螺栓的布置应使各螺栓的受力合理。 （1）对于铰制孔用螺栓联接，不要在平行于工作载荷的方向上成排地布置八个以上的螺栓，以免载荷分布过于不均。,5-5 螺纹连接的受力分析,（2）当螺栓联接承受弯矩或转矩时，应使螺栓的位置适当靠近联接接合面的边缘，以减小螺栓的受力。,边缘处受力最大,靠近边缘，减少受力不均,螺栓严重受力不均,5-5 螺纹连接的受力分析,（3）当采用普通螺栓联接时，如果螺栓同时承受轴向载荷和较大的横向载荷时，应采用
7、销、套简、键等抗剪零件来承受横向载荷 ，以减小螺栓的预紧力及其结构尺寸。,图10-14 减载装置,5-5 螺纹连接的受力分析,3、螺栓的排列应有合理的间距、边距。 各螺栓轴线间以及螺栓轴线和机体壁间的最小距离，应根据扳手所需活动空间的大小来决定。,5-5 螺纹连接的受力分析,4、分布在同一圆周上的螺栓数目，应取成等偶数，以便在圆周上钻孔时的分度和画线。5、为了便于装配，同一螺栓组中所有螺栓的材料、直径和长度均应相同。 6、避免螺栓承受附加的弯曲载荷。,5-5 螺纹连接的受力分析,二、螺栓组的受力分析,螺栓组受力分析目的：确定螺栓组中受力最大的螺栓及其所承受的工作载荷的大小 。,1、受横向载荷螺
8、栓组连接,普通螺栓连接,螺栓与孔壁之间留有间隙，工作时被连接件之间不允许发生滑动。被连接件间不发生滑移条件是：,5-5 螺纹连接的受力分析,铰制孔螺栓连接,可靠性系数；Ks=1.1.3,接合面数目,螺栓数目,若每个螺栓承受的工作载荷均为F，则根据平衡条件得,zFF,5-5 螺纹连接的受力分析,铰制孔螺栓连接,若每个螺栓承受的工作载荷均为F,zFF,5-5 螺纹连接的受力分析,2、受扭转力矩的螺栓组联接,采用普通螺栓联接,5-5 螺纹连接的受力分析,采用铰制孔用螺栓联接,设底板为刚体，受载后结合面仍为平面，距离中心越远，其螺栓剪切变形越大，受力也越大。因此：,5-5 螺纹连接的受力分析,图所示为
9、一气缸，气缸内部压强这p。气缸盖用z个螺栓与缸体相连。则缸体上每个螺栓承受的平均轴向工作载荷为,3、受轴向载荷的螺栓强度,螺栓除了承受预紧力外F0，还要承受工作载荷F。,5-5 螺纹连接的受力分析,4受倾覆力矩的螺栓组联接,假定底板为刚体，在M作用下接合面仍保持平面；地基和螺栓为弹性体；底板受翻转力矩M作用后，将绕对称轴OO翻转。,5-5 螺纹连接的受力分析,根据变形协调条件：,5-5 螺纹连接的受力分析,为了防止接合面受压最大处(如图底板右边缘)被压碎或受压最小处(如图底板左边缘)出现间隙，应使受载后地基接合面挤压应力的最大值不超过底板与地基两者中最弱材料的许用值，最小值不小于零。也就是：,
10、式中：,（接合面产生的附加的挤压应力）,5-5 螺纹连接的受力分析,结论：实际中，螺栓组所受的外载荷常常是复合状态，但都可以简化成上述四种简单受力状态，再按力的叠加原理求出螺栓受力。求得受力最大的螺栓所受的载荷后，即可进行单个螺栓联接的强度计算。,5-5 螺纹连接的受力分析,三、螺栓联接的强度计算,1、螺栓的失效形式： 受拉螺栓失效形式：螺栓杆螺纹部分发生断裂。设计准则：保证螺栓的静力或疲劳拉伸强度。,受剪螺栓 失效形式：螺栓杆和孔壁的贴合面上出压溃或螺栓杆被剪断。 设计准则：保证螺栓的挤压强度和剪切强度。,5-5 螺纹连接的受力分析,松螺栓联接的强度计算,螺栓和螺母的螺纹牙及其它各部分尺寸是
11、根据等强度原则设计的，通常不需要校核。一般根据公称直径选定。校核计算只校核螺栓杆的强度。,2、强度计算,以起重机的吊钩为例，在承受工作载荷前螺纹不预紧，当承受拉伸载荷F时其拉伸的强度条件为：,5-5 螺纹连接的受力分析,紧螺栓联接的强度计算 (承受轴向拉力螺栓强度计算）,危险截面的拉伸应力：,危险截面的剪应力：,紧螺栓在装配时，除了受预紧力F0产生的拉应力外，还承受补充扭紧时扭紧力矩T1产生的扭转剪应力的作用。,1、仅承受预紧力的紧螺栓强度计算,5-5 螺纹连接的受力分析,对于M12M64螺栓：,由此可得：,根据第四强度理论，其计算应力：,5-5 螺纹连接的受力分析,系数1.3的意义： 在补充
12、拧紧时，将螺栓所承受的总拉力增大 30%来考虑扭转产生剪切应力的影响。,危险剖面的强度条件是：,2、既承受预紧力又承受工作拉力时紧螺栓强度计算,（1）受力分析,b,m,螺栓,被连接件,5-5 螺纹连接的受力分析,（2）受力变形图,设螺栓所承受的工作力F：,令,螺栓刚度,螺栓刚度,5-5 螺纹连接的受力分析,螺栓总的拉力：,残余预紧力为：,5-5 螺纹连接的受力分析,结论： 1、上述分析可见：螺栓承受的总拉力F2F0+F 2、当F0及F一定时，F2取决于 Cb/(Cb+Cm)Cb（Cm）螺栓受力F2 ，取采用刚度小的螺栓，刚度大的被联接件。 3、为防止出现缝隙，残余预紧力应大于0。残余预紧力取值
13、见下表。,表10-7 残余预紧力F1的推荐值,5-5 螺纹连接的强度计算,5-5 螺纹连接的受力分析,工作载荷为静载荷,（3）强度计算,在设计时首先计算螺栓的工作载荷F，再根据联接的要求选取F0值，计算螺栓的总拉力F2，在考虑可能补充拧紧将总拉力增大30后考虑扭切应力的影响。截面的拉伸强度条件是：,或：,5-5 螺纹连接的受力分析,螺栓的最大拉应力为：,螺栓的最小拉应力为：,应力幅为：,工作载荷为变载荷(螺栓的疲劳强度进行精确校核),之间变化。,工作载荷在0F变化时螺栓总拉力在F0,5-5 螺纹连接的受力分析,计算安全系数,由前面知识可知这种应力状态为最小应力等于常数 min=C,5-5 螺纹
14、连接的受力分析,3、承受工作剪力的紧螺栓联接,失效形式：螺杆被剪断及螺杆或孔壁被压溃。,挤压强度：,螺栓杆的剪切强度：,Lmin =min1，2,螺栓的常用材料为低碳钢、中碳钢、合金钢,一、 螺纹紧固件按机械性能分级,螺栓、螺柱、螺钉的性能等级分为十级 (见GB3098.182)：3.6 4.6 4.8 5.6 6.8 8.8 9.8 10.9 12.9,5-6 螺栓的材料及许用应力,螺栓的性能级别用二个数字表示。比如：4.6级。,小数点前的数字为： Bmin/100 Bmin公称抗拉强度,小数点后的数字为： Smin公称屈服强度,二个数学相乘的10倍即为材料Smin,4.6级,4.6级 =
15、4610=240=s MPa，s材料的屈服点,4,6,5-6 螺栓的材料及许用应力,螺母的性能等级分为七级 (见GB3098.182)：4 5 6 8 9 10 12,数字代表螺母能承受的最小应力的1/100，即min/100,表5-5 螺栓的性能等级（摘自GB3098.182）,5-6 螺栓的材料及许用应力,表5-5 螺母的性能等级（摘自GB3098.282）,5-6 螺栓的材料及许用应力,许用拉应力,许用切应力,许用挤压应力,表5-6 一般机械用螺栓联接在静载荷下的许用应力与安全系数,二、螺纹连接的许用应力及安全系数,5-7 提高螺纹连接强度措施,从螺栓总拉力公式 可以看出，在预紧力不变的
16、情况下，减小应力幅实际就是减少螺栓的总拉力F2，所以有以下三种方法：,1）减小联接件的刚度,1、降低影响螺栓联接的应力幅,5-7 提高螺纹连接强度措施,2）增加被联接件的刚度,适当增加预紧力及减小联接件的刚度和增大被联接件的刚度,5-7 提高螺栓连接强度措施,减小螺栓刚度方法： 增加螺栓长度 采用腰杆螺栓 采用空心螺栓 采用弹性元件,5-7 提高螺栓连接强度措施,增加被连接件刚度方法：,图10-14 减载装置,5-7 提高螺栓连接强度措施,2、当被连接件承受的横向载荷较大时，可采用减载装置,5-7 提高螺栓连接强度措施,3、改善螺纹牙间载荷分布,加厚螺母不能提高连接强度,5-7 提高螺栓连接强
17、度措施,改善螺纹牙间载荷分布的措施, 悬置螺母 环槽螺母 内斜螺母 环槽螺母与内斜螺母,图10-16 减小应力集中的方法,5-7 提高螺栓连接强度措施,4、减小应力集中,由尺寸突变，必产生应力集中，从而削弱螺栓强度。,减小螺栓应力集中措施：增大过渡圆角，或切制卸载槽。,图5-18 螺栓的附加应力,5-7 提高螺栓连接强度措施,5、避免或减小附加的应力,附加应力产生原因及减小或避免弯曲应力的措施,图5-19 减小或避免弯曲应力的措施,5-7 提高螺栓连接强度措施,6、采用合理的制造工艺,冷镦头部、辗压螺纹，疲劳强度提高30%,表面处理： 氰化、氮化也能提高疲劳强度。,7、采用高强度钢制造螺栓,5
18、-7 螺纹连接的受力分析,作业5-5（补充条件：=100MPa，=150MPa） 5-85-9 实验：螺栓组合实验,螺旋千斤顶作业任务书,一、题目：螺旋千斤顶,原始数据：,二、工作量：1）总装配图一张（M1：1）2）计算说明书一份,三、作业目的：1、熟悉螺旋千斤顶的工作原理、设计与计算方法；2、运用所学的知识解决设计中所遇到的具体实际问题，培养学生独立工作能力，以及初步学会综合运用所学知识，解决材料的选择、强度计算、制造工艺等方面的问题；3、熟悉有关设计资料，学会查阅手册和运用国家标准， 四、螺旋千斤顶的设计螺旋千斤顶装配图（如图），其主要零件有螺杆、螺母、托杯、手柄和底座；扳动手柄，使螺杆在
19、固定螺母中旋转上升或下降，把托杯上的重物举起或放落。设计时某些零件的主要尺寸是通过理论计算确定的，其它尺寸和某些零件的尺寸则是根据经验公式或制造工艺决定的。附属零件多靠经验和手册决定，必要时方进行强度验算。,螺旋千斤顶作业任务书,五、设计要求 1、作图要求投影关系正确，位置安排适当、留出标题栏和明细表位置。线型粗细、尺寸标注和字体都应符合制图规定。明细表内容包括：件号、名称，数量、材料。对于标准件应在备注中注明标准代号； 2、编写说明书要求字迹工整、计算准确、步骤分明、计算过程要列出公式，带入式子并写出结果，而中间的数字验算不必写。,螺旋千斤顶作业任务书,步骤： 1、选材 2、耐磨性计算，确定
20、螺纹直径 3、自锁验算 4、螺杆强度验算 5、螺母螺纹牙强度验算 6、螺母外径及凸缘强度验算 7、螺杆稳定性计算 8、手柄计算 9、其他尺寸计算,螺旋千斤顶作业任务书,例3：如图所示用两个M10（小径d1=8.376mm，中径d2=9.026mm）螺钉固定一牵引钩。若螺钉材料为Q235钢，屈服极限s=240MPa，安全系数取S=1.6,考虑摩擦传力的可靠性系数（防滑系数）C=1.2，接合面摩擦系数 f=0.2，求其允许的牵引力FR。,解：许用拉应力,螺钉数z2，接合面数m=1，根椐不发生滑移条件,强度条件为,取：,板A用4个普通螺钉固定在机座B上，已知板与机座间摩擦系数=0.14，螺钉许用拉应
21、力=120MPa，FQ=2.5kN，要求能产生的摩擦力比工作负载大25%，试螺钉小径。,解：取A板为研究对象,板A用4个普通螺钉固定在机座B上，已知板与机座间摩擦系数=0.14，螺钉许用拉应力=120MPa，FQ=2.5kN，要求能产生的摩擦力比工作负载大25%，试螺钉小径。,解：取A板为研究对象,根据不发生滑移条件：,Z=1，m=1,d1=22.2mm,10-8 键连接和花键连接,键功能：键主要用来实现轴和轴上零件之间的周向固定以传递转矩。有些类型键还可实现轴上零件的轴向固定或轴向移动。,键的类型：平键、半圆键、楔键和切向键。,10-8 键连接和花键连接,平键连接工作面：两侧面。,1平键联接
22、,根据用途，平键又可分为普通平键导向平键滑键,普通平键主要用于静连接。普通平键按构造分有：圆头平键（A型键），平头平键（B型键）和半圆头平键（C型键）,普通平键,10-8 键连接和花键连接,根据用途，平键又可分为A型平键：A型键的键槽用端铣刀加工出来的，键在槽中固定良好。但轴键槽应力集较大。B型平键：B型键的键槽用盘铣刀加工出来的，轴上键槽应力集中较小。 C型平键： C型平键常用于轴端与毂类零件连接。,10-8 键连接和花键连接,导向平键盘,导向平键主要用于动连接。当被连接的毂类零件在工作时必须作轴向移动时，则可采用导向平键。,10-8 键连接和花键连接,滑键,滑键主要用于动连接。零件需国滑移
23、的距离较大时，因所需的导向平键长度过大，制造困难，可采用滑键。,10-8 键连接和花键连接,2半圆键联接,工作面：两侧面。当采用双键连接时，两键位于同一直线上。,10-8 键连接和花键连接,工作面：上、下表面。,3楔键联接,10-8 键连接和花键连接,10-8 键连接和花键连接,楔键分为普通楔键和钩头锲键盘。,10-8 键连接和花键连接,4切向键,由两个斜度为1:100的楔键组成。一个切向键只能传递一个方向的转矩，传递双向转矩时，须用互成120130角的两个键。,截面尺寸bh根据轴径d由标准中查得；键的长度参考轮毂的长度确定，一般应略短于轮毂长，并符合标准中规定的尺寸系列,二、键的选择和强度校
24、核,2键的尺寸选择,详细说明,1键的类型选择,根据零件的特点、使用要求、转矩大小、是否有滑移、对中性要求在轴上什么位置、工作条件一般尺寸、载荷零件：采用普通平键连接轴和轮毂 相对移动：采用导向平键连接。受力大，零件尺寸大：采用切向键连接受轴向载荷的零件： 采用楔键连接。,10-8 键连接和花键连接,键联接,2平键联接的失效和强度校核,平键连接主要失效形式是工作面的压溃（静联接）和磨损（对于动连接），除非严重过载，否则一般不会出现键的剪断。,10-8 键连接和花键连接,设键侧面的作用力沿键的工作长度和高度均匀分布，则普通平键的强度条件为:,导向平键和滑键联接的强度条件为：,10-8 键连接和花键
25、连接,当强度不足时，可适当增加键长或采用两个键按180布置。考虑到两个键的载荷分布不均匀性，在强度校核中可按1.5个键计算。,（圆头平键）,（平头平键）,（单圆头平键）,键联接5,式中：,sp、p为许用应力与许用压力,10-8 键连接和花键连接,花键联接1,花键联接是将具有均布的多个凸齿的轴置于轮毂相应的凹槽中所构成的联接。其工作面是键齿侧。,花键联接是多齿传递载荷，故比平键联接的承载能力高，定心性和导 向性好，对轴的削弱小(齿浅、应力集中小)；,花键联接一般用于定心精度要求高和载荷较大的地方。,花键加工需用专门的设备和工具，成本较高。,花键联接按齿形不同，可分为矩形花键和渐开线花键，且均已标
26、准化。,10-8 键连接和花键连接,花键联接1,花键联接,花键联接强度计算,花键联接的受力情况如右图。其主要失效形 式仍是工作面被压溃（静联接）或工作面过度磨 损（动联接）。,强度计算时，假定载荷在键的工作面上均匀 分布，且压力的合力F作用在平均直径dm处，并 引入载荷分配不均匀系数y，则花键联接的强度 校核式为：,静联接：,动联接：,10-8 键连接和花键连接,上两式中:,矩形花键,键的工作高度为：,sp、p为花键联接的许用挤压应力和许用压力,10-8 键连接和花键连接,4、在受轴向载荷的紧螺栓强度计算公式 ，1.3的意义是什么？,思考题：,10、被联接件受横向外力时，如采用普通螺纹联接，则
27、螺栓可能失效的形式为_。,1、常用于联接的螺纹是什么？,2、当两个被联接件之一太厚，不宜制成通孔，且需要经常拆装时，往往采用 连接 。,3、在螺栓联接的结构设计中，被联接件与螺母和螺栓头接触表面处需要加工，这是为了 。,5、螺栓联接防松的根本问题是什么？,6、影响螺纹传动效率主要参数是什么？螺纹自锁条件是什么？,7、管螺纹的公称直径指的是什么直径？,8、螺栓的主要失效形式是什么？,9、当采用铰制孔用螺栓联接承受横向载荷时，螺栓受到 应力作用。,三角螺纹,常用传动的螺纹是什么？,矩形螺纹、梯形螺纹、锯齿形螺纹,双关螺柱连接,防止螺栓承受附加弯曲应力,考虑螺栓补充拧紧时将螺纹副的扭转剪应力折算成拉
28、应力的折算系数。,防止螺纹副的相对转动,螺纹升角,管内径,螺栓杆拉断；压溃和剪断；滑扣,挤压应力和剪切应力,螺栓杆拉断,18、平键的剖面尺寸（bh）是根据 直接从国家标准中选择。 而长度是根椐 并从国家标准选取。,11、平键联接的可能失效形式为 。,12、半圆键联接具有 特点。对轴强度削弱小；工艺性差、装配不方便；调心性好；承载能力大,13、平键的工作面是哪个面？,14、设计键联接的几项主要内容是：a按轮毂长度选择键的长度 b按要求选择键类型 c按内径选择键的剖面尺寸 d进行必要强度校核 具体设计时一般顺序为_。 (A)b-a-c-d (B)b-c-a-d (C)a-c-b-d (D)c-d-b-a,15、键联接的主要用途是：_，键12X50的含义是_。,16、楔键联接中，楔键的工作面是面。,17、采用普通平键连接时，若键的强度不够需采用二个键，二个键应相隔 度布置。强度校核时按 个键进行强度校核。,工作面的压溃和磨损,调心性好；,键两侧面,(B)b-c-a-d,实现轴和轴上零件之间的周向固定以传递扭矩,键截面尺子12mm8mm；键长50mm,上下表面,180布置,1.5个键,轴径d,轮毂长度,
