1、机 械 设 计 ( Mechanical Design ),第十六章 螺纹连接设计,16-1 螺纹的主要参数及类型,16-2 螺旋副的分析、效率和自锁,16-3 螺纹联接和螺纹联接件,16-4 螺栓联接的强度计算,16-5 螺纹联接的结构设计,*. 螺纹连接用螺纹联接件（螺栓，螺钉）将两个以上零件联成一体。,*. 本章的主要内容,1. 螺纹类型及主要参数;螺纹联接的主要类型、特点及应用;,2 . 螺旋副的受力、效率及自锁,预紧和防松;,3 . 螺栓的强度计算;,4 . 螺栓组的结构设计.,16-1 螺纹的主要参数及类型,一. 螺纹形成原理,将一倾斜角为的直线绕 在圆柱体上就形成一条螺旋线 。取
2、一平面图形使其沿螺旋线 运动，该平面图形在空间的轨 迹即为螺纹。,二 常用螺纹类型,左旋螺纹自右下方向左上方绕行的螺纹,右旋螺纹自左下方向右上方绕行的螺纹,左旋,右旋,外螺纹在圆柱外表面上形成的螺纹，如螺栓、 螺钉,内螺纹在圆柱空内壁上形成的螺纹，如螺母,公制螺纹 mm,英制螺纹 扣 / in,按螺纹牙的牙型分类:,普通螺纹 牙型角=60，当量摩擦系数较大，自锁性能 好，主要用于连接。,圆柱管螺纹牙型角=55，用于压力p1.57MPa的管子连接,矩形螺纹牙型角=0，当量摩擦系数小，效率高，用于传动,梯形螺纹牙型角=30，牙根强度高，效率较高，易保证加工精度，广泛 用于传动。,锯齿形螺纹牙型斜角
3、两边不相等，工作面=3,非工作面= 30，效率较三角形螺纹高，只能用于单向传动。,单线螺纹 Z=1，效率低，自锁性好，易加工,三线螺纹Z=3，效率高，自锁性差，难加工,双线螺纹Z=2，效率较Z=1 高,单线螺纹,双线螺纹,三线螺纹,1 .大径d：外、内螺纹的最大直径，为螺纹的公称直径（管螺纹除外）,2 .小径d1：与外螺纹牙底或内螺纹牙顶相重合的假想圆柱上面的直径。在强度计算中常用作危险截面的计算直径。,3 .中径d2：处于大径和小径之间的一个假想圆柱的直径，在该圆柱的母线上螺纹牙厚度与牙槽宽度相等。,4 .螺距P ： 相邻两牙在中径线上对应两点间的轴向距离。 5 .导程Ph ：螺纹上任一点沿
4、螺旋线绕一周所移过轴向距离。Ph= zP。,6 .升角 ：螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面间的夹角，通常用中径处的升角表示。其计算式为：,7 .牙型角：在螺纹轴线平面内螺纹牙两侧面的夹角 。螺纹牙型的侧边与螺纹轴线的垂线间的夹角称为牙型斜角 。对于三角形、梯形螺纹等对称牙型， =/2。,1 .大径d：与外螺纹牙顶或内螺纹牙底相切的圆柱直径，规定为螺纹的公称直径（管螺纹除外）。,2 .小径d1：与外螺纹牙底或内螺纹牙顶相相切圆柱体直径。在强度计算中常用作危险截面的计算直径。,3 .中径d2：处于大径和小径之间的一个假想圆柱的直径，在该圆柱的母线上螺纹牙厚度与牙槽宽度相等。,4 .螺距P ： 相
5、邻两牙在中径线上对应两点间的轴向距离。,5 .导程Ph ：螺纹上任一点沿螺旋线绕一周所移过轴向距离。Ph= zP。,7 .牙型角：在螺纹轴线平面内螺纹牙两侧面的夹角 。螺纹牙型的侧边与螺纹轴线的垂线间的夹角称为牙型斜角 。对于三角形、梯形螺纹等对称牙型， =/2。,6 .升角 ：螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面间的夹角，通常用中径处的升角表示。其计算式为：,二、螺旋副的受力关系、效率和自锁,（一） 矩形螺纹副（牙型角=0）的受力关系及效率,1）拧紧螺母时相当相当于滑块沿斜面等速上升运动,效率：,2）松脱螺母时相当于滑块沿斜面等速下降,当滑块在FQ作用下沿斜面等速下 降时，滑块上的摩擦力Ff沿
6、斜面向上， 斜面对滑块的总反力FR与FQ之间夹角 为-，由力三角形可的水平力：,3）螺旋副的自锁条件,由松脱螺母时的水平力计算式可知，若，则Ft为负值。表明要使 滑块在FQ作用下沿斜面等速下滑，必须加一反方向的水平力Ft，否则不论FQ力有 多大，滑块都不会在其作用下自行下滑，即螺母不会在轴向载荷FQ作用下自行松 脱此现象称为自锁。,螺旋副的自锁条件： ,（二） 非矩形螺纹副（牙型角0）的受力关系及效率,矩形螺纹副,非矩形螺纹副,1）矩形螺纹： FRn= FQFf=FRnf= FQ f 摩擦角=arctanf,2）非矩形螺纹： FRn = FQ/cosFf= FRn f= FQ f /cos=
7、FQ fv 摩擦角v=arctanfv,效率：,非矩形螺旋副的自锁条件： v,一）螺栓联接 螺栓联接是利用螺栓穿过被联接件的孔，拧上螺 母，将被联接件联成一体。其被联接件的孔内不切制螺纹，使用方便。通常用 被联接件不太厚，能从被联接件两边进行装配的场合。,16-2 螺纹联接,一. 螺纹联接的基本类型,结构特点：被联接件通孔和螺栓间有间隙故通孔加工精度要求较低，其结构简单、装拆方便，应用广泛。,普通螺栓联接,1. 普通螺栓（即受拉螺栓）联接,受力特点：,联接承受外载荷时，螺栓受拉力作用,化工管道,2. 铰制孔用螺栓（即受剪螺栓）联接。,结构特点：被联接件孔和螺栓杆之间常采用基孔制过渡配合（H7/
8、m6，H7/n6）。用于要求精确固定被联接件相对位置，并能承受横向载荷，但孔的加工精度要求较高。,铰制孔用螺栓联接,普通螺栓联接,受力特点：联接借助螺栓杆承受横向外载荷，螺栓受剪力作用。,特点是：将螺栓一端旋紧在一被联接件的螺纹孔内，另一端穿过另一 被联接件的孔，旋上螺母，从而将被联接件联成一体。,二）双头螺柱联接,应用：用于被联接件之一太厚不便穿孔，且需经常装拆或结构上受限制 不能采用螺栓联接的场合。,注意：被联接件上螺纹孔底部正确绘制,d,发动机缸体,特点：螺钉联接不用螺母，而是直接将螺钉拧入被联接件之一的螺纹孔内，从而实现联接。,三）螺钉联接,应用：用于被联接件之一较厚的场合，不经常装拆
9、联接的场合。,注意：被联接件上螺纹孔底部正确绘制,特点：紧定螺钉联接，是利用 紧定螺钉旋入一零件，并以其末端 顶紧另一零件（或该零件的的凹坑 内）来固定两零件之间的相互位置,四）紧定螺钉联接,应用：可用于传递不大的力及转 矩，多用于轴和轴上零件的联接。,二. 螺纹联接件,紧定螺钉联接,一）螺栓,六角头螺栓,二）双头螺栓两端均制有螺纹，两端螺纹可相同（均为粗牙）也可 不同（一端为粗牙，另一端为细牙）。,六角头铰制孔用螺栓,三）地脚螺栓是将机座固定在地基上一种特殊螺栓。,四）螺钉、紧定螺钉螺钉头部、紧定螺钉末端有多种结构型式,地脚螺栓,螺钉头部结构型式,外六角头,内六角头,一字槽沉头,十字槽沉头,
10、十字槽半圆头,锥端,平端,圆柱端,尖锥端,紧定螺钉末端结构,五）螺母,六角薄螺母,六角厚螺母,六角槽形螺母,圆螺母,六） 垫圈,平垫圈,斜垫圈,弹簧垫圈,圆螺母用带翘垫圈,16-2 螺纹联接,二. 螺纹联接的预紧,1、预紧的目的：为了增大连接的刚性、紧密性提高防松能力和抗疲劳强度。 即工作之前将螺纹联接拧紧加预紧力F。,一般预紧力F产生的应力不超过材料的屈服极限的80%碳素钢 F（0.60.7）sA1合金钢 F（0.50.6）sA1,2、预紧的方法,F不容易控制，一般采用,1)凭手感经验（不准确） ；,2)测力矩扳手；,3)定力矩扳手；,4)测定伸长量。,测定伸长量,测力矩扳手,定力矩扳手,拧
11、紧力矩大小,如图所示，在拧紧螺母时， 需要克服螺纹副相对扭转 的阻力矩T1和螺母与 支承面之间的摩擦阻力 矩T2， 即拧紧力矩T=T1+T2,拧紧力矩,T1 克服螺纹副相对转动的阻力矩；,T2 克服螺母支撑面上的摩擦阻力矩；,设预紧力为F,rf 支撑面摩擦半径。 rf =(dw+d0)/4,T 0.2 F d,总力矩：,fc 摩擦系数。 无润滑时取： fc =0.15,16-2 螺纹联接,三. 螺纹联接防松,防松的根本目的在于防止螺纹副间的相对转动。防松的措 施很多，按工作原理可分为如下三类。,1摩擦防松 这类防松措施是使拧紧的螺纹之间不因外载荷变化而失去压力，即始终有摩擦阻力防止联接松脱。这
12、种方法不十分可靠，故多用于冲击和振动不剧烈场合。常用的有如下几种：,弹簧垫圈,双螺母,2. 机械防松,机械防松的措施是，利用各种止动零件，以阻止拧紧的螺纹零件产生相对转动。这类防松方法相当可靠，应用很广。常用的方法有：,槽形螺母和开口销,串联钢丝,正确结构,错误结构,止动垫圈,3.粘合和破坏螺纹副防松,将粘合剂涂于螺纹旋合表面，拧紧螺母后，粘合剂能自行固化，防松效果良好。,利用焊、冲点的方法，排除了螺母相对螺栓转动的可能。 如右图,16-3 单个螺栓联接的强度计算,一. 螺栓联接强度计算的目的：是确定螺栓的公称直径d,二. 螺栓联接的失效形式及计算准则,2 .受剪螺栓（受横向载荷的铰制孔螺栓）
13、主要破坏形式为螺栓杆与孔壁间压溃或螺栓杆被剪断，计算准则应是保证联接的挤压强度和螺栓的剪切强度，其中联接的挤压强度对联接的可靠性起决定性的作用。,1 .受拉螺栓（受轴向载荷或横向载荷 的普通螺栓）主要破坏形式为螺栓 杆和螺纹部分可能发生塑性变形或断裂 ，其计算准则是：保证螺栓的静力（或 疲劳）拉伸强度。,普通螺栓联接,铰制孔用螺栓联接,吊环螺栓联接（松）,气缸盖螺栓联接（紧）,三. 螺栓联接的强度计算,松螺栓联接装配时不需拧紧螺母如吊环螺栓联接,紧螺栓联接装配时必须将螺母拧紧，应用广泛。如气缸盖螺栓联接等。,一）受轴向载荷（力作用线与螺栓轴线平行）的螺栓连接,螺栓危险剖面的抗拉强度条件为：,1
14、. 松螺栓联接,工作载荷前，螺栓并不受力,工作时受拉力F（由外加载荷产生）,MPa,校核计算式：,d1 螺栓危险剖面直径，即螺纹小径，mm；,螺栓的公称直径d确定：根据d1d1ca的原则查普通螺纹基本尺寸（GB196- 81）机械设计课程设计表11-1，确定螺栓的公称直径d。, 松螺栓联接的许用应力，Mpa，,螺栓材料的屈服极限,S松松螺栓联接的安全系数，S=1.21.7,14,11.835,2、紧螺栓联接 装配时须要拧紧，在工作状态下可能还需要补充拧紧。,1)只受预紧力作用的紧螺栓联接,螺栓与孔之间有间隙，工作时预紧力F导致接合面所产生的摩擦力应大于横向载荷FR。,预紧力F,Kf 可靠性系数
15、，常取Kf =1.11.3,m 结合面数 图示m=1,f 摩擦系数，对钢与铸铁，取: f =0.10.15,若取 f =0.15， Kf=1.2, m=1, 则：,F 8F,结构尺寸大,改进措施：1. 采用键、套筒、销承担横向工作载荷。螺栓仅起连接作用,2. 采用无间隙的铰制孔螺栓。,螺栓受预紧力F和摩擦力 矩T的双重作用。,拉应力：,强度计算,切应力：,分母为抗剪截面系数,对于M10M68的普通螺纹，取d1、d2和的平均值， 并取： tanV = f V =0.15,得： 0.5 ,当量应力：,强度条件：,设计式,依所得d1靠标准直径d,设流体压强为p，螺栓数目为Z，则缸体周围每个螺栓的平均
16、载荷为：,2) 受预紧力和轴向工作载荷的紧螺栓联接,此时,螺栓受总拉力F0 = F+ F吗?,特别注意，轴向总载荷F0：,F0 F+ F,设计：潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,分析加载过程：,加预紧力后螺栓受拉伸长1,被联接件受压缩短2,加载 F 后:,螺栓总伸长量增加为:,总拉力为：,被联接件压缩量减少为：,残余预紧力减少为： F,很显然: FF 被联接件放松了, + 1,2 - ,设计：潘存云,F= F +F2,=(C1 +C2 ) ,F= F- F2,= F C2 ,F 0= F + F,= F + C1 ,代入得：,说明: 1、螺栓相对刚度在 0 1之间,2、残余压应力F按工程需要
17、选择,载荷稳定 F=（0.20.6）F,载荷不稳定 F=（0.61.0）F,地脚螺栓 FF,有紧密性要求 F=（1.51.8）F,3、螺栓静强度计算式,强度条件：,设计式,4、螺栓疲劳强度计算式,5、螺栓设计一般步骤：,由已知条件定单个螺栓的载荷F 由工作要求定残余预紧力F 总载荷F0 选择螺栓强度级别定小径d1 靠标准。,二）受剪的绞制孔螺栓连接,这种联接是利用铰制孔用螺栓抗剪切和接触表面受挤压来承受载荷，因此，应分别按挤压强度和剪切强度条件计算。,螺栓杆与孔壁的挤压强度,螺栓杆的剪切强度,m=1,m=2,h,四 螺栓的材料、性能级别和许用应力,一般螺栓,Q215 Q235 10 35 45
18、,重要螺栓,15Cr 40Cr 30Cr MnSi,性能级别,表10-4 5.6 8.8,16-4 螺栓组联接的设计,主要目的：确定螺栓的数目及布置形式；确定螺栓联接的结构尺寸。应综合考虑以下问题：,（一）螺栓组联接的结构设计,1. 联接结合面形状应和机器的结构形状相适应,2. 螺栓的布置应使各螺栓受力合理,16-4 螺栓组联接的设计,3. 螺栓的排列应有合理的间距、边距、留必要的板手空间。板手空间的具体尺寸可查有关手册。,16-4 螺栓组联接的设计,4. 分布在同一圆周的螺栓数目,宜取偶数,以便在 圆周上钻孔时,分度和划线。在同一圆周的螺栓组中， 螺栓的材料、直径和长度均应相同。,5. 避免
19、螺栓承受偏心载荷,（二） 螺栓组联接的受力分析,16-4 螺栓组联接的设计,1. 受轴向力FQ的螺栓组联接,FQ,设单个螺栓所受工作载荷为FQ，螺栓数目为z，则有：F=FQ/z,2. 受横向力FR的螺栓组联接,当用普通螺栓联接时，螺栓仅受预紧力F作用，靠接合面间的摩擦力来传递载荷。因此，接合面间所产生的最大摩擦力必须大于或等于横向载荷，即：,Kf 可靠性系数， 常取Kf =1.11.3,当用铰制孔用螺栓联接时，靠螺栓杆受剪切和挤压来传递载荷。因此，可认为每个螺栓所受的横向工作载荷Fs是相等的，即：,3.受转矩的螺栓组联接,当用受拉螺栓联接时,假设螺栓结合面的摩擦力相等并集中在螺栓的中心处,与螺
20、栓中心至底板的旋转中心垂直,由底板的静力平衡条件:,当用铰制孔螺栓联接时,假设螺栓的工作载荷与螺栓中心至底板的旋转中心垂直,忽略联接中的预紧力和摩擦力,由底板的力矩平衡条件:,变形协调关系,4.受倾覆力矩的螺栓组联接,如图所示，在M的作用下，根据底板的静力平衡条件有：,根据螺栓变形协调条件及螺栓拉伸刚度相同，得：,4.受倾覆力矩的螺栓组联接,可见，距离中心线越远的螺栓受力越大。,5. 螺栓组联接应满足的一般要求,图示螺栓组连接根据受力情况,主要失效有结合面压溃、脱开、滑移和螺栓拉断。,防止接合面受压最大处被压溃或受压最小处出现间隙，接合面间的应力符合以下条件：,5. 螺栓组联接应满足的一般要求
21、,所以，上述条件可表达为：,不压溃,不脱开,不拉断,不滑移,165 提高螺栓联接强度的措施,承受轴向变载荷时，螺栓的损坏形式：,疲劳断裂,容易断裂部位：,一、降低螺栓变载荷F的变化范围,轴向工作载荷F的变化范围: 0 F,总拉伸载荷的F0变化范围:,C1 C2 , F变化范围,或,采用空心螺栓、柔性螺栓，避免使用柔性垫片的方法,采用金属薄垫片或者O形密封圈,设计：潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,二、改善螺纹牙间的载荷分布,措施: 采用悬置(均载)螺母。,加厚螺母不能提高联接强度。,F=F1+F2+F3+F4+F5,F1F2F3F4F5,螺母体,假设螺母为刚体，则螺纹牙变形与普通螺木相同。 但实际上螺母也是弹性体，受载也被拉长，变形螺纹牙产生回弹，从而减小两者螺距变化，使受载均匀。,10圈以后，螺母牙几乎不承受载荷。,三、减小应力集中,1.增大过渡圆角,2.切制卸载槽,四、避免或减小附加应力,3.卸载过渡结构,要从结构、制造与装配精度采取措施。,五、采用合理制造工艺,冷镦头部、辗压螺纹,表面处理：氰化、氮化也能提高疲劳强度。,结 束,电教制作：,三. 扳手空间,螺栓排列应有合理的钉距、边 距，注意留必要的板手空间。板手 空间的具体尺寸可查有关手册。,要有合理的边距,要有合理的间距,
