第九章螺纹联接.ppt

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1、第九章 螺纹联接,9-1 螺纹联接的基木知识 9-2 螺纹的效率和自锁 9-3 螺纹联接的基木类型及其预紧和防松 9-4 螺纹联接的强度计算,9-1 螺纹联接的基木知识,9-1-1螺纹的形成 如图9-1所示，将-倾斜角为必，直线绕在直径为d，的圆柱体上，在该圆柱体上便可形成-条螺旋线。取-平面图形，如三角形，令其-边ab与圆柱体的母线重合，并使该平面图形始终通过圆柱体的轴线，沿螺旋线移动，三角形的两边a。和be即在该圆柱体上形成螺纹。 9-1-2螺纹的分类 螺纹的分类方法很多，按照形成螺纹的平面图形形状不 同，螺纹可分为三角形螺纹、矩形螺纹、梯形螺纹和锯齿形螺纹等，如图9 -2所示。三角形螺纹

2、主要用于联接，矩形、梯形和锯齿形螺纹主要用于传动。,下-页 返回,9-1 螺纹联接的基木知识,按照螺旋线旋绕方向不同，螺纹可分为右旋螺纹和左旋螺纹，如图9-3所示。机械中-般采用右旋螺纹，有特殊要求的场合可采用左旋螺纹。 按照螺纹线数目不同，螺纹可分为单线、双线(图9 -3)和多线螺纹。为了制造方便，螺纹的线数-般不超过4条。从垂直于圆柱体轴线的端面方向观察，可以判别螺纹的线数 螺纹分布在圆柱体外(内)表面上称为外(内)螺纹，内外螺纹旋合在-起构成螺旋副。按所采用单位制不同，螺纹可分为米制螺纹和英制螺纹。普通螺纹联接-般采用公制单位。 9-1-3螺纹的主要参数,上-页 下-页 返回,9-1 螺

3、纹联接的基木知识,现以普通米制三角形螺纹为例介绍螺纹的主要参数，如图9-4所示 1.径向参数 (1)大径d:螺纹牙顶所在圆柱体的直径，其也是螺纹的公称直径。公制螺纹的公称直径通常用符号M加大径d的值来表示，如螺纹公称直径为20 mm ,:可记为M20 (2)小径d1:螺纹牙根所在圆柱体的直径，常近似作为螺纹危险截面直径。 (3)中径d2:介于大径和小径之间，而且在轴平面内牙厚等于牙间宽的圆柱体直径。螺旋副的受力分析通常在中径上进行 内螺纹的径向尺寸用相应的大写字母表示。,上-页 下-页 返回,9-1 螺纹联接的基木知识,2.轴向参数 (1)螺距P: 相邻两螺纹牙上对应点间的轴向距离。 (2)导

4、程Pb:螺纹上任意-点沿螺旋线旋转-周所移过的轴向距离，Pb = nP , n为螺纹线数。 3.角度参数 螺纹升角:螺纹中径圆柱面上螺旋线的切线与端面间所夹的锐角。大、中、小各圆柱面上的螺纹升角是不同的。由图9 -3可知,上-页 下-页 返回,9-1 螺纹联接的基木知识,牙型角:轴平面内螺纹牙两侧边的夹角。矩形螺纹的牙型角 =0; 三角形、梯形、锯齿形螺纹的牙型角如图9 -2所示，其中锯齿形螺纹的牙型不对称。 牙型斜角:轴平面内螺纹牙-侧边与端面间夹角。对称牙型，=/2。锯齿形螺纹工作面的牙型斜角刀=3 螺纹的基本参数绝大多数都已经标准化了，设计时应按表9-1选取,上-页 返回,9-2 螺纹的

5、效率和自锁,9-2-1螺纹的效率和自锁 旋转螺母时，需克服螺纹表面间的摩擦力所产生的摩擦力矩，因而，有功的损失，使效率下降。当拧紧螺母时，效率为 9-2-2影响自锁性能的因素 在摩擦系数-定的情况下，牙形角越大，v也越大。由式(9-2)和式(9-3)可知，在-定的情况下， v越大，效率越低，自锁性能越好。,下-页 返回,9-2 螺纹的效率和自锁,在摩擦角-定的情况下，根据式(9-2)可画出效率与螺纹升角的关系曲线(如图9-5所示)由图可见，螺纹升角必-般不应超过25在此范围内，螺纹升角必越大，效率越高，自锁性能越差。 所以，单线、普通三角形螺纹，特别是小螺距的螺纹，其效率刀低，自锁性能好，常用

6、于螺纹联接中。矩形、梯形、锯齿形螺纹，尤其是多线螺纹，其效率刀高，不易自锁，常用于传动。,上-页 返回,9-3 螺纹联接的基木类型及其预紧和防松,9-3-1螺纹联接件 1.普通螺栓 普通螺栓头部有多种形式，其中最常用的是六角头螺栓，如图9-6所示。通常普通螺栓也可以用于螺钉联接中。 2.铰制孔螺栓 铰制孔螺栓头部的形式为六角形，如图9-7所示。其中部的圆柱部分与被联接件的孔配合，以承受垂直螺栓轴线方向的载荷。 3.双头螺柱 双头螺柱(如图9-8所示)两端均制有螺纹，旋入被联接件螺纹孔的-端称为座端，另-端为螺母端。,下-页 返回,9-3 螺纹联接的基木类型及其预紧和防松,4.螺钉 螺钉的结构形

7、状与螺栓类似，但螺钉头部形式较多，除六角头形以外还有内六角头、半圆头、沉头等，如图9-9所示。可根据拧紧力矩大小来选用，拧紧力矩较大时，可选内、外六角头螺钉，拧紧力矩不大时，可选半圆头或沉头螺钉。 5.紧定螺钉 紧定螺钉的头部和尾部形式很多(如图9-10所示)，可以适应不同拧紧程度的需要，其中方头能承受的拧紧力矩最大。常用的尾部形状有锥端、平端、圆柱端和圆尖端等，-般要求紧定螺钉的尾部有足够的硬度。,上-页 下-页 返回,9-3 螺纹联接的基木类型及其预紧和防松,6.螺母 螺母的形状有六角形、圆形、方形等(如图9-11所示)，其中以六角螺母应用最普遍。六角螺母的厚度又分为普通螺母、扁螺母和厚螺

8、母。扁螺母用于尺寸受限制的地方，厚螺母用于经常装拆、易于磨损的场合。 7.垫圈 垫圈是螺纹联接的辅助配件，多数螺纹联接都应加垫圈。常用的有平垫圈，如图9-12(a), ( b)所示和弹簧垫圈，如图9-12(c)所示。平垫圈的作用:增加被联接件的支承面积，减小接触处压强，使螺母压力均匀分布到零件表面上，防止旋紧螺母时损伤被联接件表面。弹簧垫圈还兼有防松的作用。,上-页 下-页 返回,9-3 螺纹联接的基木类型及其预紧和防松,9-3-2螺纹联接的基本类型 螺纹联接的基本类型可分为普通螺栓联接、铰制孔螺栓联接、双头螺柱联接、螺钉联接和紧定螺钉联接，其结构形式如图9-13所示。 1.普通螺栓联接 普通

9、螺栓联接是利用螺栓有螺纹-端穿过被联接件的通孔，旋紧螺母，从而将被联接件联成-体，孔壁和螺栓杆之间存在-定的间隙，如图9-13 ( a)所示。由于被联接件的孔不需要加工螺纹，结构简单，装拆方便，所以广泛应用于被联接件不太厚的场合。,上-页 下-页 返回,9-3 螺纹联接的基木类型及其预紧和防松,2.铰制孔螺栓联接 铰制孔螺栓联接的螺栓杆与被联接件孔壁间采用过渡配合，如图9-13 (b)所示。由于被联接件的孔需要精加工，所以，铰制孔螺栓联接兼有定位作用。 3.双头螺柱联接 双头螺柱联接是利用两端均有螺纹的螺柱，将其-端拧入较厚的被联接件螺纹孔中，另-端穿过其余被联接件的孔，旋上螺母并拧紧，从而将

10、被联接件联成-体，如图9-13(c)所示。这种联接适用于-被联接件较厚、不宜制成通孔，且联接需经常拆卸的场合。,上-页 下-页 返回,9-3 螺纹联接的基木类型及其预紧和防松,4.螺钉联接 螺钉联接不使用螺母，而是利用螺栓穿过被联接件的通孔，直接拧入另-被联接件的螺纹孔内实现联接，如图9-13 (d)所示。这种联接结构上比双头螺柱联接简单，但由于经常装拆易损坏螺纹孔，所以这种联接适用于被联接件较厚、不宜制成通孔，且不经常拆卸的场合。 5.紧定螺钉联接 紧定螺钉联接利用紧定螺钉旋入-被联接件，用其末端顶紧另-被联接件，以固定两者间相对位置。这种联接可传递不大的力及转矩，多用于轴与轴上零件的固定，

11、如图9-13(e)所示,上-页 下-页 返回,9-3 螺纹联接的基木类型及其预紧和防松,普通螺栓、双头螺柱、螺钉联接，即可以用于承受轴向载荷也可以用于承受横向载荷，当用来承受横向载荷时，主要靠被联接件接合面间的摩擦力传递载荷。无论是承受轴向载荷还是用于承受横向载荷，这些螺栓都只受到沿轴向的拉力作用。 铰制孔螺栓联接只用于承受横向载荷，其靠孔与螺栓杆间的挤压和螺栓杆上的剪切来承受载荷。铰制孔螺栓联接虽承受横向载荷的能力强，但由于孔需精加工、安装困难，故无特殊需要，常采用普通螺栓、双头螺柱、螺钉联接来传递横向载荷。,上-页 下-页 返回,9-3 螺纹联接的基木类型及其预紧和防松,9-3-3螺纹联接

12、的预紧与防松 1.螺纹联接的预紧 螺纹联接-般都需要将螺母拧紧，使螺栓受到-定的预紧力F。-般联接对预紧力往往不加控制，拧紧程度靠经验而定;对于重要联接(如气缸盖的螺栓联接等)，预紧力必须加以控制以满足联接强度、可靠性和密封性等要求。控制预紧力常用的拧紧工具有指针式扭力扳手、定力矩扳手等，如图9-14所示 在拧紧螺母时，拧紧力矩T需要克服做相对运动的螺纹阻力矩T1和螺母与支承面间的摩擦阻力矩T2，如图9-15所示，即,上-页 下-页 返回,9-3 螺纹联接的基木类型及其预紧和防松,对于常用螺栓M10M68的粗牙普通螺纹，上式可简化为 小直径螺栓装配时不应施加过大的拧紧力矩，否则螺栓容易被拧断。

13、因此，对重要的有强度要求的螺栓联接，如无控制拧紧力矩的措施，不宜采用小于M12的螺栓。 2.螺纹联接的防松 联接用螺纹标准件都能满足自锁条件拧紧螺母后，螺母或螺钉与被联接件支承面间的摩擦力也有助于防止螺母松脱。因此在受静载荷和常温下，螺纹联接-般不会产生松动。若温度变化较大或联接受到冲击、振动以及不稳定载荷的,上-页 下-页 返回,9-3 螺纹联接的基木类型及其预紧和防松,作用，则摩擦力就会减小，甚至消失，致使螺母逐渐松脱。这种松脱会引起机器设备的严重损坏或造成重大的人身事故。因此，为了保证联接的可靠性，在设计和安装时必须按照工作条件、工作可靠性要求考虑设置螺纹防松结构或装置。 防松的目的就是

14、防止螺旋副产生相对转动。根据工作原理的不同，防松可分为摩擦防松、机械防松和不可拆卸防松等。摩擦防松是采用各种结构措施使螺旋副元素间的摩擦力不随联接的外载荷波动而变化，保持较大的摩擦力。机械防松是利用便于更换的元件约束螺旋副，使之不能相对转动。不可拆卸防松是将螺纹拧紧之后，用点焊、冲点或在螺栓旋,上-页 下-页 返回,9-3 螺纹联接的基木类型及其预紧和防松,合部分涂钻结剂等办法把螺旋副转变为非运动副，从而排除相对转动的可能。表9-2所列是几种常用的防松方法。,上-页 返回,9-4 螺纹联接的强度计算,9-4-1受拉螺栓的强度计算 受拉螺栓联接的主要失效形式是螺杆螺纹处的塑性变形或断裂。 1.只

15、受工作载荷作用的螺栓强度计算 只受工作载荷的螺栓联接，装配时不需拧紧，螺栓只有在工作时才受工作载荷F作用，如图9-16所示。忽略零件的自重，螺栓的强度条件为：,下-页 返回,9-4 螺纹联接的强度计算,2.只受预紧力作用的螺栓强度计算 图9-17所示为普通螺栓联接被预紧(其预紧力为F)，又受到横向工作载荷Fs的作用。这种联接是利用被联接件接合面间压力所产生的摩擦力，来传递横向载荷的。根据力平衡条件有 螺栓被拧紧时，螺栓危险截面上同时受到由预紧力F引起的拉应力和由螺纹力矩T引起的扭剪应力T。根据第四强度理论，螺栓的强度条件为,上-页 下-页 返回,9-4 螺纹联接的强度计算,对于M10M68的普

16、通螺纹 由此可见，扭应力对强度的影响，相当于将预紧力F引起的拉应力增大30%，故强度条件为,上-页 下-页 返回,9-4 螺纹联接的强度计算,3.既受预紧力又受工作载荷作用的螺栓强度计算 螺栓的总拉力为 随着工作载荷F的增加，剩余预紧力F“减小。当工作载荷增大到-定程度时，剩余预紧力F”等于零，这时被联接件间将会出现缝隙，如图9-19 ( d)所示，这是螺栓联接中不允许出现的情况。为保证联接的紧密性，必须维持-定的剩余预紧力。剩余预紧力F“的大小可按表9-4选取。,上-页 下-页 返回,9-4 螺纹联接的强度计算,考虑到螺栓联接在总拉力F0的作用下，可能再被补允拧紧，此时同时有F0引起的正应力

17、和拧紧力矩引起的扭剪应力，故螺栓的强度条件为 当轴向工作载荷在0F0之间变化时，螺栓所受的总拉力将在F-F0之间变化。对于受轴向变载荷作用的螺栓粗略计算可按总拉力F0进行，其强度条件仍为式(9-11)，所不同的是许用应力按表9-3在变载荷项内查取。,上-页 下-页 返回,9-4 螺纹联接的强度计算,9-4-2受剪切和挤压螺栓的强度计算 铰制孔螺栓联接用于承受横向载荷，如图9-20所示。当受横向载荷F、作用时，螺栓的圆柱体受到剪切力作用，且该圆柱体与被联接件共同受到挤压力作用。这种联接的主要失效形式是:圆柱体受剪面的塑性变形或剪断;圆柱体或被联接件的挤压面被压溃。 铰制孔螺栓联接装配时，只需对螺

18、栓施加较小的预紧力，因此可以忽略接合面间的摩擦故联接的强度条件为,上-页 下-页 返回,9-4 螺纹联接的强度计算,挤压强度的计算对象要根据具体联接结构和各零件材料来确定 9-4-3螺栓的材料和许用应力 螺栓的常用材料有碳素结构钢(Q215 , Q235）;优质中、低碳钢(20, 35, 45)重要和特殊用途的螺栓联接件可采用力学性能较高的中、低碳合金钢(15Cr, 40Cr, 30CrMnSi )。此外，有防蚀或导电等要求时，螺纹联接件材料也可用铜及其合金或其他有色金属。常用材料及热处理方法见表9-6中，使用时应使其满足相应的性能等级。 由表9-6可知，螺栓、螺钉和螺柱按力学性能不同分为十级

19、。螺母的性能等级分为七级，分别与相配螺栓的性能等级对应，见表9-7,上-页 下-页 返回,9-4 螺纹联接的强度计算,螺栓的许用应力与许多因素有关，如螺栓的材料及热处理工艺、构造、尺寸、载荷性质、工作温度、加工装配质量、使用条件等，精确选定许用应力必须综合考虑上述各因素。-般机械设计可参照表9-3、表9-5选用其许用应力及安全系数.,上-页 返回,图9-1螺纹的形成,返回,图9-2螺纹的牙形,返回,图9-3螺纹的旋向与线数,返回,图9-4螺纹参数,返回,图9-5螺纹效率曲线,返回,图9-6六角头螺栓,返回,图9-7铰制孔螺栓,返回,图9-8双头螺柱,返回,图9-9螺钉头部形状,返回,图9-10

20、紧定螺钉的头部和末端形状,返回,图9-11螺母,返回,图9-12垫圈,返回,图9-13螺纹联接的基本类型,返回,图9-14控制螺栓拧紧力矩扳手,返回,图9-15螺栓拧紧时的力矩,返回,图9-16只受工作载荷的螺栓联接,返回,图9-17只受预紧力作用的螺栓联接,返回,图9-19螺栓与被联接件的受力与变形,返回,图9-20铰制孔螺栓联接的接受力分析,返回,表9-1普通螺纹的基本尺寸,返回,表9-1普通螺纹的基本尺寸,返回,表9-2常用防松方法及特点,返回,表9-2常用防松方法及特点,返回,表9 -3普通螺栓联接的许用应力及安全系数,返回,表9-4剩余预紧力F“的选取,返回,表9 -5铰制孔螺栓联接的许用应力及安全系数,返回,表9-6螺栓、螺钉、螺柱性能等级,返回,表9-7螺母性能等级,返回,