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1、第13章 螺纹连接,连接的分类：,1.按机械工作时被连接零（部）件间是否有相对运动分：,2.按能否拆开分：,连接,静连接,动连接,螺纹连接、键连接、花键连接、销连接,导向平键连接、导向花键连接及各种运动副,连接,可拆连接,不可拆连接,螺纹连接、键连接，销连接、形面连接,焊接、粘接和铆接等,第13章 螺纹连接,一、螺纹的形成及其分类,13.1螺纹的形成及螺纹的主要参数,（一）螺纹的形成,1.螺旋线的形成,第13章 螺纹连接,一、螺纹的形成及其分类,13.1螺纹的形成及螺纹的主要参数,（一）螺纹的形成,1.螺旋线的形成,右旋、单头,左旋、单头,右旋、双头,2.螺纹的形成,右旋单线三角螺纹的形成,右
2、旋双线三角螺纹的形成,右旋双线矩形螺纹的形成,左旋双线矩形螺纹的形成,（二）螺纹的分类,1.按牙型分:,2.按螺纹分布的部位，可分为外螺纹和内螺纹。,外螺纹在圆柱孔的外表面形成的螺纹内螺纹在圆柱孔的内表面形成的螺纹,3.根据螺旋线绕行方向：左旋、右旋。,内外螺纹两者旋合组成的运动副称为螺纹副或螺旋副。,4.根据螺旋线的数目，分为单线螺纹和多线螺纹。,单线螺纹用于连接，多线螺纹用于传动。,二、普通螺纹的主要参数,1.大径 d ：最大直径,螺纹的公称直径。,2.小径 d1：最小直径,常用于连接的强度计算,3.中径 d2 轴向剖面内牙厚等于牙间宽处的圆柱直径。,常用于连接的几何计算,4. 螺距P,5
3、.导程Ph,PhzP,6.升角：在中径圆柱上，螺旋线的切线与垂直其轴线的平面所夹的夹角,7.牙型角,8.牙型斜角,对于对称牙型，,13.2 螺旋副的受力分析、效率与自锁,问题的提出：,1.力关系 2.效率问题,螺旋千斤顶,3.自锁问题,问题的提出：,1.力关系 2.效率问题,螺旋千斤顶,一、矩形螺旋副,1.力关系式,1.力关系式,1.力关系式,1.力关系式,摩擦角r ：,摩擦角r ：,1.力关系式,（5-3）,（5-2）,当螺母旋转一周时:,2.螺旋副的效率,输入功：,输出功：,当螺母旋转一周时:,输入功：,输出功：,2.螺旋副的效率,Ph,当螺母旋转一周时:,输入功：,输出功：,2.螺旋副的
4、效率,Ph,当螺母旋转一周时:,输入功：,输出功：,2.螺旋副的效率,Ph,当螺母旋转一周时:,输入功：,输出功：,效率:,（5-4）,2.螺旋副的效率,Ph,在工程应用中：,0 10 20 30 40 50 60 70 80,90,100,80,60,40,20,螺纹升角,效率,h,（,%,）,2.螺旋副的效率,3.螺旋副的自锁,(5-5),当 时， ,自锁条件 ：,(5-6),螺旋副自锁的用处：,连接用的螺旋副，紧固物件可自动防松；,螺旋千斤顶举重物，可自动防止重物下落。,小结：矩形螺旋副力关系、效率、自锁条件,二、非矩形螺旋副,设,FQ,Ff f N f FQ,NFQ /cos ,Ff
5、f N f FQ /cos ,fv当量摩擦因数。,rv当量摩擦角。,FQ,Ff f N f FQ,NFQ /cos ,Ff f N f FQ /cos ,非矩形螺旋副力关系、效率、自锁条件,讨论：,1.当螺纹升角一定时，螺纹的牙型斜角愈大，则fv（或rv）愈大，效率愈低，但自锁性愈好。因而在几种牙型的螺纹中，三角形螺纹自锁性最好，其次为梯形、锯齿形螺纹、矩形螺纹自锁性最差，传动效率则与此相反。,2.当fv（或rv）一定时，一般升角愈小，螺纹效率愈低，愈易自锁。故单线螺纹多用于连接，多线螺纹则常用于传动。,因此三角形螺纹用于连接，梯形、锯齿形螺纹、矩形螺纹用于传动。,一、螺纹连接的基本类型,1.
6、螺栓连接,1) 普通螺栓连接,13.3 螺纹连接和螺纹连接件,被连接件不太厚，螺杆带钉头，通孔不带螺纹，螺杆穿过通孔与螺母配合使用。装配后孔与杆间有间隙，并在工作中不许消失，结构简单，装拆方便，可多次装拆，应用较广。,2)铰制孔螺栓连接,铰制孔用螺栓能精确固定连接件的相对位置并能承受横向载荷，但对孔的加工精度要求高。,2.双头螺栓连接双头螺柱旋紧在被连接件之一的螺孔中，用于因结构限制不能用螺栓连接的地方（如被连接之一太厚）或希望结构较紧凑且经常装拆的场合 。,3.螺钉连接适于被连接件之一较厚（上带螺纹孔），不需经常装拆，一端有螺钉头，不需螺母，适于受载较小情况。,4、紧定螺钉连接拧入后，利用杆
7、末端顶住另一零件表面或旋入零件相应的缺口中以固定零件的相对位置。可传递不大的轴向力或扭矩。,吊环螺钉连接,特殊连接：,地脚螺栓连接,（三）标准螺纹连接件,螺纹连接件的类型很多，在机械设备中常见的有螺栓、双头螺栓、螺钉、螺母和垫圈等。这类零件的结构型式和尺寸都已标准化，设计时应根据有关标准选用。,1.螺栓 普通螺栓 六角头，小六角头，标准六角头，大六角头, 内六角 铰制孔螺栓螺纹部分直径较小,2.双头螺柱两端带螺纹,A型有退刀槽 B型无退刀槽,3.螺钉,与螺栓区别要求螺纹部分直径较粗，全螺纹。,4.紧定螺钉 锥 端适于零件表面硬度较低不常拆卸常合。 平 端接触面积大、不伤零件表面，用于顶紧硬度较
8、大的平面，适于经常拆卸。 圆柱端压入轴上凹坑中，适于紧定空心轴上零件的位置轻材料和金属薄板。,5.自攻螺钉由螺钉攻出螺纹,6.螺母 六角螺母：标准，扁，厚,圆螺母+止退垫圈带有缺口，应用时带翅垫圈内舌嵌入轴槽中，外舌嵌入圆螺母的槽内，螺母即被锁紧,7.垫圈,13. 螺栓连接的强度计算,普通螺栓连接在工作时，螺栓主要承受轴向力(包括预紧力)，故又称受拉螺栓。,铰制孔用螺栓连接工作时，螺栓只承受横向力，又称受剪螺栓。,螺栓连接强度计算的目的是：根据强度条件确定螺栓直径或校核其强度 ，而螺栓和螺母的螺纹牙及其他各部分尺寸均按标准选定。,螺栓连接的失效形式：主要是指螺纹连接件的失效。,对于受拉螺栓，其
9、失效形式主要是螺纹部分的塑性变形和螺杆的疲劳断裂。,螺栓连接的强度计算准则：,对于受拉螺栓，设计准则是保证螺栓的静力或疲劳抗拉强度；,对于受剪螺栓其设计准则是保证连接的挤压强度和螺栓的抗剪强度，其中连接的挤压强度对连接的可靠性起决定性作用。,对于受剪螺栓，其失效形式可能是螺栓杆被剪断或螺栓杆和孔壁的贴合面被压溃。,如吊钩螺栓，工作前不拧紧，只有工作载荷F起拉伸作用，强度条件为：,一、松螺栓连接,（1）验算公式,（2）设计公式,二、紧螺栓连接,1.受横向载荷的紧螺栓连接,受力时被连接件接合面间不应相对滑移失效，预紧力FQ0的大小根据板件的静力平衡条件可得 ：,（1）普通螺栓连接,拧紧螺母时，螺栓
10、除受预紧力FQ0产生的拉应力s外，还受螺纹力矩T1产生的扭剪应力t作用。螺栓危险剖面上产生的拉应力s和扭剪应力t分别为,对于常用的M10M68的钢制普通螺栓，可取 、 、 ，则 。,由于钢制螺栓是塑性材料，根据第四强度理论其当量应力为,故螺纹部分的强度条件为,验算用,设计用,式中 s紧连接螺栓的许用拉应力（MPa）,由此可见，同时受拉伸和扭转作用的紧连接螺栓，可把拉力增大30%当纯拉伸来计算螺栓的强度，以考虑螺纹力矩的影响，这样把拉扭的复合应力状态简化为纯拉伸来处理，大大简化了计算手续，故又称简化计算法 。,但当n=1，f=0.15，S=1.2时，螺栓需要的预紧力FQ0 =8R。因而所需螺栓尺
11、寸较大，如有冲击、振动或变载荷作用时，连接的可靠性更差。,为避免上述缺点，增加可靠性，减小直径，简化结构，提高承载能力，可采用各种抗剪元件来传递横向载荷，如用销、套简、键等。其强度计算与受剪螺栓连接相似。另外，也可改为铰制孔用螺栓连接。,a)减载销 b)减载套筒 c)减载键,靠摩擦传递横向载荷的连接，具有结构简单、装配方便等优点。,（2）铰制孔螺栓连接,hh1与 h2中的小者。,主要失效形式有：螺栓杆被剪断，螺栓杆与孔壁接触表面压溃。,三、螺纹连接件的性能等级和材料,1.螺纹连接件的常用材料,一般采用碳素钢，如Q215、Q235、35和45号钢等。对于承受冲击、振动或变载荷的螺纹连接件，可采用
12、15Cr、30CrMnsi、40Cr等力学性能较高的合金钢。,2.螺母、螺栓强度级别(表54),注意：选择对螺母的强度级别应低于螺栓材料的强度级别，螺母的硬度稍低于螺栓的硬度（均低于2040HB）,3. 螺栓连接的许用应力,思路：,螺纹连接计算实例：,螺栓组结构设计（布局、数目）螺栓组受力分析（载荷类型、状态、形式）求单个螺栓的最大工作载荷（判断哪个最大）按最大载荷的单个螺栓设计（求d1标准）全组采用同样尺寸螺栓（互换的目的）,例13-1 起重卷筒用6个均匀分布在D0=500mm的圆周上的双头螺柱与齿轮连接，利用双头螺柱夹紧产生的摩擦力矩将转矩传至卷筒。已知卷筒上的钢绳拉力G=15000N，卷
13、筒直径D=400mm，螺柱强度级别4.6级，连接接合面摩擦系数f=0.12，可靠性系数S=1.2，试计算双头螺柱的直径。,解：,1计算双头螺柱的预紧力FQ0 如图所示，卷筒与齿轮连接采用止口结构，因此双头螺柱连接只承受转矩T的作用，不受横向力G的作用。,在连接接合面上双头螺柱以预紧力FQ0夹紧产生的摩擦力矩,保证此双头螺柱连接正常工作的条件为,故为产生足够的摩擦力，每个螺柱所需的预紧力为,卷筒上的阻力矩,即,2确定双头螺柱直径 d(mm),因为双头螺柱的强度级别为4.6级，由表13-4查得ss=240N/mm2，初估双头螺柱直径d=22mm（查表得d1=19.294mm），查表13-5，当不控
14、制预紧力时， =(0.330.5)s，取,则,因18.12mm19.294mm，故选用6个M22（GB897-1988）双头螺柱，螺柱长度按结构确定。,13.5 螺纹连接的拧紧和防松,一、螺纹连接的拧紧,螺纹拧紧的目的：增强螺纹的连接的可靠性、紧密性和防松能力。,预紧力F：大多数螺纹连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力。,1.确定拧紧力矩,T0.2F d (3-9),一般标准扳手的长度L15d,若拧紧力为F，则T=FL,由（3-9）式可得：F 75F。假定F=200N，则F=15000N。,如果用这个预紧力拧紧M12以下的钢制螺栓，就很可能
15、过载折断。因此，对于重要的连接，应尽可能不采用直径过小（例如小于M12）的螺栓。必须使用时，应严格控制其拧紧力矩。,2.控制预紧力的方法,利用控制拧紧力矩的方法来控制预紧力的大小。通常可采用测力矩扳手或定力矩扳手，对于重要的螺栓连接，也可以采用测定螺栓伸长的方法来控制预紧力。,动画,动画,二、螺纹连接的防松,2、防松原理 消除（或限制）螺纹副之间的相对运动，或增大相对运动的难度。 按工作原理的不同，防松方法分为摩擦防松、机械防松、永久止动防松等。,1、防松目的 实际工作中，外载荷有振动、变化、材料高温蠕变等会造成摩擦力减少，螺纹副中正压力在某一瞬间消失、摩擦力为零，从而使螺纹连接松动，如经反复
16、作用，螺纹连接就会松驰而失效。因此，必须进行防松，否则会影响正常工作，造成事故。,3.防松办法及措施,1）摩擦防松,双螺母,弹簧垫圈,1）摩擦防松,自锁螺母,1）摩擦防松,以特殊技术使特殊的工程树脂材料永久粘付在螺牙上，利用工程树脂材料的反弹性，使螺栓和螺母在锁紧过程中通过挤压工程树脂材料产生强大的摩擦力，达到对震动及冲击的绝对阻力，彻底解决了螺丝的松动问题。,2）机械防松,开槽螺母与开口销，圆螺母与止动垫圈，止动垫片，串联钢丝等。,开槽螺母与开口销,2）机械防松,圆螺母与止动垫圈,2）机械防松,止动垫片,2）机械防松,串联钢丝,3）永久防松：端铆、冲点、点、粘合,防松紧固的新工艺: 微型胶囊
17、防松紧固加工工艺。 当紧固件安装进去时，胶囊就会破裂，产生化学反应使之凝固。但以前的这种加工需要较长的凝固时间，而且保管时间也比较短，在使用方法与稳定上都给使用者带来很多不便。 Precote作为一种化学毡合剂，他的主要特性就是环氧树脂与固化剂各自独立包装在微型胶囊里。这种专利技术与只有一种成分的胶囊包装工艺相比，他的寿命更长。而且可以避免由于潮湿或溶剂反应而使之提前固化。,防盗装置,习 题,13-10、 13-11 、 13-12,牙型为牙型角=60的等边三角形，内外螺纹旋合后留有径向间隙。同一公称直径按其螺矩不同分为粗牙和细牙两种。应用最为广泛。一般连接采用粗牙螺纹。细牙自锁性好，螺纹零件的强度削弱少，但易滑扣，故用于薄壁或细小零件，以及受变载、冲击和振动的连接，亦用于轻载和精密的微调机构中的螺旋副。,拧紧螺母需要的拧紧力矩T是螺纹阻力矩T1与螺母支承面摩擦力矩T2之和即,T= T1+ T2,螺纹摩擦力矩 T1=F tg(+rv)d2/2,螺母支承面的摩擦力矩,故螺母的拧紧力矩为,对于M10M64粗牙普通螺纹的钢制螺栓，取=14232，螺纹中径d20.9d, varctg1.155f（f为摩擦系数，无润滑时f0.10.2），d01.1d，D01.5d，fc=0.15 代入上式则可得,T0.2F d (3-8),