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1、天津工业大学专用 作者： 潘存云教授,第5章 螺纹连接和螺旋传动,51 螺纹,52 螺纹连接的类型及标准连接件,53 螺纹连接的预紧,55 螺纹连接的强度计算,57 螺栓的材料和许用应力,58 提高螺栓连接强度的措施,59 螺旋传动,54 螺纹连接的防松,56 螺栓组连接的设计,天津工业大学专用 作者： 潘存云教授,潘存云教授研制,潘存云教授研制,一、螺纹的形成,51 螺 纹,螺旋线一动点在一圆柱体的表面上，一边绕轴线等速旋转，同时沿轴向作等速移动的轨迹。,螺纹一平面图形沿螺旋线运动，运动时保持该图形通过圆柱体的轴线，就得到螺纹。,螺纹,天津工业大学专用 作者： 潘存云教授,按螺纹的牙型分,螺
2、纹的分类,按螺纹的旋向分,按螺旋线的根数分,按回转体的内外表面分,按螺旋的作用分,按母体形状分,矩形螺纹 三角形螺纹 梯形螺纹 锯齿形螺纹,天津工业大学专用 作者： 潘存云教授,潘存云教授研制,潘存云教授研制,潘存云教授研制,潘存云教授研制,螺纹的牙型,潘存云教授研制,潘存云教授研制,天津工业大学专用 作者： 潘存云教授,潘存云教授研制,按螺纹的牙型分,螺纹的分类,按螺纹的旋向分,按螺旋线的根数分,按回转体的内外表面分,按螺旋的作用分,按母体形状分,矩形螺纹 三角形螺纹 梯形螺纹 锯齿形螺纹,右旋螺纹,左旋螺纹,天津工业大学专用 作者： 潘存云教授,按螺纹的牙型分,螺纹的分类,按螺纹的旋向分,
3、按螺旋线的根数分,按回转体的内外表面分,按螺旋的作用分,按母体形状分,矩形螺纹 三角形螺纹 梯形螺纹 锯齿形螺纹,右旋螺纹,左旋螺纹,单线螺纹 多线螺纹,一般: n 4,S = 2P,S =P,n线螺纹: S = n P,单线螺纹,多线螺纹,天津工业大学专用 作者： 潘存云教授,按螺纹的牙型分,螺纹的分类,按螺纹的旋向分,按螺旋线的根数分,按回转体的内外表面分,按螺旋的作用分,按母体形状分,矩形螺纹 三角形螺纹 梯形螺纹 锯齿形螺纹,右旋螺纹,左旋螺纹,单线螺纹 多线螺纹,外螺纹 内螺纹,天津工业大学专用 作者： 潘存云教授,潘存云教授研制,潘存云教授研制,潘存云教授研制,天津工业大学专用 作
4、者： 潘存云教授,按螺纹的牙型分,螺纹的分类,按螺纹的旋向分,按螺旋线的根数分,按回转体的内外表面分,按螺旋的作用分,按母体形状分,矩形螺纹 三角形螺纹 梯形螺纹 锯齿形螺纹,右旋螺纹,左旋螺纹,单线螺纹 多线螺纹,外螺纹 内螺纹,连接螺纹 传动螺纹,螺旋传动,天津工业大学专用 作者： 潘存云教授,连接螺纹,传动螺纹,潘存云教授研制,潘存云教授研制,天津工业大学专用 作者： 潘存云教授,按螺纹的牙型分,螺纹的分类,按螺纹的旋向分,按螺旋线的根数分,按回转体的内外表面分,按螺旋的作用分,按母体形状分,矩形螺纹 三角形螺纹 梯形螺纹 锯齿形螺纹,右旋螺纹,左旋螺纹,单线螺纹 多线螺纹,外螺纹 内螺
5、纹,连接螺纹 传动螺纹,圆柱螺纹 圆锥螺纹,天津工业大学专用 作者： 潘存云教授,潘存云教授研制,圆柱螺纹,圆锥螺纹,天津工业大学专用 作者： 潘存云教授,潘存云教授研制,(3)中径d2 也是一个假想圆柱的直径，该圆柱的母线上牙型沟槽和凸起宽度相等。,(1)大径d 与外螺纹牙顶(或内螺纹牙底)相重合的假想圆柱体的直径。,(2) 小径 d1 与外螺纹牙底(或内螺纹牙顶)相重合的假想圆柱体的直径。,(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S,(6) 螺纹升角 中径d2圆柱上，螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面的夹角,(7)牙型角 轴向截面内螺纹牙型相邻两侧边的夹角。牙
6、型侧边与螺纹轴线的垂线间的夹角。,牙侧角 ,S = nP,同一条螺旋线上的相邻两牙在中径线上对应两点间的轴向距P,二、螺纹的主要几何参数,(8)接触高度 h 内外螺纹旋合后，接触面的径向高度。,天津工业大学专用 作者： 潘存云教授,普通螺纹以大径d为公称直径，同一公称直径可以有多种螺距，其中螺距最大的称为粗牙螺纹，其余的统称为细牙螺纹。,螺纹的精度等级:,A级,B级,C级,公差小，精度最高，用于配合精确，防振动等场合,受载较大且经常拆卸，调整或承受变载荷的连接,用于一般连接，最常用,粗牙螺纹应用最广。,细牙螺纹的优点：升角小、小径大、自锁性好、强度高,缺点：不耐磨，易滑扣。,应用：薄壁零件、受
7、动载荷的连接和微调机构。,天津工业大学专用 作者： 潘存云教授,潘存云教授研制,潘存云教授研制,梯形螺纹：,为了减少摩擦和提高效率，这两种螺纹的牙侧角比三角形螺纹的要小得多。用于剖分螺母时，梯形螺纹可消除因摩擦而产生的间隙，应用较广。锯齿形螺纹的效率比矩形螺纹高，但只适合单向传动。,锯齿形螺纹:,= 15,= 3,粗牙普通螺纹、细牙普通螺纹和梯形螺纹的基本尺寸见后续各表（或查阅相关机械设计手册）。,螺纹的基本尺寸：,天津工业大学专用 作者： 潘存云教授,潘存云教授研制,直径与螺距、粗牙普通螺纹基本尺寸 mm,标记示例： M24(粗牙普通螺纹、直径24、螺距3),M241.5(细牙普通螺纹,直径
8、24,螺距1.5),天津工业大学专用 作者： 潘存云教授,潘存云教授研制,天津工业大学专用 作者： 潘存云教授,潘存云教授研制,潘存云教授研制,梯形螺纹基本尺寸 mm,标记示例：Tr488 (梯形螺纹，直径48，螺距8),天津工业大学专用 作者： 潘存云教授,潘存云教授研制,潘存云教授研制,潘存云教授研制,潘存云教授研制,用螺纹密封的管螺纹,普通细牙螺纹,管螺纹,非螺纹密封管螺纹（圆柱管壁 = 55）,用螺纹密封管螺纹（圆锥管壁 = 55）,60圆锥管螺纹,公称直径管子的公称通径。强调与普通螺纹不同,非螺纹密封的管螺纹,天津工业大学专用 作者： 潘存云教授,52 螺纹连接的类型及标准连接件,一
9、、 螺纹连接的基本类型,螺栓连接,基本类型,可承受横向载荷。,螺纹余留长度l1,铰制孔用螺栓,静载荷l1=(0.30.5)d;,变载荷l1=0.75d;,冲击载荷或弯曲载荷l1 d;,铰制孔用螺栓l1 d;,螺纹伸出长度a=(0.20.3)d;,螺栓轴线到被连接件边缘的 距离 e=d+(36) mm,用于经常拆装易磨损之处。,潘存云教授研制,潘存云教授研制,孔与螺杆之间留有间隙,天津工业大学专用 作者： 潘存云教授,潘存云教授研制,潘存云教授研制,一、 螺纹连接的基本类型,螺栓连接,基本类型,螺钉连接,座端拧入深度H，当螺孔材料为：,双头螺柱连接 连接件厚，允许拆装。,钢或青铜 H=d;,铸铁
10、 H=(1.251.5)d,铝合金 H=(1.52.5)d,螺纹孔深度 H1=H+(22.5)P;,钻孔深度 H2=H1+(0.51)d;,参数l1 、e、a与螺栓相同,结构简单，省了螺母，不宜经常拆装，以免损坏螺孔而修复困难。,52 螺纹连接的类型及标准连接件,天津工业大学专用 作者： 潘存云教授,潘存云教授研制,一、 螺纹连接的基本类型,螺栓连接,基本类型,螺钉连接,双头螺柱连接,紧定螺钉连接,52 螺纹连接的类型及标准连接件,潘存云教授研制,天津工业大学专用 作者： 潘存云教授,潘存云教授研制,潘存云教授研制,二、螺纹紧固件,螺栓,螺纹紧固件,螺栓的结构形式,天津工业大学专用 作者： 潘
11、存云教授,二、螺纹紧固件,螺纹紧固件,双头螺柱,螺栓,天津工业大学专用 作者： 潘存云教授,二、螺纹紧固件,螺纹紧固件,末端结构,头部结构,螺钉、紧定螺钉,双头螺柱,螺栓,天津工业大学专用 作者： 潘存云教授,潘存云教授研制,二、螺纹紧固件,螺纹紧固件,螺钉、紧定螺钉,双头螺柱,螺栓,专用螺纹连接,T 型螺栓,天津工业大学专用 作者： 潘存云教授,二、螺纹紧固件,螺纹紧固件,用于经常拆装易磨损之处。,用于尺寸受限制之处。,国标罗列有余种不同结构的螺母,螺母,螺钉、紧定螺钉,双头螺柱,螺栓,专用螺纹连接,天津工业大学专用 作者： 潘存云教授,潘存云教授研制,其它螺母：,天津工业大学专用 作者：
12、潘存云教授,潘存云教授研制,其它螺母：,天津工业大学专用 作者： 潘存云教授,垫圈,平垫圈,薄平垫圈,螺母,螺钉、紧定螺钉,双头螺柱,二、螺纹紧固件,螺栓,螺纹紧固件,斜垫圈,弹簧垫圈,圆螺母用止动垫圈,作用：增加支撑面积以减小压强，避免拧紧螺母擦伤表面、防松。,专用螺纹连接,天津工业大学专用 作者： 潘存云教授,53 螺纹连接的预紧,预紧力：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。,预紧的目的：增强连接的可靠性和紧密性，以防止受载后被连接件间出现缝隙或发生相对移动。,预紧力的确定原则： 拧紧后螺纹连接件的预紧应力不得超过其材料的屈
13、服极限ss的80%。,一、概述,一般螺纹连接在装配时都必须拧紧，这时螺纹连接受到预紧力的作用。对于重要的螺纹连接，应控制其预紧力，因为预紧力的大小对螺纹连接的可靠性，强度和密封均有很大影响。,碳素钢螺栓：,F0(0.60.7) s A1,合金钢螺栓：,F0 (0.50.6) s A1,A1 危险截面积， A1 d21/4,天津工业大学专用 作者： 潘存云教授,二、 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F0 或预紧力（不受轴向载荷）,fc 摩擦因子。 无润滑时取 fc =0.15,Rf 支撑面摩擦半径。 rf =(dw+d0)/4,简化公
14、式 适用于M10M60的粗牙螺纹， f=0.15, fc=0.15,T 0.2 F0 d,Fa是由连接要求决定的，为了发挥螺栓的工作能力和保证预紧 可靠，应取：,总力矩,注意：对于重要的连接，应尽可能采用大于M12的螺栓。,天津工业大学专用 作者： 潘存云教授,测力矩扳手,预紧力控制方法:,连接用三角形螺纹都具有自锁性，在静载荷和工作温度变化不大时，不会自动松脱。但在冲击、振动和变载条件下，预紧力可能在某一瞬时消失，连接仍有可能松动。高温下的螺栓连接，由于温度变形差异等，也可能发生松脱现象（如高压锅），因此设计时必须考虑防松。即防止相对转动。,定力矩扳手,通常螺纹连接拧紧是凭工人的经验来决定的
15、，重要螺栓则必须预紧力进行精确控制。,(1)凭手感经验,(2)测力矩扳手,(3)定力矩扳手,(4)测定伸长量,天津工业大学专用 作者： 潘存云教授,连接用三角形螺纹都具有自锁性，在静载荷和工作温度变化不大时，不会自动松脱。但在冲击、振动和变载条件下，预紧力可能在某一瞬时消失，连接仍有可能松动而失效。高温下的螺栓连接，由于温度变形差异等，也可能发生松脱现象（如高压锅），因此设计时必须考虑防松，即防止相对转动。,防松的方法,1. 利用附加摩擦力防松,弹簧垫圈,对顶螺母,53 螺纹连接的防松,防松防止螺旋副相对转动。,天津工业大学专用 作者： 潘存云教授,开口销与六 角开槽螺母,串联钢丝,2. 采用
16、专门防松元件防松,圆螺母用止动垫圈,潘存云教授研制,止动垫圈,天津工业大学专用 作者： 潘存云教授,3. 其它方法防松,涂粘合剂,天津工业大学专用 作者： 潘存云教授,55 螺纹连接的强度计算,螺栓连接的主要失效形式,滑扣 因经常拆装,受拉螺栓,塑性变形 螺纹部分,疲劳断裂,受剪螺栓,剪断,压溃 螺杆和孔壁的贴合面,经常拆卸,轴向变载荷,断裂,天津工业大学专用 作者： 潘存云教授,潘存云教授研制,螺栓与螺母的螺纹牙及其他各部尺寸是根据等强度原则及使用经验规定的。采用标准件时，这些部分都不需要进行强度计算。所以，螺栓连接的计算主要是确定螺纹小径d1，然后按照标准选定螺纹公称直径d及螺距P等。,一
17、、松螺栓连接强度计算,强度条件,式中 d1 螺纹小径 mm ， 许用应力,二、紧螺栓连接强度计算,力除以面积,设计公式,装配时需要拧紧，在工作状态下可能还需要补充拧紧。,1. 仅承受预紧力的紧螺栓连接,2. 承受预紧力和工作拉力的紧螺栓连接,3. 承受工作剪力的紧螺栓连接,装配时不须要拧紧,天津工业大学专用 作者： 潘存云教授,螺栓受轴向拉力F0和摩擦力矩T1的双重作用。,拉应力,1. 仅承受预紧力的紧螺栓连接,扭转切应力,对于M10M64的普通钢制螺纹，可取： Tan f =0.17， d2 /d1=1.04 1.08, tan 0.5,得： 0.5 ,分母为抗剪截面系数,计算应力,由此可见
18、，对于M10 M64普通螺纹的钢制紧螺栓连接，在拧紧时，虽然同时承受拉伸和扭转的联合作用，但在计算时，可以只考虑拉伸强度计算，并将预紧力增大30%来考虑扭转的影响。,强度条件,天津工业大学专用 作者： 潘存云教授,潘存云教授研制,当承受横向工作载荷时， 预紧力F0导致接合面所产生的摩擦力应大于横向载荷F。,C 可靠性系数，常取 C=1.11.3,预紧力F0,f 摩擦系数，对钢与铸铁，取 f =0.10.15,m 结合面数 上图m=1,下图m=2,若取 f =0.15， C=1.2, m=1, 则,F0 8F,结构尺寸大,天津工业大学专用 作者： 潘存云教授,2. 受预紧力和工作拉力的紧螺栓连接
19、,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用螺栓。,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载荷为,天津工业大学专用 作者： 潘存云教授,特别注意，轴向载荷：,F2 F0+F,加预紧力后螺栓受拉伸长b,被连接件受压缩短m,加载 F 后:,螺栓总伸长量增加为,总拉力为,被连接件压缩量减少为,残余预紧力减少为 F1,很显然 F1F0 被连接件放松了,+b,m - ,受载 变形,天津工业大学专用 作者： 潘存云教授,潘存云教授研制,潘存云教授研制,天津工业大学专用 作者： 潘存云教授,潘存云教授研制,F= Fb +Fm,=(Cb +
20、Cm ) ,F1= F0- F,= F0 - Cm ,F2= F0 + Fb,= F0 +Cb ,代入得：,天津工业大学专用 作者： 潘存云教授,静强度条件,重要场合的螺栓连接，还应进行疲劳强度校核。,设计公式,当工作拉力在0F之间变化时， 螺栓所受总拉力在F0 F2之间变化。,若不考虑摩擦力矩的影响，有,天津工业大学专用 作者： 潘存云教授,因为min =const , 应力工作点M落在ODG I区域内， 依据疲劳强度理论有,其中 -1tc 螺栓材料的对称循环拉压疲劳极限。, 材料特性系数 碳素钢 =0.10.2 合金钢 =0.30.3,K 综合影响系数,S 安全系数 见下页,天津工业大学专
21、用 作者： 潘存云教授,天津工业大学专用 作者： 潘存云教授,这种连接是利用铰制孔用螺栓抗剪切来承受载荷的。螺栓杆与孔壁之间无间隙，接触表面受挤压。在连接接合面处，螺栓杆则受剪切。,3承受工作剪力的紧螺栓连接,螺栓杆与孔壁的挤压强度条件为,螺栓杆的剪切强度条件为,F 螺栓所受的工作剪力，单位为N；,铰制孔用螺栓,设计时应使 Lmin1.25d0,d0 螺栓剪切面的直径（可取螺栓孔直径），单位为mm；,Lmin 螺栓杆与孔壁挤压面的最小高度， 单位为mm。,天津工业大学专用 作者： 潘存云教授,56 螺栓组连接的设计,在设计螺栓组连接时，关键是连接的结构设计。它是根据被连接件的结构和连接的用途，
22、确定螺栓数目和分布形式。,为了便于加工制造和对称布置螺栓，保证连接结合面受力均匀，通常连接接合面的几何形状都设计成,一、螺栓组连接的结构设计,基本原则：,大多数机械中螺栓都是成组使用的。,轴对称的简单几何形状,天津工业大学专用 作者： 潘存云教授,螺栓布置应使各螺栓的受力合理,(1) 对于铰制孔用螺栓连接，不要在平行于工作载荷的方向上成排地布置个以上的螺栓，以免载荷分布过于不均；,合理,不合理,(2)当螺栓连接承受弯矩或转矩时，应使螺栓的位置适当靠近连接接合面的边缘，以减少螺栓的受力。,天津工业大学专用 作者： 潘存云教授,潘存云教授研制,螺栓的排列应有合理的间距、边距，以保证扳手空间,(3)
23、当同时承受轴向载荷和较大的横向载荷时，采用抗 剪零件来承受横向载荷。,扳手空间的尺寸见有关标准。,天津工业大学专用 作者： 潘存云教授,对于压力容器等紧密性要求较高的重要连接。螺栓的间距不大于下表所推荐的取值。,为了便于在圆周上钻孔时的分度和画线，通常分布在同一圆周上的螺栓数目取成,4、6、8等偶数。,同一螺栓组中的螺栓的材料、直径、长度应相同,天津工业大学专用 作者： 潘存云教授,保证被连接件，螺母和螺栓头支承面平整，并与螺栓轴线相互垂直。对于在铸、锻件等的粗糙表面上安装螺栓时，应制成凸台或沉头座。当支承面为倾斜表面时，应采用斜面垫圈等。,避免螺栓承受附加的弯曲载荷,天津工业大学专用 作者：
24、 潘存云教授,二、螺栓组连接的受力分析,受力分析的目的: 根据连接的结构和受载情况，求出受力最大的螺栓及其所受的力，以便进行螺栓连接的强度计算。,受力分析时所作假设: (1)所有螺栓的材料、直径、长度和预紧力均相同；,(3)受载后连接接合面仍保持为平面。,受力分析的类型：,(2)螺栓组的对称中心与连接接合面的形心重合；,受转矩,受横向载荷,受轴向载荷,天津工业大学专用 作者： 潘存云教授,（1）对于铰制孔用螺栓连接，每个螺栓所受工作剪力为,（2）对于普通螺栓连接 ，按预紧后接合面间所产生的最大摩擦力必须大于或等于横向载荷的要求，有,式中 z为螺栓数目。,图示为由四个螺栓组成的受横向载荷的螺栓组
25、连接。,1受横向载荷的螺栓组连接,Ks为防滑系数，设计中可取Ks =1.11.3。,普通螺栓,或,天津工业大学专用 作者： 潘存云教授,采用普通螺栓和铰制孔用螺栓组成的螺栓组受转矩时的受力情况是不同的。,2受转矩的螺栓组连接,采用普通螺栓，是靠连接预紧后在接合面间产生的摩擦力矩来抵抗转矩T。,采用铰制孔用螺栓，是靠螺栓的剪切和螺栓与孔壁的挤压作用来抵抗转矩T。,假设底板受载仍为平面，则螺栓的剪切变形量与距离成正比，F=Kri,剪切力与距离r的比值为常数,天津工业大学专用 作者： 潘存云教授,3受轴向载荷的螺栓组连接,若作用在螺栓组上轴向总载荷F作用线与螺栓轴线平行，并通过螺栓组的对称中心，则各
26、个螺栓受载相同，每个螺栓所受轴向工作载荷为,通常，各个螺栓还承受预紧力F0的作用，当连接要有保证的残余预紧力为F1时，每个螺栓所承受的总载荷F2为,F2 = F1 + F,天津工业大学专用 作者： 潘存云教授,潘存云教授研制,潘存云教授研制,4受倾覆力矩的螺栓组连接,倾覆力矩 M 作用在连接接合面的一个对称面内，底板在承受倾覆力矩之前，螺栓已被拧紧并承受预紧力F0且被拉伸，地基有均匀的压缩。在作用M后，接触面绕0-0线转动一个角度，左边的地基被放松，而螺栓被进一步拉伸；右边的螺栓被放松，而地基被进一步压缩。,单个螺栓拉力产生的力矩为,Mi=Fi Li,假设底板受载仍为平面，则螺栓受力与螺栓中心到螺栓组排列中心的距离成正比。,螺栓承受的载荷与距离成正比,天津工业大学专用 作者： 潘存云教授,潘存云教授研制,单个螺栓的受力分析,作用在底板两侧的合力矩与倾覆力矩M平衡，即,未加倾覆力矩时，工作点在A。Mi=0,施加倾覆力矩M时，,左边的螺栓，工作点移至 B1 和C1,右边的螺栓，工作点移至 B2 和C2,左边螺栓总拉力增加， 右边螺栓总拉力减小。,求得最大工作载荷,天津工业大学专用 作者： 潘存云教授,螺栓的总拉力,为防止接合面受压最大处被压碎或受压最小处出现间隙，要求,直接引用前面的结论,天津工业大学专用