機械設(shè)計Ch05

1、第五章 螺紋連接和螺旋傳動5-1 螺紋5-2 螺紋連接的類型和標準連接件5-3 螺紋連接的預(yù)緊5-5 螺栓組連接的設(shè)計5-6 螺紋連接的強度計算5-8 提高螺紋連接強度的措施5-7 螺紋連接件的材料及許用應(yīng)力5-9 螺旋傳動（簡介）5-4 螺紋連接的防松連接螺紋的當量摩擦角較大，自鎖性好，連接可靠；傳動螺紋的當量摩擦角較小，傳動效率高。 螺紋為什么？參見“機械原理”的摩擦、效率二章 內(nèi)螺紋和外螺紋一、螺紋的類型和應(yīng)用一、螺紋的類型和應(yīng)用三角形 矩形 梯形 鋸齒形主要用于連接多用于傳動 單線螺紋和多線螺紋 左旋螺紋和右旋螺紋單線主要用于連接多線主要用于傳動常用右旋組成螺紋連接或螺旋副 螺紋的各種

2、牙型連接螺紋副二、螺紋的主要參數(shù)二、螺紋的主要參數(shù)大徑 d 即螺紋的公稱直徑。22arctanarctandnPdPh 螺紋來源：“機械原理”摩擦一章小徑 d1 常用于連接的強度計算。中徑 d2 常用于連接的幾何計算。螺距 P 螺紋相鄰兩牙在中徑線上對應(yīng)兩點間的軸向距離。牙型角a 、牙側(cè)角 、接觸高度 h升角 在中徑圓柱上螺旋線的切線與垂直 于螺紋軸線的平面間的夾角。線數(shù) n 螺紋的螺旋線數(shù)目。導(dǎo)程 Ph 螺紋上任一點沿同一條螺旋線轉(zhuǎn) 一周所移動的軸向距離， Ph = nP。連接類型與標準件1螺紋連接的類型和標準連接件一、螺紋連接的一、螺紋連接的基本類型基本類型 除上述連接的基本類型外，在機器

3、中，還有一些特殊結(jié)構(gòu)的螺紋連接。如：T型槽螺栓連接、吊環(huán)螺釘連接和地腳螺栓連接等。連接類型與標準件2螺紋連接的類型和標準連接件二、標準螺紋連接件二、標準螺紋連接件 螺紋連接的類型很多，在機械制造中常見的螺紋連接件的結(jié)構(gòu)形式和尺寸都已經(jīng)標準化，設(shè)計時可以根據(jù)有關(guān)標準選用。 利用控制擰緊力矩的方法來控制預(yù)緊力的大小。通常可采用測力矩扳手或定力矩扳手，對于重要的螺栓連接，也可以采用測定螺栓伸長的方法來控制預(yù)緊力。紋連接的預(yù)緊螺紋連接的預(yù)緊 大多數(shù)螺紋連接在裝配時都需要擰緊，使之在承受工作載荷之前，預(yù)先受到力的作用，這個預(yù)加作用力稱為預(yù)緊力。 增強連接的可靠性和緊密性，以防止受載后被連接件間出現(xiàn)縫隙或

4、發(fā)生相對移動。另外，較大的預(yù)緊力有利于提高連接件的疲勞強度。 注意：對于重要的連接，應(yīng)盡可能不采用直徑過小(M12)的螺栓。 擰緊后螺紋連接件的預(yù)緊應(yīng)力不得超過其材料的屈服極限ss的80%。v 預(yù)緊力：v 預(yù)緊的目的：v 預(yù)緊力的限制：v 預(yù)緊力的控制：v 預(yù)緊力和預(yù)緊力矩之間的關(guān)系：dFT02 . 0詳細推導(dǎo) 螺紋連接的防松螺紋連接的防松 螺紋連接一般都能滿足自鎖條件不會自動松脫。但在沖擊、振動或變載荷作用下，或在高溫或溫度變化較大的情況下，螺紋連接中的預(yù)緊力和摩擦力會逐漸減小或可能瞬時消失，導(dǎo)致連接失效。此外還有一些特殊的防松方法，例如鉚沖防松、在旋合螺紋間涂膠防松等。 防松的根本問題在于

5、防止螺旋副相對轉(zhuǎn)動。按工作原理的不同，防松方法分為摩擦防松、機械防松等。螺紋連接組的設(shè)計1螺栓組連接的設(shè)計 在設(shè)計螺栓組連接時，根據(jù)被連接件的結(jié)構(gòu)和連接的用途，首先確定螺栓數(shù)目和分布形式，然后用強度計算法或者類比法確定螺栓尺寸。v為了便于加工制造和對稱布置螺栓，保證連接結(jié)合面受力均勻，通常聯(lián)接結(jié)合面的幾何形狀都設(shè)計成軸對稱的簡單幾何形狀。v螺栓布置應(yīng)使各螺栓的受力合理。v螺栓的排列應(yīng)有合理的間距、邊距。v 為了便于在圓周上鉆孔時的分度和畫線，通常分布在同一圓周上的螺栓數(shù)目取成4、6、8等偶數(shù)。同一螺栓組應(yīng)該用相同的螺栓。v避免螺栓承受附加的彎曲載荷。說明說明說明一、螺栓組連接的結(jié)構(gòu)設(shè)計一、螺栓

6、組連接的結(jié)構(gòu)設(shè)計 設(shè)計原則：各螺栓與連接面受力均勻，加工制造方便。為此，一般考慮以下幾個方面：大多數(shù)機器的螺栓都是成組使用的。 螺紋連接組的設(shè)計2螺栓組連接的設(shè)計1受橫向載荷2受轉(zhuǎn)矩3受軸向載荷4受傾覆力矩 受力分析的目的：根據(jù)連接的結(jié)構(gòu)和受載情況，求出受力最大的螺栓 及其所受的力，以便進行螺栓連接的強度計算。 受力分析的類型：二、螺栓組連接的受力分析二、螺栓組連接的受力分析 FFriOOMTfF0fF0FF螺栓組連接的受載情況可能是以上4種簡單受力狀態(tài)的組合，只要分別計算出在每種簡單受力狀態(tài)下每個螺栓的工作載荷，然后以向量疊加 得到每個螺栓的總工作載荷。確定受力最大的螺栓及其載荷后，就可進行

7、單個螺栓連接的強度計算。螺紋聯(lián)接組的設(shè)計3 （1）對于鉸制孔用螺栓連接（圖b），每個螺栓所受工作剪力為： （2）對于普通螺栓連接（圖a） ，按預(yù)緊后接合面間所產(chǎn)生的最大摩擦力必須大于或等于橫向載荷的要求，有： 式中：z為螺栓數(shù)目。 圖示為由4個螺栓組成的受橫向載荷橫向載荷 的螺栓組連接。受橫向載荷的螺栓組連接受橫向載荷的螺栓組連接zFFFKzifFS0fziFKFS0則得預(yù)緊力 Ks為防滑系數(shù)，設(shè)計中可取Ks =1.11.3。FFFFb)a) 采用鉸制孔用螺栓鉸制孔用螺栓 或者普通螺栓普通螺栓 ，連接的工作原理不同！螺紋連接組的設(shè)計4 同上述，采用普通螺栓和鉸制孔用螺栓時，連接的受力情況是不同

8、的。受轉(zhuǎn)矩的螺栓組連接受轉(zhuǎn)矩的螺栓組連接TKfrFfrFfrFsz02010 TrFziii1 當采用普通螺栓普通螺栓 時，是靠連接預(yù)緊后在接合面間產(chǎn)生的摩擦力矩來抵抗轉(zhuǎn)矩T 。 采用鉸制孔用螺栓鉸制孔用螺栓 時，是靠螺栓的剪切和螺栓與孔壁的擠壓作用來抵抗轉(zhuǎn)矩T 。iirFrFmaxmaxZiirTrF12maxmaxziirfTKF1S0 典型應(yīng)用例：凸緣聯(lián)軸器螺紋連接組的設(shè)計4受轉(zhuǎn)矩的螺栓組連接受轉(zhuǎn)矩的螺栓組連接TKDFfzs02 TDFz2 采用普通螺栓普通螺栓 時，連接的平衡條件為： 采用鉸制孔用螺栓鉸制孔用螺栓 時，連接的平衡條件為：DzTF 2 2S0fzTKF 則得每個螺栓的預(yù)緊

9、力：則得每個螺栓的工作剪力：螺紋聯(lián)接組的設(shè)計5受軸向載荷的螺栓組連接受軸向載荷的螺栓組連接 若作用在螺栓組上軸向總載荷F作用線與螺栓軸線平行，并通過螺栓組的對稱中心，則各個螺栓受載相同，每個螺栓所受的軸向工作載荷軸向工作載荷 為： 另外，各個螺栓還承受預(yù)緊力F0 的作用。每個螺栓所承受的總拉力待下節(jié)研究。zFF FDDp螺紋聯(lián)接組的設(shè)計6受傾覆力矩的螺栓組連接受傾覆力矩的螺栓組連接（簡介） 傾覆力矩 M 作用在連接接合面的一個對稱面內(nèi)，底板在承受傾覆力矩之前，螺栓已擰緊并承受預(yù)緊力F0。 連接安全工作的條件：1. 螺栓抗拉強度足夠；2. 右側(cè)底板不壓潰，即3. 左側(cè)底板不分離，即ppss201

10、ps螺紋連接的強度計算1螺紋連接的強度計算強度計算方法強度計算方法：首先根據(jù)工作情況求螺栓的受力受力，然后判斷失效形式失效形式，依此建立計算準則計算準則，就可以由強度條件強度條件 求出螺栓的直徑，或者校核連接的強度。一、一、松螺栓連接強度計算松螺栓連接強度計算二、緊螺栓連接強度計算二、緊螺栓連接強度計算1僅受預(yù)緊力的緊螺栓連接 2承受預(yù)緊力和工作拉力的緊螺栓連接3承受工作剪力的緊螺栓連接 經(jīng)過上節(jié)螺栓組連接的受力分析，確定了受力最大的螺栓及其載荷，就可對單個螺栓進行強度計算。綜上所述，單個螺栓連接所受的外載荷不外乎是軸向力和橫向力兩種，而螺栓本身的受力形式不外乎是受拉和受剪兩種。對于受拉螺栓受

11、拉螺栓（普通螺栓），其主要失效形式是螺紋部分發(fā)生斷裂，因而其設(shè)計準則是保證拉伸強度；對于受剪螺栓受剪螺栓（鉸制孔用螺栓），其主要失效形式是螺栓桿和孔壁的貼合面壓潰或螺栓桿被剪斷，其設(shè)計準則是保證連接的擠壓強度和螺栓的剪切強度。螺紋連接的強度計算2 1僅受預(yù)緊力的緊螺栓連接僅受預(yù)緊力的緊螺栓連接受橫向載荷的普通螺栓連接（螺栓拉力始終為預(yù)緊力F0）2104dFs預(yù)緊力引起的拉應(yīng)力：s5 . 0162)tan(312v0ddF螺牙間的摩擦力矩引起的扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力： ss210ca43 . 1dF強度條件：當連接承受較大的橫向載荷F時，由于要求F0Ff，設(shè) f = 0.2，則F05F ，因而需要大幅度地增

12、加螺栓直徑。sss3 . 1322ca根據(jù)第四強度理論，螺栓在預(yù)緊狀態(tài)下的計算應(yīng)力:F0F0FF 為避免螺栓直徑過大，可采用減載措施。螺紋連接的強度計算3FDDp 螺栓受預(yù)緊力F0后，在工作拉力F 的作用下，螺栓的總拉力F2 = ?FFF12 ss4/3 . 1212cadFFCCCFFmbb02這時螺栓的總拉力為： 為使工作載荷作用后，連接結(jié)合面間有殘余預(yù)緊力F1存在，要求螺栓連接的預(yù)緊力F0為：靜強度條件： 式中F1為殘余預(yù)緊力殘余預(yù)緊力 ，為保證連接的緊密性，應(yīng)使 F1 0，一般根據(jù)連接的性質(zhì)確定F1的大?。ㄕn本：P83）。式中：mbbCCC為螺栓的相對剛度，其取值范圍為 01 （課本：

13、P84）。 詳細分析 螺栓總拉力的另一種表達式FCCCFFmbm10Cb：螺栓剛度Cm：被連接件剛度補充例題2承受預(yù)緊力和工作拉力的緊螺栓連接承受預(yù)緊力和工作拉力的緊螺栓連接（疲勞強度計算：P8485，略。）螺紋連接的強度計算43承受工作剪力的緊螺栓連接承受工作剪力的緊螺栓連接 這種連接是利用鉸制孔用螺栓抗剪切來承受載荷的。螺栓桿與孔壁之間無間隙，接觸表面受擠壓；在連接結(jié)合面處，螺栓桿則受剪切。螺栓桿與孔壁的擠壓強度條件為：螺栓桿的剪切強度條件為：Pmin0PssLdF 204dFFFd0Lmin 幾點注意事項：1在設(shè)計或校核時，兩個強度條件都要計算，不能遺漏。3. 在設(shè)計時，求出螺栓桿直徑

14、d0 后，還要查標準確定螺紋公稱直徑 d 。 當 d30 mm時，dd01。2許用剪應(yīng)力、許用擠壓應(yīng)力和安全系數(shù)見課本 P87 ，注意連接件的材料。國家標準規(guī)定了螺紋連接件的性能等級。螺栓、螺柱、螺釘?shù)男阅艿燃壏譃?0級，螺母的性能等級分為 7級。在一般用途的設(shè)計中，通常選用4.8級左右的螺栓，在重要的或有特殊要求設(shè)計中的螺紋連接件，要選用高的性能等級，如在壓力容器中常采用8.8級的螺栓。螺紋連接件的材料與許用應(yīng)力螺紋連接件的材料與許用應(yīng)力一、螺紋連接件的材料一、螺紋連接件的材料螺紋連接件是標準件。常用的螺紋連接件材料為Q215、Q235、35、45等碳素鋼。當強度要求高時，還可采用合金鋼，如

15、15Cr、40Cr等。性能等級二、螺紋連接件的許用應(yīng)力二、螺紋連接件的許用應(yīng)力1螺紋連接件的許用拉應(yīng)力2螺紋連接件的許用剪應(yīng)力和許用擠壓應(yīng)力3螺紋連接件的安全系數(shù)SssssSsPsPSss（被連接件為鋼）PBPSss（被連接件為鑄鐵） 補充例題提高螺紋連接強度的措施提高螺紋連接強度的措施以螺栓連接為例，螺栓連接的強度主要取決于螺栓的強度，因此，提高螺栓的強度，將大大提高連接系統(tǒng)的可靠性。影響螺栓強度的因素主要有以下幾個方面，或從以下幾個方面提高螺栓強度。采用合理的制造工藝方法 改善螺紋牙上載荷分布不均的現(xiàn)象分析降低影響螺栓疲勞強度的應(yīng)力幅分析減小應(yīng)力集中的影響分析螺旋傳動1螺旋傳動（簡介）一、螺旋傳動的類型和應(yīng)用傳力螺旋傳導(dǎo)螺旋 調(diào)整螺旋螺旋傳動按其螺旋副摩擦性質(zhì)的不同，又可分為：說明滑動螺旋 滾動螺旋 靜壓螺旋說明 螺旋傳動是利用螺桿和螺母組成的螺旋副來實現(xiàn)傳動的。它主要用于將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動，同時傳遞動力。螺旋傳動按其用途不同，可分為以下三種類型: 螺旋機構(gòu)在機床的進給機構(gòu)、起重設(shè)備、鍛壓機械、測量儀器、工具、夾具、玩具及其他工業(yè)裝備中有著廣泛的應(yīng)用。 螺旋傳動常見的運動形式有：螺桿轉(zhuǎn)動，螺母移動或螺母固定，螺桿轉(zhuǎn)動并移動。 外螺紋內(nèi)螺紋單線螺紋和多線螺紋作 業(yè) 55。 改問題為：分別按普通螺栓和鉸制孔用螺栓連接,計算螺栓所受的力。（摩擦系數(shù)查