第四章螺紋連接及螺栓連接 機(jī)械設(shè)計(jì)第八版課件(高等教育出版社)

第四章螺紋聯(lián)接與螺旋傳動(dòng)§4-1螺紋§4-2螺紋聯(lián)接§4-3單個(gè)螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算§4-6螺旋傳動(dòng)§4-5提高螺栓聯(lián)接強(qiáng)度的措施§4-4螺栓組聯(lián)接受力分析與計(jì)算

聯(lián)接綜述

主講：胡昌軍聯(lián)接綜述聯(lián)接綜述由于使用、結(jié)構(gòu)、制造、裝配、運(yùn)輸?shù)确矫娴脑颍瑱C(jī)器中很多零件需要彼此聯(lián)接。機(jī)械零件之間的聯(lián)接分為：被聯(lián)接件之間相互完全固定。被聯(lián)接件之間能產(chǎn)生一定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。例如：運(yùn)動(dòng)副。靜聯(lián)接：動(dòng)聯(lián)接：本課程介紹的聯(lián)接主要是靜聯(lián)接。聯(lián)接的類型：螺紋聯(lián)接鍵聯(lián)接、花鍵聯(lián)接、銷聯(lián)接彈性環(huán)聯(lián)接等鉚接焊接粘接聯(lián)接可拆聯(lián)接不可拆聯(lián)接過盈聯(lián)接（介于兩者之間）§4-1螺紋§4-1螺紋一、螺紋的主要參數(shù)大徑d

－－是螺紋的公稱直徑。小徑d1－－常用于強(qiáng)度計(jì)算。中徑d2－－常用于幾何計(jì)算。螺距P

－－相鄰兩螺紋牙上對(duì)應(yīng)點(diǎn)間的軸向距離。導(dǎo)程Ph－－沿螺紋上同一條螺旋線轉(zhuǎn)一周所移動(dòng)的軸向距離，Ph

=nP。線數(shù)n

－－螺紋的螺旋線數(shù)目。牙型角a－－在軸向截面內(nèi)，螺紋牙型兩側(cè)邊的夾角。牙型斜角β－－在軸向截面內(nèi)，螺紋牙型一側(cè)邊與螺紋軸線的垂線之的夾角。螺紋升角y－－螺旋線的切線與垂直于螺紋軸線的平面間的夾角。螺紋的類型螺紋二、螺紋的類型螺紋外螺紋內(nèi)螺紋圓柱螺紋圓錐螺紋左旋右旋常用右旋效率較高，主要用于螺旋傳動(dòng)此外還有管螺紋：主要用于管路的聯(lián)接。按牙型分為普通螺紋：矩形螺紋梯形螺紋鋸齒形螺紋（詳見表4－1）效率低，易自鎖，多用于聯(lián)接。詳細(xì)介紹螺紋升角斜面摩擦分析使滑塊等速運(yùn)動(dòng)所需要的水平力等速上升：平衡條件：驅(qū)動(dòng)力：等速下滑：平衡條件：維持力：自鎖條件：當(dāng)yr時(shí)，F(xiàn)0，滑塊不能在重力作用下自行下滑。結(jié)論：當(dāng)yr時(shí)，滑塊自鎖。Y-斜面傾角，r=arctanf—摩擦角yyFFaFRy+r

v12FaFFnfFnv12FFay–rFRFRFaFFnfFnrFRr螺紋矩形螺紋（β=0）螺旋副（螺母與螺桿）的相對(duì)運(yùn)動(dòng)滑塊沿斜面運(yùn)動(dòng)假設(shè)：1)載荷分布在中線上;2)單面產(chǎn)生摩擦力螺旋升角Fad2dd1ys=npv12rFRnnFFay擰緊力擰緊力矩防松力防松力矩自鎖條件yr效率η＝有效功／輸入功＝Ｆa·Ｓ／（Ｆπｄ2）螺紋槽面摩擦力分析：摩擦力：當(dāng)量摩擦角：12Fn’2ρ’Fn’結(jié)論：槽面的摩擦力大于平面的摩擦力1111Fv121FRFn’F21Fn’Fn/2Fn/2Fn/2Fn/2螺紋§4-2螺紋聯(lián)接§4-2螺紋聯(lián)接一、螺紋聯(lián)接的基本類型受拉螺栓聯(lián)接（普通螺栓聯(lián)接）受剪螺栓聯(lián)接（鉸制孔用螺栓聯(lián)接）1）螺栓聯(lián)接2）雙頭螺柱聯(lián)接3）螺釘聯(lián)接4）緊定螺釘聯(lián)接（詳見表4－2）詳細(xì)說明螺栓、螺柱、螺釘、螺母等稱為螺紋聯(lián)接件。在機(jī)械制造中常用螺紋聯(lián)接件的結(jié)構(gòu)型式和尺寸都已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，設(shè)計(jì)時(shí)可以根據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)選用。受拉螺栓受剪螺栓雙頭螺柱聯(lián)接螺釘聯(lián)接緊定螺釘聯(lián)接螺紋聯(lián)接的擰緊螺紋聯(lián)接二、螺紋聯(lián)接的擰緊大多數(shù)螺紋聯(lián)接在裝配時(shí)就已經(jīng)擰緊，稱之為預(yù)緊。預(yù)緊使聯(lián)接中的零件所受的力稱為預(yù)緊力，用

F′表示

。預(yù)緊的目的：增大聯(lián)接的剛性；提高緊密性；防松。預(yù)緊力的控制：

通常，通過控制擰緊力矩M

來(lái)控制預(yù)緊力。1.擰緊力矩和預(yù)緊力螺紋間摩擦力矩T1支承面處與螺母間摩擦力矩T2擰緊力矩T：T=T1+T2其中：所需擰緊力矩：注意：對(duì)于重要的聯(lián)接，盡可能不采用直徑過小(＜M12)的螺栓?？刹捎脺y(cè)力矩扳手或定力矩扳手控制擰緊力矩。對(duì)于重要的螺栓聯(lián)接，也可以通過控制螺栓的伸長(zhǎng)量來(lái)控制預(yù)緊力。對(duì)于M10~M68的粗牙螺紋，副間無(wú)潤(rùn)滑取fc=0.15，tanρ’=0.15一般預(yù)緊應(yīng)力為材料屈服極限的50%----70%螺紋聯(lián)接的防松螺紋聯(lián)接三、螺紋聯(lián)接的防松螺紋聯(lián)接一般都能滿足自鎖條件不會(huì)自動(dòng)松脫。但在沖擊、振動(dòng)或變載荷作用下，或在溫度變化較大時(shí)，螺紋聯(lián)接可能會(huì)產(chǎn)生松脫現(xiàn)象。防松的本質(zhì)在于防止螺旋副相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。按工作原理的不同，防松方法分三類：（詳見表4－3）摩擦防松機(jī)械防松永久止動(dòng)詳細(xì)說明雙螺母彈簧墊圈開縫螺母尼龍鎖緊螺母鎖緊螺母緊定螺釘摩擦防松機(jī)械防松開口銷止動(dòng)墊圈金屬絲防松焊、鉚沖點(diǎn)粘合永久止動(dòng)螺紋聯(lián)接螺紋聯(lián)接的防松2§4-3單個(gè)螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度§4-3單個(gè)螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算本節(jié)以螺栓聯(lián)接為代表，討論強(qiáng)度計(jì)算問題，其方法和結(jié)論也適用于其他形式的螺紋聯(lián)接。螺栓聯(lián)接強(qiáng)度計(jì)算的目的是：確定防止失效所需的螺栓直徑。聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算內(nèi)容，根據(jù)其可能的失效形式而定。螺紋聯(lián)接的受載形式基本分為：采用受拉螺栓可用受剪螺栓，也可用受拉螺栓。軸向載荷（沿軸線方向）：橫向載荷（⊥軸線方向）：下面按螺栓類型和受載形式的不同，分別討論其強(qiáng)度計(jì)算方法。受剪螺栓的強(qiáng)度2）擠壓強(qiáng)度條件為：1）螺栓桿的剪切強(qiáng)度條件為：式中：Fs－螺栓所受的工作剪力（N）；

ds－螺栓剪切面的直徑（mm）；

m－螺栓受剪面數(shù)；－螺栓的許用切應(yīng)力，見表4－9。單個(gè)螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算式中：h－計(jì)算對(duì)象（即最小者）的擠壓面高度（mm）；－計(jì)算對(duì)象的許用擠壓應(yīng)力（Mpa)，見表4－9。一、受剪螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算失效形式為：1）螺栓被剪斷；2）孔壁被壓潰受拉螺栓的強(qiáng)度單個(gè)螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算二、受拉螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算受拉螺栓聯(lián)接松聯(lián)接：不預(yù)緊的。緊聯(lián)接：預(yù)緊的。1.松螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算工作中，松螺栓只受工作拉力

F

。

強(qiáng)度條件為：設(shè)計(jì)式為：≥式中：d1－螺紋小徑（mm）；實(shí)例主要失效形式：螺紋部分的塑性變形。螺桿的疲勞斷裂。－螺栓的許用拉應(yīng)力（Mpa)。僅受預(yù)緊力的螺栓聯(lián)接單個(gè)螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算2.緊螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算1）僅受預(yù)緊力F′的緊螺栓聯(lián)接這種聯(lián)接在擰緊的瞬間最危險(xiǎn)，此時(shí)：F′引起的拉應(yīng)力：此外，還有擰緊力矩M

引起的切應(yīng)力。經(jīng)分析推導(dǎo)可知：按第四強(qiáng)度理論計(jì)算當(dāng)量應(yīng)力，則承受軸向載荷的緊螺栓聯(lián)接強(qiáng)度條件為：?jiǎn)蝹€(gè)螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算設(shè)計(jì)式為：2）承受軸向載荷的緊螺栓聯(lián)接如右圖所示的氣缸蓋上的聯(lián)接即屬此種類型。雖然，這種螺栓是在受預(yù)緊力F′的基礎(chǔ)上，又受工作拉力F。但是，螺栓的總拉力

。為什么？承受軸向載荷的緊螺栓2預(yù)緊時(shí)受工作載荷后F″－剩余預(yù)緊力螺栓：被聯(lián)接件：螺栓的總拉力為：?jiǎn)蝹€(gè)螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算bFdμ￠承受軸向載荷的緊螺栓3可用載荷變形圖分析各力之間的關(guān)系。螺栓的剛度：Cb被聯(lián)接件的剛度：Cm力變形力變形力變形則螺栓的總拉力

或?qū)懗桑菏芰ψ冃蝿?dòng)畫單個(gè)螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算承受軸向載荷的緊螺栓4單個(gè)螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算令，稱為螺栓的相對(duì)剛度，其值見表4－4。為保證聯(lián)接的緊密性，應(yīng)使F″

＞0。通常根據(jù)工作拉力F的性質(zhì)確定F″。（見教材P72）設(shè)計(jì)中，根據(jù)F確定F″計(jì)算滿足F″所需的F′計(jì)算總拉力計(jì)算螺栓的強(qiáng)度。a)靜強(qiáng)度計(jì)算（F不變化時(shí)）強(qiáng)度條件為：≤注：式中“1.3”

考慮的是工作中可能的補(bǔ)充擰緊引起的切應(yīng)力的影響。設(shè)計(jì)式為：≥螺栓的疲勞強(qiáng)度計(jì)算b)疲勞強(qiáng)度計(jì)算（F變化時(shí)）當(dāng)工作拉力在0～F之間變化時(shí)，螺栓的總拉力在～之間變化。則螺栓的應(yīng)力幅強(qiáng)度條件≤許用應(yīng)力幅單個(gè)螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算螺紋聯(lián)接件的許用應(yīng)力b)

疲勞強(qiáng)度計(jì)算的許用應(yīng)力幅:式中：、－見表4－8。：可按經(jīng)驗(yàn)公式近似計(jì)算－見表4－7。c)受剪螺栓聯(lián)接的許用應(yīng)力，見表4－9。單個(gè)螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算三、螺紋聯(lián)接件的許用應(yīng)力螺栓、螺釘、螺柱性能等級(jí)示例：，（見表4－5）a)靜強(qiáng)度計(jì)算的許用拉應(yīng)力:式中：S－安全系數(shù)。松螺栓聯(lián)接：S=1.2～1.7緊螺栓聯(lián)接：S

的值見表4－7。說明含義為MPa§4-4螺栓組聯(lián)接受力分析目的：求出螺栓組中受力最大的螺栓及其所受的力，以便進(jìn)行螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算。假設(shè)：1)

所有螺栓的剛度和預(yù)緊力均相同；

2)

被聯(lián)接件為剛體；

3)

各零件的變形在彈性范圍內(nèi)。§4-4螺栓組聯(lián)接受力分析與計(jì)算一、承受軸向載荷時(shí)

當(dāng)通過螺栓組形心時(shí)，各螺栓所受的工作載荷相等。則螺栓個(gè)數(shù)注：如不通過螺栓組的形心，應(yīng)向形心平移后再計(jì)算。螺栓組聯(lián)接的基本受載類型有四種：受橫向載荷1二、受橫向載荷時(shí)1）用受拉螺栓螺栓預(yù)緊后在被聯(lián)接件的接觸面上產(chǎn)生正壓力，靠由此產(chǎn)生的摩擦力承受。保證被聯(lián)接件不相對(duì)滑動(dòng)，須滿足：則所需預(yù)緊力為式中：K－可靠性系數(shù)，見教材

P78。－結(jié)合面的摩擦因數(shù)。見教材P78。m－結(jié)合面數(shù)。注：為減小螺栓直徑，可采用減載措施。螺栓組聯(lián)接受力分析與計(jì)算受橫向載荷22）用受剪螺栓

通過螺栓組形心時(shí)，在前述假設(shè)下，各螺栓承受的橫向力相等。則注：a)

不通過螺栓組形心時(shí)，向形心平移后再計(jì)算。b)沿方向上的受剪螺栓個(gè)數(shù)不宜過多。螺栓組聯(lián)接受力分析與計(jì)算減載裝置：（圖4－15）承受轉(zhuǎn)矩T時(shí)1三、承受轉(zhuǎn)矩T時(shí)1）用受拉螺栓靠結(jié)合面上的摩擦力承受T。保證底板在T作用下不轉(zhuǎn)動(dòng)，須滿足≥則所需預(yù)緊力≥式中：、－見教材P78。螺栓組聯(lián)接受力分析與計(jì)算O承受轉(zhuǎn)矩T時(shí)22）用受剪螺栓螺栓組聯(lián)接受力分析與計(jì)算在前述假設(shè)下，各螺栓所受的工作剪力與其中心到底板中心的距離成正比。底板的靜力平衡方程為聯(lián)立兩式求解，得最大工作剪力即O受傾覆力矩M時(shí)1螺栓組聯(lián)接受力分析與計(jì)算四、受傾覆力矩M時(shí)M在M作用下，底板有繞通過螺栓組形心的軸線O轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì)。在前述假設(shè)下，各螺栓所受的工作拉力與其中心到翻轉(zhuǎn)軸線的距離成正比。聯(lián)立兩式求解，得最大工作拉力OO即：底板的靜力平衡方程為：受傾覆力矩M時(shí)2為防止結(jié)合面受壓最小處出現(xiàn)間隙，要求：為防止結(jié)合面受壓最大處被壓潰，要求：式中：A－結(jié)合面的面積（mm2）。W－結(jié)合面的抗彎截面模量（mm3）。－許用擠壓應(yīng)力（Mpa），見表4－9。螺栓組聯(lián)接受力分析與計(jì)算注：實(shí)際中，螺栓組往往同時(shí)承受兩種或兩種以上的載荷。實(shí)例螺栓組聯(lián)接受力分析與計(jì)算例：如圖所示的支架受F力。將F力分解并向螺栓組形心及結(jié)合面平移，得：軸向載荷橫向載荷翻轉(zhuǎn)力矩設(shè)計(jì)中，需要防止如下四種可能的失效形式：上沿開縫；下沿壓潰支架下滑；需要足夠大的。螺栓拉斷；需要足夠大的螺栓直徑。螺栓組聯(lián)接受力分析與計(jì)算螺栓組聯(lián)接受力分析與計(jì)算螺栓組聯(lián)接受力分析與計(jì)算螺栓組聯(lián)接受力分析與計(jì)算§4-5提高螺栓強(qiáng)度的措施§4-5

提高螺栓聯(lián)接強(qiáng)度的措施可從以下幾個(gè)方面提高螺栓的強(qiáng)度。4）采用合理的制造工藝。2）減小螺栓的應(yīng)力幅。3）減小附加彎曲應(yīng)力。1）改善各螺紋牙受載不均的現(xiàn)象。工作中，螺栓受拉，螺母受壓，從而產(chǎn)生螺距差，導(dǎo)致旋合的各圈螺紋牙受載不均。見圖4－19。改善措施：采用懸置螺母、環(huán)槽螺母、內(nèi)斜螺母。采用鋼絲螺套。分析見圖4－23。（）減小增大均可使減小。措施：冷鐓、碾壓、氮化、噴丸等工藝均可提高螺栓的強(qiáng)度。說明見圖4－27。凸臺(tái)、沉頭座斜墊圈、球面墊圈措施：分析見圖4－20。見圖4－21螺紋聯(lián)接組的設(shè)計(jì)1螺栓組聯(lián)接的設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)螺栓組聯(lián)接時(shí)，關(guān)鍵是聯(lián)接的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。它是根據(jù)被聯(lián)接件的結(jié)構(gòu)和聯(lián)接的用途，確定螺栓數(shù)目和分布形式。為了便于加工制造和對(duì)稱布置螺栓，保證聯(lián)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(jì)成軸對(duì)稱的簡(jiǎn)單幾何形狀。螺栓布置應(yīng)使各螺栓的受力合理。螺栓的排列應(yīng)有合理的間距、邊距。為了便于在圓周上鉆孔時(shí)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)。避免螺栓承受附加的彎曲載荷。說明說明說明螺栓組聯(lián)接的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)各螺栓之間的距離大小既要保證聯(lián)接的可靠性又要考慮裝拆方便，還應(yīng)留有足夠的扳手空間。大多數(shù)機(jī)械中螺栓都是成組使用的。

螺旋傳動(dòng)1§4-6

螺旋傳動(dòng)一、螺旋傳動(dòng)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(dòng)按其螺旋副摩擦性質(zhì)的不同，又可分為：說明滑動(dòng)螺旋滾動(dòng)螺旋靜壓螺旋說明螺旋傳動(dòng)是利用螺桿和螺母組成的螺旋副來(lái)實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)的。它主要用于將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，同時(shí)傳遞動(dòng)力。螺旋傳動(dòng)按其用途不同，可分為三種類型:螺旋機(jī)構(gòu)在機(jī)床的進(jìn)給機(jī)構(gòu)、起重設(shè)備、鍛壓機(jī)械、測(cè)量?jī)x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(dòng)常見的運(yùn)動(dòng)形式有：螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，螺母移動(dòng)或螺母固定，螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)并移動(dòng)。

螺旋傳動(dòng)2螺旋傳動(dòng)二、滑動(dòng)螺旋的結(jié)構(gòu)和材料1．滑動(dòng)螺旋的結(jié)構(gòu)滑動(dòng)螺旋的結(jié)構(gòu)主要是指螺桿、螺母的固定和支承的結(jié)構(gòu)形式。螺旋傳動(dòng)的工作剛度與精度等和支承結(jié)構(gòu)有直接關(guān)系。螺桿的材料要有足夠的強(qiáng)度和耐磨性。螺母的材料除了要有足夠的強(qiáng)度外，還要求在與螺桿材料相配合時(shí)摩擦系數(shù)小和耐磨。2．滑動(dòng)螺旋的材料說明

整體螺母剖分螺母螺母結(jié)構(gòu):見表4－10螺旋傳動(dòng)3螺旋傳動(dòng)三、滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算主要失效形式:螺牙的磨損

設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：按抗磨損確定直徑，選擇螺距，校核螺桿、螺母強(qiáng)度等。1．耐磨性計(jì)算滑動(dòng)螺旋的耐磨性計(jì)算，主要是限制螺