機械設計螺紋連接和螺旋傳動

第5章螺紋連接和螺旋傳動§5－1螺紋§5－2螺紋連接的類型及標準連接件§5－3螺紋連接的預緊§5－5螺紋連接的強度計算§5－7螺栓的材料和許用應力§5－8提高螺栓連接強度的措施§5－9螺旋傳動§5－4螺紋連接的防松§5－6螺栓組連接的設計當前1頁，總共115頁。1、本章主要內容包括兩部分：第一部分為螺栓聯(lián)接的設計，包括螺栓聯(lián)接的預緊、強度計算、螺栓組結構設計、受力分析及提高聯(lián)接強度的措施等；第二部分為滑動螺旋傳動的設計計算方法。2、本章特點市內容包括螺紋聯(lián)接和螺旋傳動兩個部分。前者屬于聯(lián)接，后者屬于傳動。二者在內容上雖有一定的聯(lián)系，但在設計要求上卻有很大差別。當前2頁，總共115頁。3、本章學習要求：

對于螺紋聯(lián)接的基本知識，應了解螺紋及螺紋聯(lián)接件的類型、特性、標準、結構、應用場合及有關的防松方法等，以便在設計時能夠正確地選用。

對于螺栓聯(lián)接設計及強度計算部分，應掌握結構設計原則及強度計算的理論與方法，能正確進行螺栓組的受力分析，能較為合理地設計出可靠的螺栓組聯(lián)接。對于螺旋傳動部分，主要是掌握螺旋傳動性能（效率、自鎖等）對螺紋選型的要求及主要零件（螺桿、螺母）的設計計算方法，并通過一種基本類型——螺旋起重器的設計，了解滑動螺旋傳動的主要設計過程。

重點：

1.各類不同外載荷情況下，螺栓組中各螺栓的受力分析；

2.螺栓聯(lián)接的強度計算，尤其是承受軸向拉伸載荷的緊螺栓聯(lián)接的強度計算。難點：承受傾覆力矩的底板螺栓組聯(lián)接的設計。當前3頁，總共115頁。學習時注意：1、前四節(jié)是敘述性內容，對于設計螺栓是必不可少的基本知識，應當結合閱讀機械設計手冊學習。2、螺紋及螺紋聯(lián)接件大都已標準化。設計時，對不太重要的螺紋聯(lián)接一般只需根據不同情況進行選用，不需自行設計。對重要的螺紋聯(lián)接，設計計算也只是確定螺栓危險截面的直徑（螺紋小徑），螺栓聯(lián)接的其它部分尺寸由標準選定。但是，在個別特殊情況下，需要自行設計某種非標準螺紋聯(lián)接件。3、螺紋聯(lián)接的設計主要是螺栓組聯(lián)接的設計。其設計工作包括兩部分內容：一是正確進行結構設計，通過受力分析找出受力最大的螺栓；二是按照單個螺栓聯(lián)接的強度計算公式來設計這個受力最大螺栓的尺寸，其余螺栓則按同樣尺寸選用。當前4頁，總共115頁。復習思考題機械聯(lián)接可分哪兩大類？靜聯(lián)接又可分為哪兩類？根據什么條件劃分？選用它們時應考慮哪些因素？設計聯(lián)接時，一般應考慮哪些因素？當一個聯(lián)接中包含多個危險截面或工作面時，為什么要按最薄弱的部位來決定聯(lián)接的尺寸？在具體的機器上找出幾種聯(lián)接，分析一下為什么要在那個部位采用那種聯(lián)接，你認為采用哪種聯(lián)接最為合適？為什么？當前5頁，總共115頁。聯(lián)接被聯(lián)接件聯(lián)接件聯(lián)接被聯(lián)接件與聯(lián)接件的組合北京林業(yè)大學專用作者：潘存云教授當前6頁，總共115頁。

聯(lián)接的類型和應用聯(lián)接的類型一、不可拆聯(lián)接破壞聯(lián)接件或被聯(lián)接件方能拆卸的聯(lián)接。鉚接、焊接、粘接、過盈配合聯(lián)接。二、可拆聯(lián)接無需破壞零件方可拆卸的聯(lián)接。螺紋聯(lián)接、鍵聯(lián)接、銷聯(lián)接。北京林業(yè)大學專用作者：潘存云教授當前7頁，總共115頁。聯(lián)接件預制孔＋鉚釘鉚合鉚接特點：工藝簡單，可靠，耐沖擊；笨重，勞動條件差。應用：目前用于橋梁、飛機制造。聯(lián)接的類型和應用北京林業(yè)大學專用作者：潘存云教授當前8頁，總共115頁。被聯(lián)接件局部熔融＋熔化焊條填充焊縫冷卻焊接特點：重量輕，強度高，工藝簡單。殘存焊接應力。應用：廣泛，單件生產周期短，成本低。聯(lián)接的類型和應用北京林業(yè)大學專用作者：潘存云教授當前9頁，總共115頁。粘合劑＋被聯(lián)接件粘合劑固化粘接特點：重量輕，耐腐蝕，密封好，適用于不同材料。要求有一定粘接面積。應用：應用于金屬三十多年歷史。聯(lián)接的類型和應用北京林業(yè)大學專用作者：潘存云教授當前10頁，總共115頁。粘接應用例粘接的蝸輪被聯(lián)接件粘接表面涂膠粘劑，經固化。粘接的管道粘接的管件聯(lián)接的類型和應用北京林業(yè)大學專用作者：潘存云教授當前11頁，總共115頁。被聯(lián)接件（包容件與被包容件）間存在過盈量，二者裝配后產生壓力，工作時靠摩擦力傳遞載荷。過盈配合聯(lián)接特點：結構簡單，定心性好，對軸無削弱，耐沖擊性能好。表面精度要求高。過盈量小時用壓入法裝配，大時用溫差法裝配。應用：輕載，定心要求高，不能對軸有削弱之場合。過盈量壓入法，溫差法聯(lián)接的類型和應用北京林業(yè)大學專用作者：潘存云教授當前12頁，總共115頁。螺紋聯(lián)接被聯(lián)接件＋螺紋緊固件（擰緊）。聯(lián)接的類型和應用北京林業(yè)大學專用作者：潘存云教授當前13頁，總共115頁。鍵聯(lián)接被聯(lián)接件＋鍵（定位，傳遞扭矩）聯(lián)接的類型和應用北京林業(yè)大學專用作者：潘存云教授當前14頁，總共115頁。銷聯(lián)接被聯(lián)接件＋銷（定位，傳遞不大的載荷）。聯(lián)接的類型和應用北京林業(yè)大學專用作者：潘存云教授當前15頁，總共115頁。潘存云教授研制潘存云教授研制一、螺紋的形成§5－1螺紋d2螺旋線——一動點在一圓柱體的表面上，一邊繞軸線等速旋轉，同時沿軸向作等速移動的軌跡。螺紋——一平面圖形沿螺旋線運動，運動時保持該圖形通過圓柱體的軸線，就得到螺紋。螺紋當前16頁，總共115頁。按螺紋的牙型分螺紋的分類按螺紋的旋向分按螺旋線的根數(shù)分按回轉體的內外表面分按螺旋的作用分按母體形狀分矩形螺紋三角形螺紋梯形螺紋鋸齒形螺紋當前17頁，總共115頁。潘存云教授研制螺紋的牙型矩形螺紋三角形螺紋梯形螺紋鋸齒形螺紋15o30o3o30o潘存云教授研制潘存云教授研制當前18頁，總共115頁。潘存云教授研制按螺紋的牙型分螺紋的分類按螺紋的旋向分按螺旋線的根數(shù)分按回轉體的內外表面分按螺旋的作用分按母體形狀分矩形螺紋三角形螺紋梯形螺紋鋸齒形螺紋右旋螺紋潘存云教授研制左旋螺紋當前19頁，總共115頁。潘存云教授研制潘存云教授研制按螺紋的牙型分螺紋的分類按螺紋的旋向分按螺旋線的根數(shù)分按回轉體的內外表面分按螺旋的作用分按母體形狀分矩形螺紋三角形螺紋梯形螺紋鋸齒形螺紋右旋螺紋左旋螺紋單線螺紋多線螺紋一般:n≤4PSS=2PPSPS=Pn線螺紋:S=n

P單線螺紋多線螺紋當前20頁，總共115頁。按螺紋的牙型分螺紋的分類按螺紋的旋向分按螺旋線的根數(shù)分按回轉體的內外表面分按螺旋的作用分按母體形狀分矩形螺紋三角形螺紋梯形螺紋鋸齒形螺紋右旋螺紋左旋螺紋單線螺紋多線螺紋外螺紋內螺紋螺紋副當前21頁，總共115頁。潘存云教授研制潘存云教授研制外螺紋內螺紋潘存云教授研制潘存云教授研制當前22頁，總共115頁。按螺紋的牙型分螺紋的分類按螺紋的旋向分按螺旋線的根數(shù)分按回轉體的內外表面分按螺旋的作用分按母體形狀分矩形螺紋三角形螺紋梯形螺紋鋸齒形螺紋右旋螺紋左旋螺紋單線螺紋多線螺紋外螺紋內螺紋連接螺紋傳動螺紋螺旋傳動當前23頁，總共115頁。連接螺紋傳動螺紋潘存云教授研制潘存云教授研制當前24頁，總共115頁。按螺紋的牙型分螺紋的分類按螺紋的旋向分按螺旋線的根數(shù)分按回轉體的內外表面分按螺旋的作用分按母體形狀分矩形螺紋三角形螺紋梯形螺紋鋸齒形螺紋右旋螺紋左旋螺紋單線螺紋多線螺紋外螺紋內螺紋連接螺紋傳動螺紋圓柱螺紋圓錐螺紋當前25頁，總共115頁。潘存云教授研制圓柱螺紋圓錐螺紋潘存云教授研制潘存云教授研制管螺紋當前26頁，總共115頁。ψ潘存云教授研制(3)中徑d2

也是一個假想圓柱的直徑，該圓柱的母線上牙型溝槽和凸起寬度相等。βd1d2d(1)大徑d

與外螺紋牙頂(或內螺紋牙底)相重合的假想圓柱體的直徑。(2)

小徑d1

與外螺紋牙底(或內螺紋牙頂)相重合的假想圓柱體的直徑。(4)

螺距P

相鄰兩牙在中徑線上對應兩點間的軸向距離。(5)

導程S(6)

螺紋升角ψ

中徑d2圓柱上，螺旋線的切線與垂直于螺紋軸線的平面的夾角(7)牙型角

α

軸向截面內螺紋牙型相鄰兩側邊的夾角。牙型側邊與螺紋軸線的垂線間的夾角。tanψ=πd2

nP

牙側角

β

αβψπd2SS=nP同一條螺旋線上的相鄰兩牙在中徑線上對應兩點間的軸向距P二、螺紋的主要幾何參數(shù)SPP/2P/2(8)接觸高度

h

內外螺紋旋合后，接觸面的徑向高度。h當前27頁，總共115頁。

普通螺紋以大徑d為公稱直徑，同一公稱直徑可以有多種螺距，其中螺距最大的稱為粗牙螺紋，其余的統(tǒng)稱為細牙螺紋。60?螺紋的精度等級:A級B級C級公差小，精度最高，用于配合精確，防振動等場合受載較大且經常拆卸，調整或承受變載荷的連接用于一般連接，最常用粗牙螺紋應用最廣。細牙螺紋的優(yōu)點：升角小、小徑大、自鎖性好、強度高缺點：不耐磨，易滑扣。應用：薄壁零件、受動載荷的連接和微調機構。Pd粗牙dP細牙dP細牙當前28頁，總共115頁。潘存云教授研制潘存云教授研制梯形螺紋：梯形鋸齒形30o3o30o為了減少摩擦和提高效率，這兩種螺紋的牙側角β比三角形螺紋的要小得多。用于剖分螺母時，梯形螺紋可消除因摩擦而產生的間隙，應用較廣。鋸齒形螺紋的效率比矩形螺紋高，但只適合單向傳動。鋸齒形螺紋:常用于傳動。β=15oβ=3o

粗牙普通螺紋、細牙普通螺紋和梯形螺紋的基本尺寸見后續(xù)各表（或查閱相關機械設計手冊）。螺紋的基本尺寸：當前29頁，總共115頁。潘存云教授研制直徑與螺距、粗牙普通螺紋基本尺寸mm30.52.6752.459公稱直徑（大徑）粗牙細牙

D

d

螺距P

中徑D2d2小徑D2d2螺距P

40.73.5453.24250.83.5454.1340.350.5615.3504.91881.257.1886.647101.59.0268.3761.25,10.75121.7510.86310.1061.5,1.250.5(14)212.70111.8351.5,116214.70113.835(18)2.516.37615.294202.518.37617.294(20)2.520.37619.29424322.05220.752(27)325.05223.752303.527.72726.2112,1.5,1注：括號內的公稱直徑為第二系列H=0.866P

d2=d-0.6495P

d1=d-1.0825PD1、d1——內、外螺紋小徑D2、d2——內、外螺紋中徑D、d

——內、外螺紋大徑P——螺距標記示例：M24(粗牙普通螺紋、直徑24、螺距3)M24×1.5(細牙普通螺紋,直徑24,螺距1.5)PP/8P/8P/8H/4D

dD2

d2D1

d1P/2P/430?60?90?當前30頁，總共115頁。潘存云教授研制

細牙普通螺紋基本尺寸mm螺距P

中徑D2、d2

小徑D1、d10.35d-1+0.773d-1+0.6210.5d-1+0.675d-1+0.4590.75d-1+0.513d-1+0.1881d-1+0.35d-2+0.9181.25d-1+0.188d-2+0.6471.5d-1+0.026d-2+0.3762d-2+0.701d-3+0.8353d-2+0.052d-4+0.752當前31頁，總共115頁。潘存云教授研制潘存云教授研制

梯形螺紋基本尺寸mm標記示例：Tr48×8(梯形螺紋，直徑48，螺距8)P

h3=H4

ac

第1系列第2系列D2d2

D1

螺距螺紋牙高牙頂間隙公稱直徑d

中徑內螺紋小徑

126.50.590、10085、95d-6d-12105.50.540、70、8038、42、65d-5d-1086.50.548、5246、50d-4d-842.250.2516、2018d-2d-452.750.2524、2822、26d-2.5d-562.250.532、3630、34d-3d-6內螺紋外螺紋dPR1R2D1D4H1D2d2d3acac30?

H4R2當前32頁，總共115頁。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dd2d1P用螺紋密封的管螺紋普通細牙螺紋管螺紋非螺紋密封管螺紋（圓柱管壁α=55?）用螺紋密封管螺紋（圓錐管壁α=55?）60?圓錐管螺紋公稱直徑——管子的公稱通徑。強調與普通螺紋不同55?55?非螺紋密封的管螺紋dd2d1Pφ2φ當前33頁，總共115頁。§5－2螺紋連接的類型及標準連接件一、

螺紋連接的基本類型螺栓連接基本類型eaal1l1可承受橫向載荷。螺紋余留長度l1鉸制孔用螺栓靜載荷l1>=(0.3~0.5)d;變載荷l1>=0.75d;沖擊載荷或彎曲載荷l1≥d;鉸制孔用螺栓l1≈d;螺紋伸出長度a=(0.2~0.3)d;螺栓軸線到被連接件邊緣的距離e=d+(3~6)mm用于經常拆裝易磨損之處。潘存云教授研制潘存云教授研制d潘存云教授研制d孔與螺桿之間留有間隙潘存云教授研制潘存云教授研制當前34頁，總共115頁。潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制一、

螺紋連接的基本類型螺栓連接基本類型螺釘連接座端擰入深度H，當螺孔材料為：aee雙頭螺柱連接

連接件厚，允許拆裝。鋼或青銅H=d;鑄鐵H=(1.25~1.5)d鋁合金H=(1.5~2.5)d螺紋孔深度H1=H+(2~2.5)P;鉆孔深度H2=H1+(0.5~1)d;參數(shù)l1

、e、a與螺栓相同

l1l1HHH1H1H2H2結構簡單，省了螺母，不宜經常拆裝，以免損壞螺孔而修復困難?！?－2螺紋連接的類型及標準連接件d當前35頁，總共115頁。潘存云教授研制一、

螺紋連接的基本類型螺栓連接基本類型螺釘連接雙頭螺柱連接緊定螺釘連接緊定螺釘§5－2螺紋連接的類型及標準連接件潘存云教授研制當前36頁，總共115頁。潘存云教授研制潘存云教授研制二、螺紋緊固件螺栓螺紋緊固件螺栓的結構形式LL0d六角頭LdL0小六角頭當前37頁，總共115頁。dL0L1LL1

——座端長度L0

——螺母端長度二、螺紋緊固件螺紋緊固件雙頭螺柱螺栓當前38頁，總共115頁。二、螺紋緊固件螺紋緊固件末端結構頭部結構螺釘、緊定螺釘雙頭螺柱螺栓當前39頁，總共115頁。潘存云教授研制二、螺紋緊固件螺紋緊固件潘存云教授研制地腳螺栓潘存云教授研制起吊螺釘螺釘、緊定螺釘雙頭螺柱螺栓專用螺紋連接T型螺栓當前40頁，總共115頁。二、螺紋緊固件螺紋緊固件用于經常拆裝易磨損之處。用于尺寸受限制之處。國標羅列有６０余種不同結構的螺母螺母螺釘、緊定螺釘雙頭螺柱螺栓專用螺紋連接六角螺母六角扁螺母六角厚螺母潘存云教授研制圓螺母當前41頁，總共115頁。潘存云教授研制其它螺母：當前42頁，總共115頁。潘存云教授研制其它螺母：當前43頁，總共115頁。墊圈平墊圈薄平墊圈A型平墊圈B型平墊圈螺母螺釘、緊定螺釘雙頭螺柱二、螺紋緊固件螺栓螺紋緊固件斜墊圈彈簧墊圈圓螺母用止動墊圈作用：增加支撐面積以減小壓強，避免擰緊螺母擦傷表面、防松。專用螺紋連接當前44頁，總共115頁?！?－3螺紋連接的預緊預緊力：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，預先受到力的作用，這個預加作用力稱為預緊力。預緊的目的：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)縫隙或發(fā)生相對移動。預緊力的確定原則：擰緊后螺紋連接件的預緊應力不得超過其材料的屈服極限ss的80%。

一、概述一般螺紋連接在裝配時都必須擰緊，這時螺紋連接受到預緊力的作用。對于重要的螺紋連接，應控制其預緊力，因為預緊力的大小對螺紋連接的可靠性，強度和密封均有很大影響。碳素鋼螺栓：F0≤(0.6~0.7)σsA1合金鋼螺栓：F0≤(0.5~0.6)σsA1A1——危險截面積，A1≈πd21/4當前45頁，總共115頁。二、

擰緊力矩T1——克服螺紋副相對轉動的阻力矩；T2——克服螺母支撐面上的摩擦阻力矩；設預緊力為F0

或預緊力（不受軸向載荷）fc——摩擦因子。無潤滑時取fc=0.15Rf——支撐面摩擦半徑。rf=(dw+d0)/4簡化公式

適用于M10~M60的粗牙螺紋，f’=0.15,fc=0.15,

T≈0.2F0dFa是由連接要求決定的，為了發(fā)揮螺栓的工作能力和保證預緊

可靠，應取：總力矩

注意：對于重要的連接，應盡可能采用大于M12的螺栓。Fad0dT當前46頁，總共115頁。測力矩扳手預緊力控制方法:連接用三角形螺紋都具有自鎖性，在靜載荷和工作溫度變化不大時，不會自動松脫。但在沖擊、振動和變載條件下，預緊力可能在某一瞬時消失，連接仍有可能松動。高溫下的螺栓連接，由于溫度變形差異等，也可能發(fā)生松脫現(xiàn)象（如高壓鍋），因此設計時必須考慮防松。即防止相對轉動。F定力矩扳手通常螺紋連接擰緊是憑工人的經驗來決定的，重要螺栓則必須預緊力進行精確控制。(1)憑手感經驗(2)測力矩扳手(3)定力矩扳手(4)測定伸長量潘存云教授研制LSLMLS當前47頁，總共115頁。尼龍圈鎖緊螺母連接用三角形螺紋都具有自鎖性，在靜載荷和工作溫度變化不大時，不會自動松脫。但在沖擊、振動和變載條件下，預緊力可能在某一瞬時消失，連接仍有可能松動而失效。高溫下的螺栓連接，由于溫度變形差異等，也可能發(fā)生松脫現(xiàn)象（如高壓鍋），因此設計時必須考慮防松，即防止相對轉動。防松的方法1.利用附加摩擦力防松彈簧墊圈對頂螺母§5－3螺紋連接的防松防松——防止螺旋副相對轉動。當前48頁，總共115頁。開口銷與六角開槽螺母串聯(lián)鋼絲2.采用專門防松元件防松圓螺母用止動墊圈潘存云教授研制止動墊圈潘存云教授研制潘存云教授研制當前49頁，總共115頁。沖點防松法3.其它方法防松1~1.5P用沖頭沖2至3點粘合法防松涂粘合劑當前50頁，總共115頁?！?－5螺紋連接的強度計算螺栓連接的主要失效形式滑扣

因經常拆裝受拉螺栓塑性變形螺紋部分疲勞斷裂受剪螺栓剪斷壓潰螺桿和孔壁的貼合面經常拆卸——軸向變載荷斷裂當前51頁，總共115頁。潘存云教授研制螺栓與螺母的螺紋牙及其他各部尺寸是根據等強度原則及使用經驗規(guī)定的。采用標準件時，這些部分都不需要進行強度計算。所以，螺栓連接的計算主要是確定螺紋小徑d1，然后按照標準選定螺紋公稱直徑d及螺距P等。一、松螺栓連接強度計算強度條件式中d1——螺紋小徑mm，[σ]——許用應力二、緊螺栓連接強度計算FaFa力除以面積設計公式裝配時需要擰緊，在工作狀態(tài)下可能還需要補充擰緊。1.僅承受預緊力的緊螺栓連接2.承受預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裝配時不須要擰緊當前52頁，總共115頁。螺栓受軸向拉力F0和摩擦力矩T1的雙重作用。拉應力1.僅承受預緊力的緊螺栓連接扭轉切應力對于M10~M64的普通鋼制螺紋，可?。篢anρ’≈f‘=0.17，d2/d1=1.04~1.08,tanρ’≈0.5得：

τ≈0.5σ分母為抗剪截面系數(shù)計算應力由此可見，對于M10~M64普通螺紋的鋼制緊螺栓連接，在擰緊時，雖然同時承受拉伸和扭轉的聯(lián)合作用，但在計算時，可以只考慮拉伸強度計算，并將預緊力增大30%來考慮扭轉的影響。強度條件當前53頁，總共115頁。潘存云教授研制潘存云教授研制當承受橫向工作載荷時，預緊力F0導致接合面所產生的摩擦力應大于橫向載荷F。C——可靠性系數(shù)，常取C=1.1~1.3預緊力F0

f——摩擦系數(shù)，對鋼與鑄鐵，取f=0.1~0.15m——結合面數(shù)上圖m=1,下圖m=2若取f=0.15，C=1.2,m=1,

則F0

≥8F→結構尺寸大FFFF/2F/2F0F0F0F0當前54頁，總共115頁。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潘存云教授研制潘存云教授研制FF/2F/2潘存云教授研制D2.受預緊力和工作拉力的緊螺栓連接改進措施：

(1)采用鍵、套筒、銷承擔橫向工作載荷。螺栓僅起連接作用(2)采用無間隙的鉸制孔用螺栓。設流體壓強為p，螺栓數(shù)目為Z，則缸體周圍每個螺栓的平均載荷為pπD2/4F

=ZpFF當前55頁，總共115頁。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潘存云教授研制

預緊狀態(tài)潘存云教授研制特別注意，軸向載荷：F2≠

F0+F加預緊力后→螺栓受拉伸長λb→被連接件受壓縮短λm加載F

后:螺栓總伸長量增加為總拉力為被連接件壓縮量減少為

殘余預緊力減少為F1

很顯然F1<F0被連接件放松了?λ+λbλm-?λF0F0受載變形松弛狀態(tài)潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制F2F2F2=F+F1F1F1FFλmλb?λ?λ

F0F0當前56頁，總共115頁。潘存云教授研制潘存云教授研制λb?λ連接件變形力螺栓變形力?Fb?Fm螺栓變形力F2F1FF0F0F0λbarctanCbarctanCmλmλm當前57頁，總共115頁。力螺栓變形arctanCb潘存云教授研制——相對剛度系數(shù)F=?Fb+?Fm=(Cb+Cm

)?λ

δCb+CmCbF2=F0+FCb+CmCbF1=F0–F

1-F1=F0-?F=F0

-Cm

?λ

F2=F0

+?Fb=F0

+Cb

?λCb+CmF?λ=FF2?FbF0?λ代入得：表5－4螺栓的相對剛度系數(shù)墊片類型金屬墊片或無墊片皮革銅皮石棉橡膠0.2~0.30.70.80.9Cb+CmCb?FmF1當前58頁，總共115頁。靜強度條件重要場合的螺栓連接，還應進行疲勞強度校核。設計公式當工作拉力在0~F之間變化時，螺栓所受總拉力在F0

~F2之間變化。F2

F0

θm

θbF若不考慮摩擦力矩的影響，有當前59頁，總共115頁。DI因為σmin=const,應力工作點M落在ODGI區(qū)域內，依據疲勞強度理論有其中σ-1tc——螺栓材料的對稱循環(huán)拉壓疲勞極限。疲勞極限σ-1

σ-1tc10160~220120~150Q215170~220120~16035220~300170~22045250~340190~25040Cr320~440240~340材料Ψσ——材料特性系數(shù)碳素鋼ψσ

=0.1~0.2合金鋼ψσ

=0.3~0.3σminσ-1eσ-1σaσmOCAσSGMM’3Kσ

——綜合影響系數(shù)S

——安全系數(shù)見下頁當前60頁，總共115頁。潘存云教授研制螺栓連接的安全系數(shù)S

碳素鋼5~44~2.52.5~2碳素鋼12.5~8.58.58.5~12.5M6~M16M16~M30M30~M60M16~M16M16~M30M30~M60不控制預緊力的計算控制預緊力的計算受載類型靜載荷變載荷松螺栓連接1.2~1.7合金鋼5.7~55~3.43.4~3合金鋼10~6.86.86.8~101.2~1.51.2~1.5(Sa=2.5~4)鋼：Sτ=2.5，Sp=1.25鋼：Sτ=3.5~5，Sp=1.5鑄鐵：Sp=2.0~2.5鑄鐵：Sp=2.5~3鉸制孔用螺栓連接受軸向及橫向載荷的普通螺栓連接緊螺栓連接當前61頁，總共115頁。潘存云教授研制潘存云教授研制

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。在連接接合面處，螺栓桿則受剪切。3．承受工作剪力的緊螺栓連接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F——螺栓所受的工作剪力，單位為N；Lmin鉸制孔用螺栓FFd0設計時應使Lmin≥1.25d0d0——螺栓剪切面的直徑（可取螺栓孔直徑），單位為mm；Lmin——螺栓桿與孔壁擠壓面的最小高度，單位為mm。當前62頁，總共115頁?！?－6螺栓組連接的設計在設計螺栓組連接時，關鍵是連接的結構設計。它是根據被連接件的結構和連接的用途，確定螺栓數(shù)目和分布形式?！鵀榱吮阌诩庸ぶ圃旌蛯ΨQ布置螺栓，保證連接結合面受力均勻，通常連接接合面的幾何形狀都設計成一、螺栓組連接的結構設計基本原則：大多數(shù)機械中螺栓都是成組使用的。軸對稱的簡單幾何形狀

圓形

圓環(huán)形

矩形

矩形框

三角形當前63頁，總共115頁。潘存云教授研制▲螺栓布置應使各螺栓的受力合理FF(1)對于鉸制孔用螺栓連接，不要在平行于工作載荷的方向上成排地布置８個以上的螺栓，以免載荷分布過于不均；潘存云教授研制潘存云教授研制合理不合理(2)當螺栓連接承受彎矩或轉矩時，應使螺栓的位置適當靠近連接接合面的邊緣，以減少螺栓的受力。當前64頁，總共115頁。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潘存云教授研制dhD▲螺栓的排列應有合理的間距、邊距，以保證扳手空間(3)當同時承受軸向載荷和較大的橫向載荷時，采用抗剪零件來承受橫向載荷。潘存云教授研制潘存云教授研制60?CCEE60?扳手空間的尺寸見有關標準。AB潘存云教授研制當前65頁，總共115頁。對于壓力容器等緊密性要求較高的重要連接。螺栓的間距不大于下表所推薦的取值。t0潘存云教授研制螺栓間距t0工作壓力/MPa7d5d

4.54d3.53dt0/mm≤1.61.6~44~1010~1616~2020~30d▲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)。同一螺栓組中的螺栓的材料、直徑、長度應相同當前66頁，總共115頁。潘存云教授研制支承面傾斜采用凸臺或沉孔結構潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制支承面不平保證被連接件，螺母和螺栓頭支承面平整，并與螺栓軸線相互垂直。對于在鑄、鍛件等的粗糙表面上安裝螺栓時，應制成凸臺或沉頭座。當支承面為傾斜表面時，應采用斜面墊圈等。▲避免螺栓承受附加的彎曲載荷切削加工支承面支承面傾斜潘存云教授研制當前67頁，總共115頁。二、螺栓組連接的受力分析受力分析的目的:

根據連接的結構和受載情況，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。受力分析時所作假設:

(1)所有螺栓的材料、直徑、長度和預緊力均相同；(3)受載后連接接合面仍保持為平面。受力分析的類型：(2)螺栓組的對稱中心與連接接合面的形心重合；受轉矩受橫向載荷受軸向載荷受傾覆力矩M當前68頁，總共115頁。（1）對于鉸制孔用螺栓連接，每個螺栓所受工作剪力為（2）對于普通螺栓連接，按預緊后接合面間所產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。

圖示為由四個螺栓組成的受橫向載荷的螺栓組連接。1．受橫向載荷的螺栓組連接Ks為防滑系數(shù)，設計中可取Ks=1.1~1.3。潘存云教授研制鉸制孔螺栓F∑F∑F∑F∑潘存云教授研制普通螺栓或當前69頁，總共115頁。潘存云教授研制TO潘存云教授研制O采用普通螺栓和鉸制孔用螺栓組成的螺栓組受轉矩時的受力情況是不同的。2．受轉矩的螺栓組連接采用普通螺栓，是靠連接預緊后在接合面間產生的摩擦力矩來抵抗轉矩T。采用鉸制孔用螺栓，是靠螺栓的剪切和螺栓與孔壁的擠壓作用來抵抗轉矩T。TrmaxFmaxr1fF0fF0r2riFi假設底板受載仍為平面，則螺栓的剪切變形量與距離成正比，F(xiàn)=Kri剪切力與距離r的比值為常數(shù)當前70頁，總共115頁。潘存云教授研制D3．受軸向載荷的螺栓組連接若作用在螺栓組上軸向總載荷FΣ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，每個螺栓所受軸向工作載荷為通常，各個螺栓還承受預緊力F0的作用，當連接要有保證的殘余預緊力為F1時，每個螺栓所承受的總載荷F2為F2=F1+FpF∑FF當前71頁，總共115頁。潘存云教授研制潘存云教授研制4．受傾覆力矩的螺栓組連接

傾覆力矩M作用在連接接合面的一個對稱面內，底板在承受傾覆力矩之前，螺栓已被擰緊并承受預緊力F0且被拉伸，地基有均勻的壓縮。在作用M后，接觸面繞0-0線轉動一個角度，左邊的地基被放松，而螺栓被進一步拉伸；右邊的螺栓被放松，而地基被進一步壓縮。單個螺栓拉力產生的力矩為F1F0

F0

σp

(

F

0引起)F2mσp2(

F1m引起)σp1(

F1引起)LiLmaxOOxxOMMMi=Fi

Li

假設底板受載仍為平面，則螺栓受力與螺栓中心到螺栓組排列中心的距離成正比。螺栓承受的載荷與距離成正比當前72頁，總共115頁。潘存云教授研制F1m

強調是基座上的壓力Fm

F2m

F1

F

F2

C2

單個螺栓的受力分析Om

力變形Ob

作用在底板兩側的合力矩與傾覆力矩M平衡，即未加傾覆力矩時，工作點在A。∑Mi=0施加傾覆力矩M時，左邊的螺栓，工作點移至B1

和C1

右邊的螺栓，工作點移至B2

和C2

左邊螺栓總拉力增加，右邊螺栓總拉力減小。F2

F2m

C1

B2

B1

求得最大工作載荷A

F0

當前73頁，總共115頁。螺栓的總拉力為防止接合面受壓最大處被壓碎或受壓最小處出現(xiàn)間隙，要求連接接合面材料的許用擠壓應力材料鋼鑄鐵混凝土磚(水泥漿縫)木材[σ]p(MPa)0.8σS(0.4~0.5)σB2.0~3.01.5~2.02.0~4.0直接引用前面的結論當前74頁，總共115頁?！?－7螺栓的材料和許用應力一、螺紋連接件材料螺栓、螺柱、螺釘常用材料：Q215、Q235、35、45等碳素鋼；特殊用途(防磁、導電):特殊鋼、銅合金、鋁合金等。螺栓、螺柱、螺釘?shù)男阅艿燃壏譃?0級。3.64.64.85.6586.88.89.810.912.9作為標準零件，螺紋連接件是按其性能等級選用的。對于一定性能等級的螺紋連接件應具備一定的強度極限。沖擊振動場合用：15Cr、40Cr、30CrMnSi等合金鋼。普通墊圈：Q235、15、35彈簧墊圈：

65Mn當前75頁，總共115頁。選用原則：一般用途：通常選用4.8級左右的螺栓，重要場合：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。螺母的性能等級分為7級。456891012當前76頁，總共115頁。二、螺紋連接件的許用應力

螺紋連接件的許用應力與載荷性質(靜、變載荷)、裝配情況(松、緊連接)、材料、結構尺寸有關。許用拉應力許用切應力和擠壓應力被連接件為鋼被連接件為鑄鐵Sτ,Sp——安全系數(shù)，其取值詳見下頁表。當前77頁，總共115頁。潘存云教授研制螺栓連接的安全系數(shù)S

碳素鋼5~44~2.52.5~2碳素鋼12.5~8.58.58.5~12.5M6~M16M16~M30M30~M60M16~M16M16~M30M30~M60不控制預緊力的計算控制預緊力的計算受載類型靜載荷變載荷松螺栓連接1.2~1.7合金鋼5.7~55~3.43.4~3合金鋼10~6.86.86.8~101.2~1.51.2~1.5(Sa=2.5~4)鋼：Sτ=2.5，Sp=1.25鋼：Sτ=3.5~5，Sp=1.5鑄鐵：Sp=2.0~2.5鑄鐵：Sp=2.5~3鉸制孔用螺栓連接受軸向及橫向載荷的普通螺栓連接緊螺栓連接當前78頁，總共115頁?！?－8提高螺栓連接強度的措施承受軸向變載荷時，螺栓的損壞形式：疲勞斷裂容易斷裂部位：一、降低螺栓總拉伸載荷F2的變化范圍軸向工作載荷F的變化范圍0~FCb+CmCbF0~F0+F總拉伸載荷的F2變化范圍

Cb

↓

或

Cm

↑→F2變化范圍?F

↓提高螺栓連接強度的措施有哪些呢？

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。65%20%15%當前79頁，總共115頁。潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制F0

θm

θb措施一：降低螺栓剛度（

C’b<Cb,θ’b

<θb

）措施二：提高被連接件剛度（C’m

>Cm,θ’m

>θm

）

措施三：綜合措施（

C’b

<Cb,C’m

>Cm,F’0

>F0

）?FFF1

F2

F’2F’?F

θ’m

F’1θ’

bF’0θm

雖然F’=F?F’<?F強調殘余預緊力減小但有?F’<?F強調殘余預緊力減小F’=FF’=F，F(xiàn)’1

=F1?F’<?F前兩種措施會導致殘余預緊力減小，使密封性能降低。為保證可靠工作，可適當增大預緊力。F’2F’

?F’F’1

θ’b

F0

θm

θb?FFF1

F2

F’F’1?F’F0

θb?FFF1

F2

θm

當前80頁，總共115頁。dd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潘存云教授研制0.8d0.7d采用柔性結構：加彈性元件、或采用柔性螺栓。2.有密封要求時，采用金屬薄墊片3.或者采用O形密封圈宜采取措施:因密封采用軟墊片將降低被連接件的剛度，這時可采用當前81頁，總共115頁。潘存云教授研制普通螺母二、改善螺紋牙間的載荷分布措施:

采用均載螺母加厚螺母不能提高連接強度！螺栓桿螺母體螺栓桿螺母體螺栓桿FaF5/2F4/2F3/2F2/2F1/2F5/2F4/2F3/2F2/2F1/2潘存云教授研制螺母體螺栓桿FF=F1+F2+F3+F4+F5F1>F2>F3>F4>F510圈以后，螺母牙幾乎不承受載荷。螺栓桿F潘存云教授研制螺栓桿F螺母體均載螺母均載原理螺母和螺桿均為拉伸變形，有助于減小兩者螺距變化，使受載均勻。加厚螺母當前82頁，總共115頁。潘存云教授研制10~15?懸置螺母環(huán)槽螺母內斜螺母10~15?內斜與環(huán)槽螺母均載原理相同螺母也受拉內斜螺母因力的作用點外移可使載荷較大的頭幾圈螺紋牙容易變形，使載荷上移而改善載荷分布不均。均載元件懸置螺母環(huán)槽螺母內斜螺母內斜螺與環(huán)槽螺母都是改變螺母旋合部分的變形性質，使之和螺栓變形性質相同，均為拉伸變形，從而使螺紋牙上載荷分布趨于均勻；鋼絲螺套加工復雜，僅限于用在重要場合或大型連接。當前83頁，總共115頁。潘存云教授研制采用凸臺或沉孔結構潘存云教授研制潘存云教授研制三、減小應力集中1.增大過渡圓角2.切制卸載槽r四、避免或減小附加應力3.卸載過渡結構要從結構、制造與裝配精度采取措施。潘存云教授研制支承面不平切削加工支承面潘存云教授研制潘存云教授研制當前84頁，總共115頁。五、采用特殊制造工藝冷鐓頭部、輾壓螺紋疲勞強度提高30%比車削表面處理：氰化、氮化也能提高疲勞強度。球面墊圈采用球面墊圈和腰環(huán)螺栓可以保證螺栓的裝配精度。潘存云教授研制腰環(huán)螺栓潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制當前85頁，總共115頁。復習思考題1.常用的螺紋有哪幾類？它們各有什么特點？其中哪些已標準化？2.例舉常用的螺紋聯(lián)接零件,螺紋聯(lián)接有哪幾種基本類型？各適用于什么場合？3.螺紋聯(lián)接為什么要預緊？預緊力的大小如何保證？4.螺紋聯(lián)接常用的防松方法有哪幾種？它們是如何防松的？其可靠性如何？5.在受橫向載荷的螺栓組聯(lián)接中，什么情況下宜采用鉸制孔用螺栓？6.什么叫螺栓剛度？什么叫被聯(lián)接件剛度？7.在受傾覆力矩的螺栓組聯(lián)接中，地基和螺栓的剛度對載荷的分配有什么影響？8.受拉伸載荷作用的緊螺栓聯(lián)接中，為什么總載荷不是預緊力和拉伸載荷之和？9.提高螺栓剛度的措施有哪些？這些措施中哪些主要是針對靜載荷？哪些主要是針對變載荷？10.為什么有些汽缸蓋聯(lián)接螺栓采用細腰結構的長螺栓？11.螺紋聯(lián)接的常用材料是什么？對螺栓和螺母的材料有什么要求？當前86頁，總共115頁。已知：支架和底板用2個受拉螺栓連接。支架和底板的材料為HT200、螺栓的材料為Q235，支架重量不計。P=3000N、α＝30°、A＝200mm、B＝50mm、2l＝250mm、H1＝300mm、H2＝200mm、C＝60mm，試設計此螺栓連接。

習題課：螺栓連接設計實例北京林業(yè)大學專用作者：潘存云教授當前87頁，總共115頁。分析：此螺栓組采用受拉螺栓、并有軸向工作載荷，設計公式如下：其中受力最大螺栓的總拉力F2、螺栓的許用拉應力[σ]為未知量。[σ]通過查表得到，F(xiàn)2通過受力分析獲得。

為計算方便，我們采用后一公式求F2。則首先應求出受力最大螺栓的工作載荷Fmax和預緊力F0。一、螺栓組連接受力分析北京林業(yè)大學專用作者：潘存云教授當前88頁，總共115頁。力系簡化2.受力最大螺栓工作拉力Fmax北京林業(yè)大學專用作者：潘存云教授當前89頁，總共115頁。3、分析可能的失效形式強度不滿足在橫向載荷R的作用下，支架有向下滑移的可能在軸向載荷Q的和傾覆力矩M的作用下，結合面上部可能離縫；在軸向載荷Q的和傾覆力矩M的作用下，支架或底板下部被壓潰。北京林業(yè)大學專用作者：潘存云教授當前90頁，總共115頁。4、確定F0＝？（2）不滑移條件（1）不離縫條件北京林業(yè)大學專用作者：潘存云教授當前91頁，總共115頁。把相關數(shù)據代入①、②式：取F0＝8539N5、計算F2北京林業(yè)大學專用作者：潘存云教授當前92頁，總共115頁。二、螺栓參數(shù)確定

按粗牙普通螺紋標準，選用螺紋公稱直徑d=12mm（螺紋小徑的=10.106mm〉9.7mm）北京林業(yè)大學專用作者：潘存云教授當前93頁，總共115頁。一、螺旋傳動的類型和應用調整螺旋靜壓螺旋類型運動形式有§5－9螺旋傳動螺母固定，螺桿轉動并移動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。作用：回轉運動直線運動，同時傳遞動力。螺桿轉動，螺母移動刀架按用途分傳力螺旋傳導螺旋滑動螺旋滾動螺旋按摩擦性質分傳遞動力傳遞運動,要求精度高調整相對位置應用實例為車床刀架溜板當前94頁，總共115頁。潘存云教授研制潘存云教授研制調整螺旋調整螺旋當前95頁，總共115頁。應用實例

起重設備（千斤頂）鍛壓機械(壓力機)潘存云教授研制潘存云教授研制當前96頁，總共115頁。應用實例

工件夾緊裝置(鋸床)潘存云教授研制潘存云教授研制當前97頁，總共115頁。應用實例

潘存云教授研制鉗工虎鉗潘存云教授研制千分尺當前98頁，總共115頁。整體螺母組合螺母剖分螺母螺母結構潘存云教授研制組合螺母潘存云教授研制調整楔快固定螺釘調整螺釘二、滑動螺旋的結構和材料

滑動螺旋的結構主要是指螺桿、螺母的固定和支承的結構形式。螺旋傳動的工作剛度與精度等和支承結構有直接關系。1.結構潘存云教授研制剖分螺母當前99頁，總共115頁。潘存云教授研制螺旋副材料要求：足夠的強度、耐磨性、摩擦因子小2.滑動螺旋的材料螺桿材料:Q257、45、50鋼，或T12、40Cr、65Mn螺母材料:ZCuSn10P1、ZCuSn5Pb5Zn5、ZCuAl10Fe3.螺桿-螺母材料滑動速度m/min許用壓力/MPa摩擦因子低速18~25≤311~186~127~10>151~2

淬火鋼－青銅

鋼－青銅

鋼－鑄鐵

鋼－鋼

6~1210~130.06~0.08

<2.413~18

6~124~7

低速7.5~130.11~0.170.08~0.1

0.12~0.15

滑動螺旋副材料的許用壓力[p]及摩擦因子

當前100頁，總共115頁。潘存云教授研制三、滑動螺旋傳動的設計計算承受載荷:

轉矩、軸向力設計準則：按耐磨損確定直徑，選擇螺距校核螺桿、螺母強度等。主要失效形式:

螺牙的磨損滑動螺旋副材料的許用應力許用應力/MPa螺旋副材料螺桿鋼

[σＳ]/(3~5)螺母青銅

40~6030~40鑄鐵

45~5540鋼

(0.1~0.2)[σ]0.6[σ][σ][σb][τ]注：1)σs

為材料的屈服極限；

2)載荷穩(wěn)定時，許用應力取大值。當前101頁，總共115頁。對螺旋傳動的要求:

強度足夠,耐磨,摩擦因子小.螺桿材料:Q257、45、50鋼，或T12、40Cr、65Mn螺母材料:ZCuSn10P1、ZCuSn5Pb5Zn5、

ZCuAl10Fe3。失效形式:磨損通常先由耐磨性條件，計算螺桿直徑和螺母高度，再參照標準確定螺旋各主要參數(shù)，而后對可能發(fā)生的其它失效一一校核。耐磨性計算校核公式：影響磨損的原因很多，目前還沒有完善的計算方法，通常是限制螺紋接觸處的壓強。p=≤[p]

πd2hzFaFa為軸向力；z為參加接觸的螺紋圈數(shù)；d2為螺紋中徑；h為螺紋的工作高度；[p]為許用壓強。速度v<12m/min4~77~1010~13低速，如人力驅動等10~1815~25-----

螺旋副的許用壓強許用壓強配對材料鋼對鑄鐵鋼對青銅