WANGWZH第三章螺紋連接

1機械設計第三章螺紋連接2主要內容第一節(jié)概述第二節(jié)螺紋連接的類型與結構第三節(jié)螺紋連接的預緊和防松第四節(jié)單個螺栓的強度計算

第五節(jié)螺栓組連接受力分析第六節(jié)提高螺栓強度的措施3第1節(jié)概述1.1螺紋的基本參數(shù)與外螺紋牙頂或內螺紋牙底相重合的假想圓柱面直徑，在標準中定為公稱直徑。（1）公稱直徑-大徑d(D)與外螺紋牙底或內螺紋牙頂相重合的假想圓柱面直徑。（2）小徑d1(D1)（3）中徑(D2)

d2在軸向剖面內牙厚與牙間寬相等處的假想圓柱面的直徑。常用于連接的強度計算常用于連接的幾何計算4（4）螺距

p

螺紋相鄰兩牙在中徑上對應兩點間的軸向距離。（5）導程S

螺紋上任一點沿同一條螺旋線轉一周所移動的軸向距離。第1節(jié)概述5第1節(jié)概述導程是螺紋旋轉一圈所移動的軸向距離。螺距指的是第一個牙與第二牙的軸向距離。如是單頭，二者相等，如是多頭導程＝螺距×頭數(shù)（6）線數(shù)

n螺紋的螺旋線數(shù)目。連接用螺紋要求有自鎖性，多用單線螺紋。d1SP6（7）旋向螺紋有右旋和左旋之分。工程上常用右旋螺紋。（8）牙型角

軸向剖面內螺紋牙型兩側邊的夾角。（9）牙型斜角

軸向剖面內，螺紋牙的側邊與螺紋軸線的垂線間的夾角。對三角形、梯形等對稱牙型=/2

第1節(jié)概述（10）工作高度h內、外螺紋的徑向接觸高度。7。（11）螺紋升角

中徑圓柱面上螺旋線的切線與垂直于螺旋線軸線的平面的夾角。

第1節(jié)概述81.2螺紋的種類、特點及應用按牙型可將螺紋分為普通螺紋、管螺紋、矩形螺紋、梯形螺紋和鋸齒形螺紋。三角形螺紋、管螺紋用于連接，其他用于傳動。1.普通螺紋應用最廣，米制三角形螺紋，牙型角60o當量摩擦角大，自鎖性能好主要用于連接,按螺距大小分為粗牙和細牙,細牙螺紋的螺距小,自鎖性好;適于薄壁細小零件和沖擊變載等。92.圓柱管螺紋

英制細牙三角形螺紋，牙型角

=55°,牙頂有較大圓角，內外螺紋旋合后無徑向間隙公稱直徑近似為管子內徑，緊密性好。多用于壓力為1.568MPa以下的水、煤氣管道、潤滑和電線管路系統(tǒng)。3.矩形螺紋牙型為正方形，牙型角為0°，當量摩擦角小，效率高。牙根強度差，磨損后無法補償間隙，定心性能差。矩形螺紋尚未標準化，很少采用，目前已逐漸被梯形螺紋所代替。1.2螺紋的種類、特點及應用104.梯形螺紋牙型為等腰梯形，牙型角30°與矩形螺紋相比，傳動效率略低，但工藝性好，牙根強度高，對中性好應用較廣的傳動螺紋5.鋸齒形螺紋牙型為不等腰梯形，工作面的牙型半角為3°,非工作面的牙型半角為30°綜合了矩形螺紋效率高和梯形螺紋牙根強度高的特點。用于單向受力的傳力螺旋中，如螺旋壓力機。

1.2螺紋的種類、特點及應用111.螺紋副中軸向力與圓周力的關系1.3螺紋副的受力、自鎖和效率矩形螺紋12擰緊螺母受力圖和力的封閉三角形擰緊螺母1.3螺紋副的受力、自鎖和效率13松退螺母1.3螺紋副的受力、自鎖和效率14對于牙型角不等于零的三角形螺紋和梯形螺紋等可等效為楔形重物沿槽形斜面的運動

擰緊螺母時

松退螺母時

1.3螺紋副的受力、自鎖和效率當量摩擦系數(shù)當量摩擦角152.螺紋傳動的效率

旋轉螺母一周所作的功為

有效功

螺紋傳動的效率為1.3螺紋副的受力、自鎖和效率16

3.螺紋的自鎖條件1.3螺紋副的受力、自鎖和效率172.1螺紋連接主要類型1.螺栓連接(a)普通螺栓連接-被連接件上開有通孔，通孔不帶螺紋，裝配后孔與桿間有間隙。結構簡單，裝拆方便，應用較廣

第2節(jié)螺紋連接的類型與結構(b)鉸制孔螺栓連接—裝配后無間隙，主要承受橫向載荷，也可定位孔和螺栓桿之間采用基孔制過渡配合(H7/m6、H7/n6)18螺桿兩端均有螺紋，裝配時其一端旋入被連接件的螺紋孔中，另一端與螺母旋合適用于常拆卸而被連接件之一較厚或不宜制成通孔、材料又比較軟的場合。3.螺釘連接2.雙頭螺栓連接螺釘直接擰入被連接件之一的螺紋孔內，不用螺母用途和雙頭螺柱連接相似，但不適合經(jīng)常裝拆，易使螺紋孔磨損第2節(jié)螺紋連接的類型與結構19擰入后，利用末端頂住另一零件表面或旋入零件相應的缺口中以固定零件的相對位置可傳遞不大的軸向力或轉矩4.緊定螺釘連接第2節(jié)螺紋連接的類型與結構20地腳螺栓連接吊環(huán)螺釘連接T型槽螺栓連接

5.特殊連接第2節(jié)螺紋連接的類型與結構21

2.雙頭螺柱

1.六角頭螺栓2.2標準螺紋連接件A型——有退刀槽

B型——無退刀槽

3.螺

釘

第2節(jié)螺紋連接的類型與結構224.緊定螺釘

圓柱端:壓入軸上凹坑中，適于緊定空心軸上零件的位置，輕材料和金屬薄板。錐端:適于零件表面硬度較低不常拆卸的場合。

平端:接觸面積大、不傷零件表面，用于頂緊硬度較大的平面，適于經(jīng)常拆卸的場合。

第2節(jié)螺紋連接的類型與結構236.螺母5.自攻螺釘(由螺釘攻出螺紋)7.圓螺母+止動墊圈8.墊圈

第2節(jié)螺紋連接的類型與結構242.3螺紋連接零件常用材料和機械性能1.常用材料一般工況：中低碳鋼，如Q215、10、35和45鋼等變載荷或有沖擊、振動的重要連接中：合金鋼，如

40Gr、15MnVB和30CrMnSi等。2.機械性能等級國家標準規(guī)定螺紋連接件按材料的機械性能分級。螺栓、螺柱、螺釘?shù)臋C械性能等級分為十級，從3.6至12.9；螺母的性能等級分為七級，從4到12。

抗拉強度σB百分之一第2節(jié)螺紋連接的類型與結構253.1螺紋連接的預緊增強連接的可靠性和緊密性，防止受載后被連接件間出現(xiàn)縫隙或發(fā)生相對滑移增加連接剛度，提高防松能力；適當選用較大的預緊力可提高螺紋連接件的疲勞強度

在裝配時擰緊，即在承載前，已預先受預緊力。目的：預緊：預緊力控制：通過控制擰緊力矩等方法控制預緊力的大小。用測力矩扳手或定力矩扳手可控制擰緊力矩。

第3節(jié)螺紋連接的預緊和防松26定力矩板手：達到固定的擰緊力矩T時，彈簧受壓將自動打滑。第3節(jié)螺紋連接的預緊和防松測力矩板手：測出預緊力矩27

擰緊時螺母：T=T1+T2擰緊力矩:扳手擰緊力矩:T=F·L對于常用M10-M68粗牙普通鋼制螺紋

第3節(jié)螺紋連接的預緊和防松預緊力28

消除（或限制）螺紋副之間的相對轉動。摩擦防松

3.2螺紋連接的防松1.為什么防松3.防松辦法2.防松原理在沖擊,振動或變載荷的作用下,螺紋副間的摩擦力可能減小或瞬時消失，從而使螺紋聯(lián)接松動高溫或溫度變化大時,材料發(fā)生蠕變和應力松弛,預緊力和摩擦力逐漸減小機械防松破壞螺紋副關系第3節(jié)螺紋連接的預緊和防松29主要內容第一節(jié)概述第二節(jié)螺紋連接的類型與結構第三節(jié)螺紋連接的預緊和防松第四節(jié)單個螺栓的強度計算

第五節(jié)螺栓組連接受力分析第六節(jié)提高螺栓強度的措施30受剪螺栓失效形式（工程中螺栓聯(lián)接90%為疲勞失效）

靜載荷：螺紋部分發(fā)生塑性變形或斷裂受拉螺栓

變載荷：疲勞斷裂。失效部位螺栓桿和孔壁間可能發(fā)生壓潰或被剪斷第4節(jié)單個螺紋的強度計算31受剪螺栓：連接的擠壓強度和螺栓剪切強度螺紋設計計算準則受拉螺栓：疲勞拉伸強度或靜強度第4節(jié)單個螺紋的強度計算強度計算的目的：螺紋選擇和校核32受載形式

軸向受拉和橫向受剪受力性質

靜載荷和變載荷第4節(jié)單個螺紋的強度計算如何強度計算？連接類型

松/緊連接、鉸制螺紋連接等裝配情況

是否預緊？

按相應的強度條件計算危險截面的直徑（小徑）或校核其強度

其他部分一般不校核，按公稱直徑在標準中選取

334.1受拉螺栓連接的強度計算1.松連接螺栓強度計算第4節(jié)單個螺紋的強度計算34第4節(jié)單個螺紋的強度計算1.受載荷形式——軸向拉伸（工作拉力F）2.失效形式——螺栓拉斷（靜、疲勞）3.設計準則——保證螺栓拉伸強度4.強度條件：σ≤[σ]5.危險截面應力計算：6.螺栓材料及許用應力[σ]——查表7.安全系數(shù)s——1.2~1.78.設計計算方法：查手冊，求dd1-螺紋小徑mm松螺栓連接設計35第4節(jié)單個螺紋的強度計算(a)僅承受預緊力的緊連接螺栓的強度計算

特點：僅靠摩擦力承受橫向載荷2.緊連接螺栓強度計算F’F’36T1(螺紋副摩擦力矩)產(chǎn)生的扭轉剪應力

應力合成:按第四強度理論,螺紋部分的計算應力為F’(預緊力)產(chǎn)生拉應力近似處理：常用的M10~M64鋼制普通螺紋τ≈0.49σ

第4節(jié)單個螺紋的強度計算應力計算可先按純拉伸計算螺栓的應力,然后增大30%以考慮扭轉的影響,從而得到計算應力37

38強度條件:設計公式:

第4節(jié)單個螺紋的強度計算39第4節(jié)單個螺紋的強度計算靠摩擦力承受橫向載荷的緊螺栓連接的可靠性差。為增加可靠性，減小直徑，可采用減載裝置套筒減載鍵減載銷釘減載止口減載40(b)承受預緊力F’和工作拉力F的緊連接螺栓強度計算

第4節(jié)單個螺紋的強度計算F’F’41第4節(jié)單個螺紋的強度計算螺母未擰緊42第4節(jié)單個螺紋的強度計算螺母未擰緊螺母已擰緊變形力43第4節(jié)單個螺紋的強度計算螺母未擰緊螺母已擰緊但未受工作載荷已受工作載荷變形力變形力44第4節(jié)單個螺紋的強度計算求螺栓的軸向受力F045第4節(jié)單個螺紋的強度計算求出螺栓的軸向受力F046第4節(jié)單個螺紋的強度計算求出螺栓的軸向受力F047第4節(jié)單個螺紋的強度計算螺栓剛度求出螺栓的軸向受力F0被連接件剛度有密封要求:F’’=(1.5~1.8)F一般連接:載荷穩(wěn)定F’’=(0.2~0.6)F載荷不穩(wěn)定F’’=(0.6~1.0)F地腳螺栓:F’’=F48第4節(jié)單個螺紋的強度計算螺栓的相對剛度求出螺栓的軸向受力F049——螺栓的相對剛度，與螺栓，被連接件的結構尺寸，材料，墊片，工作載荷的作用位置等有關金屬墊片(或無墊片)0.2~0.3皮革墊片0.7銅皮石棉墊片0.8橡膠墊片0.9第4節(jié)單個螺紋的強度計算50強度條件設計公式①軸向載荷F為靜載荷第4節(jié)單個螺紋的強度計算51②軸向載荷F為變載荷，在0→F之間變化

第4節(jié)單個螺紋的強度計算應力幅影響疲勞強度52按螺栓最大拉力F0進行強度校核與設計，然后進行疲勞強度校核設計公式第4節(jié)單個螺紋的強度計算強度條件(1)強度校核與設計53螺栓的總拉力

應力幅拉力變化幅度

疲勞強度校核公式:

第4節(jié)單個螺紋的強度計算影響零件疲勞強度的主要因素是應力幅，所以主要進行應力幅校核(2)疲勞強度校核54(c)受橫向載荷的鉸制孔用螺栓連接強度計算主要失效形式強度條件擠壓剪切

第4節(jié)單個螺紋的強度計算螺栓桿被剪斷螺栓桿或孔壁被壓潰55第4節(jié)單個螺紋的強度計算例1:圖示為某受軸向工作載荷的緊螺栓連接預緊時的受力-變形圖當工作載荷為F=2000N時,求螺栓所受總拉力F0及被連接件件剩余預緊力F’’,并在圖上畫出來.若要求被連接件不出現(xiàn)縫隙,最大工作載荷Fmax是多少?565.1螺栓組連接的結構設計

目的：合理確定連接接合面的幾何形狀和螺栓的布置形式，力求各螺栓和連接接合面間受力均勻，便于加工和裝配。第5節(jié)螺栓組連接受力分析571.接合面設計成軸對稱的簡單幾何形狀，如圓形、環(huán)形、矩形、三角形等。便于加工制造（有利于分度、劃線、鉆孔），使各個螺栓受力合理，接合面受力均勻。第5節(jié)螺栓組連接受力分析582.螺栓的布置應使各螺栓受力合理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布置八個以上的螺栓，以免載荷分布過于不均。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，以減小螺栓的受力。(a)合理(b)不合理TT第5節(jié)螺栓組連接受力分析如果同時承受軸向載荷和較大的橫向載荷，應采用銷、套筒、鍵等抗剪零件來承受橫向載荷，以減小螺栓的預緊力及其結構尺寸。593.合理間距，適當邊距，以利用扳手裝拆。4.同一螺栓組中螺栓的材料、直徑和長度均應相同，以簡化結構和便于加工裝配。5.分布在同一圓周上的螺栓數(shù)目，應取成4、6、8等偶數(shù)，以便在圓周上鉆孔時的分度和畫線。第5節(jié)螺栓組連接受力分析606.連接件、螺母和螺栓頭部的支承面平整，并與螺栓軸線相垂直。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等。第5節(jié)螺栓組連接受力分析615.2螺栓組連接的受力分析第5節(jié)螺栓組連接受力分析目的根據(jù)連接的結構和受載情況，求出受力最大的螺栓及所受的力，以便進行螺栓連接的強度計算。62

1．受橫向載荷的螺栓組連接

普通螺栓連接

第5節(jié)螺栓組連接受力分析預緊后產(chǎn)生的摩擦力平衡橫向載荷假設(1)各螺栓均勻受載;(2)螺栓組的對稱中心與連接接合面的形心重合;(3)受載后連接接合面仍保持為平面可靠性系數(shù)1.1~1.363鉸制孔用螺栓連接

每個螺栓所受的橫向工作剪力為第5節(jié)螺栓組連接受力分析靠螺栓受剪切及與孔壁的擠壓來抵抗橫向力642．受轉矩的螺栓組連接普通螺栓連接

第5節(jié)螺栓組連接受力分析力平衡條件所需預緊力65鉸制孔用螺栓連接i=1~z第5節(jié)螺栓組連接受力分析力平衡條件受力最大的螺栓的工作切力忽略預緊力和摩擦力663.受軸向載荷的螺栓組連接

第5節(jié)螺栓組連接受力分析認為各螺栓均勻受載674．受翻轉力矩的螺栓組連接第5節(jié)螺栓組連接受力分析68受翻轉力矩前僅受預緊力作用第5節(jié)螺栓組連接受力分析69受翻轉力矩后第5節(jié)螺栓組連接受力分析70最大受壓處不被壓潰條件最小受壓處不出現(xiàn)間隙條件第5節(jié)螺栓組連接受力分析

變形協(xié)調條件－剛度相同

力平衡

最大工作拉力螺栓受的總拉力校核工作能力確定螺栓直徑71影響連接強度的因素很多，如材料、結構、尺寸、工藝、螺紋牙間載荷分布、應力幅度、機械性能.螺栓連接的強度主要取決于螺栓的強度。

第6節(jié)提高螺栓強度的措施72

6.1、降低影響螺栓疲勞強度的應力幅

1.保持預緊力不變降低螺栓剛度腰狀桿螺栓空心螺栓螺母下面安裝彈性元件第6節(jié)提高螺栓強度的措施732.保持預緊力不變增大被連接件剛度3.

同時降低螺栓剛性，增大被連接件剛度可以不用墊片或采用剛度較大的墊片。有緊密性要求的連接，采用剛度較大的金屬墊片或密封環(huán)。第6節(jié)提高螺栓強度的措施74！注意：盡管減小螺栓剛度或增大被連接件的剛度都可以達到減小應力幅的目的；但是將引起剩余預緊力的減小，從而降低了連接的緊密性；因而同時適當增加預緊力以提高剩余預緊力，但不宜增大太多（消弱靜強度）第6節(jié)提高螺栓強度的措施756.2改善螺紋牙間載荷分布不均狀況

螺栓螺紋牙受拉伸長，螺母螺紋牙受壓縮短，螺距變化差以緊靠支承面處第一圈為最大，應變最大，應力最大，其余各圈依次遞減。第6節(jié)提高螺栓強度的措施第一圈受1/3載荷，第八圈后基本不受力。圈數(shù)過多的加厚螺母，并不能提高連接的強度。76改善螺紋牙上的載荷分布不均的措施第6節(jié)提高螺栓強度的措施螺母的旋合部分受拉，變形性質與螺栓相同，從而減小了兩者的螺距變化差，螺紋牙上的載荷分布更均勻螺母的旋合部分局部受拉，螺紋牙上的載荷均布效果不及懸置螺母受力大的幾圈螺紋處制成10～15度的斜角，螺栓螺紋牙的受力面由上而下逐漸外移，螺栓螺紋牙易變形，載荷將向上轉移，分布趨于均勻776.3減小應力集中和避免附加彎曲應力1.減小應力集中第6節(jié)提高螺栓強度的措施78鉤頭螺栓連接支承面不平螺母孔不正被連接件剛度小2.避免附加彎曲應力第6節(jié)提高螺栓強度的措施如何避免796.4采用合理的制造工藝方法提高疲勞強度:采用冷鐓螺栓頭部和滾壓螺紋的工藝方法第6節(jié)提高螺栓強度的措施消除應力集中不切斷材料纖維，金屬流線走向合理有冷作硬化效果表層有殘余應力30～40％70～100％采用先熱處理后滾壓螺紋的工藝方法80下圖為一固定在鋼制立柱上的軸承托架，已知載荷Q=5500N,力方向α=50°；托架材料為灰鑄鐵HT200,底板寬b=150mm,長h=340mm,試設計此螺栓組連接(接合面摩擦系數(shù)取0.16)例題1：hb220QFvFH280150811螺栓組受力分析例題1：(1)計算螺栓組所受工作載荷-轉換到結合面中心線上軸向載荷，橫向載荷和翻轉力矩Fv

=Qsinα=5500*sin50°=4213NFH=Qcosα=5500*cos50°=3535NM=Fv×160＋FH×150＝1204330Nmm82例題1：(2)計算單個螺栓所受最大工作拉力軸向力F1=Fv/z=4213/4=1053N翻轉力矩螺栓所受總的最大工作拉力83例題1：(3)計算螺栓預緊力橫向力作用下滑移，不滑移條件取Kc=0.2(無墊片)；可靠性系數(shù)Kn=1.284例題1：(4)計算螺栓所受總拉力852確定螺栓直徑例題1：查手冊，選用M16粗牙普通螺紋選擇螺栓材料為Q235，強度級別為4.6,表3-3查得σs＝240MPa。假設螺栓的公稱直徑d在16～30mm間，得S=3~2,取3,因而863校核螺栓組連接的工作能力例題1：最大受壓處不被壓潰條件，注意考慮螺栓預緊力的變化最小受壓處不出現(xiàn)間隙條件87在氣缸蓋的螺栓連接中,缸內氣壓p在0~1MPa之間循