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1、eA第五章 螺纹连接和螺旋传动 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望第第5章章 螺纹连接和螺旋传动螺纹连接和螺旋传动51 螺纹螺纹52 螺纹连接的类型和标准连接件螺纹连接的类型和标准连接件53 螺纹连接的预紧螺纹连接的预紧55 螺栓组连接的设计螺栓组连接的设计57 螺纹连接件的材料和许用应力螺纹连接件的材料和许用应力58 提高螺纹连接强度的措施提高螺纹连接强度的措施59 螺旋传动螺旋传动54 螺纹连接的防松螺纹连接的防松56 螺纹连接的强度计算螺纹连接的
2、强度计算 潘存云教授研制潘存云教授研制一、螺纹的形成一、螺纹的形成5-1 螺螺 纹纹d2螺螺旋旋线线-一一动动点点在在一一圆圆柱柱体体的的表表面面上上，一一边边绕绕轴轴线线等速旋转，同时沿轴向作等速移动的轨迹。等速旋转，同时沿轴向作等速移动的轨迹。螺螺纹纹-一一平平面面图图形形沿沿螺螺旋旋线线运运动动，运运动动时时保保持持该该图图形通过圆柱体的轴线，就得到螺纹。形通过圆柱体的轴线，就得到螺纹。螺纹螺纹 按螺纹的牙型分按螺纹的牙型分螺螺纹纹的的分分类类矩形螺纹矩形螺纹三角形螺纹三角形螺纹梯形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹锯齿形螺纹潘存云教授研制矩形螺纹矩形螺纹三角形螺纹三角形螺纹梯形螺纹梯形螺纹锯齿形螺
3、纹锯齿形螺纹1530330潘存云教授研制潘存云教授研制 按螺纹的牙型分按螺纹的牙型分螺螺纹纹的的分分类类按螺纹的旋向分按螺纹的旋向分右旋螺纹右旋螺纹潘存云教授研制左旋螺纹左旋螺纹 潘存云教授研制按螺纹的牙型分按螺纹的牙型分螺螺纹纹的的分分类类按螺纹的旋向分按螺纹的旋向分按螺旋线根数分按螺旋线根数分 单线螺纹单线螺纹多线螺纹多线螺纹一般一般:n 4双线螺纹双线螺纹单线螺纹单线螺纹PSS=2PPSPS=Pn线螺纹线螺纹:S=nP 按螺纹的牙型分按螺纹的牙型分螺螺纹纹的的分分类类按螺纹的旋向分按螺纹的旋向分按螺旋线根数分按螺旋线根数分 按回转体的内外表面分按回转体的内外表面分 外螺纹外螺纹内螺纹内螺
4、纹螺纹副螺纹副潘存云教授研制外螺外螺纹纹内螺纹内螺纹潘存云教授研制潘存云教授研制 按螺纹的牙型分按螺纹的牙型分螺螺纹纹的的分分类类按螺纹的旋向分按螺纹的旋向分按螺旋线根数分按螺旋线根数分 按回转体的内外表面分按回转体的内外表面分按螺旋的作用分按螺旋的作用分连接螺纹连接螺纹传动螺纹传动螺纹螺旋传动螺旋传动连接螺纹连接螺纹潘存云教授研制传动螺纹传动螺纹 潘存云教授研制 按螺纹的牙型分按螺纹的牙型分螺螺纹纹的的分分类类按螺纹的旋向分按螺纹的旋向分按螺旋线根数分按螺旋线根数分 按回转体的内外表面分按回转体的内外表面分按螺旋的作用分按螺旋的作用分按母体形状分按母体形状分圆柱螺纹圆柱螺纹圆锥螺纹圆锥螺纹圆
5、柱螺纹圆柱螺纹圆锥螺纹圆锥螺纹 潘存云教授研制3.中径中径d2 d1d2d1.大径大径d2.小径小径 d14.螺距螺距P。5.导程导程S6.螺纹升角螺纹升角 7.牙型角牙型角 tg=d2 nP 牙侧角牙侧角 d2SS=nP二、螺纹的主要几何参数二、螺纹的主要几何参数SPP/2P/2 8.接触高度接触高度 h h 普通螺纹：普通螺纹：大径大径d-公称直径公称直径，同，同d有多种螺距，其中有多种螺距，其中最大螺最大螺距距P-粗牙螺纹粗牙螺纹，其余，其余P-细牙螺纹。细牙螺纹。粗牙螺纹应用最广。粗牙螺纹应用最广。60螺纹的精度等级螺纹的精度等级:A级级-公差小，精度最高，用于配合精确，防振动等场合；
6、公差小，精度最高，用于配合精确，防振动等场合；B级级-受载较大且经常拆卸，调整或承受变载荷的联接；受载较大且经常拆卸，调整或承受变载荷的联接；C级级-用于一般联接，最常用。用于一般联接，最常用。细牙螺纹的优点：细牙螺纹的优点：升角小、小径大、自锁性好、强度高。升角小、小径大、自锁性好、强度高。缺点：缺点：不耐磨、易滑扣。不耐磨、易滑扣。应用：应用：薄壁零件、受动载荷的连接和微调机构。薄壁零件、受动载荷的连接和微调机构。Pd粗牙粗牙dP细牙细牙dP细细牙牙 潘存云教授研制潘存云教授研制梯形梯形螺纹：螺纹：梯梯 形形锯齿形锯齿形30330锯齿形螺纹锯齿形螺纹:常用于传动。常用于传动。=15=3 粗
7、牙普通螺纹、细牙普通螺纹和梯形螺纹的基本尺寸见粗牙普通螺纹、细牙普通螺纹和梯形螺纹的基本尺寸见下表（或查阅相关机械设计手册）。下表（或查阅相关机械设计手册）。螺纹的基本尺寸：螺纹的基本尺寸：直径与螺距、粗牙普通螺纹基本尺寸直径与螺距、粗牙普通螺纹基本尺寸 mm3 0.5 2.675 2.459 公称直径（大径）公称直径（大径）粗粗 牙牙 细细 牙牙 D d 螺距螺距P 中径中径 D2 d2 小径小径 D2 d2 螺距螺距P 4 0.7 3.545 3.242 5 0.8 3.545 4.1340.350.56 1 5.350 4.918 8 1.25 7.188 6.647 10 1.5 9.
8、026 8.376 1.25,1 0.75 12 1.75 10.863 10.106 1.5,1.25 0.5(14)2 12.701 11.835 1.5,116 2 14.701 13.835 (18)2.5 16.376 15.294 20 2.5 18.376 17.294 (20)2.5 20.376 19.294 24 3 22.052 20.752 (27)3 25.052 23.752 30 3.5 27.727 26.211 2,1.5,1注：括号内的公称直径为第二系列注：括号内的公称直径为第二系列 H=0.866P d2=d-0.6495P d1=d-1.0825PD1、
9、d1-内、外螺纹小径内、外螺纹小径 D2、d2-内、外螺纹中径内、外螺纹中径 D、d -内、外螺纹大径内、外螺纹大径 P-螺距螺距 标记示例：标记示例：M24(粗牙普通螺纹、直径粗牙普通螺纹、直径24、螺距、螺距3)M241.5(细牙普通螺纹细牙普通螺纹,直径直径24,螺距螺距1.5)PP/8P/8P/8H/4D dD2 d2 D1 d1 P/2P/430 60 9090 潘存云教授研制梯形螺纹基本尺寸梯形螺纹基本尺寸 mm标记示例：标记示例：Tr48 8(梯形螺纹直径梯形螺纹直径48螺距螺距8)P h3=H4 ac 第第1系列系列 第第2系列系列 D2 d2 D1 螺距螺距 螺纹牙高螺纹牙高
10、 牙顶间隙牙顶间隙 公称直径公称直径d 中中 径径 内螺纹小径内螺纹小径 12 6.5 0.5 90、100 85、95 d-6 d-12 10 5.5 0.5 40、70、80 38、42、65 d-5 d-10 8 6.5 0.5 48、52 46、50 d-4 d-8 4 2.25 0.25 16、20 18 d-2 d-4 5 2.75 0.25 24、28 22、26 d-2.5 d-5 6 2.25 0.5 32、36 30、34 d-3 d-6 内螺纹内螺纹外螺纹外螺纹dPR1R2 2D1D4H1D2 d2d3ac ca ac c3030 H4R2 2 潘存云教授研制dd2d1P
11、用螺纹密封的管用螺纹密封的管螺纹螺纹普通细牙普通细牙螺纹螺纹管管螺纹螺纹非螺纹密封管非螺纹密封管螺纹螺纹（圆柱管壁（圆柱管壁=55）用螺纹密封管用螺纹密封管螺纹螺纹（圆锥管壁（圆锥管壁=55）60圆锥管圆锥管螺纹螺纹公称直径公称直径-管子的公称通径。管子的公称通径。55 55 非螺纹密封的管非螺纹密封的管螺纹螺纹dd2d1P2 潘存云教授研制52 螺纹连接的类型及标准联接件螺纹连接的类型及标准联接件一、一、螺纹连接的基本类型螺纹连接的基本类型1、螺栓连接、螺栓连接潘存云教授研制eaal1 1l1 1承受横向载荷。螺纹余留长度螺纹余留长度l1 铰制孔用螺栓铰制孔用螺栓孔与螺杆之孔与螺杆之间留有间
12、隙间留有间隙静载荷静载荷l1=(0.30.5)d;变载荷变载荷l1=0.75d;冲击载荷或弯曲载荷冲击载荷或弯曲载荷l1d;铰制孔用螺栓铰制孔用螺栓l1d;螺纹伸出长度螺纹伸出长度a=(0.20.3)d;螺栓轴线到边缘的距离螺栓轴线到边缘的距离e=d+(36)mm用于经常拆装处。用于经常拆装处。潘存云教授研制潘存云教授研制dd普通螺栓连接普通螺栓连接 潘存云教授研制潘存云教授研制2、螺钉连接、螺钉连接座端拧入深度座端拧入深度H，当螺孔材料为：，当螺孔材料为：aee3、双头螺柱连接、双头螺柱连接 被联接件较厚，被联接件较厚，可经常拆装。可经常拆装。钢或青铜钢或青铜 H=d;铸铁铸铁 H=(1.2
13、51.5)d铝合金铝合金 H=(1.52.5)d螺纹孔深度螺纹孔深度 H1=H+(22.5)P;钻孔深度钻孔深度 H2=H1+(0.51)d;参数参数l1、e、a与螺栓相同与螺栓相同 l1 1l1 1HHH1H1H2H2结构简单，不宜经常结构简单，不宜经常拆装。拆装。d 潘存云教授研制4、紧定螺钉联接、紧定螺钉联接紧定螺钉紧定螺钉 二、二、标准标准螺纹连接件螺纹连接件1、螺栓、螺栓螺栓的结构形式螺栓的结构形式LL0d六角头六角头LdL0小六角头小六角头 dL0L1LL1-座端长度座端长度L0-螺母端长度螺母端长度2、双头螺柱、双头螺柱 末端末端结构结构头部头部结构结构3、螺钉、紧定螺钉、螺钉、
14、紧定螺钉 潘存云教授研制地脚螺栓地脚螺栓 潘存云教授研制起吊螺钉起吊螺钉 4、专用螺纹连接件、专用螺纹连接件T 型螺栓型螺栓 六角螺母六角螺母六角扁螺母六角扁螺母六角厚螺母六角厚螺母圆螺母圆螺母用于经常拆装易磨损之处。用于经常拆装易磨损之处。5、螺母、螺母 潘存云教授研制其它螺母：其它螺母：6、垫圈、垫圈 平垫圈平垫圈薄平垫圈薄平垫圈A型平垫圈型平垫圈B型平垫圈型平垫圈斜垫圈斜垫圈弹簧垫圈弹簧垫圈圆螺母用止动垫圈圆螺母用止动垫圈增加支承面积以减小压强，增加支承面积以减小压强，避免拧紧螺母擦伤表面、防避免拧紧螺母擦伤表面、防松。松。53 螺纹连接的预紧螺纹连接的预紧预紧力：预紧力：大多数螺纹联接
15、在装配时都需要拧紧，使之大多数螺纹联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。作用力称为预紧力。预紧的目的：预紧的目的：增强连接的增强连接的可靠性和紧密性可靠性和紧密性，以防止受，以防止受载后被连接件间出现缝隙或发生相对移动。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：预紧力的确定原则：拧紧后螺纹连接件的预紧应力不拧紧后螺纹连接件的预紧应力不得超过其材料的屈服极限得超过其材料的屈服极限 s的的80%。一、概述一、概述碳素钢螺栓：碳素钢螺栓：F0(0.60.7)s A1合金钢螺栓：合金钢螺栓
16、：F0(0.50.6)s A1A1-危险截面积，危险截面积，A1 d21/4 二、二、拧紧力矩拧紧力矩T1克服螺纹副相对转动的阻力矩；克服螺纹副相对转动的阻力矩；T2克服螺母支承面上的摩擦阻力矩；克服螺母支承面上的摩擦阻力矩；设预紧力为设预紧力为F0fc摩擦系数摩擦系数,无润滑时取：无润滑时取：fc=0.15；rf支承面摩擦半径。支承面摩擦半径。rf=(dw+d0)/4简化公式：简化公式：T 0.2 F0 d 适用于适用于M10M64的粗牙螺纹。的粗牙螺纹。F0总力矩：总力矩：注意：注意：对于重要的连接，应尽可能采用对于重要的连接，应尽可能采用M12的螺栓。的螺栓。Td0ddw 潘存云教授研制
17、测力矩扳手测力矩扳手预紧力控制方法预紧力控制方法:F定力矩扳手定力矩扳手L LS S1)1)凭手感经验；凭手感经验；2)2)测力矩扳手；测力矩扳手；3)3)定力矩扳手；定力矩扳手；4)4)测定伸长量。测定伸长量。L LM ML LS S 联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，联接仍有可能松动而失效。高温下的螺栓联接，由于温度变形差异等，也可能发生松脱现象。防松的方法：防松的方法：1、摩擦防松、摩擦防松尼龙圈锁紧螺母尼龙圈锁紧螺母弹簧垫圈弹簧垫圈对顶螺母对顶螺母53 螺纹连接的防松螺纹连接的防松防松防松-防
18、止螺旋副相对转动。防止螺旋副相对转动。开口销与六开口销与六角开槽螺母角开槽螺母串联钢丝串联钢丝2、机械防松、机械防松圆螺母用止动垫圈圆螺母用止动垫圈潘存云教授研制止动垫圈止动垫圈 开口销开口销+开槽螺母防松开槽螺母防松 串联钢丝防松串联钢丝防松止动垫片防松止动垫片防松 3、破坏螺纹副防松、破坏螺纹副防松11.5P用冲头冲用冲头冲23点点冲点防松冲点防松粘接防松粘接防松涂粘合剂涂粘合剂焊接防松焊接防松铆冲防松铆冲防松 5-5 螺栓组连接的设计螺栓组连接的设计根据被连接件的结构和联接的用途，确定螺栓数目和分布形式。为了便于加工制造和装配，保证连接结合面受力为了便于加工制造和装配，保证连接结合面受力
19、均匀，通常连接结合面的几何形状都设计成均匀，通常连接结合面的几何形状都设计成:一、螺栓组连接的结构设计一、螺栓组连接的结构设计基本原则：基本原则：大多数机械中螺栓都是成组使用的。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。轴对称的简单几何形状。圆形圆形 圆环形圆环形 矩形矩形 矩形框矩形框 三角形三角形 螺栓布置应使各螺栓的受力合理螺栓布置应使各螺栓的受力合理潘存云教授研制FF1 1)对于铰制孔用螺栓连接，不要在平行于工作载荷方向上布置对于铰制孔用螺栓连接，不要在平行于工作载荷方向上布置个以上的螺栓，造成载荷分布过于不均。个以上的螺栓，造成载荷分布过于不均。潘存云教授研制潘存云教授研
20、制合理不合理!2 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当螺栓连接承受弯矩或转矩时，应使螺栓的位置适当靠近接合面的边缘，以减少螺栓的受力。接合面的边缘，以减少螺栓的受力。dhD螺栓的排列应有合理的间距、边距，以保证扳手空间螺栓的排列应有合理的间距、边距，以保证扳手空间3)当同时承受轴向载荷和较大的横向载荷时，采用抗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。剪零件来承受横向载荷。60CCEE60AB 对于压力容器等紧密性要求较高的重要连接，螺栓对于压力容器等紧密性要求较高的重要连接，螺栓的间距的间距 t0 不大于下表所推荐的取值。不大于下表所推荐的取值。
21、t0螺栓间距t0工作压力(MPa)7d 5.5d 4.5d 4d 3.5d 3d t0(mm)1.6 1.6 4 410 1016 1620 2030 d为了便于在圆周上钻孔时的分度和画线，通常分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。同一螺栓组中的螺栓的材料、直径、长度应相同。避免螺栓承受附加的弯曲载荷。避免螺栓承受附加的弯曲载荷。采用凸台或沉孔结构采用凸台或沉孔结构切削加工支承面切削加工支承面支承面不平支承面不平支承面倾斜支承面倾斜采用斜垫圈采用斜垫圈 二、螺栓组连接的
22、受力分析二、螺栓组连接的受力分析受力分析的目的：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，进行单个螺栓连接的强度计算。及其所受的力，进行单个螺栓连接的强度计算。受力分析时所作假设：受力分析时所作假设：1 1)所有螺栓的所有螺栓的材料、直径、长度和预紧力材料、直径、长度和预紧力均均相同相同；3 3)受载后连接接合面受载后连接接合面仍保持为仍保持为平面平面。受力分析的类型：受力分析的类型：2 2)螺栓组的对称中心螺栓组的对称中心与联接与联接接合面的形心重合接合面的形心重合；受转矩受转矩受横向载荷受横向载荷受轴向载荷受轴向
23、载荷受倾覆力矩受倾覆力矩M （1）对于）对于铰制孔用螺栓铰制孔用螺栓连接，每个螺栓所受工作剪力为：连接，每个螺栓所受工作剪力为：（2）对于）对于普通螺栓连接普通螺栓连接，预紧后接合面间所产生的最，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：大摩擦力必须大于或等于横向载荷：式中：式中：z为螺栓数目。为螺栓数目。1 1、受横向载荷、受横向载荷的螺栓组连接的螺栓组连接Ks为防滑系数，设计中可取为防滑系数，设计中可取Ks=1.11.3。铰制孔螺栓FFFF 潘存云教授研制TO潘存云教授研制O2、受转矩的螺栓组连接、受转矩的螺栓组连接(1)采用采用普通螺栓连接普通螺栓连接，是靠联接预紧，是靠联
24、接预紧后在接合面间产生的摩擦力矩来抵抗后在接合面间产生的摩擦力矩来抵抗转矩转矩T。(2)采用采用铰制孔用螺栓连接铰制孔用螺栓连接，是靠螺栓，是靠螺栓的剪切和螺栓与孔壁的挤压作用来抵的剪切和螺栓与孔壁的挤压作用来抵抗转矩抗转矩T。TrmaxFmaxr1f F0f F0r2riFi 3、受轴向载荷的螺栓组连接、受轴向载荷的螺栓组连接若作用在螺栓组上轴向总载荷若作用在螺栓组上轴向总载荷F F 作用线与螺栓轴线平行作用线与螺栓轴线平行，并，并通通过螺栓组的对称中心过螺栓组的对称中心，则各个螺栓受载相同，每个螺栓所受轴，则各个螺栓受载相同，每个螺栓所受轴向工作载荷为：向工作载荷为：通常，各个螺栓还承受预
25、紧力通常，各个螺栓还承受预紧力F0的作的作用，受载后保证残余预紧力为用，受载后保证残余预紧力为F1时，时，每个螺栓所承受的总载荷每个螺栓所承受的总载荷F2：F2=F1+Fp潘存云教授研制DFFF 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、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o-o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。单个螺栓拉力产生单个螺栓拉力产生的力矩为：的力矩为：F2F0 F0 p(F 0引
26、起引起)F1mp2(F2m引起引起)p1(F1引起引起)LiLmaxOOxxOMMMi=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：螺栓承受的载荷与距离成正比：F2m 强调是基座上的压力Fm F2m F1 F F2 C2 单个螺栓的受力分析：单个螺栓的受力分析：Om 力力 变形变形 Ob 作用在底板两侧的合力矩与倾覆力矩作用在底板两侧的合力矩与倾覆力矩M平衡，即：平衡，即：1)未加倾覆力矩时，工作未加倾覆力矩时，工作点在点在A。Mi=02)施加倾覆力矩施加倾覆力矩M时时:左边的螺栓与地基左边的螺栓与地基，工作点移至：工作点移至
27、：B1 和和C1 右边的螺栓与地基右边的螺栓与地基，工作点移至：工作点移至：B2 和和C2左边螺栓总拉力增加，右边螺栓总拉力减小。F2 F1m C1 B2 B1 A F0 螺栓的总拉力：螺栓的总拉力：为防止接合面为防止接合面受压最大处被压碎受压最大处被压碎（右边），或（右边），或受压受压最小处出现间隙最小处出现间隙（左边）（左边）：表5-6 连接接合面材料的许用挤压应力材料 钢 铸铁 混凝土 砖(水泥浆缝)木材p(MPa)0.8 s (0.40.5)B 2.03.0 1.52.0 2.04.0 56 螺纹连接的强度计算螺纹连接的强度计算螺栓的主要螺栓的主要失效形式：失效形式：滑扣滑扣 经常拆装
28、经常拆装受拉螺栓受拉螺栓塑性变形塑性变形 螺纹部分螺纹部分疲劳断裂疲劳断裂受剪螺栓受剪螺栓 剪断剪断 螺栓杆剪断螺栓杆剪断压溃压溃 螺杆和孔壁的贴合面螺杆和孔壁的贴合面经常拆卸经常拆卸 断裂断裂-轴向变载荷轴向变载荷90%的螺栓疲劳破坏的螺栓疲劳破坏 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，这些部分不需要进行强度计用经验规定的。采用标准件时，这些部分不需要进行强度计算，螺栓连接的强度计算即为螺纹部分的强度计算。算，螺栓连接的强度计算即为螺纹部分的强度计算。一、松螺栓连接强度计算一、松螺栓连
29、接强度计算强度条件：强度条件：式中式中:d1-螺纹小径螺纹小径 mm；许用应力。许用应力。FF设计公式：设计公式：装配时不需要拧紧！装配时不需要拧紧！按照标准选定螺纹公称直径d及螺距P。二、紧螺栓连接强度计算二、紧螺栓连接强度计算装配时需要拧紧，在工作状态下可能需要补充拧紧。装配时需要拧紧，在工作状态下可能需要补充拧紧。1、仅承受预紧力的紧螺栓连接、仅承受预紧力的紧螺栓连接2、承、承受受预紧力和工作拉力预紧力和工作拉力的紧螺栓连接的紧螺栓连接3、承受工作剪力的螺栓连接承受工作剪力的螺栓连接 螺栓受轴向拉力螺栓受轴向拉力F0和摩擦力矩和摩擦力矩T1的双重作用。的双重作用。拉应力：拉应力：1、仅承
30、受预紧力的紧螺栓连接、仅承受预紧力的紧螺栓连接扭转切应力：扭转切应力：对于对于M10M64的普通钢制螺纹，可取：的普通钢制螺纹，可取：tg f =0.17，d2/d1=1.04-1.08,tg 0.05 得：得：0.5 计算应力：计算应力：可将预紧力增大30%考虑扭转的影响。强度条件：强度条件：当承受横向工作载荷时，当承受横向工作载荷时，预紧力预紧力F0使接合面所产生的摩擦力应大于横使接合面所产生的摩擦力应大于横向载荷向载荷F。KS-防滑系数，常取防滑系数，常取 KS=1.11.3预紧力预紧力F0：f-摩擦系数，对钢与铸铁，取摩擦系数，对钢与铸铁，取:f=0.10.15i-结合面数结合面数，上
31、图，上图i=1，下图，下图i=2若取若取 f=0.15，KS=1.2,i=1,则：则：F0 8F结构尺寸大结构尺寸大FFFF/2F/2F0F0F0F0 潘存云教授研制FF/2F/22、受预紧力和工作拉力的紧螺栓连接、受预紧力和工作拉力的紧螺栓连接改进措施：改进措施：1)采用键、套筒、销承担横向工作载荷。采用键、套筒、销承担横向工作载荷。螺栓仅起联接作用2)采用无间隙的铰制孔用螺栓。采用无间隙的铰制孔用螺栓。设流体压强为设流体压强为p，螺栓数目为，螺栓数目为z，则缸体周，则缸体周围每个螺栓的平均工作载荷为：围每个螺栓的平均工作载荷为：p D2/4F=zpFFD潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教
32、授研制 受载受载变形变形加预紧力加预紧力螺栓拉伸伸长螺栓拉伸伸长b被联接件压缩缩短被联接件压缩缩短m加载加载 F 后后:螺栓总伸长量增加为螺栓总伸长量增加为:+b总拉力为：总拉力为：F2=F+F1被联接件压缩量减少为：被联接件压缩量减少为：m-残余预紧力减少为：残余预紧力减少为：F1 很显然很显然:F1F0 潘存云教授研制松弛松弛状态状态预紧预紧状态状态bF0F0mFFF0F0FFFFF2F2F1F1 b联接件变形联接件变形力力螺栓变形螺栓变形力力FbFm螺栓变形螺栓变形力力F2 F1 FF0F0mF0bmbm 潘存云教授研制力力螺栓变形螺栓变形b-相对刚度相对刚度F=Fb+Fm=(Cb+Cm
33、)Cb+CmCbF2=F0+FCb+CmCb F1=F0 F 1 1-F1=F0-Fm=F0-Cm F2=F0+Fb=F0+Cb Cb+CmF =FF2FbF0代入得：代入得：螺栓的相对刚度螺栓的相对刚度垫片类型垫片类型 金属垫片或无垫片金属垫片或无垫片 皮革皮革 铜皮石棉铜皮石棉 橡胶橡胶 0.20.3 0.7 0.8 0.9Cb+CmCbFmF1 静强度条件：静强度条件：重要场合的螺栓连接，还应进行疲劳强度校核。重要场合的螺栓连接，还应进行疲劳强度校核。设计公式：设计公式：当工作拉力在当工作拉力在0F之间变化时，之间变化时，螺栓所受总拉力在螺栓所受总拉力在F0 F2之间之间变化。变化。F2
34、 F0 m bF 若不考虑摩擦力矩的影响，有：若不考虑摩擦力矩的影响，有：DI min=C,应力工作点应力工作点M落在落在ODG I区域内，疲劳强度有：区域内，疲劳强度有：其中其中-1tc-螺栓材料的对称循环螺栓材料的对称循环拉压疲劳极限。拉压疲劳极限。疲劳极限疲劳极限-1 -1tc10 160220 120 150Q215 170220 12016035 220300 17022045 250340 19025040Cr 320440 240340材料材料 -试件的材料常数试件的材料常数碳素钢：碳素钢：=0.10.2合金钢：合金钢：=0.20.3minM-1e-1amOCAS GMM3K K
35、 -综合影响系数综合影响系数S -安全系数安全系数 3 3、承受工作剪力的螺栓连接、承受工作剪力的螺栓连接螺栓杆与孔壁之间无间隙，接触表面受挤压，在连接结合面处，螺栓杆则受剪切。螺栓杆与孔壁的挤压强度条件为：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：螺栓杆的剪切强度条件为：F螺栓所受的工作剪力，单位为螺栓所受的工作剪力，单位为N；Lminmin铰制孔用螺栓铰制孔用螺栓FFd0设计时应使设计时应使:Lmin1.25d0d0螺栓剪切面的直径螺栓剪切面的直径(可取螺栓可取螺栓 孔直径孔直径)，单位为，单位为mm；Lmin螺栓杆与孔壁挤压面的最小螺栓杆与孔壁挤压面的最小 高度，高度，单位为
36、单位为mm；5-7 螺纹连接件的材料和许用应力螺纹连接件的材料和许用应力一、螺纹连接件的一、螺纹连接件的材料材料螺栓、螺柱、螺钉常用材料：螺栓、螺柱、螺钉常用材料：Q215、Q235、35、45等碳素钢；等碳素钢；特殊用途特殊用途(防磁、导电防磁、导电):):特殊钢、铜合金、铝合金等。特殊钢、铜合金、铝合金等。螺栓、螺柱、螺钉的性能等级分为螺栓、螺柱、螺钉的性能等级分为10级。级。3.6 4.6 4.8 5.6 5.8 6.8 8.8 9.8 10.9 12.9螺纹连接件是按其性能等级选用的。对于一定性能等级的螺纹连接件应具备一定的强度极限。冲击振动场合用：冲击振动场合用：15Cr、40Cr、
37、30CrMnSi等合金钢。等合金钢。垫圈：垫圈：Q235、15、35 弹簧垫圈：弹簧垫圈：65Mn 选用原则：选用原则：一般用途：通常选用一般用途：通常选用4.8级左右的螺栓；级左右的螺栓；重要场合：选用较高性能等级，如在压力容器中重要场合：选用较高性能等级，如在压力容器中 常采用常采用8.8级的螺栓。级的螺栓。螺母的性能等级分为7级。4 5 6 8 9 10 12 二、螺纹连接件的许用应力二、螺纹连接件的许用应力螺纹连接件的许用应力与螺纹连接件的许用应力与载荷性质载荷性质(静、变载荷静、变载荷)、装装配情况配情况(松、紧联接松、紧联接)、材料材料、结构尺寸等结构尺寸等有关。有关。许用拉应力：
38、许用拉应力：许用剪应力和挤压应力：许用剪应力和挤压应力：-被连接件为钢被连接件为钢-被连接件为铸铁被连接件为铸铁S、Sp p-安全系数，取值见下页。安全系数，取值见下页。潘存云教授研制表表5-10 螺纹连接的安全系数螺纹连接的安全系数S 碳素钢碳素钢 54 42.5 2.52 碳素钢碳素钢 12.58.5 8.5 8.512.5 M6M16 M16M30 M30M60 M6M16 M16 M30 M30M60不控制不控制预紧力预紧力的计算的计算控制预控制预紧力的紧力的计算计算受载类型受载类型 静载荷静载荷 变载荷变载荷松螺栓连接松螺栓连接 1.21.7合金钢合金钢 5.75 53.4 3.43
39、 合金钢合金钢 106.8 6.8 6.810 1.2 1.5 1.2 1.5(Sa=2.54)钢：钢：S=2.5，Sp=1.25，钢：钢：S=3.55，Sp=1.5铸铁：铸铁：Sp=2.02.5，铸铁：铸铁：Sp=2.53铰制孔用铰制孔用螺栓连接螺栓连接受轴受轴向及向及横向横向载荷载荷的普的普通螺通螺栓连栓连接接紧紧螺螺栓栓连连接接 58 提高螺纹连接强度的措施提高螺纹连接强度的措施承受轴向变载荷时，螺栓的破坏形式：承受轴向变载荷时，螺栓的破坏形式：疲劳断裂疲劳断裂容易断裂部位：容易断裂部位：一、一、降低螺栓总拉伸载荷降低螺栓总拉伸载荷F2的变化范围的变化范围轴向工作载荷轴向工作载荷F的变化
40、范围的变化范围:0 FCb+CmCbF0 F0 +F总拉伸载荷总拉伸载荷F2的变化范围的变化范围:Cb 或或 Cm F2的变化范围的变化范围F 螺栓连接强度主要螺栓连接强度主要取决于螺栓强度取决于螺栓强度，65%20%15%潘存云教授研制潘存云教授研制F0 m b措施一：措施一：降低螺栓刚度（降低螺栓刚度（Cb Cb,b Cm,m m）措施三：措施三：综合措施（综合措施（Cb Cm,F0 F0）F F F1 F2 F2F F m F1bF0m F=FFF残余预紧力减小FF残余预紧力减小F=FF=F，F1=F1FF2F3F4F5螺螺栓栓杆杆F F螺螺栓栓杆杆F螺母体螺母体均载螺母原理均载螺母原理
41、 加厚螺母加厚螺母 潘存云教授研制1015悬置螺母悬置螺母环槽螺母环槽螺母内斜螺母内斜螺母1015内斜与环槽螺母内斜与环槽螺母均载原理相同均载原理相同螺母也受拉力螺母也受拉力可使载荷较大的头几圈螺纹牙容易变形，使载荷上移而改善载荷分布不均。均载均载元件元件悬置螺母悬置螺母环槽螺母环槽螺母内斜螺母内斜螺母内斜螺与环槽螺母内斜螺与环槽螺母钢丝螺套钢丝螺套加工复杂，仅限于用加工复杂，仅限于用在重要场合或大型联接。在重要场合或大型联接。钢丝螺套钢丝螺套 潘存云教授研制潘存云教授研制 支承面不平支承面不平三、减小应力集中三、减小应力集中1 1)增大过渡圆角增大过渡圆角2 2)切制卸载槽切制卸载槽r四、避
42、免或减小附加应力四、避免或减小附加应力采用凸台或沉孔结构采用凸台或沉孔结构切削加工支承面切削加工支承面潘存云教授研制被联接件变形太大被联接件变形太大3 3)卸载过渡结构卸载过渡结构要从结构、制造与装配精度采取措施。要从结构、制造与装配精度采取措施。潘存云教授研制五、采用合理的制造工艺五、采用合理的制造工艺冷镦头部、辗压螺纹比切削冷镦头部、辗压螺纹比切削疲劳强度提高疲劳强度提高30%表面处理：表面处理：氰化、氮化、喷丸等处理，都氰化、氮化、喷丸等处理，都能能提高疲劳强度。提高疲劳强度。球面垫圈球面垫圈采用球面垫圈和腰环采用球面垫圈和腰环螺栓可以保证螺栓的螺栓可以保证螺栓的装配精度。装配精度。腰环
43、螺栓腰环螺栓 例：一厚度例：一厚度 =12mm的钢板用的钢板用4 4个螺栓固联在厚度个螺栓固联在厚度 1=30mm的的铸铁支架上，螺栓的布置有左图、右图两种方案。已知载荷铸铁支架上，螺栓的布置有左图、右图两种方案。已知载荷 F=12000N，l=400mm,a=100mm。螺栓材料为。螺栓材料为Q235（性能（性能等级为等级为4.6），），=96 MPa,铸铁架铸铁架 p=180 MPa，钢板，钢板 p=320MPa；螺栓；螺栓M16 M45的拉应力安全系数的拉应力安全系数S=4 2,钢钢板和铸板和铸铁支架的摩擦系数铁支架的摩擦系数 f=0.15。（1 1）试比较哪种螺栓布置方案合理？）试比较
44、哪种螺栓布置方案合理？（2 2）按照合理的布置方案，分别确定采用普通螺栓和铰制孔用）按照合理的布置方案，分别确定采用普通螺栓和铰制孔用螺栓联接时的螺栓直径。螺栓联接时的螺栓直径。解：解：1 1、螺栓组受力分析、螺栓组受力分析1 1）将载荷）将载荷F F 向螺栓组形向螺栓组形心简化心简化 简化后得一横向载荷简化后得一横向载荷F F 和一旋转力矩和一旋转力矩 F l=4800103 Nmm。2 2）确定各个螺栓所受的横向）确定各个螺栓所受的横向载荷载荷 （1 1）在横向力）在横向力F 作用下作用下 各螺栓所受横向载荷各螺栓所受横向载荷Fs1大小大小相同，与相同，与F 同向。同向。Fs1=F /4=
45、12000/4=3000 N （2)在旋转力矩在旋转力矩T T 作用下作用下 由于各个螺栓中心至形心由于各个螺栓中心至形心O点的距离相等点的距离相等,所以各个螺栓所以各个螺栓所受的横向载荷所受的横向载荷Fs2大小也相大小也相同，但同，但方向各垂直于螺栓中方向各垂直于螺栓中心与形心连线心与形心连线。左左方案中，各螺栓与形心距离方案中，各螺栓与形心距离mm=141.4 mm,故故 螺栓螺栓1和和2所受两力夹角所受两力夹角 较小，故受的横向力最大较小，故受的横向力最大 右右方案中，方案中，由图可见，螺栓由图可见，螺栓1 1受最大的横向力受最大的横向力 （3）两方案比较两方案比较 因因Fsmax左左1
46、515 1 12 淬火钢淬火钢-青铜青铜 钢钢-青铜青铜 钢钢-铸铁铸铁 钢钢钢钢 6 61212 10 1013 0.060.08 4 精密螺杆或水平安装精密螺杆或水平安装螺杆的稳定性条件为：螺杆的稳定性条件为：-螺杆长度系数，由下表确定。螺杆长度系数，由下表确定。I 为螺杆危险截面的惯性矩 lb)当螺杆一端以螺母支承时，当螺杆一端以螺母支承时，l 取取从螺母中部到另一支点上的距离。从螺母中部到另一支点上的距离。l 为螺杆的工作长度为螺杆的工作长度:a)当螺杆两端支承时，当螺杆两端支承时，l 取两支点取两支点间的距离；间的距离；l 1)若采用滑动支承时，则以轴承长度若采用滑动支承时，则以轴承
47、长度l0与直径与直径d0的比值来确定：的比值来确定：l0/d0 1.5 为铰支；为铰支；l0/d0 3 为固定支承。为固定支承。3)若以剖分螺母作为支承时，可作为不完全固定支承。若以剖分螺母作为支承时，可作为不完全固定支承。2)若以整体螺母作为支承时，仍按上述方法确定。但取若以整体螺母作为支承时，仍按上述方法确定。但取 l0=H。判断螺杆端部支承情况的方法：判断螺杆端部支承情况的方法：H为螺母高度4)若采用滚动轴承支承，且有径向约束时，可作为铰支；若采用滚动轴承支承，且有径向约束时，可作为铰支；有径向和轴向约束时，可作为固定支承。有径向和轴向约束时，可作为固定支承。螺杆长度系数螺杆长度系数两端
48、支承情况两端支承情况 长度系数长度系数 两端固定两端固定 0.50一端固定，一端不完全固定一端固定，一端不完全固定 0.60一端铰支，一端不完全固定一端铰支，一端不完全固定 0.70两端不完全固定两端不完全固定 0.75两端铰支两端铰支 1.00一端固定，一端自由一端固定，一端自由 2.0 临界载荷临界载荷F Fcrcr与材料、螺杆长细比与材料、螺杆长细比=l/i 有关。有关。（1 1）当）当100100时：临界载荷为：时：临界载荷为：Fcr=N(l)22EIi 螺杆危险截面的惯性半径，若危险截面面积螺杆危险截面的惯性半径，若危险截面面积A=d12/4则则 i=I/A=d1/4E-螺杆的弹性模
49、量，对于钢螺杆的弹性模量，对于钢 E=2.06105 MPaI-危险截面惯性距危险截面惯性距,I=I=d14/64 （2 2）当）当40100时：时：Fc=(304-1.12)N4d12对对B 370 MPa的碳素钢，取的碳素钢，取:Fc=(461-2.57)N4d12对对B 470 MPa的优质碳素钢（如的优质碳素钢（如35、40号钢），取号钢），取:（3 3）当）当40时，不必进行稳定性校核。时，不必进行稳定性校核。稳定性校核的条件：稳定性校核的条件：Fa SFc为稳定性校核的安全系数，取：为稳定性校核的安全系数，取：S=2.54当不满足条件时，应增大螺纹小径当不满足条件时，应增大螺纹小径
50、d1。内循环内循环螺旋螺旋外循环外循环四、四、滚动螺旋简介滚动螺旋简介滑动摩擦滑动摩擦 滚动摩擦滚动摩擦组成：组成：螺杆、螺杆、螺母、滚珠螺母、滚珠返回通道返回通道类型：类型：外循环、内循环外循环、内循环返回通道返回通道返回通道返回通道不离开螺旋表面，每圈有一个反向器反向器（返回通道）反向器（返回通道）优点：优点：1)摩擦损失小、摩擦损失小、效率在效率在90%以上；以上；缺点：缺点：1)结构复杂、制造困难；结构复杂、制造困难；应用实例：应用实例：飞机机翼和起落架的控制、水闸的升降、飞机机翼和起落架的控制、水闸的升降、数控机床、机器人。数控机床、机器人。2)磨损很小，传动精度高；磨损很小，传动精