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1、第七章螺纹连接与螺旋传动第1页，共31页，编辑于2022年，星期二引言7-0 引 言 由于使用、结构、制造、装配、运输等方面的原因，机器中由于使用、结构、制造、装配、运输等方面的原因，机器中很多零件需要彼此连接。很多零件需要彼此连接。连接的类型：连接的类型：螺纹连接螺纹连接键连接、花键连接、销连接键连接、花键连接、销连接弹性环连接等弹性环连接等铆接铆接焊接焊接粘接粘接连接连接可拆连接可拆连接不可拆连接不可拆连接过盈连接过盈连接（介于两者之间）（介于两者之间）第2页，共31页，编辑于2022年，星期二5-1 5-1 螺纹螺纹7-1 7-1 螺纹螺纹一、螺纹的主要参数一、螺纹的主要参数大径大径d
2、d 是螺纹的公称直径。是螺纹的公称直径。小径小径d d1 1常用于强度计算。常用于强度计算。中径中径d d2 2常用于几何计算。常用于几何计算。螺距螺距P P 相邻两螺纹牙上对应点相邻两螺纹牙上对应点 间的轴向距离。间的轴向距离。导程导程 S S 沿螺纹上同一条螺旋线沿螺纹上同一条螺旋线转一周所移动的轴向距离，转一周所移动的轴向距离，S S=nPnP。线数线数 n n 螺纹的螺旋线数目。螺纹的螺旋线数目。牙型角牙型角a a在轴向截面内，螺纹牙型两侧边的夹角。在轴向截面内，螺纹牙型两侧边的夹角。牙型斜角牙型斜角在轴向截面内，螺纹牙型一侧边与螺纹轴线的垂在轴向截面内，螺纹牙型一侧边与螺纹轴线的垂
3、线之间的夹角。线之间的夹角。第3页，共31页，编辑于2022年，星期二螺纹的类型螺纹的类型螺纹升角螺纹升角螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面间的夹角。螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面间的夹角。螺纹螺纹二、螺纹的类型二、螺纹的类型螺纹分为螺纹分为外螺纹外螺纹内螺纹内螺纹左旋左旋右旋右旋常用右旋常用右旋效率较高，主要用于螺旋传动效率较高，主要用于螺旋传动此外，还此外，还有有 管螺纹：管螺纹：主要用于管路的连接。主要用于管路的连接。按牙型的不同分为按牙型的不同分为普通螺纹：普通螺纹：矩形螺纹矩形螺纹梯形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹锯齿形螺纹效率低，易自锁，多用于连接。效率低，易自锁，多用于连接。详细介绍
4、详细介绍第4页，共31页，编辑于2022年，星期二5-2 5-2 螺纹连接螺纹连接7-2 7-2 螺纹连接螺纹连接一、螺纹连接的基本类型一、螺纹连接的基本类型受拉螺栓连接（普通螺栓连接）受拉螺栓连接（普通螺栓连接）受剪螺栓连接（铰制孔用螺栓连接）受剪螺栓连接（铰制孔用螺栓连接）1 1）螺栓连接）螺栓连接2 2）双头螺柱连接）双头螺柱连接3 3）螺钉连接）螺钉连接4 4）紧定螺钉连接）紧定螺钉连接详细说明详细说明 螺栓、螺柱、螺钉、螺母等称为螺栓、螺柱、螺钉、螺母等称为螺纹连接件螺纹连接件。在机械制造中常用螺纹。在机械制造中常用螺纹连接件的结构型式和尺寸都已经标准化，设计时可以根据有关标准选用连
5、接件的结构型式和尺寸都已经标准化，设计时可以根据有关标准选用（参考课本参考课本P8182表表7.1）。）。第5页，共31页，编辑于2022年，星期二螺纹连接的拧紧螺纹连接的拧紧螺纹连接螺纹连接二、螺纹连接的拧紧二、螺纹连接的拧紧 大多数螺纹连接在装配时就已经拧紧，称之为大多数螺纹连接在装配时就已经拧紧，称之为预紧预紧。预紧使连接中的。预紧使连接中的零件所受的力称为零件所受的力称为预紧力，预紧力，用用 FF表示表示 。预紧的目的：增大连接的刚性；提高紧密性；防松。预紧的目的：增大连接的刚性；提高紧密性；防松。预紧力的控制：预紧力的控制：通常，通过控制通常，通过控制拧紧力矩拧紧力矩 M M 来控制
6、预紧力。来控制预紧力。预紧力和预紧力矩之间的关系：预紧力和预紧力矩之间的关系：注意注意：对于重要的连接，尽可能不采用直径过小：对于重要的连接，尽可能不采用直径过小(M12)M12)的螺栓。的螺栓。可采用可采用测力矩扳手测力矩扳手或或定力矩扳手定力矩扳手控制拧紧力矩。对于重要的控制拧紧力矩。对于重要的螺栓连接，也可以通过螺栓连接，也可以通过控制螺栓的伸长量控制螺栓的伸长量来控制预紧力。来控制预紧力。第6页，共31页，编辑于2022年，星期二纹连接的防松纹连接的防松螺纹连接螺纹连接三、螺纹连接的防松三、螺纹连接的防松 螺纹连接一般都能满足自锁条件不会自动松脱。但在冲击、振动或螺纹连接一般都能满足自
7、锁条件不会自动松脱。但在冲击、振动或变载荷作用下，或在温度变化较大的情况下，螺纹连接可能会产生松脱现象。变载荷作用下，或在温度变化较大的情况下，螺纹连接可能会产生松脱现象。防松的本质在于防止螺旋副相对转动。防松的本质在于防止螺旋副相对转动。按工作原理的不同，防松方法分三类：按工作原理的不同，防松方法分三类：（详见表（详见表7.37.3）摩擦防松摩擦防松机械防松机械防松永久止动永久止动详细说明详细说明第7页，共31页，编辑于2022年，星期二5-3 5-3 单个螺栓连接的强度单个螺栓连接的强度7-3 7-3 单个螺栓连接的强度计算单个螺栓连接的强度计算 本节以螺栓连接为代表，讨论强度计算问题，其
8、方法和结论也适用于其本节以螺栓连接为代表，讨论强度计算问题，其方法和结论也适用于其他形式的螺纹连接。他形式的螺纹连接。螺栓连接螺栓连接强度计算的目的强度计算的目的是：确定防止失效所需的螺栓直径。是：确定防止失效所需的螺栓直径。连接的连接的强度计算内容强度计算内容，根据其可能的失效形式而定。，根据其可能的失效形式而定。螺纹连接的受载形式基本分为：螺纹连接的受载形式基本分为：采用受拉螺栓采用受拉螺栓可用受剪螺栓，也可用受拉螺栓。可用受剪螺栓，也可用受拉螺栓。轴向载荷（沿轴线方向）：轴向载荷（沿轴线方向）：横向载荷（横向载荷（轴线方向）：轴线方向）：下面按螺栓类型和受载形式的不同，分别讨论其强度计算
9、方法。下面按螺栓类型和受载形式的不同，分别讨论其强度计算方法。一、受剪螺栓连接的强度计算一、受剪螺栓连接的强度计算其主要失效形式为：其主要失效形式为：螺栓被剪断螺栓被剪断孔壁被压溃孔壁被压溃第8页，共31页，编辑于2022年，星期二受剪螺栓的强度受剪螺栓的强度2 2）螺栓杆与孔壁的）螺栓杆与孔壁的挤压强度挤压强度条件为：条件为：1 1）螺栓杆的）螺栓杆的剪切强度剪切强度条件为：条件为：式中：式中：Fs螺栓所受的工作剪力（螺栓所受的工作剪力（N）；）；ds螺栓剪切面的直径（螺栓剪切面的直径（mm）；）；m螺栓受剪面数；螺栓受剪面数；螺栓的许用切应力，见表螺栓的许用切应力，见表59。单个螺栓连接的
10、强度计算单个螺栓连接的强度计算式中：式中：h计算对象（计算对象（即即 最小者）最小者）的挤压面高度（的挤压面高度（mm）；）；计算对象的许用挤压应力（计算对象的许用挤压应力（Mpa)，见表，见表59。第9页，共31页，编辑于2022年，星期二受拉螺栓的强度受拉螺栓的强度单个螺栓连接的强度计算单个螺栓连接的强度计算二、受拉螺栓连接的强度计算二、受拉螺栓连接的强度计算受拉螺栓连接受拉螺栓连接松连接：不预紧的。松连接：不预紧的。紧连接：预紧的。紧连接：预紧的。1.松螺栓连接的强度计算松螺栓连接的强度计算工作中，松螺栓只受工作中，松螺栓只受工作拉力工作拉力 F。强度条件强度条件为：为：设计式设计式为为
11、：式中：式中：d1螺纹小径（螺纹小径（mm）；）；螺栓的许用拉应力（螺栓的许用拉应力（Mpa)。实例实例 受拉螺栓的失效形式受拉螺栓的失效形式主要是：主要是：螺纹部分的塑性变形。螺纹部分的塑性变形。螺杆的疲劳断裂。螺杆的疲劳断裂。第10页，共31页，编辑于2022年，星期二仅受预紧力的螺栓连接仅受预紧力的螺栓连接单个螺栓连接的强度计算单个螺栓连接的强度计算2.2.紧螺栓连接的强度计算紧螺栓连接的强度计算1 1）仅受预紧力）仅受预紧力 F的紧螺栓连接的紧螺栓连接 这种连接在拧紧的瞬间最危险，这种连接在拧紧的瞬间最危险，此时：此时：F引起的拉应力：引起的拉应力：此外，还有拧紧力矩此外，还有拧紧力矩
12、 M 引起的引起的切应力切应力 。经分析推导可知：经分析推导可知：按第四强度理论计算当量应力，则按第四强度理论计算当量应力，则第11页，共31页，编辑于2022年，星期二承受轴向载荷的紧螺栓连接承受轴向载荷的紧螺栓连接强度条件强度条件为：为：单个螺栓连接的强度计算单个螺栓连接的强度计算设计式设计式为：为：2 2）承受轴向载荷的紧螺栓连接）承受轴向载荷的紧螺栓连接 如右图所示的气缸盖上的连接即属此种如右图所示的气缸盖上的连接即属此种类型。类型。虽然，这种螺栓是在受预紧力虽然，这种螺栓是在受预紧力F的基础上，又受的基础上，又受工作拉力工作拉力F。但。但是，是，螺栓的总拉力螺栓的总拉力 。为什么？。
13、为什么？第12页，共31页，编辑于2022年，星期二承受轴向载荷的紧螺栓承受轴向载荷的紧螺栓2预紧时预紧时受工作载荷后受工作载荷后F剩余预紧力剩余预紧力螺栓：螺栓：被连接件：被连接件：螺栓的总拉力为螺栓的总拉力为单个螺栓连接的强度计算单个螺栓连接的强度计算bFd d 第13页，共31页，编辑于2022年，星期二承受轴向载荷的紧螺栓3可用载荷变形图分析各力之间的关系。螺栓的刚度：Cb 被连接件的刚度：Cm则螺栓的总拉力 单个螺栓连接的强度计算第14页，共31页，编辑于2022年，星期二3)3)受横向外载荷的紧螺栓联接受横向外载荷的紧螺栓联接 载荷与螺栓轴向垂直，靠被联接件间载荷与螺栓轴向垂直，靠
14、被联接件间的摩擦力传递。螺栓受载前需预紧的摩擦力传递。螺栓受载前需预紧,受载前后受载前后受力相同。螺栓内部危险截面上既有轴向预紧受力相同。螺栓内部危险截面上既有轴向预紧力力F F0 0形成的拉应力形成的拉应力s s，又有因螺栓与螺纹牙面，又有因螺栓与螺纹牙面间的摩擦力矩间的摩擦力矩T T1 1而形成的扭转剪应力而形成的扭转剪应力t t。受力特点受力特点螺栓预紧力螺栓预紧力当当f f=0.15=0.15、K Kf f=1.1=1.1、m m=1=1时，可得时，可得此结构，要使联接不发生滑动，螺栓要承受此结构，要使联接不发生滑动，螺栓要承受7 7倍于横向外载荷的预紧力。结构笨重、倍于横向外载荷的预
15、紧力。结构笨重、不经济。因此要避免这种结构，而采用新结构。不经济。因此要避免这种结构，而采用新结构。第15页，共31页，编辑于2022年，星期二5-4 螺栓组连接受力分析目的：求出螺栓组中受力最大的螺栓及其所受的力，以便进行螺栓 连接的强度计算。假设：所有螺栓的刚度和预紧力均相同；被连接件为刚体；各零件的变形在弹性范围内。7-4 螺栓组连接受力分析与计算一、承受轴向载荷一、承受轴向载荷 时时 当 通过螺栓组形心时，各螺栓所受的工作载荷 相等。则螺栓个数注：如 不通过螺栓组的形心，应向形心平移后再计算。螺栓组连接的基本受载类型有四种：第16页，共31页，编辑于2022年，星期二受横向载荷1二、二
16、、受横向载荷受横向载荷 时时1）用受拉普通螺栓 螺栓预紧后在被连接件的接触面上产生正压力，靠由此产生的摩擦力承受 。保证被连接件不相对滑动，须满足：则所需预紧力为式中：K可靠性系数，见教材 P94。结合面的摩擦因数。见教材 P94。m结合面数。注：为减小螺栓直径，可采用减载措施。说明螺栓组连接受力分析与计算第17页，共31页，编辑于2022年，星期二受横向载荷22）用受剪铰制孔用螺栓 通过螺栓组形心时，在前述假设下，各螺栓承受的横向力 相等。则注：a)不通过螺栓组形心时，向形心平移后再计算。b)沿 方向上的受剪螺栓个数不宜过多。螺栓组连接受力分析与计算第18页，共31页，编辑于2022年，星期
17、二承受转矩 T 时1三、承受转矩三、承受转矩 T 时时1）用受拉普通螺栓 靠结合面上的摩擦力承受T。保证底板在 T 作用下不转动，须满足则所需预紧力式中：、见教材 P93。螺栓组连接受力分析与计算O第19页，共31页，编辑于2022年，星期二承受转矩 T 时22）用受剪铰制孔用螺栓螺栓组连接受力分析与计算 在前述假设下，各螺栓所受的工作剪力 与其中心到底板中心的距离 成正比。底板的静力平衡方程为联立两式求解，得最大工作剪力即O第20页，共31页，编辑于2022年，星期二受翻转力矩M时1螺栓组连接受力分析与计算四、受翻转力矩 M 时M 在 M 作用下，底板有绕通过螺栓组形心的轴线 O 转动的趋势
18、。在前述假设下，各螺栓所受的工作拉力 与其中心到翻转轴线的距离 成正比。即底板的静力平衡方程为联立两式求解，得最大工作拉力第21页，共31页，编辑于2022年，星期二受翻转力矩M时2为防止结合面受压最小处出现间隙，要求：为防止结合面受压最大处被压溃，要求：式中：A结合面的面积（mm2）。W结合面的抗弯截面模量（mm3）。许用挤压应力（Mpa），见表59。螺栓组连接受力分析与计算注：实际中，螺栓组往往同时承受两种或两种以上的载荷。第22页，共31页，编辑于2022年，星期二实例螺栓组连接受力分析与计算例：如图所示的支架受 F 力。将 F 力分解并向螺栓组形心及结合面平移，得：轴向载荷 横向载荷翻
19、转力矩设计中，需要防止如下四种可能的失效形式：上沿开缝；下沿压溃支架下滑；需要足够大的 。螺栓拉断；需要足够大的螺栓直径 。第23页，共31页，编辑于2022年，星期二一、螺纹联接件的材料一、螺纹联接件的材料其它对螺纹有特殊要求（如防腐、耐高温）时，应选择有特殊性能其它对螺纹有特殊要求（如防腐、耐高温）时，应选择有特殊性能的材料。的材料。一般螺纹联接件常用材料为低碳钢和中碳钢，如一般螺纹联接件常用材料为低碳钢和中碳钢，如Q215、Q235、15、35、45等等受冲击、振动和变载荷作用的螺栓可用合金钢，如受冲击、振动和变载荷作用的螺栓可用合金钢，如15Cr、40Cr、30CrMnSi、15CrV
20、B等等7-5 螺纹联接件的材料和许用应力第24页，共31页，编辑于2022年，星期二二、二、螺纹联接的许用应力螺纹联接的许用应力第25页，共31页，编辑于2022年，星期二7-6 7-6 提高螺栓联接强度的措施提高螺栓联接强度的措施 螺栓联接的强度主要取决于螺栓的强度，提高螺栓强度有以下几种螺栓联接的强度主要取决于螺栓的强度，提高螺栓强度有以下几种措施：措施：改善螺纹牙间的载荷分配改善螺纹牙间的载荷分配内斜螺母内斜螺母环槽螺母环槽螺母悬置螺母悬置螺母第26页，共31页，编辑于2022年，星期二减小螺栓的应力变化幅度减小螺栓的应力变化幅度 受变载荷作用的螺栓，其应力也在一定的幅度内变动，减小螺受
21、变载荷作用的螺栓，其应力也在一定的幅度内变动，减小螺栓刚度或增大被联接件刚度等皆可以使螺栓的应力变化幅度减小。栓刚度或增大被联接件刚度等皆可以使螺栓的应力变化幅度减小。减小螺栓刚度的方法减小螺栓刚度的方法a.a.柔性螺栓柔性螺栓b.b.弹性元件弹性元件第27页，共31页，编辑于2022年，星期二增大被联接件刚度的方法增大被联接件刚度的方法a.a.金属垫片金属垫片b.b.密封环密封环第28页，共31页，编辑于2022年，星期二减小应力集中减小应力集中第29页，共31页，编辑于2022年，星期二避免附加弯曲应力避免附加弯曲应力第30页，共31页，编辑于2022年，星期二5-5 提高螺栓强度的措施7-6 提高螺栓连接强度的措施可从以下几个方面提高螺栓的强度。4）采用合理的制造工艺。2）减小螺栓的应力幅。3）减小附加弯曲应力。1）改善各螺纹牙受载不均的现象。工作中，螺栓受拉，螺母受压，从而产生螺距差，导致旋合的各圈螺纹牙受载不均。改善措施：采用悬置螺母、环槽螺母、内斜螺母。采用钢丝螺套。分析（）减小增大均可使 减小。措施：冷镦、碾压、氮化、喷丸等工艺均可提高螺栓的强度。说明凸台、沉头座斜垫圈、球面垫圈措施：分析第31页，共31页，编辑于2022年，星期二