機械設計第8章：螺紋連接2016

1、第八章第八章F引言F螺紋的種類及主要參數(shù)F螺紋副的受力分析與自鎖F螺紋緊固件與螺紋聯(lián)接的類型F螺紋聯(lián)接的預緊與防松F螺栓聯(lián)接的設計計算F螺栓組聯(lián)接的設計計算F螺旋傳動第一節(jié)第一節(jié)F引言F螺紋的種類及主要參數(shù)F螺紋副的受力分析與自鎖F螺紋緊固件與螺紋聯(lián)接的類型F螺紋聯(lián)接的預緊與防松F螺栓聯(lián)接的設計計算F螺栓組聯(lián)接的設計計算F螺旋傳動標準件標準件n尺寸、結(jié)構、材料、精度、公差配合以及制圖要求等具有統(tǒng)一標準的零部件，如螺栓、螺釘、螺母、墊圈、鉚釘、銷、鍵等連接件以及滾動軸承、聯(lián)軸器等部件n機械產(chǎn)品中使用數(shù)量大的零部件n由專業(yè)廠按照標準進行大批量生產(chǎn)，可降低成本、保證質(zhì)量和可靠性、提高互換性聯(lián)接聯(lián)接與

2、動力源組合靜聯(lián)接動聯(lián)接(運動副)零件構件機構機器靜聯(lián)接可拆聯(lián)接：螺紋聯(lián)接、鍵聯(lián)接、銷聯(lián)接等不可拆聯(lián)接：鉚接、焊接、膠接等聯(lián)接件與被聯(lián)接件的組合聯(lián)接件與被聯(lián)接件的組合 第二節(jié)第二節(jié)F引言F螺紋的種類及主要參數(shù)F螺紋副的受力分析與自鎖F螺紋緊固件與螺紋聯(lián)接的類型F螺紋聯(lián)接的預緊與防松F螺栓聯(lián)接的設計計算F螺栓組聯(lián)接的設計計算F螺旋傳動螺紋的形成螺紋的形成n螺紋聯(lián)接件表面形狀為螺紋n傾斜線繞在圓柱體上形成螺旋線n平面圖形沿螺旋線形成螺紋螺旋線平面圖形螺紋的類型螺紋的類型(1)(1)用途用途固定螺紋聯(lián)接螺紋測量螺紋傳動螺紋螺紋的類型螺紋的類型(2)(2)螺旋線方向（旋向）螺旋線方向（旋向）右旋螺紋：常

3、用左旋螺紋：特殊要求旋向判斷(1)軸線垂直時， 右邊高右旋 左邊高左旋(2)右手旋，前進右旋 左手旋，前進左旋螺紋的類型螺紋的類型(2)(2)補充（左旋螺紋應用）補充（左旋螺紋應用）自行車的左側(cè)腳踏船用螺旋槳螺紋的類型螺紋的類型(3)(3)螺旋線數(shù)目螺旋線數(shù)目單頭螺紋：易自鎖多頭螺紋：傳動能力強螺紋的類型螺紋的類型(4)(4)軸向剖面形狀（螺紋牙型）軸向剖面形狀（螺紋牙型）三角形螺紋：常用于聯(lián)接矩形螺紋：用于傳動梯形螺紋：常用于傳動鋸齒形螺紋：常用于傳動，單向受載螺紋的類型螺紋的類型(5)(5)公（外）螺紋與母（內(nèi)）螺紋，組合稱為螺紋聯(lián)接螺紋的類型螺紋的類型(5)(5)補充（加工方法）補充（加

4、工方法）碾制碾制車削車削Header blankMoving die plateFixed die plate螺紋的類型螺紋的類型(6)(6)圓柱螺紋圓柱螺紋與與圓錐螺紋圓錐螺紋母體形狀母體形狀圓柱螺紋的主要參數(shù)圓柱螺紋的主要參數(shù)大徑d、D：最大直徑公稱直徑小徑d1、D1：外螺紋的危險剖面直徑強度計算直徑中徑d2、D2：假想直徑，牙型溝槽寬與牙的寬度相等效率、升角等的計算直徑螺距P：相鄰兩牙軸向距離導程S：同一條螺紋線的相鄰兩牙間的軸向距離，S = nP升角：螺紋與其軸線的垂直平面所成的夾角牙型角a ：螺紋兩側(cè)邊的夾角第三節(jié)第三節(jié)F引言F螺紋的種類及主要參數(shù)F螺紋副的受力分析與自鎖F螺紋緊固件

5、與螺紋聯(lián)接的類型F螺紋聯(lián)接的預緊與防松F螺栓聯(lián)接的設計計算F螺栓組聯(lián)接的設計計算F螺旋傳動螺紋副（螺旋副）的力學特性螺紋副（螺旋副）的力學特性n螺紋副作為一種空間運動副，其接觸面為螺旋面n螺紋在旋緊或松開過程中，螺紋之間相對移動n當螺桿和螺母之間受到軸向力Q時，擰動螺桿或螺母，螺旋面間將產(chǎn)生摩擦力n螺紋副的受力決定其效率和自鎖條件斜面摩擦斜面摩擦滑塊等速運動所需要的水平力等速上升平衡條件：驅(qū)動力：等速下滑平衡條件：維持力：自鎖條件：自鎖條件：當當時，時，F(xiàn)t 0，原工作阻力，原工作阻力Ft反向作用，作為驅(qū)動反向作用，作為驅(qū)動力時，滑塊才能移動力時，滑塊才能移動結(jié)論：結(jié)論：當當 時，滑塊自鎖時，

6、滑塊自鎖FtFR+ v12FFtFnFfR0tFFR+=tan()tFFyr=+v12FtFRRFF Ft tFnFf0tFFR+=tan()tFFyr=-矩形螺紋副的受力、效率及自鎖矩形螺紋副的受力、效率及自鎖螺旋副（螺母與螺桿）的相對運動 滑塊沿斜面運動假設：1)載荷分布在中線上; 2)單面產(chǎn)生摩擦力螺旋升角d2dd12d s =z pv12RnnFt22tandpzds 擰緊力tan()tFFyr=+221tan()22tddTFFyr=+擰緊力矩防松力tan()tFFyr=-22tan()22tddTFFyr= =-防松力矩自鎖條件自鎖條件tan()0tFFyr=-/tan/ tan(

7、)rdWWhyyr=+效率效率三角螺紋副的受力、效率及自鎖三角螺紋副的受力、效率及自鎖反力反力摩擦力摩擦力當量摩擦角當量摩擦角FnFn900-900-2cosfneFFFFmmmb=2cosnFFb=arctanarctancoseemrmb=擰緊力擰緊力擰緊力矩擰緊力矩22tan()22teddTFFyr= =-tan()teFFyr=+221tan()22teddTFFyr= =+tan()teFFyr=-防松力防松力防松力矩防松力矩效效 率率自鎖條件自鎖條件tan()0teFFyr=-e/tan/ tan()rdeWWhyyr=+1. 矩形螺紋和三角螺紋哪一種效率高，宜用于傳動？2. 矩

8、形螺紋和三角螺紋哪一種易自鎖，宜用于聯(lián)接？第四節(jié)第四節(jié)F引言F螺紋的種類及主要參數(shù)F螺紋副的受力分析與自鎖F螺紋緊固件與螺紋聯(lián)接的類型F螺紋聯(lián)接的預緊與防松F螺栓聯(lián)接的設計計算F螺栓組聯(lián)接的設計計算F螺旋傳動常用螺紋緊固件的類型常用螺紋緊固件的類型螺栓雙頭螺柱螺釘螺母墊圈標準化常用螺紋緊固件的材料和精度常用螺紋緊固件的材料和精度性能等級與材料按機械性能分10級（螺母等級低于螺栓）常用低碳鋼和中碳鋼變載、沖擊用合金鋼（特殊場合用有色金屬）螺紋公差和精度公差：內(nèi)螺紋 G、H外螺紋 e、f、g、h精度：精密中等 一般用途粗糙 精度要求低螺紋聯(lián)接的基本類型（螺紋聯(lián)接的基本類型（1 1）螺栓聯(lián)接螺栓聯(lián)接

9、普通螺栓工作原理：螺栓受拉承受外載荷應用：被聯(lián)接件不太厚的常拆卸處受剪螺栓工作原理：側(cè)壁受擠壓、桿橫截面受剪承受外載應用：需精確固定兩被聯(lián)接件的相對位置螺紋聯(lián)接的基本類型（螺紋聯(lián)接的基本類型（2 2）雙頭螺柱聯(lián)接雙頭螺柱聯(lián)接工作原理：螺栓受拉承受外載應用：被聯(lián)接件較厚，且常拆卸處螺紋聯(lián)接的基本類型（螺紋聯(lián)接的基本類型（3 3）螺釘聯(lián)接螺釘聯(lián)接工作原理：螺釘受拉承受外載應用：一被聯(lián)接件較厚，但不常拆卸處螺紋聯(lián)接的基本類型（螺紋聯(lián)接的基本類型（4 4）緊定螺釘聯(lián)接緊定螺釘聯(lián)接工作原理螺釘依賴摩擦力承受外載應用定位、傳遞力、螺紋聯(lián)接的基本類型（螺紋聯(lián)接的基本類型（5 5）其它螺紋聯(lián)接其它螺紋聯(lián)接螺紋

10、聯(lián)接類型主要根據(jù)受力、結(jié)構形式、裝拆要求等進行選擇地腳螺栓聯(lián)接 吊環(huán)螺栓聯(lián)接 T形槽螺栓聯(lián)接螺紋聯(lián)接的畫法螺紋聯(lián)接的畫法XXX第五節(jié)第五節(jié)F引言F螺紋的種類及主要參數(shù)F螺紋副的受力分析與自鎖F螺紋緊固件與螺紋聯(lián)接的類型F螺紋聯(lián)接的預緊與防松F螺栓聯(lián)接的設計計算F螺栓組聯(lián)接的設計計算F螺旋傳動螺紋聯(lián)接的預緊（擰緊）螺紋聯(lián)接的預緊（擰緊）擰緊力矩擰緊力矩T T T T1 1：螺紋阻力矩：螺紋阻力矩 T T2 2：摩擦力矩：摩擦力矩0.2Fd12螺栓軸向拉力 被聯(lián)接件軸向壓力預緊力預緊力目的：提高螺紋聯(lián)接剛性、緊密性、緊固性；以及防松原理：預緊力和擰緊力矩221tan()22teddTFFyr= =

11、+2fTF rm=擰緊力矩的控制擰緊力矩的控制測力矩扳手： 手柄易變形，而 穩(wěn)定作刻度。手柄變形與T成正比定力矩扳手：給鋼球足夠的壓緊力螺紋聯(lián)接的防松螺紋聯(lián)接的防松問題：沖擊、震動、問題：沖擊、震動、 變化變化 副間副間 急劇下降急劇下降目的：防止螺旋副間的相對轉(zhuǎn)動。目的：防止螺旋副間的相對轉(zhuǎn)動。摩擦防松：簡便，但不可靠摩擦防松：簡便，但不可靠機械防松：增加元件，可靠機械防松：增加元件，可靠破壞螺紋副：可靠，一次性破壞螺紋副：可靠，一次性彈簧墊圈對頂螺母尼龍圈鎖緊螺母開口銷帶翅墊片止動墊片fF溫度變化，材料蠕變溫度變化，材料蠕變 聯(lián)接松脫聯(lián)接松脫措施：措施：其他防松彈簧墊圈對頂螺母尼龍圈鎖緊螺

12、母開口銷帶翅墊片止動墊片沖點法粘合法焊點法螺紋聯(lián)接的防松螺紋聯(lián)接的防松第六節(jié)第六節(jié)F引言F螺紋的種類及主要參數(shù)F螺紋副的受力分析與自鎖F螺紋緊固件與螺紋聯(lián)接的類型F螺紋聯(lián)接的預緊與防松F螺栓聯(lián)接的設計計算F螺栓組聯(lián)接的設計計算F螺旋傳動螺紋聯(lián)接的主要失效形式和設計準則螺紋聯(lián)接的主要失效形式和設計準則松動：螺紋緊固件、被聯(lián)接件拉斷：螺紋緊固件（螺栓、螺釘）壓潰：螺紋緊固件與被聯(lián)接件的螺紋牙剪斷：螺紋緊固件滑扣：螺紋緊固件與被聯(lián)接件的螺紋牙磨損在聯(lián)接不松滑的條件下，通過強度計算確定螺紋緊固件的直徑，避免拉斷螺紋聯(lián)接設計的內(nèi)容螺紋聯(lián)接設計的內(nèi)容n選擇適當?shù)穆菁y聯(lián)接形式n選擇螺紋緊固件的材料和精度n確

13、定螺紋緊固件的公稱尺寸n確定防松和擰緊方法松螺栓聯(lián)接：無預緊力，只有工作拉力緊螺栓聯(lián)接：有預緊力，還有工作拉力松螺栓聯(lián)接的強度設計松螺栓聯(lián)接的強度設計 21144FdFdsspp s=校核校核設計設計載荷形式軸向拉伸（工作拉力F）失效形式螺栓拉斷 (靜、疲勞)設計準則保證螺栓拉伸強度強度條件： 無其它載荷的緊螺栓聯(lián)接的強度設計無其它載荷的緊螺栓聯(lián)接的強度設計載荷形式軸向拉伸（預緊力F）、扭力T失效形式螺栓拉斷 (拉、扭綜合作用)設計準則保證螺栓拉伸強度強度條件： e 設計計算方法：螺紋力矩螺紋力矩T T剪應力剪應力預緊拉力預緊拉力F F拉應力拉應力222233(0.5 )1.3esstsss=

14、+=+校核式校核式 :215.2 eFdssp=15.2Fdp s設計式設計式:TFF214Fdsp=23311tan()20.51616eFdTddfrtspp+=受橫向載荷的緊螺栓聯(lián)接的強度設計受橫向載荷的緊螺栓聯(lián)接的強度設計普通螺栓（受拉螺栓）鉸制孔螺栓（受剪螺栓）普通螺栓與絞制孔螺栓的失效形式是否相同？FR/2FR/2FR受橫向載荷的緊螺栓聯(lián)接的強度設計受橫向載荷的緊螺栓聯(lián)接的強度設計問題：預緊力問題：預緊力F應滿足的條件應滿足的條件?依據(jù)：被聯(lián)接件不滑移依據(jù)：被聯(lián)接件不滑移界面摩擦力界面摩擦力F FR R1.2RFFm=1.2RFFm=受載荷形式軸向拉伸（預緊力F）、 扭力T、橫向載

15、荷FR失效形式螺栓拉斷 (拉扭綜合作用)設計準則保證螺栓拉伸強度強度條件： e 設計計算方法：FRFFRF215.2 eFdssp=15.2Fdp s普通螺栓普通螺栓橫向載荷過大的情況下，不適宜用普通螺栓。為何？受橫向載荷的緊螺栓聯(lián)接的強度設計受橫向載荷的緊螺栓聯(lián)接的強度設計絞制螺栓絞制螺栓受載荷形式擰緊過程中:軸向拉伸F 、扭力T(預緊力小，計算時可忽略) 工作時：橫向載荷FR失效形式側(cè)面壓潰及螺栓剪切設計準則保證擠壓、剪切強度強度條件： pp、設計計算方法：擠壓強度：擠壓強度：剪切強度：剪切強度：minRppFdhss=24 RFd mttp=FRFR受軸向載荷的緊螺栓聯(lián)接的強度設計受軸向

16、載荷的緊螺栓聯(lián)接的強度設計受載荷形式擰緊過程中: 軸向拉伸F 、 扭力T工作時，再承受工作載荷F螺栓所受的總拉力:F0 = F+F ?TFFFFF0F0須根據(jù)靜力平衡方程和變形協(xié)調(diào)條件求解須根據(jù)靜力平衡方程和變形協(xié)調(diào)條件求解受軸向載荷的緊螺栓聯(lián)接的強度設計受軸向載荷的緊螺栓聯(lián)接的強度設計變形協(xié)調(diào)條件變形協(xié)調(diào)條件1 1= = b bF0F+FF0=F+F1b1bTFFFFF0F0FFFF預緊預緊F F受載受載F F螺栓螺栓被聯(lián)接件被聯(lián)接件拉力拉力F F，伸長，伸長1 1壓力壓力F F，壓縮，壓縮b b拉力拉力F F0 0, , 伸長伸長1 1+ + 1 1壓力壓力F F, , 壓縮壓縮b b -

17、 -b b未預緊未預緊 未受力、無變形未受力、無變形未受力、無變形未受力、無變形FF受軸向載荷的緊螺栓聯(lián)接的強度設計受軸向載荷的緊螺栓聯(lián)接的強度設計壓縮彈簧壓縮彈簧c2被聯(lián)接件被聯(lián)接件拉伸彈簧拉伸彈簧c1螺栓螺栓F壓縮彈簧受力：壓縮彈簧受力：F F拉伸彈簧受力：拉伸彈簧受力：F F均等于預緊力均等于預緊力12Fccll=D+D12FcclD=+101122212cFFcFFcccFFcFFccll=+D=+=-D=-+受軸向載荷的緊螺栓聯(lián)接的強度設計受軸向載荷的緊螺栓聯(lián)接的強度設計受力變形關系受力變形關系形變形變 力力F F1bFFF0F被聯(lián)接件被聯(lián)接件螺栓螺栓bCFAEF NoImage21

18、2cFFFcc212cFFFcc1012cFFFcc210ccFF210ccFFF提高被聯(lián)接件剛度提高被聯(lián)接件剛度c c1 1：螺栓剛度：螺栓剛度c c2 2：被聯(lián)接件剛度：被聯(lián)接件剛度受軸向載荷的緊螺栓聯(lián)接的強度設計受軸向載荷的緊螺栓聯(lián)接的強度設計靜載荷靜載荷螺紋力矩螺紋力矩T T剪應力剪應力總拉力總拉力F F0 0拉應力拉應力0214Fdsp=023311tan()20.51616eFdTddfrtspp+=校核式校核式 :0215.2 eFdssp=015.2Fdp s設計式設計式:受軸向載荷的緊螺栓聯(lián)接的強度設計受軸向載荷的緊螺栓聯(lián)接的強度設計變載荷變載荷工作載荷在工作載荷在F F1

19、1 F F2 2之間變化；螺栓受力在之間變化；螺栓受力在F F0101 F F0202之間變化之間變化力時間OF2F1工作載荷變化變形O力 02012111222aFFFFcFcc21121122()aaacFFFcAdcc螺栓拉力變幅螺栓拉力變幅螺栓應力幅螺栓應力幅提高螺栓聯(lián)接強度的措施提高螺栓聯(lián)接強度的措施改善螺紋牙間受力分配改善螺紋牙間受力分配機理：螺栓受拉：機理：螺栓受拉： 自上而下積累，自上而下積累，p p逐漸變大逐漸變大螺母受壓：螺母受壓： 自上而下積累，自上而下積累，p p逐漸變小逐漸變小措施：措施： 采用受拉螺母：懸置螺母和環(huán)槽螺母采用受拉螺母：懸置螺母和環(huán)槽螺母 采用內(nèi)斜螺母

20、：最下面幾圈易變形采用內(nèi)斜螺母：最下面幾圈易變形 采用均載裝置：鋼絲螺套采用均載裝置：鋼絲螺套 螺栓螺栓p p 螺母螺母p p 螺母采用有色金屬等（螺母采用有色金屬等（E E小，變形小）小，變形?。┏摻z螺套，皆采用變形協(xié)調(diào)條件除鋼絲螺套，皆采用變形協(xié)調(diào)條件內(nèi)斜螺母環(huán)槽螺母懸置螺母提高螺栓聯(lián)接強度的措施提高螺栓聯(lián)接強度的措施減小附加應力減小附加應力措施：改善被聯(lián)件結(jié)構措施：改善被聯(lián)件結(jié)構提高螺栓聯(lián)接強度的措施提高螺栓聯(lián)接強度的措施減輕應力集中減輕應力集中主要在加工和結(jié)構處理時考慮主要在加工和結(jié)構處理時考慮提高螺栓聯(lián)接強度的措施提高螺栓聯(lián)接強度的措施降低應力幅降低應力幅措施：通過降低螺栓剛度，提

21、高被聯(lián)件剛度措施：通過降低螺栓剛度，提高被聯(lián)件剛度第七節(jié)第七節(jié)F引言F螺紋的種類及主要參數(shù)F螺紋副的受力分析與自鎖F螺紋緊固件與螺紋聯(lián)接的類型F螺紋聯(lián)接的預緊與防松F螺栓聯(lián)接的設計計算F螺栓組聯(lián)接的設計計算F螺旋傳動螺栓組及其設計螺栓組及其設計n螺栓通常成組使用，構成螺栓組n螺栓組采用相同材料和尺寸的螺栓n螺栓組的設計主要確定聯(lián)接形式、螺栓數(shù)目及其分布螺栓組聯(lián)接的受力分析（螺栓組聯(lián)接的受力分析（1 1）假設：（1）被聯(lián)接件為剛體 （2）各螺栓拉伸或剪切剛度相同，F(xiàn)相同 （3）螺栓應變沒有超出彈性范圍四種典型簡單承載情況： 受橫向載荷的螺栓組聯(lián)接 受旋轉(zhuǎn)力矩的螺栓組聯(lián)接 受軸向載荷的螺栓組聯(lián)接

22、受翻轉(zhuǎn)力矩的螺栓組聯(lián)接概述概述目的：確定最大承載螺栓及其載荷螺栓組聯(lián)接的受力分析（螺栓組聯(lián)接的受力分析（2 2）軸向載荷軸向載荷條件：FQ通過螺栓組的對稱中心，且平行于螺栓軸線工作載荷/QFFz式中：z螺栓個數(shù)FQFF螺栓組聯(lián)接的受力分析（螺栓組聯(lián)接的受力分析（3 3）橫向載荷橫向載荷條件：FR作用線通過螺栓組的對稱中心，且垂直于螺栓軸線(a) 受拉螺栓聯(lián)接受拉螺栓聯(lián)接(b) 受剪螺栓聯(lián)接受剪螺栓聯(lián)接sfRF mzk FfRsk FFmz即：螺栓受剪力側(cè)壁受擠壓螺栓受剪力側(cè)壁受擠壓各螺栓受載均等各螺栓受載均等RsFFz螺栓組聯(lián)接的受力分析（螺栓組聯(lián)接的受力分析（4 4）1zsifiF rk T

23、1fzsiik TFr即(a) 受拉螺栓聯(lián)接受拉螺栓聯(lián)接（甲）(b) 受剪螺栓聯(lián)接受剪螺栓聯(lián)接1zsi iiF rTmaxmaxsisiFFrrmaxmax21sziiT rFr旋轉(zhuǎn)力矩旋轉(zhuǎn)力矩螺栓組聯(lián)接的受力分析（螺栓組聯(lián)接的受力分析（5 5）翻轉(zhuǎn)力矩翻轉(zhuǎn)力矩1.10 2.94.7 5.6M1zi iiMFrmaxmaxiiFFrrmaxmax21ziiM rFr螺栓組聯(lián)接的受力分析（螺栓組聯(lián)接的受力分析（6 6）小結(jié)小結(jié)相同：相同：F0為為F與與F的組合的組合不同：不同：FQ時各工作載荷相等，時各工作載荷相等，M時各工作載荷不等時各工作載荷不等F FQ Q與與M M相同：總載荷僅有相同：總載荷僅有F 或或Fs不同：不同： FR：各載荷相等（：各載荷相等（ F 或或Fs ）T：受拉：各載荷相等受拉：各載荷相等F受剪：各載荷不等受剪：各載荷不等FsmaxF FR R與與T T任意載荷狀態(tài)下螺栓組聯(lián)接的受力分析任意載荷狀態(tài)下螺栓組聯(lián)接的受力分析n載荷簡化至螺栓組的幾何形心處n分不同類型載荷進行螺栓受力分析，然后疊加n確定受力最大的螺栓及其載荷n進行強度計算cosF1cosFLaF1L2L2sinFLasinF12sincoscossinQRFFFFMFLFLmaxmax21/sin/ziiQMlFlFzFz第八節(jié)第八節(jié)F引言F螺紋的種類及主要參數(shù)F螺紋副的受力分析與自鎖F