上海大学机械设计课件第五章 螺纹联接

第 二 篇 联 接第二篇 联接第五章 螺纹联接和螺旋传动第六章 键、花键、无键联接和销联接第七章 铆接、焊接、胶接和过盈联接第 二 篇 联 接联 接v联接的种类：机械动联接：机器工作时，被联接件间可以有相对运动机械静联接：机器工作时，被联接件间不允许有相对运动可拆联接：不需毁坏零件就可拆开。如：螺纹联接、键联接等不可拆联接：至少毁坏零件之一才能可拆开。如：铆钉联接、焊接等机械静联接第 二 篇 联 接第五章 螺纹联接5-1 螺纹5-2 螺纹联接的类型和标准联接件5-3 螺纹联接的预紧5-4 螺纹联接的防松5-5 螺纹联接的强度计算5-6 螺栓组联接的设计5-7 螺纹联接的材料和许用应力5-8 提高螺纹联接强度的措施5-9螺旋传动第 二 篇 联 接5-1 螺纹一、螺纹的类型和应用二、螺纹的主要参数P61三、螺纹联接件的精度第 二 篇 联 接一、螺纹的类型和应用（一）1、分类：v按用途分 1）联接螺纹：起联接作用的螺纹。2）传动螺纹：起传动作用的螺纹。v按螺纹形式分 1）普通螺纹（三角螺纹）2）米制锥螺纹 3）管螺纹 4）梯形螺纹 5）矩形螺纹 6）锯齿形螺纹 前三种用于联接，后三种用于传动。除矩形螺纹外，都已标准化。P60 表5-1第 二 篇 联 接一、螺纹的类型和应用（二）v按几何参数可分：公英制螺纹；粗细牙螺纹；左右旋螺纹；单线及多线螺纹。2、应用第 二 篇 联 接二、螺纹的主要参数大径d，小径d1，中径d2线数n（单线，多线），螺距p（粗牙，细牙），导程s=nP 升角，牙型角，牙侧角=/2接触高度h：2tandnParc第 二 篇 联 接三、螺纹联接件的精度 螺纹连接件分为三个精度等级，其代号为A、B、C级。A级精度的公差小，精度高，用于要求配合精确、防止振动等重要零件的联接；B级精度多用于受载较大且经常拆装、调整或承受变载荷的联接；C级精度多用于一般的螺纹联接。常用的标准螺纹联接件（螺栓、螺钉），通常选用C级精度。第 二 篇 联 接5-2 螺纹联接的类型和标准联接件一、螺纹联接的类型二、标准联接件第 二 篇 联 接一、螺纹联接的类型（一）1、螺栓联接1）普通螺栓联接：不论联接受横向载荷还是轴向载荷，螺栓均只受轴向载荷。2）铰制孔用螺栓联接：基孔制过渡配合，直接承受横向载荷，一般不用来承受轴向载荷。普通螺栓联接铰制孔用螺栓联接螺纹余留长度l1 P62螺纹伸出长度a=(0.2-0.3）d螺栓轴线到被联接件边缘的距离e=d+(3-6)mm通孔长度d0=1.1d第 二 篇 联 接一、螺纹联接的类型（二）2、双头螺柱联接：两被联接件一薄一厚，且经常拆装的场合3、螺钉联接：两被联接件一薄一厚，且不经常拆装的场合双头螺柱联接螺钉联接 螺钉拧入深度H:钢或青铜 Hd 铸铁 H=(1.25-1.5)d 铝合金 H=(1.5-2.5)d第 二 篇 联 接一、螺纹联接的类型（二）4、紧定螺钉联接：多用于轴上零件的固定第 二 篇 联 接一、螺纹联接的类型（三）地脚螺栓 吊环螺栓 T形槽螺栓5、地脚螺栓 吊环螺栓 T形槽螺栓第 二 篇 联 接二、标准联接件 P64表5-3螺钉：头部和尾部形状螺母：外形垫圈：形状第 二 篇 联 接预紧：装配时拧紧。预紧力：预紧时预加的作用力（一）预紧的目的1.提高联接的紧密性2.提高联接的可靠性 3.防止联接松动或被联接件间出现缝隙或发生相对滑移。5-3螺纹联接的预紧第 二 篇 联 接（二）拧紧力矩与预紧力的关系)(2021vtgFdT202030300231dDdDFfTcpF T=FL=T1+T21、拧紧螺纹联接件的预紧应力不得超过起材料的屈服极限s的80%。对于重要的联接，装配时要控制预紧力。2、拧紧力矩与预紧力的关系第 二 篇 联 接对M12以下的螺栓，应注意控制预紧力，以防过载拉断。dddDMMddvc1.117.0tan7.1;2.01.0)6410(9.0,23241002对普通螺栓：020203030232)tan(21FdDdDfdTcvdFT025.015.0）（代入上式：（二）拧紧力矩与预紧力的关系第 二 篇 联 接（三）控制预紧力的方法控制应力或应变、控制拧紧力臂、控制拧紧力矩应 变 片测力矩扳手定力矩扳手第 二 篇 联 接螺纹联接防松的实质在于限制螺旋副的相对转动。以防止联接的松动，影响正常工作。螺纹联接的防松按工作原理可分为三类（P68表5-3）：1.摩擦防松 2.机械防松 3.不可拆卸防松（铆冲；粘接；焊接）5-4 螺纹联接的防松第 二 篇 联 接1.摩擦防松1）弹簧垫圈防松 2）自锁螺母防松3）对顶螺母防松第 二 篇 联 接 1）弹簧垫圈防松 2）自锁螺母防松 弹簧垫圈防松 自锁螺母防松第 二 篇 联 接3）对顶螺母防松第 二 篇 联 接2、机械防松1）开口销与六角开槽螺母2）止动垫圈3）串联钢丝第 二 篇 联 接1）开口销与六角开槽螺母螺栓装配图开槽螺母开口销第 二 篇 联 接2）止动垫片防松双联止动垫片单耳止动垫片第 二 篇 联 接3）串联钢丝防松正确错误第 二 篇 联 接3.不可拆卸防松焊接 、铆冲、胶接第 二 篇 联 接5-5 螺纹联接的强度计算螺纹联接包括：螺栓联接、双头螺柱联接和螺钉联接等。下面以螺栓联接为例讨论螺纹联接的强度计算的方法。1、螺栓组：两个零件用螺栓联接时，常常同时使用若干个螺栓，称为螺栓组。2、螺栓组的受载类型：横向载荷、轴向载荷、弯矩、转矩等。3、螺栓的受力：轴向力和横向力第 二 篇 联 接4、螺栓的破坏形式 1）轴向力作用下：螺栓杆和螺纹部分可能发生塑性变形或断裂；2）横向力作用下：铰制孔用螺栓联接，螺栓杆和孔壁的贴和面上可能发生压溃或落杆被剪断。3）根据统计分析，在静载下螺栓是很少破坏的，只有在严重过载的情况下才会被剪断。就破坏性质而言，约有90%的螺栓属于疲劳破坏。第 二 篇 联 接5、螺栓的破坏形式和设计准则v对于受拉螺栓：其主要破坏形式是螺杆螺纹部分发生断裂；因而其设计准则为保证螺栓的静力或疲劳拉伸强度。v对于受剪螺栓：其主要破坏形式是螺栓杆和孔壁的贴合面上出现压溃或螺栓杆被剪断。第 二 篇 联 接6、螺栓强度计算的步骤1）进行螺栓组的受力分析，找出其中受力最大的螺栓及其所受的力，作为进行强度计算的依据。2）根据联接的类型、联接的装配情况（预紧或不预紧）、载荷状态等条件，确定螺栓的受力。3）按相应的强度条件计算螺栓的危险截面的直径（小径）或校核其强度。4）螺栓的其它部分和螺母、垫圈的结构尺寸，是根据强度条件及使用经验规定的，通常不需要进行强度计算，可按螺栓螺纹的公称直径有标准中选定。第 二 篇 联 接5-5 螺纹联接的强度计算 受力分析时可分为：v普通螺栓联接：松螺栓联接 紧螺栓联接v铰制孔用螺栓联接仅受预紧力作用的螺栓受预紧力和工作载荷作用的螺栓紧螺栓第 二 篇 联 接5-5 螺纹联接的强度计算（一）松螺栓联接的计算1.受载荷形式轴向拉伸2.失效形式螺栓拉断 3.计算）（校核式：85421dF）（设计式：9541Fd4.螺栓材料和许用应力（7）5.查手册确定d，及其它有关尺寸。第 二 篇 联 接(二）紧螺栓联接强度的计算 1、只受预紧力作用的螺栓联接 2、承受预紧力和工作拉力的紧螺栓联接第 二 篇 联 接1、只受预紧力作用的螺栓联接（一）5.042)tan(16)(2210123120dFdddtgdFvv切应力：4210dF拉应力：F0F0第 二 篇 联 接3.1)5.0(332222v强度理论：)145(43.1210dFca校核式43.101Fd 设计式1、只受预紧力作用的螺栓联接（二）KsFizfF0接合面不滑移的条件：第 二 篇 联 接2、承受预紧力和工作拉力的紧螺栓联接1）变形协调条件变形协调条件（一）受轴向静载荷第 二 篇 联 接2、承受预紧力和工作拉力的紧螺栓联接2）残余预紧力F1：由于螺栓的伸长，被联接件被放松其压缩量由m减小为m-，压力由F0减至F1，则F1称为残余预紧力。3）螺栓的总拉力F2 F2=F0+F14）剩余预紧力的控制：F10，取值P735）强度条件6）螺栓受0F之间变化的工作载荷时，其总拉力在FF0之间变化。0F第 二 篇 联 接2、承受预紧力和工作拉力的紧螺栓联接5）预紧力F0、残余预紧力F1、及总拉力F2之间的关系 F0/b=tanb=Cb F0/m=tanm=Cm 式中：Cb，Cm分别为螺栓和被联接件的刚度，为定值。FFFCCCFFmbb102第 二 篇 联 接2、承受预紧力和工作拉力的紧螺栓联接又F0=F1+（F-F）按图中的几何关系得 或 则有：上式中，Cb/（Cb+Cm）称为相对刚度。mbmbCCtgtgFFFFCCCFmbbFCCCFFmbb02FCCCFFCCCFFmbmFmbbF)1(0第 二 篇 联 接2、承受预紧力和工作拉力的紧螺栓联接6）强度条件：校核式 设计式210413.1dFv 213.1*4Fd 第 二 篇 联 接2、承受预紧力和工作拉力的紧螺栓联接（二）受轴向变载荷 当工作拉力在0-F之间变化时，螺栓所受的总拉力将在F0-F2之间变化。因此，除按上式进行静强度计算外，还应对螺栓的疲劳强度做精确校核。即：螺栓危险截面的最大拉应力max=4F2/（d12）螺栓危险截面的最小拉应力min=4F0/（d12）应力幅为：a=（max+min）/2 最大应力安全系数为：P75。第 二 篇 联 接3、承受工作剪力的螺栓联接1、承受工作剪力的紧螺栓联接 首先简单介绍铰制孔用螺栓联接和普通螺栓联接的区别。铰制孔用螺栓联接受横向载荷F后，螺栓杆与孔壁之间无间隙，接触面受挤压；在联接结合面处，螺栓杆受剪切。因此，联接的主要失效形式是：钉杆被剪断、钉杆与孔壁间的挤压应力使联接较弱的材料压溃。强度计算方法为：1）螺栓杆的剪切强度 （5-21）2）联接的挤压强度 （5-22）ppldFmin0 204dF第 二 篇 联 接5-6 螺栓组联接的设计（一）螺栓组联接的结构设计（二）螺栓组联接的受力分析第 二 篇 联 接（一）螺栓组联接的结构设计 1.被联接件形状应简单对称；2.根据载荷,合理布置螺栓位置：受力矩作用时应适当远离对称轴；避免偏心承载；3.受横向力的螺栓组受力方向不超过8个；第 二 篇 联 接（一）螺栓组联接的结构设计4.同一螺栓组紧固件形状、尺寸、材料应尽量一致；5.布置螺栓应留有合理的间距、边距，方便装配扳手空间尺寸（手册）压力容器的螺栓间距（P77 表5-5）第 二 篇 联 接（二）螺栓组联接的受力分析 螺栓联接大多工作之前应预紧，称为紧螺 栓联接；螺栓联接设计计算的一般步骤：螺栓组受力和失效分析 找出受力最大的螺栓；单个螺栓受力和失效分析 单个螺栓强度计算确定螺栓的尺寸（直径、长度）。失效分析：普通螺栓主要为螺纹部分：断裂、磨损滑扣；螺栓组和单个螺栓的失效有联系又有区别。第 二 篇 联 接 螺栓组受力分析将一个零件加以固定，其实质就是约束该零件在空间的六个自由度。（二）螺栓组联接的受力分析 螺栓组所受的载荷可分为四种类型：横向力：Fx 、FY 轴向力：Fz 翻转力矩：Mx、MY 转矩：TzxzyFzFxFyoTzMxMy第 二 篇 联 接1.受横向载荷的螺栓组联接zFF两种情况的工作原理不同！（1）普通螺栓联接（2）铰制孔用螺栓联接第 二 篇 联 接（1）普通螺栓联接)245(00mfFKFKsFizfFcsc或受力平衡条件：ZFFp3.11.1_65_可靠性系数，取接合面数目；表接合面间的摩擦系数，scKifF螺栓组受力 单个螺栓受力由上述公式求得F0后，按单个螺栓强度进行计算第 二 篇 联 接（2）铰制孔用螺栓联接这种结构主要是校核剪切和挤压强度。螺栓受的载荷为：F=F/Z第 二 篇 联 接2.受转矩的螺栓组联接（1）普通螺栓联接（2）铰制孔用螺栓联接第 二 篇 联 接（1）普通螺栓联接ncccsrfFrfFrfFTK02010 力矩平衡条件：)(210ncsrrrfTKF 则由上述公式求得F0后，按单个螺栓强度进行计算第 二 篇 联 接nnrFrFrFT 2211力矩平衡：22221maxmaxnrrrTrF 受力最大螺栓：)(22221maxmaxnrrrrFT 即：变形协调条件变形量越大，则工作剪力越大 maxmaxrFrFiiiirrFFmaxmax按剪切和挤压强度校核螺栓强度（2）铰制孔用螺栓联接第 二 篇 联 接 3.受轴向载荷的螺栓组联接单个螺栓的受力：预紧力F0 工作力FzFF?单个螺栓的总拉力：F2 F+F0F0zFF第 二 篇 联 接 4.受翻转（倾覆）力矩的螺栓组联接 分析：v 假定底板为刚体，翻转力矩作用在螺栓组的联接形心受载后绕OO转动仍保持平面v 在M的作用下，左侧螺栓拉力增大；右侧螺栓拉力减小而地面压力增大失效分析：1.螺栓拉断2.底板左侧出现间隙；3.底板右侧压溃。第 二 篇 联 接1）螺栓所受的工作拉力与距离（受拉边）成正比maxmax2211lFlFlFlFnn 变形条件：nnlFlFlFM 2211力矩平衡：22221maxmaxnllllMF 受力最大螺栓：iillFFmaxmax第 二 篇 联 接4.受翻转（倾覆）力矩的螺栓组联接 2）底板受力分析FpWMMAzFpp受翻转力矩前，接合面挤压应力分布图受翻转力矩下，接合面挤压应力分布图第 二 篇 联 接4.受翻转（倾覆）力矩的螺栓组联接ppWMAzF0max右侧不压溃00minWMAzFp左侧不分离3）接合面的强度计算底版受应力图AzFp0WMM计算螺栓的强度时用F2=F0+(Cb/Cb+Cm)Fmax代入公式计算第 二 篇 联 接受复合载荷的螺栓组联接横向荷载+轴向载荷+翻转力矩翻转力矩+旋转力矩第 二 篇 联 接受复合载荷的螺栓组联接计算时应求出受力最大螺栓的受力横向荷载+旋转力矩第 二 篇 联 接7 螺纹联接件的材料及许用应力一、螺纹联接件的材料二、螺纹联接件的许用应力第 二 篇 联 接一、螺纹联接件的材料1、对螺纹联接件材料的要求：首先要有足够的强度和可靠性，其次要有较大的塑性和韧性，且对应力集中不敏感，还要容易切削或滚压，以便加工。2、常用材料：常用材料有Q215,Q235,10，35和45钢，对于重要或特殊螺纹联接件，可选用15Cr、20Cr、40Cr，15MnVB,30CrMnSi等机械性能较好的合金钢。3、螺纹联接件的机械性能等级：国标规定，螺栓、螺钉和螺柱的性能用一个带点的数字表示。例9.8。螺母的性能等级代号由可与该螺母相配的最高性能等级的螺栓公称抗拉强度极限的1/100表示。见表5-8，5-9。第 二 篇 联 接二、螺纹联接件的许用应力 螺纹联接的许用应力与许多因素有关，如螺栓的材料牌号及热处理工艺、构造尺寸、载荷性质、工作温度、加工装配质量、使用条件等，精选确定许用应力必须综合考虑上述各因素。一般机械设计可参照表5-10安全系数。按表5-8选择螺栓材料的屈服极限和强度极限。按公式5-39，40，41，42计算螺纹联接件的许用应力。第 二 篇 联 接8 提高螺纹联接强度的措施 螺栓联接强度主要取决于螺栓强度。而影响螺栓强度的因素很多，下面介绍一下常用的提高受轴向载荷普通螺栓强度的措施。一减小变载荷螺栓的应力幅（图5-27）二改善螺纹牙间载荷分配不均现象（图5-31）三减少应力集中 四避免附加应力 五采用合理的制造工艺 第 二 篇 联 接一减小变载荷螺栓的应力幅（图5-27）减小螺栓刚度或加大被联接件刚度，都可使螺栓相对刚度减小，从而减小应力幅。同时采取两种措施，效果更好。可采用如图5-28所示柔性螺栓，也可在被联接件适当部位加肋板或增加壁厚，以及用金属垫片代替软垫片或不用垫片第 二 篇 联 接二、改善螺纹牙间载荷分配不均现象（图5-31）实验和计算表明螺栓和螺母的各螺纹牙受力不均匀，载荷的1/3左右作用在最下面一圈，因此，在设计中，应限制螺母的圈数。可采用的结构有悬置螺母、环槽螺母和内斜螺母（图5-33）。第 二 篇 联 接三减少应力集中 螺栓的形状比较复杂，在多处都存在应力集中。可采用如图5-35所示结构来减少应力集中。但采用特殊结构，成本增加，所以只在重要联接时才加以考虑。第 二 篇 联 接四避免附加应力 螺栓的附加应力主要是弯曲应力，产生的原因主要如图5-36所示，为减小或避免附加应力的影响，常采用以下措施：（1）螺栓头、螺母与被联接件支承面均应加工。如图5-37。（2）设计时避免采用斜支承面。此外，提高装配精度，增大螺纹预留长度，采用细长螺栓等，都可减小附加应力。第 二 篇 联 接五采用合理的制造工艺第 二 篇 联 接例 图示一固定在钢制立柱上的铸铁拖架，已知总载荷F=4800N，其作用线与垂直线的夹角=500，底版高h=340mm，宽b=150mm，是设计此螺栓联接。