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第九章第九章 螺纹联接设计螺纹联接设计 联接联接动联接动联接运动副运动副静静联接联接螺纹、键、销（可拆），焊、铆、胶接（不可拆）螺纹、键、销（可拆），焊、铆、胶接（不可拆）第九章第九章 螺纹联接螺纹联接本章重点学习内容：本章重点学习内容：1 1、螺纹、螺纹联接及其零件的结构和类型。、螺纹、螺纹联接及其零件的结构和类型。2 2、螺纹联接的受力分析及强度计算。（重点）、螺纹联接的受力分析及强度计算。（重点）3 3、螺纹联接的预紧和防松。、螺纹联接的预紧和防松。4 4、提高螺栓联接强度的措施。、提高螺栓联接强度的措施。螺纹联接是一种应用很广泛的可拆联接。它具有结构简螺纹联接是一种应用很广泛的可拆联接。它具有结构简单、工作可靠、装拆方便、能满足各种要求的特点。单、工作可靠、装拆方便、能满足各种要求的特点。9-1 9-1 螺纹的类型及主要参数螺纹的类型及主要参数（1）大径）大径d、D：（：（公称直径）公称直径）（2）小径）小径d1、D1：表示外、表示外、内螺纹的最小直径。内螺纹的最小直径。（3）中径）中径d2、D2：螺纹牙宽螺纹牙宽 度和牙槽宽度相等处的度和牙槽宽度相等处的 假想圆柱的直径。假想圆柱的直径。（4）螺距）螺距P：相邻同侧螺纹牙间相邻同侧螺纹牙间 在中径对应点的轴向距离。在中径对应点的轴向距离。（5）线数）线数n：螺纹的螺旋线数目。螺纹的螺旋线数目。（6）导程）导程S：同一条螺旋线上相邻两螺纹牙间对应点的轴向距离。同一条螺旋线上相邻两螺纹牙间对应点的轴向距离。（7）升角）升角：螺纹中径圆柱面上螺旋线的切线与端面的夹角。螺纹中径圆柱面上螺旋线的切线与端面的夹角。（8）牙型角）牙型角：轴向剖面螺纹牙两侧边夹角。轴向剖面螺纹牙两侧边夹角。（9）牙型斜角）牙型斜角：轴向剖面螺纹牙一侧和螺纹轴线垂直线的夹角轴向剖面螺纹牙一侧和螺纹轴线垂直线的夹角一、主要参数一、主要参数螺纹的类型及主要参数螺纹的类型及主要参数二、螺纹的分类（按螺纹牙型分）：二、螺纹的分类（按螺纹牙型分）：（1）三角形螺纹（普通螺纹）。牙型角为）三角形螺纹（普通螺纹）。牙型角为60。粗牙：用于一般联接。粗牙：用于一般联接。细牙：相同公称直径时，螺距小，螺纹深度浅，导程和升细牙：相同公称直径时，螺距小，螺纹深度浅，导程和升 角也小，自锁性能好，宜用于薄壁零件和微调装置。角也小，自锁性能好，宜用于薄壁零件和微调装置。（2）管螺纹。多用于有紧密性要求的管件联接。牙型角为）管螺纹。多用于有紧密性要求的管件联接。牙型角为55。（3）梯形螺纹。牙型角为）梯形螺纹。牙型角为30，是应用最广泛的双向传动螺纹。，是应用最广泛的双向传动螺纹。(4）锯齿形螺纹。工作面牙型斜角锯齿形螺纹。工作面牙型斜角=3=3，非工作面牙型斜角非工作面牙型斜角 =30=30，是单向传动螺纹。（是单向传动螺纹。（=3=3 =30 =30 根部强度根部强度）螺纹还分左、右旋，单、多线，公制、英制。我国除管螺螺纹还分左、右旋，单、多线，公制、英制。我国除管螺 纹外，都采用公（米）制，国际标准也采用公制。纹外，都采用公（米）制，国际标准也采用公制。（5）矩形螺纹。牙型角）矩形螺纹。牙型角0，传动传动用螺纹。用螺纹。螺纹的类型及主要参数螺纹的类型及主要参数二、螺纹的分类（复习）二、螺纹的分类（复习）按螺纹牙型分：按螺纹牙型分：（1）三角形螺纹（普通螺纹）。牙型角为）三角形螺纹（普通螺纹）。牙型角为60。粗牙：用于一般联接。粗牙：用于一般联接。细牙：相同公称直径时，螺距小，螺纹深度浅，导程和升细牙：相同公称直径时，螺距小，螺纹深度浅，导程和升 角也小，自锁性能好，宜用于薄壁零件和微调装置。角也小，自锁性能好，宜用于薄壁零件和微调装置。（2）管螺纹。多用于有紧密性要求的管件联接。牙型角为）管螺纹。多用于有紧密性要求的管件联接。牙型角为55，（3）梯形螺纹。牙型角为）梯形螺纹。牙型角为30，是应用最广泛的双向传动螺纹。，是应用最广泛的双向传动螺纹。（4）锯齿形螺纹。工作面牙型斜角）锯齿形螺纹。工作面牙型斜角=3，非工作面牙型斜角非工作面牙型斜角 =30，是单向传动螺纹。（是单向传动螺纹。（=3 =30 根部强度根部强度）（5）矩形螺纹。牙型角）矩形螺纹。牙型角0，传动用螺纹。，传动用螺纹。螺纹还分左、右旋，单、多线，公制英制。我国除管螺螺纹还分左、右旋，单、多线，公制英制。我国除管螺 纹外，都采用公（米）制，国际标准也采用公制。纹外，都采用公（米）制，国际标准也采用公制。螺纹的类型及主要参数螺纹的类型及主要参数螺纹联接实例螺纹联接实例左右旋螺纹实例：左右旋螺纹实例：19641964年我国自行制造的第一艘万吨轮年我国自行制造的第一艘万吨轮“跃进号跃进号”首首航航日本，途经韩国海域，由于航向偏离而触礁，使船底破日本，途经韩国海域，由于航向偏离而触礁，使船底破开一个口子，海水涌入机舱。机舱内有紧急排水阀门，开一个口子，海水涌入机舱。机舱内有紧急排水阀门，只要及时打开排水阀门，船还能得救。当时去打开阀门只要及时打开排水阀门，船还能得救。当时去打开阀门的三管轮，误将左旋螺纹当作了右旋螺纹，这样适得其的三管轮，误将左旋螺纹当作了右旋螺纹，这样适得其反，非但没有打开阀门，反而越拧越紧，在这刻不容缓反，非但没有打开阀门，反而越拧越紧，在这刻不容缓的紧急关头，失去了抢救的机会，使船沉没，在经济上、的紧急关头，失去了抢救的机会，使船沉没，在经济上、政治上造成了无法挽回的巨大损失。从这件事情上可以政治上造成了无法挽回的巨大损失。从这件事情上可以说明，同学们今后在处理问题时要冷静灵活。如果当时说明，同学们今后在处理问题时要冷静灵活。如果当时往右旋打不开阀门时就要考虑会不会是左旋螺纹？如果往右旋打不开阀门时就要考虑会不会是左旋螺纹？如果是这样，就会打开阀门，挽救了一条船，也避免了这样是这样，就会打开阀门，挽救了一条船，也避免了这样巨大的损失。巨大的损失。一、矩形螺纹一、矩形螺纹1.受力分析受力分析假定：假定：螺纹副的压力均匀分布在螺纹中径处，螺纹副的压力均匀分布在螺纹中径处，可简化为一点受力可简化为一点受力 相对运动与滑块和斜面间相似相对运动与滑块和斜面间相似拧紧螺母，滑块沿斜面等速上升：拧紧螺母，滑块沿斜面等速上升：Q轴向载荷轴向载荷F相当于旋转螺母时水平推动力相当于旋转螺母时水平推动力N法向反力。法向反力。FfFf=Nf 摩擦力摩擦力RN和和Ff的合力的合力 R和和N的夹角，称为摩擦角的夹角，称为摩擦角 =arctgf9-2 螺纹副的受力分析、效率和自锁螺纹副的受力分析、效率和自锁 40时时,效率最高效率最高,但但过大加工困难，过大加工困难，常取不超过常取不超过25 根据平衡条件作力封闭图有：根据平衡条件作力封闭图有：F=Qtg(+)转动螺纹所需的转矩为转动螺纹所需的转矩为2.螺旋副的效率螺旋副的效率螺母旋转一周所需输入功螺母旋转一周所需输入功 W1=2 T1螺母上升一个导程螺母上升一个导程S，有效功（输出）有效功（输出）W2=QS=Q d2tg 传动效率为传动效率为螺纹副的受力分析、效率和自锁螺纹副的受力分析、效率和自锁故螺旋副自锁条件是：故螺旋副自锁条件是：，0，此时无论轴向力此时无论轴向力Q有多大，不能下滑，称为自锁。有多大，不能下滑，称为自锁。F=Qtg(-)，输入输入W1=QS，输出输出W1=F d2效率效率：滑块等速下降：滑块等速下降：3.螺旋副的自锁螺旋副的自锁 螺纹副的受力分析、效率和自锁螺纹副的受力分析、效率和自锁在矩形螺纹的推导公式中用在矩形螺纹的推导公式中用fv代代f，v代代，得相应公式。得相应公式。自锁条件是：自锁条件是：v 可以看出三角形可以看出三角形螺纹自锁性能好，用于联接，梯形螺纹用于传动螺纹自锁性能好，用于联接，梯形螺纹用于传动其它：其它：Ff=N f=Qf/cos=Qfvfv=f/cos,v=arctgfv二、其它螺纹二、其它螺纹螺纹制的受力分析、效率和自锁螺纹制的受力分析、效率和自锁矩形：矩形：Ff=N f=Qf9-3 螺纹联接的基本类型及联接零件的标准螺纹联接的基本类型及联接零件的标准1、螺栓联接、螺栓联接被联接件上只钻有通孔，不需加被联接件上只钻有通孔，不需加工螺纹，通常用于被联接件不太工螺纹，通常用于被联接件不太厚和两边有足够装配空间场合。厚和两边有足够装配空间场合。（2）铰制孔螺栓联接：螺栓与被）铰制孔螺栓联接：螺栓与被 联接件的孔间无间隙，孔加工精联接件的孔间无间隙，孔加工精 度要求高。用于承受横向载荷或度要求高。用于承受横向载荷或 要求精确固定被联接件相对位置要求精确固定被联接件相对位置 场合。场合。一、基本类型一、基本类型（1）普通螺栓联接：螺栓与被联）普通螺栓联接：螺栓与被联 接件的孔间留有间隙，故孔加工接件的孔间留有间隙，故孔加工 精度要求低。精度要求低。2、双头螺栓联接、双头螺栓联接用于被联接件之一较厚不便穿孔的用于被联接件之一较厚不便穿孔的场合，可多次装拆，而不损坏被联场合，可多次装拆，而不损坏被联接件。较薄的被联接件钻通孔，较接件。较薄的被联接件钻通孔，较厚的被联接件钻孔攻丝。厚的被联接件钻孔攻丝。螺纹联接的基本类型及联接零件的标准螺纹联接的基本类型及联接零件的标准3、螺钉联接、螺钉联接不用螺母，用于被联接不用螺母，用于被联接件之一较厚且不宜多次件之一较厚且不宜多次装拆的场合。装拆的场合。4、紧定螺钉联接、紧定螺钉联接用以固定两零件的相对位置，用以固定两零件的相对位置，可传递不大的力和转矩。可传递不大的力和转矩。螺纹联接件如螺栓、双头螺柱及防螺纹联接件如螺栓、双头螺柱及防松零件等大多已标准化松零件等大多已标准化一、螺纹联接的预紧一、螺纹联接的预紧大多数螺栓联接在装配时要拧紧螺母，这时螺栓联接受到大多数螺栓联接在装配时要拧紧螺母，这时螺栓联接受到 预紧力预紧力F的作用。预紧的目的是增加联接的可靠性，紧密的作用。预紧的目的是增加联接的可靠性，紧密 性和防松能力。预紧力的大小是通过拧紧力矩来控制的。性和防松能力。预紧力的大小是通过拧紧力矩来控制的。F 拧断螺栓拧断螺栓 F易松动，故应通过控制拧紧力易松动，故应通过控制拧紧力矩矩T来控制预紧力来控制预紧力F的大小的大小 T=T1+T20.2Fd T1为克服螺纹牙间相对转动阻力矩为克服螺纹牙间相对转动阻力矩 T2为克服螺母与支承面相对转动阻力矩为克服螺母与支承面相对转动阻力矩 对于一般联接，可用测力矩扳手或定力矩扳手控制预紧力。对于一般联接，可用测力矩扳手或定力矩扳手控制预紧力。9-4 螺纹联接的预紧与防松螺纹联接的预紧与防松二、螺纹联接防松二、螺纹联接防松 三角形螺纹，升角三角形螺纹，升角=1.53.5，当量摩擦角当量摩擦角v=56，故具有自锁性。但在冲击、振动或温度变化大及高温条件发故具有自锁性。但在冲击、振动或温度变化大及高温条件发生蠕变，联接可能自松，影响正常工作，甚至发生身故。因此生蠕变，联接可能自松，影响正常工作，甚至发生身故。因此要考虑防松装置。表要考虑防松装置。表9-2螺纹联接的预紧与防松螺纹联接的预紧与防松防松的根本在于防止螺纹副的相对转动，按工作原理分三类防松的根本在于防止螺纹副的相对转动，按工作原理分三类：摩擦防松（利用摩擦）摩擦防松（利用摩擦）：使螺纹之间不因外载荷变化而失去：使螺纹之间不因外载荷变化而失去压力，不十分可靠，多用于冲击、振动不剧烈的场合。压力，不十分可靠，多用于冲击、振动不剧烈的场合。机械防松（直接锁住）机械防松（直接锁住）：利用各种止动零件。可靠、应用广。：利用各种止动零件。可靠、应用广。破坏螺纹副关系破坏螺纹副关系：冲点法和粘合法。用于不再被装拆场合。：冲点法和粘合法。用于不再被装拆场合。螺纹联接实例螺纹联接实例螺栓联接的防松实例：螺栓联接的防松实例：6060年代初上海海运局的年代初上海海运局的“和平和平4545号号”货轮，在一货轮，在一次航行中，柴油机的连杆螺栓脱落而被甩出，将附次航行中，柴油机的连杆螺栓脱落而被甩出，将附近钢板打穿，造成严重事故。事故原因是柴油机检近钢板打穿，造成严重事故。事故原因是柴油机检修时，安装连杆的工人忘了在每个带槽螺母上插上修时，安装连杆的工人忘了在每个带槽螺母上插上开口销。因此螺栓的防松装置不能忽视，在工作中开口销。因此螺栓的防松装置不能忽视，在工作中要重视每一个细节要重视每一个细节。9-5 单个螺栓联接的强度计算单个螺栓联接的强度计算一、失效和设计准则一、失效和设计准则 1）普通螺栓）普通螺栓 可受轴向载荷或横向载荷，主要失效是受拉后螺纹部分的可受轴向载荷或横向载荷，主要失效是受拉后螺纹部分的 塑性变形或断裂，设计准则应保证联接有足够的拉伸强度。塑性变形或断裂，设计准则应保证联接有足够的拉伸强度。2）铰制孔螺栓）铰制孔螺栓 主要承受横向载荷，主要失效是螺杆被剪断及螺杆或孔主要承受横向载荷，主要失效是螺杆被剪断及螺杆或孔 壁较弱者被压溃，设计准则应保证联接有足够的剪切强壁较弱者被压溃，设计准则应保证联接有足够的剪切强 度和挤压强度。度和挤压强度。二、受轴向载荷的螺栓联接（普通螺栓）二、受轴向载荷的螺栓联接（普通螺栓）1、松螺栓联接、松螺栓联接装配时不拧紧螺母，即承受工作载荷装配时不拧紧螺母，即承受工作载荷之前螺栓不受预紧力。如吊钩螺纹联之前螺栓不受预紧力。如吊钩螺纹联接，当承受工作载荷下时，强度条件接，当承受工作载荷下时，强度条件为：为：单个螺栓联接的强度计算单个螺栓联接的强度计算2、紧螺栓联接、紧螺栓联接1）只受预紧力只受预紧力紧螺栓联接装配时须将螺母拧紧，螺栓受有紧螺栓联接装配时须将螺母拧紧，螺栓受有F作用。作用。F产生拉应力产生拉应力，同时螺纹摩擦力矩，同时螺纹摩擦力矩T1产生扭剪应力产生扭剪应力，因此螺栓处于拉伸和扭转复合应力状态。因此螺栓处于拉伸和扭转复合应力状态。由第四强度理论由第四强度理论单个螺栓联接的强度计算单个螺栓联接的强度计算强度条件强度条件（2）受预紧力和轴向载荷）受预紧力和轴向载荷单个螺栓联接的强度计算单个螺栓联接的强度计算螺栓实际承受的总拉伸载荷螺栓实际承受的总拉伸载荷F0由预紧力由预紧力和工作拉力和工作拉力F组成，组成，但并不等于两者之和，但并不等于两者之和，即即F0F+F。各力关系由静力各力关系由静力平衡条件和变形协调条件来分析平衡条件和变形协调条件来分析a）没有预紧没有预紧b）螺栓受预紧力螺栓受预紧力，被联，被联 接件压缩接件压缩 c0，螺栓伸长螺栓伸长 b0 c）受轴向工作载荷受轴向工作载荷F后，螺栓变形伸长量由后，螺栓变形伸长量由bo增至增至bo+1 对应对应总拉伸载荷总拉伸载荷 F0 ，被联接件变形压缩量由被联接件变形压缩量由 c0回缩至回缩至 c0-2 对应对应残余预紧力残余预紧力 F 动画演示静力平衡条件静力平衡条件 Fo=F+F各种不同的情况有不同的残余预紧力要求各种不同的情况有不同的残余预紧力要求(p186)单个螺栓联接的强度计算单个螺栓联接的强度计算变形协调条件变形协调条件 螺栓的螺栓的1=被联接件的被联接件的 2动画演示单个螺栓联接的强度计算单个螺栓联接的强度计算为保持所要求的残余预紧力，须加的预紧力为为保持所要求的残余预紧力，须加的预紧力为:为保持结合面紧密为保持结合面紧密,要求的残余预紧力要求的残余预紧力F 0强度校核式：强度校核式：例例1 1：气缸盖用：气缸盖用8 8个普通螺栓与缸体相联，如盖与螺个普通螺栓与缸体相联，如盖与螺栓的刚度恰好相等，每个螺栓的预紧力为栓的刚度恰好相等，每个螺栓的预紧力为5000N5000N，进进气后的剩余预紧力为气后的剩余预紧力为2400N2400N，问每个螺栓所受总载荷问每个螺栓所受总载荷为多少？此时每个螺栓的工作载荷为多少？若要求为多少？此时每个螺栓的工作载荷为多少？若要求不漏气，进气的最大总压力为多少？不漏气，进气的最大总压力为多少？答案是：答案是：m螺栓剪切面的数目；螺栓剪切面的数目；do剪切面的直径剪切面的直径 轴向最小的接触长度；轴向最小的接触长度；z 联结螺栓数联结螺栓数 p螺栓或孔壁的许用挤压应力，取小者。螺栓或孔壁的许用挤压应力，取小者。单个螺栓联接的强度计算单个螺栓联接的强度计算三、受横向载荷的螺栓联接三、受横向载荷的螺栓联接受载后，螺杆受到剪切，孔壁和杆接触面受到挤压强度受载后，螺杆受到剪切，孔壁和杆接触面受到挤压强度条件为：条件为：1、铰制孔螺栓联接、铰制孔螺栓联接求出求出F后代入强度条件：后代入强度条件：单个螺栓联接的强度计算单个螺栓联接的强度计算2、普通螺栓联接、普通螺栓联接由于螺栓与孔之间留有间隙，故是由由于螺栓与孔之间留有间隙，故是由F产生的摩擦力来平衡产生的摩擦力来平衡外载荷。为使被联接件之间不发生相对滑动，所需的外载荷。为使被联接件之间不发生相对滑动，所需的F为：为：C可靠性系数，常取可靠性系数，常取C=1.21.3m接合面数接合面数 f摩擦系数摩擦系数z 联结螺栓数联结螺栓数减载装置，见图减载装置，见图9-179-6 螺栓组的结构设计（阅读）螺栓组的结构设计（阅读）9-7 提高螺栓联接强度的措施提高螺栓联接强度的措施1、降低螺栓的应力幅、降低螺栓的应力幅受轴向变载荷的螺栓联接，在最受轴向变载荷的螺栓联接，在最大应力一定时，应力幅越小，疲大应力一定时，应力幅越小，疲劳强度越高，联接越可靠。可降劳强度越高，联接越可靠。可降低螺栓刚度低螺栓刚度Kb或增大被联接件刚或增大被联接件刚度度Kc来降低应力幅（图来降低应力幅（图9-21，22）。）。2、改善螺纹、改善螺纹牙间偏载牙间偏载情况情况螺纹牙间载荷分布情况螺纹牙间载荷分布情况见图见图。采用。采用悬置螺母和环槽螺母悬置螺母和环槽螺母可改善螺纹牙间的偏载现象。可改善螺纹牙间的偏载现象。3、减小应力集中减小应力集中4、避免螺栓承受偏心载荷避免螺栓承受偏心载荷5、采用合理制造工艺、采用合理制造工艺螺栓失效实例：螺栓失效实例：美国美国“挑战号挑战号”航天飞机在航天飞机在19861986年年2 2月的一次试飞月的一次试飞中，升空中，升空32s32s后在空中发生爆炸，使第一位女宇航员后在空中发生爆炸，使第一位女宇航员遇难，成为震惊世界的惨案。根据美国航天局遇难，成为震惊世界的惨案。根据美国航天局NASANASA报告，失事原因为密封圈的失效和密封装置上联接燃报告，失事原因为密封圈的失效和密封装置上联接燃料缸的螺栓失效，造成燃料泄漏燃烧，而发生爆炸。料缸的螺栓失效，造成燃料泄漏燃烧，而发生爆炸。仅仅是一个小小的螺栓失效，就造成如此巨大的惨案，仅仅是一个小小的螺栓失效，就造成如此巨大的惨案，这说明螺栓的强度计算是非常重要的。这说明螺栓的强度计算是非常重要的。螺纹联接实例螺纹联接实例本章英语单词本章英语单词螺纹螺纹 threadthread三角螺纹三角螺纹 triangular threadtriangular thread矩形螺纹矩形螺纹 square threadsquare thread梯形螺纹梯形螺纹 trapezoidaltrapezoidal锯齿形螺纹锯齿形螺纹 buttress threadbuttress thread管螺纹管螺纹 pipe thread pipe thread 螺栓螺栓 boltbolt双头螺柱双头螺柱 stud(double end bolt)stud(double end bolt)螺钉螺钉 screw screw 紧定螺钉紧定螺钉 setscrewsetscrew螺母螺母 nut nut 垫圈垫圈 washerwasher弹性垫圈弹性垫圈 spring washerspring washer本章小结本章小结内容归纳内容归纳本章小结本章小结 重点学习内容重点学习内容 1.1.螺纹、螺纹联接及其零件的结构和类型。螺纹、螺纹联接及其零件的结构和类型。2.2.螺纹联接的受力分析和强度计算。螺纹联接的受力分析和强度计算。3.3.螺纹联接的预紧和防松。螺纹联接的预紧和防松。4.4.提高螺栓联接强度的措施。提高螺栓联接强度的措施。螺纹联接的预紧与防松螺纹联接的预紧与防松螺纹联接的预紧与防松螺纹联接的预紧与防松螺纹联接的预紧与防松螺纹联接的预紧与防松螺纹牙受力状态螺纹牙受力状态悬置螺母和环槽螺母悬置螺母和环槽螺母减小应力集中减小应力集中避免承受偏心载荷避免承受偏心载荷
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