机械螺纹联接

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第二篇 联 接,动联接:,机器工作时，被联接的零件间可以有相对运动的联接。,静联接:,机器工作时，被联接件间不允许产生相对运动的联接。,可拆联接:,不需毁坏联接中的任一零件就可拆开的联接。,不可拆联接:,至少必须毁坏联接中的某一部分才能拆开的联接。,联接,可拆,不可拆,螺纹联接,键、花键、销联接,楔联接,弹性环联接,过盈联接,铆接,焊接,粘接,表,2,轴毂联接的比较,表,3,铆接、焊接、胶接的比较,螺纹,梯形,锯齿形,第,6,章 螺纹联接,一、螺纹的类型和应用,牙型角,三角形,常用螺纹,三角螺纹,普通螺纹,矩形螺纹,锯齿型螺纹,梯形螺纹,管螺纹,管路联接,一般联接,传递运动或传力,螺纹旋向,常用右旋，特殊要求时用左旋,米制锥螺纹,管路联接,(1)大径,d,（外径）：,与外螺纹牙顶(或内螺纹牙底)相重合的假想圆柱体的直径。,螺纹的最大直径，标准中定为,公称直径。,(2)小径,d,1,（内径）：,与外螺纹牙底(或内螺纹牙项)相重合的假想圆柱体的直径。,螺纹的最小直径，在强度计算中作为螺栓危险剖面的,计算直径。,(3)中径,d,2,：,假想圆，该圆柱的母线上牙型沟槽和凸起宽度相等。,确定螺纹几何参数和配合性质的直径。,（4）线数,n,：,螺纹的螺旋线数目。,n 4,（5）,螺距,p,：,相邻两牙在中径线上对应两点间的轴向距离。,（6）导程,s,：,同一条螺旋线上的相邻两牙在中径线上对应两点间的轴向距离。,s,=,np,（7）螺纹升角,：,中圆柱上，螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面的夹角。,（8）牙型角,：,轴向截面内螺纹牙型相邻两侧边的夹角。,螺纹紧固件按机械性能分为,十级,：,3.6 4.6 4.8 5.6 5.8 6.8 8.8 9.8 10.9 12.9,点前数字为 ，点后数字为,例如,3.6,表示,根据螺栓、螺柱和螺钉的材料：,3.6,低碳钢,4.66.8,低碳钢或中碳钢,8.8,、,9.8,中碳钢或低碳合金钢,10.9,中碳钢、低碳或中碳合金钢,12.9,合金钢,螺母 性能等级：,m0.8D 4 5 6 8 9 10 12,6.1,螺纹联接的主要类型、材料和精度,螺栓联接,：,用于被联接件不太厚、装拆方便的场合。,普通螺栓联接 （受拉螺栓联接）,螺栓和孔壁有间隙孔的加工精度低,铰制孔螺栓联接（受剪螺栓联接）,螺杆与孔用过渡配合，承受轴向载荷孔需精制。,可起定位作用,1,、螺栓联接,普通螺栓联接,受剪螺栓联接,双头螺柱联接：,适用于被联接件之一较厚、不便加工通孔，但需经常拆卸的场合,或用螺钉无法安装。,2,、双头螺柱联接,拧入深度：,铜或青铜：,H,=,d,铸 铁：,H,=1.251.5,d,铝 合 金：,H,=1. 52.5,d,双头螺柱联接,螺钉联接：,多用于受力不太大，,被联接件不宜做成通孔，,又不需要经常拆装的场合。,3,、螺钉联接,拧入深度：,铜或青铜：,H,=,d,铸 铁：,H,=1.251.5,d,铝 合 金：,H,=1. 52.5,d,螺钉联接,紧定螺钉联接,旋入被联接件的螺纹孔中，顶住另一被联接件的表面或凹坑。 固定两个零件或传递不大的力矩。,4 、紧定螺钉联接,紧定螺钉联接,标准螺纹联接件,6.2,螺纹联接的拧紧和防松,6.2.1,螺纹联接的拧紧,预紧的目的,防止联接松脱，增强可靠性,被联接件接合面具有足够的紧密性,使接合面产生摩擦力，以承受横向载荷,F,预紧力,拧紧力矩,T,：,T = T,1,+T,2,T,1,螺纹阻力矩,T,2,螺母支承面摩擦阻力矩,承压面直径,T0.2 F,d,L15d,T=FL,F,75F,假定,F=250N,F,18750N,碳素钢螺栓,F,（,0.60.7,）,S,A,合金钢螺栓, F,（,0.50.6,）,S,A,现需拧紧,M12,、强度级别为,4.6,的钢制螺栓,F, ,18990N,为防止将螺栓拧断，对于要求预紧的强度螺栓联接应严格控制其适度的预紧力，并不宜用小于,M12 M16,的螺栓。,控制预紧力的目的：,预紧力过大，会使联接超载,预紧力不足，可能导致联接失效,重要的螺栓应控制预紧力,6.2.2,螺纹联接的防松,防 松 的 原 因,1,、冲击、振动或变载荷作用下，螺纹副间的摩擦力可能减小或瞬时消失。,2、在高温或温度变化较大的情况下，由于螺纹联接件和被联接件的材料发生蠕变和应力松弛，使联接中的预紧力和摩擦力逐渐减小。,防 松 的 根 本 问 题,防止螺纹副相对转动。,防 松 的 原 理,利用摩擦、直接锁住、破坏螺纹副关系。,一 、利用摩擦防松,1 、对顶螺母,在螺母和螺栓之间形成内力，保证摩擦力。,结构简单、使用方便,可靠性不高,用于平稳、低速、重载,2 、弹簧垫圈,弹力保持一定压力,切口尖端逆向,3 、锁紧螺母,螺母末端椭圆口的弹性变形箍紧螺栓，横向压紧螺纹副,4,、尼龙圈锁紧螺母,螺母末端的尼龙圈箍紧螺栓，横向压紧螺纹副,5,、楔紧螺纹锁紧螺母,利用楔紧螺纹，使螺纹副纵、横压紧,二、 直接锁住,1 、开口销与六角开槽螺母,2 、止动垫圈,3 、串联钢丝,三、破坏螺纹副关系,冲点,涂胶,焊接,螺栓联接,普通螺栓联接,铰制孔用螺栓联接,工作载荷,横向工作载荷,（横向剪力）,轴向工作载荷,（轴向拉力）,外载方向垂直于螺栓轴线,外载方向平行于螺栓轴线,用于轴向或横向工作载荷,用于横向工作载荷,6.3 单个螺栓联接的受力分析和强度计算,塑性变形、断裂,轴向拉力,保证螺栓的疲劳拉伸强度。,横向剪力,压溃、剪断,保证联接的挤压强度、保证螺栓的剪切强度。,螺栓所受拉力,工作载荷,=,危险截面的强度条件：,F,拉力；,A,危险截面面积；,设计式：,d,c,计算直径,6.3.1 受拉螺栓联接,1、,受拉松螺栓联接（承受静载荷）,工作前螺栓不受力，工作后螺栓受拉伸载荷。,装配时要拧紧，工作载荷作用之前，螺栓已受预紧力,F,作用。,普通螺栓联接,F,F,F,R,F,R,T,T,1,F,F,F,引起的拉应力：,T,1,引起的切应力：,2、受拉紧螺栓联接（承受静、变载荷）,1） 只受预紧力的紧螺栓联接,螺栓受力,螺纹力矩,T,1,切应力,预紧力,F,拉应力,复合应力状态,拉、扭联合作用时，按第四强度理论：,当量拉应力：,强度条件：,设计式：,螺栓虽受转矩和预紧力的联合作用，但强度计算以受拉伸进行，仅将螺栓所受的轴向拉伸载荷增大30%来考虑切应力的影响。,2）受预紧力和工作载荷的紧螺栓联接,F,F,F,F,T,F,F,F,0,F,F,F,0,螺栓所受的总拉力：,总拉力,F,0,=,预紧力,F,+,工作拉力,F,?,此时，联接中各零件的受力关系属静不定问题,未知力有两个：,F,0,总拉力,F ,剩余预紧力,须根据静力平衡方程和变形协调条件求解,F,0,F、F、C,1,、C,2,。,F,F,F,F,2,1,T,螺栓,被联接件,a),图,不受力,不受力,b),图,F,F,伸长量,压缩变形量,F,F,F,0,F,F,F,0,1,2,F,F,F,F,2,1,T,螺栓,被联接件,c,）图,承受工作载荷,FF,0,FF,拉伸增量,F,0,-F,总伸长量,1,+,1,总压缩量,2,-,2,压缩减量,F-,F,F,F,0,1,F,F,F,F,F,F,F,F,0,2,1,2,T,变形协调条件：,1,=,2,=,静力平衡条件：,F,0,=,F,+,F,螺栓,总拉力,剩余,预紧力,轴向,外载荷,变形,力,力,力,变形,1,2,1,2,F,F,F,0,F,F,1,2,(a),(b),(c),F,螺栓刚度,: c,1,= F/,1,=tg,1,被联接件刚度,: c,2,= F/,2,=tg,2,相对刚度系数,当,c,2,c,1,时，,相对刚度系数,0,，,F,0,F,当,c,2,c,1,时，相对刚度系数,1,，,F,0,F,+,F,强度条件：,注意：,对于普通螺栓联接，无论联接是受横向工作载荷还是轴向工作载荷，螺栓本身总是受轴向拉力作用。,剩余预紧力应满足下列要求：,1,）无特殊要求时,F,=,（,0.20.6),F,2,）变载作用时,F,=,（,0.61.0),F,3,）有紧密性要求时,F,=,（,1.51.8),F,为了保证联接的紧密性，防止联接受载后接合面产生间隙，应使 。,图,6.7,工作载荷变化时螺栓拉力的变化,螺栓受变载荷 总拉力,铰制孔用螺栓联接,螺栓杆受挤压应力和剪切应力作用。,此类螺栓预紧力小，计算时可忽略,6.3.2,受剪螺栓联接,剪切强度条件：,d,螺栓杆受剪面直径,h,最小挤压高度,设计时，按上述公式分别计算出,d,，取大值,挤压强度条件：,F,F,R,F,R,T,T,1,F,F,F,F,R,/,若,=0.2,时，,F,5F,R,承受横向载荷的普通螺栓联接，其结构尺寸将大大增加，为避免这种缺陷，可采取如下措施：,表,6.3,受拉螺栓联接的许用应力,表,6.4,受剪螺栓联接的许用应力,例题,6.1,已知气缸工作压力在,00.5MPa,之间变化，工作温度,125,C,气缸内直径,D,2,=1100mm,，螺栓数目,z=20,，采用铜皮石棉垫片。试计算气缸盖螺栓直径。,解：,合理确定螺栓组的布置方式及接合面的几何形状；,使各螺栓受力均匀，便于加工、装配。,6.4,螺栓组联接的受力分析,螺栓组联接的结构设计目的,:,1.,联接接合面形状应和机器的结构形状相适应且设计成轴对称的简单几何形状。,2.,螺栓的布置应使各螺栓受力合理,受力合理,受力不合理,3.,螺栓的排列应有合理的间距、边距,螺栓间距,t,0,4.,同一分布圆上的螺栓应取偶数，便于钻孔时分度划线。同一螺栓组，螺栓材料、规格相同,5.,螺母及螺栓头的支承面应光洁、平整，避免螺栓承受偏心载荷 。,采用球面垫圈,采用斜垫圈,采用凸台,采用沉头座,注意：,对于螺栓组联接，应首先对螺栓组进行受力分析，找出受载最大的螺栓，然后对该螺栓进行强度计算。,假设：,1,）被联接件为刚体,;,2,）各螺栓的拉伸和剪切刚度相同；,3,）各螺栓的预紧力相同；,4,）螺栓的变形在弹性范围内。,6,.4.1,受轴向力,F,Q,的螺栓组联接,单个螺栓所受轴向工作载荷：,强度校核公式为：,总拉力：,F,0,= F+ F,6,.4.2,受横向力,F,R,的螺栓组联接,当用,普通螺栓联接,时，螺栓仅受预紧力,F,作用，靠接合面间的摩擦力来传递载荷。因此，接合面间所产生的最大摩擦力必须大于或等于横向载荷，即：,当用铰制孔用螺栓联接时,，靠螺栓杆受剪切和挤压来传递载荷。因此，可认为每个螺栓所受的横向工作载荷是相等的，即：,沿载荷方向布置的螺栓数目不宜超过,6,个，以免受力不均严重。,6.4.3 受旋转力矩,T,的螺栓组联接,1.,受拉螺栓联接,当用受拉螺栓联接时，假设螺栓联接接合面的摩擦力相等并集中在螺栓中心处，与螺栓中心至底板旋转中心的连线垂直，则由底板静力平衡条件得：,2.,受剪螺栓联接,当用铰制孔用螺栓联接时，各螺栓的工作载荷与其中心至底板旋转中心的连线垂直，忽略联接中的预紧力和摩擦力，根据底板上的力矩平衡条件得：,6.4.4 受翻转力矩,M,的螺栓联接,受拉螺栓联接：,倾覆力矩,M,作用在联接接合面的一个对称面内，底板在承受倾覆力矩之前，螺栓已拧紧并承受预紧力。,例,1,设计一轴承座螺栓组联接，轴承座及底板材料皆为铸铁。载荷,P,作用在通过接合面纵向对称轴线，并垂直于接合面的平面内，采用普通螺栓联接，螺栓数目,Z=4,对称布置，各部分尺寸如图。,解：,一、分析螺栓组联接的载荷,横向载荷：,轴向载荷：,翻转力矩：,二、计算受力最大的螺栓承受的工作载荷,F,F,Q,使每个螺栓受的工作载荷：,M,使对称轴线左边二螺栓处的工作拉力增大：,三、确定每个螺栓所需要的预紧力,F,取,四、求螺栓直径,d,螺栓的总拉力,选用4.8级螺栓,查手册，选,M16,的螺栓。,例2,如图所示，15,mm,厚的矩形钢板，用4个螺栓悬臂固定在250,mm,宽的槽钢上，承受16,KN,的外载荷，确定螺栓直径。,解：,一、载荷分析,横向载荷,旋转力矩,二、采用受剪螺栓联接,1、计算受力最大螺栓的横向工作载荷,F,R,作用：,T,作用：,1、2受力最大：,2、求螺栓直径,选用5.8级螺栓,选用,M16,45,的螺栓。,3、校核杆与孔壁的挤压强度,槽钢35#,所选螺栓合适。,三、若采用普通螺栓联接,1、确定,F,平衡,F,R,所需预紧力,平衡,T,所需预紧力,每个螺栓所需预紧力,2、求螺栓直径,选用5.8级螺栓,选用,M27,的螺栓。,总设计思路：,螺栓组结构设计（布局、数目）螺栓组受力分析（载荷类型、状态、形式）求单个螺栓的最大工作载荷（判断哪个最大）按最大载荷的单个螺栓设计（求,d,1,标准）全组采用同样尺寸螺栓（互换的目的）,6.5 提高螺栓联接强度的措施,6.5.1 螺纹牙受力分配,螺纹旋合圈数越多，受力越不均匀，到第810圈后，螺纹牙几乎不受力。因此，通过加厚螺母以增加旋合圈数从而提高螺栓强度的做法是不可行的。,影响联接强度的因素很多，如材料、结构、尺寸、工艺、螺纹牙间、载荷分布、应力幅度、机械性能，而螺栓联接的强度又主要取决于螺栓的强度。,办法：,降低刚性，易变形、增加协调性，以缓和矛盾,a),悬置螺母,b),环槽螺母,c),内斜螺母,图,6.16,钢丝螺套的结构,6.5.2 减小附加应力,螺栓受偏心载荷,被联接件刚度不够,6.5.3 减小应力集中,6.5.4 降低应力幅,减小螺栓刚度或增大被连接件的刚度都能达到减小应力幅的目的。,1.,降低螺栓刚性,抗疲劳强度得到提高，可用竖心杆、细长杆、柔性螺栓联接,a.,柔性螺栓,b.,弹性元件,2.,增大被联接件的刚性,提高了螺栓联接疲劳强度，采用高硬度垫片或直接拧在铸铁,a.,金属垫片,b.,密封环,6.5.5 选择恰当的预紧力并保持不减退,适当增大预紧力，就能提高螺栓的疲劳强度。,图,6.23,螺栓刚度不同时压陷对预紧力减退的影响,6.5.6 改善制造工艺,1,）用挤压法（滚压法）制造螺栓，疲劳强度提高,3040%,。,2,）冷作硬化，表层有残余应力（压）、氰化、氮化、喷丸等可提高疲劳强度。,3,）热处理后再进行滚压螺纹，效果更佳，强度提高,70100 %,。,4,）控制单个螺距误差和螺距累积误差。,工程应用,桑塔纳轿车,工程应用,机床,工程应用,摩托车,工程应用,飞机机翼,工程应用,发动机气缸,化工管道,工程应用,自行车,工程应用,锁紧螺母,工程应用,汽车轮胎,工程应用,例 题,试找出图中螺纹联接结构中的错误，说明原因，并改正。已知被联接件材料均为,Q235，,联接件均为标准件。1）普通螺栓联接；2）螺钉联接；3）双头螺柱联接；4）紧定螺钉联接。,普通螺栓联接,主要错误,A、,螺栓安装方向不对，装不进去，应掉过头来安装；,B、,普通螺栓联接的被联接件孔要大于螺栓大径，而下部被联接件孔与螺栓杆间无间隙；,C、,被联接件表面没加工，应做出沉头座孔并刮平，以保证螺栓头及螺母支承面平整且垂直于螺栓轴线，避免拧紧螺母时螺栓产生附加弯曲应力；,D、,一般联接，不应采用扁螺母；,E、,弹簧垫圈尺寸不对，缺口方向也不对；,F、,螺栓长度不标准，应取标准长度,L=60mm；,G、,螺栓中螺纹部分长度短了，应取长30,mm。,普通螺栓联接,螺钉联接,主要错误,A、,采用螺钉联接时，被联接件之一应有大于螺栓大径的光孔，而另一被联接件上应有与螺钉相旋合的螺纹孔。而图中上边被联接件没有做成大于螺栓大径的光孔，下边被联接件的螺纹孔又过大，与螺钉尺寸不符，且螺纹孔画法不对，小径不应为细实线；,B、,若上边被联接件是铸件，则缺少沉头座孔，表面也没加工。,双头螺柱联接,主要错误,A、,双头螺栓的光杆部分不能拧紧被联接件的螺纹内，,M12,不能标注在光杆部分；,B、,锥孔角度应为120，而且应从螺纹孔的小径（粗实线处）画锥孔角的两边；,C、,若上边被联接件是铸件，则缺少沉头座孔，表面也没加工；,D、,弹簧垫圈厚度尺寸不对。,双头螺柱联接,紧定螺钉联接,主要错误,A、,轮毂上没有做出,M6,的螺纹孔；,B、,轴上未加工螺纹孔，螺钉拧不进去，即使有螺纹孔，螺钉能拧入，也需作局部剖视才能表达清楚。,紧定螺钉联接,1,、当铰制孔用螺栓组联接承受横向载荷或旋转力矩时，该螺栓组中的螺栓,。,A,、必受剪切力作用,B,、必受拉力作用,C,、同时受到剪切与拉伸,D,、即可能受剪切，也可能受挤压作用,2,、计算紧螺栓联接的拉伸强度时，考虑到拉伸与扭转的复合作用，应将拉伸载荷增加到原来的,倍。,A,、,1.1,B,、,1.3,C,、,1.25,D,、,0.3,3,、在螺栓联接中，有时在一个螺栓上采用双螺母，其目的是,。,A,、提高强度,B,、提高刚度,C,、防松,D,、减小每圈螺纹牙上的受力,4,、在同一螺栓组中，螺栓的材料、直径和长度均应相同，这是为了,。,A,、受力均匀,B,、便于装配,C,、外形美观,D,、降低成本,5,、螺栓的材料性能等级标成,6.8,级，其数字代表,。,A,、对螺栓材料的强度要求,B,、对螺栓的制造精度要求,C,、对螺栓材料的刚度要求,D,、对螺栓材料的耐腐蚀性要求,6,、螺栓强度等级为,6.8,级，则该螺栓材料的最小屈服极限近似为,。,A,、,480MPa,B,、,6MPa,C,、,8MPa,D,、,0.8MPa,7,、不控制预紧力时，螺栓的安全系数选择与其直径有关，是因为,。,A,、直径小，易过载,B,、直径小，不易控制预紧力,C,、直径大，材料缺陷多,D,、直径大，安全,8,、在受轴向变载荷作用的紧螺栓联接中，为提高螺栓的疲劳强度，可采取的措施是,。,A,、增大螺栓刚度,C,1,，减小被联接件刚度,C,2,B,、减小,C,1,，增大,C,2,C,、增大,C,1,和,C,2,D,、减小,C,1,和,C,2,9,、在螺栓联接设计中，若被联接件为铸件，则有时在螺栓孔处制做沉头座或凸台，其目的是,。,A,、避免螺栓受附加弯曲应力作用,B,、便于安装,C,、为安置防松装置,D,、为避免螺栓受拉力过大,10,、若要提高受轴向变载荷作用的紧螺栓的疲劳强度，则可,。,A,、在被联接件间加橡胶垫片,B,、增大螺栓长度,C,、采用精制螺栓,D,、加防松装置,11,、在螺栓、螺钉和双头螺柱联接中，被联接件的光孔直径为什么比螺纹外径大？,可以降低孔的加工精度要求；安装方便；可避免在装拆时碰坏螺栓的螺纹。,12,、铰制孔螺栓的螺纹外径为什么比无螺纹部分的直径小？,为了确保无螺纹部分承受横向载荷，且可避免损坏螺栓螺纹和铰制孔。,