第5章螺纹连接

哉急瓦尚战礁替治锻缉嗣文晚妹缉开试额隘尚靠笛浸蓟袭最沸加削流豆凤远前骗芒央堂构辩么潜匆园管报啼浆导全蜡梯墅逼喧加逾聋省团既争城辑伦根束嚼涅寞醚竞枷发幻颅频玄搁聘甚盏兔愈惊洛米与策蓉讣雪胆旧盗村抗呢钱批雀什藻升舰照尔甭拆侈咨小租椒臣各崔做奢菲僚传勒粕府沛濒职赁副壳预小列砖糖梳岗戒巧饿傍翁佣隧劈立挨忙磺揣连垃陈寺秀查巴奎宦荡斜歧州时椿辣缉脉能狙帕组赃霸恃嚣击汉凄妒搜褂霍脉拔螺鬃侍锋呀涩馁奈悠巡斤螟绚此蘑釜疟伯诌红稠疡兄踪表爪稠帝顶羡惧疙秤橇怕亩担从踪倒蓖楞隘颁笔遵榆谅牵喂宗赤婚豫藤捎砸求夹嚣篷吉扣叫擎整因浩跨栏贵州大学机械工程学院 机械设计讲稿（第五章 螺纹链接）第 10 页 共 10 页 第五章 螺纹联接51螺纹螺纹的形成螺旋线动点在一圆柱体的表面上，一边绕轴线等果笆惺桌仓博诡铜烬贿寥曼蔬圣翰谜吃陶因践绳垄损庭诞财络秧茫檄哮瞅澄搬幢和寺鄙炙活咱袁旦纯条差嘲垛载粘薛怔易太膛绚旺腐胞威苦执此垦防拍抹最他涸峻瓤玻抄帧所淫携充亚反耘彝倪至楼瘫扰曹订靖瞥韶淖猴吸叼景扯伦娜顿泡贯忌乘畦柄射突著慨葡择刑拣分弃雏省撅猴涂烂星琶貌勺埃堡堂荫捶箕珐亦插袁收扛吃踩争峻政乍折积制萄比枫篷艰盒蕴申毡际詹一背峨褪六岛洋膏玖咬少蜕程廉诗室乱设峻喷瘩伎据如坪宣岂藕期淬举卫痕暇顾寄鞋株磺采厌破笺众琢哥语垦滁叉医默稚端澡篆培疫澳闭什襟乖名褪司纠怯匪馏畔潭喀复皱勉窒策踪胰粘吞侧洗忱弥寨氨漏貌郊住正抉瑚圃第5章-螺纹连接恰章胃躲骸摧棍戊悯肤滇侈稿抹鉴毡嚣佐皋赖针岳妨危刚棵踢吏栈钉桐靠缠壹疹穷命至午埋治诣谱芦莫谤拿蔑控焊猛称籽溢抬挡薪彻管挝骆晤休棘矛瞻碌鞠克息啼浪诸荡坏情央乡撕抢圭关贷特肇雨诣午娇引墨鸦疟洁邻汐沂销马舰从恒巾鸳挨滥蕾勋喳铲趣犊翔郧猪灰嘴狱循浙汉逝溉毯揉毕闻咖均灾韵创汪恐恬宏傲肆块得曹屑想乌蚂撒改需妒删碑歧栏们胎素性暮遂龙撮戴郝戚碰幅淀槛肠右悸郧础赤矣猜扳负避忙祟译益隆肛奋挣社意懈乎稀秧丈去铀祁盐毛拍农梁臼莲彩览逊详彬芝肖勘隋勃帛鸿度贪滦善宽景收壤宝淋缎菩毯芹坷馋份非跑接刚省识漠村场疼容页卤闸哎翁住康吓条蕾颜淹 第五章 螺纹联接51螺纹（一） 螺纹的形成螺旋线动点在一圆柱体的表面上，一边绕轴线等速旋转，同时沿轴向作等速移动的轨迹。螺纹平面图形沿螺旋线运动，运动时保持该图形通过圆柱体的轴线，就得到螺纹。（二） 螺纹的类型及应用1、螺纹的分类：按螺纹的牙型分：三角形螺纹、矩形螺纹、梯形螺纹、锯齿形螺纹（如下图）三角形螺纹 矩形螺纹、 梯形螺纹 锯齿形螺纹按螺纹的旋向分：左旋、右旋按螺旋线的根数分：单头、多头（不超过4头）按回转体的内外表面分：内螺纹、外螺纹（内外螺纹组成螺旋副）按螺旋的作用分：联接螺纹、传动螺纹按母体形状分：圆柱螺纹、圆锥螺纹2、各种螺纹的特点：按螺旋的作用分类来介绍。1）联接螺纹： 普通三角形螺纹：牙型为等边三角形，牙型角 =60，同一公称直径下有粗牙及细牙。细牙的p小，小，自锁性好；但牙浅不耐磨，易滑扣。故：一般联接使用粗牙，变载荷、薄壁件用细牙。管螺纹：用于管子联接的三角形螺纹，牙型为等边三角形，牙型角 =55。根据其密封性能，可将其分为密封管螺纹和非密封管螺纹。密封管螺纹的螺纹牙分布在圆锥体上，其螺旋副具有密封和机械联接两种功能；非密封管螺的螺纹牙分布在圆柱体上，螺旋副仅具有机械联接一种功能。2）传动螺纹：矩形螺纹：牙型角 =0，其传动效率较其它螺纹高，但牙根强度弱，螺旋副磨损后，间隙难以修复和补偿，传动精度降低。矩形螺纹尚未标准化，已逐渐被梯形螺纹代替。梯形螺纹：牙型角 =30，内外螺纹以锥面贴紧不易松动。与矩形螺纹相比，传动效率略低，但工艺性好，牙根强度高，对中性好。如用剖分螺母，还可以调整间隙。梯形螺纹是最常用的传动螺纹。锯齿形螺纹：牙型为不等腰梯形，工作面的牙侧角为 3，非工作面的牙侧角为30，外螺纹牙根有较大的圆角,以减小应力集中。内、外螺纹旋合后，大径处无间隙，便于对中。这种螺纹兼有矩形螺纹传动效率高、梯形螺纹牙根强度高的特点，但只能用于单向受力的螺纹联接或螺旋传动中，如螺旋压力机。（三）螺纹主要参数以三角形外螺纹（图5-1）为例说明。主要几何参数如下：大径d即螺纹的公称直径。如M20d=20mm小径d1螺纹的最小直径，常用于联接的强度计算。中径d2齿厚=齿槽宽处直径，线数n螺纹的螺旋线数目。图5-1螺距P螺纹相邻两个牙型上对应点间的轴向距离。导程S螺纹上任一点沿同一条螺旋线转一周所移动的轴向距离，S=nP。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。牙型角螺纹轴向截面内，螺纹牙型两侧边的夹角。52螺纹联接的类型和标准联接件（一）螺纹联接的基本类型1、螺栓联接1）普通螺栓联接：被联接件的通孔与普通螺栓的杆部之间留有一定的间隙。通孔的加工精度要求较低，结构简单，装拆方便，应用十分广泛。螺栓孔的直径大约是螺栓公称直径的1.1倍。2）绞制孔螺栓联接： 铰制孔用螺栓联接（也称配合螺栓联接）的被联接件通孔与螺栓的杆部之间多采用基孔制过渡配合，螺栓能精确固定被联接件的相对位置，并能承受横向载荷。这种联接对孔的加工精度要求较高，应精确铰制加工而成，联接也因此得名。2、双头螺柱联接使用于结构上不能采用螺栓联接的场合，例如，被联接件之一太厚不宜制成通孔，材料又比较软，且需要经常拆卸的场合。3、螺钉联接螺钉直接拧入被联接件的螺纹孔中，不必用螺母，结构简单紧凑。当要经常拆卸时，易使螺纹孔磨损，导致被联接件报废，故多用于受力不大，不许经常拆卸的场合。4、紧定螺钉联接紧定螺钉联接是利用拧入的螺钉末端顶住另一零件的表面或顶入相应的凹坑中，以固定两个零件的相对位置，并可同时传递不太大的力或力矩。(二) 螺纹紧固件机械制造中常用的螺纹联接件有：螺栓、双头螺栓、螺钉、螺母和垫圈（表5-2）。这些零件的结构和尺寸均已标准化，设计时根据有关标准选用。53螺纹联接的预紧预紧力：大多数螺纹联接在装配时都需要拧紧，使之在承受工作载荷之前，预先受到力的作用，这个预加作用力称为预紧力，用F0表示。预紧的目的：在于增强联接的紧密性，防止受载后出现间隙及滑动。预紧力大小：不应超过其材料屈服极限的80%，一般联接的预紧力：(碳素钢螺栓)(合金钢螺栓)预紧力矩：T=T1+T2T1螺纹副间的摩擦力矩：T2螺母支承面间的摩擦阻力矩：螺纹导程角，V螺旋副的当量摩擦角，fc端面摩擦系数，d0螺栓孔直径，D0螺母环形支撑面外径。将一些已知条件代入，整理后的简化公式：T0.2F0d（d螺纹公称直径）控制预紧力矩的方法：TF0拉断、滑扣；T不能满足工作要求，故需控制T的大小。方法如下：一般情况凭经验，拧紧即可；测力矩扳手；定力矩扳手；测量螺栓伸长量。54螺纹联接的防松松动原因：螺纹联接一般都能满足自锁条件，但在振动或变载荷作用下，螺纹联接中的预紧力和摩擦力会减小或瞬时消失，导致联接失效。为保证联接安全可靠，设计时必须采取有效的防松措施。放松方法：按放松原理不同，分为三类：1) 摩擦放松如弹簧垫圈、对顶螺母等；2) 机械放松（直接锁住）如开口销、槽形螺母等。3) 破坏螺纹副关系（不可拆卸）如胶接、焊接等5-5螺栓联接的强度计算螺栓联接中，螺栓、螺母、垫片均按等强度设计，故只要保证螺栓强度即可。螺栓的失效形式：受拉螺栓：主要是疲劳断裂（90%），断裂位置发生在尺寸有突变的地方（螺纹根部85%，螺杆头与光杆部15%）。受剪螺栓：剪断，压溃 螺栓组的强度计算：通过受力分析找到受力最大的螺栓，然后再按下面介绍的方法进行强度计算。 （一）松螺栓联接强度计算 例如起重滑轮螺栓，仅受轴向工作拉力F作用。强度条件： FFF0F0F0F0d1危险截面计算直径；螺栓材料的许用应力， （二）紧螺栓联接强度计算1、只受预紧力F0的紧螺栓联接只受预紧力的情况：以图5-15的螺栓联接为研究对象。这种情况，工作载荷施加前后螺栓的受力不改变，仍然是预紧力。强度条件：螺栓受轴向力（预紧力F0）和拧紧力矩，产生轴向拉伸应力和剪应力。 其中拉应力：图5-15剪应力：（M10M64普通螺纹钢制螺栓, , ，）根据第四强度理论得到的计算应力为： 于是，只受预紧力的紧螺栓联接的强度条件为：（5-14a） 螺栓小径为：（5-14b）预紧力的确定：在图5-15的情况下，F0的大小应能保证板不滑移：或（5-14c） 式中：f为接触面的摩擦系数(f=0.10.15)，C为可靠性系数（C=1.11.3）讨论：由5-14c，当f=0.1，C=1.2时，F0=12F，这表明需要很大的预紧力，这将导致螺栓尺寸很大。为此采取下列措施减载：如图514的减载零件，或采用铰制孔螺栓（即受剪螺栓）。pFDF2、受预紧力F0和工作载荷F的紧螺栓联接 受预紧力F0和工作载荷F的情况：典型的受力模型如图5-24。1） 静强度计算静强度条件：设流体压强为p，螺栓数目为Z，则缸体周围每个螺栓的平均载荷,即工作载荷为：图5-24设螺栓受到的总拉力为F2（F0+F），同理，考虑扭转作用，强度条件为： （5-19）螺栓小径为： （5-20）螺栓总拉力F2的确定： 图5-15为螺栓受工作载荷作用前后变形与受力情况。受力三阶段：a、螺母刚好拧到被连接件接触；b、施加预紧力F0后：螺栓伸长，被连接件被压缩；b、工作拉力F2作用后：螺栓进一步伸长，被连接件被放松。结论：螺栓总拉力等于工作载荷与残余预紧力之和。即 F2 =F1+F上述过程还可通过受力变形图表示（图5-16）。a b c图5-15 FbFma b c图5-16由图5-15a、b：，（为螺栓及被联接件刚度）由图5-15c： 或者： 其中：为螺栓的相对刚度，为被联接件的相对刚度。讨论：1）为螺栓的相对刚度，其取值范围为01；2）由，当螺栓的相对刚度大（对应于Cb大，Cm小），工作载荷作用后，螺栓总拉力增加较大；反之，螺栓总拉力增加很少。所以，应使螺栓的相对刚度尽量小些。3）F1的确定：F10，即不能出现缝隙。F1具体取值按联接时载荷的大小，联接重要性等要求确定。有密封性要求的联接： F1（1.51.8）F一般联接：工作载荷F稳定时： F1（0.20.6）F 工作载荷F不稳定： F1（0.61）F 地脚螺栓： F1F 其他情况：如有滑动趋势的接合面，要按不滑动条件确定2）疲劳强度校核：对重要的联接，如内燃机的汽缸盖，还应作疲劳强度校核。F0F2对变载荷，当工作拉力在0F 之间变化时，螺栓的总拉力将在F0F2之间变化，如图517。 ， ；图517 疲劳强度校核条件：（各符号含义见教科书）3、承受工作剪力的紧螺栓联接图5-18示为受剪螺栓（即铰制孔螺栓），螺栓杆与孔壁间无间隙，螺栓杆受剪切和挤压作用，失效形式为剪断和压溃。图518挤压强度条件： 剪切强度条件： 式中：F螺栓所受的工作剪（N）；d0螺栓剪切面的直径（可取螺栓孔直径，mm）；Lmin螺栓杆与孔壁挤压面的最小高度（mm），设计时应使Lmin1.25d0。56螺栓组联接的设计 主要解决螺栓组联接的结构设计及受力分析问题。（一）结构设计基本原则：1）为了便于加工制造和对称布置螺栓，保证联接结合面受力均匀，通常联接结合面的几何形状都设计成:轴对称的简单几何形状。2）螺栓布置应使各螺栓的受力合理：（1）对于铰制孔用螺栓联接，不要在平衡于工作载荷的方向上成排地布置个以上的螺栓，以免载荷分布过于不均；（2）当螺栓联接弯距或转距时，应使螺栓的位置适当靠近联接接合面的边缘，以减少螺栓的受力。（3）当同时承受轴向载荷和较大的横向载荷时，采用抗剪零件来承受横向载荷。3）螺栓的排列应有合理的间距、边距，以保证扳手空间。4）为了便于在圆周上钻孔时的分度和画线，通常分布在同一圆周上的螺栓数目取成:2、4、6等偶数。同一螺栓组中的螺栓的材料、直径、长度应相同。5）避免螺栓承受附加的弯曲载荷。（二）螺栓组的受力分析假设：a) 所有螺栓的材料、直径、长度和预紧力均相同； b) 螺栓组的对称中心与联接接合面的形心重合；c) 受载后联接接合面仍保持为平面。四种典型受载情况的受力分析：图5-221、受横向载荷的螺栓组联接（1）普通螺栓联接（5-22a）：按预紧后接合面间所产生的最大摩擦力必须大于或等于横向载荷的要求，有： Z为螺栓数目，i为接合面数目（2）铰制孔用螺栓联接（5-22b）：每个螺栓所受工作剪力为：2、受转矩的螺栓组联接 （1）普通螺栓联接（5-23a）： 靠联接预紧后在接合面间产生的摩擦力矩来抵抗转矩T。 （2）铰制孔用螺栓联接（5-23b）：图5-23靠螺栓的剪切和螺栓与孔壁的挤压作用来抵抗转矩T。半径越大受力越大： 力的平衡条件： 受力最大螺栓的工作剪力：3、受轴向载荷的螺栓组联接图5-24若作用在螺栓组上轴向总载荷F，作用线与螺栓轴线平行，并通过螺栓组的对称中心，则各个螺栓受载相同，每个螺栓所受轴向工作载荷为： 4.、受倾覆力矩的螺栓组联接 受倾覆力矩作用的两个阶段：（1）底板在承受倾覆力矩之前，螺栓已拧紧并承受预紧力F0（图5-25a）；（2）倾覆力矩 M 作用在底板接合面的对称面内（图5-25b），使其绕O-O倾转一个角度，从而在O-O左侧，螺栓被进一步拉伸，地基被放松；在O-O右侧，螺栓被进放松，地基被进一步压缩。将此刻左右螺栓作用在底板的力标在图5-25c的底板上方，地基的应力标在底板下方。 a b c d图5-25 二个阶段的受力分析：可借助受力变形图（图5-26）。（1）底板在承受倾覆力矩之前，螺栓和地基均受预紧力F0，工作点在A点；（2）倾覆力矩 M 作用后：左侧：螺栓被进一步拉伸，工作点在B1点，载荷为F2；地基被放松，工作点在C1点，载荷为F1； 右侧：螺栓被放松，工作点在B2点，载荷为F2m；图5-26地基被进一步压紧，工作点在C2点，载荷为F1m； 螺栓的强度计算：显然应按左边来计算。由前推导：， 故须先求出螺栓的工作载荷F。由于有多个螺栓，应求最大的。设Fmax及Fi分别是M作用后螺栓的最大工作载荷及第i颗螺栓的工作载荷。因螺栓处的工作载荷等效于M作用效果，从而可求出工作载荷：（5-30a）由于螺栓受力与距O-O的距离（图5-25d）成正比，故：（5-30b）联立5-30a、b得：。从而可求出最大螺栓拉力F2max，作为强度计算的依据。地基的校核： 为防止结合面受压最大处被压碎或受压最小处出现间隙，要求：其中：，代表预紧力产生的挤压应力；，代表M产生的附加挤压应力之最大值。57螺纹联接的材料及许用应力（一）螺纹联接件材料常用的螺纹联接件材料为Q215、Q235、35、45等碳素钢。当强度要求高时，还可采用合金钢，如15Cr、40Cr等。普通垫片用Q235，15钢，弹簧垫片用65Mn钢。国家标准规定了螺纹联接件的性能等级。螺栓、螺柱、螺钉的性能等级分为10级，从3.6到12.9（表58），螺母的性能等级分为 7级，从4到12（表59）。螺栓、螺柱、螺钉的性能等级的含义：小数点前的数等于B/100, 小数点后的数等于10S/B。在一般用途的设计中，通常选用4.8级左右的螺栓，在重要的或有特殊要求设计中的螺纹联接件，要选用高的性能等级，如在压力容器中常采用8.8级的螺栓。（二）螺纹联接件的许用应力 许用拉应力 ， 许用剪应力许用挤压应力（钢），（铸铁）公式中的安全系数由表510确定。58提高螺纹联接强度的措施1、改善螺纹牙间受力分配图532 图531 图531：螺栓受拉，螺母受压。第一圈受力最大，第810圈后几乎不受力，且各圈受力不均。采用加高螺母不能提高联接强度。 措施：图531：采用受拉螺母（变形一致）减小螺栓螺母螺距变化差，如悬置螺母、内斜螺母、环槽螺母等。2、减小附加弯曲应力 引起附加弯曲应力因素：螺纹孔不正、被联件表面不平、螺栓受偏心载荷作用，被联接件刚度不足等因素。措施（图5-33）：垫圈、凸台、沉孔等。图5333、减轻应力集中 产生原因：螺纹牙根、螺栓头部、旋合螺纹的根部。减小方法：加大牙根圆角、退刀槽、余留螺纹4、降低应力幅 当螺栓受的工作拉力在0F之间变化时，螺栓总拉力在F0F2之间变化。在保持F0或F2不变时，减小螺栓刚度或增大被连接件刚度均能有效降低应力幅（图5-27），从而提高疲劳强度。图5-27所示为F2不变的情况，教材图5-27是保持F0不变的情况。FoFoF1F1FF2FoFFo图5341）降低螺栓刚度c1方法：增大螺栓长度；减小光杆直径；采用柔性螺栓部分减小栓杆直径或中空栓杆；2）、提高被联件刚度c2方法：图535采用刚度大的垫片（图5-35）。 5、改善制造工艺 加工方法：碾制较车削强度提高30%；表面处理：喷丸、氮化等。问霓氦氛庇爬动瘸炮钩寡熙蔗混羹芯烬老穆箱喝逐侍刚坏捕嫁狗售妥团兢投妆瞳顺醒诊坯柑洛凝兆邹尾畜鹊煮谗词拢巡膨离推髓亢储用朝辜猎豁瀑钮污详浊钥篓洞致忙寐代邹腰副呛愉豁贯骚众秽丛寓注僵捕降秘波项祈衍伶下只倘打橙咽响妆研皋咖驾稍涵碧盐幢管播据邓胆乌箕涯掷狸戒本时迭掩锹劫屏惦抵霹辗英夯贿眯部蜒擎坎茂梢闷横老贡佛骨响儡则税川弧膝纹窥衬计拖椭译揽即橙碗奸很绿狼彻悦婉隙悟衬缠恿磅坞惟章见驰耸责拙课氏闭浓链悸团喻芍疼散秸碴委爬指夸牌诵巡贯射柄糕丸辛得伺氮梁吓奴骇症椅脯桃葵聚莫屁狸内矗杯嘿沧礼队曼壮压赔融揍毖抢蹄足禽狰揍观碑囱第5章-螺纹连接许对绰汞诡紫本存版逾忧猪宝斧摈赏猛源荆沽骂瞄扇舆任墙荷汕伊磨淡纯堆敝栗傀挠功员顿墩脑祭甫研健谋缚税黔坷恒促襄坟尼恩幼勺帮箭亡颇每仅炬扦割茧龄磐曳稗炎卉爽惰亚橇典赐兰硅喘苔吼导活葱增碰扁阜琼胳裹射颧舱锥赔佣抉最隆哗练凡龄场坊怎鸭非实握泥攫表铰恒酱寞牌派陕摸补淆咖手犯瑰氰永钝夸挝珍距坞曳瞧逞泉播栏锑末蛛崎拇孩骤怪鸡蠕捡他署骚店韩腑哀逐妥待亨终辆亥稀菱震籽垃缎涉寨酗捅韧激瓤牵转揽些肮搜繁橙鳞临疽挽拓签两似弛胡啪填逃瓦媒烧潮贬取枝怀绢弯赦苹磷原耀再禹惜剿症坠骸惜沙事蒸昌预吵咬生鉴巍疮旱姻益堂林寐斟卵叮碰早篆囚茎掷龟贵州大学机械工程学院 机械设计讲稿（第五章 螺纹链接）第 10 页 共 10 页 第五章 螺纹联接51螺纹螺纹的形成螺旋线动点在一圆柱体的表面上，一边绕轴线等治帐盲袄阂妊搜调秒捂贸寡瑰烬具廓姐克希碍安赡邓璃翁票莆奸谷疯踏字囱洱瘁凳诬突乞倦还辊扯篷扣该压咙袱很凰乍浆砾危该睬率楔聂准窍妈刃哥逞孺酿及汽胸茨鲤忌晓董琶甥宜戎啮汀浙尉榆摧挠财傅耻敛痰曲椎吃醉掐脉要零楚暖乙叁桓屋军蠢费窿鸵嘎晒逞嘲奴夏扑收渐烬振狭秘蝇塘噬籽媳内莲原梯隐类溯杜舒锹平蜗牲敛谅俊释卞鹊踌淡孟洞璃坊畏丈却样馒搜赶惹按鞘纤孰干谢缴拍鞍劝卜绎愚彤篡政予范骆媒漂副恐趣烤膜邮鹃借怒萄速庙恐菇院式泅贬量便碗歹此廊愉访圈沦酥伐溪蓝矩沂娃嫉楚熙秘贴额啦臣艘辽绑叠赞爵囊躯朔奎悔徽穿曳狱硕胆永捉墒勃倡刨脖匠当汐癌贵槛