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1、第11章 螺纹联接,一、螺纹的形成,螺纹连接是利用具有螺纹的零件构成的可拆式连接。,111 螺纹,1.按位置： 内螺纹在圆柱体的内表面形成的螺纹； 外螺纹在圆柱体的外表面形成的螺纹； 2.按牙型: 三角形螺纹(普通螺纹、管螺纹)用于联接；螺纹牙型角较大传动效率低 矩形、梯形、锯齿形螺纹用于传动； 三角形螺纹： 粗牙螺纹用于一般连接； 细牙螺纹同样的公称直径下，螺距较小，自锁性好，适于薄壁细小零件和冲击变载等。 3.根据螺旋线绕行方向： 左旋螺纹 右旋螺纹 旋向判断:,二、螺纹的类型,轴线垂直放，右边高右旋 左边高左旋,4.根据螺旋线头数： 单头螺纹（n=1）用于联接 双头螺纹（n=2）用于传动
2、 多线螺纹（n2）用于传动,机械制造常用螺纹,1）大径d与螺纹牙顶相重合的假想圆柱面直径，亦称公 称直径；10mm螺丝 2）小径d1 与螺纹牙底相重合的假想圆柱面直径； 3）中径d2 在轴向剖面内沟槽与凸起宽相等处的假想 圆柱面的直径，d20.5(d+d1),三、螺纹的主要参数,4）螺 距 P 相邻两牙在中径圆柱面的母线上对应两点间 的轴向距离； 5）导程 S 同一螺旋线上相邻两牙在中径圆柱面的母 线上的对应两点间的轴向距离； 6）线 数 n 螺纹螺旋线数目，一般为便于制造n4 螺距、导程、线数之间关系：S=nP,7）螺旋升角中径圆柱面上螺旋线的切线与垂直于螺旋 线轴线的平面的夹角： 8）牙型
3、角 螺纹轴向平面内螺纹牙型两侧边的夹角; 9）接触高度h 内外螺纹旋合后的接触面的径向高度，即 螺纹工作高度。,112 螺纹联接的类型及标准联接件,一、螺纹联接主要类型,1、螺栓联接(螺栓一端有螺纹，一端有螺栓头),a) 普通螺栓联接被联接件不太厚，通孔不带螺纹，螺杆穿过通孔与螺母配合使用。装配后孔与杆间有间隙，结构简单，装拆方便，可多次装拆，应用较广。也称受拉螺栓连接。,b)铰制孔螺栓联接装配后无间隙，孔和螺栓采用基孔制过渡配合，主要承受横向载荷，也可作定位用。也称受剪螺栓联接。,3、双头螺柱联接螺杆两端无螺钉头，但均有螺纹，装配时一端旋入被联接件，另一端配以螺母。适于常拆卸而被联接件之一较
4、厚时。拆装时只需拆螺母，而不将双头螺栓从被联接件中拧出。,2、螺钉联接适于被联接件之一较厚（上带螺纹孔），不需经常装拆，一端有螺钉头，不需螺母，适于受载较小情况。,特殊联接：地脚螺栓联接 , 吊环螺钉联接,4、紧定螺钉联接拧入后，利用杆末端顶住另一零件表面或旋入零件相应的缺口中以固定零件的相对位置。可传递不大的轴向力或扭矩。,二、螺纹联接件,结构特点、应用场合,113 螺纹联接的预紧和防松,一、预紧,预紧目的增强连接的可靠性和紧密性，防止受载后被连接件间出现缝隙或发生相对滑移。,预紧力的确定原则拧紧后螺纹连接件的预紧应力不得超过其材料的屈服极限s的80%。 碳素钢螺栓：F0=(0.6-0.7)
5、sA1 合金钢螺栓：F0=(0.5-0.6)sA1 A1:螺栓危险截面的面积，A1d124,预紧力 绝大多数螺纹连接在装配时通常都要拧紧，使之在承受工作载荷前预先受到力的作用，这个预加作用力称为预紧力。,预紧力的控制利用控制拧紧力矩的方法来控制预紧力的 大小。,拧紧力矩,T1：螺纹副的摩擦力矩 T2：螺母的承压面间摩擦力矩,T3:螺钉头的承压面间摩擦力矩 T4：夹持力矩,拧紧力矩T：是用以克服螺纹副相对转动的阻力矩T1和螺母支承面上的摩擦阻力矩T2 ，它与预紧力F0间的关系为：,对于M10M64的粗牙螺纹,标准扳手的长度 L=15d,对于重要的连接，应尽可能不采用 直径过小(M12)的螺栓。,
6、三、螺纹防松,1.为什么要防松？ 静载荷：rv(自锁) + 预紧后摩擦力防止松动 动载荷：摩擦力减小、消失不可靠 高温、温度变化大：材料发生蠕变、应力松弛摩擦力减小,2.防松原理 限制螺纹副之间的相对运动，或增大相对运动的难度。,3.防松办法及措施,1)摩擦防松 主要是使螺纹副中有不随连接载荷而变的压力，因而始终有摩擦力矩防止相对转动。压力可由螺纹副纵向或横向压紧而产生。,对顶螺母：适用于低速、平稳、重载的固定装置,弹簧垫圈,自锁螺母螺母一端做成非圆形收口或开缝后径向收口，螺母拧紧后收口涨开，利用收口的弹力使旋合螺纹间压紧。,开口方向：斜向右下方,2）机械防松： 利用便于更换的金属元件(开槽螺
7、母与开口销，止动垫片，串联钢丝等)约束螺纹副。,3）破坏螺旋副关系： 把螺纹副转变为非螺纹副，从而排除相对运动的可能。,点焊,冲点,粘合,11-4 螺栓组联接的设计,工程中螺栓皆成组使用，单个使用极少。因此，必须研究螺 栓组设计和受力分析。它是单个螺栓计算基础和前提条件。 螺栓组联接设计的顺序选布局、定数目、力分析 螺栓组联接受力分析的目的：求出受力最大的螺栓，便于进行 螺栓强度的计算校核。,一、结构设计原则,1、布局要尽量对称分布，螺栓组对称中心与联接结合面形心重合（有利于分度、划线、钻孔），以受力均匀。,圆形,圆环形,矩形,矩形框,三角形,2、螺栓的布置应使各螺栓受力合理,(1) 对于铰制
8、孔用螺栓连接，不要在平行于工作载荷的方向上成排地布置6个以上的螺栓，以免载荷分布过于不均匀。,(2)当螺栓连接承受弯矩或转矩时，应使螺栓的位置适当靠近连接接合面的边缘，以减少螺栓的受力。,不合理,合理,(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，比如减载键、减载销和减 载套筒。,3.螺栓的排列应有合理的间距、边距，以保证扳手空间,同一螺栓组中的螺栓的材料、直径、长度应相同.,5、避免承受附加的弯曲载荷 a）铸、锻件等表面粗糙上安装螺栓(尽量减少加工面) b）支撑面为倾斜时,防偏载措施：a）凸台；b）凹坑（沉头座）；c）斜垫圈,槽钢或工字钢,二、螺栓组受力分析,受力
9、分析时所作假设: (1)所有螺栓的材料、直径、长度和预紧力均相同；,(2)螺栓组的对称中心与连接接合面的形心重合；,(3)受载后连接接合面仍保持为平面。,1、受轴向载荷螺栓组联接,单个螺栓工作载荷为： F=P/Z P轴向外载 Z螺栓个数,各螺栓除承受轴向载荷外，还有预紧力的作用。各螺栓在工作时受到的总拉力不等于外载荷与预紧力之和。,（1）对于铰制孔用螺栓连接，每个螺栓所受工作剪力为,（2）对于普通螺栓连接 ，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,式中,z为螺栓数目。,2受横向载荷的螺栓组连接,Ks为防滑系数，设计中可取Ks =1.11.3。,或,i为接合面数，指参
10、与提供摩擦力的剪切面。,3、受旋转力矩T的螺栓组联接,(1).普通螺栓联接： 1）联接的可靠性：满足条件为 在转矩T的作用下，不产生相对转动。 （ri 螺栓中心与螺栓组形心之间的距离 ） 2）螺栓工作能力计算。,(2).铰制孔螺栓联接 1）联接可靠性：满足条件为,Fs1r1+ Fs2r2+ + Fszrz= T （静力平衡方程）,即Fsi与ri成正比：,变形协调条件：底板视为刚体，ri,剪切变形量 (刚度相同),Fsi,代入工作条件中：,2）工作能力计算,4、受翻转力矩M（倾覆力矩）的螺栓组联接,特点：在M作用下，底板有 绕螺栓组形心轴翻转的趋势。,作用M后：左侧：F拉(不均匀)， 右侧：F压
11、(不均匀) F0,工作条件：,变形协调条件：,其它条件：,讨论：设计时，如何布置螺栓更合理？,远离对称中心,riFmax,左侧不出现缝隙 右侧边缘不压溃,受拉螺栓,受剪螺栓,仅受预紧力F0,同时受预紧力F0和工作载荷F,一、受拉螺栓联接,对于受拉螺栓，其失效形式主要是螺纹部分的塑性变形和螺杆的疲劳断裂以及滑扣。,115 单个螺栓联接的强度计算,1、松联接,如：起重滑轮螺栓,仅受轴向工作拉力F失效：拉断。,强度条件：,MPa 校核式,式中：d1危险截面计算直径,许用应力， = sS，S=1.21.7,查手册，选螺栓,螺纹联接的强度计算2,预紧力引起的拉应力：,螺纹牙间的摩擦力矩引 起的扭转剪应力
12、：,强度条件：,根据第四强度理论， 螺栓在预紧状态下的 计算应力:,2、紧联接,（1）只受预紧力F0的紧联接,1.3系数，将外载荷提高30%，以考虑螺纹力矩对螺栓联接强度的影响，这样把拉扭的复合应力状态简化为纯拉伸来处理，大大简化了计算手续，故又称简化计算法 。,当联接承受较大的横向载荷F时，由于要求F0Ff（f=0.2），即F05F ，因而需要大幅度地增加螺栓直径。为减小螺栓直径的增加，可采用减载措施。,螺纹联接的强度计算3,螺栓受预紧力F0后，在工作拉力F 的作用下，螺栓的总拉力F2 = ?,式中F1为残余预紧力，为保证联接的紧密性，应使 F1 0，一般根据联接的性质确定F1的大小。,（2
13、）受预紧力F0和轴向工作载荷F的紧螺栓联接,问题：1)、螺栓受到外加工作载荷以后如何保证不被拉断？ 2)、压力容器内的气体或液体如何保证不泄露？,当螺栓承受工作载荷后，螺栓所受的拉力由预紧力F0增加到F2；被连接件的压缩力由预紧力F0减至残余预紧力 F1，此时的螺栓总拉力F2等于残余预紧力与工作拉力之和F，即： F2= F+ F1,相对刚度,为使工作载荷作用后，连接结合面间有残余预紧力F1存在，要求螺栓连接的预紧力F0为：,这时螺栓的总拉力为：,讨论：,当F、F0一定时，,为螺栓受力,2、考虑扭转作用，强度条件为：,校核式,特点：螺杆与孔间紧密配合，无间隙，由光杆直接承受挤压和剪切来传递外载荷
14、R进行工作。主要失效形式：螺栓杆被剪断、栓杆或孔壁被压溃。,螺栓的剪切强度条件为：,螺栓与孔壁接触表面的挤压强度条件为：,R 横向载荷（N）， d0螺杆或孔的直径（mm）， Lmin 被联接件中受挤压孔壁的最小长度（mm），如图所示 螺栓许用剪应力，MPa，,，,螺栓或被联接件的许用挤压应力，MPa。考虑到各 零件的材料和受压高度可能不同，应就连接中所有受压 件分别计算，或先判断其中弱者作为计算对象。,二、受剪螺栓联接,1、机理,螺母受压，p,一、改善螺纹牙间受力分配,第一圈：p最大，受力最大 第810圈后几乎不受力,11-6 提高螺纹连接强度的措施, 采用加高螺母不能 提高联接强度。,二、减
15、小附加弯曲应力,螺纹牙根,弯曲应力 ,断裂,螺纹孔不正、被联件表面不平、发生变形等。,引起附加弯曲应力因素：,措施：垫圈、凸台、沉孔等。,思考：采用凸台、沉孔的目的？,三、减轻应力集中,收尾：退刀槽；,增大牙根处过渡圆角半径。,四、降低应力幅a,max 一定时：a疲劳强度,措施： 1）螺栓长度 2）光杆直径,3）采用柔性螺栓,措施：不宜采用刚度小的垫片。,五、改善制造工艺,1、加工方法：碾制较车制强度30%； 2、表面处理：喷丸、氮化等。,2、提高被联件刚度cm,平键、半圆键、楔键、切向键,1、平键连接,1）普通平键 用于静联接，即轴与轮 毂间无相对周向运动。,目的： 键是用来实现轴与轴上零件的周向固定以传递转矩（静联接），或实现轴上零件的轴向固定或轴向移动（动联接 ）。 它是标准件。 分类：,一、 键联接,11-7 其他连接,（2）失效形式：,（1）工作面：两侧面,工作时靠键与键槽侧面的挤压来传递扭矩,构造：两侧面为工作面，上表面与轮毂上的键槽底面之间留有间隙。,毂,键被剪断,特点：结构简单，装拆方 便，对中性好。 应用：适用于高精度、高速 或冲击、变载情况下 的静联接 。 不能承受轴向力及用 于轴向固定。,普通平键分类： 圆头(A型)(常用)周向固定良好；轴上键槽端部应
