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,,第五章 螺纹联接与螺旋传动,§5.1 螺 纹,如用一个三角形K沿螺旋线运动并使K平面始终通过圆柱体轴线YY-这样就构成了三角形螺纹同样改变平面图形K，可得到矩形、梯形、锯齿形、管螺纹,一、螺纹的形成,(Bolt Connections and Screw),按牙型: 三角形螺纹、管螺纹 —— 联接螺纹 矩形、梯形、锯齿形螺纹 —— 传动螺纹 按位置： 内螺纹 —— 在圆柱孔的内表面形成的螺纹 外螺纹 —— 在圆柱孔的外表面形成的螺纹 三角形螺纹： 粗牙螺纹——用于紧固件 细牙螺纹——同样的公称直径下，螺距最小，自锁性好，适于薄壁细小零件和冲击变载等,二、螺纹的类型,具体见表5-1,根据螺旋线绕行方向： 左旋——如图 右旋——常用 根据螺旋线头数： 单头螺纹（n=1）——用于联接 双头螺纹（n=2）——如图 多线螺纹（n≥2）——用于传动,1）外径（大径）d（D）— 与外螺纹牙顶相重合的假想圆柱面直径，亦称公称直径 2）内径（小径）d1(D1) — 与外螺纹牙底相重合的假想圆柱面直径 3）中径d2 — 在轴向剖面内牙厚与牙间宽相等处的假想圆柱面的直径，d2≈0.5(d+d1),三、螺纹的主要参数,4）螺距 P (pitch) — 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 L (lead) — 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n≤4,螺距、导程、线数之间关系：L=n P,7）螺旋升角ψ (lead angle) — 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）牙型角α (thread angle) — 螺纹轴向平面内螺纹牙型两侧边的夹角 9）牙型斜角β — 螺纹牙的侧边与螺纹轴线垂直平面的夹角,螺旋副的自锁条件为：,螺旋副的传动效率为：,克服轴向力Q匀速上升所需的圆周力：,三、受力关系、效率、自锁,导出,,所需的圆周力矩：,,,,§5.2 螺纹联接的类型及螺纹联接件,1、螺栓(bolt)联接,a) 普通螺栓联接——被联接件不太厚，螺杆带钉头，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，并在工作中不许消失，结构简单，装拆方便，可多个装拆，应用较广b) 铰制孔螺栓联接——装配后无间隙，主要承受横向载荷，也可作定位用，采用基孔制配合铰制孔螺栓联接,2、双头螺柱联接 — 螺杆两端无钉头，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厚时折装时只需拆螺母，而不将双头螺栓从被联接件中拧出3、螺钉(screw)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,,,2）双头螺柱——两端带螺纹 A型——无退刀槽 B型——有退刀槽,,1）螺栓 普通螺栓 ——六角头，小六角头，标准六角头，大六角头, 内六角 铰制孔螺栓——螺纹部分直径较小,4）紧定螺钉 锥 端——适于零件表面硬度较低不常拆卸常合 平 端——接触面积大、不伤零件表面，用于顶紧硬度较大的平面，适于经常拆卸 圆柱端——压入轴上凹抗中，适于紧定空心轴上零件的位置轻材料和金属薄板,3）螺钉 与螺栓区别——要求螺纹部分直径较粗;要求全螺纹,6）螺母（nut) 六角螺母：标准，扁，厚,5）自攻螺钉——由螺钉攻出螺纹,圆螺母+止退垫圈——带有缺口，应用时带翅垫圈内舌嵌入轴槽中，外舌嵌入圆螺母的槽内，螺母即被锁紧,7）垫圈(washer),,§5.３ 螺纹联接的预紧和防松,一、预紧,预紧目的——保持正常工作。
如汽缸螺栓联接，有紧密性要求，防漏气，接触面积要大，靠摩擦力工作，增大刚性等 增大刚性——增加联接刚度、紧密性和提高防松能力 预紧力F0——预先轴向作用力（拉力）,螺纹联接：松联接 — 在装配时不拧紧，只存受外载时才受到力的作用 紧联接 — 在装配时需拧紧，即在承载时，已预先受力，预紧力F0,预紧过紧——预紧力F0过大，螺杆静载荷增大、降低本身强度 过松——预紧力F0过小，工作不可靠,拧紧时螺母：T = T1 + T2 T——拧紧力矩 T1——螺纹摩擦阻力矩 T2——螺母端环形面与被联接件间的摩擦力矩,一般：碳素钢螺栓：,合金钢螺栓：,扳手拧紧力矩——T = F · L,F—作用于手柄上的力，L——力臂,,一般 K = 0.1 ~ 0.3,由于直径过小的螺栓，容易在拧紧时过载拉断，所以对于重要的联接不宜小于M12,一般L = 15 d ， 则F0 =（150 ~ 50）F,若F = 200 N ， F0 =（30000 ~ 10000）N,预紧力F0的控制： 测力矩板手——测出预紧力矩，如左图 定力矩板手——达到固定的拧紧力矩T时，弹簧受压将自动打滑 测量预紧前后螺栓伸长量——精度较高,1、防松目的 实际工作中，外载荷有振动、变化、材料高温蠕变等会造成摩擦力减少，螺纹副中正压力在某一瞬间消失、摩擦力为零，从而使螺纹联接松动，如经反复作用，螺纹联接就会松驰而失效。
因此，必须进行防松，否则会影响正常工作，造成事故,2、防松原理 消除（或限制）螺纹副之间的相对运动，或增大相对运动的难度1）摩擦防松,双螺母、弹簧垫圈、 尼龙垫圈、自锁螺母等,二、螺纹防松,3、防松办法及措施,弹簧垫圈,自锁螺母 — 螺母一端做成非圆形收口或开峰后径面收口，螺母拧紧后收口涨开，利用收口的弹力使旋合螺纹间压紧,2）机械防松： 开槽螺母与开口销，圆螺母与止动垫圈，弹簧垫片，轴用带翅垫片，止动垫片，串联钢丝等,3）永久防松：端铆、冲点、点焊 4）化学防松——粘合,开槽螺母 与开口销,圆螺母 与止动垫圈,串联钢丝,§5.４ 单个螺栓联接的强度计算,针对不同零件的不同失效形式，分别拟定其设计计算方法，则失效形式是设计计算依据和出发点1、失效形式和原因,受拉螺栓——螺栓杆和螺纹可能发生塑性变形或断裂 受剪螺栓——螺栓杆和孔壁间可能发生压溃或被剪断,b）失效原因：应力集中,a）失效形式,工程中螺栓联接多数为疲劳失效,受拉螺栓：设计准则为保证螺栓的疲劳拉伸强度和静强度 受剪螺栓：设计准则为保证螺栓的挤压强度和剪切强度,应力集中促使疲劳裂纹的发生和发展过程,2、设计计算准则与思路,、松螺栓联接,如吊钩螺栓，工作前不拧紧，无F0，只有工作载荷F 起拉伸作用,强度条件为：,—— 验算用,—— 设计用,d1 — 螺杆危险截面直径（mm） [σ] — 许用拉应力 N/mm2 (MPa),二、紧螺栓联接——工作前有预紧力F0,工作前拧紧，在拧紧力矩T作用下：,预紧力F0→产生拉伸应力σ,螺纹摩擦力矩T1→产生剪应力τ,复合应力状态:,接第四强度理论：,∴ 强度条件为：,,,式中：F0 — 预紧力（N） T1 — 螺纹摩擦力矩，起扭剪作用，又称螺纹扭矩，N.mm 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,1、横向载荷的紧螺栓联接计算——主要防止被联接件错动,特点：杆孔间有间隙，靠拧紧的正压力(F0)产生摩擦力来传递外载荷，保证联接可靠(不产生相对滑移)的条件为：,（1）普通螺栓联接,f ——接缝面间的摩擦系数 i——接缝界面数目 KS——防滑系数（可靠性系数） KS=1.1~1.3,强度条件验算公式：,设计公式：,分析：由式 可知，当f=0.2, i=1, KS=1 则F0=5F，说明这种联接螺栓直径大，且在冲击振动变载下工作极不可靠,为增加可靠性，减小直径，简化结构，提高承载能力 可采用如下减载装置： a)减载销 b)减载套筒 c)减载键,2、铰制孔螺栓联接——防滑动,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F进行工作,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：,F — 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 [τ] — 螺栓许用剪应力，MPa，,— 螺栓或被联接件中较弱者的许用挤压应力，MPa,铰制孔螺栓能承受较大的横向载荷，但被加工件孔壁加工精度较高，成本较高,2、轴向载荷紧螺栓联接强度计算,工作特点： 工作前拧紧，有F0； 工作后加上工作载荷F; 工作前、工作中载荷变化,工作原理：靠螺杆抗拉强度传递外载F,解决问题： a) 保证安全可靠的工作，F0=？ b) 工作时螺栓总载荷， F2=？,分析：,螺母未拧紧 螺栓螺母松驰状态,,拧紧 — 预紧状态 凸缘—压—λm — F0 ， 栓杆—拉—λb → F0,F0,F0,F0,F0,栓杆—继续拉—,凸缘— 放松 —,F2 — 单个螺栓总载荷,变形协调条件：,凸缘→压力减量,变形缩小Δλm,栓杆→拉力增量,变形增大Δλb,变形协调条件 —,作图，为了更明确以简化计算（受力变形图） 设：材料变形在弹性极限内，力与变形成正比,单个紧螺栓联接受力变形图,凸缘受力变形图,F0,F0,从图线可看出，螺栓受工作载荷F时，螺栓总载荷：,将上两图合并，并施加工作载荷F,∴由图可知，螺栓刚度：,被联接件刚度：,——称螺栓相对于联接的刚度，称螺栓的相对刚度,ΔF ——部分工作载荷,对残余预紧力的要求，为保证受载后接合面联接的紧密性应使,F1的取法: F1 =（1.5～1.8）F——有密封要求 一般联接 F1 =（0.2~0.6）F 载荷稳定 F1 =（0.6~1.0）F 载荷不稳定 F1 F 地脚螺栓联接,,讨论：,１） 最不利的情况,２） 最理想的情况,３）为联接紧密、不漏气，要求,４）降低螺栓受力的措施：,a) 必须采用刚度小螺栓（空心、加长、细颈） b) 加硬垫片或直接拧在凸缘上均可提高强度,6）计算时可根据已知条件选择其一进行计算,a）轴向静力紧螺栓联接强度计算,静力F不变，F2为静力，但考虑补充拧紧——防断,强度条件: 验算公式：,设计公式：,b）轴向变载荷紧螺栓联接强度计算,分析：当工作载荷，由0→F,螺栓总载，由F0→F2 →F0,,应力幅：,3、当验算不满足时→措施：,b) 最好改善结构、降低应力集中。
包括：工艺、结构、制造、Cm↑Cb↓，适当提高F0等综合措施,a),普通螺栓受偏载,,,e)球面垫圈,防偏载措施： a）凸合； b）凹坑（鱼眼坑）； c）斜垫片,§5.5 螺栓组联接的设计与受力分析,工程中螺栓皆成组使用，单个使用极少因此，必须研究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、设计尺寸,一、结构设计原则,二、螺栓组受力分析,4、避免偏心载荷作用 a）被联接件支承面不平突起 b）表面与孔不垂直 c）钩头螺栓联接,一、结构设计原则,1、布局要尽量对称分布，栓组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,2、受剪螺栓组（铰制孔螺栓联接）时，不要在外载作用方向布置8个以上，螺栓要使其受力均匀，以免受力太不均匀，但弯扭作用螺栓组，要适当靠接缝边缘布局，否则受力太不均,3、合理间距，适当边距，以利用扳手装拆,前提（假设）： ①被联接件为刚性不变形，只有地基变形 ②各螺栓材料、尺寸、拧紧力均相同 ③受力后材料变形在弹性范围内 ④接合面形心与螺栓组形心重合，受力后其接缝面仍保持平面,,二、螺栓组受力分析,目的——求受力最大载荷的螺栓,1、受轴向载荷螺栓组联接,单个螺栓工作载荷为：,Z — 螺栓个数,,,2、受横向载荷的螺栓组联接 特点。