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1、第15章 螺纹连接,15-1 概述15-2 螺纹连接15-5 键连接、销连接及型面连接,15-3 螺纹连接的预紧和防松,15-4 螺纹连接的强度计算,15-1 概述,在机械中，许多零件、部件之间以一定的方式组合成一个整体，这就需要使用各种连接。,连接的分类：,1、按连接工作原理的不同分类：,形锁合连接：它是依靠被连接件或附加零件的形状互相嵌合，使其产生连接作用的。如铰制孔用螺栓连接、平键连接、型面连接等。,摩擦锁合连接：它是依靠被连接件的压紧，在接触面间产生摩擦力面阻止被连接件之间的相对运动，从而达到连接的目的，如有横向载荷的普通螺栓连接、过盈配合连接等。,材料锁合连接：在被连接件之间涂敷附加
2、材料，靠其分子间的分子力将零件连接在一起。如胶接、钎焊等。,2、按连接是不可拆分类：,可拆连接：可经多次拆装，拆装时无需损坏连接中的任何零件，且其工作能力不遭受破坏。如螺纹连接、键连接、型面连接等。,不可拆连接：是在拆开连接时，至少损坏连接中的一个零件。如铆钉连接、焊接、胶接等。,一、螺纹的形成、类型, 螺纹的形成,一个与轴线共面的平面图形（三角形、梯形等），绕圆柱面作螺旋运动，则得到一圆柱螺旋体,螺纹。,制在圆柱体外表面上的螺纹叫外螺纹。,制在圆柱体内表面上的螺纹叫内螺纹。,15-2 螺纹连接,2、螺纹分类：一般分法：外螺纹、内螺纹；圆柱螺纹、圆锥螺纹；左旋螺纹、右旋螺纹。按牙型的不同分为：
3、三角螺纹，普通螺纹：效率低，易自锁，多用于连接。矩形螺纹、梯形螺纹、锯齿形螺纹：效率较高，主要用于螺旋传动。管螺纹：主要用于管路的连接。根据螺旋线数目分：单线螺纹（n=1），双线螺纹（n=2），用于连接；多线螺纹（n2），用于传动。一般不超过4。,3、螺纹的主要参数（1）大径d 是螺纹的公称直径，与外螺纹牙顶(或内螺纹牙底)相重合的假想圆柱体的直径。（2）小径d1常用于强度计算，与外螺纹牙底(或内螺纹牙顶)相重合的假想圆柱体的直径。（3）中径d2常用于几何计算，一个假想圆柱体的直径，该圆柱的母线上牙型沟槽和凸起宽度相等。（4）螺距P 相邻两螺纹牙在中径线上对应点间的轴向距离。,线数 n ：螺纹
4、的螺旋线数目。 导程 S ：沿螺纹上同一条螺旋线转一周所移动的轴向距离，S = nP。螺纹升角：中径d2圆柱上，螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面的夹角,如上图 。,牙型角a：在轴向截面内，螺纹牙型两侧边的夹角。牙侧角：在轴向截面内，螺纹牙型一侧边与螺纹轴线的垂线之间的夹角。,4、螺栓连接的基本类型,普通螺栓连接特点：孔与杆间有间隙、被连接件上无需切制螺纹、装拆方便。适用场合：经常装拆的一般场合。,螺钉连接特点：孔与杆间有间隙、被连接件上需切制螺纹、装拆方便。适用场合：被连接件之一较厚，且不常装拆的场合。,双头螺柱连接特点：孔与杆间有间隙、被连接件上需切制螺纹、装拆方便。适用场合：用于被连接件
5、之一较厚、经常装拆的场合。,其他连接地脚螺栓连接、吊环螺栓连接、 T形槽螺栓连接,15-3 螺纹连接的预紧和防松,基本概念预紧：螺纹连接在装配时通常都要拧紧，这种拧紧称之为预紧。紧螺栓连接：装配时预紧的螺栓连接。松螺栓连接：不预紧的螺栓连接。预紧的目的：增加连接的刚度、紧密性，以防止螺纹连接的松脱。拧紧螺母时要克服螺纹副的阻力矩和螺母支承面间的摩擦力矩。对于紧螺栓连接，在装配时都要预紧，预紧的目的在于增强连接的可靠性和紧密性，以防止受载后被连接件间出现缝隙或发生相对滑移。预紧后，螺栓受到的预紧力是通过拧紧力矩获得的。因为预紧力的大小对螺纹连接的可靠性、强度和密封性均有很大的影响，因此对于重要的
6、螺纹连接，应控制其预紧力。,拧紧力矩拧紧力矩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：,式中：rf为支承面摩擦半径， rf(dw+d0)/4，其中dw为螺母支承面的外径， d0为螺栓孔直径(如图所示)。,对于M10M68的粗牙螺纹,预紧F0值的确定：是由螺纹连接的要求来决定的。 为了充分发挥紧固件的工作能力，保证预紧的可靠，拧紧后螺纹紧固件的预紧应力一般可达到材料屈服极限S的5070%，但不得超过S的80。对于一般连接用钢螺栓，预紧力可参考下式确定：,螺纹大径,螺纹危险截面面积,预紧力QP的控制：测力矩板手测出预紧力矩。定力矩板手达到固
7、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。,测力矩扳手,定力矩扳手,螺纹连接的防松1、防松目的（原因）：连接用的三角形螺纹都具有自锁性，在静载荷和工作温度变化不大时不会自动松脱。但是在冲击、振动和变载的作用下，预紧力可能在某一瞬间消失，连接仍有可能松脱。在高温或温度变化较大时，由于温度变形差异等原因，也可能导致连接的松脱。螺栓连接一旦松脱，轻者会影响机器的正常运转，重者会造成重大事故。因此，为了保证连接可靠，必须采取有效的防松措施。,防松原理（防松的实质、根本问题） 防止螺纹副的相对转动。,防松方法螺纹连接防松的方法按工作原理可分为:摩擦防松：,弹簧垫圈,对顶螺母,
8、尼龙圈锁紧螺母,开口销和槽形螺母,圆螺母用带翅垫片,止动垫片,机械防松：,其它：破坏螺纹副关系（铆冲、粘接、焊接），排除了螺母相对螺栓转动的可能。,串联金属丝,自锁螺母,弹簧垫圈防松,（1）、摩擦防松 （保证螺纹副间有足够的轴向压力和摩擦力矩） 对顶螺母，弹簧垫圈 。 结构简单、使用方便。,对顶螺母防松,（2）、机械防松,开口销与开槽六角螺母,止动垫圈,（在联接中加入其它机械元件) 开口销、止动垫圈等。 适用于冲击振动载荷，重要场合使用，成本高。,焊接 铆冲,（3）、永久防松,螺纹联接中螺栓联接最具典型性。主要讨论螺栓组联接，单个螺栓联接的强度计算是螺纹联接设计的基础。,螺栓受力,横向受拉（普
9、通螺栓）,横向受剪切（铰制孔用螺栓）,螺栓杆螺纹部分发生断裂,螺栓杆剪断或者孔壁发生压溃,主要失效方式,实际工程应用中，普通场合，螺栓直径的选择用类比法或经验法重要场合，必须根据强度条件进行选用计算。,设计准则：针对具体的失效形式，通过对螺栓的相应部位进行相应强度条件的设计计算（或强度校核）。,螺栓联接的计算主要是确定螺纹小径d1,然后按照标准选定螺纹的公称直径（大经）d等。,15-4 螺纹连接的强度计算,如图所示为普通螺栓连接，仅受预紧力的紧螺栓联接结合面的摩擦力来承受横向载荷F，防止被联接件错动。,保证联接面不滑移的螺栓预紧力,强度条件,摩擦系数,螺栓数,接合面数,可靠性系数,1、受横向载
10、荷的紧螺栓连接,如图所示为铰制孔用螺栓连接来承受外载荷。由于螺栓杆与孔为过渡配合，外载荷靠螺栓杆的剪切和螺栓杆与被连接件的挤压来传递。,螺栓杆与孔壁的挤压强度条件为：,螺栓杆的剪切强度条件为：,式中：F螺栓所受的横向外载荷，单位为N；ds螺栓剪切面的直径（可取螺栓孔直径），单位为mm；螺栓杆与孔壁挤压面的最小高度，单位为mm；设计时应使 1.25ds z 工作螺栓的数目； i 螺栓受剪面的数目。,2、受轴向载荷的紧螺栓连接,受力分析 如右图所示的气缸盖螺栓连接, 即承受轴向外载荷的紧螺栓连接。未拧紧时, 螺栓与被连接件皆不受力。 拧紧后, 螺栓受预紧力 , 而被连接件则受预紧压力 的作用, 且
11、产生压缩变形 。当气缸内通入气体后, 螺栓又受到轴向外载荷F的作用, 由于螺栓中总拉力由 增至FQ, 螺栓比预紧状态时增加伸长变形2, 被连接件则要回弹变形2。 由于被连接件压缩变形量减小, 故其所受压力将减小, 不是原来的预紧力 了, 而变成减小后的剩余预紧力 , 由此可知, 螺栓受轴向载荷F后, 螺栓所受的总拉力为:,或,螺栓危险截面的拉伸强度条件为:,对于有密封性要求的联接，一般联接，工作载荷稳定时： 工作载荷不稳定时：,为保证联接的紧密性，应使 0，一般根据联接的性质确定 的大小。,例1.如图所示，凸缘连轴器，4个材料为Q235的M12螺栓联接，传递转距T=0.9106Nmm，螺栓中心
12、所在圆直径D=150mm，连轴器材料为HT300, b300MP，凸缘厚h15mm。分别采用普通螺栓联接和铰制孔，分析螺栓直径选择合适与否。,（4）确定许用拉应力 螺栓材料为Q235的M12，s=235MPa,S=3, = s/S=78.3MPa 查机械手册，M12螺栓小径d110.106mm。1.3424103/ （10.1062）388.96 = 80故强度不足,解 : 1. 采用普通螺栓联接 （1）普通螺栓的主要失效形式为螺纹部分断裂失效。（2）螺栓受力分析 即螺栓的横向工作载荷 F=2T/D=20.9106/150=12103N （3）普通螺栓联接，靠预紧力产生的摩擦力来传递横向力，其
13、预紧力 ，其中结合面i1，螺栓个数z4，结合面摩擦系数f0.15，可靠系数Ks1.2。,2. 采用铰制孔用螺栓联接（1）铰制孔用螺栓的主要失效形式为剪切和挤压失效。（2）螺栓受力分析 螺栓所受的横向工作载荷F12103N,小结：通过以上两种情况的分析和计算，可以看出，虽然受到的外载荷相同，但由于螺栓联接的类型不同，单个螺栓的受力情况会有很大差异，致使所选螺栓直径相差很大。为了避免采用普通螺栓时螺栓直径太大的缺点，可采用减载装置，来传递横向力，这样所需的预紧力较小，不但减小了螺栓直径，使结构紧凑，而且工作可靠。因此在机械设计中，结构设计的优劣必须给予足够重视。 其不同之处在于：普通螺栓联接，靠预
14、紧力产生的摩擦力来传递横向力。,（4）计算；机械手册查铰制孔用螺栓M12受剪处直径ds13mm，查表螺栓杆与孔壁挤压面最小高度=h315312mm。,（3）求许用切应力和许用挤压应力,例2 已知汽缸工作压力p=1.2Mpa，汽缸内径D2=250mm，螺栓数目z=12，采用铜皮石棉垫。试计算汽缸盖螺栓直径。拧紧时控制预紧力。,解：1.汽缸盖受气体压力： P=pD22/4=1.23.142502/4=58875 (N),2.单个螺栓工作载荷：F=P/z=58875/12=4906.25(N)3. 螺栓所受总拉力FQ=F+FP =2.74906.25=13246.88(N)4.选择螺栓材料，计算需用
15、应力查表，选择Q215,屈服极限s=215Mpa ，安全因数S1.4，许用应力=s/S=215/1.4= 153.57(Mpa),5 .确定螺栓小径：,查标准，取M16，其d113.8411.95，其公称直径16mm。,三、设计螺栓连接的几个问题,1、螺栓材料的许用应力,对于受拉螺栓，其许用应力为,对于铰制孔用螺栓连接，其许用应力为,为螺栓材料的屈服极限（MPa）；S为安全系数，松螺栓连接，S=1.21.7；紧螺栓连接， S=1.21.5，不控制预紧力时，S查表11-4。,为螺栓材料的屈服极限（MPa）； 为安全系数，静载荷时， =2.5；紧螺栓连接， =3.55。,被连接件为钢时:,被连接件为铸铁时:,2、螺栓组联接的结构分析,1）联接接合面的几何形状通常都设计成轴对称的简单几何形状，如圆形，环形，矩形，框形，三角形等。这样不但便于加工制造，而且便于对称布置螺栓，使螺栓组的对称中心和联接接合面的形心重合，从而保证接合面受力比较均匀。,2）如果同时承受轴向载荷和较大的横向载荷时，应采用销，套筒，键等抗剪零件来承受横向载荷，以减小螺栓的预紧力及其结构尺寸,
