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1、第5章螺纹连接和螺旋传动 5 1螺纹 5 2螺纹连接的类型及标准连接件 5 3螺纹连接的预紧 5 5螺纹连接的强度计算 5 7螺栓的材料和许用应力 5 8提高螺栓连接强度的措施 5 9螺旋传动 5 4螺纹连接的防松 5 6螺栓组连接的设计 5 0引言 5 0引言 由于使用 结构 制造 装配 运输等方面的原因 机器中很多零件需要彼此联接 机械零件之间的联接分为 被联接件之间相互完全固定 形锁合 摩擦锁合 材料锁合 被联接件之间能产生一定的相对运动 例如 运动副 静联接 动联接 本课程介绍的联接主要是静联接 联接的类型 螺纹联接 一 螺纹的形成 5 1螺纹 螺旋线 一动点在一圆柱体的表面上 一边绕
2、轴线等速旋转 同时沿轴向作等速移动的轨迹 螺纹 一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 螺纹 按螺纹的牙型分 螺纹的分类 按螺纹的旋向分 按螺旋线的根数分 按回转体的内外表面分 按螺旋的作用分 按母体形状分 矩形螺纹三角形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹 螺纹的牙型 潘存云教授研制 潘存云教授研制 按螺纹的牙型分 螺纹的分类 按螺纹的旋向分 按螺旋线的根数分 按回转体的内外表面分 按螺旋的作用分 按母体形状分 矩形螺纹三角形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹 右旋螺纹 左旋螺纹 按螺纹的牙型分 螺纹的分类 按螺纹的旋向分 按螺旋线的根数分 按回转体的内外表面分 按螺旋的作用分 按母体形
3、状分 矩形螺纹三角形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹 右旋螺纹 左旋螺纹 单线螺纹多线螺纹 一般 n 4 S 2P S P n线螺纹 S n P 单线螺纹 多线螺纹 按螺纹的牙型分 螺纹的分类 按螺纹的旋向分 按螺旋线的根数分 按回转体的内外表面分 按螺旋的作用分 按母体形状分 矩形螺纹三角形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹 右旋螺纹 左旋螺纹 单线螺纹多线螺纹 外螺纹内螺纹 螺纹副 潘存云教授研制 潘存云教授研制 按螺纹的牙型分 螺纹的分类 按螺纹的旋向分 按螺旋线的根数分 按回转体的内外表面分 按螺旋的作用分 按母体形状分 矩形螺纹三角形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹 右旋螺纹 左旋螺纹 单线螺纹多线螺纹 外螺纹内螺
4、纹 连接螺纹传动螺纹 螺旋传动 连接螺纹 传动螺纹 潘存云教授研制 潘存云教授研制 按螺纹的牙型分 螺纹的分类 按螺纹的旋向分 按螺旋线的根数分 按回转体的内外表面分 按螺旋的作用分 按母体形状分 矩形螺纹三角形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹 右旋螺纹 左旋螺纹 单线螺纹多线螺纹 外螺纹内螺纹 连接螺纹传动螺纹 圆柱螺纹圆锥螺纹 潘存云教授研制 圆柱螺纹 圆锥螺纹 3 中径d2也是一个假想圆柱的直径 该圆柱的母线上牙型沟槽和凸起宽度相等 1 大径d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与外螺纹牙底 或内螺纹牙顶 相重合的假想圆柱体的直径 4 螺距P相邻两牙在中径线上对应两点
5、间的轴向距离 5 导程S 6 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 S nP 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P 二 螺纹的主要几何参数 7 牙型角 轴向截面内螺纹牙型相邻两侧边的夹角 牙型侧边与螺纹轴线的垂线间的夹角 牙侧角 8 接触高度h内外螺纹旋合后 接触面的径向高度 螺纹的精度等级 A级 B级 C级 公差小 精度最高 用于配合精确 防振动等场合 受载较大且经常拆卸 调整或承受变载荷的连接 用于一般连接 最常用 普通螺纹以大径d为公称直径 同一公称直径可以有多种螺距 其中螺距最大的称为粗牙螺纹 其余的统称为细牙螺纹 粗牙螺纹应用最广 细牙
6、螺纹的优点 升角小 小径大 自锁性好 强度高 缺点 不耐磨 易滑扣 应用 薄壁零件 受动载荷的连接和微调机构 梯形螺纹 为了减少摩擦和提高效率 这两种螺纹的牙侧角 比三角形螺纹的要小得多 用于剖分螺母时 梯形螺纹可消除因摩擦而产生的间隙 应用较广 锯齿形螺纹的效率比矩形螺纹高 但只适合单向传动 锯齿形螺纹 15 3 粗牙普通螺纹 细牙普通螺纹和梯形螺纹的基本尺寸见后续各表 或查阅相关机械设计手册 螺纹的基本尺寸 直径与螺距 粗牙普通螺纹基本尺寸mm 标记示例 M24 粗牙普通螺纹 直径24 螺距3 M24 1 5 细牙普通螺纹 直径24 螺距1 5 30 52 6752 459 公称直径 大径
7、 粗牙细牙 Dd螺距P中径D2d2小径D2d2螺距P 40 73 5453 242 50 83 5454 134 0 35 0 5 615 3504 918 81 257 1886 647 101 59 0268 3761 25 10 75 121 7510 86310 1061 5 1 250 5 14 212 70111 835 1 5 1 16214 70113 835 18 2 516 37615 294 202 518 37617 294 20 2 520 37619 294 24322 05220 752 27 325 05223 752 303 527 72726 211 2 1
8、 5 1 注 括号内的公称直径为第二系列 梯形螺纹基本尺寸mm 标记示例 Tr48 8 梯形螺纹 直径48 螺距8 用螺纹密封的管螺纹 普通细牙螺纹 管螺纹 非螺纹密封管螺纹 圆柱管壁 55 用螺纹密封管螺纹 圆锥管壁 55 60 圆锥管螺纹 管螺纹的公称直径不是螺纹大径而近似等于管子的公称通径 与普通螺纹不同 非螺纹密封的管螺纹 5 2螺纹连接的类型及标准连接件 一 螺纹连接的基本类型 1 螺栓连接 可承受横向载荷 螺纹余留长度l1 铰制孔用螺栓 静载荷l1 0 3 0 5 d 变载荷l1 0 75d 冲击载荷或弯曲载荷l1 d 铰制孔用螺栓l1 d 螺纹伸出长度a 0 2 0 3 d 螺栓
9、轴线到被连接件边缘的距离e d 3 6 mm 用于经常拆装易磨损之处 潘存云教授研制 潘存云教授研制 孔与螺杆之间留有间隙 普通螺栓 潘存云教授研制 座端拧入深度H 当螺孔材料为 双头螺柱连接连接件厚 允许拆装 钢或青铜H d 铸铁H 1 25 1 5 d 铝合金H 1 5 2 5 d 螺纹孔深度H1 H 2 2 5 P 钻孔深度H2 H1 0 5 1 d 参数l1 e a与螺栓相同 螺钉连接用于结构简单 省了螺母 不宜经常拆装 以免损坏螺孔而修复困难 2 螺钉连接和双头螺柱连接 潘存云教授研制 3 紧定螺钉连接 紧定螺钉连接用于固定两个零件的相对位置并可传递不大的力或转矩 二 螺纹紧固件 1
10、 螺栓 螺栓的结构形式 L d L0 小六角头 2 双头螺柱 末端结构 头部结构 3 螺钉 紧定螺钉 起吊螺钉 4 专用螺纹连接 T型螺栓 用于经常拆装易磨损之处 用于尺寸受限制之处 国标罗列有 余种不同结构的螺母 5 螺母 潘存云教授研制 6 其它螺母 潘存云教授研制 7 垫圈 平垫圈 薄平垫圈 斜垫圈 弹簧垫圈 圆螺母用止动垫圈 作用 增加支撑面积以减小压强 避免拧紧螺母擦伤表面 防松 普通螺栓连接 普通螺栓联接 普通螺栓联接 普通螺栓联接 普通螺栓联接 普通螺栓联接 普通螺栓联接 铰制孔用螺栓联接 铰制孔用螺栓联接 铰制孔用螺栓联接 铰制孔用螺栓联接 螺钉联接 螺钉联接 螺钉联接 螺钉联
11、接 螺钉联接 螺钉连接 螺钉连接 螺钉拧入深度H 钢或青铜H d铸铁H 1 25 1 5 d铝合金H 1 5 2 5 d 双头螺柱连接 其他螺纹连接类型 紧定螺钉连接地脚螺栓连接吊环螺栓连接T型槽螺栓连接 紧定螺钉连接 紧定螺钉连接 地脚螺栓连接 吊环螺栓连接 吊环螺栓连接 T型槽螺栓连接 5 3螺纹连接的预紧 预紧力 大多数螺纹连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 预紧的目的 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移动 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ss的80 一 概述 一
12、般螺纹连接在装配时都必须拧紧 这时螺纹连接受到预紧力的作用 对于重要的螺纹连接 应控制其预紧力 因为预紧力的大小对螺纹连接的可靠性 强度和密封均有很大影响 碳素钢螺栓 F0 0 6 0 7 sA1 合金钢螺栓 F0 0 5 0 6 sA1 A1 危险截面积 A1 d21 4 二 拧紧力矩 T1 克服螺纹副相对转动的阻力矩 T2 克服螺母支撑面上的摩擦阻力矩 设预紧力为F0或预紧力 不受轴向载荷 fc 摩擦因子 无润滑时取fc 0 15 rf 支撑面摩擦半径P69 总力矩 测力矩扳手 预紧力控制方法 连接用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 但在冲击 振动和变载条
13、件下 预紧力可能在某一瞬时消失 连接仍有可能松动 高温下的螺栓连接 由于温度变形差异等 也可能发生松脱现象 如高压锅 因此设计时必须考虑防松 即防止相对转动 定力矩扳手 通常螺纹连接拧紧是凭工人的经验来决定的 重要螺栓则必须预紧力进行精确控制 1 凭手感经验 2 测力矩扳手 3 定力矩扳手P69 4 测定伸长量 连接用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 但在冲击 振动和变载条件下 预紧力可能在某一瞬时消失 连接仍有可能松动而失效 高温下的螺栓连接 由于温度变形差异等 也可能发生松脱现象 如高压锅 因此设计时必须考虑防松 即防止相对转动 防松的方法 1 利用附加摩
14、擦力防松 弹簧垫圈 对顶螺母 5 3螺纹连接的防松 防松 防止螺旋副相对转动 开口销与六角开槽螺母 串联钢丝 2 采用专门防松元件防松 圆螺母用止动垫圈 潘存云教授研制 止动垫圈 3 其它方法防松 涂粘合剂 5 5螺纹连接的强度计算P79 螺栓连接的主要失效形式 滑扣因经常拆装 受拉螺栓 塑性变形螺纹部分 疲劳断裂 受剪螺栓 剪断 压溃螺杆和孔壁的贴合面 经常拆卸 轴向变载荷 断裂 潘存云教授研制 螺栓与螺母的螺纹牙及其他各部尺寸是根据等强度原则及使用经验规定的 采用标准件时 这些部分都不需要进行强度计算 所以 螺栓连接的计算主要是确定螺纹小径d1 然后按照标准选定螺纹公称直径d及螺距P等 一
15、 松螺栓连接强度计算 强度条件 式中d1 螺纹小径mm 许用应力 二 紧螺栓连接强度计算 力除以面积 设计公式 装配时需要拧紧 在工作状态下可能还需要补充拧紧 1 仅承受预紧力的紧螺栓连接 2 承受预紧力和工作拉力的紧螺栓连接 3 承受工作剪力的紧螺栓连接 装配时不须要拧紧 在拧紧力矩的作用下 螺栓受轴向拉力F0和螺纹摩擦力矩T1的双重作用 拉应力 1 仅承受预紧力的紧螺栓连接 扭转切应力 分母为抗剪截面系数 对于M10 M64的普通钢制螺纹 可取 得 0 5 计算应力 由此可见 对于M10 M64普通螺纹的钢制紧螺栓连接 在拧紧时 虽然同时承受拉伸和扭转的联合作用 但在计算时 可以只考虑拉伸
16、强度计算 并将预紧力增大30 来考虑扭转的影响 强度条件 又 螺栓材料塑性 根据第四强度理论可得 Tan v f 0 17 d2 d1 1 04 1 08 tan 0 05 当普通螺栓连接承受横向工作载荷时 预紧力F0导致接合面所产生的摩擦力应大于横向载荷F Ks 可靠性系数 常取Ks 1 1 1 3 预紧力F0 f 接合面摩擦系数 对钢与铸铁 取f 0 1 0 16 i 结合面数上图i 1 下图i 2 若取f 0 15 Ks 1 2 i 1 z 1则 F0 8F 螺栓结构尺寸大 改进措施 1 采用键 套筒 销承担横向工作载荷 螺栓仅起连接作用 2 采用无间隙的铰制孔用螺栓 2 受预紧力和工作拉力的紧螺栓连接 设缸内流体压强为p 螺栓数目为Z 则缸体周围每个螺栓的平均载荷为 F 特别注意 轴向载荷 F2 F F0 加预紧力后 螺栓受拉伸长 b 被连接件受压缩短 m 加载F后 螺栓总伸长量增加为 总拉力为 被连接件压缩量减少为 残余预紧力减少为F1 很显然F1 F0被连接件放松了F1推荐值见P83 b m 受载变形 F2 F F1 螺栓变形 螺栓变形 力 F0 m F1推荐值见P83 F
