機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)第9章-螺紋連接課件

第9章螺紋聯(lián)接設(shè)計(jì)螺紋的類型及主要參數(shù)螺紋副的受分分析、效率和自鎖螺紋聯(lián)接的基本類型螺紋聯(lián)接的預(yù)緊與防松單個(gè)螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算提高螺栓聯(lián)接強(qiáng)度的措施第9章螺紋聯(lián)接設(shè)計(jì)螺紋的類型及主要參數(shù)螺紋聯(lián)接的預(yù)緊與防松2被聯(lián)接件的相互位置固定，工作時(shí)不能變化如：蝸輪的齒圈與輪心連接：joint利用不同方式把機(jī)械零件聯(lián)成一體的技術(shù)可拆連接靜連接動(dòng)連接被聯(lián)接件的相互位置工作時(shí)可按需要變化如：變速箱中滑移齒輪與軸不可拆連接螺紋連接、鍵連接、銷連接焊接、鉚接、粘接分類：連接（聯(lián)接）設(shè)計(jì)2被聯(lián)接件的相互位置固定，工作時(shí)不能變化如：蝸輪的齒圈與輪心3§9-1螺紋（thread)一、螺紋的形成及主要參數(shù)

將一直角邊水平的直角三角形繞在一豎直放置的圓柱體上，則三角形的斜邊就形成一條螺旋線。取圖中右上角的任一平面圖形，使它沿著螺旋線運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)時(shí)保持該圖形通過(guò)圓柱的軸線，則該圖形的軌跡就是螺紋。3§9-1螺紋（thread)一、螺紋的形成及主要參數(shù)4螺紋的主要參數(shù)：d(D)：

螺紋大徑，公稱直徑d1(D1)：螺紋小徑d2(D2)：螺紋中徑n：螺旋線數(shù)目p：螺距S：導(dǎo)程，S=npψ：螺紋升角(中徑d2圓周上)h：螺牙工作高度，接觸面的徑向高度α：牙型角連接螺紋n=1—危險(xiǎn)截面計(jì)算直徑S=npλψψβ：牙側(cè)角β4螺紋的主要參數(shù)：d(D)：螺紋大徑，公稱直徑d1(5二、螺紋的分類牙型三角形矩形鋸齒形梯形普通螺紋管螺紋管路連接一般連接傳遞運(yùn)動(dòng)或傳力(效率高)牙頂較大圓角，旋合后無(wú)徑向間隙，英制細(xì)牙螺紋粗牙螺紋細(xì)牙螺紋薄壁零件或微調(diào)裝置5二、螺紋的分類牙型三角形矩形鋸齒形梯形普通螺紋管6螺紋旋向：常用右旋，特殊要求時(shí)用左旋粗牙螺紋β=0°β=3°β=15°β=30°四種螺紋的牙側(cè)角：：同一d下螺距p最大的螺紋同一d下螺距p小的螺紋粗牙、細(xì)牙螺紋標(biāo)記示例：M12細(xì)牙螺紋：M12×1.5、M12×1.25—粗牙—細(xì)牙(要標(biāo)出螺距)，用于一般連接強(qiáng)度高、自鎖性好用于薄壁或微調(diào)機(jī)械中6螺紋旋向：常用右旋，特殊要求時(shí)用左旋粗牙螺紋β=0°7二、螺紋的分類按照螺旋線的旋向，螺紋分為左旋和右旋螺紋。機(jī)械制造中一般采用右旋螺紋。按照螺旋線的數(shù)目，螺紋還分為單線螺紋和等距排列的多線螺紋。為了制造方便，螺紋的線數(shù)一般不超過(guò)4。螺紋有內(nèi)螺紋和外螺紋之分，兩者旋合組成螺旋副或稱螺紋副。按照母體形狀，螺紋分為圓柱螺紋和圓錐螺紋。用于聯(lián)接的螺紋稱為聯(lián)接螺紋；用于傳動(dòng)的螺紋稱為傳動(dòng)螺紋，相應(yīng)的傳動(dòng)稱為螺旋傳動(dòng)。7二、螺紋的分類按照螺旋線的旋向，螺紋分為左旋和8螺旋線方向及螺紋軸向力的判定一、螺旋線方向的判定

左(右)手自然展開成掌，使拇指與螺紋軸線平行，若左手四個(gè)指頭的指向與螺紋牙走向一致，則螺紋為左旋螺紋；則螺紋為右旋螺紋。(見右圖中左旋螺紋的判定)二、螺紋軸向力的判定在螺母固定的情況下，旋動(dòng)螺桿時(shí)，螺桿將沿軸線方向前進(jìn)或后退，這說(shuō)明螺桿受到了一個(gè)沿運(yùn)動(dòng)方向的作用力。該作用力方向的判定方法是對(duì)左、右旋螺紋分別采用左、右手定則。具體做法如下：拇指伸直，其余四指握拳，令四指彎曲方向與螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)方向一致，拇指的指向即是螺桿前進(jìn)的方向。8螺旋線方向及螺紋軸向力的判定一、螺旋線方向的判定二、螺紋§9-2螺紋副受力分析、效率和自鎖1、矩形螺紋(a=b=0°)分析兩個(gè)工程實(shí)例：用千斤頂提升重物時(shí)，如何計(jì)算手柄上的水平推力FT？螺紋連接擰緊螺母用千斤頂提升重物F′F′F′TF′擰緊螺母時(shí)，若忽略螺母與支撐面間的摩擦力矩，如何計(jì)算扳手的擰緊力矩T？§9-2螺紋副受力分析、效率和自鎖1、矩形螺紋(a=10FaF物理模型建立過(guò)程：螺旋副的相對(duì)運(yùn)動(dòng)可近似看作——作用在中徑的水平推力F推動(dòng)重物沿螺紋表面的勻速運(yùn)動(dòng)——在水平推力F作用下，重物沿斜面的勻速運(yùn)動(dòng)如果求出假想的水平驅(qū)動(dòng)力F，則驅(qū)動(dòng)力矩T為：FaFpd2sψ1、矩形螺紋(a=b=0°)10FaF物理模型建立過(guò)程：螺旋副的相對(duì)運(yùn)動(dòng)可近似看作—11fNvψ

FaFNRψ

ρ

FRFaψ

+ρ

摩擦角：ρ=arctanff為摩擦系數(shù)F=Fatan(ψ

+ρ）水平驅(qū)動(dòng)力：驅(qū)動(dòng)力矩：—即為摩擦副間的阻力矩T=Fd22tan(ψ

+ρ)=Fad22當(dāng)升角較大，重物要?jiǎng)蛩傧禄瑫r(shí)：ψ

Rvρ

ψ

FaNfNFFRFaψ-ρ

重物要?jiǎng)蛩偕仙龝r(shí)：F=Fatan(ψ

-ρ）水平驅(qū)動(dòng)力：驅(qū)動(dòng)力矩：Ttan(ψ

-ρ)=Fad2211fNvψFaFNRψρFRFaψ+ρ摩擦角：ρ12重物下滑過(guò)程分析：F=Fa

tan(ψ-ρ）ψ

Rvρ

ψ

FaNfNF當(dāng)ψ>ρ時(shí)滑塊在重力作用下會(huì)加速下滑要使其勻速下滑，還要施加少量的水平力F（F>0）此時(shí)F由驅(qū)動(dòng)力變?yōu)樽枇Γ鳩a由阻力變?yōu)轵?qū)動(dòng)力由于摩擦力過(guò)大，重物不能自行下滑，而在斜面上保持靜止要使其下滑需施加反向力，F(xiàn)≤0，此時(shí)F變?yōu)轵?qū)動(dòng)力此種現(xiàn)象稱為“自鎖”，自鎖條件是：

ψ≤ρ當(dāng)ψ≤ρ時(shí)12重物下滑過(guò)程分析：F=Fatan(ψ-ρ）ψR(shí)v13§9-2螺紋副受力分析、效率和自鎖輸入功：W1=2pTW2=FaS輸出功：升角ψ越大，效率越高但ψ一般不超過(guò)25°為宜效率：重物上升時(shí)：=2ptan(ψ+ρ)Fad22η==Fapd2tanψtanψtan(ψ

+ρ)=效率：tanψ=Spd2如何提高螺旋副間的效率？重物下降時(shí)：ηtan(ψ

–ρ)tanψ=13§9-2螺紋副受力分析、效率和自鎖輸入功：W1=2142、非矩形螺紋(b≠0°)先忽略螺紋升角ψ當(dāng)量摩擦角：法向力增加為：摩擦力增加為：引入當(dāng)量摩擦系數(shù)ρv=arctanfv把力的增加看作是摩擦系數(shù)的增加NfNvψ

FaFNRψ

ρ

142、非矩形螺紋(b≠0°)先忽略螺紋升角ψ當(dāng)量摩15把非矩形螺紋受力問(wèn)題轉(zhuǎn)化為矩形螺紋受力問(wèn)題求解用fv→f，用ρv→ρ則非矩形螺紋副受力、效率及自鎖可表述為：F=Fatan(ψ±rv

）Ttan(ψ±

ρv

)=Fad22ηtanψtan(ψ+ρv)=ηtan(ψ–ρv)tanψ=ψ≤ρv15把非矩形螺紋受力問(wèn)題轉(zhuǎn)化為矩形螺紋受力問(wèn)題求解用fv→16螺旋千斤頂不同場(chǎng)合螺旋副，自鎖和效率要求不同連接螺紋，必須具有自鎖性對(duì)于某些傳力螺旋，要求自鎖對(duì)于傳遞運(yùn)動(dòng)的螺旋副，要求效率高，不需自鎖如：車床絲杠與刀架螺旋副16螺旋千斤頂不同場(chǎng)合螺旋副，自鎖和效率要求不同連接螺紋，必17§9-3螺紋聯(lián)接的基本類型被連接件不厚且有裝配空間時(shí)用1、螺栓連接普通孔螺栓連接鉸制孔螺栓連接孔與螺栓桿間基孔制配合，加工精度高孔與螺栓桿間有空隙，加工精度低，簡(jiǎn)單方便17§9-3螺紋聯(lián)接的基本類型被連接件不厚且有裝配空間時(shí)用18§9-3螺紋聯(lián)接的基本類型用在被連接件之一較厚，且經(jīng)常裝拆場(chǎng)合2、雙頭螺柱連接用在被連接件之一較厚，且不常裝拆場(chǎng)合3、螺釘連接4、緊定螺釘連接常用于固定軸上零件18§9-3螺紋聯(lián)接的基本類型用在被連接件之一較厚，且經(jīng)常19聯(lián)接零件標(biāo)準(zhǔn)

螺紋緊固件的品種很多，包括：螺栓、雙頭螺柱、螺釘、緊定螺釘、螺母、墊圈，大都已標(biāo)準(zhǔn)化，它是一種商品性零件，經(jīng)合理選擇其規(guī)格、型號(hào)后，可直接到五金商店購(gòu)買。例：螺栓M12×100GB5782-86

名稱：六角頭螺栓公稱直徑：12mm公稱長(zhǎng)度：10019聯(lián)接零件標(biāo)準(zhǔn)螺紋緊固件的品種很多，包括：螺栓、雙頭20§9-4螺紋聯(lián)接的預(yù)緊和放松1、螺紋連接的預(yù)緊TF′預(yù)緊目的：增強(qiáng)連接可靠性，使接合面具有足夠的緊密性或承受橫向工作載荷預(yù)緊力如何控制F′？一般連接無(wú)需控制，擰緊程度由經(jīng)驗(yàn)決定重要連接，需控制擰緊力矩T

的大小T=T1+T2T1—螺紋副阻力矩T2—螺母支承面摩擦阻力矩對(duì)于M10~M68的普通粗牙螺紋，?。?/p>

fv=tanρv≈0.15

fc≈0.1520§9-4螺紋聯(lián)接的預(yù)緊和放松1、螺紋連接的預(yù)緊TF21§9-4螺紋聯(lián)接的預(yù)緊和放松二、螺紋聯(lián)接的放松聯(lián)接用的三角形螺紋都具有自鎖性，在靜載荷和工作溫度變化不大時(shí)不會(huì)自動(dòng)松脫。

但是在沖擊、振動(dòng)和變載的作用下，預(yù)緊力可能在某一瞬間消失，聯(lián)接仍有可能松脫。高溫的螺紋聯(lián)接，由于溫度變形差異等原因，也可能發(fā)生松脫現(xiàn)象，因此設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮防松。

螺紋聯(lián)接防松的根本問(wèn)題在于防止螺紋副的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。21§9-4螺紋聯(lián)接的預(yù)緊和放松二、螺紋聯(lián)接的放松222、螺紋連接的防松沖頭法、粘合法摩擦防松機(jī)械防松其它防松彈簧墊圈對(duì)頂螺母鎖緊螺母開口銷與槽形螺母止動(dòng)墊圈串聯(lián)金屬絲222、螺紋連接的防松沖頭法、粘合法摩擦防松機(jī)械防松其它23①接合面形狀應(yīng)常為正方形、矩形、圓形、三角形等簡(jiǎn)單、軸對(duì)稱工程實(shí)際中，螺紋連接通常被成組使用應(yīng)合理確定接合面形狀、螺栓數(shù)目、布置形式等②布置在同一分布圓上的螺栓應(yīng)取偶數(shù)，便于鉆孔時(shí)分度畫線三螺紋連接的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)23①接合面形狀應(yīng)常為正方形、矩形、圓形、三角形等簡(jiǎn)單、軸24④合理確定螺栓的間距和邊距，保證足夠的扳手空間③合理布置螺栓，使其受載減小受旋轉(zhuǎn)或翻轉(zhuǎn)力矩作用時(shí)，盡量將螺栓遠(yuǎn)離接合面對(duì)稱軸布置嚴(yán)格密封：t≈2.5d；一般：t≈(5～8)dTtt24④合理確定螺栓的間距和邊距，保證足夠的扳手空間③合理25⑤支承面應(yīng)光潔、平整，并與軸線垂直，避免螺栓受附加彎矩作用凸臺(tái)沉頭座

（魚眼坑）斜墊圈25⑤支承面應(yīng)光潔、平整，并與軸線垂直，避免螺栓受附加彎矩26§9-5螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算一、聯(lián)接螺栓的失效和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

普通孔螺栓連接：鉸制孔螺栓連接：保證拉伸強(qiáng)度保證擠壓強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度螺栓桿在制有螺紋的部分被拉斷工作時(shí)螺栓主要承受軸向拉力工作面被壓潰或剪斷工作時(shí)主要承受橫向載荷雙頭螺柱連接、螺釘連接與螺栓連接類似受拉螺栓連接受剪螺栓連接26§9-5螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算一、聯(lián)接螺栓的失效和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則27螺栓連接的受載情況：普通螺栓鉸制孔螺栓用于軸向或橫向工作載荷用于軸向工作載荷RRRRFF松螺栓緊螺栓用于橫向工作載荷27螺栓連接的受載情況：普通螺栓鉸制孔螺栓用于軸向或橫向工作28裝配時(shí)不擰緊，無(wú)預(yù)緊力F'螺栓所受拉力工作載荷F=危險(xiǎn)截面的強(qiáng)度條件：設(shè)計(jì)式：計(jì)算危險(xiǎn)截面面積時(shí)用螺紋小徑d1

根據(jù)計(jì)算所得的d1，查標(biāo)準(zhǔn)確定螺栓的公稱直徑d二、普通松螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算28裝配時(shí)不擰緊，無(wú)預(yù)緊力F'螺栓所受拉力工作載荷F=危29三、普通緊螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算

1.受橫向載荷的普通螺栓連接

裝配時(shí)要擰緊，載荷作用前，螺栓已受預(yù)緊力F′但在擰緊螺母過(guò)程中，螺栓受F′和T1的聯(lián)合作用應(yīng)用第四強(qiáng)度理論把拉應(yīng)力和扭剪應(yīng)力合并成當(dāng)量拉應(yīng)力—靠摩擦力承受R此連接如何承受橫向載荷的？螺栓桿受橫向剪切和擠壓?jiǎn)?？—只受拉力作用拉、扭?lián)合作用下的強(qiáng)度問(wèn)題單純的拉伸強(qiáng)度問(wèn)題RF′F′F′F′RμF'μF'T1T29三、普通緊螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算1.受橫向載荷的30

T1引起的扭剪應(yīng)力：對(duì)于M10～M68的螺紋取平均近似值：0.5

F′引起的拉應(yīng)力：30T1引起的扭剪應(yīng)力：對(duì)于M10～M68的螺紋取平均近31當(dāng)量拉應(yīng)力：強(qiáng)度條件：上式中系數(shù)“1.3”的含義是什么？設(shè)計(jì)式：普通螺栓聯(lián)接承受橫向載荷時(shí)，螺栓可按純拉伸強(qiáng)度計(jì)算，但需將拉伸應(yīng)力增大30%，以考慮扭剪應(yīng)力的影響根據(jù)計(jì)算所得的d1，查標(biāo)準(zhǔn)確定螺栓的公稱直徑d31當(dāng)量拉應(yīng)力：強(qiáng)度條件：上式中系數(shù)“1.3”的含義是什么？32預(yù)緊力：應(yīng)使接合面摩擦力大于工作載荷Rm：接合面對(duì)數(shù)即：μF′RC≥則：f：接合面摩擦系數(shù)例：當(dāng)m=1、f=0.15、

C=1.2時(shí):F′≥8R故用普通螺栓連接承受橫向載荷時(shí)，螺栓的尺寸很大mC：可靠性系數(shù)，1.1~1.3RF′F′F′F′RμF'μF'32預(yù)緊力：應(yīng)使接合面摩擦力大于工作載荷Rm：接合面對(duì)數(shù)33應(yīng)將總工作載荷R均勻分配到每個(gè)螺栓上若連接有z個(gè)螺栓，且各螺栓受載均勻則摩擦力：mfF′R/zC≥則單個(gè)螺栓所受到的橫向工作載荷等于單個(gè)螺栓所需的預(yù)緊力若各螺栓受載不均，則應(yīng)找出受載最大的螺栓，對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算33應(yīng)將總工作載荷R均勻分配到每個(gè)螺栓上若連接有z個(gè)34用普通螺栓連接承受橫向載荷時(shí)，螺栓的尺寸較大，怎么辦？改進(jìn)措施：②采用無(wú)間隙的鉸制孔螺栓①采用鍵、套筒、銷承擔(dān)橫向工作載荷R

而螺栓僅起連接作用34用普通螺栓連接承受橫向載荷時(shí)，螺栓的尺寸較大，怎么辦？35螺栓所受的總拉力：F0=F′+F?×F′F′TF0F0FF′F′F2.受軸向工作載荷的普通螺栓連接35螺栓所受的總拉力：F0=F′+F?×F′F′TF0力——變形圖36力力變形量F’F’δ1δ2變形量力F’δ1δ2δ1≠δ2力——變形圖36力力變形量F’F’δ1δ2變形量力F’δ1δ37δ2δ1△δ1△δ2T變形協(xié)調(diào)條件：靜力平衡條件：

F0=F″+F未擰緊F′F′F′F′F0F0FFF″F″△δ1=△δ2=△δ螺栓總拉力——剩余預(yù)緊力軸向外載荷F″F′37δ2δ1△δ1△δ2T變形協(xié)調(diào)條件：靜力平衡條件：F038力變形δ1δ2△δF′F0FF″螺栓剛度:Kb

被連接件剛度:Kc

螺栓初始變形量:δ1

=F'/C1

被連接件初始變形量:δ2

=F'/C2

△F1=F0-F'=F+F''-F'△F2=F'-F''—剩余預(yù)緊力δ1+Δδ——F0

δ2

–Δδ——F''

38力變形δ1δ2△δF′F0FF″螺栓剛度:Kb被連接受軸向拉伸載荷作用的螺栓強(qiáng)度條件：設(shè)計(jì)式：考慮扭剪應(yīng)力的影響，故乘以系數(shù)1.3?。渴茌S向拉伸載荷作用的螺栓強(qiáng)度條件：設(shè)計(jì)式：考慮扭剪應(yīng)力的影40受軸向拉伸載荷作用的螺栓剩余預(yù)緊力應(yīng)滿足：1）一般連接

F″=（0.2~0.6)F2）變載作用時(shí)

F″=（0.6~1.0)F3）有緊密性要求時(shí)

F″=（1.5~1.8)F如果F超過(guò)一定值，會(huì)出現(xiàn)F’’≤0的情況在一般計(jì)算中，可先根據(jù)聯(lián)接的工作要求規(guī)定殘余預(yù)緊力F”，其次由式求出總拉伸載荷F0，然后計(jì)算螺栓強(qiáng)度。40受軸向拉伸載荷作用的螺栓剩余預(yù)緊力應(yīng)滿足：1）一般連接41練習(xí)圖示為一普通螺栓聯(lián)接，預(yù)緊后的受力——變形圖已知。如果預(yù)緊力為500N，然后承受軸向拉伸工作載荷500N，問(wèn)此時(shí)螺栓及被連接件受載各為多少？500N螺栓被連接件30?60?變形量力41練習(xí)圖示為一普通螺栓聯(lián)接，預(yù)緊后的受力——變形圖已知423、受橫向載荷作用的鉸制孔螺栓連接：R直接作用在螺栓上使螺栓桿受剪切和擠壓此類螺栓預(yù)緊力小，計(jì)算時(shí)忽略強(qiáng)度條件：d0：螺栓桿受剪面直徑,即為光桿直徑鉸制孔用螺栓d0＞dm：接合面對(duì)數(shù)hmin：兩方向相比，較小擠壓高度設(shè)計(jì)時(shí)，按上述公式分別計(jì)算出d0，取大值若是螺栓組連接，處理方法同前423、受橫向載荷作用的鉸制孔螺栓連接：R直接作用在螺栓上43§9-6提高螺栓聯(lián)接強(qiáng)度的措施

螺栓聯(lián)接在承受軸向變載荷時(shí)，其損壞形式多為疲勞斷裂，斷裂通常都發(fā)生在應(yīng)力集中較嚴(yán)重之處，如螺母支承平面所在處(旋合的第一圈)、螺紋收尾部和螺栓頭部等。各處失效的大致百分比見圖。以下簡(jiǎn)要說(shuō)明提高強(qiáng)度的措施。43§9-6提高螺栓聯(lián)接強(qiáng)度的措施螺栓聯(lián)接在承§9-6螺栓組的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)44一、降低螺栓總拉伸載荷的應(yīng)力幅

螺栓所受的軸向工作載荷在0～F間變化時(shí)，螺栓總拉伸載荷的變化范圍為FΣmax～FΣmin，減小螺栓剛度kb

、增大被聯(lián)接件剛度kc

都可以減小F0

的變化范圍，從而降低應(yīng)力幅，提高螺栓的疲勞強(qiáng)度。

§9-6螺栓組的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)44一、降低螺栓總拉伸載荷的應(yīng)力45二、改善螺紋牙間的載荷分布采用懸置螺母或環(huán)槽螺母，則螺母懸置段與螺桿均為拉伸變形，有助于減少螺母與螺栓桿的螺距變化差，從而使載荷分布均勻。45二、改善螺紋牙間的載荷分布采用懸置螺母或環(huán)槽螺母，46三、減小應(yīng)力集中例如，在鑄件或鍛件等未加工表面上安裝螺栓時(shí)，常采用凸臺(tái)或沉頭座等結(jié)構(gòu)，經(jīng)切削加工后可獲得平整的支承面。四、避免或減小附加應(yīng)力如圖所示，增大過(guò)渡圓角處的圓角(圖a)、切制卸載槽(圖b、c)都是使螺栓截面變化均勻、減小應(yīng)力集中的有效方法。五、采用合理的制造工藝46三、減小應(yīng)力集中例如，在鑄件或鍛件等未加工表面上安47作業(yè)P1989-109-1147作業(yè)P19848課堂練習(xí)1.起重機(jī)卷筒與大齒輪用8個(gè)普通螺栓連接在一起，已知卷筒直徑D=400mm，螺栓分布圓直徑D0=500mm，結(jié)合面間摩擦系數(shù)f=0.12，可靠系數(shù)C=1.2，起重鋼索拉力Q=50000N，螺栓材料的許用拉伸應(yīng)力[σ]=100MPa，試設(shè)計(jì)該螺旋組的螺栓直徑。DD048課堂練習(xí)1.起重機(jī)卷筒與大齒輪用8個(gè)普通螺栓連接在一起49課堂練習(xí)2.某鋼制液壓油缸，油壓P=2.4MPa（靜壓），油缸內(nèi)圓直徑面積S=11000mm2，油缸由6個(gè)M16的螺釘連接在缸體上，已知螺釘?shù)膭傂韵禂?shù)為Kb，剛體和缸蓋的剛性系數(shù)為Kc，且Kc=4Kb。若螺釘?shù)脑S用應(yīng)力為[σ]=104MPa，M16螺釘?shù)奈ｋU(xiǎn)截面面積取A=150mm2，又根據(jù)緊密性要求，需使殘余預(yù)緊力F”≥1.2F（F為工作載荷），求預(yù)緊力F’應(yīng)在何范圍內(nèi)取值才能滿足此連接的要求？49課堂練習(xí)2.某鋼制液壓油缸，油壓P=2.4MPa（靜壓501解：計(jì)算旋轉(zhuǎn)力矩TT＝QD／2＝50000×400/2=107(N.mm)計(jì)算螺栓所需要的預(yù)緊力F’ZfF’D0/2=CTF’=2CT/ZfD0=2×1.2×107/8×0.12×500=50000(N.mm)確定螺栓直徑查GB196－81取M36（d1=31.670>28.768mm)501解：計(jì)算旋轉(zhuǎn)力矩T512解：計(jì)算每個(gè)螺釘?shù)墓ぷ鬏d荷F＝PS／6＝2.4×11000/6=4400(N)求F’min(若F’過(guò)小，則F”達(dá)不到預(yù)緊要求，受到工作載荷后，不能密封）

F”＝F’－KcF/(Kb+Kc)Kc=4Kb

F”＝F’－0.8FF”≥1.2FF’－0.8F≥1.2FF’≥2F=2×4400=8800(N)F’min=8800(N)求F’max(若F’過(guò)大，螺釘可能被拉斷）

F0＝F’＋KbF/(Kb+Kc)=F’＋0.2F求F’max=11.12kN512解：計(jì)算每個(gè)螺釘?shù)墓ぷ鬏d荷52摩擦角返回52摩擦角返回第9章螺紋聯(lián)接設(shè)計(jì)螺紋的類型及主要參數(shù)螺紋副的受分分析、效率和自鎖螺紋聯(lián)接的基本類型螺紋聯(lián)接的預(yù)緊與防松單個(gè)螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算提高螺栓聯(lián)接強(qiáng)度的措施第9章螺紋聯(lián)接設(shè)計(jì)螺紋的類型及主要參數(shù)螺紋聯(lián)接的預(yù)緊與防松54被聯(lián)接件的相互位置固定，工作時(shí)不能變化如：蝸輪的齒圈與輪心連接：joint利用不同方式把機(jī)械零件聯(lián)成一體的技術(shù)可拆連接靜連接動(dòng)連接被聯(lián)接件的相互位置工作時(shí)可按需要變化如：變速箱中滑移齒輪與軸不可拆連接螺紋連接、鍵連接、銷連接焊接、鉚接、粘接分類：連接（聯(lián)接）設(shè)計(jì)2被聯(lián)接件的相互位置固定，工作時(shí)不能變化如：蝸輪的齒圈與輪心55§9-1螺紋（thread)一、螺紋的形成及主要參數(shù)

將一直角邊水平的直角三角形繞在一豎直放置的圓柱體上，則三角形的斜邊就形成一條螺旋線。取圖中右上角的任一平面圖形，使它沿著螺旋線運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)時(shí)保持該圖形通過(guò)圓柱的軸線，則該圖形的軌跡就是螺紋。3§9-1螺紋（thread)一、螺紋的形成及主要參數(shù)56螺紋的主要參數(shù)：d(D)：

螺紋大徑，公稱直徑d1(D1)：螺紋小徑d2(D2)：螺紋中徑n：螺旋線數(shù)目p：螺距S：導(dǎo)程，S=npψ：螺紋升角(中徑d2圓周上)h：螺牙工作高度，接觸面的徑向高度α：牙型角連接螺紋n=1—危險(xiǎn)截面計(jì)算直徑S=npλψψβ：牙側(cè)角β4螺紋的主要參數(shù)：d(D)：螺紋大徑，公稱直徑d1(57二、螺紋的分類牙型三角形矩形鋸齒形梯形普通螺紋管螺紋管路連接一般連接傳遞運(yùn)動(dòng)或傳力(效率高)牙頂較大圓角，旋合后無(wú)徑向間隙，英制細(xì)牙螺紋粗牙螺紋細(xì)牙螺紋薄壁零件或微調(diào)裝置5二、螺紋的分類牙型三角形矩形鋸齒形梯形普通螺紋管58螺紋旋向：常用右旋，特殊要求時(shí)用左旋粗牙螺紋β=0°β=3°β=15°β=30°四種螺紋的牙側(cè)角：：同一d下螺距p最大的螺紋同一d下螺距p小的螺紋粗牙、細(xì)牙螺紋標(biāo)記示例：M12細(xì)牙螺紋：M12×1.5、M12×1.25—粗牙—細(xì)牙(要標(biāo)出螺距)，用于一般連接強(qiáng)度高、自鎖性好用于薄壁或微調(diào)機(jī)械中6螺紋旋向：常用右旋，特殊要求時(shí)用左旋粗牙螺紋β=0°59二、螺紋的分類按照螺旋線的旋向，螺紋分為左旋和右旋螺紋。機(jī)械制造中一般采用右旋螺紋。按照螺旋線的數(shù)目，螺紋還分為單線螺紋和等距排列的多線螺紋。為了制造方便，螺紋的線數(shù)一般不超過(guò)4。螺紋有內(nèi)螺紋和外螺紋之分，兩者旋合組成螺旋副或稱螺紋副。按照母體形狀，螺紋分為圓柱螺紋和圓錐螺紋。用于聯(lián)接的螺紋稱為聯(lián)接螺紋；用于傳動(dòng)的螺紋稱為傳動(dòng)螺紋，相應(yīng)的傳動(dòng)稱為螺旋傳動(dòng)。7二、螺紋的分類按照螺旋線的旋向，螺紋分為左旋和60螺旋線方向及螺紋軸向力的判定一、螺旋線方向的判定

左(右)手自然展開成掌，使拇指與螺紋軸線平行，若左手四個(gè)指頭的指向與螺紋牙走向一致，則螺紋為左旋螺紋；則螺紋為右旋螺紋。(見右圖中左旋螺紋的判定)二、螺紋軸向力的判定在螺母固定的情況下，旋動(dòng)螺桿時(shí)，螺桿將沿軸線方向前進(jìn)或后退，這說(shuō)明螺桿受到了一個(gè)沿運(yùn)動(dòng)方向的作用力。該作用力方向的判定方法是對(duì)左、右旋螺紋分別采用左、右手定則。具體做法如下：拇指伸直，其余四指握拳，令四指彎曲方向與螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)方向一致，拇指的指向即是螺桿前進(jìn)的方向。8螺旋線方向及螺紋軸向力的判定一、螺旋線方向的判定二、螺紋§9-2螺紋副受力分析、效率和自鎖1、矩形螺紋(a=b=0°)分析兩個(gè)工程實(shí)例：用千斤頂提升重物時(shí)，如何計(jì)算手柄上的水平推力FT？螺紋連接擰緊螺母用千斤頂提升重物F′F′F′TF′擰緊螺母時(shí)，若忽略螺母與支撐面間的摩擦力矩，如何計(jì)算扳手的擰緊力矩T？§9-2螺紋副受力分析、效率和自鎖1、矩形螺紋(a=62FaF物理模型建立過(guò)程：螺旋副的相對(duì)運(yùn)動(dòng)可近似看作——作用在中徑的水平推力F推動(dòng)重物沿螺紋表面的勻速運(yùn)動(dòng)——在水平推力F作用下，重物沿斜面的勻速運(yùn)動(dòng)如果求出假想的水平驅(qū)動(dòng)力F，則驅(qū)動(dòng)力矩T為：FaFpd2sψ1、矩形螺紋(a=b=0°)10FaF物理模型建立過(guò)程：螺旋副的相對(duì)運(yùn)動(dòng)可近似看作—63fNvψ

FaFNRψ

ρ

FRFaψ

+ρ

摩擦角：ρ=arctanff為摩擦系數(shù)F=Fatan(ψ

+ρ）水平驅(qū)動(dòng)力：驅(qū)動(dòng)力矩：—即為摩擦副間的阻力矩T=Fd22tan(ψ

+ρ)=Fad22當(dāng)升角較大，重物要?jiǎng)蛩傧禄瑫r(shí)：ψ

Rvρ

ψ

FaNfNFFRFaψ-ρ

重物要?jiǎng)蛩偕仙龝r(shí)：F=Fatan(ψ

-ρ）水平驅(qū)動(dòng)力：驅(qū)動(dòng)力矩：Ttan(ψ

-ρ)=Fad2211fNvψFaFNRψρFRFaψ+ρ摩擦角：ρ64重物下滑過(guò)程分析：F=Fa

tan(ψ-ρ）ψ

Rvρ

ψ

FaNfNF當(dāng)ψ>ρ時(shí)滑塊在重力作用下會(huì)加速下滑要使其勻速下滑，還要施加少量的水平力F（F>0）此時(shí)F由驅(qū)動(dòng)力變?yōu)樽枇Γ鳩a由阻力變?yōu)轵?qū)動(dòng)力由于摩擦力過(guò)大，重物不能自行下滑，而在斜面上保持靜止要使其下滑需施加反向力，F(xiàn)≤0，此時(shí)F變?yōu)轵?qū)動(dòng)力此種現(xiàn)象稱為“自鎖”，自鎖條件是：

ψ≤ρ當(dāng)ψ≤ρ時(shí)12重物下滑過(guò)程分析：F=Fatan(ψ-ρ）ψR(shí)v65§9-2螺紋副受力分析、效率和自鎖輸入功：W1=2pTW2=FaS輸出功：升角ψ越大，效率越高但ψ一般不超過(guò)25°為宜效率：重物上升時(shí)：=2ptan(ψ+ρ)Fad22η==Fapd2tanψtanψtan(ψ

+ρ)=效率：tanψ=Spd2如何提高螺旋副間的效率？重物下降時(shí)：ηtan(ψ

–ρ)tanψ=13§9-2螺紋副受力分析、效率和自鎖輸入功：W1=2662、非矩形螺紋(b≠0°)先忽略螺紋升角ψ當(dāng)量摩擦角：法向力增加為：摩擦力增加為：引入當(dāng)量摩擦系數(shù)ρv=arctanfv把力的增加看作是摩擦系數(shù)的增加NfNvψ

FaFNRψ

ρ

142、非矩形螺紋(b≠0°)先忽略螺紋升角ψ當(dāng)量摩67把非矩形螺紋受力問(wèn)題轉(zhuǎn)化為矩形螺紋受力問(wèn)題求解用fv→f，用ρv→ρ則非矩形螺紋副受力、效率及自鎖可表述為：F=Fatan(ψ±rv

）Ttan(ψ±

ρv

)=Fad22ηtanψtan(ψ+ρv)=ηtan(ψ–ρv)tanψ=ψ≤ρv15把非矩形螺紋受力問(wèn)題轉(zhuǎn)化為矩形螺紋受力問(wèn)題求解用fv→68螺旋千斤頂不同場(chǎng)合螺旋副，自鎖和效率要求不同連接螺紋，必須具有自鎖性對(duì)于某些傳力螺旋，要求自鎖對(duì)于傳遞運(yùn)動(dòng)的螺旋副，要求效率高，不需自鎖如：車床絲杠與刀架螺旋副16螺旋千斤頂不同場(chǎng)合螺旋副，自鎖和效率要求不同連接螺紋，必69§9-3螺紋聯(lián)接的基本類型被連接件不厚且有裝配空間時(shí)用1、螺栓連接普通孔螺栓連接鉸制孔螺栓連接孔與螺栓桿間基孔制配合，加工精度高孔與螺栓桿間有空隙，加工精度低，簡(jiǎn)單方便17§9-3螺紋聯(lián)接的基本類型被連接件不厚且有裝配空間時(shí)用70§9-3螺紋聯(lián)接的基本類型用在被連接件之一較厚，且經(jīng)常裝拆場(chǎng)合2、雙頭螺柱連接用在被連接件之一較厚，且不常裝拆場(chǎng)合3、螺釘連接4、緊定螺釘連接常用于固定軸上零件18§9-3螺紋聯(lián)接的基本類型用在被連接件之一較厚，且經(jīng)常71聯(lián)接零件標(biāo)準(zhǔn)

螺紋緊固件的品種很多，包括：螺栓、雙頭螺柱、螺釘、緊定螺釘、螺母、墊圈，大都已標(biāo)準(zhǔn)化，它是一種商品性零件，經(jīng)合理選擇其規(guī)格、型號(hào)后，可直接到五金商店購(gòu)買。例：螺栓M12×100GB5782-86

名稱：六角頭螺栓公稱直徑：12mm公稱長(zhǎng)度：10019聯(lián)接零件標(biāo)準(zhǔn)螺紋緊固件的品種很多，包括：螺栓、雙頭72§9-4螺紋聯(lián)接的預(yù)緊和放松1、螺紋連接的預(yù)緊TF′預(yù)緊目的：增強(qiáng)連接可靠性，使接合面具有足夠的緊密性或承受橫向工作載荷預(yù)緊力如何控制F′？一般連接無(wú)需控制，擰緊程度由經(jīng)驗(yàn)決定重要連接，需控制擰緊力矩T

的大小T=T1+T2T1—螺紋副阻力矩T2—螺母支承面摩擦阻力矩對(duì)于M10~M68的普通粗牙螺紋，?。?/p>

fv=tanρv≈0.15

fc≈0.1520§9-4螺紋聯(lián)接的預(yù)緊和放松1、螺紋連接的預(yù)緊TF73§9-4螺紋聯(lián)接的預(yù)緊和放松二、螺紋聯(lián)接的放松聯(lián)接用的三角形螺紋都具有自鎖性，在靜載荷和工作溫度變化不大時(shí)不會(huì)自動(dòng)松脫。

但是在沖擊、振動(dòng)和變載的作用下，預(yù)緊力可能在某一瞬間消失，聯(lián)接仍有可能松脫。高溫的螺紋聯(lián)接，由于溫度變形差異等原因，也可能發(fā)生松脫現(xiàn)象，因此設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮防松。

螺紋聯(lián)接防松的根本問(wèn)題在于防止螺紋副的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。21§9-4螺紋聯(lián)接的預(yù)緊和放松二、螺紋聯(lián)接的放松742、螺紋連接的防松沖頭法、粘合法摩擦防松機(jī)械防松其它防松彈簧墊圈對(duì)頂螺母鎖緊螺母開口銷與槽形螺母止動(dòng)墊圈串聯(lián)金屬絲222、螺紋連接的防松沖頭法、粘合法摩擦防松機(jī)械防松其它75①接合面形狀應(yīng)常為正方形、矩形、圓形、三角形等簡(jiǎn)單、軸對(duì)稱工程實(shí)際中，螺紋連接通常被成組使用應(yīng)合理確定接合面形狀、螺栓數(shù)目、布置形式等②布置在同一分布圓上的螺栓應(yīng)取偶數(shù)，便于鉆孔時(shí)分度畫線三螺紋連接的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)23①接合面形狀應(yīng)常為正方形、矩形、圓形、三角形等簡(jiǎn)單、軸76④合理確定螺栓的間距和邊距，保證足夠的扳手空間③合理布置螺栓，使其受載減小受旋轉(zhuǎn)或翻轉(zhuǎn)力矩作用時(shí)，盡量將螺栓遠(yuǎn)離接合面對(duì)稱軸布置嚴(yán)格密封：t≈2.5d；一般：t≈(5～8)dTtt24④合理確定螺栓的間距和邊距，保證足夠的扳手空間③合理77⑤支承面應(yīng)光潔、平整，并與軸線垂直，避免螺栓受附加彎矩作用凸臺(tái)沉頭座

（魚眼坑）斜墊圈25⑤支承面應(yīng)光潔、平整，并與軸線垂直，避免螺栓受附加彎矩78§9-5螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算一、聯(lián)接螺栓的失效和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

普通孔螺栓連接：鉸制孔螺栓連接：保證拉伸強(qiáng)度保證擠壓強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度螺栓桿在制有螺紋的部分被拉斷工作時(shí)螺栓主要承受軸向拉力工作面被壓潰或剪斷工作時(shí)主要承受橫向載荷雙頭螺柱連接、螺釘連接與螺栓連接類似受拉螺栓連接受剪螺栓連接26§9-5螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算一、聯(lián)接螺栓的失效和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則79螺栓連接的受載情況：普通螺栓鉸制孔螺栓用于軸向或橫向工作載荷用于軸向工作載荷RRRRFF松螺栓緊螺栓用于橫向工作載荷27螺栓連接的受載情況：普通螺栓鉸制孔螺栓用于軸向或橫向工作80裝配時(shí)不擰緊，無(wú)預(yù)緊力F'螺栓所受拉力工作載荷F=危險(xiǎn)截面的強(qiáng)度條件：設(shè)計(jì)式：計(jì)算危險(xiǎn)截面面積時(shí)用螺紋小徑d1

根據(jù)計(jì)算所得的d1，查標(biāo)準(zhǔn)確定螺栓的公稱直徑d二、普通松螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算28裝配時(shí)不擰緊，無(wú)預(yù)緊力F'螺栓所受拉力工作載荷F=危81三、普通緊螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算

1.受橫向載荷的普通螺栓連接

裝配時(shí)要擰緊，載荷作用前，螺栓已受預(yù)緊力F′但在擰緊螺母過(guò)程中，螺栓受F′和T1的聯(lián)合作用應(yīng)用第四強(qiáng)度理論把拉應(yīng)力和扭剪應(yīng)力合并成當(dāng)量拉應(yīng)力—靠摩擦力承受R此連接如何承受橫向載荷的？螺栓桿受橫向剪切和擠壓?jiǎn)幔俊皇芾ψ饔美?、扭?lián)合作用下的強(qiáng)度問(wèn)題單純的拉伸強(qiáng)度問(wèn)題RF′F′F′F′RμF'μF'T1T29三、普通緊螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算1.受橫向載荷的82

T1引起的扭剪應(yīng)力：對(duì)于M10～M68的螺紋取平均近似值：0.5

F′引起的拉應(yīng)力：30T1引起的扭剪應(yīng)力：對(duì)于M10～M68的螺紋取平均近83當(dāng)量拉應(yīng)力：強(qiáng)度條件：上式中系數(shù)“1.3”的含義是什么？設(shè)計(jì)式：普通螺栓聯(lián)接承受橫向載荷時(shí)，螺栓可按純拉伸強(qiáng)度計(jì)算，但需將拉伸應(yīng)力增大30%，以考慮扭剪應(yīng)力的影響根據(jù)計(jì)算所得的d1，查標(biāo)準(zhǔn)確定螺栓的公稱直徑d31當(dāng)量拉應(yīng)力：強(qiáng)度條件：上式中系數(shù)“1.3”的含義是什么？84預(yù)緊力：應(yīng)使接合面摩擦力大于工作載荷Rm：接合面對(duì)數(shù)即：μF′RC≥則：f：接合面摩擦系數(shù)例：當(dāng)m=1、f=0.15、

C=1.2時(shí):F′≥8R故用普通螺栓連接承受橫向載荷時(shí)，螺栓的尺寸很大mC：可靠性系數(shù)，1.1~1.3RF′F′F′F′RμF'μF'32預(yù)緊力：應(yīng)使接合面摩擦力大于工作載荷Rm：接合面對(duì)數(shù)85應(yīng)將總工作載荷R均勻分配到每個(gè)螺栓上若連接有z個(gè)螺栓，且各螺栓受載均勻則摩擦力：mfF′R/zC≥則單個(gè)螺栓所受到的橫向工作載荷等于單個(gè)螺栓所需的預(yù)緊力若各螺栓受載不均，則應(yīng)找出受載最大的螺栓，對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算33應(yīng)將總工作載荷R均勻分配到每個(gè)螺栓上若連接有z個(gè)86用普通螺栓連接承受橫向載荷時(shí)，螺栓的尺寸較大，怎么辦？改進(jìn)措施：②采用無(wú)間隙的鉸制孔螺栓①采用鍵、套筒、銷承擔(dān)橫向工作載荷R

而螺栓僅起連接作用34用普通螺栓連接承受橫向載荷時(shí)，螺栓的尺寸較大，怎么辦？87螺栓所受的總拉力：F0=F′+F?×F′F′TF0F0FF′F′F2.受軸向工作載荷的普通螺栓連接35螺栓所受的總拉力：F0=F′+F?×F′F′TF0力——變形圖88力力變形量F’F’δ1δ2變形量力F’δ1δ2δ1≠δ2力——變形圖36力力變形量F’F’δ1δ2變形量力F’δ1δ89δ2δ1△δ1△δ2T變形協(xié)調(diào)條件：靜力平衡條件：

F0=F″+F未擰緊F′F′F′F′F0F0FFF″F″△δ1=△δ2=△δ螺栓總拉力——剩余預(yù)緊力軸向外載荷F″F′37δ2δ1△δ1△δ2T變形協(xié)調(diào)條件：靜力平衡條件：F090力變形δ1δ2△δF′F0FF″螺栓剛度:Kb

被連接件剛度:Kc

螺栓初始變形量:δ1

=F'/C1

被連接件初始變形量:δ2

=F'/C2

△F1=F0-F'=F+F''-F'△F2=F'-F''—剩余預(yù)緊力δ1+Δδ——F0

δ2

–Δδ——F''

38力變形δ1δ2△δF′F0FF″螺栓剛度:Kb被連接受軸向拉伸載荷作用的螺栓強(qiáng)度條件：設(shè)計(jì)式：考慮扭剪應(yīng)力的影響，故乘以系數(shù)1.3??？受軸向拉伸載荷作用的螺栓強(qiáng)度條件：設(shè)計(jì)式：考慮扭剪應(yīng)力的影92受軸向拉伸載荷作用的螺栓剩余預(yù)緊力應(yīng)滿足：1）一般連接

F″=（0.2~0.6)F2）變載作用時(shí)

F″=（0.6~1.0)F3）有緊密性要求時(shí)

F″=（1.5~1.8)F如果F超過(guò)一定值，會(huì)出現(xiàn)F’’≤0的情況在一般計(jì)算中，可先根據(jù)聯(lián)接的工作要求規(guī)定殘余預(yù)緊力F”，其次由式求出總拉伸載荷F0，然后計(jì)算螺栓強(qiáng)度。40受軸向拉伸載荷作用的螺栓剩余預(yù)緊力應(yīng)滿足：1）一般連接93練習(xí)圖示為一普通螺栓聯(lián)接，預(yù)緊后的受力——變形圖已知。如果預(yù)緊力為500N，然后承受軸向拉伸工作載荷500N，問(wèn)此時(shí)螺栓及被連接件受載各為多少？500N螺栓被連接件30?60?變形量力41練習(xí)圖示為一普通螺栓聯(lián)接，預(yù)緊后的受力——變形圖已知943、受橫向載荷作用的鉸制孔螺栓連接：R直接作用在螺栓上使螺栓桿受剪切和擠壓此類螺栓預(yù)緊力小，計(jì)算時(shí)忽略強(qiáng)度條件：d0：螺栓桿受剪面直徑,即為光桿直徑鉸制孔用螺栓d0＞dm：接合