16章螺纹联接设计（讲课0910） 武汉理工大学 机械设计ppt课件.ppt

第16章 螺纹联接设计,*. 螺纹连接用螺纹联接件（螺栓，螺钉）将两个以上零件联成一体。,*. 本章的主要内容,1. 螺纹类型及主要参数;螺纹联接的主要类型、特点及应用;,2 . 螺旋副的受力、效率及自锁,预紧和防松;,3 . 螺栓的强度计算;,4 . 螺栓组的结构设计.,16-1 螺纹的主要参数及类型,一. 螺纹形成原理,将一倾斜角为 的直线绕在圆柱体上就形成一条螺旋线。,二 常用螺纹类型,左旋螺纹自右下方向左上 方绕行的螺纹,右旋螺纹自左下方向右上 方绕行的螺纹,左旋,右旋,外螺纹在圆柱外表面上形成的螺纹，如螺栓、 螺钉,内螺纹在圆柱孔内壁上形成的螺纹，如螺母,按螺纹牙的牙型分类:,普通螺纹 牙型角=60，当量摩擦系数较大，自锁性能 好，主要用于连接。,圆柱管螺纹牙型角=55，用于压力p1.57MPa的管子连接,矩形螺纹牙型角=0，当量摩擦系数小，效率高，用于传动,梯形螺纹牙型角=30，牙根强度高，效率较高，易保证加工精度，广泛 用于传动。,锯齿形螺纹牙型斜角两边不相等，工作面=3,非工作面= 30，效率较三 角形螺纹高，只能用于单向传动。,粗牙，细牙,单线螺纹 Z=1，效率低，自锁性好，易加工,三线螺纹Z=3，效率高，自锁性差，难加工,双线螺纹Z=2，效率较Z=1 高,单线螺纹,双线螺纹,三线螺纹,1 .大径d：外、内螺纹的最大直径，为螺纹的公称直径（管螺纹除外）,2 .小径d1：与外螺纹牙底或内螺纹牙顶相重合的假想圆柱的直径。 在强度计算中常用作危险截面的计算直径。,3 .中径d2：处于大径和小径之间的一个假想圆柱的直径，在该圆柱的母线 上螺纹牙厚度与牙槽宽度相等。,4 .螺距P ： 相邻两牙在中径线上对应两点间的轴向距离。5 .导程S ：螺纹上任一点沿螺旋线绕一周所移过轴向距离。S= zP。,6 .升角 ：螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面间的夹 角，通常用中径处的升角表示。其计算式为：,7 .牙型角：在螺纹轴线平面内螺纹牙两侧面的夹角 。螺纹牙型的侧 边与螺纹轴线的垂线间的夹角称为牙型斜角 。对于三角 形、梯形螺纹等对称牙型， =/2。,四. 螺纹副的受力关系及效率,由机械原理可知螺旋副在拧紧、松开时的受力 关系、效率和自锁为：,F螺旋副所 受轴向力,自锁条件,松开力,松开时效率,-牙型斜角,一）螺栓联接 ,16-2 螺纹联接,一. 螺纹联接的基本类型,结构特点：,普通螺栓联接,1. 普通螺栓（即受拉螺栓）联接,受力特点：,联接承受外载荷时，螺栓受拉力作用,使用方便,通常被联接件不太厚，能从被联接件两边进行装配的场合。,被联接件通孔和螺栓间有间隙,通孔加工精度要求较低，其 结构简单、装拆方便，应用广泛。,2. 铰制孔用螺栓（即受剪螺栓）联接。,被联接件孔和螺栓杆之间常采用基孔制过渡配合（H7/m6， H7/n6）。用于要求精确固定被联接件相对位置，并能承受横向 载荷，但孔的加工精度要求较高。,铰制孔用螺栓联接,普通螺栓联接,受力特点：联接借助螺栓杆承受横向外载荷，螺栓受剪力作用。,结构特点：,将螺栓一端旋紧在一被联接件的螺纹孔内，另一端穿过另一 被联接件的孔，旋上螺母，从而将被联接件联成一体。,二）双头螺柱联接,用于被联接件之一太厚不便穿孔，且需经常装拆或结构上受限制不能采用螺栓联接的场合。,注意：被联接件上螺纹孔底部正确绘制,d,特点：,应用：,螺钉联接不用螺母，而是直接将螺钉拧入被联接件之一的螺纹孔内，从而实现联接。,三）螺钉联接,用于被联接件之一较厚的场合，不经常装拆联接的场合。,注意：被联接件上螺纹孔底部正确绘制,特点：,应用：,特点：紧定螺钉联接，是利用紧定螺钉旋入一零件，并以其末端顶紧另一零件（或该零件的的凹坑 内）来固定两零件之间的相互位置,四）紧定螺钉联接,应用：可用于传递不大的力及转矩，多用于轴和轴上零件的联接。,二. 螺纹联接件,紧定螺钉联接,一）螺栓,二）双头螺栓两端均制有螺纹，两端螺纹可相同（均为粗牙）也可不同（一端为粗牙，另一端为细牙）。,六角头铰制孔用螺栓,三）地脚螺栓是将机座固定在地基上一种特殊螺栓。,地脚螺栓,螺钉头部结构型式,外六角头,内六角头,一字槽沉头,十字槽沉头,十字槽半圆头,四）螺钉、紧定螺钉螺钉头部、紧定螺钉末端有多种结构型式,锥端,平端,圆柱端,尖锥端,紧定螺钉末端结构,五）螺母,六角薄螺母,六角厚螺母,六角槽形螺母,圆螺母,六） 垫圈,平垫圈,斜垫圈,弹簧垫圈,圆螺母用带翘垫圈,拧紧力矩T等于螺旋副间的阻力矩T1与螺母环形端面和被连接件(或垫圈)支承面间的摩擦力矩T2之和，即,拧紧力矩和预紧力,三、 螺纹连接的预紧,预紧的目的是为了增强连接的刚性、紧密性和防松能力。,式中： 螺母与被连接件的环形接触面的外径和内径； K-拧紧力矩系数，般K=0.10.3，平均取K=0.2。,通常通过控制拧紧力矩等方法来控制预紧力的大小。用测力矩扳手或定力矩扳手可控制拧紧力矩。,为保证螺纹连接的可靠性，对于重要的螺栓连接，在装配时应采用一定的措施控制预紧力。,测力矩板手：测出预紧力矩,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。,M12,1摩擦防松 这类防松措施是使拧紧的螺纹之间不因外载荷变化而失去压力，即始终有摩擦阻力防止联接松脱。这种方法不十分可靠，故多用于冲击和振动不剧烈场合。常用的有如下几种：,弹簧垫圈,双螺母,四、螺纹连接的防松,2. 机械防松,机械防松的措施是，利用各种止动零件，以阻止拧紧的螺纹零件产生相对转动。这类防松方法相当可靠，应用很广。常用的方法有：,槽形螺母和开口销,串联钢丝,正确结构,错误结构,止动垫圈,3. 破坏及改变螺旋副关系,粘合防松将粘合剂涂于螺纹旋合表面，拧紧螺母后，粘合剂能自行固化，防松效果良好。,冲点法防松,焊住防松,16-3 螺栓联接的强度计算,一. 螺栓联接强度计算的目的： 确定螺栓的公称直径d,二. 螺栓联接的失效形式及计算准则,2 .受剪螺栓（受横向载荷的铰制孔螺 栓）,1 .受拉螺栓（受轴向载荷或横向载荷的普通螺栓）,普通螺栓联接,铰制孔用螺栓联接,主要破坏形式为螺栓杆和螺纹部分可能发生塑性变形或断裂,计算准则： 保证螺栓的静力（或疲劳）拉伸强度。,螺栓杆与孔壁间压溃或螺栓杆被剪断,计算准则: 保证联接的挤压强度和螺栓的剪切强度，其中联接的挤压强度对联接的可靠性起决定性的作用。,吊环螺栓联接（松）,气缸盖螺栓联接（紧）,三. 螺栓联接的强度计算,松螺栓联接装配时不需拧紧螺母如吊环螺栓联接,紧螺栓联接装配时必须将螺母拧紧，应用广泛。 如气缸盖螺栓联接等。,一）受拉螺栓连接,螺栓危险剖面的抗拉强度条件为：,(一） 松螺栓联接,工作载荷前，螺栓并不受力,工作时受拉力F（由外加载荷产生）,MPa,校核计算式：,d1 螺栓危险剖面直径，即螺纹小径，mm；,吊环螺栓联接,螺栓的公称直径d确定：根据d1查普通螺纹基本尺寸（GB196-81）机械设计课程设计表11-1，确定螺栓的公称直径d。, 松螺栓联接的许用应力，Mpa，,螺栓材料的屈服极限（见表16-5p337）,S松松螺栓联接的安全系数，S=1.21.7,14,11.835,1.只受预紧力 的紧螺栓联接,普通螺栓（即受拉螺栓）联接,铰制孔用螺栓（即受剪螺栓）联接,铰制孔用螺栓联接,普通螺栓联接,只受预紧力F 的紧螺栓联接,同时受预紧力F 和轴向工作载荷F的紧螺栓联接（略）,采用普通螺栓联接承受横向外载荷FR,被连接件间不发生相对滑移的条件：其接合面之间的摩擦力必须大于横向载荷，即：,结构特点：螺栓杆与孔间有间隙,承载原理：靠被连接件接合面间的 摩擦力来承受横向外载荷,普通螺栓联接,螺栓受力：螺栓所受拉力不变，均 等于预紧力F ,预紧力F 大小：根据防止被连接件间发生相对滑移所需要的接合面之间的摩擦力Ff来决定。,预紧力F 计算式：,-可靠性系数，常取 =1.11.3,f 被联接件接合面之间的摩擦系数表16-2(P331),m 被联接件接合面的面数,式中：,FR 单个螺栓所受横向外载荷,Z个螺栓联接时：,螺栓危险剖面的抗拉强度条件为：,MPa,校核计算式：,设计计算式：,式中：,1.3 考虑拧紧螺母时，螺栓在力矩T作用下，扭剪应力影 响，将拉力增大30%。,e 紧螺栓的当量拉应力, 紧螺栓联接的许用应力，Mpa，, 螺栓材料的屈服极限 见表16-4(P336),S紧紧螺栓联接的安全系数，表16-6a(P337),2.受预紧力和轴向工作载荷的紧螺栓连按(1) 螺栓和被连接件的受力与变形,工作时,螺栓：再加F 总伸长（ ）总拉力F0,被联件：总压缩量（ ）联接面间受压F”,F+F,(2) 各力的关系式,总拉力,剩余预紧力,螺栓相对刚度,被联件相对刚度,所以,归纳： 这三个公式是计算受轴向载荷紧螺栓连接的基本公式，C1(C1+C2)为螺栓的相对刚度,大小与螺栓及被连接件的材料、尺寸、结构形状和垫片等因素有关，其值在01之间变动。若被连接件的刚度很大(如采用刚性簿垫片)，而螺栓的刚度很小(如细长或空心螺栓)时，则螺栓的相对刚度趋于零；反之，其值趋于l。为了降低螺栓的受力，提高螺栓连接的承载能力，应使C1(C1+C2)值尽量小些。C1/(C1+C2)值可通过计算或实验确定。,一般设计时可参考表163。C2(C1+C2)为被连接件的相对刚度，因C2(C1+C2)=1-C1(C1+C2)，则可按C1(C1+C2)值求得C2(C1+C2)。,螺栓工作载荷过大时，使连接出现缝隙,这是不允许的。显然F应大于零，以保证连接的紧密性。选择F”时：, 有紧密性要求的螺栓连接，通常可取F”=(1.51.8)F, 一般的连接，工作载荷稳定时，可取F”=(0.20.6)F, 外载荷有变化时,可取F”=(0.61.0)F;, 地脚螺栓连接，可取F“F;,考虑在工作载荷下可能补充拧紧螺母,强度条件同受横向载荷的普通螺栓联接,保证联接的紧密性,剩余预紧力,(3)按静载与变载两种情况计算强度 受轴向静载荷螺栓连接的强度计算,对于受轴向变载荷的重要连接(如内燃机气缸盖螺栓连接，其气缸反复进、排气)，其螺栓所受工作载荷如图所示在0F之间变化，因而螺栓所受的总拉力在FF0之间变化。设计时一般可先按受静载荷强度计算螺栓直径，然后校核其疲劳强度。, 受轴向变载荷螺栓连接的强度计算,影响变载下疲劳强度的主要因素是应力幅。因此螺栓疲劳强度的校核公式为,式中： 螺栓的许用应力幅，MPa，按表16-6a所给的公式计算。,二）采用铰制孔用螺栓联接承受横向外载荷F,结构特点：螺栓杆与被连接件孔间无间隙,承载原理：靠螺栓杆受剪切及螺栓杆与被连接件受挤压来承受横向外 载荷,铰制孔用螺栓联接,螺栓杆受剪切力：F =Fs,螺栓杆与被连接件配合面受挤压力：F = Fs,螺栓的剪切强度条件：,螺栓杆与孔壁配合面的强度条件：,式中：,d0 螺栓剪切面直径（螺栓杆直径），mm；,h 计算对象的最小受压高度，mm;,螺栓或孔壁材料为钢：,螺栓或孔壁材料为铸铁：,许用剪应力,设计计算由螺栓的剪切强度条件决定螺栓公称直径,按d0查标准确定螺栓公称直径d,164 螺栓组联接的设计,圆形、矩形、三角形等,(2) 螺栓布置使各螺栓受力合理,(3) 分部在同一圆周上的螺栓数目成偶数,便于钻孔时分度或画线,1.螺栓组联接的结构设计,(1) 结合面力求简单、对称,(4) 为增加可靠性，减小直径，可采用减载装置,套筒减载,键减载,销钉减载,止口减载,(5) 螺栓排列的间距、边距合理,留有板手空间,支承面应平整且与螺栓轴线垂直,(6) 避免螺栓承受附加的弯曲载荷,(1) 受轴向载荷的螺栓组联接,求每个螺栓的工作载荷,求单个螺栓所受总载荷,强度校核,2.螺栓组联接的受力分析,FQ,F,F,(2) 受横向载荷的螺栓组联接,单个螺栓所受的工作载荷,求预紧力,强度校核,FFFS,FS,单个螺栓所受的工作载荷,(3) 受转矩的螺栓组联接, 采用普通螺栓时,底板上每个螺栓的预紧力相同，均为,求预紧力,螺栓轴线到螺栓组对称中心的距离,强度校核, 采用铰制孔用螺栓时,求工作剪力,强度校核,所以,由底板静力平衡条件,两边同乘rmax,r1,r2,受翻转力矩M的底板螺栓组连接。假设底板为刚体，在力矩M作用下接合面保持平面，并且底板有绕对称轴线OO翻转的趋势，对称轴线左侧的螺栓被拉紧，螺栓的轴向力增大；,(4). 受翻转力矩M的螺栓组连接,而对称轴线右侧的螺栓被放松，使螺栓的预紧力减少。即在此翻转力矩M的作用下，引起左、右两侧各螺栓产生工作载荷，其对O-O轴线之力矩之和必和此翻转力矩M相平衡,底板的平衡条件为：,根据螺栓变形协调条件，各螺栓的拉伸变形量与其轴线到螺栓组对称轴线的距离成正比。因为各螺栓的拉伸刚度相同，所以左、右两侧螺栓的工作载荷与这个距离成正比。,Fmax 受力最大螺栓的工作拉力；,L max 受力最大螺栓至轴线的距离。,式中：,受力最大螺栓所受的工作拉力Fmax为：,受力最大螺栓的总拉力F0 ：,对于受翻转力矩的螺栓组联接，不仅要对螺栓进行强度计算，而且还应保证接合面不因挤压应力过大而压溃，并要使接合面的最小挤压应力大于零。,在预紧力作用下，接合面的挤压应为：,在翻转力矩M的作用下，左边接合面的挤压应力减小，右边接合面的挤压应力增大，接合面间挤压应力,相对刚度 的值为1,接合面最大受压处不压溃的条件为,接合面最小受压处不出现间隙的条件：,五、 按受力最大的螺栓进行强度计算 通过螺栓组连接的受力分析求出受力最大的螺栓及其所受的力后，即可按单个螺栓连接的强度计算方法进行计算。 必须注意:1. 松连接螺栓，只受拉伸外载荷F，则应以 =F为载荷进行强度计算；2. 受横向载荷的受拉普通紧螺栓组连接和受扭转力矩的受拉普通紧螺栓组连接，螺栓只受预紧力F，则应乘以系数1.3以考虑预紧时扭转力矩的影响，并以 = 1.3F为载荷进行强度计算;3.受轴向载荷的普通紧螺栓组连接和受翻转力矩的普通紧螺栓组连接，螺栓受预紧力和工作载荷，则应以 = 1.3F0为载荷进行强度计算；4.受剪的铰制孔用螺栓组连接和受扭转力矩的受剪铰制孔用螺栓组连接。则应以螺栓所受的剪力(或挤压力) =FS，或 =Fmax为载荷进行剪切及挤压强度计算。,螺栓连接的强度主要取决于螺栓的强度。 影响螺栓强度的因素很多，主要涉及螺纹牙的载荷分配，应力幅、应力集中、附加应力和材料的力学性能等几个方面。,一、改善螺纹牙间的载荷分配,从螺母支承面算起，第一圈螺纹变形最大，因而受力也最大，以后各圈递减。即80以上载荷集中作用于第一、二圈的螺纹面上。因此采用圈数过多的加厚螺 母，并不能提高连接的强度。,螺栓和螺母的刚度及变形性质不同，各圈螺纹牙上的受力也不同。,当连接受载时，螺栓受拉伸，外螺纹的螺距增大；而螺母受压缩，内螺纹的螺距减小。,165 提高螺栓连接强度的措施,为了改善螺纹牙上载荷分配的现象常采用以下几种方法。 1. 尽可能将螺母制成受拉的结构 图a为悬置螺母，螺母的旋合部分全部受拉，其变形性质与螺栓相同，从而可减少两者的螺距变化差，使螺纹牙上载荷分布趋于均匀。 2. 减小螺栓受力大的螺纹牙受力面 图b为内斜螺母，螺母旋入端受力大的几圈螺纹处制1015的斜角可减小原螺栓受力大的螺纹的刚度而将力转移到受力小的牙上，使载荷分布趋于均匀。图C所示的螺母兼有悬置螺母和内斜螺母的作用。,二. 减小螺栓的应力幅 受变载荷的紧螺栓连接，在最大应力定时，应力幅越小，疲劳强度越高。在工作载荷F和剩余预紧力F不变的情况下，降低螺栓刚度或增大被连接件刚度都能达到减小应力幅的目的，但预紧力F应该有所增加。,降低螺拴刚度的措施有：增加螺栓的长度；适当减小螺栓无螺纹部分的截面积；在螺母下面安装弹性元件等。,三、采用合理的制造工艺 采用冷墩头部和液压螺纹的螺栓，由于有冷作硬化的作用，使金属组织紧密，金属流线走向合理，所以其疲劳强度比车削螺纹提高35左右。 四、避免附加弯曲应力 为减小和避免弯曲应力，可采用经机械加工后制成的凸台与沉头座、球面垫圈斜面垫圈等来保证螺栓连接的装配精度。,五、减小应力集中的影响 螺栓的螺纹牙根、螺纹收尾和螺栓头部与螺栓杆的过渡圆角等处都产生应力集中。为了减小应力集中，采用较大的过渡圆角半径，或将螺纹收尾改为退刀槽等。 此外，碳氮共渗，渗氮、喷丸、表面硬化处理也能提高螺栓疲劳强度。,例1. 厚度=12mm的钢板用4个螺栓固连在厚度1=30mm的铸铁支架上，螺栓的布置有例图(a)、(b)所示的两种方案。 已知螺栓材料为Q235，=95MPa，=96 MPa，钢板 P=320 MPa，铸铁 pl=180MPa，接合面间摩擦系数f=0.15，可靠性系数Ks=1.2，载荷F=12000N，尺寸L=400mm，a=100mm。 (1)试比较哪种螺栓布置方案合理， (2)按照螺栓布置合理方案，分别确定采用普通螺栓连接和铰制孔用螺栓连接时的螺栓直径。,图1.1,解 1螺栓组连接受力分析 (1)将载荷F向螺栓组连接的接合面形心点O简化，得一横向载荷F =12000N和一旋转力矩T=FL=120000.4=4800Nm，如图1.2所示。,图1.2,(2)确定各个螺栓所受的横向载荷。在横向力F作用下，各个螺栓所受的横向载荷FS1大小相同，方向同F 。 而在旋转力矩T作用下，由于各个螺栓中心至形心点O的距离相等，所以各个螺栓所受的横向载荷FS2大小也相同，但方向各垂直于螺栓中心与形心O的连线。,图1.3,对于方案(a)，各螺栓中心至形心点O的距离为,由图可知，螺栓1和2所受两力夹角最小，故螺栓1和2所受横向载荷最大，即,对于方案(b)，各螺栓中心至形心点O的距离为,由图13(b)可知，螺栓1所受横向载荷最大，则(3) 两种方案比较：在螺栓布置方案(a)中受力最大的螺栓1所受的总横向载荷 F Smax=10 820N而在螺栓布置方案(b)中，受力最大的螺栓1所受的总横向载荷 F Smax=15 000N 方案(a)比较合理。,2.按螺栓布置方案(a)确定螺栓直径(1)采用铰制孔用螺栓连接因为铰制孔用螺栓连接是靠螺栓光杆受剪切和配合面间受挤压传递横向载荷，因此按剪切强度设计螺栓光杆部分直径ds。 查GBT 27-1988，取M12 X 60(ds =13mm 1198mm)。,图1.4,校核配合面挤压强度。如例图14所示配合面尺寸，螺栓光杆与钢板孔间 螺栓光杆与铸铁支架孔间 故配合面挤压强度足够。,(2) 采用普通螺栓连接求螺栓所需的预紧力f 由 f F=KSFS 得根据强度条件式，可得螺栓小径d1，即查GB 196-1981，取M45(d1=40.129mm38.84mm)。,分析托架上的普通螺栓联接,(1) 将 P 向中心简化,(2) 螺栓组受载,横向载荷 R,轴向载荷 Q,倾覆力矩 M,(3) 可能的失效,在 R 作用下，托架移动,在 Q 和 M 作用下，结合面上部分离,在 Q 和 M 作用下，结合面下部压溃,受力最大的螺栓拉断或塑变,本章的主要内容,1. 螺纹类型及主要参数;,3 . 螺旋副的受力、效率及自锁;,4 . 单个螺栓的强度计算; 重点,5 . 螺栓组的结构设计. 重点,本章内容小结,2 . 螺纹联接的主要类型及螺纹联接件; 重点,作业：15-5 15-6 15-8,结 束,