第四章螺紋連接及螺栓連接 機械設計第八版課件(高等教育出版社)

第四章螺紋聯接與螺旋傳動§4-1螺紋§4-2螺紋聯接§4-3單個螺栓聯接的強度計算§4-6螺旋傳動§4-5提高螺栓聯接強度的措施§4-4螺栓組聯接受力分析與計算

聯接綜述

主講：胡昌軍聯接綜述聯接綜述由于使用、結構、制造、裝配、運輸等方面的原因，機器中很多零件需要彼此聯接。機械零件之間的聯接分為：被聯接件之間相互完全固定。被聯接件之間能產生一定的相對運動。例如：運動副。靜聯接：動聯接：本課程介紹的聯接主要是靜聯接。聯接的類型：螺紋聯接鍵聯接、花鍵聯接、銷聯接彈性環聯接等鉚接焊接粘接聯接可拆聯接不可拆聯接過盈聯接（介于兩者之間）§4-1螺紋§4-1螺紋一、螺紋的主要參數大徑d

－－是螺紋的公稱直徑。小徑d1－－常用于強度計算。中徑d2－－常用于幾何計算。螺距P

－－相鄰兩螺紋牙上對應點間的軸向距離。導程Ph－－沿螺紋上同一條螺旋線轉一周所移動的軸向距離，Ph

=nP。線數n

－－螺紋的螺旋線數目。牙型角a－－在軸向截面內，螺紋牙型兩側邊的夾角。牙型斜角β－－在軸向截面內，螺紋牙型一側邊與螺紋軸線的垂線之的夾角。螺紋升角y－－螺旋線的切線與垂直于螺紋軸線的平面間的夾角。螺紋的類型螺紋二、螺紋的類型螺紋外螺紋內螺紋圓柱螺紋圓錐螺紋左旋右旋常用右旋效率較高，主要用于螺旋傳動此外還有管螺紋：主要用于管路的聯接。按牙型分為普通螺紋：矩形螺紋梯形螺紋鋸齒形螺紋（詳見表4－1）效率低，易自鎖，多用于聯接。詳細介紹螺紋升角斜面摩擦分析使滑塊等速運動所需要的水平力等速上升：平衡條件：驅動力：等速下滑：平衡條件：維持力：自鎖條件：當yr時，F0，滑塊不能在重力作用下自行下滑。結論：當yr時，滑塊自鎖。Y-斜面傾角，r=arctanf—摩擦角yyFFaFRy+r

v12FaFFnfFnv12FFay–rFRFRFaFFnfFnrFRr螺紋矩形螺紋（β=0）螺旋副（螺母與螺桿）的相對運動滑塊沿斜面運動假設：1)載荷分布在中線上;2)單面產生摩擦力螺旋升角Fad2dd1ys=npv12rFRnnFFay擰緊力擰緊力矩防松力防松力矩自鎖條件yr效率η＝有效功／輸入功＝Ｆa·Ｓ／（Ｆπｄ2）螺紋槽面摩擦力分析：摩擦力：當量摩擦角：12Fn’2ρ’Fn’結論：槽面的摩擦力大于平面的摩擦力1111Fv121FRFn’F21Fn’Fn/2Fn/2Fn/2Fn/2螺紋§4-2螺紋聯接§4-2螺紋聯接一、螺紋聯接的基本類型受拉螺栓聯接（普通螺栓聯接）受剪螺栓聯接（鉸制孔用螺栓聯接）1）螺栓聯接2）雙頭螺柱聯接3）螺釘聯接4）緊定螺釘聯接（詳見表4－2）詳細說明螺栓、螺柱、螺釘、螺母等稱為螺紋聯接件。在機械制造中常用螺紋聯接件的結構型式和尺寸都已經標準化，設計時可以根據有關標準選用。受拉螺栓受剪螺栓雙頭螺柱聯接螺釘聯接緊定螺釘聯接螺紋聯接的擰緊螺紋聯接二、螺紋聯接的擰緊大多數螺紋聯接在裝配時就已經擰緊，稱之為預緊。預緊使聯接中的零件所受的力稱為預緊力，用

F′表示

。預緊的目的：增大聯接的剛性；提高緊密性；防松。預緊力的控制：

通常，通過控制擰緊力矩M

來控制預緊力。1.擰緊力矩和預緊力螺紋間摩擦力矩T1支承面處與螺母間摩擦力矩T2擰緊力矩T：T=T1+T2其中：所需擰緊力矩：注意：對于重要的聯接，盡可能不采用直徑過小(＜M12)的螺栓。可采用測力矩扳手或定力矩扳手控制擰緊力矩。對于重要的螺栓聯接，也可以通過控制螺栓的伸長量來控制預緊力。對于M10~M68的粗牙螺紋，副間無潤滑取fc=0.15，tanρ’=0.15一般預緊應力為材料屈服極限的50%----70%螺紋聯接的防松螺紋聯接三、螺紋聯接的防松螺紋聯接一般都能滿足自鎖條件不會自動松脫。但在沖擊、振動或變載荷作用下，或在溫度變化較大時，螺紋聯接可能會產生松脫現象。防松的本質在于防止螺旋副相對轉動。按工作原理的不同，防松方法分三類：（詳見表4－3）摩擦防松機械防松永久止動詳細說明雙螺母彈簧墊圈開縫螺母尼龍鎖緊螺母鎖緊螺母緊定螺釘摩擦防松機械防松開口銷止動墊圈金屬絲防松焊、鉚沖點粘合永久止動螺紋聯接螺紋聯接的防松2§4-3單個螺栓聯接的強度§4-3單個螺栓聯接的強度計算本節以螺栓聯接為代表，討論強度計算問題，其方法和結論也適用于其他形式的螺紋聯接。螺栓聯接強度計算的目的是：確定防止失效所需的螺栓直徑。聯接的強度計算內容，根據其可能的失效形式而定。螺紋聯接的受載形式基本分為：采用受拉螺栓可用受剪螺栓，也可用受拉螺栓。軸向載荷（沿軸線方向）：橫向載荷（⊥軸線方向）：下面按螺栓類型和受載形式的不同，分別討論其強度計算方法。受剪螺栓的強度2）擠壓強度條件為：1）螺栓桿的剪切強度條件為：式中：Fs－螺栓所受的工作剪力（N）；

ds－螺栓剪切面的直徑（mm）；

m－螺栓受剪面數；－螺栓的許用切應力，見表4－9。單個螺栓聯接的強度計算式中：h－計算對象（即最小者）的擠壓面高度（mm）；－計算對象的許用擠壓應力（Mpa)，見表4－9。一、受剪螺栓聯接的強度計算失效形式為：1）螺栓被剪斷；2）孔壁被壓潰受拉螺栓的強度單個螺栓聯接的強度計算二、受拉螺栓聯接的強度計算受拉螺栓聯接松聯接：不預緊的。緊聯接：預緊的。1.松螺栓聯接的強度計算工作中，松螺栓只受工作拉力

F

。

強度條件為：設計式為：≥式中：d1－螺紋小徑（mm）；實例主要失效形式：螺紋部分的塑性變形。螺桿的疲勞斷裂。－螺栓的許用拉應力（Mpa)。僅受預緊力的螺栓聯接單個螺栓聯接的強度計算2.緊螺栓聯接的強度計算1）僅受預緊力F′的緊螺栓聯接這種聯接在擰緊的瞬間最危險，此時：F′引起的拉應力：此外，還有擰緊力矩M

引起的切應力。經分析推導可知：按第四強度理論計算當量應力，則承受軸向載荷的緊螺栓聯接強度條件為：單個螺栓聯接的強度計算設計式為：2）承受軸向載荷的緊螺栓聯接如右圖所示的氣缸蓋上的聯接即屬此種類型。雖然，這種螺栓是在受預緊力F′的基礎上，又受工作拉力F。但是，螺栓的總拉力

。為什么？承受軸向載荷的緊螺栓2預緊時受工作載荷后F″－剩余預緊力螺栓：被聯接件：螺栓的總拉力為：單個螺栓聯接的強度計算bFdμ￠承受軸向載荷的緊螺栓3可用載荷變形圖分析各力之間的關系。螺栓的剛度：Cb被聯接件的剛度：Cm力變形力變形力變形則螺栓的總拉力

或寫成：受力變形動畫單個螺栓聯接的強度計算承受軸向載荷的緊螺栓4單個螺栓聯接的強度計算令，稱為螺栓的相對剛度，其值見表4－4。為保證聯接的緊密性，應使F″

＞0。通常根據工作拉力F的性質確定F″。（見教材P72）設計中，根據F確定F″計算滿足F″所需的F′計算總拉力計算螺栓的強度。a)靜強度計算（F不變化時）強度條件為：≤注：式中“1.3”

考慮的是工作中可能的補充擰緊引起的切應力的影響。設計式為：≥螺栓的疲勞強度計算b)疲勞強度計算（F變化時）當工作拉力在0～F之間變化時，螺栓的總拉力在～之間變化。則螺栓的應力幅強度條件≤許用應力幅單個螺栓聯接的強度計算螺紋聯接件的許用應力b)

疲勞強度計算的許用應力幅:式中：、－見表4－8。：可按經驗公式近似計算－見表4－7。c)受剪螺栓聯接的許用應力，見表4－9。單個螺栓聯接的強度計算三、螺紋聯接件的許用應力螺栓、螺釘、螺柱性能等級示例：，（見表4－5）a)靜強度計算的許用拉應力:式中：S－安全系數。松螺栓聯接：S=1.2～1.7緊螺栓聯接：S

的值見表4－7。說明含義為MPa§4-4螺栓組聯接受力分析目的：求出螺栓組中受力最大的螺栓及其所受的力，以便進行螺栓聯接的強度計算。假設：1)

所有螺栓的剛度和預緊力均相同；

2)

被聯接件為剛體；

3)

各零件的變形在彈性范圍內。§4-4螺栓組聯接受力分析與計算一、承受軸向載荷時

當通過螺栓組形心時，各螺栓所受的工作載荷相等。則螺栓個數注：如不通過螺栓組的形心，應向形心平移后再計算。螺栓組聯接的基本受載類型有四種：受橫向載荷1二、受橫向載荷時1）用受拉螺栓螺栓預緊后在被聯接件的接觸面上產生正壓力，靠由此產生的摩擦力承受。保證被聯接件不相對滑動，須滿足：則所需預緊力為式中：K－可靠性系數，見教材

P78。－結合面的摩擦因數。見教材P78。m－結合面數。注：為減小螺栓直徑，可采用減載措施。螺栓組聯接受力分析與計算受橫向載荷22）用受剪螺栓

通過螺栓組形心時，在前述假設下，各螺栓承受的橫向力相等。則注：a)

不通過螺栓組形心時，向形心平移后再計算。b)沿方向上的受剪螺栓個數不宜過多。螺栓組聯接受力分析與計算減載裝置：（圖4－15）承受轉矩T時1三、承受轉矩T時1）用受拉螺栓靠結合面上的摩擦力承受T。保證底板在T作用下不轉動，須滿足≥則所需預緊力≥式中：、－見教材P78。螺栓組聯接受力分析與計算O承受轉矩T時22）用受剪螺栓螺栓組聯接受力分析與計算在前述假設下，各螺栓所受的工作剪力與其中心到底板中心的距離成正比。底板的靜力平衡方程為聯立兩式求解，得最大工作剪力即O受傾覆力矩M時1螺栓組聯接受力分析與計算四、受傾覆力矩M時M在M作用下，底板有繞通過螺栓組形心的軸線O轉動的趨勢。在前述假設下，各螺栓所受的工作拉力與其中心到翻轉軸線的距離成正比。聯立兩式求解，得最大工作拉力OO即：底板的靜力平衡方程為：受傾覆力矩M時2為防止結合面受壓最小處出現間隙，要求：為防止結合面受壓最大處被壓潰，要求：式中：A－結合面的面積（mm2）。W－結合面的抗彎截面模量（mm3）。－許用擠壓應力（Mpa），見表4－9。螺栓組聯接受力分析與計算注：實際中，螺栓組往往同時承受兩種或兩種以上的載荷。實例螺栓組聯接受力分析與計算例：如圖所示的支架受F力。將F力分解并向螺栓組形心及結合面平移，得：軸向載荷橫向載荷翻轉力矩設計中，需要防止如下四種可能的失效形式：上沿開縫；下沿壓潰支架下滑；需要足夠大的。螺栓拉斷；需要足夠大的螺栓直徑。螺栓組聯接受力分析與計算螺栓組聯接受力分析與計算螺栓組聯接受力分析與計算螺栓組聯接受力分析與計算§4-5提高螺栓強度的措施§4-5

提高螺栓聯接強度的措施可從以下幾個方面提高螺栓的強度。4）采用合理的制造工藝。2）減小螺栓的應力幅。3）減小附加彎曲應力。1）改善各螺紋牙受載不均的現象。工作中，螺栓受拉，螺母受壓，從而產生螺距差，導致旋合的各圈螺紋牙受載不均。見圖4－19。改善措施：采用懸置螺母、環槽螺母、內斜螺母。采用鋼絲螺套。分析見圖4－23。（）減小增大均可使減小。措施：冷鐓、碾壓、氮化、噴丸等工藝均可提高螺栓的強度。說明見圖4－27。凸臺、沉頭座斜墊圈、球面墊圈措施：分析見圖4－20。見圖4－21螺紋聯接組的設計1螺栓組聯接的設計在設計螺栓組聯接時，關鍵是聯接的結構設計。它是根據被聯接件的結構和聯接的用途，確定螺栓數目和分布形式。為了便于加工制造和對稱布置螺栓，保證聯接結合面受力均勻，通常聯接結合面的幾何形狀都設計成軸對稱的簡單幾何形狀。螺栓布置應使各螺栓的受力合理。螺栓的排列應有合理的間距、邊距。為了便于在圓周上鉆孔時的分度和畫線，通常分布在同一圓周上的螺栓數目取成4、6、8等偶數。避免螺栓承受附加的彎曲載荷。說明說明說明螺栓組聯接的結構設計各螺栓之間的距離大小既要保證聯接的可靠性又要考慮裝拆方便，還應留有足夠的扳手空間。大多數機械中螺栓都是成組使用的。

螺旋傳動1§4-6

螺旋傳動一、螺旋傳動的類型和應用傳力螺旋傳導螺旋調整螺旋螺旋傳動按其螺旋副摩擦性質的不同，又可分為：說明滑動螺旋滾動螺旋靜壓螺旋說明螺旋傳動是利用螺桿和螺母組成的螺旋副來實現傳動的。它主要用于將回轉運動轉變為直線運動，同時傳遞動力。螺旋傳動按其用途不同，可分為三種類型:螺旋機構在機床的進給機構、起重設備、鍛壓機械、測量儀器、工具、夾具、玩具及其他工業裝備中有著廣泛的應用。

螺旋傳動常見的運動形式有：螺桿轉動，螺母移動或螺母固定，螺桿轉動并移動。

螺旋傳動2螺旋傳動二、滑動螺旋的結構和材料1．滑動螺旋的結構滑動螺旋的結構主要是指螺桿、螺母的固定和支承的結構形式。螺旋傳動的工作剛度與精度等和支承結構有直接關系。螺桿的材料要有足夠的強度和耐磨性。螺母的材料除了要有足夠的強度外，還要求在與螺桿材料相配合時摩擦系數小和耐磨。2．滑動螺旋的材料說明

整體螺母剖分螺母螺母結構:見表4－10螺旋傳動3螺旋傳動三、滑動螺旋傳動的設計計算主要失效形式:螺牙的磨損

設計準則：按抗磨損確定直徑，選擇螺距，校核螺桿、螺母強度等。1．耐磨性計算滑動螺旋的耐磨性計算，主要是限制螺