第03章螺紋聯(lián)接

1、機(jī)械設(shè)計,第三章螺紋聯(lián)接Threaded Fasteners,第三章螺紋聯(lián)接,第一節(jié)螺紋及螺紋聯(lián)接的主要類型,一、螺紋的形成(Generation),二、分類(Forms),,按螺紋母體形狀分：圓柱形(Column)螺紋、圓錐形(Taper)螺紋。按螺紋牙型分：三角形(V Thread)、矩形(Square)、梯形(Acme)、鋸齒形(Buttress)螺紋。按螺紋旋向分：右(Right)旋和左(Left)旋按螺旋線的數(shù)目

2、，可分為單線(single)、雙線(Double)、三線等。根據(jù)螺紋在圓柱表面上的位置，分為：外(External)螺紋：在圓柱外表面上形成；內(nèi)(Internal)螺紋：在內(nèi)壁上形成。內(nèi)外螺紋兩者旋合組成的運動副稱為螺紋副。,按螺紋牙型分類,Square,Acme,Buttress,V Thread,Pipe Thread,按螺旋線的數(shù)目分類,三、圓柱螺紋的主要參數(shù),直徑(Diameter)大徑(Major dia.)d小徑

3、(Minor dia.)d1中徑(Pitch dia.)d2螺距(Pitch)P 導(dǎo)程(Lead)S 升角(Lead angle)y 牙型角(Thread angle)a 牙型斜角b 螺紋工作高度(Working depth)h,升角(Lead angle)y,四、螺旋副的受力分析、效率與自鎖,矩形螺紋的受力分析① 擰緊螺母時的受力分析② 旋松螺母時的受力分析 非矩形螺旋副的受力分析,1）受力分析(Force ana

4、lysis),在矩形螺旋副中，若螺母上作用有軸向載荷Q（包括外載荷與自重）時，螺母在螺旋副上的運動情況可看作推動一重物（滑塊）Q沿螺旋運動。,擰緊螺母時的受力分析,當(dāng)螺母旋轉(zhuǎn)一周時，輸入功率(驅(qū)動功)為：,升舉重物所作的有效功(輸出功)為：,螺旋副的效率(Efficiency),由上式可知：當(dāng)摩擦角一定時，效率只是升角的函數(shù)。,螺旋副的效率圖,旋松螺母時的受力分析,螺旋副的自鎖(Self-locking),當(dāng)y=r時，F(xiàn)=0 ——即去掉

5、支持力F ，滑塊仍能保持平衡。當(dāng)y<r時，F(xiàn)<0 ——即要使滑塊沿斜面等速下滑，必須加一反方向的水平推力F。否則，無論Q有多大，滑塊也不會自行下滑。這種現(xiàn)象稱為螺旋副的自鎖。螺旋副的自鎖條件為： y≤r,2）非矩形螺旋副的受力分析,由于非矩形螺紋的牙型斜角b不等于零，所以在同樣的軸向載荷Q作用下：,有關(guān)公式,力的關(guān)系：,驅(qū)動力矩：,效率：,自鎖條件：,結(jié)論,五、常用螺紋,,Coarse Thread,Fine Thre

6、ad,,,普通螺紋是一種三角形螺紋，a=60°，有粗牙、細(xì)牙之分管螺紋， a=55°矩形螺紋， a=0°?梯形螺紋， a=30°?鋸齒形螺紋,六、螺紋聯(lián)接的主要類型(Types),螺栓聯(lián)接(Bolt and nut)螺釘聯(lián)接(Screw)雙頭螺柱聯(lián)接(Stud and nut)緊定螺釘聯(lián)接(Setscrew),1）螺栓聯(lián)接(Bolt and nut),特點和應(yīng)用：無須在被聯(lián)接件上切制

7、螺紋，使用不受被聯(lián)接件材料的限制。構(gòu)造簡單，裝拆方便，應(yīng)用最廣。用于可制通孔的場合。分為受拉螺栓聯(lián)接和受剪螺栓聯(lián)接。,2）雙頭螺柱聯(lián)接(Stud and nut),特點和應(yīng)用：座端旋入并緊定在被聯(lián)接件之一的螺紋孔中，用于受結(jié)構(gòu)限制而不能用螺栓或希望聯(lián)接結(jié)構(gòu)較緊湊的場合。,3）螺釘聯(lián)接(Screw),特點和應(yīng)用：不用螺母，而且能有光整的外露表面，應(yīng)用于與雙頭螺柱聯(lián)接相似，但不宜用于時常裝拆的聯(lián)接，以免損壞被聯(lián)接件的螺紋孔。,4）緊定螺釘聯(lián)

8、接(Setscrew),Hex Socket Headless Setscrew,特點和應(yīng)用：旋入被聯(lián)接件之一的螺紋孔中，其末端頂住另一被聯(lián)接件的表面或頂入相應(yīng)的坑中，以固定兩個零件的相互位置，并可傳遞不大的力或轉(zhuǎn)矩。,Types of heads (1),Types of heads (2),第三章螺紋聯(lián)接,第二節(jié)螺紋聯(lián)接的擰緊與防松,一、螺紋聯(lián)接的擰緊(Bolt tightening),各種機(jī)械中實際使用的螺紋聯(lián)接，絕大多數(shù)在裝

9、配時就已預(yù)先擰緊，使螺紋聯(lián)接受到較大的預(yù)緊力的作用。其目的是使螺紋聯(lián)接可靠地承受載荷，獲得所要求的緊密性、剛性或防松能力。,1）確定擰緊力矩,F'預(yù)緊力T擰緊力矩T1螺紋阻力矩T2螺母支承面摩擦力矩T3螺釘頭支承面摩擦力矩T4夾持力矩,反映了擰緊力矩、螺紋力矩、預(yù)緊力之間的關(guān)系；一個小的擰緊力可以產(chǎn)生很大的預(yù)緊力，可能導(dǎo)致過載折斷。,2）控制預(yù)緊力的方法,測量螺栓的伸長量或控制應(yīng)力或應(yīng)變；規(guī)定螺母擰緊圈數(shù)；控制

10、擰緊力矩。,二、螺紋聯(lián)接的防松(Thread locking),在靜載荷作用下，聯(lián)接用螺紋能滿足自鎖條件，且螺母與支承面之間的摩擦力矩也有防松作用。因此聯(lián)接一般不會自動松脫。但在變載荷、沖擊振動及溫度變化較大的情況下，螺紋副間和支承面間的摩擦阻力可能瞬時消失，經(jīng)多次重復(fù)后，聯(lián)接就可能松動，甚至松脫而造成事故。螺紋聯(lián)接防松的根本問題在于防止螺紋副相對轉(zhuǎn)動。凡是能滿足這一要求的結(jié)構(gòu)都能防松。按防松原理分，可分為：摩擦防松、機(jī)械防松及永

11、久止動。,1）摩擦防松,使螺紋副中有不隨聯(lián)接載荷而變化的壓力，因而始終有摩擦力矩防止相對轉(zhuǎn)動。壓力可由螺紋副縱向或橫向壓緊而產(chǎn)生。,2）機(jī)械防松,比如：開口銷與槽形螺母止動墊片串聯(lián)金屬絲,利用便于更換的金屬元件約束螺紋副。,開口銷與槽形螺母(Cotter pin & Slotted nut),止動墊片(Lock washer),串聯(lián)金屬絲,機(jī)械防松實例,3）永久止動,焊接

12、 鉚沖,把螺紋幅轉(zhuǎn)動變?yōu)榉沁\動幅，從而排除相對運動的可能。,第三章螺紋聯(lián)接,第三節(jié)螺栓組聯(lián)接的受力分析(Force analysis),螺栓聯(lián)接設(shè)計計算的一般步驟,螺栓組受力和失效分析→找出受力最大的螺栓；單個螺栓受力和失效分析→單個螺栓強(qiáng)度計算確定螺栓的尺寸（直徑、長度）。,受力分析目的,螺栓組聯(lián)接的受力分析目的：根據(jù)聯(lián)接的結(jié)構(gòu)和載荷情況，求出聯(lián)接中受載最大的螺栓及其載荷，為

13、螺栓強(qiáng)度計算提供依據(jù)。,受軸向載荷Q的螺栓組聯(lián)接,每個螺栓承受的工作載荷為：,總拉力的求法見第七節(jié)。,受橫向載荷R的螺栓組聯(lián)接,1）受拉螺栓聯(lián)接每個螺栓需要的預(yù)緊力為：,2）受剪螺栓聯(lián)接每個螺栓受的橫向工作剪力為：,受旋轉(zhuǎn)力矩T的螺栓組聯(lián)接,1）受拉螺栓聯(lián)接每個螺栓需要的預(yù)緊力為：,2）受剪螺栓聯(lián)接受載最大的螺栓承受的橫向工作剪力為：,受翻轉(zhuǎn)力矩M的螺栓組聯(lián)接,受載最大的螺栓承受的軸向工作拉力為：,注意的問題,2）

14、60; 為防止接合面左邊出現(xiàn)間隙，應(yīng)使,1）  為防止接合面右邊被壓潰，應(yīng)使,第三章螺紋聯(lián)接,第四節(jié)單個螺紋聯(lián)接的強(qiáng)度計算,一、失效形式(Failure Types),普通螺栓聯(lián)接在工作時，螺栓主要受軸向拉力，故又稱受拉螺栓聯(lián)接。在靜載荷作用下：螺栓的主要失效形式為螺紋部分的塑性變形或斷裂；在變載作用下，螺栓的主要失效形式為疲勞斷裂。鉸制孔用螺栓聯(lián)接，其工作時，螺栓只承受橫向載荷，故又稱受剪螺栓聯(lián)接，其主要失效形式為螺栓

15、剪斷、栓孔或孔壁壓潰。,計算準(zhǔn)則,對于受拉螺栓聯(lián)接，保證螺栓的靜力或疲勞拉伸強(qiáng)度；對于受剪螺栓聯(lián)接，保證螺栓的剪切強(qiáng)度或聯(lián)接擠壓強(qiáng)度。,二、受拉螺栓聯(lián)接強(qiáng)度計算,螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度計算，主要是根據(jù)聯(lián)接類型、載荷狀態(tài)、裝配條件等確定螺栓受力狀態(tài)。然后按相應(yīng)的強(qiáng)度計算準(zhǔn)則，計算螺栓的危險截面的直徑d1或校核其強(qiáng)度。所用緊固件都是標(biāo)準(zhǔn)件，他們是按等強(qiáng)度原則設(shè)計的，可按螺栓公稱直徑由標(biāo)準(zhǔn)中選取。,1）松螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度計算,設(shè)計公式：,在承受外載

16、荷之前，聯(lián)接并不受力（如起重吊鉤用的螺栓聯(lián)接）。在承受工作載荷后，螺栓受拉，其強(qiáng)度條件為：,2）緊螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度計算,緊螺栓聯(lián)接裝配時需將螺母擰緊，在承受工作載荷之前，中已受到螺紋力矩T1和預(yù)緊力F'的聯(lián)合作用。這是應(yīng)用中較廣泛的情況。按外載荷及結(jié)構(gòu)不同主要分為下面兩種情況： ① 只受預(yù)緊力的緊螺栓聯(lián)接② 受預(yù)緊力和工作拉力的緊螺栓聯(lián)接,只受預(yù)緊力的緊螺栓聯(lián)接,外載荷與螺栓軸線垂直?？柯菟?lián)接預(yù)緊后在接合面之間產(chǎn)生的摩擦力

17、來承受和傳遞橫向力。因而在施加外載荷前后，螺栓所受拉力不變，均為預(yù)緊力F'。只受預(yù)緊力的緊聯(lián)接螺栓的螺紋部分除受預(yù)緊力F'的拉伸作用外，一般還受擰緊力矩T施加給螺栓的螺紋力矩T1的扭轉(zhuǎn)作用。,正應(yīng)力與扭應(yīng)力,一般情況,對于M10~M68普通螺栓，有如下統(tǒng)計規(guī)律：,故：,當(dāng)量應(yīng)力,用于鋼制螺栓是塑性材料，根據(jù)第四強(qiáng)度理論，其當(dāng)量應(yīng)力為,設(shè)計公式：,小節(jié),對只承受預(yù)緊力作用的緊螺栓，雖然受拉伸和扭轉(zhuǎn)的聯(lián)合作用，但在強(qiáng)度計算

18、時，仍可按純拉伸計算，這時只需將所受的拉力增大30％。,討論,靠摩擦力傳遞橫向外載荷的普通螺栓聯(lián)接，構(gòu)造簡單，裝配方便等優(yōu)點。,此時預(yù)緊力為橫向外載荷的8倍，因而所的螺栓直徑和聯(lián)接尺寸都較大，并且在變載作用下或有沖擊時，f不穩(wěn)定，因而可靠性較差。,針對性措施,為避免上述缺點，必要時可采取各種減載裝置，如減載銷、減載套筒、減載鍵等，他們靠擠壓或剪切來傳遞一部分橫向外載荷，這樣F'可以減小，從而使螺栓聯(lián)接的結(jié)構(gòu)尺寸減小。此外，還可改

19、用鉸制孔用螺栓聯(lián)接。,②受預(yù)緊力和工作拉力的緊螺栓聯(lián)接,這類螺栓聯(lián)接擰緊后，螺栓受預(yù)緊力F'的作用，工作時還受到軸向拉力F的作用。螺栓所受的總拉力是否為F'+F？由于螺栓和被聯(lián)接件都是彈性體，當(dāng)應(yīng)變在彈性范圍內(nèi)時，聯(lián)接中各零件受力要由靜力平衡和變形協(xié)調(diào)條件來確定。,螺栓的工作過程,,,公式的推導(dǎo),,,注意的問題,螺栓工作時被聯(lián)接件間是不允許出現(xiàn)間隙的，因此要求剩余預(yù)緊力F "大于零。,強(qiáng)度條件與設(shè)計公式,設(shè)

20、計公式：,一般緊聯(lián)接螺栓通常應(yīng)在承受工作拉力F0之前擰緊。但為了安全，應(yīng)考慮可能在總拉力F0作用下被補(bǔ)充擰緊（應(yīng)盡量避免）。所以此時應(yīng)以F0和由F0引起的螺紋力矩進(jìn)行計算。因而緊聯(lián)接螺栓的強(qiáng)度條件為：,受預(yù)緊力和變載荷的緊螺栓聯(lián)接,和,由于影響變載荷零件疲勞強(qiáng)度的主要因素是應(yīng)力幅，因此螺栓的疲勞強(qiáng)度應(yīng)計算應(yīng)力幅sa，但螺栓也可能在最大工作拉力下被靜力拉斷，故其強(qiáng)度條件為：,二、受剪螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度計算,采用鉸制孔螺栓聯(lián)接時，被聯(lián)接件上的

21、外載荷是靠螺栓桿的剪切及螺栓桿與被聯(lián)接件之間的擠壓來傳遞，故聯(lián)接只需較小的F'，一般忽略不計。,強(qiáng)度條件,1）螺栓桿的抗剪切條件：,2）螺栓桿與孔壁接觸表面的擠壓強(qiáng)度條件為：,三、螺栓聯(lián)接的材料和許用應(yīng)力,一般螺母材料的強(qiáng)度級別和硬度比相配螺栓材料稍低，以防咬死和減小磨損。,螺栓聯(lián)接的許用應(yīng)力,參見表3-6,對于松螺栓連接：,對于緊螺栓連接：,控制預(yù)緊力時S=1.2~1.5，不控制預(yù)緊力時S查表。,第三章螺紋聯(lián)接,第五節(jié)提高

22、螺栓聯(lián)接強(qiáng)度的措施,一、改善螺紋牙間的載荷分配,螺紋牙間載荷分配不均勻現(xiàn)象：,采取的措施,二、降低螺栓的應(yīng)力幅,三、避免附加彎曲應(yīng)力,四、減小應(yīng)力集中,增大螺紋牙根和螺栓頭部與螺栓桿交接處的圓角半徑；在交接處切制卸載槽；在螺紋收尾部分改用退力槽等。,五、改善材料的機(jī)械性能和制造工藝,選用高強(qiáng)度材料制造螺栓；采用氰化、氮化等表面熱處理；采用冷鐓頭部、碾壓螺紋和噴丸處理；嚴(yán)格控制螺距誤差和表面質(zhì)量等。,例題,解題須注意的問題,選擇

23、的是普通螺栓還是鉸制孔用螺栓是否需要控制預(yù)緊力是否受到軸向工作拉力（普通螺栓）如何確定預(yù)緊力（通過剩余預(yù)緊力或其他條件來確定）是否需要預(yù)先估計螺栓直徑,螺栓直徑,附：GB/T196-1981M10d1=8.376mmM12d1=10.106mmM16d1=13.835mmM18d1=15.294mmM20d1=17.294mmM22d1=19.294mmM24d1=20.752mm,作業(yè)一,圖示螺栓聯(lián)

24、接中，采用兩個M10（內(nèi)徑d1=8.376mm）的普通螺栓聯(lián)接，螺栓材料的強(qiáng)度級別為4.6級，安全系數(shù)S=1.2，聯(lián)接結(jié)合面摩擦系數(shù)fs=0.3，可靠性系數(shù)Kf=1.2，試計算該聯(lián)接允許傳遞的載荷R為多大？,作業(yè)二,由一個螺栓組成的普通螺栓聯(lián)接，已知：螺栓材料的屈服極限ss=300Mpa，預(yù)緊力F'=18000N，（不控制預(yù)緊力）。試確定合適的螺栓直徑。注：M16~M30時安全系數(shù)S=3~2；M16時d1=13.835mm；