第03章螺紋聯(lián)接

1、機械設計,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(Internal)螺紋：在內壁上形成。內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,當螺母旋轉一周時，輸入功率(驅動功)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y=r時，F(xiàn)=0 ——即去掉

5、支持力F ，滑塊仍能保持平衡。當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：,有關公式,力的關系：,驅動力矩：,效率：,自鎖條件：,結論,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。構造簡單，裝拆方便，應用最廣。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，用于受結構限制而不能用螺栓或希望聯(lián)接結構較緊湊的場合。,3）螺釘聯(lián)接(Screw),特點和應用：不用螺母，而且能有光整的外露表面，應用于與雙頭螺柱聯(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、配時就已預先擰緊，使螺紋聯(lián)接受到較大的預緊力的作用。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、預緊力之間的關系；一個小的擰緊力可以產生很大的預緊力，可能導致過載折斷。,2）控制預緊力的方法,測量螺栓的伸長量或控制應力或應變；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，經多次重復后，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動。凡是能滿足這一要求的結構都能防松。按防松原理分，可分為：摩擦防松、機械防松及永

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動。壓力可由螺紋副縱向或橫向壓緊而產生。,2）機械防松,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,機械防松實例,3）永久止動,焊接

12、 鉚沖,把螺紋幅轉動變?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)接的結構和載荷情況，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，應使,1）  為防止接合面右邊被壓潰，應使,第三章螺紋聯(lián)接,第四節(jié)單個螺紋聯(lián)接的強度計算,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。,計算準則,對于受拉螺栓聯(lián)接，保證螺栓的靜力或疲勞拉伸強度；對于受剪螺栓聯(lián)接，保證螺栓的剪切強度或聯(lián)接擠壓強度。,二、受拉螺栓聯(lián)接強度計算,螺栓聯(lián)接的強度計算，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)。然后按相應的強度計算準則，計算螺栓的危險截面的直徑d1或校核其強度。所用緊固件都是標準件，他們是按等強度原則設計的，可按螺栓公稱直徑由標準中選取。,1）松螺栓聯(lián)接的強度計算,設計公式：,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，其強度條件為：,2）緊螺栓聯(lián)接的強度計算,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和預緊力F'的聯(lián)合作用。這是應用中較廣泛的情況。按外載荷及結構不同主要分為下面兩種情況： ① 只受預緊力的緊螺栓聯(lián)接② 受預緊力和工作拉力的緊螺栓聯(lián)接,只受預緊力的緊螺栓聯(lián)接,外載荷與螺栓軸線垂直?？柯菟?lián)接預緊后在接合面之間產生的摩擦力

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，均為預緊力F'。只受預緊力的緊聯(lián)接螺栓的螺紋部分除受預緊力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的扭轉作用。,正應力與扭應力,一般情況,對于M10~M68普通螺栓，有如下統(tǒng)計規(guī)律：,故：,當量應力,用于鋼制螺栓是塑性材料，根據(jù)第四強度理論，其當量應力為,設計公式：,小節(jié),對只承受預緊力作用的緊螺栓，雖然受拉伸和扭轉的聯(lián)合作用，但在強度計算

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，構造簡單，裝配方便等優(yōu)點。,此時預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)接的結構尺寸減小。此外，還可改

19、用鉸制孔用螺栓聯(lián)接。,②受預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，當應變在彈性范圍內時，聯(lián)接中各零件受力要由靜力平衡和變形協(xié)調條件來確定。,螺栓的工作過程,,,公式的推導,,,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，因此要求剩余預緊力F "大于零。,強度條件與設計公式,設

20、計公式：,一般緊聯(lián)接螺栓通常應在承受工作拉力F0之前擰緊。但為了安全，應考慮可能在總拉力F0作用下被補充擰緊（應盡量避免）。所以此時應以F0和由F0引起的螺紋力矩進行計算。因而緊聯(lián)接螺栓的強度條件為：,受預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度的主要因素是應力幅，因此螺栓的疲勞強度應計算應力幅sa，但螺栓也可能在最大工作拉力下被靜力拉斷，故其強度條件為：,二、受剪螺栓聯(lián)接的強度計算,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度條件為：,三、螺栓聯(lián)接的材料和許用應力,一般螺母材料的強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)接的許用應力,參見表3-6,對于松螺栓連接：,對于緊螺栓連接：,控制預緊力時S=1.2~1.5，不控制預緊力時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、降低螺栓的應力幅,三、避免附加彎曲應力,四、減小應力集中,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、改善材料的機械性能和制造工藝,選用高強度材料制造螺栓；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；嚴格控制螺距誤差和表面質量等。,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緊力是否受到軸向工作拉力（普通螺栓）如何確定預緊力（通過剩余預緊力或其他條件來確定）是否需要預先估計螺栓直徑,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（內徑d1=8.376mm）的普通螺栓聯(lián)接，螺栓材料的強度級別為4.6級，安全系數(shù)S=1.2，聯(lián)接結合面摩擦系數(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，預緊力F'=18000N，（不控制預緊力）。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；