机械设计第五章 螺纹连接与螺旋传动

用于传动

多 线 螺 纹

二. 螺纹的分类
1、按牙形分：

三角形： 剃 形： 锯齿形：
矩 形：
2、按螺旋的线数分：单线、多 线（一般不超过4线），线 数越多，导程越大。单线用 于连接，多线用于传动。
3、按旋向分：右旋、左旋。一般用右旋。 4、内、外螺纹之分：二者旋合组成螺旋副（螺纹副）
5、按母体的形状分：圆柱螺纹、圆锥螺纹
二.螺栓组连接的受力分析
为了简化计算，假设： 1）所有螺栓的材料、直径、长度和预紧力均相同； 2）螺栓组的几何中心与连接结合面的形心重合； 3）受载后连接结合面仍保持为平面。
1. 承受横向载荷作用的螺栓组连接 普通螺栓连接 铰制孔用螺栓连接
两种情况的工作原理不同！
1）普通螺栓组连接 螺栓组受力
0
0
4.控制预紧力的方法： 1）控制拧紧力矩； a.测力矩板手；
b.定力矩板手；
定力矩扳手
测力矩扳手
2）测量螺栓的伸长量； 3）螺母转角法。
§5-4 螺纹连接的防松
1.防松的根本原理：防止螺旋副的相对转动。 2.防松的原因：
1）在冲击、振动、变载荷作用下，螺旋副间的摩擦阻力极不稳定， 在某一瞬间会急剧减少以致消失，失去自锁能力，连接就可能松脱； 2）螺栓在高温、温度变化较大的情况下工作，材料发生蠕变和应力 松弛，也会使预紧力和摩擦力逐渐减少，最终导致连接失效。
ψ
§5-2 螺纹连接的类型及螺纹标准件
一、螺纹连接的基本类型
螺栓连接、螺钉连接、双头螺柱连接、紧定螺钉连接。 1. 螺栓连接 1）被连接件的孔不用加工螺纹，装拆方便，用于经常
拆装的场合。 2）只适用于被连接件都较薄的情况。
（ 1 ） 普 通 螺 栓 连 接
（ 2 ） 铰 制 孔 螺 栓 连 接
2. 双头螺柱连接 特点及应用：
zF0 M p max [ ] p A W
W——接合面的有效抗弯截面系数
小结： 1.在实际工作中，螺栓所受的工作载荷往往是以上四种
简单形式的不同组合，但不论受力多复杂，都可以将 复杂状态简化成以上四中简单的受力状况，先分别求 螺栓的工作载荷，然后向量迭加，就可求出螺栓所受 的总工作载荷；
F z
F p 挤压强度： p d 0 Lmin

p min p 螺栓 , p 孔壁
剪切强度计算：


F
d0 / 4
2

2. 受转矩的螺栓组连接
1）普通螺栓连接
ri
fF0
fF0
不滑动条件：F0 fr1 F0 fr2 F0 frz KsT
F
单个螺栓受力 F 0
受力平衡条件：fF0 zi K s F
或
F0
K s F fzi
f ___ 接合面间的摩擦系数，P76表 5 5； i ____ 接合面数目； K s ___ 可靠性系数（防滑系数），取 1.1～1.3。
2）铰制孔用螺栓连接
螺栓组受力 F 单个螺栓受力 F
K sT K sT F0 z f ( r1 r2 rz ) f
i 1
r
i
2）铰制孔用螺栓连接
变形量越大，则工作剪力越大
Fi Fmax ri rmax
Fmax Fi ri rmax
ri
rmax
Fi
Fmax
力矩平衡：T F1r1 F2 r2 Fz rz
特点：螺纹的牙型角=2=60。因牙型角大，所以当
量摩擦系数大，自锁性能好，主要用于连接。
细牙螺纹与粗 牙螺纹的比较
同一公称直径可以有多种螺距。其中螺距最大的称 为粗牙螺纹，其余的均称为细牙螺纹。
粗牙：常用
细牙：
细牙螺纹因螺距小，升角小，因此自锁性好、强度高，但 不耐磨、易滑扣。细牙螺纹用于薄壁零件以及受振动载荷的连 接、微调机构中。
对应点间的轴向距离。 5）导程S：同一螺旋线上相邻两牙在 中径线上对应点间的轴向 距离。S=nP 6）牙形角：螺纹轴向截面内，螺纹牙型两侧边的夹角。 7）牙形斜角：牙型侧边与垂直螺纹轴线的平面间的夹角。对于对称牙型 =/2。 8）螺纹升角ψ ：中径圆柱上，螺旋线切线与垂直螺纹轴线的平面间的夹角。 tgψ =nP/d2 9）接触高度h：内外螺纹旋合后接触面的径向高度。
设F0为螺栓所受的预紧力,则:
0
0
式中: fc为螺母与被连接件支撑面间的摩擦系数，无润滑时fc=0.15
3 3 F0 d 2 D d 1 0 tg v f c F0 0 拧紧力矩: T 2 2 2 3 D0 d0
对于M10 ~M64的普通螺纹， d 2 0.9d , d 0 1.1d , D0 1.5d
4、分布在同一圆周上的螺栓数目，应 取4, 6, 8等偶数，以便
钻孔时在圆周上分度和画线
5 、避免螺栓承受偏心载荷 产生偏心载荷的原因
避免偏载的结构
凸面和沉头座的应用
斜垫圈的应用
螺栓组连接设计计算的一般步骤： 螺栓组受力分析 找出受力最大的螺栓及其力的大小； 单个螺栓受力和失效分析 单个螺栓强度计算； 确定螺栓的尺寸（直径、长度）。
第二篇 连接
连接的基本类型
机械动连接 连 接 机械静连接
不可拆卸连接 运动副 可拆卸连接 螺纹连接
键、花键、销连接 无键连接
过盈连接 铆接 焊接
胶接
第五章 螺纹连接和螺旋传动 第六章 键、花键、无键和销连接 第七章 铆接、焊接、胶接和过盈连接
5-1 螺
一. 螺纹的形成
纹
用于连接
d2
d2
S
单 线 螺 纹
地脚螺栓
吊环螺栓
T形槽螺栓
二、螺纹紧固件 1.螺栓
螺栓的形状较多， 用途也很广泛。如右 图所示为各种不同形 式的螺栓。螺栓连接 也可以用于螺钉连接 中。
2.双头螺柱
3.螺钉、紧定螺钉
螺钉的头部和端 部有多种形式，以适 应不同场合的需要。
4.螺母
5.垫圈
普通用的螺纹紧固件，按制造精度分粗制、精制两类。 前者多用于建筑、木结构及其它次要场合，精制的广泛用于 机器设备中。 螺纹连接件分三个精度等级：A、B、C（高—底），C级 最常用。精度等级要配套使用。
3.拧紧力矩
T=T1+T2
1）螺旋副间的摩擦力矩T1：
F F0tg( v ) d2 d2 T1 F F0 tg( v ) 2 2 2）螺母与支撑面间的摩擦力矩 3 3 D d 1 0 T2 fc F0 02 2 3 D0 d 0
3 3 F0 d 2 D d 1 0 tg v f c F0 0 拧紧力矩: T 2 2 2 3 D0 d0
3.防松的方法：
• 摩擦防松：摩擦防松简单方便，不如以下两种方法可靠。 • 机械防松： 机械防松可靠，可和摩擦防松联合使用。
• 永久防松：用于不再拆卸连接。这种方法是将螺旋副变成非运动副，
从而排除了相对运动的可能性。
1）摩擦防松：
弹簧垫圈防松
自锁螺母防松
对顶螺母防松
F0 F0
F0
F0
F0
6、按采取标准制度的不同：公制、英制
注：除了矩形螺纹外，其它螺纹都已标 准化了，设计时应按国家标准设计。
机械制造常用螺纹：
普通螺纹 三角螺纹 管螺纹 粗牙螺纹 细牙螺纹 普通细牙
—非螺纹密封
用于 连接
圆锥管螺纹
—螺纹密封
常用螺纹 （ 按牙形分）
矩形螺纹 梯形螺纹 用于传动
锯齿形螺纹
圆螺纹
常用螺纹的特点及应用 1 、普通螺纹(代号：M GB 192-81)
Fmax
Fi
Li
螺栓所受的 工作拉力与距 离成正比
Lmax
Fmax F1 F2 Fz Fmax Fi Li 变形条件： L1 L2 Lz Lmax Lmax
力矩平衡：M F1L1 F2 L2 Fz Lz
受力最大螺栓的工作拉 力： Fmax M Lmax M Lmax z 2 2 L1 L2 L 2 z L2i
2 、矩形螺纹
特点：牙形为正方形， =0，所以效率高，用于传动,牙根强
度弱，加工困难，常被梯形螺纹代替。
3 、梯形螺纹
(代号：Tr GB 192-81)
特点： =2=30。比矩形螺纹效率略低。牙根强度高，易于对中，
易于制造，剖分螺母可消除间隙，在螺旋传动中有广泛应用。
4、 锯齿形螺纹
用螺纹密封的管螺纹
特点：螺纹均布在锥度为1:16的管上,=55或60，螺纹面间没
有间隙，不用填料，靠牙变形，密封性好，适用于高温、高压的 连接。
7、 其它螺纹
主要用于金属薄板的连接
三、 螺纹的基本参数
1）大径d：（公称直径） 2）小径d1：（强度计算用） 3）中径d2：（分析效率时用） 4）螺距P：相邻两牙在中径线上
§5-3 螺纹连接的预紧
在装配时，螺纹连接都必须预紧。对于重要的螺纹连接，还应 控制其预紧力的大小。
1.预紧力： 使连接在承受工作载荷之前预先受到力的作用， 这个力称为预紧力。 2.预紧的目的：
1）增加连接的可靠性； 2）增加连接的刚性； 3）防松； 4）受横向载荷作用时，增大 摩擦力，防止相对滑动； 5）增大疲劳强度。 预紧力不能太大，太大易过载拉断，因此，预紧力要 保证且又不使其过载。

i 1
z
ri2
3.受轴向载荷的螺栓组连接
F0
单个螺栓的受力：预紧力F0 F 工作力F : F
z
4.受翻转力矩的螺栓组连接
假定: 1)底板为刚体； 2)翻转力矩作用在螺栓组连接的 形心； 3)受载后绕O-O转动仍保持平面 。
在M的作用下： 左侧：螺栓拉力增大； 右侧：螺栓拉力减小而地面压 力增大
F0
2）机械防松：
开口销防松
螺栓
开口销 开槽螺母 装配图
止动垫片防松
串联钢丝防松
正确
错误
3）永久防松：
§5-5 螺栓组连接的设计
一.螺栓组连接的结构设计
1 、连接结合面的几何形状常设计成轴对称的简单几何形状
2、 螺栓的布置应使各螺栓的受力合理
3 、螺栓的排列应有合理的间距、边距
扳手空间
被连接件之一需加工螺纹孔。用于被 连接件之一比较厚，需经常拆装的情况。
3. 螺钉连接
特点及应用：
被连接件之一需加工螺纹孔，省去 了螺母，结构简单。用于被连接件之一 比较厚，不宜经常拆装的场合。
4. 紧定螺钉连接
用于固定两零件 的相对位置，并传递 不大的力或力矩。
其它特殊结构的螺纹连接（三个变种）
i 1
验算接合面的强度计算
左侧不出现间隙： 右侧不压溃：
p min p p 0
--许用挤压应力，P79表5-6
p max p p [ ] p
p
zF0 A
Cm M M p W Cb C m W
F2
F2 m
zF0 M p min 0 A W
(代号：S JB 923-66)
特点：工作边=3，非工作边=30，便于加工。它综合了
矩形螺纹效率高和梯形螺纹牙根强度高的优点,能承受较大的 载荷,但只能用于单向传动。
5 、圆柱管螺纹
特点：用于管件连接的三角螺纹，=55，螺纹面间没有间隙，
密封性好，适用于压强在1.6MPa以下的连接。
6、 圆锥螺纹
Fmax 2 即：T ( r12 r2 rz2 ) rmax
受力最大螺栓：Fmax
挤压强度：
Trmax r12 r22 剪切强度计算： 2 d0 / 4
Fmax p p d 0 Lmin
1 42 ~ 3 2, v arctg 1.155f ，fc=0.15
（f 为螺旋副的间的摩擦系数,无润滑时 f=0.1~0.2）
T 0.2F0 d
N· mm
为使连接有足够的预紧力又不使螺栓拧 断，预紧力可按屈服极限取： 碳素钢：F0（0.6 0.7）SA1 合金钢：F0（0.5 0.6）SA1 对M12以下的螺栓，应注意控制预 紧力，以防过载拉断。
失效分析： 1.螺栓拉断； 2.底板左侧出现间隙； 3.底板右侧压溃。
受翻转力矩前，接合 面 挤压应力分布图 F
0
F2
F2 m
在翻转力矩作用下，接合面 挤压应力分布图
C2
Fm
F1m
Fm
B2
B1
F
C1 F1 F2
底板受力分析
F2 m
螺栓所受的工作拉力
F F F F 变形条件：1 2 z max Lz Lmax L1 L2