机械设计总复习-第10章螺纹连接
机械设计基础第10章联接习题解答
机械设计基础第10章联接习题解答10-1 试证明具有自锁性的螺旋传动，其效率恒小于50%。
证：η=tg ψ/tg （ψ+ρ） 自锁条件ψ≤ρη≤tg ψ/tg 2ψ=（1-tg 2ψ）/2≤0.5 即50%10-2 试计算M20、M20*1.5螺纹的升角，并指出哪种螺纹的自锁性较好。
解: M20 粗牙螺纹 d 2=18.376 P=s=2.5 ψ=tg -1s/(πd 2)=2.48°M20*1.5 细牙螺纹 d 2=19.026 P=s=1.5 ψ=1.44°∴ 细牙螺纹自锁效果好10-3 求螺栓所产生的拉应力为若干？螺栓会不会损坏?解: 材料35 σB =530MPa σS =315MPa (表9-1 p123)螺栓M8 d 1=6.647 d 2=7.188 P=1.25 (表10-1 p135) ψ=3.1683° f ’=0.1 ρ’=tg -1f ’=5.7106°螺母M8 d 0=9 d w =11.5 r f =(d w +d 0)/4=5.125螺纹拧紧时 T=F a [d 2tg(ψ+ρ’)/2+f c r f ]=FL (参考例10-2 p140) ∴ F a =2FL/[ d 2tg(ψ+ρ’) +2f c r f ]=25500 N==214d F a πσ734.85 MPa >σS 螺栓会损坏10-4解: Fa=100kN 梯形螺纹 d=70 d 2=65 P=10 n=4︒==-083.1121d nP tg πψ ρ’=5.711° (1) 648.0)(='+=ρψψηtg tg (2) 86.980)(22='+=ρψtg d F T a Nm (3) 螺杆每转1转 工作台升高S=nP=40螺杆转速 n 杆=υ/S=800/40=20 r/min螺杆功率 W n TT P 205430===杆杆πω (4) 工作台下降时06.305)(22Nm ＞tg d F T a ='-='ρψ 阻力矩(制动力矩) 10-5 求允许的牵引力。
机械设计螺纹连接
其中：d1、p 分别为螺纹小径和螺距。
[σ ] —— 许用应力，N / mm2 ，[σ ] ＝ σs /[ Ss ] ，
见表6.3（P110）。
第28页/共57页
机械设计
螺纹连接 28
dc
4F
[ ]
(mm) —— 设计式
∵ 螺栓为标准件 ∴ 查标准，选螺栓
第29页/共57页
机械设计
螺纹连接 29
克服螺纹中阻力所需的转矩为：
T第1 8页F/共5d272页
d2 2
Q
tan
机械设计
螺纹连接
8
旋转螺母一周，输入的驱动功W1 = 2πT1 ，有效功W2 = Q S ， 故螺旋副的效率为：
W2 W1
QS
2 T1
2
Q d2 tan
d2 Q tan
tan
tan
2
由上式知：λ↑，ρ↑ —→ η↑；当：λ= 45°-ρ/2 时 —→ ηmax
其相对运动相当于楔形滑块沿楔形槽斜
面移动。故非矩形螺纹的受力分析与矩形螺
纹的受力分析过程一样。由图知：
F = Q tan（λ +ρv ） 克服螺纹中阻力所需的转矩为：
T1
F
d2 2
d2 2
Q tan v
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机械设计
螺纹连接 10
螺旋副的效率为：
W2 W1
QS
2 T1
2
Q d2 tan
1）直径 大径 d 、小径 d1 、中径 d2 大径 d ： 公称直径。 小径 d1 ：螺纹的最小直径。 中径 d2 ：齿厚 = 齿槽宽处直径，几何计算用。 d2 ≈ (d + d1 )/2 M 20 —→ d = 20 mm
机械设计基础10联接(螺纹联接)
基本原理
螺纹联接的基本原理是通过螺纹的咬合来实现连接 和紧固。
设计要求
螺纹联接的设计要考虑螺纹的类型、尺寸、加工精 度、连接长度等因素。
螺纹联接的计算和选取方法
计算方法
螺纹联接的计算方法需要考虑载荷情况、材料性能、 螺纹类型等因素。
选取方法
螺纹联接的选取应考虑加载情况、工作环境、连接 性能要求等因素。
螺纹联接的制造和装术包括螺纹加工、表面处理等环节。
2
装配技术
螺纹联接的装配技术要注意正确的装配顺序、力矩控制等。
3
检测技术
螺纹联接的检测技术包括外观检查、力矩测试等方法。
螺纹联接的常见问题和解决方法
常见问题
螺纹联接中常见的问题包括松动、脱螺纹、过紧等。
解决方法
解决螺纹联接问题的方法包括增加紧固力、正确选择螺纹类型、使用螺纹锁紧剂等。
机械设计基础10联接(螺 纹联接)
欢迎来到机械设计基础系列第十讲！本讲将介绍螺纹联接，包括定义、分类、 特点、优点、应用领域、基本原理、设计要求等内容。
螺纹联接的定义和概念
螺纹联接是一种常用的紧固连接方式，通过螺纹的互相嵌合实现连接和紧固。 它由一个内螺纹和一个外螺纹构成，通过旋转使螺纹互相咬合达到紧固的效 果。
螺纹联接的分类和特点
分类
螺纹联接可以分为内螺纹联接和外螺纹联接两种 类型。
特点
螺纹联接具有承载能力强、可重复使用、连接牢 固等特点。
螺纹联接的优点和应用领域
1 优点
2 应用领域
提供均匀的紧固力、承载能力高、便于拆卸、 可重复使用等。
广泛应用于机械制造、汽车工程、航空航天、 建筑等领域。
螺纹联接的基本原理和设计要求
机械基础第十章连接.
机械设计基础——过盈连接的倒角
液压拆装的圆锥面过盈连接
p 靠螺母压紧的圆锥面过盈连接
机械设计基础——联接
过盈连接的装配要求
❖ 配合表面应具有良好的表面粗糙度，零件经加 热或冷却后要将配合面擦净。
❖ 压合前，配合表面处理干净并涂以润滑油，以 免装配中擦伤配合面。
❖ 压入过程应连续，不宜过快；压入速度一般为 2～4mm/s（不宜超过10mm/s），并应准确控 制压入行程。
② 渐开线花键 定心方式为齿形定心，当齿 受载时，齿上的径向力能自 动定心，有利于各齿均载， 应用广泛，优先采用
三角形花键——齿数较多，齿较小，对轴强度削弱小。适 于轻载、直径较小时及轴与薄壁零件的联 接应用较少
df
机械设计基础——联接
二、花键联接的设计计算
设计：选花键类型→按轴径定花键尺寸→验算联接强度
❖ 压合时，应始终保持轴和孔同轴线，不许偏斜 ；应经常用角尺检查校正。
❖ 对于细长的薄壁件，更要细心检查其过盈量和 形状偏差，装配时尽可能垂直压入，以防变形 。
机械设计基础——联接
过盈连接的装配方法
❖ 压入配合法 可用手锤加垫块敲击压入，也可采用 各类压力机压入。
❖ 热胀配合法 又称红套，是利用金属材料热胀冷缩 的物理特性，在套与轴有一定过盈时，将套加热， 使孔胀大，然后将轴装入胀大的孔中，待冷却后， 轴与套孔就获得了传递轴向力、扭矩或轴向力与扭 矩同时作用的结合体。
粗牙：常用 细牙：螺距小，自锁 性能更好。常用于承 受冲击、振动及变载 荷、或空心、薄壁零 件上及微调装置中。
细牙缺点：牙小，相同载荷下磨损快，易脱扣。
机械设计基础——联接
2) 矩形螺纹
特点：牙形为正方形，=0，
机械设计基础 第十章 联接
§10—4 螺纹联接的基本类型及 螺纹紧固件
一、螺纹联结基本类型 二、螺纹紧固件
一、螺纹联接的基本类型
1、螺栓联接 a) 普通螺栓联接：
被连接件通孔不带螺纹，被联接件不太厚， 装拆方便。螺杆带钉头，螺杆穿过通孔与螺母配合 使用。装配后孔与杆间有间隙，并在工作中不许消 失，结构简单，可多次装拆，应用较广。
牙根强度弱，加工困难，常被梯形螺纹代替。
梯形螺纹特点： =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。
有粗牙普通螺纹M10和M68，请说明在静载 荷下这两种螺纹能否自锁（已知摩擦系数f = 0.1~0.15） 查得： 解： 1、首先求螺纹升角λ 。
粗牙螺纹
细牙螺纹
2、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。管螺纹广泛用于水、汽、油管路联接中。
管螺纹除普通细牙螺纹外，还有60º 55º 、 的圆柱 管螺纹和60º 55º 、 的圆锥管螺纹。 管螺纹公称直径是管子的公称通径。
L=nP(n=2) L=nP(n=2) L=nP(n=2)
dd d dd 2 2 d2 dd 1 1 d1
P P P
d 1 1 d 1 d d 2 2 d 2 d d d d
hh h
LL L
4）螺 距 P — 相邻两牙在中径圆柱面的母线上对应 两点间的轴向距离。 5）导程（S）— 同一螺旋线上相邻两牙在中径圆柱面 的母线上的对应两点间的轴向距离。 6）线数n —螺纹螺旋线数目，一般为便于制造n≤4。 螺距、导程、线数之间关系：S=nP
M10螺纹： 螺距P=1.5mm，中径d2=9.026mm； M68螺纹： 螺距P=6mm， 中径d2=64.103mm。 M10螺纹升角：
机械设计基础第10章连接(键、花键-六)
§10－1 螺纹 §10－2 螺旋副的受力分析、效率和自锁 §10－3 机械制造常用螺纹（略） §10－4 螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件 §10－5 螺纹连接的预紧与防松
§10－6 螺栓连接的强度计算 §10－7 螺栓的材料和许用应力 §10－8 提高螺栓连接强度的措施 §10－9 螺旋传动 （略） §10－10 滚动螺旋简介（略） §10－11 键连接和花键连接
在重型机械中常采用切向键 ——一对楔键组成。
窄面 工作面
d 潘存云教授研制
斜度1：100
装配时将两楔键楔紧，键的窄面是工作面，所产生 的压力沿切向方向分布，当双向传递扭矩时，需要 两对切向键分布成120~130 ˚ 。
二、平键联接的强度校核 1. 类型的选择 应根据各种平键的特点及具体应用情况来选择。 考虑：扭矩大小、对中性要求、轴上位置等情况。 2 . 尺寸的选择 键是一种标准件，主要尺寸：长L、宽b、高h b×h____按轴的直径由标准选取。表10－9 P156 L_____参照轮毂宽度B从标准中选取 一般： L=B－(5～10) mm 3. 材料的选择 键的材料常用45钢：σB≥ 600 MPa的碳素钢
MPa
表10-11 花键连接的许用挤压应力[σp ]和许用压强[p ]
连接工作方式
工作条件
[σp ] 或[p ] 齿面未经热处理 齿面经热处理
不良
35~50
40~70
静连接[σp ]
中等 良好
潘6存0云~教1授0研0制 80~120
100~140 120~200
动连接[p ] (空载下移动)
动连接[p ] (在载荷下移动)
二、平键联接的强度校核
1. 类型的选择 2 . 尺寸的选择 3. 材料的选择
机械设计基础10+螺纹连接与键连接
螺钉无头，无螺母，直接拧入被连接 件中，通过拧紧使螺钉产生预紧力。
螺柱连接
由一端带孔的螺柱和两个螺母组成， 一个螺母固定在被连接件上，另一个 螺母拧紧使螺柱伸出端产生预紧力。
螺纹连接的预紧与防松
预紧
在装配时，通过拧紧螺母或螺钉 ，使螺栓、螺柱或螺钉产生预拉 力，以提高连接的刚性和紧密性 。
防松
为防止螺纹连接在承受外载荷时 松动，采取各种措施来阻止松动 。常用的防松方法有弹簧垫圈、 自锁螺母、开口销等。
坏或磨损现象。
润滑
定期对键连接进行润滑 ，以减少摩擦和磨损，
延长使用寿命。
紧固
对于松动的键连接，应 及时进行紧固，防止出
现意外事故。
更换
对于磨损严重的键连接 ，应及时进行更换，防
止出现安全事故。
05
螺纹连接与键连接的发展趋势
新型螺纹连接的开发与应用
自锁螺纹连接
这种新型螺纹连接具有自锁功能，能 够在无外力的情况下保持紧密，防止 松动。广泛应用于需要高稳定性的机 械装置。
02
键连接
键连接的类型与特点
平键连接
平键连接是最常见的键连接类型，主要用于传递扭矩和旋 转运动。它具有结构简单、工作可靠、装拆方便等优点， 但承受的载荷较小。
楔键连接
楔键连接主要用于固定轴的位置，并传递扭矩。楔键连接 具有较高的承载能力和定位精度，但装拆不太方便。
花键连接
花键连接是一种多齿的键连接，能够承受较大的载荷。花 键连接具有较高的承载能力和较高的效率，但制造较复杂 ，成本较高。
键连接在机械中的应用
固定轴与轮毂
键连接主要用于固定轴与轮毂之 间的连接，如汽车变速箱中的轴
和齿轮等。
传递扭矩
机械设计基础_第十章_连接
（2）导向平键连接
导向平键连接属于动连接
返回
2 半圆键连接
特点：键的侧面为工作面，键的上表面与毂槽底
面间有间隙。但键槽较深，应力集中较大，对轴 的强度削弱较大，适于轻载、锥形轴端的连接。
半圆键实例
3 楔键连接
特点：楔键的上下面分别与毂和轴上的键槽的
底面贴合，为工作面，靠摩擦力传递转矩。
粗牙：常用 细牙：自锁性能更好。 常用于承受冲击、振 动及变载荷、或空心、 薄壁零件上及微调装 置中。
细牙缺点：牙小，相同载荷下磨损快，易脱扣。
2) 矩形螺纹
特点：牙形为正方形，=0，
所以效率高，用于传动。
3) 梯形螺纹
特点： =2=30。比矩形
螺纹效率略低，在螺旋传动 中有广泛应用。
4) 锯齿形螺纹
楔键连接
1. 平键连接
特点：平键的两侧面是工作面，上表面与轮毂键槽
底面间有间隙，定心性好。
类型：常用的平键有普通平键和导向平键。
（1）普通平键
1、类型：A型（圆头)、B型（方头）、C型（单圆头）。 2、轴上键槽加工方法：指状铣刀（A、C型）或盘铣
刀（B型）。
3、毂上键槽加工方法：插削或拉削。
普通楔键和钩头楔键
平键的选用和强度校核 1 平键的选用 （1）键的尺寸选择
断面尺寸 b×h： 根据轴径 d 查标准确定。 键长 L：应略短于轮毂的宽度，并符合标准尺寸系列。
附：键的长度系列：
10 12 14 16 18 20 22 25 32 36 40 45 50 63 70 80 90 100 110 125 140 160 …..
0.16~0.25 0.25~0.4 0.4~0.6
机械设计基础第10章
预紧力Fa →产生拉伸应力σ
Fa
0.5
∴ 强度条件为： 1.3Fa [ ] e 2 d1 4
d1
按第四强度理论，当量应 力： e 2 3 2 1.3
1、承受横向工作载荷的普通螺栓强度
工作原理：依靠预紧力作用下 在被连接件之间产生的摩擦力 承受横向工作载荷。 摩擦力： F f F0 fm 保证连接可靠，要求：
§10-4 螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件
一、螺纹连接的基本类型 1.螺栓连接： 普通螺栓连接：应用广泛，两被连接件不太厚， 便于从两边装配。 铰制孔用螺栓连接：受横向载荷。 2.双头螺栓连接：被连接件之一较厚，常拆卸。 3.螺钉连接：被连接件之一较厚,不常拆卸，且不易 做成通孔的场合。
4.紧定螺钉连接：用于固定两零件的相对位置，并可 传递不大的力和转矩。
—设计公式
d1—螺纹小径（mm） [σ]—许用拉应力 N/mm2 (MPa) Fa
二、紧螺栓连接
紧螺栓连接——承受横向工作载荷和承受轴向工作载荷两种情况
承受工作载荷前拧紧，在拧紧力矩T和轴向载荷Fa（预紧力F0 ） 作用下，螺栓发生拉扭变形，螺栓工作在复合应力状态。
1 2 d1 4 d2 Fa tan(ψ ' ) 螺纹摩擦力 Fa 2d 2 T1 2 tan(ψ ' ) 矩T1→产生 1 2 d1 WT d13 d1 剪应力τ 16 4
θ
一、受力分析
1、矩形螺纹
三点假设：
1.螺纹拧紧过程相当于滑块沿斜面上升的过程；
2.拧紧过程中螺纹各圈的变形量相等；
F Fa
3.力作用在螺纹中径上。
拧紧过程：
FR Fn
ρ
机械设计基础(第六版)第10章 连接
按螺旋的作用分
按母体形状分
螺旋线旋向：
V母 ω母
左旋（特殊时用）
右旋（常用） 左右手法则：
V母 ω母
右旋
V母
V母
ω母
左旋
ω母
螺母旋入
矩形螺纹
按螺纹的牙型分
三角形螺纹 梯形螺纹
锯齿形螺纹
螺
按螺纹的旋向分
右旋螺纹 左旋螺纹
纹 的
按螺旋线的根数分
单线螺纹 n线螺纹: S = n P 多线螺纹 一般: n ≤ 4
联接的基本物理原理：
1、形锁合（如：普通平键、销等） 2、摩擦锁合（如过盈配合、楔键等） 3、材料锁合（如：焊接）
联接的分类：
静联接（被联接件间相对固定）
动联接（被联接间能按一定运动形式作相对运动）
可拆联接：指联接拆开时，不破坏联接中的零件，重新安装， 可继续使用的联接（键联接、销联接、螺栓联接）。
Fa 螺母
Fn=Fa 当β≠ 0º时，摩擦力为：
F'
f
Fn
f
cos
Fa
螺杆 Fn
f 'Fa
轴
摩擦系数为 f 的非矩形螺纹所产 线
生的摩擦力与摩擦系数为 f ’ ，的
β
螺母 Fa
α
矩形螺纹所产生的摩擦力相当。 故称 f ’ 为当量摩擦系数。
β 螺杆 Fn Fa
f ' f tg' cos
(于(67螺))纹牙螺轴型线纹的角平升面角α的夹ψ轴角向中截径面d内2t圆g螺ψ柱纹上=牙，型πn螺相dP旋邻2 线两的侧切边线的与夹垂角直。牙
型侧边与螺纹轴线的垂线间的夹角。
牙侧角 β
S
ψ
机械设计基础第10章 螺纹联接习题解答2
10.1图所示起重卷筒与大齿轮间用双头螺柱连接，起重钢索拉力F Q =50KN ，卷筒直径D =400mm ，8个螺柱均匀分布在直径D 0=500mm 的圆周上，螺栓性能等级4.6级，接合面摩擦因子f =0.12，可靠度系数k f =1.2。
试确定双头螺柱的直径。
题10-1图解：1.计算旋转力矩Tmm N D Q T ⋅=⨯=⋅=71024005000022.计算螺栓所需要的预紧力F '由T K D F zf s ='2得02zfD T K F s ='所以mmN F ⋅=⨯⨯⨯⨯='500050012.08102.1273.确定螺栓直径][3.141σπF d '⨯≥mmd 768.2810050003.141=⨯⨯⨯≥π查GB196—1981，取M30。
10.2图所示气缸盖连接中，已知气缸内压力p 在0～2MPa 之间变化，气缸内径D =500mm ，螺栓分布在直径D 0=650mm 的圆周上，为保证气密性要求，剩余预紧力F ’0=1.8F。
试设计此螺栓组连接。
题10.2图解：设取螺栓数目Z=16或24则单个螺栓所受的轴向工作载荷F 为：单个螺栓所受的总拉力F 2为：所需的螺栓直径d 1：N ..Z D pF N ..Z D pF 17163542445001432425245311645001432422(24)22(16)=⨯⨯⨯===⨯⨯⨯==ππN...F .F F .F F F N ...F .F F .F F F 6745791171635482828156868725245318282811(24)212(16)=⨯==+=+==⨯==+=+=[][][]mm...F .d mm...F .d d F .1385251206745791314314788301205686873143144312(24)12(16)1212=⨯⨯⨯=⨯≥=⨯⨯⨯=⨯≥≤⨯=πσππσπσπσ查表校核螺栓间距t校核应力幅σa ：确定螺栓的数目和尺寸:查表10.3图所示凸缘联轴器，用六个普通螺栓连接，螺栓分布在mm D 100=的圆周上，接合面摩擦系数f =0.16，可靠度系数 1.2f K =，若联轴器传递扭矩为m N .150，试求螺栓螺纹小径。
10_螺纹联接与键联接
第10章 联接§10.1 螺纹参数、螺纹副受力分析、效率和自锁 §10.2 机械制造中常用的螺纹 §10.3 螺纹联接的主要类型及防松装置 §10.4 单个螺栓联接的受力分析和强度计算 §10.5 螺栓组联接的受力分析 §10.6 提高螺栓联接强度的措施 §10.7 键和花键联接前言 机械 机 械 联 接 若干零件 按一定方式相互联接而成。
机械动联接 被联接的零(部)件间可以有相对运动 的联接。
(各种运动副) 机械静联接 被联接的零(部)件间不允许产生相对 运动的联接。
（某些零件组成构件） 在机械工程中所称的联接专指静联接。
前言可拆联接 拆开联接不会损坏其中任何一零件，能多次装螺纹的形成 一. 螺纹的形成 螺旋线的形成至少必须损坏联接中的某一部分才能拆静 联 接 分 类拆而无损于使用性能的联接，如螺纹联接、键联接和销联 接等。
不可拆联接 开，不能再次使用的联接，如焊接、胶接和铆接。
过盈联接 介于可拆与不可拆之间的联结，如轴与轴承将直角三角形(直角底边长 π d2) 绕 于 直 径 为 d2 的 圆 柱 体 上，其斜边即在圆柱体上形成 螺旋线。
本章讨论内容机械静联接可拆联接螺纹的形成 螺纹的形成 使通过圆柱体轴线的平面型(三角形、矩形、梯 形等)沿螺旋线运动，其在空间形成的轨迹即为 d2 螺纹。
螺纹螺纹的种类 按螺纹的牙型分三角形螺纹 矩形螺纹 梯形螺纹 锯齿形螺纹 主要用于联接 多用于传动螺 纹 的 分 类右旋螺纹 左旋螺纹 单线螺纹 按螺旋线的根数分 多线螺纹 外螺纹 按回转体的内外表面分 内螺纹 按螺旋的作用分 连接螺纹 传动螺纹 按螺纹的旋向分 按母体形状分 圆柱螺纹 圆锥螺纹1螺纹的牙型30º 15º 3º 30º螺纹的旋向左旋螺纹和右旋螺纹矩形螺纹三角形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹螺旋线的根数单线螺纹 多线螺纹 Ph=nP潘存云教授研制 潘存云教授研制回转体的内外表面内螺纹螺旋的作用潘存云教授研制外螺纹连接螺纹传动螺纹螺纹的主要参数 (圆柱外螺纹) 母体形状大径dd 同一条螺纹上的相邻二牙在中径圆柱面的母线上对应二 牙侧角β在轴向剖面内，母线通过牙厚等于牙宽的假想圆柱面直 螺距P 螺旋升角ψ在中径圆柱上螺旋线的切线与垂直于 导程P21相邻二牙在中径圆柱面的母线上对应两点间的轴向距离。
杨可桢《机械设计基础》(第6版)复习笔记及课后习题详解(含考研真题)-第10~13章【圣才出品】
第10章连接10.1复习笔记【通关提要】本章介绍了零件连接形式：螺纹连接、键连接和销连接，主要阐述了螺纹的类型和几何参数、螺纹连接的基本类型、螺栓连接的受力分析和强度计算、螺旋传动、键连接的类型和强度计算以及销连接。
学习时需要重点掌握螺栓连接的受力分析和强度计算、键连接的强度计算，此处多以计算题的形式出现；熟练掌握螺纹和螺纹连接的类型和应用、提高螺纹连接强度的措施、键连接的类型、应用及布置等内容，多以选择题、填空题、判断题和简答题的形式出现。
复习时需把握其具体内容，重点记忆。
【重点难点归纳】一、螺纹参数（见表10-1-1）表10-1-1螺纹的分类和几何参数二、螺旋副的受力分析、效率和自锁（见表10-1-2）表10-1-2螺旋副的受力分析、效率和自锁三、机械制造常用螺纹（见表10-1-3）表10-1-3机械制造常用螺纹四、螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件（见表10-1-4）表10-1-4螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件五、螺纹连接的预紧和防松1．拧紧力矩（见表10-1-5）表10-1-5拧紧力矩2．螺纹连接的防松（见表10-1-6）表10-1-6螺纹连接的防松六、螺栓连接的强度计算（见表10-1-7）表10-1-7螺栓连接的强度计算七、螺栓的材料和许用应力1．材料螺栓的常用材料为低碳钢和中碳钢，重要和特殊用途的螺纹连接件可采用力学性能较高的合金钢。
2．许用应力及安全系数许用应力及安全系数可见教材表10-7和表10-8。
八、提高螺栓连接强度的措施（见表10-1-8）表10-1-8提高螺栓连接强度的措施九、螺旋传动螺旋传动主要用来把回转运动变为直线运动，其主要失效是螺纹磨损。
按使用要求的不同可分为传力螺旋、传导螺旋和调整螺旋。
1．耐磨性计算（1）通常是限制螺纹接触处的压强p，其校核公式为p＝F a/（πd2hz）≤[p]式中，F a为轴向力；z为参加接触的螺纹圈数；h为螺纹工作高度；[p]为许用压强。
（2）确定螺纹中径d2的设计公式①梯形螺纹d≥2②锯齿形螺纹2d≥其中，φ＝H/d2，z＝H/P，H为螺母高度；梯形螺纹的工作高度h＝0.5P；锯齿形螺纹的工作高度h＝0.75P。
第10章 螺纹连接与螺旋传动
第10章螺纹连接与螺旋传动机械连接是指实现机械零（部）件之间互相连接功能的方法。
机械连接分为两大类：1）机械动连接，即被连接的零（部）件之间可以有相对运动的连接，如各种运动副；2）机械静连接，即被连接零（部）件之间不允许有相对运动的连接。
除有特殊说明之外，一般的机械连接是指机械静连接，螺纹连接是最常见的机械静连接之一。
本章首先介绍机械螺纹连接。
然后介绍螺纹的另一用途：螺旋传动。
螺旋传动是利用螺杆和螺母的啮合来传递动力和运动的机械传动，它主要用于将旋转运动转换成直线运动，以及将转矩转换成推力。
10.1 螺纹形成原理、类型及其主要参数如图10.1所示，将一条与水平面的夹角为 的直线绕在圆柱体上，形成一条螺旋线。
如果用一个平面图形（梯形、三角形或矩形）沿着一条螺旋线运动，并保持此平面图形始终在通过圆柱轴线的平面内，则此平面图形的轮廓在空间的轨迹形成一个螺纹。
图10.1 螺纹的形成形成螺纹的平面图形的形状称为螺纹牙形。
如图10.2所示，螺纹牙形有矩形（图10.2a）、三角形（图10.2b）、梯形（图10.2c）和锯齿形（图10.2d）等。
图10.2 螺纹的牙形如图10.3所示，根据螺旋线的绕行方向，螺纹分为右旋螺纹（图10.3a）和左旋螺纹（图10.3b）；根据螺旋线的数目，螺纹又可以分为单线螺纹（图10.3a）和双线或以上的多线螺纹(图10.3b、c)。
图10.3 螺纹的旋向图10.4 内、外螺纹如图10.4所示，在圆柱体外表面上形成的螺纹称为外螺纹，在圆柱体孔壁上形成的螺纹称为内螺纹。
以三角螺纹为例，普通圆柱螺纹有以下主要参数： （1）大径d 、D 分别表示外、内螺纹的最大直径，为螺纹的公称直径。
（2）小径d 1、D 1分别表示外、内螺纹的最小直径。
（3）中径d 2、D 2 分别表示螺纹牙宽度和牙槽宽度相等处的圆柱直径。
（4）螺距P 表示相邻两螺纹牙同侧齿廓之间的轴向距离。
（5）线数n 表示螺纹的螺旋线数目。
机械设计10章(螺纹连接件设计)
思考题10-1试计算M20、M20⨯1.5螺纹的升角（不应计算），并指出哪种螺纹的自锁性更好。
答：M20⨯1.5的自锁性能更好习题10-1 如图所示为一拉杆螺纹连接。
已知拉杆所受载荷 F = 30kN ，载荷稳定，拉杆材 料为 Q 235，拉杆螺栓性能等级 4.6 级。
试确定计算此拉杆螺栓的公称直径。
答案提示：采用松螺栓连接计算，即：[]σπσ≤=214d F习题10-1图10-2 如图所示的连接由 2个 M20的螺栓组成，螺栓的性能等级为 5.8 级，安装时不控制预紧力，被连接件接合面的摩擦系数 f = 0.1 ，可靠系数 K s = 1.2 。
试计算该连接许可传递的静载荷 F R 。
习题10-2图答案提示：采用螺栓承受横向载荷连接进行计算，即： R s F K zi fF ≥010-3 如图所示起重卷筒与大齿轮用双头螺柱连接，利用双头螺柱夹紧产生的摩擦力矩将转矩由齿轮传至卷筒。
已知起重量W = 50kN ，卷筒直径 D = 400mm ，8 个螺柱均匀分布在直径 D 0 =500mm 的圆周上，螺柱材料为 Q235，性能等级为 4.6级，不控制预紧力，接合面的摩擦系数f =0.12 ，可靠性系数 K = 1.2 。
试计算所需螺柱的直径(提示：由于止口承受横向载荷，且卷筒右端有轴承支承，故计算时可不考虑螺栓组会受横向载荷及翻转力矩的作用)。
习题10-3图答案提示：螺柱组承受转矩：m N D W T ∙=⨯=⨯=10000000200502则螺柱所受预紧力为：28s 0D f T K F ≥ 再利用公式：[]σπσ≤=2104d F 求解所需螺柱的直径 10-4 用12"扳手拧紧M8的螺栓。
已知螺栓材料为35钢，螺纹间摩擦系数f=0.1，螺母与支承面间摩擦系数12.0c =f ，手掌中心至螺栓轴线的距离mm 240=l 。
试问当手臂施力125N 时，该螺栓所产生的拉应力为多少？螺栓会不会损坏？10-5 一钢制液压油缸，油压a 3MP =P ，油缸内径D ＝160mm 。
机械设计基础第10 章 螺纹连接与螺旋传动答案
第10 章 螺纹连接与螺旋传动四、简答题2.螺纹为什么要防松？防松方法有哪些？各适用于什么场合？答：用于联接的普通螺纹一般都具有自锁性，在静载荷作用下不会自动松脱。
但在（1）冲击、振动或变载荷下，螺纹副和支承面间的磨擦力会下降；（2）在温度变化中，联接件与被联接件之间的温度变形有差异，或发生蠕变，使预紧力或摩擦力减小，甚至松脱。
因此在设计时就应注意螺纺联接的防松问题。
防松的根本问题是阻止螺纹副的相对转动。
具体防松措施有三种：（1）摩擦防松（弹簧垫圈、双螺母、尼龙圈锁紧螺母等）；（2）机械防松（开口销与槽形螺母、止动热圈等）；（3）破坏性防松（冲击、粘合等）。
机械防松和摩擦防松称为可拆卸防松，而破坏性防松称为不可拆卸防松。
五、计算题2．用两个10M 的螺钉固定一牵曳钩，若螺钉材料为Q235，装配时控制预紧力，接合面磨擦系数15.0=f ，求其允许的牵曳力。
、解：解 查教材表10-6得 Q235的屈服极限MPa S 235=σ，查教材表10-6得，当控制预紧力时，取安全系数3.1=S 由许用应力 MPa S S 1813.1235][===σσ查教材表10-1得 10M 的小径mm d 376.81= 由公式[]σπσ==4/3.121d F a e 得 预紧力 N d F a76683.14376.81813.14/][221=⨯⨯⨯==ππσ由题图可知1=m ，螺钉个数2=z ，取可靠性系数3.1=C 牵曳力 N Cmf zF F a 17703.115.0176682=⨯⨯⨯==3.两根梁用8个6.8级普通螺栓与两块钢盖板相联接，梁受到的拉力kN 40=F ，摩擦系数15.0=f ，控制预紧力。
试确定所需螺栓直径。
FF解：已知螺栓数目8z =，结合面数2m =,取防滑系数 1.2f k =,则螺栓所需预紧力F’为1.240000'20000..0.1582t K F F N z m μ⨯===⨯⨯查表10-6得240s Mpa σ=，安全系数 1.3s S =，则得[]240/1.3184.6S s S Mpa σσ===所需螺栓直径：14 1.32000013.4184.6d mm π⨯⨯==⨯圆整后得螺栓尺寸16d mm =,故螺纹为M16.4.图示的凸缘联轴器，材料为HT200，用8个M16的螺栓联接，螺栓性能等级为8.8级。
哈工大机械设计基础第十章 螺纹联接 (1)
max
4 F0 2 d1
min
4F 2 d1
'
Cb 1 1 4 F0 4 F ' 2F a ( max min ) ( ) 2 2 2 2 d1 Cb Cm d1
为了减少螺栓刚度，可适当增大螺栓的长度 、减少螺栓杆的直径、做成空心杆或在螺母 下面安装弹性元件等措施。
拧紧螺母时的力矩和预紧力
拧紧螺母时，所施加的扳手力矩T
，用来克服螺纹副间的阻力矩T1和
螺母与支承面上的摩擦力矩T2，即
T T1 T2
对于常用的粗牙三角螺纹，有如下 近似关系
T 0.2F d
装配时控制预紧力的方法。
二、螺纹连接的防松
防松实质：防止螺纹副间的相对转动。
防松方法按其工作原理可分为： 摩擦防松 机械防松 永久性防松
F (0.2 0.6) F '' F (0.6 1.0) F '' F (1.5 1.8) F
''
设计时根据工作载荷F和工作要求选择剩余预 紧力，再求螺栓的总拉力F0，对螺栓进行强度 计算。
或
4 1.3F0
d1
2
[ ] MPa
d1
4 1.3F0 [ ]
便于加工和便于对称布置螺栓，使螺栓组的 对称中心和结合面的形心重合，保证连接结 合面受力比较均匀。
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
对于压力容器等紧密性要求较高的重要连接 ，螺栓的间距t0不得大于手册中的推荐值。
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。同一螺栓组中螺栓的材料、直径和长 度均应相同。
机械设计-螺纹连接
F [ ]
4
d12
设计式为
4F
d1 [ ]
式中 d1——螺栓小径，mm； [σ]——螺栓许用拉应力，MPa。
设计出的直径应按螺纹标准取值，并标出 螺纹的公称直径（大径）。
2）受拉紧连接螺栓强度计算
（1）仅受预紧力F‘ 的紧连接螺栓 如图所示，仅受预紧力F‘ 的紧连接螺栓是指一组螺栓，当外载荷
【铆钉连接、焊接、胶接等】
连接类型的选择
可拆连接：多是由于结构、安装、运输、维 修等方面的原因；
不可拆连接：多是考虑制造及经济上的原因； 制造成本通常较可拆连接低廉。
具体选择连接的类型时，还须考虑到连接的加工条件和被连接零件 的材料、形状及尺寸等因素。
10.2 螺纹连接
螺纹连接是一种可拆连接，它是通过螺 纹连接件把需要相对固定在一起的零件连接 起来。
普通螺纹(代号：M GB 192-81)
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
粗牙：常用 细牙：自锁性能更好。常用于承受冲击、振动及变 载荷、或空心、薄壁零件上及微调装置中。 细牙的缺点：牙小，相同载荷下磨损快，易脱扣。
特点：结构简单、连接可靠、装拆方便， 且多数螺纹连接件已标准化，生产率高，因 而应用广泛。
10.2.1 螺纹
1.螺纹的主要参数
d--螺纹大径
d1-螺纹小径 d2 --螺纹中径 p--螺距
n--线数
S--导程 y --螺纹升角 --牙型角 --牙型斜角
旋向
10.2.1 螺纹
2.螺纹的分类
螺纹有外螺纹和内螺纹之分，具有内、外螺纹的零件组成螺纹副。
机械设计(螺纹联接)
T型槽螺栓联接
1. 普通螺栓联接
1. 铰制孔用螺栓联接
2. 双头螺柱联接
3. 螺钉联接
螺钉联接
螺钉拧入深度H:
钢或青铜 H≈d
铸铁 H=(1.25∽1.5)d
铝合金 H=(1.5 ∽2.5)d
4. 紧定螺钉联接
地脚螺栓联接 吊环螺栓联接
T形槽螺栓联接
§10—5 螺纹联接的预紧和防松
一、预紧
螺纹联接：松联接——在装配时不拧紧，只承受外 载时才受到力的作用
紧联接——在装配时需拧紧，即在承载 时，已预先受力，预紧力QP
预紧力QP——预先轴向作用力（拉力）
1.3Fa
d12 / 4
41.3 Fa 3.14 13.8352
[ ] 150MPa
Fa 17337.08N
Fa
CFR zmf
1.2 FR 2 2 0.12
FR 6934.832N
答：该螺栓联接允许传递的最大横向载荷6934.832N。
复习： 螺纹联接的类型
F
4
d02
[ ]
式中 Lmin 螺栓与孔壁挤压面最小高度；
p, 许用应力
2、受轴向工作载荷作用
分析受力和变形关系
Q == QP+ F
受力和变形关系
受力和变形关系 螺栓总垃力 Q Q'p F
螺栓总拉力： Q Q' p F
螺栓拉伸 强度条件：
2.失效形式——螺栓拉断 （静、疲劳）
《机械设计基础》第十章 联接
二、螺纹联接的防松
在静载荷和工作温度变化不大的情况下，拧紧的螺纹联接件因满足 自锁性条件，一般不会自动松脱。 但在冲击、振动和变载的作用下，预紧力可能在某一瞬间消失，联 接仍有可能松脱。高温的螺纹联接，由于温差变形差等原因，也可能发 生松脱现象。
螺纹防松的根本问题在于防止螺纹副转动。 螺纹防松的措施 1、摩擦防松 弹簧垫圈 对顶螺母 尼龙圈锁紧螺母
用于较厚的被联接件或为了结构紧凑必须采用盲孔的 联接。装配时一端拧入被联接件的螺纹孔中，另一端 穿过被联接件的通孔，再拧上螺母。允许多次拆装而 不损坏联接零件。
3、螺钉联接 (screw)
螺钉直接旋入被联接件的螺纹孔中，省去了螺母，结构 上比双头螺柱简单。但这种联接不宜经常拆装，以免被 联接件的螺纹孔磨损而导致修复困难。
当推动滑块沿斜面等速上升时，可得水平推力 F＝Qtg（λ＋ρ′）
d 2 Qd 2 tg( ) 2 2 驱动力矩用来克服螺旋副的摩擦阻力和升起重物。
驱动力矩 T F
螺纹副的效率是有效功与输入功之比。若按螺旋传动一圈计算，输入 功为2πT，此时升举滑块（重物）所作的有效功为QS，故螺旋副效率为
§10-1 螺 纹
(screw thread)
一、螺纹的形成
将一个直角三角形沿底边与 一圆柱体底面圆周复合而绕在圆 柱体上，则其斜边在圆柱体表面 形成一条螺旋线。取一平面图形， 使它沿着螺旋线运动，运动时保 持此图形通过圆柱体的轴线，就 得到螺纹。按平面图形的形状， 螺纹分为三角形、矩形、梯形、 锯齿形等。
例10－1 试计算粗牙普通螺纹M10和M68的螺纹升角；说明在静载荷下这 两种螺纹能否自锁（已知摩擦系数f＝0.1～0.15） 解：（1）螺纹升角 由表10－1查得M10的螺距P＝1.5mm，中径d2＝ 9.026mm；M68的P＝6mm，d2＝64.103mm。 对于M10 arc tg 对于M68 arc tg
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(10-6b)
α β
三.效率:
当匀速上升:
η
S
η ＝有效功／输入功 d φ 2 ＝Ｆa· Ｓ／（Ｆπ ｄ2） 45 / 2 ＝Ｆa· π ｄ2 tg φ /[Ｆa· tg(φ ＋ρ ′)π ｄ2]
tg tg ( )
(10-8)
ρ′－当量摩擦角 , φ－升角 要效率高→ φ ↑, ρ′↓ → α ↓, φ ↑(多头)
d 2
tgφ＝n p／πｄ2
S (n p)
(10－1)
牙型:
锯齿形
60 °
普通 α =60 ° β＝30°
30 °
梯形
α =30 ° β＝15°
3° 30 ° β工＝3°, β非＝30°
矩形 α =0 ° β ＝0 °
§10-2 螺旋副的受力分析、效率和自锁p.132
联接 内螺纹 拧紧、加载、 →螺旋副 传动 相对运动→ 外螺纹 顶起重物 →在轴向载荷下相对运动图(10－4,a) →水平力作用下滑块(重物)在斜面运动
机械防松 不可拆防松
锁紧螺母 弹簧垫片 对顶螺母
弹簧垫圈
返回
对顶螺母
返回
尼龙圈锁紧螺母
返回
机械防松→利用便于更换的金属元件来约束螺旋副。
F Fa
→将螺旋线沿中径展开
S (n p)
d 2
一．矩形螺纹 : (α =0○ )
图(10－4,b)
Fn ρ FR F φ F f F a Fa
FR
φ+ρ
F →加载Ｆa(轴向力,自重,阻力) →施加水平推力Ｆ →法向反力Fn(⊥斜面) →摩擦阻力: f·Fn=Ff →合反力FR ∵(滑块) 合力＝０ FR与Fn夹角→摩擦角ρ: tgρ＝ f ＝ Ff /Ｆn ∴ＦR与Ｆa 夹角＝φ＋ρ ∴Ｆ＝Ｆa· tg(φ ＋ρ) (10－2a) 作用在螺旋副上的驱动力矩： d2 d2 (10-2b) T F Fa tg ( ) 2 2
Ｔ1＝F d2/2＝Fa tg(φ ＋ρ’) d2 /2 T0 螺母支持面上的摩擦阻力矩T2 T2＝ fc· Fa · rf (10-10) T0＝T1＋T2≈0.2Fad N· mm
控制、不严格控制ＦS(测力矩板手、定力矩板手)
（二）螺纹联接的防松
p.139
螺旋副→联接(可靠)→拧紧＋ 自锁→防松？ ∵靠摩擦力自锁 →不可靠 , ∴→防松 防松方法：→关键 →阻止螺旋副相对转动 摩擦防松 →使螺纹接触面间始终保持一定的压力 (纵向、横向)→始终有阻止螺旋副转 动的摩擦阻力矩。
§10-1 螺纹参数
(一)螺纹的形成：
p.131
右旋（常） 旋向 →判断方法 左旋
①顺时针旋进→右旋 ②以轴线为基准(外)
单头→联接 线数 线数一般不超过4 → 判断方法 多头→传动
二．螺纹参数：
n=1
n=2
n=3
单线ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ纹和多线螺纹
(二)螺纹参数：P.132 ｄ(大径－标准直径) ;ｄ1(小径) ;ｄ2(中径) ; p(螺距)；ｎ(螺旋线数) ; Ｓ(导程) ; Ｓ＝n p ; α （牙型角） ; β (牙側角) ;φ（升角） =?
前
言:
→ 机器 联接
机械零件 → 构件(运动单元) → 机构 动联接 零件 (制造单元) 静联接 联接 被联接件 联接件
联接 机械静联接→ 可拆联接 →螺纹、键、销 分类 不可拆联接→焊、粘、铆 机械动联接→运动副 螺 内螺纹 螺旋副→ 连接螺纹(静联接→构件) 纹 外螺纹 传动螺纹(动联接→机构)
45 / 2 max 25 / max \ 过大，制造困难
要自锁好→α↑ φ ↓(单) ;要效率高→α↓φ↑(多)
§10-3 机械制造常用螺纹及标准
ρ′↑ →α↑ 联接 ( 可靠 ) → 螺 φ ↓ →单线ｎ=1 → 要自锁 旋 副 传动→ ρ′↓→α↓ 效率高 φ ↑→多线ｎ＞１
FR φ－ρ Fa F (10-3b)
→无论Ｆa多大，滑块不会自动下滑→自锁
自锁条件： Ｆ≤０ → φ ≤ ρ
二．非矩形螺纹
法向压力比矩形大 →将ρ→ρ′ (当量摩擦角)
tgρ′＝f / cos β = f ′ (10-4) (当量摩擦系数) 匀速上升: Ｆ＝Ｆa· tg(φ＋ρ′) (10-5a) 匀速下降: Ｆ＝Fa· tg(φ－ρ ′)
§10-4螺纹联接基本类型及螺纹联接件
一．螺纹联接基本类型
图(10－9,a) 螺栓联接 普通螺栓 铰制孔用螺栓联接 图(10－9,b) 螺钉联接 图(10－10,a) 双头螺柱联接 图(10－10,b) 紧定螺钉联接 图(10－11) e C1 d0
p.137
1. 螺 栓 联 接
2. 螺 钉 联 接
3. 双 头 螺 柱 联 接
4. 紧 定 螺 钉 联 接
二．螺纹联接件 1. 螺 栓、 螺 柱、 螺 钉 联 接 件
p.138
2. 紧 定 螺 钉、 螺 母
3. 垫 圈
§10-5螺纹联接的预紧和防松 P.139
(一)拧紧力矩T0 目的：→防止松动→提高可靠、强度、紧密性 T0 的大小: 拧紧时→锁紧力 螺栓→轴向拉力 ＦS 被联接件→轴向压力 →Ｔ0＝Ｔ1＋Ｔ2 螺纹阻力矩 T1 :(10-5b)
d2 d2 T F Fa tg ( ) 2 2
(10-5b)
(10-6a)
自锁条件： φ ≤ρ′ (10-7) α (β )↑ ρ′ ↑ → 自锁性↑ φ ↑ → 自锁性↓ 要自锁好→ α (β ) ↑ , φ ↓(单头)
d2 d2 T F Fa tg ( ) 2 2
分析: 1.当匀速上升:
2. 当匀速下降 :图(10－4,c) →施加水平支持力Ｆ (匀速下滑)
Fn
FR
Ff
当Ｆ＝０→ 滑块在斜面运动状态不变 Ｆ＜０→ 作用力Ｆ与假设力的方向相反→推力
d2 d2 T F Fa tg ( ) 2 2
F Fatg ( )
φ
ρ F Fa
p.134
1.三角形／普通螺纹(M) →α＝60°, β=30° 螺纹 →紧固→联接(单线、α大)(粗,细) (联接) ＼管螺纹 →α＝60°、55°→紧密 →α小、 φ大 →多线 2.传动螺纹 →效率高 梯形螺纹 Tr →α＝30°, β＝15° 锯齿形螺纹S →β工＝3°,β非＝30° 矩形螺纹 →α＝０ °