机械设计基础-螺纹连接及键连接基础知识培训

FaS
FanP
2 T
2 Fa
d2 2
tg(y
)
nP
tgy
d2tg(y ) tg(y )
• 由上式可知，当量摩擦角ρ′一定
时，效率只是螺纹升角ψ的函数。
效率曲线如图10-6所示。令
dη/dψ=0，可得当ψ=45°－ρ′/2时
效率最高。
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§2 螺旋副的受力分析、效率和自锁
滑块沿斜面匀速上升（旋紧）
连接
➢ 常见的连接：由于使用、结构、制造、装配、运输 等方面的原因，机器中很多零件需要彼此连接。
❖连接的类型：
可拆连接 连接
不可拆连接
本章介绍的内容
螺纹连接 键连接、花键连接、销连接
弹性环连接等 铆接 焊接 粘接
3
§1 螺纹参数
一． 螺纹的形成：将一倾斜角为ψ的直线绕在圆住体上便形成一
条螺旋线。如用平面图形三角形K 沿螺旋线运动并使K平面始 终通过圆柱体轴线，就得到三角形螺纹。
一周所移动的轴向距离，S = nP。 7. 螺纹升角ψ：中径d2圆柱上，螺旋
线的切线与垂直于螺纹轴线的平面 的a：在轴向截面内，螺纹 牙型两侧边的夹角。
9. 牙侧角β：在轴向截面内，螺纹 牙型一侧边与螺纹轴线的垂线之 间的夹角。
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§2 螺旋副的受力分析、效率和自锁
碳素钢螺栓 合金钢螺栓
F0 (0.6 ~ 0.7) s A1
F0
(0.5
~
0.6)
s
A1
螺纹危险 截面面积
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§5 螺纹连接的预紧和防松
• 对于受轴向工作载荷的重要连接和有特殊要求的 螺栓，预紧力应根据其使用实践确定，并在装配 图标注出其预紧力和拧紧力矩，以便安装时控制。
3. 预紧力QP的控制： – 测力矩板手——测出预紧力矩。 – 定力矩板手——达到固定的拧紧力矩T时，弹 簧受压将自动打滑。 – 测量预紧前后螺栓伸长量——精度较高。
3. 管螺纹：主要用于管路的连接。
4. 根据螺旋线数目分：单线螺纹（n=1），双线螺纹
（n=2），用于连接；多线螺纹（n≥2），用于传动。
一般不超过4。
5
§1 螺纹参数
6
§1 螺纹参数
四． 螺纹的主要参数 1. 大径d ——是螺纹的公称直径，
与外螺纹牙顶(或内螺纹牙底) 相重合的假想圆柱体的直径。
v
F
y
n
d2 Fa
s =n p
FR Fa ρ+ψ
F
拧紧力为： F Fatg(y )
T 拧紧力矩为：
F d2 2
Fa
d2 2
tg(y
)
12
§2 螺旋副的受力分析、效率和自锁
2.松开螺母时相当于滑块沿斜面等速下滑
n FR
F
v
FR
s =n p
y
n
d2 Fa
Fa Ψ-ρ F
维持滑块等速运动所需的平衡力（防松力）为：
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§5 螺纹连接的预紧和防松
三．螺纹连接的防松 1、防松目的（原因）： – 连接用的三角形螺纹都具有自锁性，在静载荷和工 作温度变化不大时不会自动松脱。 – 但是①在冲击、振动和变载的作用下，预紧力可能 在某一瞬间消失，连接仍有可能松脱。②在高温或 温度变化较大时，由于温度变形差异等原因，也可 能导致连接的松脱。 – 螺栓连接一旦松脱，轻者会影响机器的正常运转， 重者会造成重大事故。因此，为了保证连接可靠， 必须采取有效的防松措施。
F Fatg(y )
–防松力矩为：
T F d2 2
Fa
d2 2
tg(y
)
3.自锁条件
F Fatg(y ) 0
y
13
§2 螺旋副的受力分析、效率和自锁
三． 非矩形螺纹受力分析
(β≠0°)
如下图所示，非矩形螺纹的 法向力比矩形螺纹的大。
若把法向力的增加看作摩擦 系数的增加，则非矩形螺纹 的摩擦阻力可写为
• 对于紧螺栓连接，在装配时都要预紧，预紧的目的在于增强 连接的可靠性和紧密性，以防止受载后被连接件间出现缝隙或 发生相对滑移。
• 预紧后，螺栓受到的预紧力是通过拧紧力矩获得的。因为预紧 力的大小对螺纹连接的可靠性、强度和密封性均有很大的影响， 因此对于重要的螺纹连接，应控制其预紧力。
28
§5 螺纹连接的预紧和防松
29
§5 螺纹连接的预紧和防松
–对于M10~M68的粗牙螺纹
T 0.2F0d
螺纹大径
N mm
2. 预紧F0值的确定：是由螺纹连接的要求来决定的。
为了充分发挥紧固件的工作能力，保证预紧的可靠， 拧紧后螺纹紧固件的预紧应力一般可达到材料屈服极 限σS的50％~70%，但不得超过σS的80％。对于一般连 接用钢螺栓，预紧力可参考下式确定：
2. 小径d1——常用于强度计算，
与外螺纹牙底(或内螺纹牙顶) 相重合的假想圆柱体的直径。 3. 中径d2——常用于几何计算， 一个假想圆柱体的直径，该圆 柱的母线上牙型沟槽和凸起宽 度相等。 4. 螺距P ——相邻两螺纹牙在中 径线上对应点间的轴向距离。
7
§1 螺纹参数
5. 线数 n ：螺纹的螺旋线数目。 6. 导程 S ：沿螺纹上同一条螺旋线转
26
§4 螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件
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§5 螺纹连接的预紧和防松
一．基本概念 1. 预紧：螺纹连接在装配时通常都要拧紧，这种拧紧称之为 预紧。 2. 紧螺栓连接：装配时预紧的螺栓连接。 3. 松螺栓连接：不预紧的螺栓连接。 4. 预紧的目的：增加连接的刚度、紧密性，以防止螺纹连接 的松脱。拧紧螺母时要克服螺纹副的阻力矩和螺母支承面 间的摩擦力矩。
2.松开螺母
T
F d2 2
Fa
d2 2
tg(y
)
– 当滑块沿非矩形螺纹等速下滑时，可得：
F=Fatg(ψ-ρ′)
相应的防松力矩为
T
F
d2 2
Fa
d2 2
tg(y
)
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§2 螺旋副的受力分析、效率和自锁
• 若螺纹升角ψ小于当量摩擦角ρ′，则螺旋具有自锁特性， 如不施加驱动力矩，无论轴向驱动力Fa多大，都不能使 螺旋副相对运动。
• 考虑到极限情况，非矩形螺纹的自锁条件可表示为 ψ≤ρ′
• 为了防止螺母在轴向力作用下自动松开，用于连接的紧 固螺纹必须满足自锁条件。
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§2 螺旋副的受力分析、效率和自锁
四．螺旋副的效率
• 螺旋副的效率是有效功与输入功之比。若按螺旋转动一圈
计算，输入功为2πT，此时升举滑块所作的有效功为FaS， 故螺旋副的效率为
y
n
d2 Fa
基本假设：载荷分布在中线上；单面产生摩擦力。
力学模型：内外螺纹旋合形成的螺旋副，旋紧或松开时，在 驱动力矩和轴向载荷作用下的相对运动，可简化为作用在中 径上的水平推力推动滑块沿中径展开的斜面上的运动。
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§2 螺旋副的受力分析、效率和自锁
1.拧紧螺母时相当于滑块沿斜面上升
n
FR
动画
动画
同样取平面图形K的形状如右上角任一图形，可得到矩形、梯
形、锯齿形、管螺纹等。
4
§1 螺纹参数
三． 螺纹分类：
1. 一般分法：外螺纹、内螺纹；圆柱螺纹、圆锥螺纹； 左旋螺纹、右旋螺纹。
2. 按牙型的不同分为：
① 三角螺纹，普通螺纹：效率低，易自锁，多用于连 接。
② 矩形螺纹、梯形螺纹、锯齿形螺纹：效率较高，主 要用于螺旋传动。
双头螺栓连接
紧定螺钉连接
• 除上述基本类型以外，还有其它特殊连接：如地脚 螺栓、吊环螺钉等。
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§4 螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件
一．螺栓连接的基本类型
1. 普通螺栓连接
特点：孔与杆间有 间隙、被连接件上 无需切制螺纹、装 拆方便。
适用场合：经常装 拆的一般场合。
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§4 螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件
2. 螺钉连接
特点：孔与杆间有 间隙、被连接件上 需切制螺纹、装拆 方便。
适用场合：被连接 件之一较厚，且不 常装拆的场合。
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§4 螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件
3. 双头螺栓连接
特点：孔与杆间有 间隙、被连接件上 需切制螺纹、装拆 方便。
适用场合：用于被 连接件之一较厚、 经常装拆的场合。
3. 总反力：运动副中法向反力 与摩擦力的合力，称为运动 副中的总反力。
4. 摩擦角：总反力与法向反力 之间的夹角。其大小为：
n
FR
v
F
s =n p
arctan fv
y
n
d2 Fa
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§2 螺旋副的受力分析、效率和自锁
二．矩形螺纹受力分析(牙侧角β=0°)
n
FR
v
F
s =n p
Fa
y d1 d2 d
二．拧紧力矩
1. 拧紧力矩T：是用以克服螺纹副相对
转动的阻力矩T1和螺母支承面上的 摩擦阻力矩T2 ，它与预紧力F0间的 关系为：
T T1 T2
F0d2 2
tg(y
)
fc F0rf
图15 支承面摩擦阻力矩
式中：rf为支承面摩擦半径， rf≈(dw+d0)/4，其中dw为螺母支承 面的外径， d0为螺栓孔直径(如图所示)。
15%
20% 65%
• 受剪螺栓的失效形式：螺
栓杆和孔壁间压溃或螺栓
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杆被剪断。
§6 螺栓连接的强度计算（重点）
三．螺栓连接的设计方法 1. 根据约束强度条件确定螺栓(或螺钉、双头螺柱)的大径。
➢ 根据螺栓连接的受力情况，通过分析，确定其所属类 型，然后计算出受力最大螺栓的拉力或剪力，即可按 强度条件计算出螺栓的小径d1(或螺栓杆直径d0)。由 所计算出的d1或d0，根据标准即可查出相应的螺栓大 径d。