第五章 螺纹连接和螺旋传动

放松螺母
F
ψ<ρ‘ 时，斜坡平缓，此时 F<0（与假定 方向相反），
水平推力
R
F Fatg ( ' )
F
驱动力矩
Fa
d2 d2 T F Fa tg ( ' ) 2 2
若不加驱动力F，无论 Fa多大，滑块（螺母）都不 会自行下滑—自锁状态。
自锁条件： '
Fa
焊接
不可拆连接： 粘接 铆接
第五章 螺纹连接与螺旋传动
§5-1 螺纹
§5-2 螺纹连接的类型和标准连接件
§5-3 螺纹连接的预紧 §5-4 螺纹连接的防松 §5-5 螺纹连接的强度计算 §5-6 螺栓组连接的设计 §5-7 螺纹连接件的材料及许用应力
§5-8 提高螺纹连接强度的措施
§5-9 螺旋传动
设计结束了吗？
否
Cm F0？ F0 F1 C C F b m
这时螺栓的总拉力为： 式中：
Cb F2 F0 F Cb Cm
Cb 为螺栓的相对刚度，其取值范围为 0~1。 Cb Cm
可根据垫片材料选值：见P84第2段
压力缸（需要拧紧）：
在F2作用下：
受轴向拉力产生拉伸应力； 受螺旋副旋合所引起的扭切应力;
基本内容与学习要求
基本内容


螺栓的几何参数、预紧、防松 螺栓组连接的设计计算 提高螺栓连接强度的措施
学习要求

重点掌握紧螺栓组连接的设计计算
理解提高螺栓连接强度的措施 其它方面作一般了解
连接件
被连接件
ch5 连接
连接：将两个或两个以上的零件组合成一体的结构。
按是否可拆分为
螺纹连接 可拆连接 键连接 销连接
即螺栓处于拉伸和扭转的复合应力状态。
应力表达
螺栓

F2
拉伸应力
T1
d2 F2 tan( v ) T1 2 0.5 扭剪应力 d13 /16 d13 /16
F2 2 d1 / 4
据第四强度理论（螺栓塑性）
2 3 2 2 3(0.5 ) 2 1.3
螺栓与孔壁的挤压强度条件：
F P [ P ] F d0 Lmin
i 结合面数
F Lmin d0 F
3．受转矩的螺栓组连接
普通螺栓：
螺纹连接组的设计4
靠预紧后在接合面间产生的摩擦力矩来抵抗转矩T
F0 fr1 F0 fr2 F0 frz KsT
F0
K ST f ri
np S tan d2 d2
三、螺纹的形成与加工
§5-2 螺纹连接的类型 和标准连接件
一、螺纹连接的基本类型
P64
此外，还有：T型槽螺栓连接、吊环螺钉连接和地脚螺栓连 接等。
说明
(1) 普通螺栓连接和铰制孔螺栓连接
(2) 双头螺柱连接
螺栓受拉，承受外载。 用于被连接件厚，常拆卸处
根据连接结构和受载情况
求出受力最大的螺栓及其所受的力
进行螺栓连接的强度计算
受力分析的类型：
1．受轴向载荷
2．受横向载荷
3．受转矩
4．受倾覆力
1．受轴向载荷的紧螺栓组连 接 轴向总载荷FΣ与螺栓轴线平行
螺纹连接组的设计5
通过螺栓组的对称中心
各个螺栓受载相同
压力缸工作后
容器内压力：p
轴向载荷：
F总=pA
例题5-6：图示凸缘联轴器，允许传递最大 转矩T为630Nm（静载），材料为HT250。 6个 M16螺栓依靠摩擦力来传递转矩，螺栓分布 圆直径为130mm，接合面摩擦系数f=0.15，安 装时不要求严格控制预紧力S=4，防滑系数 Ks=1.2，确定螺栓的屈服强度值。
(3) 螺钉连接
螺栓受拉，承受外载。用于被连接件厚，不常拆 卸处
(4) 紧定螺钉连接
用于薄壁件连接
二、标准螺纹连接件 结构型式和尺寸
§5-3 螺纹连接的预紧 螺纹连接的预紧P68
预紧力：
大多数螺纹连接在装 配时都需要拧紧，使之在 承受工作载荷之前，预先 受到力的作用，这个预加 作用力称为预紧力。
螺栓的轴向总拉力：
F2 F1 F
紧螺栓连接应能保证被连接件的接合面不出现 缝隙，
残余预紧力
①当工作载荷F 没有变化时，取
F 0 1
F (0.2 ~ 0.6) F 1
②当工作载荷F 有变化时，取
F (0.6 ~1.0) F 1
③有紧密性要求（如压力容器），取
F (1.5 ~1.8) F 1
强度条件：
4 1.3F2 [ ] 2 d1
d1
4 1.3F2

①先根据工作要求规定残余预紧力F1
计 算 ②再求出螺栓的总拉伸载荷 方 法 F2 F F 1
③然后计算螺栓强度
4 1.3F2 4 1.3F2 [ ] d1 2 d1
§5-1 螺纹连接之补充部分-受力分析
放松螺母
Fn
F
R
FR
Ψ
v
FR
Ff
Ψ-ρ
ρ
F
F
Ψ
Fa
Fa
F
Fa
螺母等速旋转并下降相当于滑块沿斜面等速下降
F Fa FR 0
F Fatg ( )
d2 d2 T F Fa tg ( ) 2 2
放松力矩
§5-1 螺纹连接之补充部分-受力分析
牵曳力F
螺纹连接组的设计3
（2）铰制孔用螺 栓连接（图b） F∑ 每个螺栓所受工 作剪力为：
F∑ F∑ F∑
F F Z
式中：Z为螺栓数目
a)
b)
铰制孔用螺栓
螺栓光杆与孔壁紧密 配合，无间隙 由光杆直接承受剪
切和挤压 孔壁受挤压
螺栓的剪切强度条件为：

i

F d
2 0
[ ]
Lmin
4
fF0 zi KS F
Ks为防滑系数，Ks =1.1～1.3。
a)
对于单个螺栓：
ifF0 KsF
f 结合面摩擦系数 i 结合面数
Ks —防滑系数，1.1~1.3
Ks F F0 f i
当f=0.15，Ks=1.2，i=1 时，F0≥8F
为增加可靠性，减小螺栓直径，提高承载能力，可采用如下 减载装置： a)销 b)套筒 c)键 即用键、套筒或销承担横向工作载荷而螺栓仅起连接作用。
略去升角的影响，在同样轴向载荷 作用下，非矩形螺纹的法向力比矩 形螺纹的大，造成摩擦力较大：
Fa f f Fa f 'Fa cos b cos b
Fn
Fa
Fn Fa
把法向力的增加看作摩擦系数的增加
f '
f tan ' f cos b
f ' ——当量摩擦系数
β
' ——当量摩擦角
是根据被连接件的结构和连接的用途，确定螺栓数目和
分布形式。
为了便于加工制造和对称布置螺栓，保证连接结合面受力均匀，通常联
接结合面的几何形状都设计成轴对称的简单几何形状。
为了便于在圆周上钻孔时的分度和画线，通常分布在同一圆周上的螺栓 数目取成4、6、8等偶数。
螺栓布置应使各螺栓的受力合理。
例题5-3：一钢制液压油缸，采用双头螺柱 联接。已知油压p=3MPa，油缸内径D= 160mm，若取螺柱屈服极限为400MPa，装配 时不严格控制预紧力，取S=3，试计算此油 缸螺柱小径d1。
2．受横向载荷的螺栓组连接
四个螺栓组成 受横向载荷 （1）普通螺栓连接
螺栓组连接
F∑ F∑ F∑
预紧后接合面间所 产生的最大摩擦 F∑ 力必须大于或等于FΣ
tan
d 2
轴向剖面内牙型相邻两侧边的夹角，称为 牙型角a与牙侧角b ： 牙型角a，牙型侧边 与螺纹轴线垂线间的夹角称为牙侧角b。
工作原理：
利用螺纹传动来顶起重物 工作过程：
工作仿真
装配仿真
用一绞杠使螺旋杆在螺套 中转动，而螺套镶在底座 里，并用螺钉定位。在螺 旋杆的一端球面上，套装 一个顶垫并加装一个螺钉， 使其不脱落。绞杠转动时， 螺旋杆做旋转运动的同时 做轴向移动。
1）滑块等速上升时（拧紧螺母） 水平推力 驱动力矩
F Fatg ( ' )
d2 d2 T F Fa tg ( ' ) 2 2
2）滑块等速下滑时（旋松螺母） 水平推力 驱动力矩
F Fatg ( ' )
d2 d2 T F Fa tg ( ' ) 2 2
i 1 z
若为中心对称结合面 r相等
ZF0 fr KsT
KST F0 fZr
需要预紧 螺栓处于拉伸和扭转的复合 应力状态
4 1.3F0 [ ] 校核公式： 2 d1
设计公式：
d1 4 1.3F0

f 结合面摩擦系数 i 结合面数
Ks —防滑系数，1.1~1.3
螺纹的形成
按螺旋线数目分

单线螺纹 多线螺纹
§5-1 螺纹
一、普通螺纹的主要参数
大径d 小径d1 中径d2 螺距P
导程S 升角 牙型角a 牙侧角b
P64
大径 d ：螺纹的公称直径
小径
d1 ：常用于连接的强度计算 中径 d 2 ：常用于连接的几何计算
螺距P ：相邻两牙在中径线上对应两点的轴 向距离。 导程S ：同一条螺线上相邻两牙在中径线上 对应两点间的轴向距离 s np 升角 ：在 d 2 圆柱上，螺线切线与垂直于 螺线轴线平面间的夹角 np
拧紧力矩T
螺旋副间的摩 擦阻力矩
支承面间的摩 擦阻力矩
T T1 T2 3 3 D0 d0 d2 1 F0 tan( v ) f c F0 2 2 2 3 D0 d0 0.2 F0 d 螺栓预紧
§5-5 螺栓组连接的设计
一、螺栓组连接的结构设计
成组使用
P73
在设计螺栓组连接时，关键是连接的结构设计。它
F0 d12 / 4
据第四强度理论（螺栓塑性）
2 3 2 2 3(0.5 ) 2 1.3
强度条件：
4 1.3F0 [ ] 2 d1
d1
4 1.3F0

例题5-4：用2个M10（d1=8.376mm）的 螺钉固定一牵曳钩，若螺钉屈服强度 为240MPa，装配时控制预紧力，取 S=1.35，接合面摩擦系数f=0.15，可 靠性系数Ks=1.2，求其允许的牵曳力。
§5-1 螺纹连接之补充部分-受力分析
拧紧螺母
FR
F
R
Fn
ρΨ
v
FR
Ψ+ρ
F
Fa
Ff
Ψ
F Fa Fa F
螺母等速旋转并上升相当于滑块沿斜面等速上移
F Fa FR 0
F Fatg ( )
d2 d2 T F Fa tg ( ) 2 2
拧紧力矩
螺栓受拉，仅受预紧力
装配时需要拧紧。在拧紧力矩T作用下：
P80
来自百度文库
螺栓受轴向拉力（预紧力）F0的作用而产生 拉伸应力； 同时还受到螺纹力矩T1所引起的扭切应力; 即螺栓处于拉伸和扭转的复合应力状态。
应力表达 螺栓

F0
拉伸应力
T1
d2 F0 tan( v ) T1 2 0.5 扭剪应力 d13 /16 d13 /16
螺栓连接承受转矩时，使螺栓靠近边缘，减小受力 同时承受较大的轴向和横向载荷时，采用减载零件 铰制孔用螺栓，在与载荷平行的方向上布置螺栓的数目不要超过 8个，避免载荷分配不均
T
合理
T
不合理
螺栓的排列应有合理的间距、边距。
避免螺栓承受附加的弯曲载荷。
二、螺栓组连接的受力分析
受力分析的目的：
P74
预紧的目的：
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 缝隙或发生相对移动。
预紧力的确定原则：
拧紧后螺纹连接件的预紧应力不得超过其材料的屈服极限s的 80%。
预紧力的控制： （1）测力矩扳手：
（2）定力矩扳手：
预紧力和预紧力矩之间的关系：
T 0.2 F0d
注：直径过小的螺栓，容易在拧紧时过载 拉断，所以对于重要的连接，若无控制拧 紧力矩的措施，不宜采用小于M12的螺栓。
单个螺栓的轴向载荷： 失效形式： 螺栓杆被拉断:强度不足 F=F总/Z
容器内气（液）体泄漏-缸体缸盖压紧力<0
压力缸（装配时需要预紧）：
预紧后： 缸体和缸盖受压力F0 螺栓杆受拉伸力F0 装入压力流体（螺栓受载）后： 缸盖和缸体之间的压紧程度被放松 F1：压紧的残余程度，残余预紧力
F1>0
F2
缸体和缸盖有残余预紧力F1 缸盖的缸缘通过螺母使螺栓受外载F
Fn Fa cos b
拧紧，螺母等速上升时：
d2 d2 T F Fa tg ( ) 2 2
放松，螺母等速下降时：
d2 d2 T F Fa tg ( ) 2 2
非矩形螺纹的自锁条件：
螺旋副的效率：
Fa S tan 2 T tan( )