机械设计基础课件-第二章联接

矩形螺纹= 0º
螺旋副在轴向载荷Fa作用 下相对运动，可看作在中
径的水平力F推动滑块(重
展开中径d2 圆柱面得一斜面. 物)沿螺纹运动
Fa ----轴向载荷 F ----水平推力
Fn ----法向反力 F’=f Fn ----摩擦力
f ----摩擦系数 FR ----总反力 ρ ----摩擦角
螺 纹 的 拧 紧 ---- 螺 母 在 F 和 Fa
T
d2 2
Fatg(
')
F Fatg( ')
滑块下降：
T
d2 2
Fatg(
')
非矩形螺旋的自锁条件： λ ≤ρ’ 对于联接螺纹必须满足自锁条件
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螺旋转动一圈时，有效功为FaS, 输入功为2πT。 定义螺旋副的效率为有效功与输入功之比：
当ρ’一定时，效率
tg 只是螺纹升角的函
数，由此可以绘出
F’ F
λ
Fa
F=Fatg(λ -ρ )
λ -ρ FR
驱动力矩：
Fa
T
F d2 2
d2 2
Fatg( )
F
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F
d2Fa
F
T
d2 2
Fatg(
)
若λ >ρ ，则T为正值，其方向与螺
母运动方向相反；
F
若λ ≤ ρ ，则T为负值，方向相反，其
方向与预先假定的方向相反，而与螺母 运动方向相同，成为放松螺母所需外加 T
类
双头螺柱联接 联接件厚，允许拆装。
型
参数l1 、e、a与螺栓相同 座端拧入深度H，当螺孔材料为：
钢或青铜 H=d; 铸铁 H=(1.25~1.5)d 铝合金 H=(1.5~2.5)d
螺纹孔深度 H1=H+(2~2.5)P; 钻孔深度 H2=H1+(0.5~1)d;
H2 l1 HH1
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e ed
a
四、 螺纹联接的基本类型及其紧固件
螺纹联接的基本类型 基 螺栓联接 本 螺钉联接 类 双头螺柱联接 型 紧定螺钉联接
紧定螺钉
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螺纹紧固件 螺栓
螺 纹 紧 固 件
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螺栓的结构形式
L L0 d
六角头 L L0 d
小六角头
螺纹紧固件
螺栓
螺 纹
双头螺柱
紧
固
件
L
L1
L0
d L1 -----座端长度 L0 -----螺母端长度
细牙螺纹的优点：升角小、小径大、自锁性好、强度高，
缺点：不耐磨易滑扣。
应用：薄壁零件、受动载荷的联接和微调机构。
P 60˚
P
P
粗牙
d
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细牙 d
细牙 d
普通细牙螺纹
管螺纹 非螺纹密封管螺纹（圆柱管壁α = 55˚） 用螺纹密封管螺纹（圆锥管壁α = 55˚）
60˚圆锥管螺纹
公称直径----管子的公称通径。强调与普通螺纹不同
设轴向力为Q0 或预紧力（不受轴向载荷）
d
总力矩：T
T1
T22
QFa0d2 2
tg(
v' )
feQ0rf
T1—克服螺纹副相对转动的阻力矩；
T2—克服螺母支撑面上的摩擦阻力矩；
d0
fe—摩擦系数。 无润滑时取： fe =0.15
Q0
rf—支撑面摩擦半径。
rf =(dw+d0)/4
T
dw
简化公式： T ≈ 0.2 Q d0 适用于M10~M60的粗牙螺纹， f’=0.15, fc=0.15,
梯形
3º
锯齿形 30º
螺纹的基本尺寸： 粗牙普通螺纹的基本尺寸见P23表2-1 后面有图
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四、 螺纹联接的基本类型及其紧固件
螺纹联接的基本类型
e
基 螺栓联接
本
用于经常拆装易磨损之处。
类
孔与螺杆之
型
间留有间隙 l1
可承受横向载荷。
d a
l1
螺纹余留长度l1
a
静载荷l1>=(0.3~0.5)d;
20
Fra Baidu bibliotek
f ’ =tgρ’ =0.1
自锁极限 紧固螺纹区
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0˚ 10˚ 20˚ 30˚ 40˚ 50˚
三、 机械制造常用螺纹
三角形螺纹 普通螺纹α = 60˚ 管螺纹α = 55˚
普通螺纹以大径d为公称直径，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，其余的统称为 细牙螺纹。 粗牙螺纹应用最广
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 多线螺纹
分 类
按回转体的内外表面分
外螺纹 内螺纹
按螺旋的作用分
联接螺纹 传动螺纹
按母体形状分
圆柱螺纹 圆锥螺纹
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圆柱螺纹
圆锥螺纹
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管螺纹
螺纹的主要几何参数
P/2 P/2
按回转体的内外表面分
按螺旋的作用分
S =P
SP
SP P
S = 2P
按母体形状分
单线螺纹
双线螺纹
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 多线螺纹
分 类
按回转体的内外表面分
外螺纹 内螺纹
按螺旋的作用分
按母体形状分
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Fa是由联接要求决定的，为了发挥螺栓的工作能力和保证预紧 可靠，应取：
预紧应力： σ=(0.5~0.7) σs
通常螺纹联接拧紧是凭工人的经验来决定的，重要螺栓则必须预紧力进行精确控制。
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工程上常采用测力矩扳手或定力矩扳手来控制预紧力 的大小。
F
定力矩扳手
测力矩扳手
２、 螺纹联接的防松 防松的方法
的驱动力矩。
F
提问：当λ ≤ρ时，若没有力矩T，螺母
在Fa的作用下会运动吗？
不会！ --这种现象称为自锁。
F
d2 Fa
T
F
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二、 非矩形螺纹 ≠ 0º
轴
矩形螺纹忽略升角的影响时有： 线
Fa 螺母
Fn=Fa 当 ≠ 0º时，摩擦力为：
F'
f
Fn
f
cos
Fa
螺杆 Fn
f 'Fa
轴
摩擦系数为f 的非矩形螺纹所产生 线
对顶螺母
尼龙圈锁紧螺母
2) 采用专门防松元件防松
开口销与六 角开槽螺母
止动垫圈
圆螺母用止动垫圈
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串联钢丝
3) 其他方法防松 用冲头冲2~3点 1~1.5P
冲点防松法
涂粘合剂 粘合法防松
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六、螺栓联接的强度计算
螺栓联接 的主要失 效形式：
螺栓与螺母的螺纹牙及其他各部尺寸是根据等强度
特点：结构简单，装拆方便，联接可靠性高，应用范围广。
设计目的：正确选用各种螺纹及其联接件（大多数属于国家
标准件），只有在特别重要的情况才进行强度计算。
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一、螺纹的形成及主要参数 螺旋线----一动点在一圆柱体的表面上，一边绕轴线 等速旋转，同时沿轴向作等速移动的轨迹。 螺纹----一平面图形沿螺旋线运动，运动时保持该图 形通过圆柱体的轴线，就得到螺纹。
Fa ---为阻力，F为驱动力，摩擦力F’ 沿斜面朝下。
∠FRFa = λ +ρ
FR = Fn +F’ FR =(1 + f ) Fn 列出力平衡方程：
FR + Fa +F =0
λ +ρ FR
Fa F
λ +ρ
作力多边形
得： F=Fatg(λ +ρ )
驱动力矩：
Fn FR ρ λ v
F F’
T
F
d2 2
螺纹副
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内螺纹 外螺纹
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 多线螺纹
分 类
按回转体的内外表面分
外螺纹 内螺纹
按螺旋的作用分
联接螺纹 传动螺纹
螺旋传动
按母体形状分
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联接螺纹
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传动螺纹
矩形螺纹
tg( ) 效率曲线.
Fa S 2T
Fa
Fatg(
S
') d2
'
当ρ’一定时，在λ =45˚-ρ’/2 处效率曲线有极大值。
对于传动螺旋，一般取：
ρ’ < λ ≤25˚
升角过大, 制造困难，且效率增高也不明显。
对于联接螺纹，必须取：
效率 100 η% 80
60
40
λ ≤ρ’ = 5.7˚
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螺纹紧固件
螺栓
螺 纹
双头螺柱
紧 螺钉、紧定螺钉
固
件
头部 结构
末端 结构
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螺纹紧固件
螺栓
螺 纹
双头螺柱
紧 螺钉、紧定螺钉
固
螺母 国标罗列有六十余种不同结构的螺母
件
用于经常拆装
易磨损之处。
六角螺母 六角扁螺母 六角厚螺母
用于尺寸受限制之处。
圆螺母
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螺纹紧固件
螺栓
螺 纹
联接用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。但在冲击、振动和变载条件下，预紧力可能在某一瞬 时消失，联接仍有可能松动。高温下的螺栓联接，由于温度变形差异 等，也可能发生松脱现象（如高压锅），因此设计时必须考虑防松。 即防止相对转动。
1) 利用附加摩擦力防松
弹簧垫圈
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(1)大径d 与外螺纹牙顶(或内螺纹牙底)相重
合的假想圆柱体的直径。
(2) 小径 d1 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d d
2 也是一个假想圆柱的直径，该
圆柱的母线上牙型沟槽和凸起宽度相等。
d2 d1
(4) 螺距P 相邻两牙在中径线上对应两点间
的轴向距离。
(5) 导程S S = nP
的摩擦力与摩擦系数为f ’ ，的矩
螺母 Fa
α
形螺纹所产生的摩擦力相当。 故称 f ’ 为当量摩擦系数。
螺杆 Fn Fa
f ' f tg' cos
称 ρ’ 为当量摩擦角
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引入参数f ’和ρ’ 就可象矩形螺纹那样对非矩形螺纹进 行力的分析。
水平推力 : F Fatg( ')
滑块上升： 驱动力矩 :
同一条螺旋线上的相邻两牙在中径线上对应两点间的轴向距P
λ
((67))牙螺型纹角升角α λ 平面的夹角
中径d2圆柱上，螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的
tg λ = πndP2
轴向截面内螺纹牙型相邻两侧边的夹角。牙型侧边与螺纹
轴线的垂线间的夹角。
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S
λ
πd2
PS
α
二、 螺旋副的受力分析、效率和自锁
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
分 类
按回转体的内外表面分
按螺旋的作用分
按母体形状分
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螺 纹 的 分 类
浙江大学专用
按螺纹的牙型分
矩形螺纹 三角形螺纹 梯形螺纹 锯齿形螺纹
按螺纹的旋向分
右旋螺纹 左旋螺纹
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
d2
螺纹
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按螺纹的牙型分
矩形螺纹 三角形螺纹 梯形螺纹 锯齿形螺纹
螺 按螺纹的旋向分
纹 的
按螺旋线的根数分
分 类
按回转体的内外表面分
按螺旋的作用分
按母体形状分
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螺纹的牙型
30º
15º
30º
3º
矩形螺纹
三角形螺纹 梯形螺纹
锯齿形螺纹
浙江大学专用
矩形螺纹
按螺纹的牙型分
三角形螺纹 梯形螺纹
的 联 合 作 用 下 ， 逆 着 Fa 等 速 向上运动。
Fn FR ρ
v
螺 纹 的 拧 松 ---- 螺 母 在 F 和 Fa 的 联 合 作 用 下 ， 顺 着 Fa 等 速 向下运动。
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v F’ F Fa
πd2
F
d2Fa
F
S
当螺纹拧紧(滑块上升)时： 滑块在F、FR 、Fa三力作用 下处于平衡状态
d2 2
Fatg(
)
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λ
Fa
πd2
F
d2 Fa
F
S
当螺纹拧松(滑块下滑)时：
Fa ---为驱动力，F成为阻力， 滑块在F、FR 、Fa三力作
摩擦力F’沿斜面朝上。
用下处于平衡状态
∠FRFa = λ -ρ
列出力平衡方程：
FR
Fn λ λ -ρ
ρ
FR + Fa +F =0 作力多边形可得：
v
d
变载荷l1>=0.75d;
冲击载荷或弯曲载荷l1≥ d;
铰制孔用螺栓l1≈ 0;
螺纹伸出长度a=(0.2~0.3)d;
螺栓轴线到边缘的距离
e=d+(3~6) mm
铰制孔螺栓
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四、螺纹联接的基本类型及螺纹紧固件
H2 l1 HH1
螺纹联接的基本类型
基 螺栓联接
本
螺钉联接 结构简单，省了螺母，不宜经常拆装， 以免损坏螺孔而修复困难。
双头螺柱
紧 螺钉、紧定螺钉
固 螺母
件 垫圈
作用：增加支撑面积以减 小压强，避免拧紧螺母擦 伤表面、防松。
A型平垫圈 平垫圈 弹簧垫圈
B型平垫圈 薄平垫圈 斜垫圈
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圆螺母用止动垫圈
五、 螺纹联接的预紧和防松
一般螺纹联接在装配时都必须拧紧，这时螺纹联接受到预紧力的作用。对于重要的螺纹联
１．螺纹联接的预紧 接，应控制其预紧力，因为的大小对螺纹联接的可靠性，强度和密封均有很大影响。
55 ˚
55 ˚
d
d2 d1
P
d
d2 d1
P
φ
浙江大学专用
非螺纹密封的管螺纹
2φ 用螺纹密封的管螺纹
梯形螺纹： = 15º
锯齿形螺纹: = 3º
30º
常用于传动。
为了减少摩擦和提高效率，这两种螺纹的牙侧角β比三角形螺纹的要小得 多。用于剖分螺母时，梯形螺纹可消除因摩擦而产生的间隙，应用较广。 锯齿形螺纹的效率比矩形螺纹高，但只适合单向传动。
第二章 联 接
§２－1 螺纹联接 §２－2 键联接和花键联接和成形联接 §２－３ 销联接 §２－４ 铆接、焊接和粘接 ＊ §２－４ 过盈联接 ＊
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机械联接：静联接和动联接；可拆联接和不可拆联接 §2－1 螺纹联接
定义：利用螺纹紧固件或被联接件零件上制成的螺纹构成的 可拆联接。
作用：将各零件联接在一起构成一台可以拆卸的机器或部件。