机械设计连接

等边三角 形
传动螺 纹
管螺纹 矩形螺纹 梯形螺纹
锯齿形螺纹
等腰三角 形
正方形
等腰梯形
不等腰梯 形
牙型角
粗牙 M24
α=600
细牙 M24×1.5
α=550、600 α=00
α=300
牙形斜角：α=30 工作面 α=300 非工作面
7.1
2.螺纹的主要参数：
d d2 d1
λ
β
h

β
P L=nP(n=2) L
②增加被联接件刚度Km ：用刚度较大垫片或不用垫片减小 应力副
提高螺拴联接强度的措施
2、改善螺纹牙上载荷分布不均现象
内斜螺母
1）尽可能将螺母制成受拉伸的 结构
2）减少螺栓受力的螺纹牙的受 力面，载荷向上转移（图）
•计算准则：满足螺栓的挤压强度和剪切强度 受剪螺栓联接的失效形式
7.6 螺栓联接的强度计算
螺栓联接分为两大类：紧螺栓联接、松螺栓联接。
2. 普通螺栓联接强度计算 1）松螺栓联接强度计算 （图）


FW

4
d12

d1
4FW

式中：d1螺栓危险剖面直径mm
螺栓材料许用应力MPa（教材表）
λ
距，则效率高）
η （n多，大螺
7.3 螺纹联接的主要类型和标 准螺纹联接件
1.螺纹联接的主要类型、特点和应用 •类型
①螺栓联接：用螺栓和螺母把被联接件固定起来 ➢ 普通螺栓联接：结构简单，装拆方便，通孔加工精度低，成本低， 应用广 ➢ 铰制孔用螺栓联接：能承受横向载荷；被联接件需钻孔，铰孔，H7 ／m6，成本高（应用:联轴器）
7.6 螺栓联接的强度计算
•根据联接类型、载荷状态，确定相应计算准则，计算d1或校核强度
1.失效分析及计算准则
•螺接受力状态不同其失效形式也不同
1）受拉螺栓：在过载和变载荷下，其失效为螺杆和 螺纹部分的塑性变形和断裂（图）
•计算准则：满足螺栓的拉伸强度条件。
螺栓疲劳 断裂部位
2）受剪螺栓：在横向载荷作用下， 其失效为螺杆和通孔 孔壁的压溃或螺杆被 剪断（图）
击振动变载荷螺栓用，
例如 12V240型机车柴油机缸头连接螺栓采用42CrMo 螺栓强度级别应大干螺母
7.6 螺纹联接件的材料和许用应力
•螺母、螺栓强度级别：
1）根据机械性能，把栓母分级并以数字表示，此乃强度级别
2）所依据机械性能为抗拉强度极限σBmin和屈服极限σSmin
螺栓级别: 带点数字表示， 点前数字为 Bmin /100
2.螺纹的主要参数：
大径d：公称直径
小径d1 ：计算直径（在强度计算中）
中径d2 ：S=e
d2= d+d1/2
线数n ：n＜4
n增大，η增大
螺距p ：
导程S：S＝np
同一条螺旋线
升角λ：tgλ=S/πd2=np/πd2
牙型角α和牙侧角β
螺纹接触高度h
圆柱螺纹的主要几何参数
螺纹类型
牙型
联接螺 纹
三角螺纹 （普通螺纹）
7.4 螺纹联接的预紧与防松
2)防松原理 消除（或限制）螺纹副之间的相对运动，或增大相
对运动的难度。
3)方法：按工作原理
摩擦防松 机械防松 破坏螺纹副关系防松
7.5 螺栓组联接的结构设计
螺栓组联接的设计步骤。 1．螺栓组结构设计 考虑联接的用途，被联接件的结构，选定接合面形状，
螺栓数目，布置形式； 2．对螺栓组进行受力分析 找出受力最大的螺栓及其工作载荷； 3．进行失效分析确定计算准则 根据强度条件计算螺栓内径 经标准化后确定d； 4．从手册中根据d确定螺栓其它结构尺寸； 5．对于特殊结构需画出零件图。
7.5 螺栓组联接的结构设计
螺栓组结构设计：要求合理确定联接的接合面的几何形状和螺 栓布置形式，力求各螺栓与联接接合面受力均匀，并便于加工 装配 。
结构设计时应考虑以下6个方面（教材）
1．联接接合面的几何形状。 设计时通常把接合面设计成轴对称的简单几何形状，便
于加工制造。 2．螺栓对称布置，使螺栓组的对称中心与接合面的对称中 心重合，以保证螺栓受力均匀。
7.5 螺栓组联接的结构设计
3、螺栓的布置应使各种螺栓的受力合理 (l)对于纹制孔用受剪螺栓数目，在平行于工作载荷方向上
要小于8。 (2)螺栓组承受弯矩和扭矩时，螺栓远离对称中心布置。 (3)如果螺栓同时承受轴向和横向载荷，应增加减载装置
7.5 螺栓组联接的结构设计
4．螺栓排列应有合理的间距、边距， 留足够的板手空间：装拆方便，对有紧定性要求的
2.标准螺纹联接件的主要类型
7.4 螺纹联接的预紧与防松
1.预紧 1）预紧：装配时拧紧螺母 从螺纹受力的角度来讲，螺纹联接在装配时受到力的作用。
2）按是否预紧： 紧联接： 螺栓受预紧力F0的作用 松联接：（只受轴向载荷）
3）作用(目的):保持正常工作。如汽缸螺栓联接，有紧密性要 求，防漏气，接触面积要大，靠摩擦力工作，增大刚性等。
a
K0预紧系数，Kc刚性系数
螺栓危险剖面的强度条件 ：
ca
1.3FΣ


4
d12

a
d1
4 1.3FΣ

Fa
D2
4
p/z
F Σ
Fa

F0
7.6 螺栓联接的强度计算
Qp
3. 铰制孔用螺栓联接的强度计算
1）挤压强度条件：
p

Fh d0 Lmin
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ

R p
7.2 螺旋副的受力分析、自锁 与效率
2.螺旋副的效率
tan tan( v )
分析： ① λ一定时，ρv η ②由ρ v =arctanf v f v= f/cosβ知，f一定时β ρ v η
（矩形、梯形、锯齿形螺纹效率高）
③ ρ v 一定时，λ在某范围内λ η
④ 由 arctan(np /d2) 知，n (s )
螺纹
λ d1
d2 d
7.2 螺旋副的受力分析、自锁 与效率
1.螺旋副的自锁
1）矩形螺纹自锁条件 •自锁 •摩擦角ρ： ρ=arctanf •自锁条件：λ≤ρ
2）三角形螺纹、梯形螺纹和锯齿形螺纹自锁条件
• 摩擦角ρv： ρ v =arctanf v f v= f/cosβ
•自锁条件：λ≤ρv
λ、ρ、f见教材
∵显然n，[σ]与d 有关。 ∴设计时，先假设d，进行试算，选取一安全系数进行计算，
计算结果与估计直径相比较，如在原先估计直径所属范围内 即可，否则需重新进行估算。 ——试算法
7.6 螺栓联接的强度计算
总设计思路
➢ 螺栓组结构设计（布局、数目） ➢ 螺栓组受力分析（载荷类型、状态、形式） ➢ 求单个螺栓的最大工作载荷（判断哪个最大） ➢ 按最大载荷的单个螺栓设计（求d1—标准） ➢ 全组采用同样尺寸螺栓（互换的目的）
螺母级别: Bmin /100
点后数字为 10 smin / Bmin
注意：选择对螺母的强度级别应低于螺栓材料的强度级别， 螺母的硬度稍低于螺栓的硬度（均低于20~40HB）
7.6 螺纹联接件的材料和许用应力
2、许用应力 许用拉应力： [ ] S
S
已知：不控制QP的紧螺栓联接，易过载。 ∴设计时应取较大的完全系数。控制预紧力时可取较小的安 全系数n。
Lmin
R
R
2）剪切强度条件：

Fh
m

d 4Qp
2 0


R
d0
W
h
W
h
主要承受横向载荷，每个螺 栓所受工作剪力（图）：
h
W
h
Fh

FW z
7.6 螺纹联接件的材料和许用应力
1．材料 A2、A3、10#、35#、45# 一般用 15Cr、40Cr、30CrMnSi、42CrMo 重要的、承受冲
2）紧螺栓联接强度计算 ②承受预紧力和工作拉力的紧螺栓联接
F Σ

F0

F

F

F0
FΣ为总拉力（N），F为工作拉力（N）
F0′为剩余预紧力（N），F0′>0，根据工作压力选取，教材
7.6 螺栓联接的强度计算
2）紧螺栓联接强度计算
②承受预紧力和工作拉力的紧螺栓联接
或螺栓总拉力：FΣ (K0 KC )F
1.螺旋线的形成和螺纹的形成： 2.常用螺纹的类型：
1）按轴向截面内的牙型：
各种螺纹特点
螺纹类型
性能
牙根强度
工艺性
三角形螺纹
自锁性好
最大
好
矩形
效率最高
小
差
梯形
效率较高
较大
好
锯齿形
效率较高
较大
好
适用场合 联接 传动
传动(标准化) 传动
ddd
ddd
ddd2d1dd2121
dd2d22 dd1d11
三角形螺纹
•分类:
机械动联接:运动副
机械静联接
可拆联接:键、销、螺纹（从机器或零件结构，安装， 运输，维护考虑 ）
不可拆联接：铆接、焊接、胶（从制造经济上考虑）
过盈配合
•对联接的要求：牢固（强度、刚度）、紧密性（压力容器）
•对联接螺纹：自锁、紧密性
•对传动螺纹：效率，耐磨、强度
•对调整和传递运动：精度
7.1 螺纹
第7章 螺纹联接和螺旋传动
1. 螺纹 2. 螺旋副的受力分析、自锁与效率 3. 螺纹联接的主要类型和标准螺纹联接件 4. 螺纹联接的预紧与防松 5. 螺纹组联接的结构设计与受力分析 6. 螺栓联接的强度计算 7. 提高螺栓联接强度的措施 8. 螺旋传动
概述
•联接:将两个或两个以上的零件联成一个整体
重要联接，间距可查表（教材）
EE 60°
C
h A d
60°
C
d
D
B
7.5 螺栓组联接的结构设计
5．分布同一圆周上的螺栓数目应取4，6，8，10成偶 数，同一螺栓组中各螺栓材料、直径、长度均应一致， 以便于互换。 6．避免螺栓受偏心载荷
螺接受偏心载荷时，螺栓应力大9倍。为此应采用鱼 眼坑，沉头座，凸台。
螺 纹内螺 纹内螺 纹内
33°3°°
33030°0°°
PPP
外 螺 纹外 螺 纹外 螺 纹
7.1 螺纹
单线：用于联接 2)按螺旋线的数目: 双线：用于传动
多线
3)按螺旋线的绕行方向: 右旋：常用右旋，便于制造。
左旋：车床溜板箱、煤气罐开关、自行车中轴
4)按螺旋线形成的表面:
外螺纹 内螺纹
7.1 螺纹
7.4 螺纹联接的预紧与防松
1.预紧
4）预紧力
• 拧紧时螺母：T=T1+T2 T——拧紧力矩 T1——螺纹摩擦阻力矩 T2—螺母端环形面与被联接
件间的摩擦力矩
T≈0.2F0d L=15d ∵T=FL ∴T=15Fd ≈0.2F0d 故F0=75F 预紧力是操作力的75倍 ∴需控制F，即控制拧紧力矩
支撑面摩擦力矩
7.4 螺纹联接的预紧与防松
预置式扭力扳手
•方法：（1）指针式扭力扳手，预置式扭力扳手； （2）对大型的螺栓联接，测量预紧时螺栓伸长量。 测量预紧前后螺栓伸长量——精度较高
2.防松－防止螺栓联接件间的相对转动 1)防松目的:实际工作中，外载荷有振动、变化、材料高温 蠕变等会造成摩擦力减少，螺纹副中正压力在某一瞬间消失 、摩擦力为零，从而使螺纹联接松动，如经反复作用，螺纹 联接就会松驰而失效。因此，必须进行防松，否则会影响正 常工作，造成事故。
提高螺拴联接强度的措施
1、降低影响螺接疲劳强度变应力的因素
受轴向变载荷的紧螺栓联接，在最小应力不变的条件下， 应力幅越小，则螺栓越不容易发生疲劳破坏，可靠性越高。
F Σ

F0

Kb Kb Km
F
Kb：螺栓刚度 Km：被联接件刚度
当F和F0′不变时，可通过
①降低螺栓刚度Kb ：用柔性螺栓或在螺母下安制弹性元件
螺 纹内螺 纹内螺 纹内 66060°0°°
PPP
外 螺 纹外 螺 纹外 螺 纹
梯形螺纹
螺 纹内螺 纹内螺 纹内
33030°0°°
PPP
外螺 纹外螺 纹外螺 纹
ddd dd2d22 dd1d11
ddd dddd21dd2121
矩形螺纹
螺 纹内螺 纹内螺 纹内
PPP
外 螺 纹外 螺 纹外 螺 纹
锯齿形螺纹
• 螺栓联接特点 ➢ 允许两面装拆 ➢ 被联接件孔中不加工螺纹，因而不受材料限制，常用于轻金属薄壁 零件 ➢ 被联接件厚度不能太大
7.3 螺纹联接的主要类型、特点和应用
②双头螺柱联接:用两头均有螺纹的杆柱和螺母把被联接件固定起来 •适用于被联接件之一厚度很大，而又不宜钻通孔，但又经常拆卸的地 方，如滑动轴承； ③螺钉联接:被联接件同上。只用螺栓,不用螺母,直接把螺钉拧进缸体 的螺钉孔中。 •适用于载荷较轻，且不经常装折的场合。常用于轴承盖螺钉联接。 ④紧定螺钉联接:利用拧入被联接件螺纹孔中的螺钉末端顶住另一零件 的表面达到固定零件的相对位置，可传递不大的力或扭矩。 ⑤其他：如地脚螺钉、吊环螺钉、T型槽螺钉。螺纹联接件应用广泛， 所以结构、形状、尺寸都制定有国家标准，见手册。
7.6 螺栓联接的强度计算
2）紧螺栓联接强度计算 ①仅承受预紧力的紧螺栓联接
ca

1.3F0

4
d12

d1
4 1.3F0

fF0 fF0
F0
knT f (r1 r2 rz )
F0

kn FW fzm
F0

knT frz
7.6 螺栓联接的强度计算