机械设计第5章螺纹连接和螺旋传动.ppt

第5章螺纹连接和螺旋传动,51螺纹,52螺纹连接的类型及标准连接件,53螺纹连接的预紧,55螺纹连接的强度计算,57螺栓的材料和许用应力,58提高螺栓连接强度的措施,59螺旋传动,54螺纹连接的防松,56螺栓组连接的设计,1、本章主要内容包括两部分：第一部分为螺栓联接的设计，包括螺栓联接的预紧、强度计算、螺栓组结构设计、受力分析及提高联接强度的措施等；第二部分为滑动螺旋传动的设计计算方法。2、本章特点市内容包括螺纹联接和螺旋传动两个部分。前者属于联接，后者属于传动。二者在内容上虽有一定的联系，但在设计要求上却有很大差别。,3、本章学习要求：对于螺纹联接的基本知识，应了解螺纹及螺纹联接件的类型、特性、标准、结构、应用场合及有关的防松方法等，以便在设计时能够正确地选用。对于螺栓联接设计及强度计算部分，应掌握结构设计原则及强度计算的理论与方法，能正确进行螺栓组的受力分析，能较为合理地设计出可靠的螺栓组联接。对于螺旋传动部分，主要是掌握螺旋传动性能（效率、自锁等）对螺纹选型的要求及主要零件（螺杆、螺母）的设计计算方法，并通过一种基本类型螺旋起重器的设计，了解滑动螺旋传动的主要设计过程。,重点：1.各类不同外载荷情况下，螺栓组中各螺栓的受力分析；2.螺栓联接的强度计算，尤其是承受轴向拉伸载荷的紧螺 栓联接的强度计算。难点：承受倾覆力矩的底板螺栓组联接的设计。,学习时注意：1、前四节是叙述性内容，对于设计螺栓是必不可少的基本知识，应当结合阅读机械设计手册学习。2、螺纹及螺纹联接件大都已标准化。设计时，对不太重要的螺纹联接一般只需根据不同情况进行选用，不需自行设计。对重要的螺纹联接，设计计算也只是确定螺栓危险截面的直径（螺纹小径），螺栓联接的其它部分尺寸由标准选定。但是，在个别特殊情况下，需要自行设计某种非标准螺纹联接件。3、螺纹联接的设计主要是螺栓组联接的设计。其设计工作包括两部分内容：一是正确进行结构设计，通过受力分析找出受力最大的螺栓；二是按照单个螺栓联接的强度计算公式来设计这个受力最大螺栓的尺寸，其余螺栓则按同样尺寸选用。,复习思考题,机械联接可分哪两大类？静联接又可分为哪两类？根据什么条件划分？选用它们时应考虑哪些因素？设计联接时，一般应考虑哪些因素？当一个联接中包含多个危险截面或工作面时，为什么要按最薄弱的部位来决定联接的尺寸？在具体的机器上找出几种联接，分析一下为什么要在那个部位采用那种联接，你认为采用哪种联接最为合适？为什么？,北京林业大学专用 作者：潘存云教授,联接,被联接件,联接件,联接,被联接件与联接件的组合,北京林业大学专用 作者：潘存云教授,联接的类型和应用,联接的类型,一、不可拆联接,破坏联接件或被联接件方能拆卸的联接。,铆接、焊接、粘接、过盈配合联接。,二、可拆联接,无需破坏零件方可拆卸的联接。,螺纹联接、键联接、销联接。,北京林业大学专用 作者：潘存云教授,铆接,特点：工艺简单，可靠，耐冲击；笨重，劳动条件差。应用：目前用于桥梁、飞机制造。,联接的类型和应用,北京林业大学专用 作者：潘存云教授,被联接件局部熔融熔化焊条填充焊缝冷却,焊接,特点：重量轻，强度高，工艺简单。残存焊接应力。应用：广泛，单件生产周期短，成本低。,联接的类型和应用,北京林业大学专用 作者：潘存云教授,粘合剂被联接件粘合剂固化,粘接,特点：重量轻，耐腐蚀，密封好，适用于不同材料。要求有一定粘接面积。应用：应用于金属三十多年历史。,联接的类型和应用,北京林业大学专用 作者：潘存云教授,粘接应用例,粘接的蜗轮,被联接件粘接表面涂胶粘剂，经固化。,粘接的管件,联接的类型和应用,北京林业大学专用 作者：潘存云教授,被联接件（包容件与被包容件）间存在过 盈量，二者装配后产生压力，工作时 靠摩擦力传递载荷。,过盈配合联接,特点：结构简单，定心性好，对轴无削弱，耐冲击性能好。表面精度要求高。过 盈量小时用压入法装配，大时用温差法装配。应用：轻载，定心要求高，不能对轴有削弱之场合。,联接的类型和应用,北京林业大学专用 作者：潘存云教授,螺纹联接,被联接件螺纹紧固件（拧紧）。,联接的类型和应用,北京林业大学专用 作者：潘存云教授,键联接,被联接件键（定位，传递扭矩）,联接的类型和应用,北京林业大学专用 作者：潘存云教授,销联接,被联接件销（定位，传递不大的载荷）。,联接的类型和应用,潘存云教授研制,潘存云教授研制,一、螺纹的形成,51螺 纹,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。,螺纹,按螺纹的牙型分,螺纹的分类,按螺纹的旋向分,按螺旋线的根数分,按回转体的内外表面分,按螺旋的作用分,按母体形状分,矩形螺纹三角形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹,潘存云教授研制,螺纹的牙型,潘存云教授研制,潘存云教授研制,潘存云教授研制,按螺纹的牙型分,螺纹的分类,按螺纹的旋向分,按螺旋线的根数分,按回转体的内外表面分,按螺旋的作用分,按母体形状分,矩形螺纹三角形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹,右旋螺纹,左旋螺纹,按螺纹的牙型分,螺纹的分类,按螺纹的旋向分,按螺旋线的根数分,按回转体的内外表面分,按螺旋的作用分,按母体形状分,矩形螺纹三角形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹,右旋螺纹,左旋螺纹,单线螺纹多线螺纹,一般:n 4,S=2P,S=P,n线螺纹:S=n P,单线螺纹,多线螺纹,按螺纹的牙型分,螺纹的分类,按螺纹的旋向分,按螺旋线的根数分,按回转体的内外表面分,按螺旋的作用分,按母体形状分,矩形螺纹三角形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹,右旋螺纹,左旋螺纹,单线螺纹多线螺纹,外螺纹内螺纹,潘存云教授研制,潘存云教授研制,潘存云教授研制,按螺纹的牙型分,螺纹的分类,按螺纹的旋向分,按螺旋线的根数分,按回转体的内外表面分,按螺旋的作用分,按母体形状分,矩形螺纹三角形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹,右旋螺纹,左旋螺纹,单线螺纹多线螺纹,外螺纹内螺纹,连接螺纹传动螺纹,螺旋传动,连接螺纹,传动螺纹,潘存云教授研制,潘存云教授研制,按螺纹的牙型分,螺纹的分类,按螺纹的旋向分,按螺旋线的根数分,按回转体的内外表面分,按螺旋的作用分,按母体形状分,矩形螺纹三角形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹,右旋螺纹,左旋螺纹,单线螺纹多线螺纹,外螺纹内螺纹,连接螺纹传动螺纹,圆柱螺纹圆锥螺纹,潘存云教授研制,圆柱螺纹,圆锥螺纹,潘存云教授研制,(3)中径d2 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。,(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。,(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,(6)螺纹升角 中径d2圆柱上，螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面的夹角,(7)牙型角 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。,牙侧角,S=nP,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,二、螺纹的主要几何参数,(8)接触高度 h 内外螺纹旋合后，接触面的径向高度。,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。,螺纹的精度等级:,A级,B级,C级,公差小，精度最高，用于配合精确，防振动等场合,受载较大且经常拆卸，调整或承受变载荷的连接,用于一般连接，最常用,粗牙螺纹应用最广。,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、受动载荷的连接和微调机构。,潘存云教授研制,潘存云教授研制,梯形螺纹：,为了减少摩擦和提高效率，这两种螺纹的牙侧角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。,锯齿形螺纹:,=15,=3,粗牙普通螺纹、细牙普通螺纹和梯形螺纹的基本尺寸见后续各表（或查阅相关机械设计手册）。,螺纹的基本尺寸：,潘存云教授研制,直径与螺距、粗牙普通螺纹基本尺寸 mm,标记示例：M24(粗牙普通螺纹、直径24、螺距3),M241.5(细牙普通螺纹,直径24,螺距1.5),潘存云教授研制,潘存云教授研制,潘存云教授研制,梯形螺纹基本尺寸 mm,标记示例：Tr488(梯形螺纹，直径48，螺距8),潘存云教授研制,潘存云教授研制,潘存云教授研制,潘存云教授研制,用螺纹密封的管螺纹,普通细牙螺纹,管螺纹,非螺纹密封管螺纹（圆柱管壁=55）,用螺纹密封管螺纹（圆锥管壁=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,非螺纹密封的管螺纹,52螺纹连接的类型及标准连接件,一、螺纹连接的基本类型,螺栓连接,基本类型,可承受横向载荷。,螺纹余留长度l1,铰制孔用螺栓,静载荷l1=(0.30.5)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 d;,螺纹伸出长度a=(0.20.3)d;,螺栓轴线到被连接件边缘的距离e=d+(36)mm,用于经常拆装易磨损之处。,潘存云教授研制,潘存云教授研制,孔与螺杆之间留有间隙,潘存云教授研制,潘存云教授研制,一、螺纹连接的基本类型,螺栓连接,基本类型,螺钉连接,座端拧入深度H，当螺孔材料为：,双头螺柱连接 连接件厚，允许拆装。,钢或青铜 H=d;,铸铁 H=(1.251.5)d,铝合金 H=(1.52.5)d,螺纹孔深度 H1=H+(22.5)P;,钻孔深度 H2=H1+(0.51)d;,参数l1、e、a与螺栓相同,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。,52螺纹连接的类型及标准连接件,潘存云教授研制,一、螺纹连接的基本类型,螺栓连接,基本类型,螺钉连接,双头螺柱连接,紧定螺钉连接,52螺纹连接的类型及标准连接件,潘存云教授研制,潘存云教授研制,潘存云教授研制,二、螺纹紧固件,螺栓,螺纹紧固件,螺栓的结构形式,二、螺纹紧固件,螺纹紧固件,双头螺柱,螺栓,二、螺纹紧固件,螺纹紧固件,末端结构,头部结构,螺钉、紧定螺钉,双头螺柱,螺栓,潘存云教授研制,二、螺纹紧固件,螺纹紧固件,螺钉、紧定螺钉,双头螺柱,螺栓,专用螺纹连接,T 型螺栓,二、螺纹紧固件,螺纹紧固件,用于经常拆装易磨损之处。,用于尺寸受限制之处。,国标罗列有余种不同结构的螺母,螺母,螺钉、紧定螺钉,双头螺柱,螺栓,专用螺纹连接,潘存云教授研制,其它螺母：,潘存云教授研制,其它螺母：,垫圈,平垫圈,薄平垫圈,螺母,螺钉、紧定螺钉,双头螺柱,二、螺纹紧固件,螺栓,螺纹紧固件,斜垫圈,弹簧垫圈,圆螺母用止动垫圈,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。,专用螺纹连接,53螺纹连接的预紧,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。,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ss的80%。,一、概述,一般螺纹连接在装配时都必须拧紧，这时螺纹连接受到预紧力的作用。对于重要的螺纹连接，应控制其预紧力，因为预紧力的大小对螺纹连接的可靠性，强度和密封均有很大影响。,碳素钢螺栓：,F0(0.60.7)s A1,合金钢螺栓：,F0(0.50.6)s A1,A1 危险截面积，A1 d21/4,二、拧紧力矩,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；,设预紧力为F0 或预紧力（不受轴向载荷）,fc 摩擦因子。无润滑时取 fc=0.15,Rf 支撑面摩擦半径。rf=(dw+d0)/4,简化公式 适用于M10M60的粗牙螺纹，f=0.15,fc=0.15,T 0.2 F0 d,Fa是由连接要求决定的，为了发挥螺栓的工作能力和保证预紧 可靠，应取：,总力矩,注意：对于重要的连接，应尽可能采用大于M12的螺栓。,测力矩扳手,预紧力控制方法:,连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，连接仍有可能松动。高温下的螺栓连接，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。,定力矩扳手,通常螺纹连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。,(1)凭手感经验,(2)测力矩扳手,(3)定力矩扳手,(4)测定伸长量,连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，连接仍有可能松动而失效。高温下的螺栓连接，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。,防松的方法,1.利用附加摩擦力防松,弹簧垫圈,对顶螺母,53螺纹连接的防松,防松防止螺旋副相对转动。,开口销与六角开槽螺母,串联钢丝,2.采用专门防松元件防松,圆螺母用止动垫圈,潘存云教授研制,止动垫圈,3.其它方法防松,涂粘合剂,55螺纹连接的强度计算,螺栓连接的主要失效形式,滑扣 因经常拆装,受拉螺栓,塑性变形 螺纹部分,疲劳断裂,受剪螺栓,剪断,压溃 螺杆和孔壁的贴合面,经常拆卸,轴向变载荷,断裂,潘存云教授研制,螺栓与螺母的螺纹牙及其他各部尺寸是根据等强度原则及使用经验规定的。采用标准件时，这些部分都不需要进行强度计算。所以，螺栓连接的计算主要是确定螺纹小径d1，然后按照标准选定螺纹公称直径d及螺距P等。,一、松螺栓连接强度计算,强度条件,式中 d1 螺纹小径 mm，许用应力,二、紧螺栓连接强度计算,力除以面积,设计公式,装配时需要拧紧，在工作状态下可能还需要补充拧紧。,1.仅承受预紧力的紧螺栓连接,2.承受预紧力和工作拉力的紧螺栓连接,3.承受工作剪力的紧螺栓连接,装配时不须要拧紧,螺栓受轴向拉力F0和摩擦力矩T1的双重作用。,拉应力,1.仅承受预紧力的紧螺栓连接,扭转切应力,对于M10M64的普通钢制螺纹，可取：Tan f=0.17，d2/d1=1.04 1.08,tan 0.5,得：0.5,分母为抗剪截面系数,计算应力,由此可见，对于M10 M64普通螺纹的钢制紧螺栓连接，在拧紧时，虽然同时承受拉伸和扭转的联合作用，但在计算时，可以只考虑拉伸强度计算，并将预紧力增大30%来考虑扭转的影响。,强度条件,潘存云教授研制,当承受横向工作载荷时，预紧力F0导致接合面所产生的摩擦力应大于横向载荷F。,C 可靠性系数，常取 C=1.11.3,预紧力F0,f 摩擦系数，对钢与铸铁，取 f=0.10.15,m 结合面数 上图m=1,下图m=2,若取 f=0.15，C=1.2,m=1,则,F0 8F,结构尺寸大,2.受预紧力和工作拉力的紧螺栓连接,改进措施：(1)采用键、套筒、销承担横向工作载荷。螺栓仅起连接作用,(2)采用无间隙的铰制孔用螺栓。,设流体压强为p，螺栓数目为Z，则缸体周围每个螺栓的平均载荷为,特别注意，轴向载荷：,F2 F0+F,加预紧力后螺栓受拉伸长b,被连接件受压缩短m,加载 F 后:,螺栓总伸长量增加为,总拉力为,被连接件压缩量减少为,残余预紧力减少为 F1,很显然 F1F0 被连接件放松了,+b,m-,受载变形,潘存云教授研制,潘存云教授研制,潘存云教授研制,F=Fb+Fm,=(Cb+Cm),F1=F0-F,=F0-Cm,F2=F0+Fb,=F0+Cb,代入得：,静强度条件,重要场合的螺栓连接，还应进行疲劳强度校核。,设计公式,当工作拉力在0F之间变化时，螺栓所受总拉力在F0 F2之间变化。,若不考虑摩擦力矩的影响，有,因为min=const,应力工作点M落在ODG I区域内，依据疲劳强度理论有,其中-1tc 螺栓材料的对称循环拉压疲劳极限。,材料特性系数碳素钢=0.10.2合金钢=0.30.3,K 综合影响系数,S 安全系数 见下页,这种连接是利用铰制孔用螺栓抗剪切来承受载荷的。螺栓杆与孔壁之间无间隙，接触表面受挤压。在连接接合面处，螺栓杆则受剪切。,3承受工作剪力的紧螺栓连接,螺栓杆与孔壁的挤压强度条件为,螺栓杆的剪切强度条件为,F 螺栓所受的工作剪力，单位为N；,铰制孔用螺栓,设计时应使 Lmin1.25d0,d0 螺栓剪切面的直径（可取螺栓孔直径），单位为mm；,Lmin 螺栓杆与孔壁挤压面的最小高度，单位为mm。,56螺栓组连接的设计,在设计螺栓组连接时，关键是连接的结构设计。它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，通常连接接合面的几何形状都设计成,一、螺栓组连接的结构设计,基本原则：,大多数机械中螺栓都是成组使用的。,轴对称的简单几何形状,螺栓布置应使各螺栓的受力合理,(1)对于铰制孔用螺栓连接，不要在平行于工作载荷的方向上成排地布置个以上的螺栓，以免载荷分布过于不均；,合理,不合理,(2)当螺栓连接承受弯矩或转矩时，应使螺栓的位置适当靠近连接接合面的边缘，以减少螺栓的受力。,潘存云教授研制,螺栓的排列应有合理的间距、边距，以保证扳手空间,(3)当同时承受轴向载荷和较大的横向载荷时，采用抗 剪零件来承受横向载荷。,扳手空间的尺寸见有关标准。,对于压力容器等紧密性要求较高的重要连接。螺栓的间距不大于下表所推荐的取值。,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。,同一螺栓组中的螺栓的材料、直径、长度应相同,保证被连接件，螺母和螺栓头支承面平整，并与螺栓轴线相互垂直。对于在铸、锻件等的粗糙表面上安装螺栓时，应制成凸台或沉头座。当支承面为倾斜表面时，应采用斜面垫圈等。,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:根据连接的结构和受载情况，求出受力最大的螺栓及其所受的力，以便进行螺栓连接的强度计算。,受力分析时所作假设:(1)所有螺栓的材料、直径、长度和预紧力均相同；,(3)受载后连接接合面仍保持为平面。,受力分析的类型：,(2)螺栓组的对称中心与连接接合面的形心重合；,受转矩,受横向载荷,受轴向载荷,（1）对于铰制孔用螺栓连接，每个螺栓所受工作剪力为,（2）对于普通螺栓连接，按预紧后接合面间所产生的最大摩擦力必须大于或等于横向载荷的要求，有,式中 z为螺栓数目。,图示为由四个螺栓组成的受横向载荷的螺栓组连接。,1受横向载荷的螺栓组连接,Ks为防滑系数，设计中可取Ks=1.11.3。,普通螺栓,或,采用普通螺栓和铰制孔用螺栓组成的螺栓组受转矩时的受力情况是不同的。,2受转矩的螺栓组连接,采用普通螺栓，是靠连接预紧后在接合面间产生的摩擦力矩来抵抗转矩T。,采用铰制孔用螺栓，是靠螺栓的剪切和螺栓与孔壁的挤压作用来抵抗转矩T。,假设底板受载仍为平面，则螺栓的剪切变形量与距离成正比，F=Kri,剪切力与距离r的比值为常数,3受轴向载荷的螺栓组连接,若作用在螺栓组上轴向总载荷F作用线与螺栓轴线平行，并通过螺栓组的对称中心，则各个螺栓受载相同，每个螺栓所受轴向工作载荷为,通常，各个螺栓还承受预紧力F0的作用，当连接要有保证的残余预紧力为F1时，每个螺栓所承受的总载荷F2为,F2=F1+F,潘存云教授研制,潘存云教授研制,4受倾覆力矩的螺栓组连接,倾覆力矩 M 作用在连接接合面的一个对称面内，底板在承受倾覆力矩之前，螺栓已被拧紧并承受预紧力F0且被拉伸，地基有均匀的压缩。在作用M后，接触面绕0-0线转动一个角度，左边的地基被放松，而螺栓被进一步拉伸；右边的螺栓被放松，而地基被进一步压缩。,单个螺栓拉力产生的力矩为,Mi=Fi Li,假设底板受载仍为平面，则螺栓受力与螺栓中心到螺栓组排列中心的距离成正比。,螺栓承受的载荷与距离成正比,潘存云教授研制,单个螺栓的受力分析,作用在底板两侧的合力矩与倾覆力矩M平衡，即,未加倾覆力矩时，工作点在A。Mi=0,施加倾覆力矩M时，,左边的螺栓，工作点移至B1 和C1,右边的螺栓，工作点移至B2 和C2,左边螺栓总拉力增加，右边螺栓总拉力减小。,求得最大工作载荷,螺栓的总拉力,为防止接合面受压最大处被压碎或受压最小处出现间隙，要求,直接引用前面的结论,57螺栓的材料和许用应力,一、螺纹连接件材料,螺栓、螺柱、螺钉常用材料：Q215、Q235、35、45等碳素钢；,特殊用途(防磁、导电):特殊钢、铜合金、铝合金等。,螺栓、螺柱、螺钉的性能等级分为10级。,作为标准零件，螺纹连接件是按其性能等级选用的。对于一定性能等级的螺纹连接件应具备一定的强度极限。,冲击振动场合用：15Cr、40Cr、30CrMnSi等合金钢。,普通垫圈：Q235、15、35,弹簧垫圈：65Mn,选用原则：一般用途：通常选用4.8级左右的螺栓，重要场合：要选用高的性能等级，如在压力容器中常采用8.8级的螺栓。,螺母的性能等级分为 7级。,二、螺纹连接件的许用应力,螺纹连接件的许用应力与载荷性质(静、变载荷)、装配情况(松、紧连接)、材料、结构尺寸有关。,许用拉应力,许用切应力和挤压应力,被连接件为钢,被连接件为铸铁,S,Sp 安全系数，其取值详见下页表。,58提高螺栓连接强度的措施,承受轴向变载荷时，螺栓的损坏形式：,疲劳断裂,容易断裂部位：,一、降低螺栓总拉伸载荷F2的变化范围,轴向工作载荷F的变化范围 0 F,总拉伸载荷的F2变化范围,Cb 或 Cm,F2变化范围F,提高螺栓连接强度的措施有哪些呢？,以螺栓连接为例，螺栓连接的强度主要取决于螺栓的强度，因此，提高螺栓的强度，将大大提高连接系统的可靠性。,65%,20%,15%,潘存云教授研制,潘存云教授研制,潘存云教授研制,措施一：降低螺栓刚度（Cb Cb,b b）,措施二：提高被连接件刚度（Cm Cm,m m）,措施三：综合措施（Cb Cm,F0 F0）,虽然F=F,FF强调残余预紧力减小,但有FF强调残余预紧力减小,F=F,F=F，F1=F 1,FF,前两种措施会导致残余预紧力减小，使密封性能降低。为保证可靠工作，可适当增大预紧力。,采用柔性结构：加弹性元件、或采用柔性螺栓。,2.有密封要求时，采用金属薄垫片,3.或者采用O形密封圈,宜采取措施:,因密封采用软垫片将降低被连接件的刚度，这时可采用,二、改善螺纹牙间的载荷分布,措施:采用均载螺母,加厚螺母不能提高连接强度！,F=F1+F2+F3+F4+F5,F1F2F3F4F5,10圈以后，螺母牙几乎不承受载荷。,螺母体,均载螺母均载原理,螺母和螺杆均为拉伸变形，有助于减小两者螺距变化，使受载均匀。,潘存云教授研制,均载原理相同螺母也受拉,内斜螺母因力的作用点外移可使载荷较大的头几圈螺纹牙容易变形，使载荷上移而改善载荷分布不均。,均载元件,悬置螺母,环槽螺母,内斜螺母,内斜螺与环槽螺母,都是改变螺母旋合部分的变形性质，使之和螺栓变形性质相同，均为拉伸变形，从而使螺纹牙上载荷分布趋于均匀；,钢丝螺套,加工复杂，仅限于用在重要场合或大型连接。,三、减小应力集中,1.增大过渡圆角,2.切制卸载槽,四、避免或减小附加应力,3.卸载过渡结构,要从结构、制造与装配精度采取措施。,五、采用特殊制造工艺,冷镦头部、辗压螺纹,表面处理：氰化、氮化也能提高疲劳强度。,球面垫圈,采用球面垫圈和腰环螺栓可以保证螺栓的装配精度。,潘存云教授研制,复习思考题,1.常用的螺纹有哪几类？它们各有什么特点？其中哪些已标准化？2.例举常用的螺纹联接零件,螺纹联接有哪几种基本类型？各适用于什么场合？3.螺纹联接为什么要预紧？预紧力的大小如何保证？4.螺纹联接常用的防松方法有哪几种？它们是如何防松的？其可靠性如何？5.在受横向载荷的螺栓组联接中，什么情况下宜采用铰制孔用螺栓？6.什么叫螺栓刚度？什么叫被联接件刚度？7.在受倾覆力矩的螺栓组联接中，地基和螺栓的刚度对载荷的分配有什么影响？8.受拉伸载荷作用的紧螺栓联接中，为什么总载荷不是预紧力和拉伸载荷之和？9.提高螺栓刚度的措施有哪些？这些措施中哪些主要是针对静载荷？哪些主要是针对变载荷？10.为什么有些汽缸盖联接螺栓采用细腰结构的长螺栓？11.螺纹联接的常用材料是什么？对螺栓和螺母的材料有什么要求？,北京林业大学专用 作者：潘存云教授,已知：支架和底板用2个受拉螺栓连接。支架和底板的材料为HT200、螺栓的材料为Q235，支架重量不计。P=3000N、30、A200mm、B50mm、2l250mm、H1300mm、H2200mm、C60mm，试设计此螺栓连接。,习题课：螺栓连接设计实例,北京林业大学专用 作者：潘存云教授,分析：此螺栓组采用受拉螺栓、并有轴向工作载荷，设计公式如下：,其中受力最大螺栓的总拉力F2、螺栓的许用拉应力 为未知量。通过查表得到，F2 通过受力分析获得。,为计算方便，我们采用后一公式求F2。则首先应求出受力最大螺栓的工作载荷Fmax和预紧力F0。,一、螺栓组连接受力分析,北京林业大学专用 作者：潘存云教授,力系简化,2.受力最大螺栓工作拉力Fmax,北京林业大学专用 作者：潘存云教授,3、分析可能的失效形式,强度不满足在横向载荷R的作用下，支架有向下滑移的可能在轴向载荷Q的和倾覆力矩M的作用下，结合面上部可能离缝；在轴向载荷Q的和倾覆力矩M的作用下，支架或底板下部被压溃。,北京林业大学专用 作者：潘存云教授,4、确定F0？,（2）不滑移条件,（1）不离缝条件,北京林业大学专用 作者：潘存云教授,把相关数据代入、式：,取F08539N,5、计算F2,北京林业大学专用 作者：潘存云教授,二、螺栓参数确定,按粗牙普通螺纹标准，选用螺纹公称直径d=12mm（螺纹小径的=10.106mm9.7mm）,一、螺旋传动的类型和应用,调整螺旋,静压螺旋,类型,运动形式有,59螺旋传动,螺母固定，螺杆转动并移动,螺旋传动是利用螺杆和螺母组成的螺旋副来实现传动的。,螺杆转动，螺母移动 刀架,按用途分,传力螺旋,传导螺旋,滑动螺旋,滚动螺旋,按摩擦性质分,传递动力,传递运动,要求精度高,调整相对位置,应用实例为车床刀架溜板,潘存云教授研制,潘存云教授研制,调整螺旋,调整螺旋,应用实例,起重设备（千斤顶）,锻压机械(压力机),应用实例,工件夹紧装置(锯床),潘存云教授研制,应用实例,整体螺母,组合螺母,剖分螺母,螺母结构,组合螺母,二、滑动螺旋的结构和材料,滑动螺旋的结构主要是指螺杆、螺母的固定和支承的结构形式。螺旋传动的工作刚度与精度等和支承结构有直接关系。,1.结构,剖分螺母,潘存云教授研制,螺旋副材料要求：足够的强度、耐磨性、摩擦因子小,2.滑动螺旋的材料,螺杆材料:Q257、45、50钢，或T12、40Cr、65Mn,螺母材料:ZCuSn10P1、ZCuSn5Pb5Zn5、ZCuAl10Fe3.,潘存云教授研制,三、滑动螺旋传动的设计计算,承受载荷:转矩、轴向力,设计准则：按耐磨损确定直径，选择螺距校核螺杆、螺母强度等。,主要失效形式:螺牙的磨损,对螺旋传动的要求:强度足够,耐磨,摩擦因子小.,螺杆材料:Q257、45、50钢，或T12、40Cr、65Mn,螺母材料:ZCuSn10P1、ZCuSn5Pb5Zn5、ZCuAl10Fe3。,失效形式:磨损 通常先由耐磨性条件，计算螺杆直径和螺母高度，再参照标准确定螺旋各主要参数，而后对可能发生的其它失效一一校核。,耐磨性计算,校核公式：,影响磨损的原因很多，目前还没有完善的计算方法，通常是限制螺纹接触处的压强。,Fa为轴向力；z为参加接触的螺纹圈数；d2为螺纹中径；h为螺纹的工作高度；p为许用压强。,潘存云教授研制,设计方法和步骤,1耐磨性计算,滑动螺旋的耐磨性计算，主要是限制螺纹工作面上的压力，其强度条件：,令=H/d2，,又因为h=0.5P矩形、梯形螺纹的工作高度 h=0.75P锯齿形螺纹的工作高度。,代入上式得螺纹中径的计算公式：,校核公式：,F轴向力；,显然有：u=H/P,u螺纹工作圈数,d2 螺纹中径；,h 螺纹的工作高度;,H 螺母高度;,P 螺距;,锯齿形螺纹,=,1.22.5 整体式螺母,2.53.5 剖分式螺母,一般取 u10,梯形螺纹,值越大，螺母越厚，螺纹工作圈数越多。,依据计算出的螺纹中径，按螺纹标准选择合适的直径和螺距。,验算,若不满足要求，则增大螺距。,对有自锁性要求的螺旋传动，应校核自锁条件：,螺纹中径的计算公式,2螺杆的强度计算,对于受力比较大的螺杆，需根据第四强度理论求出危险截面的计算应力,螺杆的强度条件,式中，F为螺杆所受的轴向压力（或拉力），T为螺杆所受的扭矩,对碳素钢,=5080 MPa,潘存云教授研制,潘存云教授研制,潘存云教授研制,3螺母螺牙的强度计算,螺牙上的平均压力为 F/u,剪切强度条件,（1）考虑螺旋副摩擦力矩的作用，螺母悬置部分危险截面bb的拉伸强度条件：,其危险截面 a a 的,弯曲强度条件,在螺旋起重器螺母的设计计算中，除了进行耐磨性计算与螺纹牙的强度计算外，还要进行螺母下段与螺母凸缘的强度计算，螺母凸缘与底座的接触面上产生挤压应力；凸缘根部受到弯曲和剪切作用；螺母下段承受拉力和螺旋副摩擦力矩的作用。,4螺母外径与凸缘的强度计算,潘存云教授研制,（2）凸缘与底座接触表面挤压强度条件：,（3）凸缘根部弯曲强度条件：,5螺杆的稳定性计算,对于长径比较大的受压螺杆，需要校核压杆的稳定性，要求螺杆的工作压力F要小于临界载荷Fcr,Ss=,3.55 传力螺旋,2.54 传导螺旋,4 精密螺杆或水平安装,螺杆的稳定性条件为,螺杆长度系数，由下表确定。,I 为螺杆危险截面的惯性矩,(2)当螺杆一端以螺母支承时，l 取从螺母中部到另一支点上的距离。,l 为螺杆的工作长度:(1)当螺杆两端支承时，l 取两支点间的距离；,(1)若采用滑动支承时，则以轴承长度l0与直径d0的比值来确定：l0/d0 3 为固定支承。,(3)若以剖分螺母作为支承时，可作为不完全固定支承。,(2)若以整体螺母作为支承时，仍按上述方法确定。但取 l/H,判断螺杆端部支承情况的方法：,H为螺母高度,(4)若采用滚动轴承支承，且有径向约束时，可作为铰支；有径向和轴向约束时，可作为固定支承。,临界载荷Fcr与材料、螺杆长细比=l/i 有关。,（1）当100时,临界载荷为,i 螺杆危险截面的惯性半径，若危险截面面积A=d12/4,E螺杆的弹性模量,对于钢 E=2.06105 MPa,系数含义随后解释,I危险截面惯性距,I=d14/64,（2）当40100时,对B 370 MPa的碳素钢，取,对B 470 MPa的优质碳素钢（如35、40钢），取,（3）当40时，不必进行稳定性校核,稳定性校核的条件：,为稳定性校核的安全系数，取 S=2.54,当不满足条件时，应增大螺纹小径d1。,在螺旋和螺母之间设有封闭的循环滚道，其间充以滚珠，这样就使螺旋面的滑动摩擦成为滚动摩擦。,四、滚动螺旋简介,组成：螺杆、螺母、滚珠,返回通道,类型：外循环、内循环,不离开螺旋表面，每圈有一个反向器,优点：(1)摩擦损失小、效率在90%以上；,缺点：(1)结构复杂、制造困难；,应用实例：飞机机翼和起落架的控制、水闸的升降、数控机床、机器人。,(2)磨损很小，传动精度高；,(2)有些机构为防止逆转需要另加自锁机构。,实践作业,在五金店购买10种不同头部结构、不同大径的普通螺栓，3种铰制孔用螺栓，记住其规格型号，在课堂进行分辨，并讲述预紧该种螺栓需要使用的工具。查找牙型分别为三角形（粗牙、细牙）、矩形、梯形和锯齿形螺纹的应用范例，并说明范例中使用该种牙型螺纹的原因。,书面作业,5-4、5-5、5-6螺旋千斤顶设计,设计作业,