螺纹连接经典课件.ppt

第五章 螺纹连接,5-1 螺纹,5-2 螺纹连接的类型与标准连接件,5-3 螺纹连接的预紧,5-5 螺栓组连接的设计,5-6 螺纹连接的强度计算,5-8 提高螺纹连接强度的措施,5-7 螺纹连接件的材料与许用应力,5-4 螺纹连接的防松,连接设计,机械系统中的连接有两大类：,动连接：被联接的零部件之间可以有相对运动的联接；,静连接：被联接的零部件之间不允许有相对运动的联接。,静联接可分为可拆连接和不可拆连接。,可拆连接：可多次拆装而不影响使用性能。如螺纹联接、键联接、销钉联接等；,不可拆连接：至少必须毁坏联接中的某一部分才能拆开的联接。常见的有铆接、焊接和胶结等。,第五章 螺纹连接,5-1 螺纹,5-2 螺纹连接的类型与标准连接件,5-3 螺纹连接的预紧,5-5 螺栓组连接的设计,5-6 螺纹连接的强度计算,5-8 提高螺纹连接强度的措施,5-7 螺纹连接件的材料与许用应力,5-4 螺纹连接的防松,螺纹的类型,按回转体的内外表面分：内螺纹、外螺纹 按螺旋线的绕行方向分：左旋螺纹、右旋螺纹 按用途分：联接螺纹、传动螺纹 按形成螺纹的螺旋线数分：单线螺纹、多线螺纹 按母体形状分：圆柱螺纹、圆锥螺纹按牙型分：三角形、梯形、矩形、锯齿形螺纹按使用长度单位分：米制螺纹、英制螺纹,按回转体的内外表面分：螺纹有外螺纹与内螺纹之分，它们共同组成螺旋副。,按螺纹旋向分：左旋螺纹、右旋螺纹,左旋螺纹:反扣,右旋螺纹:正扣(常用),右旋(常用),左旋,按用途分：联接螺纹、传动螺纹,联接螺纹,传动螺纹,连接用螺纹的当量摩擦角较大，有利于实现可靠连接；,传动用螺纹的当量摩擦角较小，有利于提高传动的效率。,按形成螺纹的螺旋线数分：单线螺纹、多线螺纹,单线螺纹：S=P,多线螺纹：S=nP,=导程,按母体形状分：圆柱螺纹、圆锥螺纹,圆柱螺纹,圆锥螺纹,管螺纹,圆柱管螺纹,按牙型分类,螺纹形成原理及主要参数,大径d，D,小径d1，D1,中径d2，D2,螺距P,导程S,升角l,牙型角a,线数n,螺纹工作高度h,牙侧角,普通螺纹牙基本尺寸,每种尺寸的普通螺纹有多种螺距，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 细牙,耐磨性好，强度高，应用广。,升角小、小径大、自锁性好，不耐磨、易滑扣。,应用：薄壁零件、受动载荷的联接和微调机构。,粗牙与细牙,基本格式,特征代号,公称直径,导程(P螺距),旋 向,公差带代号,旋合长度代号,粗牙螺纹不标注螺距。,旋合长度为中等时，“N”可省略。,右旋螺纹不用标注旋向，左旋时则标注LH。,公差带代号应按顺序标注中径、顶径公差带代号。,螺纹的标注,M202LH5g6gS,标注1：,标注2：,Tr4014(P7)7HL,右旋,M202-5g6g,M20-7H,G1A,尺寸界线应 从大径引出！,注：G右面的数字不是管螺纹的大径，而是它的尺寸代号。,第五章 螺纹连接,5-1 螺纹,5-2 螺纹连接的类型与标准连接件,5-3 螺纹连接的预紧,5-5 螺栓组连接的设计,5-6 螺纹连接的强度计算,5-8 提高螺纹连接强度的措施,5-7 螺纹连接件的材料与许用应力,5-4 螺纹连接的防松,四种基本类型:螺栓联接、双头螺柱联接、螺钉联接和紧定螺钉联接。,1.螺栓联接,螺纹联接的基本类型,特点和应用：无须在被联接件上切制螺纹。分为受拉螺栓联接和受剪螺栓联接。,普通螺栓联接,铰制孔螺栓联接,2.双头螺柱联接,特点和应用：座端旋入并紧定在被联接件之一的螺纹孔中，用于受结构限制而不能用螺栓或经常拆装的场合。,双头螺柱安装专用工具,1996年获国家专利(专利号:ZL95232266.8),有效地解决了双头螺柱不易装配的问题,提高工效68倍,1.工具体 2.减摩元件3.紧定元件4.手柄,3.螺钉联接,特点和应用：不用螺母，而且能有光整的外露表面，应用于与双头螺柱联接相似，但不宜用于时常装拆的联接，以免损坏被联接件的螺纹孔。,4.紧定螺钉联接,特点和应用：旋入被联接件之一的螺纹孔中，其末端顶住另一被联接件的表面或顶入相应的坑中，以固定两个零件的相互位置，并可传递不大的力或转矩。,展开式两级圆柱齿轮减速器,连接类型与标准件2,标准螺纹连接件,螺纹连接的类型很多，在机械制造中常见的螺纹连接件的结构型式和尺寸都已经标准化，可以根据有关标准选用。,第五章 螺纹连接,5-1 螺纹,5-2 螺纹连接的类型与标准连接件,5-3 螺纹连接的预紧,5-5 螺栓组连接的设计,5-6 螺纹连接的强度计算,5-8 提高螺纹连接强度的措施,5-7 螺纹连接件的材料与许用应力,5-4 螺纹连接的防松,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，这个预加的轴向作用力称为预紧力。,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：,预紧的目的：,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%。,预紧力的确定原则：,螺母受力：T拧紧力矩T1 螺纹力矩 T2 承压面力矩 螺母所受转矩T=T1+T2,螺栓受力：T1 螺纹力矩 T3 承压面力矩 T4 夹持力矩 螺栓所受转矩T1=T3+T4,预紧受力分析,拧紧力矩计算,对于M10M68的钢制普通粗牙螺纹，无润滑时，约,【补充】斜面机构,对于一般联接，预紧力凭装配经验控制；对于重要的联接，可用测力矩扳手或定力矩扳手来控制预紧力F0的大小。,拧紧力矩控制？,冲击扳手,测量螺栓伸长控制预紧力,通过螺母转角控制预紧力,预紧力F0与螺母转角的关系,式中：P螺距；Cb螺栓的刚度；Cm被联接件的刚度。,潘存云教授研制,第五章 螺纹连接,5-1 螺纹,5-2 螺纹连接的类型与标准连接件,5-3 螺纹连接的预紧,5-5 螺纹组连接的设计,5-6 螺纹连接的强度计算,5-8 提高螺纹连接强度的措施,5-7 螺纹连接件的材料与许用应力,5-4 螺纹连接的防松,联接用的三角普通螺纹，螺纹升角都较小，在静载荷作用下，一般都能满足自锁条件。但在冲击、振动或变载荷作用下，或当高温或温度变化很大时，螺旋副间的摩擦力减小或瞬时小时，联接就可能产生自动松脱现象，影响联接的牢固和紧密，甚至造成严重的事故。,螺纹放松的根本问题在于要防止螺旋副的相对运动。,常用的防松方法:,摩擦式防松,机械式防松（锁死）,破坏螺旋副关系,螺纹联接的防松,弹簧垫圈,对顶螺母,尼龙圈锁紧螺母,自锁螺母,开口销,止动垫片,串联钢丝,粘合法,焊点法,冲点法,螺栓防盗,防松？,第五章 螺纹连接,5-1 螺纹,5-2 螺纹连接的类型与标准连接件,5-3 螺纹连接的预紧,5-5 螺栓组连接的设计,5-6 螺纹连接的强度计算,5-8 提高螺纹连接强度的措施,5-7 螺纹连接件的材料与许用应力,5-4 螺纹连接的防松,对于受拉螺栓，其失效形式主要是螺纹部分的塑性变形和螺杆的疲劳断裂；经常装拆时绘因磨损而发生滑扣，故其设计准则主要保证螺栓杆有足够的拉伸强度和疲劳强度。对于受剪螺栓，其失效形式可能是螺栓杆被剪断或螺栓杆和孔壁的贴合面被压溃；故其设计准则应保证被联接件的挤压强度和螺栓杆足够的的剪切强度。,螺栓的失效形式和设计准则,一、松螺栓连接强度计算,二、紧螺栓连接强度计算,仅受预紧力的紧螺栓连接,受轴向载荷的紧螺栓连接,承受工作剪力的紧螺栓连接,螺栓连接的强度计算主要与连接的装配情况（预紧或不预紧）、外载荷的性质和材料性能等有关。,螺栓连接强度计算的目的是根据强度条件确定螺栓直径，而螺栓和螺母的螺纹牙及其他各部分尺寸均按标准选定。,校核公式：,设计公式：,d1计算出后,再按标准查选螺纹的公称直径。,松螺栓连接强度计算,二者在数学上等效，但在工程上不等效。,松螺栓连接装配时，螺母不需要拧紧。在承受工作载荷之前，螺栓不受力。,1.仅受预紧力的紧螺栓联接,螺栓螺纹部分处于拉伸与扭转的复合应力状态。,紧螺栓连接强度计算,预紧力引起的拉应力：,螺纹力矩引起的扭转切应力：,复合应力强度计算？,第一强度理论：最大拉应力理论,无论材料处于什么应力状态，只要最大拉应力达到极限值，材料就会发生脆性断裂。,强度条件:,强度条件：s1n（s2+s3）s,第二强度理论：最大拉应变理论,无论材料处于什么应力状态，只要最大伸长线应变达到极限值，材料就发生脆性断裂。,【补充】：强度理论,无论材料处于什么应力状态，只要最大剪应力达到极限值，就发生屈服破坏。,第三强度理论：最大剪应力理论,强度条件：,第四强度理论：畸变能理论,无论材料处于什么应力状态，只要形状改变比能达到极限值，就发生屈服破坏。,强度条件：,强度条件中直接与许用应力比较的量，称为相当应力r,适用范围：,脆性断裂塑性屈服,第一、第二强度理论第三、第四强度理论,【特例】二向应力状态,已知：和计算:相当应力表达式。,解：首先确定主应力,20,第三强度理论（最大剪应力理论）：,第四强度理论（畸变能理论）：,r4=,校核公式：,设计公式：,根据第四强度理论，可求出螺栓危险剖面的当量应力为：,由此可见，仅受预紧力的螺栓连接在拧紧时虽是同时承受拉伸和扭转的联合作用，但在计算时可以只按拉伸强度计算，但需将拉力增大30%来考虑扭矩的影响。,2.同时承受预紧力和工作拉力的紧螺栓联接,缸体周围每个螺栓平均承受的轴向工作载荷为：,在气缸内具有工作介质之前，螺栓受预紧力F0，在承受工作拉力F 的作用后，螺栓的总拉力F2=?,螺栓受力的定性分析,Dl螺栓的再伸长量,F1残余预紧力,螺栓的预紧过程,螺栓受力的定量分析,螺栓的加载过程,单个紧螺栓连接受力变形线图,螺纹连接的强度计算3,一部分用于抵抗工作载荷；一部分压紧被连接件。（残余预紧力）,螺栓所受总拉力,螺栓伸长量：lb+Dl被连接件压缩：lm-Dl,变形过程：,螺栓的总拉力（实际受力）：,为保证连接的紧密性，即在轴向力作用下应能保证被联接件的结合面不出现缝隙，至少应使残余预紧力F1 0。,当工作载荷F不稳定时，取,有紧密性要求的联接，取,当工作载荷F稳定时，取,螺纹连接的强度计算3,则,为使工作载荷F作用后，连接结合面间有F1存在，要求螺栓连接的预紧力为,称为螺栓的相对刚度。,设计时，先根据受载情况求出工作拉力F，再根据工作要求选定残余预紧力F1，最后得到总拉力F2。,疲劳强度校核：,静强度校核：,若工作拉力在0F间变化,螺栓受力：F0F2间变化,应力变化规律：min=C,校核公式如式3-24所示,弯曲疲劳强度极限,拉压疲劳强度极限,（1）采用铰制孔用螺栓,接触表面的挤压强度条件：,螺栓杆的剪切强度条件：,式中：Lmin挤压面最小高度，应使Lmin1.25d0,3.承受工作剪力的紧螺栓连接,螺纹连接的强度计算2,当承受较大的横向载荷F时，由于要求fF0F(f=0.2)，即F05F，因而需要大幅增加螺栓直径。当有冲击时可靠性降低，为减小螺栓直径的增加，可采用减载措施。,（2）采用普通螺栓联接,要求：最大静摩擦力横向载荷,此时：螺栓轴向拉力过大！仅靠摩擦力可靠？,减载零件,此时，连接强度按减载零件的挤压、剪切强度条件计算。,第五章 螺纹连接,5-1 螺纹,5-2 螺纹连接的类型与标准连接件,5-3 螺纹连接的预紧,5-5 螺栓组连接的设计,5-6 螺纹连接的强度计算,5-8 提高螺纹连接强度的措施,5-7 螺纹连接件的材料与许用应力,5-4 螺纹连接的防松,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。,各螺栓之间的距离大小既要保证连接的可靠性又要考虑装拆方便，还应留有足够的扳手空间。,大多数机械中螺栓都是成组使用的。,螺栓组连接的结构设计,结构设计目的：力求使各螺栓和结合面间受力均匀。,要设计成轴对称的几何形状，保证连接结合面受力均匀,螺栓的布置应使螺栓的受力均匀（位置适当）,受倾覆力矩和旋转力矩时,螺栓过多，载荷分布过于不均!,对于铰制孔用螺栓，承受横向载荷时个数小于8,螺栓排列应有合理的间距、边距（间距合理）,为了便于在圆周上钻孔时的分度和画线，分布在同已圆周上的螺栓数目应取为偶数。,避免螺栓承受附加弯矩,受力分析的目的：,受力分析时所作假设：,受载后连接接合面仍保持为平面。,螺栓组的对称中心与连接接合面的形心重合；,螺栓组连接的受力分析,所有螺栓的材料、直径、长度和预紧力均相同；,根据连接的结构设计和受载情况，找出受力最大的螺栓并求其受力，以便进行螺栓连接的强度校核计算。,1受横向载荷,2受旋转力矩,3受轴向载荷,4受翻转力矩,受力分析的类型,（1）对于铰制孔用螺栓连接,式中：z为螺栓数目。,1受横向载荷的螺栓组连接,每个螺栓所受工作剪力为：,工作剪力F需同时满足挤压强度条件、剪切强度条件。,（2）对于普通螺栓连接，按预紧后接合面间所产生的最大静摩擦力必须大于或等于横向载荷的要求，有：,或,其中：Ks为防滑系数，设计中可取Ks=1.11.3。,2受转矩（旋转力矩）的螺栓组连接,（1）采用普通螺栓,旋转力矩（受拉螺栓）,则，各螺栓所需的预紧力为：,（2）采用铰制孔用螺栓,旋转力矩（受剪螺栓）,其中受力最大的螺栓的工作剪力为：,【例】联轴器,1）受拉螺栓连接：,2）受剪螺栓连接：,（最大值即均值）,（最小值）,3受轴向载荷的螺栓组连接,总载荷F作用线沿螺栓轴线并通过螺栓组的对称中心，则每个螺栓所受工作载荷为：,通常，各个螺栓还承受预紧力F0，当连接保证要有足够的残余预紧力F1时，每个螺栓所承受的总载荷F2为：,F2=F1+F,4受倾覆力矩（翻转力矩）的螺栓组,作用在底座两侧的合力矩与倾覆力矩M平衡：,由此，最大工作载荷：,因此，受力最大螺栓的实际载荷/拉力：,另外，为防止结合面受压最大处被压碎或受压最小处出现间隙：,由于：,得：,1受横向载荷,2受旋转力矩,3受轴向载荷,4受翻转力矩,螺栓组的4种受力状态,一般说，对普通螺栓组可按轴向载荷和倾覆力矩确定其工作拉力；按横向载荷和转矩确定所需的预紧力，然后求出螺栓的总拉力。对于铰制孔螺栓组则按横向载荷或转矩确定螺栓的工作剪力。,第五章 螺纹连接,5-1 螺纹,5-2 螺纹连接的类型与标准连接件,5-3 螺纹连接的预紧,5-5 螺栓组连接的设计,5-6 螺纹连接的强度计算,5-8 提高螺纹连接强度的措施,5-7 螺纹连接件的材料与许用应力,5-4 螺纹连接的防松,国家标准规定了螺纹连接件的性能等级。螺栓、螺柱、螺钉的性能等级分为10级，螺母的性能等级分为7级。在一般用途的设计中，通常选用4.8级左右的螺栓，在重要的或有特殊要求设计中的螺纹连接件，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。,一、螺纹连接件材料,【例】性能等级举例,性能等级,表示了材料本身的性能,常用的螺纹连接件材料为Q215、Q235、35、45等碳素钢。当强度要求高时，还可采用合金钢，如15Cr、40Cr等。,二、螺纹连接件的许用应力,1螺纹连接件的许用拉应力,2螺纹连接件的许用剪应力和许用挤压应力,3螺纹连接件的安全系数,（被连接件为钢）,（被连接件为铸铁）,第五章 螺纹连接,5-1 螺纹,5-2 螺纹连接的类型与标准连接件,5-3 螺纹连接的预紧,5-5 螺栓组连接的设计,5-6 螺纹连接的强度计算,5-8 提高螺纹连接强度的措施,5-7 螺纹连接件的材料与许用应力,5-4 螺纹连接的防松,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。影响螺栓强度的因素主要有以下几个方面：,改善螺纹牙上的载荷分布不均,降低影响螺栓的应力幅,减小应力集中的影响,采用合理的制造工艺,受变载荷作用的螺栓，其应力也在一定的幅度内变动，减小螺栓刚度或增大被联接件刚度等皆可以使螺栓的应力变化幅度减小。,一、降低螺栓的应力幅,措施一：降低螺栓的刚度,降低螺栓刚度的方法,措施二：增大被连接件的刚度,a.金属垫片,b.密封环,增大被连接件刚度的方法,有问题？,措施三：在前两种措施基础上适当提高预紧力,二、改善螺纹牙间的偏载,几种均载螺母：,三、减小应力集中的影响,四、避免螺栓承受偏心载荷,五、采用合理的制造工艺,冷镦螺栓头部和滚压螺纹，其疲劳强度比车制螺栓约提高30，热处理后再经滚压的效果更好。氮化、氰化等热处理措施都能提高螺栓的疲劳强度。,保持组织结构的完整性,本章小结,单个螺栓的强度计算螺栓组的受力分析,例题,