螺纹连接螺纹连接宋宝玉宋宝玉 第三章第三章 螺纹连接螺纹连接(1)(1)螺纹连接：螺纹连接：是利用螺纹零件构成的可拆连接；是利用螺纹零件构成的可拆连接；特点：特点：结构简单，拆装方便，工作可靠；结构简单，拆装方便，工作可靠；标准件：标准件：各种螺纹连接件，应用广泛。各种螺纹连接件，应用广泛。基本概念：基本概念：螺纹的形成与制造：螺纹的形成与制造：dAB车削螺纹车削螺纹螺旋线螺旋线3.1.1 常用螺纹类型及特点常用螺纹类型及特点*对螺纹的要求：对螺纹的要求： 足够的强度和良好的工艺性足够的强度和良好的工艺性3.1 螺纹螺纹连接螺纹：连接螺纹：自锁；自锁；管管 螺螺 纹：纹：紧密性、气密性；紧密性、气密性；传动螺纹：传动螺纹：效率高、韧度高；效率高、韧度高；调整螺纹：调整螺纹：精度高；精度高；起重螺纹：起重螺纹：效率高、自锁性好。效率高、自锁性好。普通螺纹普通螺纹矩形螺纹矩形螺纹梯形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹锯齿形螺纹管螺纹管螺纹圆柱螺纹圆柱螺纹圆锥螺纹圆锥螺纹*螺纹的分类：螺纹的分类：按牙形：按牙形：按母体形状：按母体形状：1. 普通螺纹普通螺纹特点：特点：螺纹的牙型角螺纹的牙型角 =2 =60 ；当量摩擦因数大；当量摩擦因数大；自锁性能好；自锁性能好；主要用于连接。主要用于连接。粗牙螺纹与细牙螺纹的比较粗牙螺纹与细牙螺纹的比较粗牙：粗牙：承载能力大，常用于连接。承载能力大，常用于连接。细牙的缺点：细牙的缺点：牙小，相同载荷下磨损快，易脱扣。牙小，相同载荷下磨损快，易脱扣。细牙：细牙：自锁性能更好。常用于承受冲击、振动及变自锁性能更好。常用于承受冲击、振动及变载荷、或空心、薄壁零件上及微调装置中。载荷、或空心、薄壁零件上及微调装置中。2. 矩形螺纹矩形螺纹特点：特点：牙形为矩形；牙形为矩形；=0 =0 ；效率高，用于传动；效率高，用于传动；牙根强度弱；牙根强度弱；同心度差，磨损后不宜同心度差，磨损后不宜补偿；补偿；加工困难，常被梯形螺加工困难，常被梯形螺纹代替。纹代替。3. 梯形螺纹梯形螺纹特点：特点： = 30 ， =15 ；比矩形螺纹效率略低；比矩形螺纹效率略低；牙根强度高；牙根强度高；易于对中，易于制造；易于对中，易于制造；剖分螺母可消除间隙；剖分螺母可消除间隙；在螺旋传动中应用广泛。在螺旋传动中应用广泛。4. 锯齿形螺纹锯齿形螺纹特点：特点：工作边工作边 =3 ；非工作边非工作边 =30 ；便于加工；便于加工；能承受较大的载荷；能承受较大的载荷；只能用于单向传动；只能用于单向传动；综合了矩形螺纹效率高综合了矩形螺纹效率高和梯形螺纹牙根强度高和梯形螺纹牙根强度高的优点。的优点。5. 圆柱管螺纹圆柱管螺纹特点：特点：用于管件连接的三角螺用于管件连接的三角螺纹，纹， =55 ；螺纹面间没有间隙；螺纹面间没有间隙；密封性好；密封性好；用于压强在用于压强在1.6MPa以下以下的管件连接。的管件连接。6. 圆锥管螺纹圆锥管螺纹特点：特点：螺纹均布在锥度为螺纹均布在锥度为1:16的的管上；管上； =55 或或60 ；螺纹面间没有间隙；螺纹面间没有间隙；不用填料，靠牙变形，不用填料，靠牙变形，密封性好；密封性好；用于高温、高压的管件用于高温、高压的管件连接。连接。7. 其它螺纹其它螺纹特点：特点： =60 ；用于金属薄板或非金属的连接。用于金属薄板或非金属的连接。3.1.2 螺纹的主要参数螺纹的主要参数d-螺纹大径螺纹大径d1 1- -螺纹小径螺纹小径d2-螺纹中径螺纹中径p-螺距螺距n-线数线数P Ph h-导程导程 P Ph h=n=np p-螺纹升角螺纹升角 -牙型角牙型角 -牙侧斜角牙侧斜角旋向旋向h-接触高度接触高度螺纹的螺纹的线数线数与旋向与旋向单单线左线左旋旋三三线右线右旋旋旋向的判断旋向的判断3.1.4 螺纹副的受力、效率和自锁螺纹副的受力、效率和自锁 圆周力：圆周力：F vF效率：效率：1.拧紧时拧紧时圆周力：圆周力：2.松开时松开时vF F效率效率3.自锁条件：自锁条件：以上各式中以上各式中:-当量摩擦因数，当量摩擦因数， ；f -摩擦因数；摩擦因数； -牙侧角，度。牙侧角，度。 -当量摩擦角，当量摩擦角， ；F -预紧力预紧力, N； -螺纹升角，度；螺纹升角，度；普通螺栓连接普通螺栓连接 螺栓和孔壁有间隙；螺栓和孔壁有间隙；孔的加工精度低。孔的加工精度低。3.2 螺纹连接的基本类型和标准连接件螺纹连接的基本类型和标准连接件3.2.1 螺纹连接的基本类型及应用特点螺纹连接的基本类型及应用特点特点：特点：被连接件较薄，被连接件较薄，易做通孔易做通孔1. 螺栓连接螺栓连接铰制孔用螺栓连接铰制孔用螺栓连接螺杆与孔用过渡配合，螺杆与孔用过渡配合，孔需精制。孔需精制。承受横向载荷承受横向载荷可起定位作用。可起定位作用。铰制孔用螺栓连接铰制孔用螺栓连接2. 螺螺钉连接钉连接 螺纹孔的加工螺纹孔的加工 螺钉连接螺钉连接特点：特点：被连接件不宜做成通孔；被连接件不宜做成通孔；不宜经常拆卸。不宜经常拆卸。拧入深度：拧入深度：铜或青铜：铜或青铜：H=d铸铸 铁：铁：H=(1.251.5)d铝铝 合合 金：金：H=(1. 52.5)d3. 双头螺柱连接双头螺柱连接 特点：特点：被连接件不宜做被连接件不宜做成通孔又需要经成通孔又需要经常拆卸；常拆卸；用螺钉无法安装。用螺钉无法安装。 两种错误结构两种错误结构4. 紧定螺钉连接紧定螺钉连接特点：特点：旋入被连接件的螺纹孔旋入被连接件的螺纹孔中，顶住另一被连接件中，顶住另一被连接件的表面或凹坑。的表面或凹坑。固定两个零件，传递不固定两个零件，传递不大的力及力矩。大的力及力矩。3.2.2 标准螺纹连接件标准螺纹连接件1. 螺栓螺栓2. 双头螺柱双头螺柱3.螺钉螺钉紧定螺钉的头部和末端紧定螺钉的头部和末端4 .紧定螺钉紧定螺钉5 .螺母与垫圈螺母与垫圈3.2.3 、螺纹连接件的常用材料及力学性能等级、螺纹连接件的常用材料及力学性能等级普通连接：普通连接：普通碳素钢，优质碳素结构钢，普通碳素钢，优质碳素结构钢， 如如:Q215、Q235和和10、15、35、45号钢。号钢。变载荷或有冲击、振动的重要连接：变载荷或有冲击、振动的重要连接：合金钢，合金钢， 如如: 15Cr、20Cr、40 Cr、15MnVB、30CrMnSi。1. 常用材料：常用材料：2. 螺栓、螺钉、螺柱、螺母性能等级螺栓、螺钉、螺柱、螺母性能等级3.3 螺纹连接的预紧与松防螺纹连接的预紧与松防3.3.1 螺纹连接的拧紧力矩及其控制方法螺纹连接的拧紧力矩及其控制方法预紧力预紧力1. 预紧的作用：预紧的作用：2. 为什么要控制预紧力？为什么要控制预紧力？连接在承受工作载荷之前就受到预紧力连接在承受工作载荷之前就受到预紧力F的作用；的作用；受载后防止被连接件之间出现间隙或横向滑移；受载后防止被连接件之间出现间隙或横向滑移；预紧也可以防松。预紧也可以防松。预紧力过大，会使连接超载；预紧力过大，会使连接超载；预紧力不足，可能导致连接失效；预紧力不足，可能导致连接失效；重要的螺栓应控制预紧力。重要的螺栓应控制预紧力。拧紧螺母时的力矩和预紧力拧紧螺母时的力矩和预紧力3. 拧紧力矩的计算拧紧力矩的计算拧紧力矩：拧紧力矩：螺纹副摩擦力矩螺纹副摩擦力矩螺母与被连接件摩擦力矩螺母与被连接件摩擦力矩总力矩总力矩故：故：Kt为拧紧力矩系数为拧紧力矩系数当钢制螺纹当钢制螺纹M10M68时，由螺纹几何关系和取摩擦因时，由螺纹几何关系和取摩擦因数数 , 当量摩擦角当量摩擦角 ，经整理可得：，经整理可得：或：或：4. 装配时控制预紧力的方法装配时控制预紧力的方法测力矩扳手：测力矩扳手：预先设计出力矩与变形的关系；根预先设计出力矩与变形的关系；根据表的读数确定拧紧力矩。据表的读数确定拧紧力矩。测力矩扳手原理测力矩扳手原理测力矩扳手实物测力矩扳手实物定力矩扳手：定力矩扳手：用弹簧对圆柱体施加压力用弹簧对圆柱体施加压力F1，拧紧力矩，拧紧力矩变大时，卡盘与圆柱销之间的力变大时，卡盘与圆柱销之间的力F1增大，当增大，当F1大于或大于或等于弹簧力时，圆柱体从卡盘的槽中脱开。等于弹簧力时，圆柱体从卡盘的槽中脱开。工作前受力工作前受力工作时受力工作时受力3.3.2 螺纹连接的防松螺纹连接的防松防松的实质：防松的实质：防止螺纹副间的相对转动防止螺纹副间的相对转动1. 摩擦防松摩擦防松双螺母双螺母在螺母和螺栓之间形成内力，在螺母和螺栓之间形成内力，保证摩擦力。保证摩擦力。结构简单、使用方便，但可结构简单、使用方便，但可靠性不高。靠性不高。用于平稳、低速、重载的螺用于平稳、低速、重载的螺纹连接。纹连接。锁紧螺母锁紧螺母镶嵌弹性环或尼龙圈挤镶嵌弹性环或尼龙圈挤入螺母；入螺母；利用螺母椭圆口的弹性利用螺母椭圆口的弹性变形箍住螺栓。变形箍住螺栓。弹簧垫圈弹簧垫圈弹力保持一定压力，弹力保持一定压力，切口尖端逆向。切口尖端逆向。用于一般的螺纹连接。用于一般的螺纹连接。2. 机械防松机械防松 开口销与开口销与六角开槽螺母六角开槽螺母止动垫圈与圆螺母止动垫圈与圆螺母串联钢丝串联钢丝3. 永久防松永久防松焊接焊接 冲点冲点 涂胶涂胶3.4 螺栓组连接的设计螺栓组连接的设计3.4.1 螺栓组连接的结构设计螺栓组连接的结构设计1. 连接结合面应设计成轴对称的简单几何形状连接结合面应设计成轴对称的简单几何形状目的：目的：合理地确定结合面的几何形状和螺栓的布置合理地确定结合面的几何形状和螺栓的布置螺栓组的对称中心与接合面的型心重合螺栓组的对称中心与接合面的型心重合2. 螺栓的布置应使各螺栓的受力合理螺栓的布置应使各螺栓的受力合理螺栓组受扭矩时，应远离型心布置螺栓组受扭矩时，应远离型心布置3. 螺栓的排列应有合理的间距、边距螺栓的排列应有合理的间距、边距留出足够的扳手空间扳手空间留出足够的扳手空间扳手空间4. 螺栓应螺栓应 取取4、6、8等偶数等偶数螺栓均布：螺栓均布：便于钻孔时在圆周上分度和画线便于钻孔时在圆周上分度和画线3.4.2 螺栓组连接的受力分析螺栓组连接的受力分析 任务：任务：找出受力最大螺栓的载荷。找出受力最大螺栓的载荷。假定：假定：被连接件是刚体（或弹性体）；被连接件是刚体（或弹性体）；各螺栓的刚度、预紧力都相同；各螺栓的刚度、预紧力都相同；螺栓的应变在弹性范围内。螺栓的应变在弹性范围内。1 . 受轴向载荷的螺栓组连接受轴向载荷的螺栓组连接用普通螺栓连接，用普通螺栓连接，设定有设定有z个螺栓，个螺栓，求单个螺栓受外力：求单个螺栓受外力：汽缸盖的螺栓连接汽缸盖的螺栓连接2. 受横向载荷的螺栓组连接、受横向载荷的螺栓组连接、普通螺栓连接普通螺栓连接求螺栓预紧力求螺栓预紧力F: :式中：式中： f 接合面间摩擦因数；接合面间摩擦因数；m 接合面数；接合面数；Kf =1.11.3考虑摩擦不稳定引入的可靠性系数。考虑摩擦不稳定引入的可靠性系数。铰制孔用螺栓连接铰制孔用螺栓连接求螺栓受剪切力求螺栓受剪切力Fs: :式中：式中： z螺栓数目。螺栓数目。3. 受旋转力矩受旋转力矩 T 的螺栓组连接的螺栓组连接采用普通螺栓连接采用普通螺栓连接工作之前螺栓受预紧力；工作之前螺栓受预紧力；接合面上各螺栓处摩擦力接合面上各螺栓处摩擦力对形心的力矩之和平衡外对形心的力矩之和平衡外加力矩加力矩T。r1 ,r2, . rz 各螺栓中心至螺栓组形心各螺栓中心至螺栓组形心O的距离；的距离；Kf 可靠性系数可靠性系数 ； f 接合面间摩擦因数；接合面间摩擦因数； Z螺栓数目。螺栓数目。式中：式中：求螺栓所受预紧力求螺栓所受预紧力F：由力矩平衡关系，得：由力矩平衡关系，得：忽略接合面上的摩擦力；忽略接合面上的摩擦力；靠螺栓所受剪力对底板旋靠螺栓所受剪力对底板旋转中心的力矩之和平衡外转中心的力矩之和平衡外加力矩加力矩T ；假设螺栓是弹性体。假设螺栓是弹性体。采用铰制孔用螺栓连接采用铰制孔用螺栓连接求螺栓所受剪切力求螺栓所受剪切力FS： 由力矩平衡关系，得：由力矩平衡关系，得：4. 受倾覆力矩受倾覆力矩M的螺栓组连接的螺栓组连接假设：假设：螺栓是弹性体；螺栓是弹性体；被连接件是弹性体，绕轴线翻转趋势；被连接件是弹性体，绕轴线翻转趋势；接合面平直。接合面平直。分析螺栓受外力分析螺栓受外力F由力矩平衡关系，得：由力矩平衡关系，得：接合面右端应满足：接合面右端应满足：左端应满足：左端应满足：由公式求得预紧力由公式求得预紧力F，并取两者较大值。，并取两者较大值。要求：要求：保证接合面既不出缝隙也不被压溃。保证接合面既不出缝隙也不被压溃。分析螺栓预紧力分析螺栓预紧力F受轴向载荷受轴向载荷FQ：普通螺栓连接：普通螺栓连接：受横向载荷受横向载荷FR：普通螺栓连接：普通螺栓连接：铰制孔螺栓连接：铰制孔螺栓连接：受旋转力矩受旋转力矩T：受倾覆力矩受倾覆力矩M：普通螺栓连接：普通螺栓连接：铰制孔螺栓连接：铰制孔螺栓连接：普通螺栓连接：普通螺栓连接：螺栓受力螺栓受力F螺栓受力螺栓受力F螺栓受力螺栓受力FS螺栓受力螺栓受力F螺栓受力螺栓受力FS螺栓受力螺栓受力F、F螺栓组连接中单个螺栓的受力：螺栓组连接中单个螺栓的受力：螺栓组受载螺栓组受载螺纹连接类型螺纹连接类型螺栓受力螺栓受力3.5 单个螺栓连接的强度计算单个螺栓连接的强度计算3.5.1 松螺栓连接松螺栓连接吊钩上的螺栓连接吊钩上的螺栓连接简化成圆柱，设计出螺栓直径或计算螺栓强度。简化成圆柱，设计出螺栓直径或计算螺栓强度。许用应力：许用应力：一般连接取一般连接取S=1.21.7，对安全性要求高的连接，取对安全性要求高的连接，取S=5。强度条件：强度条件：校核公式：校核公式：设计公式：设计公式：3.5.2 紧螺栓连接紧螺栓连接普通螺栓连接普通螺栓连接靠预紧力靠预紧力F在接合面产生的在接合面产生的摩擦力摩擦力f F 传递外力传递外力FR。1. 受横向工作载荷的紧螺栓连接受横向工作载荷的紧螺栓连接 对于常用的对于常用的M10M68的钢制普通螺栓的钢制普通螺栓拉应力拉应力剪应力剪应力螺栓既受拉应力又受扭剪应力螺栓既受拉应力又受扭剪应力螺栓的当量应力（第四强度理论）螺栓的当量应力（第四强度理论）螺栓的强度条件为：螺栓的强度条件为：校核公式：校核公式：设计公式：设计公式：计算出的计算出的d1应查手册按标准选取应查手册按标准选取铰制孔螺栓连接铰制孔螺栓连接 螺栓杆的剪切强度条件为螺栓杆的剪切强度条件为:螺栓与孔壁的挤压强度条件为：螺栓与孔壁的挤压强度条件为：计算出的两个计算出的两个d0应选取大值应选取大值 螺栓抗剪面直径，螺栓抗剪面直径，mm；式中：式中：m 螺栓抗剪面数目；螺栓抗剪面数目；螺栓杆与孔壁挤压面的最螺栓杆与孔壁挤压面的最小高度，小高度，mm。设计时应使。设计时应使 ； 螺栓或孔壁材料的许用挤压应力，螺栓或孔壁材料的许用挤压应力，MPa。 螺栓的许用剪切应力，螺栓的许用剪切应力，MPa；2. 受轴向工作载荷的紧螺栓连接受轴向工作载荷的紧螺栓连接螺栓工作前受预紧力螺栓工作前受预紧力F；工作时又受到拉力工作时又受到拉力F；总拉力如何？总拉力如何？假定：假定：螺栓和被连接件都是弹性体螺栓和被连接件都是弹性体螺栓受力螺栓受力被连接件受力被连接件受力总拉力总拉力剩余预紧力剩余预紧力预紧力预紧力螺栓的相对刚度螺栓的相对刚度剩余预紧力剩余预紧力被被连接接钢板板间所用所用垫片片金属金属垫片（或无片（或无垫片）片）皮革皮革垫片片铜皮石棉皮石棉垫片片橡胶橡胶垫片片0.20.3 0.7 0.8 0.9螺栓的相对刚度螺栓的相对刚度静载连接：静载连接：变载连接：变载连接：气密连接：气密连接：静强度计算静强度计算式中式中 紧螺栓连接的许用拉应力，紧螺栓连接的许用拉应力， MPa。校核公式：校核公式：设计公式：设计公式：3.5.3 螺栓连接的许用应力螺栓连接的许用应力普通螺栓连接许用应力及安全系数普通螺栓连接许用应力及安全系数铰制孔螺栓连接许用剪应力及许用挤压应力铰制孔螺栓连接许用剪应力及许用挤压应力3.6 提高螺栓连接强度的措施提高螺栓连接强度的措施3.6.1 改善螺纹牙上载荷的分配改善螺纹牙上载荷的分配螺栓有弹性，靠近根部的螺纹牙受力最大螺栓有弹性，靠近根部的螺纹牙受力最大悬置螺母悬置螺母 环槽螺母环槽螺母 内斜螺母内斜螺母改善螺纹牙根部的受力改善螺纹牙根部的受力3.6.2 避免螺栓承受附加额外载荷（偏心载荷）避免螺栓承受附加额外载荷（偏心载荷）不同情况产生的偏心载荷不同情况产生的偏心载荷表面倾斜表面倾斜 粗糙表面粗糙表面 勾头螺栓勾头螺栓- 支承面为斜面时，采用斜垫圈。支承面为斜面时，采用斜垫圈。- 在铸、锻件表面上制做出凸台或沉头座孔；在铸、锻件表面上制做出凸台或沉头座孔；改善的办法改善的办法例题：例题：已知：（图已知：（图1）普通螺栓连接，）普通螺栓连接，FP=20000N， f =0.15，=120MPa 求：螺栓直径求：螺栓直径(小径小径)d1解：解：将载荷向螺栓组形心简化将载荷向螺栓组形心简化（图图2） 计算出：横向载荷：计算出：横向载荷：FR，旋转力矩：，旋转力矩：T图1图2图3求解受力最大螺栓承受的横向载荷（图求解受力最大螺栓承受的横向载荷（图3） FSR=FR/4 FST=T/4r螺栓螺栓1、2受力最大，其合成载荷：受力最大，其合成载荷：2.计算预紧力计算预紧力3.计算螺栓最小直径计算螺栓最小直径1.受力分析受力分析谢谢