1、第5章 螺纹联接和螺旋传动 5-1 概述 5-2 螺纹联接的类型 5-3 螺纹联接的预紧和防松 第五章 螺纹联接和螺旋传动 第二篇 联接 5-4 螺栓组结构设计与受力分析 5-5 单个螺栓强度计算 5-6 提高螺纹联接强度的措施 5-7 螺旋传动 5-1 概述 5-1 概述 5-1 概述 一.螺纹的主要参数 d大径 d1小径 d2中径 （公称直径） P螺距 n线数 S导程， S=nP 升角， 2 d S tan 牙型角 旋向 5-1 螺纹副的受力、效率和自锁 F 5-1 概述 二.螺纹副的受力、效率和自锁 效率 拧紧力F 轴向载荷Q N 拧紧时： 松开时： )tan(QF v )tan(QF
2、v cos f ftan vv 拧紧时： 松开时： v tan tan tan )tan( v 自锁条件： v v 5-1 螺纹的牙型和特点（三角、管螺纹） 5-1 概述 三.螺纹的类型和特点 1.三角螺纹（普通螺纹） 2.管螺纹 主要用于联接。 自锁性好，效率低，强度高 粗牙 细牙 用于水、煤气、润滑管道 等的联接。 5-1 螺纹的牙型和特点（矩形、梯形、锯齿形） 5-1 概述 3.矩形螺纹 4.梯形螺纹 5.锯齿形螺纹 矩形螺纹尚未标准化，其它螺 纹已标准化。 用于传动，效率最高，强度低， 间隙不能调整。 用于传动，效率略低于矩形螺 纹，强度高，间隙可调，常用。 用于单向传动。 5-2 螺
3、纹联接的类型（螺栓联接） 5-2 螺纹联接的类型 5-2 螺纹联接的类型 一.螺栓联接 普通螺栓联接 铰制孔用螺栓联接 两被联接件都较薄且都是通孔。 Md d0=d+1 d Md 5-2 螺纹联接的类型（双头螺栓联接） 5-2 螺纹联接的类型 二.双头螺栓联接 两被联接件 一个较薄光孔 一个较厚螺纹孔 用于常拆时 5-2 螺纹联接的类型（螺钉联接） 5-2 螺纹联接的类型 三.螺钉联接 两被联接件 一个较薄光孔 一个较厚螺纹孔 用于不常拆时 5-2 螺纹联接的类型（紧定螺钉联接） 5-2 螺纹联接的类型 四.紧定螺钉联接 5-3 螺纹联接的预紧 5-3 螺纹联接的预紧和防松 5-3 螺纹联接的
4、预紧和防松 一.预紧力F0和拧紧力矩T 拧紧后 被联接件受压 螺栓受拉 拧紧的目的 拧紧力矩：T=T1+T20.2F0d 式中： T1螺纹副中摩擦力矩 T2螺母与支承面间的摩擦力矩 2 d tanFT 2 v01 2 0 2 0 3 0 3 0 0c2 dD dD Ff 3 1 T 5-3 防松 5-3 螺纹联接的预紧和防松 控制T的方法 力矩法 测螺栓变形量 若采用不控制拧紧力矩，则螺栓直径不宜小于M12。 二. 防松 松动的原因在冲击、振动或温度变化大时，螺纹 副中摩擦力可能瞬时消失。 防松的根本问题防止螺母与螺栓相对转动。 5-3 防松装置 5-3 螺纹联接的预紧和防松 常见的防松装置
5、1.摩擦防松使螺纹副中始终存在不随外载变化的正压力。 弹簧垫圈 优点：简单，方便。 缺点：偏载，在冲击振 动下不可靠。 5-3 双螺母 5-3 螺纹联接的预紧和防松 双螺母 优点：结构简单，防松可靠。 缺点：尺寸大，不美观。 横向锁紧螺母 5-3 开口销 5-3 螺纹联接的预紧和防松 2.机械防松利用机械装置将螺母与螺栓联成一体。 开口销与槽形螺母 工作可靠，装拆方便，用于有振动的机械上，但销易断。 5-3 圆螺母 5-3 螺纹联接的预紧和防松 圆螺母与带翅垫片 工作可靠，常用于滚动轴承的轴向定位。 止动垫圈 结构简单,使用方便,防松可靠。 5-3 串联钢丝 5-3 螺纹联接的预紧和防松 串联
6、钢丝 3.永久防松 5-4 螺栓组结构设计与受力分析 5-4 螺栓组结构设计与受力分析 5-4 螺栓组结构设计与受力分析 一.结构设计 二.受力分析 目的求出受力最大的螺栓，以进行单个螺栓强 度计算。 假设：各螺栓直径、长度、材料和预紧力F0相同； 受载后结合面仍为平面； 螺栓的变形在弹性范围内。 5-4 螺栓组受横向载荷 5-4 螺栓组结构设计与受力分析 1.螺栓组受横向载荷FR 采用普通螺栓 FR FR FR FR 靠结合面的摩擦平衡外载荷FR，而螺栓仅受预紧力和 力矩作用。 Rs0 FKizFf 2i 1i izf FK F Rs 0 5-4 螺栓组受横向载荷 5-4 螺栓组结构设计与受
7、力分析 靠剪切和挤压平衡外载荷FR 铰制孔用螺栓 z F F R S 单个螺栓工作载荷： FR FR 5 12 O 6 3 4 T T r1 r2 r3 5-4 螺栓组受扭矩 5-4 螺栓组结构设计与受力分析 2.螺栓组受转矩T 底板绕中心O转动。 采用普通螺栓 靠结合面的摩擦力矩平衡外载荷T，而螺栓仅受预紧力和 力矩作用。 TKrFfrFfrFf sz02010 i s 0 rf TK F 0 Ff 0 Ff 0 Ff 5-4 螺栓组受扭矩 5-4 螺栓组结构设计与受力分析 采用铰制孔用螺栓 靠剪切、挤压力矩平衡外载荷T。 TrFrFrF zTZ22T11T Z TZ 2 2T 1 1T r
8、 F r F r F i max maxT Ti r r F F 2 i max maxT r rT F O T 2 1 5 12 O 6 3 T 4 r1 r2 r3 FT3 FT2 FT1 变形协调条件： 最大工作载荷： 5-4 螺栓组受轴向载荷 5-4 螺栓组结构设计与受力分析 3.螺栓组受轴向载荷FQ pF Q Z F F Q 总载荷FQ： 单个螺栓工作载荷： 注意：只能用普通螺栓，不能用铰制孔用螺栓。 p 螺栓受预紧力F0 5-4 螺栓组受倾覆力矩 5-4 螺栓组结构设计与受力分析 4.螺栓组受倾覆力矩M MLFLFLF zZ2211 Z Z 2 2 1 1 L F L F L F
9、i max max i L L F F 2 i max max L LM F 1 2 3 4 8 7 6 5 底板绕O-O轴线转动 拧紧后，工作前： 受M后 左侧螺栓被拉紧,轴向力 右侧螺栓被放松,轴向力 变形协调条件： 最大工作拉力： 注意：只能用普通螺栓，不能用铰制孔用螺栓。 5-4 受力分析小结 5-4 螺栓组结构设计与受力分析 小结： 外载 横向力 FR 扭矩 T 轴向力 FQ 倾覆力矩 M 普通螺栓 铰制孔用螺栓 iZf FK F RS 0 Z F F R S i S 0 rf TK F 2 i max max r rT F Z F F Q 2 i max max L LM F 受拉
10、 受剪 5-4 螺栓组受复合载荷 5-4 螺栓组结构设计与受力分析 Z F F R S cosFF2FFF 2TS 2 2T 2 Smax 5.螺栓组受复合载荷作用 1）铰制孔用螺栓受FR+T FR 1 2 3 4 FR FR T 2 i max maxT r rT F FS FT T 关键：受力图一定要画对。 5-4 螺栓组受复合载荷 5-4 螺栓组结构设计与受力分析 2）普通螺栓 if FK F maxS 0 受FR+T Z F F R S cosFF2FFF 2TS 2 2T 2 Smax FR FR T 2 i max maxT r rT F 1 2 3 4 FR T FT 螺栓2、3
11、处横向力最大： FS FQ FQ M 5-4 螺栓组受复合载荷 5-4 螺栓组结构设计与受力分析 受FQ+M Z F F Q 2 i max Q max L LM Z F F FQ M 2 i max max L LM F FQ 工作拉力 5-4 螺栓组受复合载荷 5-4 螺栓组结构设计与受力分析 受FR（或T）+FQ Z F F Q FFFFF 012 FQ FQ FQ FR iZf FK F RS 1 FR 残余预紧力 单个螺栓受的总拉力 FFF 02 工作拉力 5-4 螺栓组受复合载荷 5-4 螺栓组结构设计与受力分析 受FR（或T）+M 2 i max max L LM F FFF 0
12、2 M iZf FK F RS 0 FR 预紧力 受力最大螺栓的总拉力 max02 FFF 工作拉力 FR M FR M FR FQ 5-4 螺栓组受复合载荷 5-4 螺栓组结构设计与受力分析 受FR（或T）+FQ+M 2 i max Q max L LM Z F F FFFFF 0max12 FQ+M FR 受力最大螺栓的总拉力 max02 FFF 工作拉力 iZf FK F RS 1 残余预紧力 5-4 螺栓组受力分析步骤 5-4 螺栓组结构设计与受力分析 螺栓组受力分析步骤： 1.判别螺栓类型 普通螺栓 铰制孔用螺栓不能受FQ、M 2.外载荷是否作用在形心 是正交分解 否将外载荷向形心简
13、化 3.分析螺栓组受几种载荷作用？哪些螺栓受力最大？ 4.求最大载荷 普通螺栓 铰制孔用螺栓 max12 FFF cosFF2FFF TS 2 T 2 Smax FQ、M Fmax FR、T F1 FR、T 5-4 讨论题 5-4 螺栓组结构设计与受力分析 讨论： 请分析图示螺栓组受几种外载荷作用？ FR、T 、 FQ、M 螺栓组仅受T作用 5-5 单个螺栓强度计算 5-5 单个螺栓强度计算 5-5 单个螺栓强度计算 一.失效形式和设计准则 普通螺栓 静载：杆断,牙坏或塑变保证静拉伸强度 变载：疲劳断裂保证疲劳强度 铰制孔用螺栓：剪断、压溃保证剪切、挤压强度 5-5 普通螺栓（仅受工作载荷）
14、5-5 单个螺栓强度计算 二.螺栓静强度计算 1.普通螺栓 仅受工作载荷 例：性能等级 5.6表示 松联接 S 4 d F A F s 2 1 MPa500 B MPa3001065 S 螺栓材料 F4 d1取标准Md 例：d117.123mm 取 M20：d=20mm， d1=17.294mm 5-5普通螺栓（仅受预紧力） 5-5 单个螺栓强度计算 仅受预紧力F0 4 d F 2 1 0 5 . 0 16 d 2 d tanF W T 3 1 2 v0 T 1 3 . 1 4 3 3 2222 ca 0 1 F3 . 14 d 取标准Md F0 T1 当量应力 S 4 d F3 . 1 s
15、2 1 0 1.3的意义考虑扭剪应力的影响,把拉应力增大30% 。 5-5普通螺栓（受预紧力和工作载荷） 5-5 单个螺栓强度计算 受预紧力F0和工作载荷F 主要问题：求螺栓受的总拉力F2=？ FFF 02 原因：属静不定问题。 b m b F b m b c m c m 5-5普通螺栓（受预紧力和工作载荷） 5-5 单个螺栓强度计算 拧紧后，工作前 栓受拉： 0 F b 被联接件受压： 0 F m 合并两图： 受工作载荷F 栓： 0 F 被联接件： 0 F FF 0 1 F bb mm 变形协调条件： mb 1 F 5-5普通螺栓（受预紧力和工作载荷） 5-5 单个螺栓强度计算 变形协调条件
16、： mb FFF 02 FF 1 F cc c F mb b F cc c FF mb m 01 mb b cc c 相对刚度系数 b m b m F F 1 F 2 F b c m c 螺栓静力平衡条件： 5-5普通螺栓（受预紧力和工作载荷） 5-5 单个螺栓强度计算 强度计算： 2 1 F3 . 14 d 4 d F3 . 1 2 1 2 取标准Md 5-5 铰制孔用螺栓强度计算 5-5 单个螺栓强度计算 2.铰制孔用螺栓受横向力F S 4 d F s 2 0 F4 d0 取标准Md 剪切强度： p s p min0 p SLd F 挤压强度： L F d pmin 0 取大值 取最小值
17、例：d012.67mm 取 M12：d=12mm,d0=13mm 5-5 螺栓强度计算小结 5-5 单个螺栓强度计算 小结： 单个螺栓 强度计算 普通螺栓 铰制孔用螺栓 松联接 紧联接 F4 d1 取标准Md 仅受预紧力 受预紧力+工作载荷 0 1 F3 . 14 d 2 1 F3 . 14 d 剪切 挤压 F4 d0 d0取大值， 取标准Md L F d pmin 0 作业一 作业一 作业： P98/6.修改：已知。现有如图5-51所示的三种螺 栓布置型式，设采用铰制孔用螺栓联接，其=136MPa， 求：1.哪一种布置方式最合理，为什么？ 2.三种方案中螺栓直径各为多大？ 125 125 1
18、25 250 125 125 60KN C） 5-6 提高螺纹联接的措施 5-6 提高螺纹联接强度的措施 5-6 提高螺纹联接强度的措施 一.改善螺纹牙间载荷分配不均的现象 原因： 螺栓杆受拉，螺距增大 螺母受压，螺距减小 变形不协调 靠螺纹牙来协调 5-6 （改善螺纹牙载荷分布） 5-6 提高螺纹联接的措施 提高螺纹联接的措施 钢丝螺套 均载螺母 F 2 F 5-6 （减小应力幅） 5-6 提高螺纹联接的措施 二.减小螺栓应力幅 变载荷：0 F 0 F 4 d F 2 1 0 min 4 d F 2 1 2 max ma 、 注意：螺栓max一定时，a越小，疲劳强度越高。 脉动循环 非对称循
19、环 螺栓所受总载荷：F0 F2 F0 F2 5-6 （减小应力幅） 5-6 提高螺纹联接的措施 强度条件： a 2 1 mb b 2 1 2 1 02minmax a d F cc c 2 d F2 2 d FF 2 减小a的措施： 1. cb 5-6 （减小应力幅） 5-6 提高螺纹联接的措施 2. cm 5-6 （减小应力幅） 5-6 提高螺纹联接的措施 三.避免螺栓产生附加弯曲应力 5-6 （减小应力集中、合理工艺） 5-6 提高螺纹联接的措施 四.减小应力集中 五.合理的制造工艺 习题课 习题课 习题课 目的 特点 步骤 ： 1.定联接类型，合理布局螺栓； 2.受力分析，求受力最大螺栓
20、的载荷； 3.强度计算； 4.校核螺栓组安全工作条件。 对于普通螺栓联接： 螺栓要有足够的强度（不断）； 底板不滑移（不滑）； 底板与基座不分离（不松）； 底板与基座不压溃（不碎）。 RS1 FKiZfF 0 minp pmaxp 习题课 习题课 图示为一钢支架，用四个普 通螺栓联接，固定在铸铁的基 座上，支架结构尺寸如图示， f=0.15，试设计此螺栓联接。 P 4 1 3 2 N8485P 0 45 50 120 150 F R Q F 解： 一.螺栓组受力分析 N600045sinPF 0 Q N600045cosPF 0 R F R Nmm10350FM 5 R 螺栓组受 轴向力 横向
21、力 倾覆力矩 习题课 习题课 螺栓4受力最大，最大工作载荷： N4000 602 60103 4 6000 L LM Z F F 2 5 2 i max Q max 首先保证底板不滑移 讨论： 1.若仅受FR作用： 二.求预紧力F0和总拉力F2 Rs0 FKzFf zf FK F Rs 0 2.若同时受FR+FQ作用： Rs1 FKzFf zf FK F Rs 1 z F cc c FF Q mb m 01 且： 3.若同时受FR+FQ+M作用：M对摩擦力无影响，此时，支 架对底板总压力仍为： Rs FKf) z F cc c F( z Q mb m 0 0 F 习题课 习题课 三.计算螺栓直
22、径 RS Q mb m 0 FKf ) z F cc c F( z z F cc c zf FK F Q mb mRS 0 N13125 4 6000 75. 0 15. 04 60002 . 1 最大总拉力： N14125400025. 013125F cc c FF max mb b 02 2 1 F3 . 14 dmm088.12 160 141253 . 14 式中： S S 选螺栓材料为Q235，4.6级 MPa160 5 . 1 240 取M16 mm835.13d1 M （M引起） 习题课 习题课 四.校核螺栓组安全工作条件 1.底板与基座不分离 W M A Z F cc c F
23、z Q mb m 0 MFminp MPa621. 3 MFmaxp F （F0+FQ引起） minp maxp 0MPa811. 1905. 0716. 2 32 150 103 4 150 ) 4 6000 75. 013125(4 3 5 2 2.底板与基座不压溃 MPa9020045. 045. 0 Bp 习题课 习题课 讨论： 1.如何改进结构使螺栓受力减小？ r22 M 4 F 45cosr4 45cosrM 4 F F Q 2 0 0 Q max 2.哪一种结构合理？ 习题课 习题课 3.图示夹紧螺栓中,已知螺栓数为2,螺纹为M20,螺栓材料 为35纲,=126MPa,轴径D=5
24、0mm,杠杆长 L=400mm,f=0.15,求W的允许值。 W L 解： 不滑移条件： WLK 2 D ) izFf ( s0 LK2 fziDF W s 0 强度条件： 3 . 14 d F 2 1 0 N5 .711 3 . 144002 . 12 126294.17502215 . 0 2 3 . 14LK2 dfziD W s 2 1 式中： 1 d mm294.17 作业二 作业二 作业： P98/5-7； 5-8； 5-9； 5-10（修改：p=2MPa，提示：螺栓间距见P77/ 表5-5，扳手空间查手册。） 5-7 螺旋传动（类型） 5-7 螺旋传动 5-7 螺旋传动 一.类型
25、 按用途分 传力螺旋 传导螺旋 调整螺旋 按摩擦状态分 滑动螺旋 滚动螺旋 静压螺旋 5-7 螺旋传动（失效形式、设计准则） 5-7 螺旋传动 二.滑动螺旋失效形式、设计准则和材料 1.工作情况 传力螺旋 2.失效形式 断 牙磨损 杆失稳 杆断 牙断 强度 耐磨性 稳定性 3.设计准则 传导螺旋 按杆的强度设计,再校核耐磨性、牙的强 度、杆的稳定性和自锁性。 按耐磨性设计,再校核杆的强度、稳定性。 5-7 螺旋传动（材料） 5-7 螺旋传动 螺母材料 4.材料 螺杆材料 要求 杆和螺母要有足够的强度。 材料组合应有较高的耐磨性和减摩性。 一般传动：Q235，Q275，45 重要传动：40Cr，
26、20CrMnTi 精密传动：CrWMn 一般传动：ZCuSn10P1, ZCuSn5Pb5Zn5 低速、重载： ZCuAl10Fe3 低速、轻载：耐磨铸铁 5-7 螺旋传动（设计计算，杆强度计算） 5-7 螺旋传动 三.滑动螺旋的设计计算 1.强度计算 22. 1) 16 d T ( 3) 4 d F (3 2 3 1 1 2 2 1 22 ca 53 4 d F22. 1 s 2 1 杆的强度 杆受 拉力F 扭矩T1 F 25. 1 F22. 14 d1 取标准Trd 5-7 螺旋传动（牙强度计算） 5-7 螺旋传动 Dbu F Db u F 牙的强度 剪切强度 弯曲强度 b 22 b ub
27、D Fh3 6 bD 2 h u F W M 针对螺母 F/u D D2 a a h )d( 2 5-7 螺旋传动（耐磨性） 5-7 螺旋传动 2.耐磨性 磨损发生在螺母 p hHd FP hud F A F p 22 螺距的选取： 如：d=32mm，P=10、6、3mm 矩形、梯形螺纹： 锯齿形螺纹： 5 . 0 P h 75. 0 P h 注意：u10，不必取整；H应取整。 5-7 螺旋传动（耐磨性） 5-7 螺旋传动 令 整体螺母 剖分螺母 2 d H 5 . 22 . 1 5 . 35 . 2 H u 矩形、梯形螺纹： 锯齿形螺纹： p F 8 . 0d2 p F 65. 0d2 标准Trd H 5-7 螺旋传动（稳定性、自锁性、总效率） 5-7 螺旋传动 3.杆稳定性计算 式中： 64 d I 4 1 55 . 3 F F cr 2 2 cr ) l( EI F =2 v 4.自锁性 2 d nP tan vv f cos f tan 5.总效率 2LF FP 2)TT( FP pp21 作业三 作业三 大作业： 螺旋千斤顶
