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机械设计螺纹连接.ppt

来源：花匠小妙招时间：2025-02-06 17:16

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1、在机械制造中，连接是指被连接件与连接件的在机械制造中，连接是指被连接件与连接件的组合。组合。动连接运动副；运动副；静连接连接。连接。连接件又称紧固件，如螺栓、螺母，销、铆钉连接件又称紧固件，如螺栓、螺母，销、铆钉等。有些连接没有专门的紧固件，如过盈连接、等。有些连接没有专门的紧固件，如过盈连接、焊接和粘接等。焊接和粘接等。连接区分为连接区分为可拆连接和和不可拆连接。连接还区分为连接还区分为形锁合连接、摩擦锁合连接和和材料锁合连接。螺纹连接的特点(1)螺纹拧紧时能产生很大的轴向力；(2)它能方便地实现自锁；(3)外形尺寸小；(4)制造简单，能保持较高的精度。主要内容1、螺纹及螺纹连接的基本知识。

2、2、螺栓组连接的设计，包括单个螺栓连接的预紧、强度计算、螺栓组结构设计、受力分析及提高连接强度的措施等。1 螺纹(1)螺纹的形成按牙型按牙型: :三角形螺纹、管螺纹连接螺纹矩形、梯形、锯齿形螺纹传动螺纹标准螺纹标准螺纹GB/T 193-2003按位置：按位置：内螺纹在圆柱孔的内表面形成的螺纹外螺纹在圆柱孔的外表面形成的螺纹三角形螺纹：粗牙螺纹用于紧固件细牙螺纹同样的公称直径下，螺距最小，自锁性好，适于薄壁细小零件和冲击变载等螺旋线绕行方向：螺旋线绕行方向：左旋如图右旋常用螺旋线头数：螺旋线头数：单头螺纹（n=1）用于联接双头螺纹（n=2）如图多线螺纹（n2）用于传动1）外径（大径）

3、d 与外螺纹牙顶相重合的假想圆柱面直径，亦称公称直径2）内径（小径）d1 与外螺纹牙底相重合的假想圆柱面直径3）中径d2 在轴向剖面内牙厚与牙间宽相等处的假想圆柱面的直径，d20.5(d+d1)Ph=nP4）螺距 P 相邻两牙在中径圆柱面的母线上对应两点间的轴向距离5）导程 Ph 同一螺旋线上相邻两牙在中径圆柱面的母线上的对应两点间的轴向距离6）线数 n 螺纹螺旋线数目，一般为便于制造n4 螺距、导程、线数之间关系：Ph=nP Ph=nP7）螺旋升角中径圆柱面上螺旋线的切线与垂直于螺旋线轴线的平面的夹角8）牙型角螺纹轴向平面内螺纹牙型两侧边的夹角9）接触高度h内外螺纹旋合

4、后的接触面的径向高度22htanarctanarcdnPdPPh=nP由机械原理可知，拧紧螺母时，可看作推动重物沿螺纹表面运动。将螺纹沿中径处展开，滑块代表螺母，螺母和螺杆间的运动可视为滑块在斜面上运动。 )tan(tanvr1vtanarccostanff(a)滑块等速上升时的受力分析滑块等速上升时的受力分析(b)滑块等速下降时的受力分析滑块等速下降时的受力分析v螺纹副受力分析螺纹副受力分析v螺纹副的效率螺纹副的效率v螺纹副的自锁条件螺纹副的自锁条件克服轴向力克服轴向力F匀速上升所需的圆周力：匀速上升所需的圆周力：2)tan(2)tan(2v2tvtdFdFTFF(1)螺纹连接的基本类型（表

5、、演示）螺栓连接螺栓连接a) 普通螺栓连接普通螺栓连接被连接件不太厚，螺杆带钉头，通孔不带螺纹，螺杆穿过通孔与螺母配合使用。装配后孔与杆间有间隙，并在工作中不许消失，结构简单，装拆方便，可多个装拆，应用较广。螺栓连接螺栓连接b) 精密螺栓连接精密螺栓连接（铰制孔用螺栓连接）装配后无间隙，主要承受横向载荷，也可作定位用，采用基孔制过渡配合（H7/m6、H7/n6）。双头双头螺柱连接螺柱连接螺杆两端无钉头，但均有螺纹，装配时一端旋入被连接件，另一端配以螺母。适于常拆卸而被连接件之一较厚时。折装时只需拆螺母，而不将双头螺栓从被连接件中拧出。螺钉连接螺钉连接适于被连接件之一较厚（上带螺纹孔），不需经

6、常装拆，一端有螺钉头，不需螺母，适于受载较小情况紧定螺钉连接紧定螺钉连接拧入后，利用杆末端顶住另一零件表面或旋入零件相应的缺口中以固定零件的相对位置。可传递不大的轴向力或扭矩。(a)(b)(a)(b)特殊连接：特殊连接：地脚螺栓连接 , 吊环螺钉连接(2)标准螺纹连接件1）螺栓普通螺栓六角头，小六角头，标准六角头，大六角头, 内六角铰制孔螺栓螺纹部分直径较小螺母2）双头螺柱双头螺柱两端带螺纹据GB/T 3103.1-2002，螺纹连接件分为A、B、C三个精度等级，A级精度最高，通常选用C级。3）螺钉与螺栓区别要求螺纹部分直径较粗;要求全螺纹十字螺钉、一字螺钉4）紧定螺钉锥端适于零件

7、表面硬度较低不常拆卸常合一字头、内六角头平端接触面积大、不伤零件表面，用于顶紧硬度较大的平面，适于经常拆卸圆柱端压入轴上凹抗中，适于紧定空心轴上零件的位置轻材料和金属薄板6）吊环螺钉5）自攻螺钉由螺钉攻出螺纹emsd3015emsd3015emsd3015emsd3015DC1120btHD1dC4530b3030303015d0D1hd1d2平垫圈斜垫圈DC1120btHD1dC4530b3030303015d0D1hd1d2平垫圈斜垫圈7）螺母圆螺母+止退垫圈带有缺口，应用时带翅垫圈内舌嵌入轴槽中，外舌嵌入圆螺母的槽内，螺母即被锁紧凸缘螺母槽螺母、槽顶螺母六角螺母：标准，厚，扁DC

8、1120btHD1dC4530b3030303015d0D1hd1d2平垫圈斜垫圈DC1120btHD1dC4530b3030303015d0D1hd1d2平垫圈斜垫圈8）垫圈弹簧垫圈DC1120btHD1dC4530b3030303015d0D1hd1d2平垫圈斜垫圈DC1120btHD1dC4530b3030303015d0D1hd1d2平垫圈斜垫圈螺纹连接：松连接在装配时不拧紧，只存受外载时才受到力的作用紧连接在装配时需拧紧，即在承载前已预先受预紧力F0预紧过紧拧紧力过大，螺杆静载荷增大、降低本身强度过松拧紧力过小，工作不可靠预紧目的预紧目的保持正常工作如汽缸螺栓连接，有紧密性要求，

9、防漏气，接触面积要大，靠摩擦力工作，增大刚性等。增大刚性增加连接刚度、紧密性和提高防松能力预紧力F0预先轴向作用力（拉力）预紧力预紧力F0的控制：的控制：测力矩板手测出预紧力矩，如左图定力矩板手达到固定的拧紧力矩T时，弹簧受压将自动打滑，如右图测量预紧前后螺栓伸长量精度较高 4 螺纹连接的防松(2)防松的原理防松的原理(1)防松的原因防松的原因A、在冲击、振动和变载荷作用下，螺纹之间的摩擦力可能瞬时消失而影响正常工作；B、在高温或温度变化较大时，若螺栓与被连接件的温度变形差或材料的蠕变，也可能导至连接的松脱。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。1）摩擦防松双螺母、

10、弹簧垫圈、尼龙垫圈、自锁螺母等 (e)楔紧螺纹锁紧螺母(d)尼龙圈锁紧螺母(c)金属锁紧螺母(b)弹簧垫圈防松(a)对顶螺母 2）机械防松开槽螺母与开口销，圆螺母与止动垫圈，弹簧垫片，轴用带翅垫片，止动垫片，串联钢丝等(a)槽形螺母和开口销防松(b)止动垫片(c)串联金属丝3）永久防松（破坏螺纹副防松）端铆、冲点、点焊4）化学防松粘合螺纹连接设计包括结构设计和参数设计螺栓组连接的结构设计螺栓组连接的受力分析螺纹连接的强度计算螺栓组连接的设计螺栓组连接的设计工程中螺栓皆成组使用，单个使用极少。因此，必须研究栓组设计和受力分析。它是单个螺栓计算基础和前提条件。螺栓组连接设计的顺序选布局、定数

11、目、力分析、设计尺寸（一）（一）结构设计结构设计1、连接接合面的几何形状应与机器的结构形状相、连接接合面的几何形状应与机器的结构形状相适应。适应。一般都设计成轴对称的简单几何形状，便于加工制造，且使连接的接合面受力比较均匀。 2、螺栓的布置、螺栓的布置应使各螺栓应使各螺栓的受力合理。的受力合理。5 螺栓组连接的设计3、应有合理的钉距、边距和足够的板手空间。、应有合理的钉距、边距和足够的板手空间。 4、分布在同一圆周上的螺栓的数目，应取为易、分布在同一圆周上的螺栓的数目，应取为易于分度的数目于分度的数目(如如3、4、6、8、12等等)，以利于，以利于划线钻孔。同一组螺栓的材料直径和长度应划线钻

12、孔。同一组螺栓的材料直径和长度应尽量相同，以简化结构和便于装配。尽量相同，以简化结构和便于装配。5、避免螺栓承受附加的弯曲载荷。、避免螺栓承受附加的弯曲载荷。被连接件上的支承面应做成被连接件上的支承面应做成凸台或沉头座凸台或沉头座，以免引起偏，以免引起偏心载荷而削弱螺栓的强度。心载荷而削弱螺栓的强度。 6、合理选择防松装置。、合理选择防松装置。（二）（二）螺栓组连接的受力分析螺栓组连接的受力分析目的目的求受力最大载荷的螺栓求受力最大载荷的螺栓前提（假设）：被连接件为刚性不变形，只有地基变形。各螺栓材料、尺寸、拧紧力均相同受力后材料变形在弹性范围内接合面形心与螺栓组形心重合，受力后其接缝面仍保

13、持平面1 1、受横向载荷的螺栓组连接、受横向载荷的螺栓组连接特点：普通螺栓，铰制孔用螺栓皆可用，外载垂直于螺栓轴线、防滑普通螺栓受拉伸作用铰制孔螺栓受横向载荷剪切、挤压作用。单个螺栓所承受的横向载荷相等 F=F/zfziFKFs02、受转矩的螺栓组连接、受转矩的螺栓组连接（1）圆形接合面：单个螺栓所受横向载荷（2）矩形接合面 a)普通螺栓连接由静平衡条件0TTKTrfFrfFfFrSZ02001ZiiZrfTKrrrfKTF1S21S0)(则各个螺栓所需的预紧力为连接件不产生相对滑动的条件为：rzTFOfQpTrifQpTOFmaxrmaxriFib)铰制孔螺栓连接组由变形协调

14、条件可知，各个螺栓的变形量和受力大小与其中心到接合面形心的距离成正比TrFrFrFrFziii1zz2211由假设板为刚体不变形，工作后仍保持平面，则剪应变与半径成正比。在材料弹性范围内，应力与应变成正比 iiirrFFrFrFmaxmaxmaxmax1由静平衡条件0TTrFrFrFzz2211ZiirrTF12maxmax 3、受轴向载荷螺栓组连接、受轴向载荷螺栓组连接单个螺栓工作载荷为： F=F/z F轴向外载 z螺栓个数特点：M在铅直平面内，绕O-O回转，只能用普通螺栓，取板为受力对象，由静平衡条件设单个螺栓工作载荷为Fi MLFLFLFzz2211)(const1maxmaxma

15、x11LLLFLFLFii这里ziiLMLF12maxmax 4、受倾覆（纵向）力矩的螺栓、受倾覆（纵向）力矩的螺栓组连接组连接螺栓杆不拉断的条件 43 . 121maxcadQ43 . 1max1Qd设计公式验算公式右侧不压溃条件（被连接件） F0作用下接合面的挤压应力 AzF0PM作用下接合面的挤压应力 WMM P0MPmaxPWMAzF左侧不开缝的条件左侧不开缝的条件 00MPminPWMAzF若受有横向载荷若受有横向载荷PH，板不滑动条件为：，板不滑动条件为： HSHVC0)(PKPPKzFf)(1VCHS0PKfPKzFmbmCCCCK被连接件相对刚度说明：说明：工程中受力情

16、况很复杂，但均可转化为四种典型情况进行解决。计算公式在对称分布情况下推导，但不对称也可以用取转轴不同，公式计算精度不同。实际使用中螺栓组连接所受的载荷是以上四种简单受力状态的不同组合。计算时只要分别计算出螺栓组在这些简单受力状态下每个螺栓的工作载荷，然后按向量叠加起来，便得到每个螺栓的总工作载荷，再对受力最大的螺栓进行强度计算即可。v参数设计参数设计单个螺栓连接的强度计算单个螺栓连接的强度计算针对不同零件的不同失效形式，分别拟定其设计针对不同零件的不同失效形式，分别拟定其设计计算方法，则失效形式是设计计算依据和出发点。计算方法，则失效形式是设计计算依据和出发点。6 螺纹连接的强度计算螺纹

17、连接的强度计算1、失效形式和原因受拉螺栓螺栓杆和螺纹可能发生塑性变形或断裂受剪螺栓螺栓杆和孔壁间可能发生压溃或被剪断b）失效原因：应力集中 a）失效形式工程中螺栓连接多数为疲劳失效应力集中促使疲劳裂纹的发生和发展过程2、设计计算准则与思路受拉螺栓：设计准则为保证螺栓的疲劳拉伸强度和静强度受剪螺栓：设计准则为保证螺栓的挤压强度和剪切强度受拉螺栓连接（一）松螺栓连接如吊钩螺栓，工作前不拧紧，无F0，只有工作载荷F起拉伸作用强度条件为：强度条件为：421dF41Fd 验算用设计用（二）紧螺栓连接为增加可靠性，减小直径，简化结构，提高承载能力，可采用如下减载装置：这种连接螺栓直径大，且在冲击

18、振动变载下工作极不可靠。只承受预紧力的紧螺栓连接复合应力状态:预紧力F0产生拉伸应力21041dF螺纹摩擦力矩T1产生剪应力 )5 . 0(48. 0448. 064M10M42)tan(161)tan(221021012v31v20T1或dFdFddddFWT钢制普通螺纹当受横向载荷的普通螺栓联接工作前拧紧，在拧紧力矩T作用下：43 . 1210cadF式中： F0 预紧力（N） d1 螺纹小径（mm） 1.3系数将外载荷提高30%，以考虑螺纹力矩对螺栓连接强度的影响，这样把拉扭的复合应力状态简化为纯拉伸来处理，大大简化了计算手续，故又称简化计算法。按第四强度理论：3 . 1322ca 强

19、度条件为：强度条件为：分析：图(a)，螺母未拧紧螺栓螺母松驰状态图(b)，拧紧预紧状态图(c)，加载F后工作状态残余预紧力变形协调条件变形协调条件工作特点：工作前拧紧，有F0；工作后加上工作载荷F 工作前、工作中载荷变化工作原理：靠螺杆抗拉强度传递外载F解决问题： a) 保证安全可靠的工作， F0 =？ b) 工作时螺栓总载荷， F2 =？这类连接在拧紧后还要承受轴向载荷，由于弹性变形的影响，螺栓所受的总拉力并不等于预紧力F0 和工作拉力F之和，还与螺栓的刚度、被连接刚度等因素有关。这类螺栓也常用普通螺栓连接。分析：螺栓和被连接件的力与变形的关系(a)、(b)、(c)紧螺

20、栓受轴向载荷后，被联接件反作用在螺栓上的力已不是原来的预紧力F0，而是剩余预紧力F1，螺栓所受的总拉力F2 为： F2F1F 可导出FCCCFFmbb02Cb/(Cb+Cm)称为螺栓的相对刚度，与螺栓及被连接件的材料、结构、尺寸和垫片等有关，其值在01之间。若Cm很大，Cb很小，则螺栓的相对刚度趋于零，这时，F2F0 ；反之，相对刚度趋于1，这时，F2F0 +F。由此可知，为了降低螺栓的受为了降低螺栓的受力，应使螺栓的相对刚度尽可能小一些。力，应使螺栓的相对刚度尽可能小一些。设计时可按表查取。螺栓所受的当量拉力应为：2v3 . 1 FF FCCCFFmbb0243 . 1212cadF铰制孔螺

21、栓连接特点：螺杆与孔间紧密配合，无间隙，由光杆直接承受挤压和剪切来传递外载荷F进行工作受剪螺栓连接螺栓的剪切强度条件为：420dF螺栓与孔壁接触表面的挤压强度条件为： Pmin0PLdF铰制孔螺栓能承受较大的横向载荷，但被加工件孔壁加工精度较高，成本较高1 1、材料、材料常用材料：Q215、Q235、25和45号钢，对于重要的或特殊用途的螺纹连接件，可选用15Cr ，20Cr，40Cr，15MnVB，30CrMnSi等机械性能较高的合金钢。材料等级：从4.6-12.9共9级（GB/T 3098.1-2010、GB/T 3098.2-2000）。2、许用应力、许用应力 SS受拉松螺栓连接S=1

22、.21.7受拉紧螺栓连接与是否控制预紧力的计算材料（碳钢或合金钢）尺寸（公称直径）有关SSPSPSPBPS许用拉应力许用拉应力许用切应力许用切应力许用挤压应力许用挤压应力S、SP与材料（钢或铸铁）载荷（静、动载荷）有关安全系数S2、许用应力、许用应力受拉紧螺栓连接显然S，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。试算法注意对于重要连接，除按上述做静强度计算外，还应对螺栓的疲劳强度做精确校核。影响连接强度的因素很多，如材料、结构、尺寸、工艺、螺纹牙间、载荷分布、应力幅度、机械性能，而螺栓连

23、接的强度又主要取决于螺栓的强度。 (1)降低应力幅(2)改善螺纹牙受力分配(3)减轻应力集中(4)采用合理的制造工艺(5)避免或减小附加弯曲应力1、降低螺栓刚性抗疲劳强度得到提高，可用竖心杆、细长杆、柔性螺栓连接 2、增大凸缘刚性提高了螺栓连接疲劳强度，采用高硬度垫片或直接拧在铸铁工作中螺栓牙抗拉伸长，螺母牙受压缩短，伸与缩的螺距变化差以紧靠支承面处第一圈为最大，应变最大，应力最大，其余各圈依次递减，旋合螺纹间的载荷分布如图所示。所以采用圈数过多的加厚螺母，并不能提高连接的强度。办法：降低刚性，易变形、增加协调性，以缓和矛盾 drdr0.51.0dr2hr1r= 0.2dr0.2dr1

24、0.15d ;r21.0d ;h0.5d ;1）加大过渡处圆角(图1) 2）改用退刀槽3）卸载槽，(图2) 4）卸载过渡结构。（图3） 1）用挤压法（滚压法）制造螺栓，疲劳强度提高3040% 2）冷作硬化，表层有残余应力（压）、氰化、氮化、喷丸等可提高疲劳强度3）热处理后再进行滚压螺纹，效果更佳，强度提高70100%，此法具有优质、高产、低消耗功能4）控制单个螺距误差和螺距累积误差总设计思路：总设计思路：螺栓组结构设计（布局、数目）螺栓组结构设计（布局、数目）螺栓组受力分螺栓组受力分析（载荷类型、状态、形式）析（载荷类型、状态、形式）求单个螺栓的最求单个螺栓的最大工作载荷（判断哪个最大）大工作载荷（判断哪个最大）按最大载荷的单按最大载荷的单个螺栓设计（求个螺栓设计（求d1标准）标准）全组采用同样尺寸全组采用同样尺寸螺栓（互换的目的）螺栓（互换的目的）例题