Download - 第 3 章 联 接
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第 3 章 联 接3.1 螺纹3.2 螺纹联接的基本类型及螺纹紧固件3.3 螺纹联接的预紧和防松3.4 螺纹联接的强度计算3.5 螺栓的材料和许用应力3.6 提高螺栓联接强度的措施
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一、螺纹的形成3.1 螺纹
d2
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
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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
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螺纹的牙型
矩形螺纹 三角形螺纹 梯形螺纹 锯齿形螺纹
15º 30º
3º
30º
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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
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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
双线螺纹单线螺纹
PS
S = 2P
PS
P
S =P
n 线螺纹 : S = n P
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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
螺纹副
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外螺纹
内螺纹
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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
联接螺纹传动螺纹 螺旋传动
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联接螺纹传动螺纹
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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
联接螺纹传动螺纹
圆柱螺纹圆锥螺纹
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圆柱螺纹 圆锥螺纹
管螺纹
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(3) 中径 d2 。
β
d1d2d
(1) 大径 d
(2) 小径 d1
(4) 螺距 P
(5) 导程 S
(6) 螺纹升角 ψ
(7) 牙型角 α 牙
tgψ= πd2
nP
牙侧角 β
α
β
ψ
πd2
Sψ
S = nP
二、螺纹的主要几何参数 SPP/2P/2
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机械制造常用螺纹
三角形螺纹 普通螺纹 α = 60˚管螺纹 α = 55˚
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。
60˚P
d粗牙 d
P
细牙 d
P
细牙
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、受动载荷的联接和微调机构。
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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 α = 55˚ )用螺纹密封管螺纹(圆锥管壁 α = 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
55 ˚ 55 ˚
非螺纹密封的管螺纹
dd2
d1 Pd
d2d1 Pφ
2φ
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梯形螺纹:
梯 形 锯齿形 30º
3º
30º
为了减少摩擦和提高效率,这两种螺纹的牙侧角 β 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 :常用于传动。β= 15º
β= 3º
粗牙普通螺纹的基本尺寸见表 3-1 后面有图
螺纹的基本尺寸:
细牙普通螺纹的基本尺寸见表 3-2
梯形螺纹的基本尺寸见表 3-3
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直径与螺距、粗牙普通螺纹基本尺寸 mm
3 0.5 2.675 2.459
公称直径(大径) 粗 牙 细 牙 D d 螺距 P 中径 D2 d2 小径 D2 d2 螺距 P
4 0.7 3.545 3.242 5 0.8 3.545 4.134
0.35
0.56 1 5.350 4.918 8 1.25 7.188 6.647 10 1.5 9.026 8.376 1.25, 1 0.75
12 1.75 10.863 10.106 1.5, 1.25 0.5 (14) 2 12.701 11.835 1.5, 116 2 14.701 13.835 (18) 2.5 16.376 15.294 20 2.5 18.376 17.294
(20) 2.5 20.376 19.294 24 3 22.052 20.752
(27) 3 25.052 23.752 30 3.5 27.727 26.211
2, 1.5, 1
注:括号内的公称直径为第二系列
H=0.866P d2=d-0.6495P d1=d-1.0825P
D1 、 d1---- 内、外螺纹小径 D2 、 d2---- 内、外螺纹中径 D 、 d ---- 内、外螺纹大径
P---- 螺距 标记示例:M24( 粗牙普通螺纹、直径 24 、螺距 3)
M24X1.5( 细牙普通螺纹 , 直径 24, 螺距 1.5)
PP/8
P/8
P/8
H/4
D d
D2 d
2
D1 d
1
P/2
P/4
30˚
60˚
90˚
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细牙普通螺纹基本尺寸 mm螺距 P 中径 D2 、 d2 小径 D1 、 d1
0.35 d-1+0.773 d-1+0.621
0.5 d-1+0.675 d-1+0.459
0.75 d-1+0.513 d-1+0.188
1 d-1+0.35 d-2+0.918 1.25 d-1+0.188 d-2+0.647
1.5 d-1+0.026 d-2+0.376
2 d-2+0.701 d-3+0.835
3 d-2+0.052 d-4+0.752
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梯形螺纹基本尺寸 mm
标记示例: Tr48X8( 梯形螺纹,直径 48 ,螺距 8)
P h3=H4 ac 第 1 系列 第 2 系列 D2 d2 D1 螺距 螺纹牙高 牙顶间隙 公称直径 d 中 径 内螺纹小径
12 6.5 0.5 90 、 100 85 、 95 d-6 d-12 10 5.5 0.5 40 、 70 、 80 38 、 42 、 65 d-5 d-10
8 6.5 0.5 48 、 52 46 、 50 d-4 d-8
4 2.25 0.25 16 、 20 18 d-2 d-4 5 2.75 0.25 24 、 28 22 、 26 d-2.5 d-5 6 2.25 0.5 32 、 36 30 、 34 d-3 d-6
内螺纹
外螺纹
d
P
R1
R2
D1
D4
H1
D2
d2
d3
ac
ac
30˚
H4R2
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3.2 螺纹联接的基本类型及螺纹紧固件一、 螺纹联接的基本类型
螺栓联接基本类型
e
a
a
l1
l1
可承受横向载荷。
螺纹余留长度 l1
铰制孔螺栓
孔与螺杆之间留有间隙
静载荷 l1>=(0.3~0.5)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≈ 0;
螺纹伸出长度 a=(0.2~0.3)d; 螺栓轴线到边缘的距离e=d+(3~6) mm
用于经常拆装易磨损之处。
d
d
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一、 螺纹联接的基本类型螺栓联接基
本类型
螺钉联接
座端拧入深度 H ,当螺孔材料为:
a
e
e
双头螺柱联接 联接件厚,允许拆装。
§10 - 4 螺纹联接的基本类型及螺纹紧固件
钢或青铜 H=d;铸铁 H=(1.25~1.5)d铝合金 H=(1.5~2.5)d
螺纹孔深度 H1=H+(2~2.5)P;钻孔深度 H2=H1+(0.5~1)d;
参数 l1 、 e 、 a 与螺栓相同
l 1l 1
HH
H1
H1
H2
H2
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。
d
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一、 螺纹联接的基本类型螺栓联接基
本类型
螺钉联接双头螺柱联接紧定螺钉联接
§10 - 4 螺纹联接的基本类型及螺纹紧固件
紧定螺钉
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二、螺纹紧固件螺栓
螺纹紧固件
LL0
d
六角头L
d
L0
小六角头
螺栓的结构形式
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双头螺柱d
L0L1
L
L1 ----- 座端长度L0 ----- 螺母端长度
二、螺纹紧固件螺栓
螺纹紧固件
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螺钉、紧定螺钉双头螺柱
二、螺纹紧固件螺栓
螺纹紧固件
末端结构
头部结构
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其它螺母:
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螺母
六角螺母 六角扁螺母 六角厚螺母 圆螺母
螺钉、紧定螺钉双头螺柱
二、螺纹紧固件螺栓
螺纹紧固件 用于经常拆装
易磨损之处。
用于尺寸受限制之处。
国标罗列有六十余种不同结构的螺母
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其它螺母:
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垫圈 平垫圈 薄平垫圈
A 型平垫圈 B 型平垫圈
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。
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faca rFftgdF
TTT )(2
'221 )(
2'2
21 tgdF
TTT a
一、 拧紧力矩一般螺纹联接在装配时都必须拧紧,这时螺纹联接受到预紧力的作用。对于重要的螺纹联接,应控制其预紧力,因为的大小对螺纹联接的可靠性,强度和密封均有很大影响。
21 TTT
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;
设轴向力为 Fa 或预紧力(不受轴向载荷)
fc—摩擦系数。 无润滑时取: fc =0.15rf—支撑面摩擦半径。
rf =(dw+d0)/4
d
d0
dwT
简化公式: 适用于 M10~M60 的粗牙螺纹, f’=0.15, fc=0.15, T ≈ 0.2 Fa d
预紧应力: σ=(0.5~0.7) σs
3.3 螺纹联接的预紧和防松
Fa
Fa 是由联接要求决定的,为了发挥螺栓的工作能力和保证预紧 可靠,应取:
通常螺纹联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。
总力矩:
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测力矩扳手
工程上常采用测力矩扳手或定力矩扳手来控制预紧力的大小。
二、 螺纹联接的防松联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,联接仍有可能松动。高温下的螺栓联接,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
尼龙圈锁紧螺母
F
弹簧垫圈 对顶螺母
定力矩扳手
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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
止动垫圈
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3. 其他方法防松
1~1.5P
用冲头冲 2~3 点
冲点防松法 粘合法防松
涂粘合剂
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3.4 螺栓联接的强度计算螺栓联接的主要失效形式:
螺栓拉断螺纹压溃或剪断滑扣 因经常拆装
一、松螺栓联接 装配时不须要拧紧
强度条件: ][4/2
1
d
Fa
式中 :d1---- 螺纹小径, mm
二、紧螺栓联接 装配时须要拧紧,在工作状态下可能还需要补充拧紧。
螺栓受轴向拉力 Fa 和摩擦力矩 T 的双重作用。
][4/2
1
d
Fa拉应力:Fa
Fa
力除以面积
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][4/
3.121
d
Fa
切应力: 16/31
1
d
T
16/
2)'(31
1
d
dtgFa
4/)'(
22
11
2
d
Ftg
d
d a
对于 M10~M68 的普通螺纹,取 d1 、 d2 和 ψ 的平均值,并取: tgρ’ = f ’ =0.15 得: τ ≈ 0.5 σ
当量应力: 22 3 c22 )5.0(3
强度条件:
3.1
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1. 受横向工作载荷的螺栓强度螺栓与孔之间有间隙,工作时预紧力 Fa 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=1.1~1.3
mf
CFFa 预紧力 Fa :
f---摩擦系数,对钢与铸铁,取 :
f =0.1~0.15
m--- 结合面数 上图 m=1, 下图 m=2
若取 f =0.15 , C=1.2, m=1, 则:
Fa ≥ 8F →结构尺寸大
F
F
F
F/2
F/2
Fa
Fa
Fa
Fa
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F
F/2
F/2
2. 受轴向工作载荷的螺栓强度
改进措施: 1. 采用键、套筒、销承担横向工作载荷。
2. 采用无间隙的铰制孔螺栓。
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:
p ·πD2/4FE = Z
p
FE
FE
D
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特别注意,轴向载荷:
松弛状态Fa≠ F0+FE
预紧状态
δC0
δb0
F0 F0
受载变形FR FR
FE FE
F0 F0
加预紧力后→螺栓受拉伸长 δb0
→被联接件受压缩短 δC0
加载 FE后 :
螺栓总伸长量增加为 :
总拉力为:
被联接件压缩量减少为:
残余预紧力减少为: FR
FaFaFa=FE+FR
很显然 : FR<F0
∆δ+δb0
δC0 - ∆δ
∆δ
被联接件放松了
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δb0
∆δ
联接件变形
力
螺栓变形
力
∆Fb
∆Fc
螺栓变形
力
Fa
FR
FE
F0 F0
δC0
F0
δb0 δC0
arctgkb arctgkc
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---- 相对刚度系数
力
螺栓变形
arctgkbFE= ∆Fb +∆Fc =(kb +kc ) ∆δ
kb +kc
kbFa = F0 +FE
kb +kc
kbFR = F0 –FE 1-
FR= F0- ∆ FE = F0 - kc ∆δ
F a= F0 +∆ Fb = F0 +kb ∆ δ
kb +kc
FE∆δ=
FE Fa
∆Fb
F0
∆δ
代入得:
表 10-5 螺栓的相对刚度系数垫片类型 金属垫片或无垫片 皮革 铜皮石棉 橡胶
0.2~0.3 0.7 0.8 0.9kb +kc
kb
∆Fc
FR
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3.5 螺栓的材料和许用应力一般螺栓 ---- Q215 Q235 10 35 45 重要螺栓 ---- 15Cr 40Cr 30Cr MnSi
紧螺栓联接的受载情况 许用应力
受轴向载荷 , 横向载荷
铰制孔用螺栓受 横向载荷
静载荷
变载荷
控制预先紧力时 S=1.2~1.5不能严格控制预紧力时查表 10-7
被联接件为钢
被联接件为铸铁
[σp] 按静载荷 [σp]值降低 20%~30%
1.25σS[σp] =
3.5~5[τ]=σS
2~2.5σB[σp] =
2.5
σS[τ] =
SσS[σ] =
螺栓的许用应力
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螺栓联接的安全系数 S( 不能严格控制预紧力时 )
碳素钢 4~3 3~2 10~6.5 6.5
M6~M16 M10~M30 M6~M16 M10~M30
合金钢 5~4 4~2.5 7.6~5 5
静载荷 变载荷材 料
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3.6 提高螺栓联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的 Fa 变化范围轴向工作载荷 FE 的变化范围 : 0~ FE
kb +kc
kbF0 ~ F0 +FE总拉伸载荷的 Fa 变化范围 :
kb ↓ 或 kc ↑
→ Fa 变化范围↓
提高螺栓联接强度的措施
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d
0.8d0.7d
d
1. 采用柔性结构
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联接件的刚度,这时可采用
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二、改善螺纹牙间的载荷分布
措施 : 采用悬置螺母。加厚螺母不能提高联接强度。
普通螺母
加厚螺母
10 圈以后,螺母牙几乎不承受载荷。
螺母体
螺栓杆
悬置螺母均载原理
螺母体
螺栓杆螺栓杆
Fa
螺母体
F=F1+F2+F3+F4+F5
F1>F2>F3>F4>F5螺母体Fa
螺栓杆
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。
F5/2
F4/2
F3/2
F2/2
F1/2
F5/2
F4/2
F3/2
F2/2
F1/2
螺栓杆
Fa
螺母体
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支承面不平
三、减小应力集中1.增大过渡圆角2.切制卸载槽 r
四、避免或减小附加应力
采用凸台或沉孔结构
切削加工支承面
被联接件变形太大
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五、采用特殊制造工艺
冷镦头部、辗压螺纹 疲劳强度提高 30%
表面处理:
氰化、氮化也能提高疲劳强度。
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本 章 重 点(1) 了解螺纹的类型和主要参数以及螺纹连接的基本类型。(2) 了解螺栓连接的预紧,防松(3) 掌握螺纹连接的强度计算方法及力分析(4) 能根据工程实际问题进行螺纹连接设计