1、第 7 章 螺纹连接与螺旋传动一、教学要求本章内容包括螺纹连接和螺旋传动两个部分，具体教学要求如下：1）了解螺纹的基本知识，了解标准螺纹连接件和螺纹连接的基本类型、特性、标准结构、应用场合等。了解螺纹的预紧和防松。2）掌握单个螺栓连接的强度计算。会进行螺栓的受力分析，正确理解强度计算公式中各参数的含义，合理选择材料和确定许用应力。3）掌握螺栓组连接的设计方法。（1）了解螺栓组结构设计的原则。（2）掌握 4 种典型螺栓组受力分析，学会确定出螺栓组中受力最大的螺栓受力情况。4）了解提高螺栓连接强度的措施。5）了解螺旋传动的类型、特点及应用。二、重点、难点重点：1）单个螺栓连接的强度计算，尤其是承受
2、轴向静载荷的紧螺栓连接的强度计算。2）螺栓组连接的结构设计，四种典型受力情况下螺栓组连接的受力分析。难点：1）承受轴向静载荷的紧螺栓连接中的力与变形关系，确定 F 值。2）受旋转力矩、倾翻力矩的底板螺栓组连接的受力分析。三、教学安排教学内容 学时数1. 螺纹连接的基本知识2. 螺纹连接的预紧与防松 23. 单个螺栓连接的强度计算 24. 螺栓组连接的结构设计和受力分析 25. 螺纹连接件的材料和许用应力6. 提高螺栓连接强度的措施7. 滑动螺旋传动简介8. 滚动螺旋传动简介29. 课堂讨论螺栓连接的受力分析 2四、教学思路设计本章主要内容包括两个部分：第一部分为螺栓连接，是本章着重讨论的部分；
3、第二部分为螺旋传动，仅作概念性介绍。从螺纹连接的基本知识（参数、类型、标准代号） ，开始讨论其连接的预紧与防松。根据连接的工作情况得出松螺栓连接与紧螺栓连接二大类。在不同工作情况下，可得出不同失效形式和受力分析。首先讨论单个螺栓连接的设计计算，然后分析螺栓组连接的设计计算，即求出螺栓组中受力最大的螺栓及结构设计。第 7 章 第 1 讲知识点 教学手段1. 1）螺纹的类型2）主要参数3）应用4）螺纹连接的基本类型 2. 1）螺纹连接的预紧2）螺纹连接的防松模型课件（螺纹的牙型、旋向、主要参数、线数、螺栓连接、扳手力矩、防松装置）一、讲授时注意几点1. 7.1 螺纹连接的基本知识这节内容要注意三点
4、：（1）右、左旋螺纹判别必须绝对正确。（2）螺距 P 和导程 Ph 的概念一定要搞清，P h=nP（3）螺栓连接可分为普通螺栓连接和铰制孔用螺栓连接两种，需了解这两种连接的特点与应用。2. 7.2 螺纹连接的预紧与防松了解防松装置的防松原理及常用类型，重点了解利用摩擦防松的方法和特点。二、讲授程序设计首先提出连接的分类，然后以雷锋同志的名言：“起到一个小小的螺丝钉作用”为引导，说明螺栓的作用，引起学生的重视，增强求知欲望。然后提出螺纹类型、主要参数、螺纹连接的基本类型、连接的预紧，防松，这些内容是螺栓连接设计的基础。讲授教案编写如下所述。第 1 讲 教案什么叫连接，就是将被连接件通过连接件将它
5、们连接起来，再以日常生活中所遇到例子，说明什么叫连接，连接可分为可拆连接与不可拆连接两种，螺纹连接是利用螺纹零件构成的可拆连接。雷锋同志有句名言“起到一个小小螺钉作用” ，有着深奥的科学依据，充分说明了螺钉在人类社会中作用与地位。第 7 章 螺纹连接与螺旋传动7.1 螺纹连接的基本知识7.1.1 螺纹的类型放课件，对着课件（牙型）说明如下几点：根据母体形状可分为。根据牙型可分为。根据螺旋线的旋向可分为左、右旋，一般为右旋，这时可以在黑板上徒手作图（图 71） ，说明左右旋判定方法如何测定。取一螺杆，轴线与人们平行，看到圆柱面上螺纹，如螺纹上升方向为由左到右，则为右旋，反之为左旋，也可用左右手定
6、则来决定之。根据螺线的数目，可分为。根据用途可分为。螺纹、螺栓均已标准化，标准代号为 图普通螺纹MdP 精度等级。梯形螺纹TrdP精度等级。 螺栓MdLGB。7.1.2 螺纹的主要参数 图 71 螺纹旋向的判定放课件（主要参数） ，说明几个主要参数，重点讨论大径 d，为标准值、螺距与导程关系，升角 （在不同圆柱上展开，得出 值也不同） 。7.1.3 常用螺纹的特点及应用可作一般介绍，但要突出一点：连接用螺纹要求为普通螺纹，单线， 角小，有自锁性。传动用螺纹要求为梯形螺纹，多线，传动效率高，不自锁。7.1.4 螺纹连接的基本类型有四种基本类型：螺栓连接、双头螺栓连接、螺钉连接、紧定螺钉连接。螺栓
7、连接又可分为普通螺栓连接和铰制孔用螺栓连接，在讲授时最好能在黑板上徒手作出螺栓螺接图，说明其特点。7.2 螺纹连接的预紧与防松7.2.1 螺纹连接的预紧螺纹连接一般说来必须要拧紧，其目的为增强连接的刚性、紧密性及提高防松能力，拧紧后被连接件受到压缩，螺栓受到拉伸，这拉力是在螺栓尚未受到工作载荷以前就有这拉力的作用，此力称为预紧力 F0，课件（扳手力矩）演示一下，F 0 大小就决定了螺母的拧紧程度。放课件（图 7.10 所示） ，预紧时，扳手力矩 T 必须克服螺纹付中的摩擦力 T1 和螺母与被连接件支承面间的摩擦力矩 T2。T=T1+T2 (7.2)作为连接用的螺纹，满足自锁条件，从理论上说，连
8、接好后，是不会自行松脱的，实际上会松脱，其原因有二个，必须采用防松装置。7.2.2 螺纹连接的防松解决防松问题的方法为防止螺纹副的相对转动的发生，防松方法按其工作原理可有四大类。放课件（防松装置） ，表 7.3 所列，最后将现场所产生情况加以说明。1）一般连接中，对 F0 大小无多大要求，只要按经验、以标准规格选用连接件，采用相应扳手大小，拧紧就行，决不能私自加长扳手长度来拧紧螺母。2）对重要的连接、预紧力需控制的场合时，必须标注出预紧力 F0 值，用图 7.11 所示的测力矩扳手拧紧之。第 7 章 第 2 讲知识点 教学手段1）受拉螺栓连接2）受剪切螺栓连接课件（轴向静载荷的紧螺栓连接）一、
9、讲课时注意几点机器中主要是应用成组螺栓连接，但要讨论成组的问题，那么一定要先掌握单个螺栓连接的设计计算问题。因此单个螺栓的直径计算是整个螺栓设计的基础。连接承受载荷一般有两种形式：轴向力或横向力，则其螺栓设计时计算准则也就不同。经强度计算可确定出螺纹小径d1，然后按照标准选定螺纹的公称直径（大径）d 等。在讲课时有几个问题需加以深入理解。1）深入理解强度计算公式中 1.3 倍的物理意义。2）承受轴向静载荷的紧螺栓连接的载荷一变形关系要能看懂、掌握。根据式(7.8)、式(7.11) 能分析得出如何来正确地选用垫片。3）剪切和挤压强度公式中各量如何来正确取值。二、讲授程序设计根据螺栓连接的工作情况
10、、螺栓的受力可有两种情况：1）受拉螺栓，组成普通螺栓连接。2）受剪螺栓，组成铰制孔用螺栓连接故本讲应分为这两部分内容来讲解，讲授教案编写如下所述。第 2 讲 教案单个螺栓连接计算什么？被连接件：它由零件设计决定，不是本课所能解决的。连接件计算：对于螺栓，要计算出 d，长度由结构来决定，螺栓结构型式由工作条件确定，其强度是没有问题的。因此本讲是根据螺栓不同的工作情况，得出不同的失效形式与计算标准则，得到各种不同强度计算公式。7.3 单个螺栓连接的强度计算7.3.1 受拉螺栓连接强度计算的对象为螺栓，从工程力学可知，只要找出螺栓上的危险截面就可进行强度计算，这种连接、螺栓上承受拉力，在静载荷下，主
11、要失效形式为塑性变形与断裂。为计算简化，危险截面取螺纹内径截面。1. 松螺栓连接在装配时，不必拧紧，在承受工作载荷前，连接不受到力的作用，这种连接称为松螺栓连接，图 7.12 所示为起重吊钩，最好能在黑板上徒手作图，然后再加上工件载荷 F，列出强度公式（7.3） ，得出设计公式为 (7.4)1d4F2. 紧螺栓连接它在工作前已预先拧紧，因此，这种连接能承受静载荷，又能承受变载荷。（1）只受预紧力的紧螺栓连接受载前，需预紧，预紧时螺栓危险截面上受到预紧力 F0 及螺纹副间摩擦力矩 T1 的联合作用，处于拉伸与扭转复合应力状态。由于 F0 存在，产生拉伸变形和相应的拉应力 ；由此 T1 存在，产生
12、扭转变形和相应的剪应力 ，根据第四强度理论可求出当量应力 e 值为 e=1.3因此，螺栓螺纹部分的设计公式为 (7.6)1d04.3F比较式（7.4）与式(7.6)可见出，F、F 0为外载荷，为许用应力，对于不同工作情况下值是不同的。二式中相差一个 1.3 倍。也就是紧连接中计算应力比松连接中应力 大 1.3倍，所以我们可不必考虑应力合成问题，当作松连接来考虑，只要把计算中纯拉伸应力值加大1.3 倍就可以了。（2）受横向外载荷的紧螺栓连接作徒手图 7.13，说明一下工作情况，什么叫横向载荷，这种连接所受的外载荷 FR 的方向与螺栓的轴线相垂直的，称为横向载荷。这种连接为普通螺栓连接，拧紧后，螺
13、栓上受到预紧力 F0 为拉力。被连接件就压紧。现承受 FR 后，在接合面间会产生一种滑移趋势，那么在接合面间就产生一个摩擦力 fF0，因此，要保持的连接的可靠、紧密性，则连接就不能产生滑移。连接不滑移的条件为 F 0fF R当 f=0.15，K f=1.1，可得出 F07F R。这样螺栓和强度条件为021.34d由此式可求出 d1，查标准得出 d，标注标准代号。讨论：1）从 F07F R 式中，可看出一个问题，当承受一个 FR 横向载荷时，为保持连接不发生滑移，这时螺栓上所要承受的预紧力 F0 必须要大于7F R，这样使设计出螺栓尺寸很大，笨重，不经济。因此，在现场，当承受横向载荷时，尽量不用
14、普通螺栓连接，而采用图 7.19 结构型式。2）如有几个接合面，则 fF0mK fFR（3）承受轴向静载荷的紧螺栓连接图 7.14 所示为气缸端盖螺栓组，缸内气压为 p，每一螺栓上就承受了轴向工作载荷，那么端盖能密封住气压，而不漏气，这螺栓 d1=?播放课件（轴向静载荷的紧螺栓连接） ，观察图 7.15a),b),c),d)工作情况，并讨论在轴向载荷作用下，螺栓上承受什么力。在讨论前先作一个假定：所有零件材料都服从于胡克定律，而零件上应力没有超过比例极限，也就是各零件中的力与变形成正比。接下来最好能徒手作图 7.15，先作图 a)，解释一下工作情况，再作 b),。板书布置如图 72 所示。图
15、72 说明：图 a，为开始拧紧的情况，即螺母恰好拧到与被连接件相接触，也就是连接中未受到力的作用，此时螺栓、螺母与被连接件均保持其原来尺寸，未变形。图 b，再将螺母继续拧紧，螺栓上受到预紧力 F0 及螺纹副中摩擦力矩 T1，在 F0 作用下，螺栓要伸长，伸长量为 1， 1=F0/c1，c 1 为螺栓刚度，而被连接件受到压力，这压力必须与拉力相等，也为 F0，这样被连接缩短量为 2， 2=F0/c2，c 2 为被连接件刚度。图 c，螺栓承受工作载荷 F（拉力） ，则螺栓所受的拉力就要增加，由原来的 F0 变为总拉力F，拉力增量为 FF0，产生了附加拉伸变形量为 1，总伸长量为 1+ 1，载荷为
16、F。被连接件就随之放松了，由原来 F0F ，预紧力就减小了，成为 F ，这时被连接上的压力称为残余预紧力 F ，压力减量为 F0F ，产生压缩减量为 2，所以，这时总的压缩量为 2+ 2，称为残余变形，与它相对应的压力为 F ，称为残余预紧力。根据变形协调条件可得出 1= 2螺栓附加拉长了 1，那么被连接件必须会放松了这些 2。这里也可问一下学生，如果工作载荷为压力，情况将会如何？根据平衡条件可得出F = F +F （7.8）螺栓的强度条件为 21.34d从此式可求出 d1，查标准得出 d，写出标准代号，接下来再讨论几点：1）在一般情况下，螺栓上作用的总拉力不等于外载荷加上预紧力，而为 F+
17、F 。2）经推导，可得出下式0(1)cFkF称为螺栓的相对刚度系数。12,cckk3） 值具体数值在教材中列出。在连接中，选用何种性质的垫片，必须根据螺栓受载大c小而定，否则会使螺栓强度不够而失效。下面分为两种情况说明之。（1）当 c2c1 时，即被连接件刚度很大，就是使用刚性垫片，或不用垫片。这时 kc0，使螺栓上的总拉力 FF 0，而 F0= F +F 这就是我们在现场常见到的情况，为什么都采用刚性垫片的理论依据。（2）当 c2c1 时，即为使用弹性垫片（如橡皮等） ，这里要提醒同学弹性垫片不是弹簧垫片，它也是刚性的，这时 kc1，螺栓上总拉力值 F=F0+ F。如果设计时，螺栓直径是按
18、F0 来计算的，当垫片选错后，原来该用刚性的，为了增加密封性，误想将垫片改为橡皮制的垫片，其结果反而使螺栓上承受的载荷（总拉力）大为增加，螺栓强度不够，会产生断裂等问题。这里又要指出一点，弹簧垫片虽为刚性垫片，装配时必须压平，否则会造成不良后果，产生偏心载荷，影响螺栓强度。7.3.2 受剪切螺栓连接徒手作一个图 7.16 为铰制孔用螺栓连接。受横向载荷时，螺栓在连接接合面处受剪，并与被连接件孔壁互相挤压。因此失效形式有两种：剪断、拉杆或孔壁被挤压坏。从而可得出剪切强度条件式（7.13） ，挤压强度条件式（7.14） 。这种连接、预紧力就可很小，只要不使螺栓掉下来就行了，一般不必进行螺纹的强度计
19、算。黑板板书（示范）注意：板书中所注的文字，必须为边讲解，边注上。图（a）开始拧紧 （b）拧紧后 （c）受工作载荷 F 时 （d）工作载荷过大时未拧紧无力的作用，各零件保持原来尺寸拧紧螺栓上受到 F0 及 T1 作用螺栓（拉）F 0 1被连接件（压）F 0 2加载 F螺栓：拉力，F 0F F F0=拉力增量相应伸长量 1总伸长量为 1+ 1载荷为 F被连接件：放松些F0F 预紧力压力减量为 F0F压缩变形减少量 2总压缩量为 2 2称为残余变形F 为残余预紧力根据变形协调条件可得出 1 = 2图 72 “螺栓的受力与变形”的板书布置（示范）第 7 章 第 3 讲知识点 教学手段1）螺栓组连接的
20、结构设计2）螺栓组连接的受力分析（1）受轴向载荷的螺栓组连接（2）受倾翻力矩 M 的螺栓组连接课件（结合面形状、气缸盖、螺栓连接、倾翻力矩 M 的螺栓连接）一、讲授时注意几点1）螺栓组连接的结构设计是一个十分重要的问题，而学生却是知识贫乏，难以设计出合理正确的结构，必须应用现有的实物，模型来讲解 7.4.1 节的结构设计的原则。2）在受力分析时所作的假设、简化是必须的，如何应用，这是一个难点，学生必须掌握。3）取底板为单元体时，必须掌握，这些力为作用在底板上的力，不能搞混了。4）以经济角度考虑，螺栓组中螺栓大小、材料等均取一致的。二、讲授程序设计设计螺栓组连接时，首先要确定螺栓组连接的结构，即设计被连接件接合面的结构、形状，选定螺栓的数目和布置形式，确定螺栓连接的结构尺寸等。然后对螺栓连接的二种基本载荷情况进行受力分析（教材中为四种基本载荷情况） ，找出受力最大的螺栓，并求出所承受的载荷，再应用单个螺栓连接的强度计算方法进行螺栓的设计与校核，最后介绍一个在现场如何进行设计的，故本讲应分为两部分来讲解，具体教案编写如下所述。
