螺纹连接(机械设计课件)

联 接 的 分 类 和 意 义静 联 接动 联 接 可 拆 联 接 (螺 纹 联 接 、 键 联 接 ）不 可 拆 联 接 （ 铆 接 、 焊 接 、 胶 接 ）联 接 的 选 择 （ 根 据 使 用 要 求 与 经 济 要 求 来 选 择 、根 据 联 接 的 加 工 条 件 和 被 联 接 零 件 的 材 料 、 形 状 和尺 寸 等 ） 6-0 引 言 由 于 使 用 、 结 构 、 制 造 、 装 配 、 运 输 等 方 面 的 原 因 ， 机 器中 很 多 零 件 需 要 彼 此 联 接 。 机 械 零 件 之 间 的 联 接 分 为 ：被 联 接 件 之 间 相 互 完 全 固 定 。 （ 形 锁 合 、 摩 擦 锁 合 、 材 料 锁 合 ）被 联 接 件 之 间 能 产 生 一 定 的 相 对 运 动 。 例 如 ： 运 动 副 。静 联 接 ：动 联 接 ：本 课 程 介 绍 的 联 接 主 要 是 静 联 接 。联 接 的 类 型 ： 螺 纹 联 接键 联 接 、 花 键 联 接 、 销 联 接弹 性 环 联 接 等铆 接焊 接粘 接联接 可 拆联 接不 可 拆联 接过 盈 联 接 （ 介 于 两 者 之 间 ） 螺 纹 的 形 成 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 普 通 螺 纹 (M) 60 55 非 密 封 管 螺 纹 (G) 55 55 非 密 封 管 螺 纹 55 密 封 管 螺 纹 （ R） 55 梯 形 螺 纹 (Tr) 30 锯 齿 形 螺 纹 (B) 303 标 准 螺 纹 。 非 标 准 螺 纹 。 矩 形 螺 纹 螺 纹 的 牙 型矩 形 螺 纹 三 角 形 螺 纹 梯 形 螺 纹 锯 齿 形 螺 纹15 30330 联接螺纹传动螺纹 MGTrB粗 牙细 牙螺 纹管 螺 纹梯 形 螺 纹锯 齿 形 螺 纹普 通 是 最 常 用 的 联 接 螺 纹用 于 细 小 的 精 密 或 薄 壁 零 件用 于 水 管 、 油 管 、 气 管 等薄 壁 管 子 上 ， 用 于 管 路 的联 接 。用 于 各 种 机 床 的 丝 杠 ， 做传 动 用 。只 能 传 递 单 方 向 的 动 力 。螺 纹 种 类 特 征代 号 外 形 图 用 途常 用 的 几 种 螺 纹 的 特 征 代 号 及 用 途 外 螺 纹内 螺 纹 螺 旋 线 制 在 回 转 体 外 表 面的 螺 纹 为车 刀制 在 回 转 体 内 表 面的 螺 纹 为卡 盘 车 外 螺 纹 车 内 螺 纹工 件卡 盘螺 尾 和 退 刀 槽螺 纹 的 加 工 方 法 ：车 刀 螺 尾 开 始 退 刀退 出 车 刀 退 刀 槽车 刀 车刀内 退 刀 槽外 退 刀 槽退 刀 纹螺 纹 收 尾 6-1 螺 纹 螺 纹 的 牙 型三 角 形 在 通 过 螺 纹 轴 线 的 剖 面 上 ， 螺 纹的 轮 廓 形 状 。 梯 形 锯 齿 形常 用 的 有 ： 牙 型 螺 纹 的 大 径 、 小 径 和 中 径大 径 ： 与 外 螺 纹 牙 顶 或 内 螺 纹 牙 底 相 切 的 假 想 圆 柱 面 的 直 径 。 D、 d小 径 ： 与 外 螺 纹 牙 底 或 内 螺 纹 牙 顶 相 切 的 假 想 圆 柱 面 的 直 径 。 D1、 d1牙 底 牙 底 牙 顶牙 顶 小径 大径 外 螺 纹内 螺 纹牙 顶 牙 底 牙 底 牙 顶 大径 D、d小径D1、d1 中径D2、d2螺 纹 的 中 径 ： 一 个 假 想 圆 柱 的 直 径 。 该 圆 柱 的 母 线 通过 牙 型 上 沟 槽 和 凸 起 宽 度 相 等 的 地 方 。 螺 纹 的 线 数 n 沿 一 条 螺 旋 线 形 成 的 螺纹 叫 做 单 线 螺 纹 ； 沿 两 条 或两 条 以 上 在 轴 向 等 距 分 布 的螺 旋 线 所 形 成 的 螺 纹 叫 做 多线 螺 纹 。单 线 螺 纹 双 线 螺 纹 螺 距 和 导 程 螺 纹 上 相 邻 两 牙 在 中 径 线 上 对 应 两 点之 间 的 轴 向 距 离 P称 为 螺 距 。 同 一 条 螺 纹 上 相 邻 两 牙 在 中 径 线 上 对应 两 点 之 间 的 轴 向 距 离 Ph称 为 导 程 。单 线 螺 纹 ： P=P h 多 线 螺 纹 ： P=Ph/n=导 程螺 距 螺 距导 程 单 线 螺 纹多 线 螺 纹螺 距 (P)导 程 (L) 螺 纹 的 旋 向 右 旋 (常 用 )左 旋注 意 ： 只 有 上 述 各 要 素 完 全 相 同 的 内 、 外 螺 纹 才 能 旋 合 在 一 起 。 螺旋在上方用右旋，则顺时针方向是搬紧，合乎用力习惯。反之，在下方用左旋则顺时针方向是搬紧，合乎用力习惯。 5-1 螺 纹大 径 d 是 螺 纹 的 公 称 直 径 。小 径 d1 常 用 于 强 度 计 算 。中 径 d2 常 用 于 几 何 计 算 。螺 距 P 相 邻 两 螺 纹 牙 上 对 应 点间 的 轴 向 距 离 。导 程 S 沿 螺 纹 上 同 一 条 螺 旋 线 转 一周 所 移 动 的 轴 向 距 离 ， S = nP。线 数 n 螺 纹 的 螺 旋 线 数 目 。牙 型 角 a 在 轴 向 截 面 内 ， 螺 纹 牙 型 两 侧 边 的 夹 角 。牙 型 斜 角 在 轴 向 截 面 内 ， 螺 纹 牙 型 一 侧 边 与 螺 纹 轴 线 的 垂 线 之 间 的 夹 角 。 （ 6） 螺 纹 的 角 度 螺 纹 升 角 y 螺旋 线 的 切 线 与 垂 直于 螺 纹 轴 线 的 平 面间 的 夹 角 。 22 tan dnPdS y A A （ 7） 螺 纹 连 接 的 画 法AA旋 入 深 度画 图 要 点 ： 大 径 线 和 大 径 线 对 齐 ； 小 径 线 和 小 径 线 对 齐 。 旋 合 部 分 按 外 螺 纹 画 ； 其 余 部 分 按 各 自 的 规 定 画 。按 不 剖 画 内 、 外 螺 纹 剖 面 线 方 向 相 反为 什 么 ？ 画 图 步 骤 ： 画 外 螺 纹 确 定 内 螺 纹 的 端 面 位 置 画 内 螺 纹 及 其 余 部 分 投 影 大 径 线 画 粗 实 线 倒 角 圆 不 画小 径 圆 约 画 3/4圈外 螺 纹 剖 视 画 法 ：小径大径 A A螺 纹 终 止 线 画 一 小 段 剖 面 线 画 到 大 径 线AA小 径 线 画 细 实 线且 画 到 倒 角 内小 径 0.85d 螺 纹 终 止 线画 粗 实 线 螺 纹 终 止 线 大 径 线 画 细 实 线 小 径 线 画 粗 实 线 倒 角 圆 不 画大 径 圆 约 画 3/4圈剖 面 线 画 到 小 径 线即 粗 实 线 位 置AA A A （ 8） 螺 纹 的 标 注 标 注 的 基 本 格 式特 征 代 号 公 称 直 径 导 程 (P螺 距 ) 旋 向公 差 带 代 号 旋 合 长 度 代 号 粗 牙 螺 纹 不 标 注 螺 距 。 旋 合 长 度 为 中 等 时 ， “ N” 可 省 略 。 右 旋 螺 纹 不 用 标 注 旋 向 ， 左 旋 时 则 标 注 LH。 右 旋左 旋长 ： L 中 等 ： N短 ： S中 径 和 顶 径公 差 带 代 号 单 线 螺 纹 改 为 。导 程 (P螺 距 ) 螺 距 公 差 带 代 号 应 按 顺 序 标 注 中 径 、 顶 径 公 差 带 代 号 。 导 程 (P螺 距 ) 螺 距改 为 。 螺 纹 各 种 数 据 的查 表 M202 5g6g S LH 例 1：例 2：梯 形 螺 纹 大 径 D 40 导 程 14螺 距 7线 数 2 中 径 、 顶 径公 差 带 代 号长 旋 合 长 度 右 旋 左 旋 M20 2LH 5g6g S普 通 螺 纹大 径 d 20螺 距 P2 (细 牙 ) 短 旋 合 长 度顶 径 公 差 带 代 号左 旋 中 径 公 差 带 代 号例 3：例 4： Tr40 14(P7) 7H L梯 形 螺 纹大 径 D 40导 程 14螺 距 P7线 数 2 中 径 、 顶 径公 差 带 代 号长 旋 合 长 度右 旋 名 称 标 准 编 号 形 式 与 尺 寸材 料 热 处 理 表 面 处 理 例 :螺 纹 规 格 d=M12， 公 称 长 度 L=80， 性 能 等级 为 4.8级 ， 不 进 行 表 面 处 理 ， 全 螺 纹 ， C级的 六 角 头 螺 栓 ：a） 螺 栓 b） 螺 母 垫 圈 GB/T 97.1-2000 8c） 垫 圈 螺 纹 的 类 型螺 纹 分 为 外 螺 纹内 螺 纹 圆 柱 螺 纹圆 锥 螺 纹 左 旋右 旋 常 用 右 旋效 率 较 高 ， 主 要 用 于 螺 旋 传 动此 外 ， 还 有 管 螺 纹 ： 主 要 用 于 管 路 的 联 接 。按 牙 型 的 不 同 分 为 普 通 螺 纹 ：矩 形 螺 纹梯 形 螺 纹锯 齿 形 螺 纹 效 率 低 ， 易 自 锁 ， 多 用 于 联 接 。？ ? ? d2dd1y )( yy tg tg2450 yy Odd得 效 率 最 大 时令 2450 yy Odd得 效 率 最 大 时令 过 大 的 螺 旋 升 角 制 造 困 难 ,而 且当 角 度 大 于 25度 后 效 率 相 差 不大 了 .一 般 取 不 大 于 20-25度 . fNFf 2 cos2NQ QfQf QffNF vf cos cos222 传 动 应 效 率 高 ,希 望 螺 旋 升 角 大紧 固 要 求 自 锁 ,希 望 螺 旋 升 角 小牙 型 角 小 摩 擦 就 小 ， 易 于 传动 ， 但 太 小 则 牙 根 强 度 不 够 。 、牙 型 角 大 摩 擦 就 大 ， 易 于 紧 固连 接 ， 但 太 大 拧 紧 费 力 V 0D 0dd dd 9.02 23421 OO y dd 1.10 dD 7.10 3010306 OOv 15.0f 05.0522 Otg 17.0399 Otg 08.104.112 dd 一 基 本 类 型 （ 请 掌 握 各 联 接 的 特 点 及 适 用 场 合 ）1 螺 栓 联 接 普 通 螺 栓 联 接 （ 受 拉 螺 栓 联 接 ）铰 制 孔 用 螺 栓 联 接 (受 剪 螺 栓 联 接 )2 双 头 螺 柱 联 接 （ 常 拆 场 合 ）3 螺 钉 联 接 （ 不 常 拆 场 合 ）4 紧 定 螺 钉 联 接 螺 纹 紧 固 件 连 接 的 基 本 形 式 有 ：螺 栓 连 接 双 头 螺 柱 连 接 螺 钉 连 接 普 通 螺 栓 连 接 l计 =t1+t2+0.15d(垫 圈 厚 ) +0.8d(螺 母 厚 )+0.3d 螺 栓 、 垫 圈 、 螺 母 按 不 剖 画 螺 栓 的 有 效 长 度 按 下 式 计 算计 算 后 查 表 取 标 准 值 两 块 板 的 剖 面 线 方 向 相 反t 1 l0.3d t 2 被 连 接 件 的 孔 径 =1.1d 普 通 螺 栓 联 接 普 通 螺 栓 联 接 普 通 螺 栓 联 接 普 通 螺 栓 联 接 普 通 螺 栓 联 接 铰 制 孔 用 螺 栓 联 接 铰 制 孔 用 螺 栓 联 接 铰 制 孔 用 螺 栓 联 接 铰 制 孔 用 螺 栓 联 接 普 通 螺 栓 联 接（ 受 拉 螺 栓 联 接 ） 铰 制 孔 用 螺 栓 联 接(受 剪 螺 栓 联 接 ) 螺 纹 联 接 的 基 本 类 型螺 栓 联 接基本类型螺 纹 余 留 长 度 l1 静 载 荷 l1=(0.30.5)d;变 载 荷 l1=0.75d;冲 击 载 荷 或 弯 曲 载 荷 l 1 d;铰 制 孔 用 螺 栓 l1 0;螺 纹 伸 出 长 度 a=(0.20.3)d; 螺 栓 轴 线 到 边 缘 的 距 离e=d+(36) mm L1 铰 制 孔 螺 栓d L1 铰 制 孔 螺 栓 双 头 螺 柱 联 接 不 能 采 用 螺 栓 的 场 合 ,例 如 :连 接 件 之一 太 厚 不 宜 采 用 通 孔 ,材 料 又 比 较 软 . tb ml l计 = t +0.15d+0.8d+0.3d bm同 螺 钉 ,由 被 联 接 件 的材 料 决 定 。螺 柱 长 度 : 设 计 ： 潘 存 云螺 栓 联 接基本类型座 端 拧 入 深 度 H， 当 螺 孔 材 料 为 ： a ee双 头 螺 柱 联 接钢 或 青 铜 H=d;铸 铁 H=(1.251.5)d铝 合 金 H=(1.52.5)d螺 纹 孔 深 度 H 1=H+(22.5)P;钻 孔 深 度 H2=H1+(0.51)d;参 数 l1 、 e、 a与 螺 栓 相 同 l 1l 1 HHH1H1H2H2 d螺 钉 联 接 螺 钉 联 接 多用于受力不大且不需要经常拆卸的场合 tb m l0.5d bm: 钢 ： bm=d铸 铁 : bm=1.25d或 1.5d铝 : bm=2d螺 钉 长 度 ：l计 =bm+t 0.2d2.5:1d 0.4d0.25d 2.5:1 柱 端 紧 定 螺 钉 利用 端 部 小 圆 柱 插 入 机件 上 的 小 孔 或 环 槽 起定 位 、 固 定 作 用 。 紧 定 螺 钉 分 锥 端 、柱 端 、 平 端 三 种 。 锥 端 紧 定 螺 钉 靠端 部 锥 面 顶 入 机 件 上的 小 锥 坑 起 定 位 、 固定 作 用 。 平 端 紧 定 螺 钉 靠其 端 平 面 与 击 机 件 的摩 擦 力 起 定 位 作 用 。 螺 钉 联 接 螺 钉 联 接 螺 钉 联 接 螺 钉 联 接 螺 钉 联 接 螺 钉 连 接 螺 钉 连 接螺 钉 拧 入 深 度 H: 钢 或 青 铜 H d 铸 铁 H=(1.25 1.5)d 铝 合 金 H=(1.5 2.5)d 双 头 螺 柱 连 接 其 他 螺 纹 连 接 类 型紧 定 螺 钉 连 接地 脚 螺 栓 连 接吊 环 螺 栓 连 接T型 槽 螺 栓 连 接 紧 定 螺 钉 连 接 紧 定 螺 钉 连 接 锥 端 紧 定 螺 钉平 端 紧 定 螺 钉 地 脚 螺 栓 连 接 吊 环 螺 栓 连 接 吊 环 螺 栓 连 接 T型 槽 螺 栓 连 接 d1.1d0.9d 0.7d120.8dL (1.5-2)d 2d2.2d 1.5d(0.20.3)d0.15d 0.2d 75 被 连 接 件 1的 厚 度 1 =30被 连 接 件 2的 厚 度 2 =30 dddL 2.08.015.021 螺 栓 长 度 L =1 2 0.2d 0.8d 0.3d = 30+30+(0.15 0.8 0.2) 24 = 91.2 将 L圆 整 为 标 准 螺 栓 系 列 长度 100 螺 纹 部 分 长 度 = 2d = 2 24 = 48 d1.1d0.85d 0.7d120.8dL (1.5-2)d 2d2.2d (0.20.3)d0.15d 螺 钉 、 紧 定 螺 钉双 头 螺 柱螺 栓螺纹紧固件末 端结 构头 部结 构 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 柱螺 栓螺纹紧固件 1.扩 大 接 触 面 、 降 低 紧 固 力 对被 紧 固 件 的 应 力 集 中 ， 防 止 损坏 被 紧 固 件 。2.拧 紧 螺 母 时 不 会 划 伤 被 紧 固件 。3.花 垫 和 弹 簧 垫 还 有 防 止 螺 母松 脱 的 作 用 。 垫 圈 平 垫 圈 薄 平 垫 圈A型 平 垫 圈 B型 平 垫 圈螺 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 。 1精 度 等 级 ： A、 B、 C （ 精 度 由 高 低 ）A类 用 于 要 求 配 合 精 确 、 防 止 振 动 的 重 要 场 合B类 用 于 受 载 大 且 常 拆 、 调 整 或 变 载 荷 的 场 合C类 用 于 一 般 的 螺 纹 联 接 的 场 合 一 预 紧 目 的1 增 加 联 接 可 靠 性2 增 加 联 接 紧 密 性二 拧 紧 力 矩 T do预 紧 力 F0 三 控 制 方 法 （ 控 制 预 紧 力 QP的 大 小 ） 10 10 )6.05.0( )7.06.0( AF AF ss合 金 钢碳 素 钢 测 力 矩 扳 手 定 力 矩 扳 手 测 力 矩 扳 手 定 力 矩 扳 手 0D0dd dF2.0 dD dDFf31)(tg2dF TTT 0 2020 30300cv20 21 y dd 9.02 23421 OO y dd 1.10 dD 7.10 3010306 OOv 15.0f 05.0522 Otg17.0399 Otg 复 习 : FF0 a F RF0 a)( 0 a tgFLTF FL T2/2d )(220 a tgdFT 2d 2r12r2 r drF0 )( 2122 0 rrFp rdrds 22122 3132021 32 rr rrfFfprdsM rrF dF2.0 dD dDFf31)(tg2dF TTT 0 2020 30300cv20 21 yT1为 螺 旋 副 间 的 摩 擦 力 矩T2为 螺 母 与 支 承 面 间 的 摩 擦 力 矩当 F=200N,则 F0=1500N,很 大 的 力 和 力 矩 .所 以 对 于 重要 螺 栓 不 用 过 小 的 直 径 . FF 750 dFFdFLT 02.015 当 F=200N,则 F 0=1500N,很 大 的 力 和 力 矩 .所 以 对 于 重要 螺 栓 不 用 过 小 的 直 径 . 测 量 伸 长 量 （ QP=l*Cb） 一 防 松 目 的防 松 根 本 问 题 ： 防 止 螺 旋 副 的 相 对 转 动二 防 松 方 法 ： 有 三 种 （ 图 例 见 下 页 ）1 摩 擦 防 松2 机 械 防 松3 铆 冲 防 松 （ 破 坏 螺 纹 副 ） 摩 擦 防 松 1. 利 用 附 加 摩 擦 力 防 松 尼 龙 圈 锁 紧 螺 母弹 簧 垫 圈对 顶 螺 母 机 械 防 松 开 口 销 与 六角 开 槽 螺 母 圆 螺 母 用 止 动 垫 圈止 动 垫 圈 串 联 钢 丝 止 动 垫 圈 串 联 钢 丝11.5P用 冲 头 冲 23点冲 点 防 松 法 一 普 通 螺 栓 联 接 的 强 度 计 算失 效 形 式 ： 螺 纹 部 分 的 塑 变或 断 裂 ， 危 险 截 面 为 螺 纹 小径 d1所 对 应 的 面 积A=d21/4设 计 准 则 ： 保 证 静 强 度 或 疲劳 强 度 d1 65%20%15% (一 )松 螺 栓 联 接 的 强 度 计 算（ 螺 母 不 需 要 拧 紧 、 在 承 受 工 作 载 荷 前 ， 螺 栓 不 受 力 ）65%20%15% (二 )紧 螺 纹 联 接 的 强 度 计 算（ 螺 母 需 要 拧 紧 、 承 受 工 作 载 荷 前 ， 螺 栓 受 预 紧 力 ）1 仅 受 预 紧 力 时 紧 螺 栓 联 接 0F 0F 只 有 横 向 载 荷 ,没 有 轴 向 拉 力 F FFF/2F/2 t 3.13 22ca 由 第 四 强 度 理 论 得 到64M10M 普 通 螺 纹 的 钢 制 螺 栓对 05.0ytg 08.104.112 dd 17.0Vtgt 5.0虽 然 同 时 承 受 拉 应 力 和 剪 切 应 力 ， 但 只 按 拉 应 力 计 算 ，增 加 百 分 之 三 十 拉 应 力 做 为 对 剪 切 应 力 的 影 响 的 考 虑 。 fFF 0 01 21043.1 43.13.1 Fd dFca F FF0 0F 0F F fFF 0F 设 计 式校 核 式强 度 条 件 3.14 43.1 01 210 Fd dFca 1.3的 含 义 危 险 截 面 在 小 径 d1处 计 算 求 得 d1后 应 查 标 准 d1 ,然 后 确 定 大 径 d如 何 求 出 预 紧 力 F0？ 实 际 中 何 种 情 况 使 用 上 述 公 式 ？问注 意 pFF D2 受 预 紧 力 和 工 作 拉 力 的 紧 螺 栓 联 接 2 受 预 紧 力 和 工 作 拉 力 的 紧 螺 栓 联 接A单 个 螺 栓 受 力 变 形 图b 0F 1F m F 松 弛状 态 受 载变 形预 紧状 态 松 弛状 态 受 载变 形预 紧状 态m b 21 FFF F0 b m F1F F2Fb m mF0 力 变 形 螺 栓 F0 F1+F螺 栓 预 紧 力 F0 F1被 连 接 件 F0 F1 mbmb cctgtgFF F Fcc cF mb b bc mc螺 栓 和 被 连 接件 受 力 与 变 形的 关 系 即 刚 度 Fcc cFFFFF mb m 110 )( Fcc cFFFF mb b 002 式 中 FFF 2cc ccc FF2cc ccccc cccF FF2 0mb bmb 0mb bmbmb bmb 10 0 推 荐 ： FF FF FF )8.15.1( )0.16.0( )6.02.0( 111有 紧 密 性 要 求 时载 荷 不 稳 定 时载 荷 稳 定 时 002)2( FFcc cFF mb b 由 联 接 可 靠 性 要 求 求 出求由 受 轴 向 变 载 荷 （ 工 作 拉 力 ） 作 用 的 紧 螺 栓联 接 的 计 算 之 间 变 化螺 栓 总 拉 力 则 在 之 间 变 化若 工 作 载 荷 在变 化 时当 20 0 FFFF 212max 4 dF 最 大 拉 应 力 210min 4 dF 最 小 拉 应 力 21mb b minmaxa dF2cc c 2 应 力 幅 s)2)(K( )K(2s dF2cc c mina mintc1ca a21mb ba y y 或疲 劳 强 度 条 件 为 什 么 上 述 螺 栓 联 接 的 强 度 计 算 仅 对 螺 栓 杆 进 行 ？ 当 工 作 载 荷 为 变 载 荷 时 ， 强 度 计 算 如 何 进 行 ？ 受 轴 向 变 载 荷 （ 工 作 拉 力 ） 作 用 的 紧 螺 栓 联 接 的强 度 计 算 ： 不 仅 要 进 行 静 强 度 计 算 ， 还 要 进 行 疲 劳 强度 计 算 。问 题螺 母 和 螺 栓 是 等 强 度 的 ,而 螺 栓 的 小 径 更 小 .所 以 主 要 讨 论 螺 栓 的 连 接 强 度 . 如 图 为 一 受 轴 向 工 作 载 荷 的 紧 螺 栓 连 接 工 作 时 力 和 变 形 的关 系 ,问 :(1)螺 栓 刚 度 和 被 连 接 件 的 刚 度 大 小 对 螺 栓 受 力 F2有 何 影 响 ?(2)若 预 紧 力 F0=800N,工 作 载 荷 F=1000N,Cm=4Cb求 :螺 栓 上的 总 载 荷 F2以 及 残 余 预 紧 力 F1 F 2FF1F0b mF 解 :(1)减 小 Cb增 大 Cm可 以 使 总 载 荷 F2下 降(2) Fcc cFFFFF mb m 110 )( 100010004800002 bb bmb b cccFcc cFFFF 0100054800 544 4 0001 FFFcc cFFcc cFF bb bmb m F2FF1F0b mF 想 一 想 会 出 现什 么 情 况 ?间 隙 某 气 缸 缸 体 与 缸 盖 间 用 10个 M20（ d1=17. 294mm） 的普 通 螺 栓 联 接 。 缸 体 内 径 D 250mm， 缸 内 工 作 压 力 p为0 1MPa之 间 变 化 ， 螺 栓 的 屈 服 极 限 S=340 MPa,安 全 系数 取 S=2。1） 若 结 合 面 上 的 残 余 预 紧 力 F1为 工 作 载 荷 的 1.5倍 ， 试 校核 该 螺 栓 的 静 强 度 。2） 仍 按 上 述 条 件 ， 计 算 汽 缸 工 作 时 螺 栓 危 险 剖 面 上 的 最大 拉 应 力 ， 最 小 拉 应 力 ， 平 均 应 力 和 应 力 幅 .（ 已 知 螺 栓 的相 对 刚 度 0.5 ） 0.5 bb mCC C NPZDF 7.49084 2 NFF 75.122715.11 MPaSs 1702340 0.5bb mCC C NPZDF 7.49084 2 FF 5.11 MPaSs 1702340 校 核 该 螺 栓 的 静 强 度螺 栓 总 拉 力 : NFFFFF 75.122715.1 12 应 力 (计 入 切 应 力 ): MpaDFca 9.6743.1 22 安 全 NFFFFF 75.122715.112 NFFF Fcc cFFFF mb b 4.981725.05.2 220 0.5bb mCC C NPZDF 7.49084 2 FF 5.11 螺 栓 应 力 在 F2与 F0之间 波 动MPadF 24.52 4212max MPadF 79.414210min MPadF 24.524212max MPadF 79.414210min MPam 472 minmax MPa a 3.52 minmax 一 降 低 应 力 幅 21mb ba dF2cc c 1 降 低 cb 降 低降 低 降 低降 低降 低 amax bb Qc 2 增 大 cm 降 低降 低 降 低增 大增 大 amax mm Qc 方 法 ： 增 加 螺 栓 长 度 腰 状 杆 螺 栓 或 空 心 螺 栓 螺 母 下 装 弹 性 元 件方 法 ： 采 用 刚 度 较 大 的 金 属 垫 片 或 密 封 环3 同 时 降 低 cb， 增 大 cm和 Qp 1 降 低 cb(减 小 ) F0 bb 02 FFF F1FF2 F2 b螺 栓 总 拉 力 的 变 动 范 围 (应 力 幅 )下 降 F0 F F2F 0 F F2mm 2 增 大 cm( )m 也可使应力幅下降 3 同 时 降 低 cb， 增 大 cm和 F0 b mF0 0F 二 改 善 螺 纹 牙 上 载 荷 分 布 不 均 现 象1 改 善 螺 母 结 构 ： 悬 置 螺 母 、 环 槽 螺 母 、 内 斜 螺 母2 采 用 钢 丝 螺 套 3 合 理 选 配 材 料 二 改 善 螺 纹 牙 上载 荷 分 布 不 均 现 象 三 减 小 应 力 集 中 的 影 响四 采 用 合 理 的 制 造 工 艺 方 法1采 用 冷 镦 螺 栓 头 部 和 滚 压 螺 纹 的 方 法 。2采 用 强 化 处 理 的 方 法 （ 氮 化 、 氰 化 、 喷 丸 ）1采 用 大 圆 角 和 卸 载 结 构 。2在 设 计 、 制 造 及 装 配 上 避 免 产 生 附 加弯 曲 应 力 圆 角 和 卸 栽 结 构 铰 制 孔 用 螺 栓 联 接 的 强 度 计 算A失 效 形 式 ： 1螺 栓 杆 剪 断 2螺 栓 杆 与 被 联 接 件 孔 壁 的 压 溃 0dminL sF sF 1剪 切 强 度 条 件 螺 杆 的 tt 20d4 F2挤 压 强 度 条 件 联 接 的 pmin0p Ld F B强 度 条 件 用 挤 压 应 力螺 栓 杆 或 孔 壁 材 料 的 许一 般 最 小 高 度螺 栓 杆 或 孔 壁 挤 压 面 的螺 栓 杆 的 许 用 剪 应 力光 杆 直 径 p 0minmin 0100 d25.1LL dddddt式 中 ：如 何 正 确 理 解 联 接 的 挤 压 强 度 公 式 ？问 注 意 ： 取 Lmin及 p小 者 代 入 计 算投 影 面 积 A=d 0*Lmin 性 能 等 级 及 许 用 应 力 联 接 件 材 料常 用 Q235 10 35 45冲 击 振 动 时 15Cr 40Cr 30CrMnTi 性 能 等 级 螺 栓 minminmin10 100 BsB 点 后 数 字点 前 数 字例 如 ： 4.6抗 拉 强 度 极 限 400MPa,屈 服 极 限 与 抗 拉 强 度 极 限 之 比为 0.6,可 知 屈 服 极 限 为 : MPa2404006.0 p Bsp s s ss s t t 或 许 用 应 力 有 、 t 、 p三 种 一 般 而 言 螺 栓 与 螺 母 的 性 能 要 相 配 一 螺 栓 组 联 接 的 结 构 设 计1 宜 对 称2 受 力 合 理3 有 合 理 的 间 距 、 边 距4 尽 量 取 偶 数 ， 且 规 格 相 同 5 避 免 偏 心 足 够 的 扳 手 空 间 避 免 偏 心 球 面 垫 圈 斜 面 处 理 二 螺 栓 组 联 接 的 受 力 分 析目 的 ： 找 到 受 力 最 大 的 螺 栓 及 其 所 受 的 力假 设 ： 各 螺 栓 规 格 相 同 各 螺 栓 预 紧 力 相 同 螺 栓 组 中 心 与 接 合 面 形 心 重 合 各 螺 栓 在 弹 性 限 度 内 工 作 1 受 横 向 载 荷 时 ： 分 两 种 情 况A采 用 普 通 螺 栓 联 接 时 （ 结 合 面 不 滑 移 ）F FF Fa) ziFKF FKziF s s 由 不 滑 移 条 件 得 通 过 由 预 紧 力 所 产 生 的 结 合 面 上 的 摩 擦 力来 平 衡 横 向 外 载 荷 F，接 合 面 数螺 栓 数 目防 滑 系 数磨 擦 力 izKKF ss 3.11.1式 中 设 每 个 螺 栓 预紧 力 都 是 F0 fziFKfFF ziFKfF ss 0 0 B采 用 铰 制 孔 用 螺 栓 联 接 （ 结 合 面 不 滑 移 ） b) 通 过 剪 切 力 F来 平 衡 外 载 荷 F， 因 此 每 个 螺栓 中 受 力 相 等 ， 皆 为 F。 6 zzFF问 题 ： 受 横 向 载 荷 时 螺 栓 联 接 的 强 度 如 何 进 行 计 算 ？1 采 用 普 通 螺 栓 联 接 时 按 仅 受 预 紧 力 时 的 紧 螺 栓联 接 的 强 度 计 算 方 法 计 算 。2 采 用 铰 制 孔 用 螺 栓 联 接 时 按 铰 制 孔 用 螺 栓 联 接 的强 度 计 算 方 法 计 算 。 2 受 旋 转 力 矩 时 ： 分 两 种 情 况A采 用 普 通 螺 栓 联 接 （ 不 发 生 转 动 ）OT 1r 2r 0fF 0fF 对 称 中 心 的 距 离个 螺 栓 中 心 到 螺 栓 组第式 中单 个 螺 栓 摩 擦 力 应 为 ：由 不 转 动 条 件 ir rTKfFF TKrfFrfFrfF i zi is sz 10 02010 通 过 由 预 紧 力 F0所 产 生 的 结 合 面 上 的 摩 擦 力 矩 来平 衡 外 载 荷 T， 因 此 每 个 螺 栓 中 受 力 相 等 ， 皆 为 F0 ri越 大 ， 所 需 F0就 越 小 ， 所 以 应 远 距 离 分 布 。讨 论问 题 ： 受 旋 转 力 矩 时 普 通 螺 栓 联 接 的 强 度 如 何 进 行 计 算 ？ 采 用 普 通 螺 栓 联 接 时 按 仅 受 预 紧 力 时的 紧 螺 栓 联 接 的 强 度 计 算 方 法 计 算 B采 用 铰 制 孔 用 螺 栓 联 接 （ 不 发 生 转 动 ）OT ir maxr iF maxF TrFrFrF zz2211 由 力 矩 平 衡 通 过 剪 切 力 F所 产 生 的 力 矩 来 平 衡 外 载 荷T， 由 于 此 时 由 于 螺 栓 的 位 置 不 同 ， 因 此 每个 螺 栓 的 受 力 不 相 等 ， 关 键 是 找 受 力 最 大 的螺 栓 所 受 到 的 力 Fmax变 形 协 调 条 件 ：每 个 螺 栓 受 到 的 剪 切 力 与 其 到 中 心 点 的 距离 成 正 比 。 z 1i 2imaxmax rTrF得 到 maxmaxii2211 rFrFrFrF 由 力 与 变 形 关 系由 变 形 协 调 条 件 可 知 ： 所 以 远 距 离 分 布就 越 小则越 大讨 论 ,F,r: maxz1i 2i 问 题 ： 受 旋 转 力 矩 时 铰 制 孔 用 螺 栓 联 接 的 强 度 如 何 进 行 计算 ？ 采 用 铰 制 孔 用 螺 栓 联 接 时 首 先 找 受 力 最大 的 螺 栓 所 受 到 的 力 Fmax， 然 后 按 铰 制 孔 用螺 栓 联 接 的 强 度 计 算 方 法 计 算 FGF” FT r 单 个 螺 栓 所 受 最 大 横 向 力ziFKF s zi is rTKF 1 fFF G0螺 栓 很 多 ,应 取按 照 余 弦 定 理合 成 所 得 最 大的 摩 擦 力 即 max FFFG 普 通 螺 栓 组 同 时 受外 力 和 外 力 矩 作 用时 预 紧 力 的 计 算设 计 式校 核 式强 度 条 件 3.14 43.1 01 210 Fd dFca 转 距 产 生 的 切 向 力 F” FT r 单 个 螺 栓 所 受 最 大 横 向 力 zi irTrF 1 2maxmax ZFF tt 204 dF G pGp Ld F min0 铰 制 孔 用 螺栓 连 接FG 3 受 轴 向 载 荷 时 普 通 螺 栓 联 接zFF z根 据 假 设 可 知 ， 每 个 螺 栓 所 承 担 的 工 作 拉 力皆 相 等 为 F， 即 ：问 题 ： 受 轴 向 载 荷 时 普 通 螺 栓 联 接 的 强 度 如 何进 行 计 算 ？ 求 出 工 作 拉 力 F后 按 受 预 紧 力 和 工 作拉 力 的 紧 螺 栓 联 接 的 强 度 计 算 方 法 计 算 。 4 受 倾 覆 力 矩 时 普 通 螺 栓 联 接 )( 81 FF )( 72 FF )( 63 FF )( 54 FF)( 63 LL)( 81 LL )( 72 LL )( 54 LL O1 2 3 45678 )( 54 LL)( 81 LL )( 72 LL )( 63 LL )( 81 FF )( 72 FF )( 63 FF )( 54 FF)( 63 LL)( 81 LL )( 72 LL )( 54 LL O1 2 3 45678 )( 54 LL)( 81 LL )( 72 LL )( 63 LL maxmaxii2211 LFLFLFLF 由 力 与 变 形 关 系 MLFLFLF zz2211 由 力 矩 平 衡 M MLFLFLF zz2211 由 力 矩 平 衡 通 过 左 右 两 侧 螺 栓 与 地 基 间 所 产 生 的 力 F形 成 的 力偶 来 平 衡 外 载 荷 M， 由 于 此 时 由 于 螺 栓 的 位 置 不 同 ，因 此 每 个 螺 栓 的 受 力 不 相 等 ， 关 键 是 找 受 力 最 大 的螺 栓 所 受 到 的 力 Fmax变 形 协 调 条 件 ： 每 个 螺 栓 受 到 的 工 作 拉 力与 其 到 中 心 点 的 距 离 成 正 比 。A 轴 向 工 作 载 荷 F z1i 2imaxmax LMLF得 到式 中 Li各 螺 栓 轴 线 到 螺 栓 组 对 称 中 心 的 垂 直 距 离 （ Li与 ri 含 义 不 同 ） maxmaxii2211 LFLFLFLF 由 力 与 变 形 关 系由 变 形 协 调 条 件 可 知 ： 所 以 远 距 离 分 布就 越 小则越 大讨 论 ,: max1 2 FLzi i 单 个 螺 栓 工 作 拉 力 Fcc cFFFF mb b 002 设 计 式校 核 式强 度 条 件 3.14 43.1 21 212 Fd dFca B.倾 覆 力 矩 时 普 通 螺 栓 联 接 的 强 度 如 何 进 行 计 算 ？ 首 先 找 受力 最 大 的 螺 栓所 受 到 的 力Fmax然 后 按 受预 紧 力 和 工 作拉 力 的 紧 螺 栓联 接 的 强 度 计算 方 法 计 算 。 ZFFF 轴 向 max C承 受 倾 覆 力 矩 条 件 下 接 合 面 可 靠 工 作 条 件先 算 出 倾 覆 力 矩 和 轴 向 工 作 拉 力 产 生 的 合 力 F 轴 向受 倾 覆 力 矩 作 用 的 零 件 与 底 板 不 滑 移 的 条 件 是 残 余 预紧 力 所 产 生 的 摩 擦 力 大 于 滑 移 方 向 总 外 力 滑 移 方 向 外 力轴 向 FKFCC CZFf sbm m )( 0 不滑移用 防 滑 移 条 件算 预 紧 力 FO 受 倾 覆 力 矩 作 用 的 零 件 与 底 板 不 滑 移 的 条 件 是 残 余 预紧 力 所 产 生 的 摩 擦 力 大 于 滑 移 方 向 总 外 力 滑 移 方 向 外 力轴 向 FKFCC CZFf sbm m )( 0 不滑移)(1 0max Pbm mP WMFCC CZFA WMFCC CZFA bm mP 轴 向 无间歇F1残 余 应 力 单 个 螺 栓 受 轴 向 拉 力 ：ZFFa 轴 向 41 2maxmax i iLMLF maxFFF a 弯 矩 产 生 最 大 轴 向 力工 作 载 荷 Fcc cFF mb b 02 21 3.14 Fd Ss 在 实 际 使 用 中 ， 螺 栓 组 所 受 的 载 荷 是 以 上 四 种 简单 受 力 状 态 的 不 同 组 合 ， 但 不 论 如 何 复 杂 ， 都 可 以 将其 简 化 成 上 述 简 单 受 力 状 态 ， 从 而 分 别 计 算 每 个 螺 栓的 工 作 载 荷 ， 然 后 将 其 进 行 向 量 迭 加 得 到 每 个 螺 栓 的总 的 工 作 载 荷 。 对 普 通 螺 栓 可 按 轴 向 载 荷 以 及 倾 覆 力 矩 来 确 定 螺栓 的 工 作 拉 力 ， 按 横 向 载 荷 以 及 转 矩 来 确 定 联 接 所 需的 预 紧 力 ， 最 后 求 出 螺 栓 的 总 拉 力 Q。 对 铰 制 孔 用 螺 栓 按 横 向 载 荷 以 及 转 矩 来 确 定 螺 栓的 工 作 剪 力 ， 。说 明 ： 教 材 例 题 图 示 为 一 固 定 在 立 柱 上 的 铸 铁 拖 架 ,总载 荷 F=4800N ,作 用 线 与 垂 直 方 向 夹 角 呈 50O,设 计此 螺 栓 组 连 接 .340 150 220 150 50O F 160 NFF OO 367750sin480050sin 轴 向 NFF OO 308550cos480050cos 滑 移 轴 向F滑 移F M cmNFFM .1051071516 滑 移轴 向 340 150 220 105107Ncm 3677N3085N M 233 33max 2107)2234(34615 )(121 cmhHbyWz b H h 2 max Hy 查 表 得 摩 擦 系 数 为16.0f 滑 移 方 向 外 力轴 向 FKFCC CZFf sbm m )( 0 2.0 bm bCC C 8.0 bm mCC C则按 不 滑 移 条件 确 定 预 紧力 2.1sK取 取 NF 6520 0 得 )(1 0max Pbm mP WMFCC CZFA WMFCC CZFA bm mP 轴 向 72.44N/cm2=0.72MPa0184.6N/cm2=1.84MPa MpaBP 1252505.05.0 不 压 溃无 间 隙 单 个 螺 栓 直 径 的 确 定单 个 螺 栓 受 轴 向 拉 力 ： NZFFa 91943677 轴 向 NLMLF i i 1877144 14105107 241 2maxmax NF 27969191877 弯 矩 产 生 最 大 轴 向 力工 作 载 荷 NFcc cFF mb b 707927962.0652002 单 个 螺 栓 直 径 mmFd 6.83.14 2 1 MPaSs 1605.1240 这 里 选 材 料 Q235， 性能 等 级 4.6， 查 表 得 ：5.1240Ss 注 意 :工 作 拉 力 是 即 考 虑 外 部 轴 向 拉 力 也 考 虑 倾 覆 力 矩 所 产生 的 单 个 螺 栓 承 受 的 最 大 工 作 拉 力 ,用 以 设 计 计 算 螺 栓 强 度的 .而 计 算 是 否 滑 移 仅 取 决 于 轴 向 工 作 拉 力 所 造 成 的 残 余 预紧 力 . F F6个 普 通 螺 栓 连 接 ,承 受 F=1000N的 载 荷 ,取 接 合 面 摩 擦 系数 f=0.15,防 滑 系 数 K S=1.2,通 过 计 算 判 断 哪 个 方 案 合 理 ?500 1000 1000F FT T NmmT 51055001000 200 200100 NiZFKF S 2006110002.1 Nri TKF i iS 100010061 1052.1 56 1max 右 侧 最 大 为 两 者 相 加Fmax=1200N NF 200 Nri TKF i iS 1096)5028.1114(1 1052.1 56 1max 按 照 余 弦 定 理 合成 矢 量 得 : NF 43.1278max 可 见 用 圆 形 分 布 可 以 预 紧 力 小 些用 绞 制 孔 螺 栓 呢 ? NZFF 7.1666/1000 NrTrF i i 3.8331006 100105 256 1 2maxmax F 两 者 相 加 得 螺 栓 受 到的 最 大 横 向 力 1000N。 按 照 余 弦 定 理 合成 矢 量 得 :可 见 用 圆 形 分 布 可 以 预 紧 力 小 些NrTrF i i 42.1016502)50100(4 50100105 2222 2256 1 2maxmax NZFF 7.1666/1000 NF 1168max 153.43O fFF max0 43.1 21 0dFca产 生 要 求 的 摩 擦 力所 需 要 的 预 紧 力 为 :设 计 螺 栓 :普 通 螺 栓 :铰 制 孔 螺 栓 : tt 2 0max4 dF pp LdF min0 max 0min 25.1 dL 单 个 螺 栓 所 受 的 最大 横 向 外 力 (即 应 有的 摩 擦 力 )单 个 螺 栓 所受 的 最 大 横向 外 力 仅 受 预 紧 力 作用 的 螺 栓 强 度计 算 设 计 一 钢 制 汽 缸 盖 螺 栓 组 连 接 ,已 知 汽 缸 内 的 工 作压 强 为 P=01 Mpa,35号 钢 ,螺 栓 性 能 级 别 5.6,螺栓 相 对 刚 度 0.8,残 余 预 紧 力 F1=1.5F, 15.0y 应 力 集 中 系 数 为 K =3 试确 定 :(1)螺 栓 直 径 d和 个 数 z(2)验 算 密 封 要 求(3)用 图 解 法 核 算 螺 栓 是 否 安 全 21 3.14 Fd 初 选 14个 螺 栓 350 参 考 表 12M16M20M 121620 10.863 10.10614.701 13.83518.376 17.294d d2 d1 螺 栓 性 能 级 别 5.6 Mpas 300 5.1s Mpas 2005.1/300 250工 作 拉 力 F NdpF 49087425014.314 22 单 个 螺 栓 所 受 最 大 拉 力 为 :F=49087/14=3506NNF FF FFF87655.2 5.1 12 单 个 螺 栓 总 拉 力 ： mmFd 517.83.14 21 350 螺 栓 外 径 d则 中 径 0.9d小 径 0.8dmmd 517.81 16.108.0/1 dd取 M12螺 栓工 作 压 强 小 于 1.6Mpa, 要 保 证 气 密 性 就 必 须 螺 栓 间 距 小于 7d即 mmt 841270 250 350845.781435014.3 l实 际 间 距 小 于 规 定 间 距 可 保证 气 密 性M12螺 栓 : 12d863.109.02 dd 106.101 d NFF 8.280435068.08.0 48.1742 21 dFa 78.91214212 FdFm 3.74min am 2201 48.17a 78.91m 3.74min am 2201 Mpas 2005.1/300 15.0y 3K解 出 0 作 图 螺 栓 组 计 算 小 结轴 向 力 ZFF 横 向 力 fiZFKF s 0普 通 螺 栓旋 转 力 矩 ni is rfi TKF 10 ni iLMLF 1 2maxmax倾 覆 力 矩 受 力 性 质 铰 制 孔 用 螺 栓ZFF ni irTrF 1 2maxmax NmmPM 186000015012400150 NLMLF zi i 5.5812)2160(4 21601860000 21 2maxmax 滑 移 方 向 外 力轴 向 力 FKFCC CZFf s bm m )( 0 0 NfzPKF s 1860042.0 124002.10 用 防 滑 移 条 件算 预 紧 力 左 侧 螺 栓 受 最 大 拉 力 ,总 拉力 为 倾 覆 力 矩 产 生 的 最 大拉 力 加 上 预 紧 力 : NFCC CFF mb b 75.203435.58123.018600 max02 用 总 拉 力 设 计 螺 栓 小 径sd F s 4/3.1 21 2 mmFd 67.13 3.14 21 受 拉 螺 栓 连 接 计 算 小 结松 螺 栓 连 接 只 受 预 紧 力 的 紧 螺 栓 受 预 紧 力 和 工 作 拉 力 的 紧 螺 栓4/21dF 4/3.1 21 0d F 4/3.1 21 2d F 4/21 0min dF 4/ 21 2max dF 421 221 21 minmaxdFCC C F mb ba 铰 制 孔 用 螺 栓 承 受 横 向 力4/21dFt min0Ld F