機械設計基礎第七章螺紋連接

機械設計基礎第七章螺紋連接第1頁，共71頁，2022年，5月20日，21點34分，星期四9/20/20221機械設計基礎

第七章螺紋連接主要內容：1.螺紋連接的基本知識2.螺紋連接的預緊和防松3.單個螺栓連接的強度計算（重點）4.螺栓組連接的設計計算與實例分析（難點）5.提高螺栓連接強度的措施第2頁，共71頁，2022年，5月20日，21點34分，星期四9/20/20222機械設計基礎第3頁，共71頁，2022年，5月20日，21點34分，星期四9/20/20223機械設計基礎7.1螺紋聯(lián)接的基本知識一、螺紋的主要參數(shù)二、螺紋聯(lián)接件主要類型機械設計基礎——聯(lián)接第4頁，共71頁，2022年，5月20日，21點34分，星期四9/20/20224機械設計基礎二、螺紋聯(lián)接件主要類型標準螺紋聯(lián)接件1.螺栓普通螺栓鉸制孔螺栓2.雙頭螺栓3.螺釘聯(lián)接螺釘緊定螺釘、自攻螺釘螺紋聯(lián)接件通過組合形成螺紋聯(lián)接機械設計基礎——聯(lián)接第5頁，共71頁，2022年，5月20日，21點34分，星期四9/20/20225機械設計基礎1.螺栓聯(lián)接螺紋連接第6頁，共71頁，2022年，5月20日，21點34分，星期四9/20/20226機械設計基礎2.雙頭螺柱聯(lián)接工作原理：螺栓受拉力，承受外載應用：被聯(lián)接件較厚，且常拆卸處螺紋連接第7頁，共71頁，2022年，5月20日，21點34分，星期四9/20/20227機械設計基礎3.螺釘聯(lián)接工作原理：螺栓受拉承受外載應用：一被聯(lián)件較厚，但不常拆卸處螺紋連接第8頁，共71頁，2022年，5月20日，21點34分，星期四9/20/20228機械設計基礎4.緊定螺釘聯(lián)接工作原理：靠擰入零件螺紋孔中的螺釘末端頂住另一個零件的表面，或者頂入相應的凹坑中，將零件固定。應用：薄壁件聯(lián)接螺紋連接第9頁，共71頁，2022年，5月20日，21點34分，星期四9/20/20229機械設計基礎螺紋聯(lián)接件實物第10頁，共71頁，2022年，5月20日，21點34分，星期四9/20/202210機械設計基礎7.2螺紋連接的預緊和防松第11頁，共71頁，2022年，5月20日，21點34分，星期四9/20/202211機械設計基礎1、預緊的作用：預緊可使連接在承受工作載荷之前就受到預緊力F0的作用，以防止連接受載后被連接件之間出現(xiàn)間隙或橫向滑移。預緊也可以防松。2、控制預緊力的目的：在于增加連接的可靠性、緊密性和防松能力。預緊力過大，會使連接超載。預緊力不足，可能導致連接失效。重要的螺栓應控制預緊力。一、螺紋連接的預緊第12頁，共71頁，2022年，5月20日，21點34分，星期四9/20/202212機械設計基礎擰緊螺母時的力矩和預緊力3、擰緊力矩和預緊力的計算第13頁，共71頁，2022年，5月20日，21點34分，星期四9/20/202213機械設計基礎螺紋副摩擦力矩螺母與被連件摩擦力矩擰緊力矩第14頁，共71頁，2022年，5月20日，21點34分，星期四9/20/202214機械設計基礎

當鋼制螺紋M10~M68時，由螺紋幾何關系和摩擦系數(shù)可得：

F0大小可以根據(jù)螺栓的受力情況和連接的工作要求決定，一般規(guī)定，擰緊后不超過螺紋連接件材料屈服強度的80％。第15頁，共71頁，2022年，5月20日，21點34分，星期四9/20/202215機械設計基礎定力矩扳手測力矩扳手機械設計基礎——聯(lián)接4、裝配時控制預緊力的方法第16頁，共71頁，2022年，5月20日，21點34分，星期四9/20/202216機械設計基礎定力矩扳手第17頁，共71頁，2022年，5月20日，21點34分，星期四9/20/202217機械設計基礎二、螺紋連接的防松（一）、摩擦防松1、雙螺母在螺母和螺栓之間形成內力，保證摩擦力。結構簡單、使用方便?？煽啃圆桓?。用于平穩(wěn)、低速、重載。第18頁，共71頁，2022年，5月20日，21點34分，星期四9/20/202218機械設計基礎2、彈簧墊圈其反彈力使螺紋間保持一定壓力，切口處的尖端也能阻止螺母轉動脫落。不十分可靠，用于不太重要的連接。第19頁，共71頁，2022年，5月20日，21點34分，星期四9/20/202219機械設計基礎3、鎖緊螺母鑲嵌彈性環(huán)或尼龍圈擠入螺紋中橢圓口螺母。第20頁，共71頁，2022年，5月20日，21點34分，星期四9/20/202220機械設計基礎（二）、機械防松1、開口銷第21頁，共71頁，2022年，5月20日，21點34分，星期四9/20/202221機械設計基礎2、止動墊圈第22頁，共71頁，2022年，5月20日，21點34分，星期四9/20/202222機械設計基礎止動墊圈第23頁，共71頁，2022年，5月20日，21點34分，星期四9/20/202223機械設計基礎3、串聯(lián)鋼絲第24頁，共71頁，2022年，5月20日，21點34分，星期四9/20/202224機械設計基礎（三）、永久防松焊接沖點涂膠第25頁，共71頁，2022年，5月20日，21點34分，星期四9/20/202225機械設計基礎問題：為什么要防松？防松的原理？防松零件的裝配方法？機械設計基礎——聯(lián)接第26頁，共71頁，2022年，5月20日，21點34分，星期四9/20/202226機械設計基礎7.3、螺栓聯(lián)接的計算松螺栓聯(lián)接：無預緊力，只有工作拉力緊螺栓聯(lián)接：有預緊力，還有工作拉力1失效形式2設計步驟3松螺栓聯(lián)接強度設計4緊螺栓聯(lián)接強度設計僅受預緊力的緊螺栓聯(lián)接受橫向載荷的緊螺栓聯(lián)接受軸向載荷的緊螺栓聯(lián)接受偏心載荷的緊螺栓聯(lián)接機械設計基礎——聯(lián)接螺栓組聯(lián)接第27頁，共71頁，2022年，5月20日，21點34分，星期四9/20/202227機械設計基礎1失效形式失效形式：

1.螺栓桿拉斷（普通螺栓）

2.螺紋壓潰和剪斷（受剪螺栓）

3.經常裝拆因磨損而發(fā)生滑扣普通螺栓主要為螺紋部分發(fā)生斷裂受剪螺栓(鉸制孔螺栓)主要為壓潰和剪切機械設計基礎——聯(lián)接第28頁，共71頁，2022年，5月20日，21點34分，星期四9/20/202228機械設計基礎2設計步驟一般設計步驟：螺栓組受力和失效分析→找出受力最大的螺栓→單個螺栓受力分析和失效分析→單個螺栓強度計算→確定螺栓的尺寸（直徑、長度）試算法：先選定一個螺栓直徑d——查[]——計算d1。若d1與d1（假定的小徑）相近，則合用；否則再選機械設計基礎——聯(lián)接第29頁，共71頁，2022年，5月20日，21點34分，星期四9/20/202229機械設計基礎3松螺栓聯(lián)接強度設計受載荷形式——軸向拉伸(工作拉力F)失效形式——螺栓拉斷(靜、疲勞)設計準則——保證螺栓拉伸強度強度條件：

s≤[s]設計計算方法：校核式:設計式:機械設計基礎——聯(lián)接F第30頁，共71頁，2022年，5月20日，21點34分，星期四9/20/202230機械設計基礎4緊螺栓聯(lián)接強度設計(1)僅受預緊力的緊螺栓聯(lián)接受載荷形式—擰緊后:軸向拉伸(工作拉力F0)

擰緊過程中:軸向拉伸F0、扭力T失效形式—螺栓拉斷(拉、扭綜合作用)設計準則—保證螺栓拉伸強度強度條件：

s≤[s]設計計算方法：校核式:機械設計基礎——聯(lián)接TF0F0擰緊力矩T→剪應力τ預緊拉力Fo→拉應力σ設計式:第31頁，共71頁，2022年，5月20日，21點34分，星期四9/20/202231機械設計基礎(2).橫向載荷的螺栓聯(lián)接計算——主要防止被聯(lián)接件錯動

特點：桿孔間有間隙，靠擰緊的正壓力(F0)產生摩擦力來傳遞外載荷，保證聯(lián)接可靠(不產生相對滑移)的條件為：F0f≥FR即

F0fm=kfFR1）普通螺栓聯(lián)接：FR——橫向外載荷m——接縫界面數(shù)目、f為摩擦系數(shù)Kf——防滑系數(shù)（可靠性系數(shù)）Kf=1.1~1.3第32頁，共71頁，2022年，5月20日，21點34分，星期四9/20/202232機械設計基礎分析：由上式可知，當FR=0.15,m=1,Kf=1.1則F0=7FR，說明這種聯(lián)接螺栓直徑大，且在沖擊振動變載下工作極不可靠，因此應設法避免。為增加可靠性，減小直徑，簡化結構，提高承載能力可采用如下減載裝置：a)減載銷b)減載套筒c)減載鍵求出F0以后按右式進行強度計算第33頁，共71頁，2022年，5月20日，21點34分，星期四9/20/202233機械設計基礎受橫向載荷的鉸制孔螺栓聯(lián)接受載荷形式—擰緊過程中:軸向拉伸Fs、扭力T(預緊力小，計算時可忽略)工作時：橫向載荷F失效形式—側面壓潰及螺栓剪切設計準則—保證擠壓、剪切強度強度條件：sp≤[sp]、t≤[t]設計計算方法：擠壓強度：剪切強度：機械設計基礎——聯(lián)接第34頁，共71頁，2022年，5月20日，21點34分，星期四9/20/202234機械設計基礎討論：普通螺栓受橫向載荷F時，為保證結合面不發(fā)生滑移，靠結合面的摩擦力抵抗F預緊力Fs的大小，根據(jù)接合面不發(fā)生滑移的條件確定f=0.2時，F(xiàn)S=6F結論：橫向載荷過大的情況下，不適宜用普通螺栓宜采用鉸制孔螺栓必須采用普通螺栓時，應配合減載銷、鍵或減載套筒使用減載裝置強度計算同鉸制孔螺栓計算機械設計基礎——聯(lián)接FSFsFFT第35頁，共71頁，2022年，5月20日，21點34分，星期四9/20/202235機械設計基礎(3)、承受軸向靜載荷的緊螺栓聯(lián)接強度計算第36頁，共71頁，2022年，5月20日，21點34分，星期四9/20/202236機械設計基礎①工作特點：工作前擰緊，有F0；工作后加上工作載荷F工作前、工作中載荷變化②工作原理：靠螺桿抗拉強度傳遞外載F③解決問題：a)保證安全可靠的工作，F(xiàn)0=？b)工作時螺栓總載荷，F(xiàn)=？④分析：

圖1，螺母未擰緊螺栓螺母松馳狀態(tài)，螺栓與被連接件均不受力。

第37頁，共71頁，2022年，5月20日，21點34分，星期四9/20/202237機械設計基礎圖２，擰緊—預緊狀態(tài)凸緣—壓—λm—F0栓桿—拉—λb

→F0

圖7.15b所示為螺栓被擰緊后，螺栓受預緊力F0，被聯(lián)接件受預緊壓力F0的作用而產生壓縮變形δl的情況。第38頁，共71頁，2022年，5月20日，21點34分，星期四9/20/202238機械設計基礎圖3，加載F后→工作狀態(tài)圖7.15c所示為螺栓受到軸向外載荷(因氣缸內壓力而引起的)F作用時的情況，螺栓被拉伸，變形增量為δ2，根據(jù)變形協(xié)調條件，δ2即等于被聯(lián)接件壓縮變形的減少量。此時被聯(lián)接件受到的壓縮力將減小為F/0，稱為殘余預緊力。顯然，為了保證按聯(lián)接件間密封可靠。應使：F∑＝F＋F′0此時螺栓所受的軸向總拉力F∑應為其所受的工作載荷F與殘余預緊力F′0之和。第39頁，共71頁，2022年，5月20日，21點34分，星期四9/20/202239機械設計基礎第40頁，共71頁，2022年，5月20日，21點34分，星期四9/20/202240機械設計基礎第41頁，共71頁，2022年，5月20日，21點34分，星期四9/20/202241機械設計基礎第42頁，共71頁，2022年，5月20日，21點34分，星期四9/20/202242機械設計基礎五、螺栓材料和許用應力材料：一般用途：低碳鋼或中碳鋼(35~45及Q235~Q275)重要聯(lián)接：合金鋼（40Cr、30CrMnTi

）國標(GB/T3098.1_2000)規(guī)定螺栓按材料的力學性能分出十個等級：3.6,4.6,4.8,5.6,5.8,6.8,8.8,9.8,10.9,12.9規(guī)則：小數(shù)點前數(shù)字表示sB/100,小數(shù)點后數(shù)字表示10sS/sB如：5.8級：表示sB=500MPa，sS=400MPa許用應力：表7-1機械設計基礎——聯(lián)接計算螺栓小徑時采用試算法來選用第43頁，共71頁，2022年，5月20日，21點34分，星期四9/20/202243機械設計基礎螺栓組連接的結構設計螺栓組連接的受力分析與計算§7.4螺栓組連接的設計

第44頁，共71頁，2022年，5月20日，21點34分，星期四9/20/202244機械設計基礎1、連接結合面的幾何形狀常設計成軸對稱的簡單幾何形狀第45頁，共71頁，2022年，5月20日，21點34分，星期四9/20/202245機械設計基礎2、螺栓的布置應使各螺栓的受力合理第46頁，共71頁，2022年，5月20日，21點34分，星期四9/20/202246機械設計基礎3、螺栓的排列應有合理的間距、邊距第47頁，共71頁，2022年，5月20日，21點34分，星期四9/20/202247機械設計基礎扳手空間第48頁，共71頁，2022年，5月20日，21點34分，星期四9/20/202248機械設計基礎4、分布在同一圓周上的螺栓數(shù)目，應取4,6,8等偶數(shù)，以便鉆孔時在圓周上分度和畫線第49頁，共71頁，2022年，5月20日，21點34分，星期四9/20/202249機械設計基礎5、避免螺栓承受偏心載荷產生偏心載荷的原因第50頁，共71頁，2022年，5月20日，21點34分，星期四9/20/202250機械設計基礎斜墊圈的應用凸面和沉頭座的應用避免偏載的結構第51頁，共71頁，2022年，5月20日，21點34分，星期四9/20/202251機械設計基礎螺栓組聯(lián)接的基本受載類型：2．受橫向載荷FSFS4．受傾覆力矩OM3．受轉矩riOT1．受軸向載荷FFS假設：所有螺栓的剛度和預緊力均相同；被聯(lián)接件為剛體；各零件的變形在彈性范圍內。螺栓組連接的受力分析與設計螺栓組連接的設計第52頁，共71頁，2022年，5月20日，21點34分，星期四9/20/202252機械設計基礎§5-4螺栓組聯(lián)接受力分析一、承受軸向載荷的螺栓組連接

如圖所示為壓力容器的螺栓組連接，所受軸向總載荷FQ通過螺栓組形心，螺栓組各螺栓所受的工作載荷相等。螺栓數(shù)目注：如FQ不通過螺栓組的形心，應向形心平移后再計算。螺栓組連接的設計軸向外載荷受軸向載荷的螺栓組連接

第53頁，共71頁，2022年，5月20日，21點34分，星期四9/20/202253機械設計基礎受橫向載荷1二、承受橫向載荷的螺栓組連接１.普通螺栓連接

螺栓預緊后在被聯(lián)接件的接觸面上產生正壓力，靠由此產生的摩擦力承受。

保證被聯(lián)接件不相對滑動，須滿足：則所需預緊力為式中：K－可靠性系數(shù)－結合面的摩擦因數(shù)m－結合面數(shù)螺栓組連接的設計受橫向載荷的螺栓組連接

第54頁，共71頁，2022年，5月20日，21點34分，星期四9/20/202254機械設計基礎受橫向載荷2２.受鉸制孔螺栓連接各螺栓承受的橫向力相等。分別進行剪切強度和擠壓強度計算。螺栓組連接的設計三、承受轉矩T的螺栓組連接連接受載后有繞螺栓組形心轉動的趨勢，螺栓受力情況與承受橫向工作載荷的螺栓連接類似

承受轉矩的螺栓組連接

第55頁，共71頁，2022年，5月20日，21點34分，星期四9/20/202255機械設計基礎承受轉矩T時1１.普通螺栓連接

靠結合面上的摩擦力承受T。

保證底板在T作用下不轉動，須滿足≥則所需預緊力≥螺栓組連接的設計r1、r2、…rz——各螺栓中心與螺栓組形心間的距離。第56頁，共71頁，2022年，5月20日，21點34分，星期四9/20/202256機械設計基礎承受轉矩T時2２.鉸制孔螺栓連接各螺栓所受的工作剪力與其中心到底板中心的距離成正比。底板的靜力平衡方程為聯(lián)立兩式求解，得最大工作剪力即螺栓組連接的設計第57頁，共71頁，2022年，5月20日，21點34分，星期四9/20/202257機械設計基礎受翻轉力矩M時1四、承受傾翻力矩M的螺栓組連接

在M作用下，底板有繞通過螺栓組形心的軸線O轉動的趨勢。

在前述假設下，各螺栓所受的工作拉力與其中心到翻轉軸線的距離成正比。底板的靜力平衡方程為聯(lián)立兩式求解，得最大工作拉力螺栓組連接的設計第58頁，共71頁，2022年，5月20日，21點34分，星期四9/20/202258機械設計基礎受翻轉力矩M時2為防止結合面受壓最小處出現(xiàn)間隙，要求：為防止結合面受壓最大處被壓潰，要求：式中：A－結合面的面積（mm2）W－結合面的抗彎截面模量（mm3）－許用擠壓應力（Mpa）實際中，螺栓組往往同時承受兩種或兩種以上的載荷。螺栓組連接的設計工作時承受外載荷FP

軸向載荷FV橫向載荷FH

翻轉力矩M第59頁，共71頁，2022年，5月20日，21點34分，星期四9/20/202259機械設計基礎改善螺紋牙間的載荷分配減小螺紋的應力副減小附加彎曲應力§7.5提高螺紋連接強度的措施

第60頁，共71頁，2022年，5月20日，21點34分，星期四9/20/202260機械設計基礎螺紋聯(lián)接組的設計1設計螺栓組連接時，通常是先進行結構設計，即確定結合面的形狀、螺栓布置方式和數(shù)目，然后按螺栓組的結構和承載狀況進行受力分析。為了便于加工制造和對稱布置螺栓，保證連接結合面受力均勻，通常聯(lián)接結合面的幾何形狀都設計成軸對稱的簡單幾何形狀。螺栓布置應使各螺栓的受力合理。

為了便于在圓周上鉆孔時的分度和畫線，通常分布在同一圓周上的螺栓數(shù)目取成4、6、8等偶數(shù)。螺栓的排列應有合理的間距、邊距。各螺栓之間的距離大小既要保證聯(lián)接的可靠性又要考慮裝拆方便，還應留有足夠的扳手空。

改善螺紋牙間的載荷分配提高螺紋連接強度的措施第61頁，共71頁，2022年，5月20日，21點34分，星期四9/20/202261機械設計基礎§5-5提高螺栓強度的措施

工作中，螺栓受拉，螺母受壓，從而產生螺距差，導致旋合的各圈螺紋牙受載不均。提高螺栓連接強度的措施改善螺紋牙間的載荷分配螺栓受拉伸，其螺紋的螺距增大；螺母受壓縮，其螺紋的螺距減小。約有1/3的載荷集中作用在第一圈，第八圈以后的螺紋牙幾乎不承受載荷

第62頁，共71頁，2022年，5月20日，21點34分，星期四9/20/202262機械設計基礎１、懸置螺母螺桿與懸置螺母同時受拉力，使兩者變形協(xié)調，可使旋合螺紋牙的載荷均勻分配。提高螺栓連接強度的措施２、環(huán)槽螺母環(huán)槽螺母和螺栓在支承面處的變形性質相同（均受拉），從而改善了旋合圈螺紋的受載狀況。３、內斜螺母將螺母旋入端制成10～15的內錐，使螺栓受力較大的螺紋圈之受力點外移，螺栓疲勞強度可提高約20%。第63頁，共71頁，2022年，5月20日，21點34分，星期四9/20/202263機械設計基礎減小螺栓的應力幅增加螺栓的長度減小無螺紋部分螺桿的直徑螺桿制成中空結構（柔性螺栓）在螺母下安裝彈性元件措施提高螺栓連接強度的措施減小螺栓剛度或增大被連接件的剛度，都能使應力幅減小

第64頁，共71頁，2022年，5月20日，21點34分，星期四9/20/202264機械設計基礎采用合理的制造工藝。減小附加彎曲應力冷鐓、碾壓、氮化、噴丸等工藝均可提高螺栓的強度。提高螺栓連接強度的措施球面墊圈帶環(huán)腰的螺栓第65頁，共71頁，2022年，5月20日，21點34分，星期四9/20/202265機械設計基礎7-3鍵聯(lián)接一、鍵聯(lián)接的分類及結構二、鍵的強度校核三、花鍵聯(lián)接機械設計基礎——聯(lián)接第66頁，共71頁，2022年，5月20日，21點34分，星期四9/20/202266機械設計基礎1松聯(lián)接（1）平鍵聯(lián)接結構:鍵兩側與鍵槽相配合(靜聯(lián)接為過渡配合,動聯(lián)接為間隙配合),上端面與輪轂鍵槽底面有間隙工作原理:兩側面是