第4講螺紋聯(lián)接yym課件

螺紋聯(lián)接本章介紹如下內(nèi)容

聯(lián)接概述

螺紋基本知識

螺紋聯(lián)接的主要類型

螺栓組設(shè)計與受力分析

螺紋聯(lián)接的預緊與防松

螺栓的強度計算

提高聯(lián)接螺栓強度的措施

例題12§1聯(lián)接概述按工作性質(zhì)分

動聯(lián)接(運動副)，靜聯(lián)接(本課所指)按拆卸性質(zhì)分

可拆(螺紋、鍵、銷聯(lián)接、彈性環(huán)聯(lián)接)；不可拆的(過盈配合聯(lián)接、鉚、焊、粘接）。按傳力性質(zhì)分

形鎖合(擠壓、剪切)；力鎖合(摩擦傳力)；材料鎖合(分子力)。返回§2螺紋基本知識一、螺紋的形成按母體(圓柱、圓錐)，內(nèi)外表面(內(nèi)、外螺紋)，螺旋線旋向(左、右)，螺旋線線數(shù)(單、多線)，牙型(三角、梯形、矩形、

鋸齒形、圓形)

標準螺紋二、螺紋的分類２３４１5左螺紋的產(chǎn)品標志三、螺紋的主要參數(shù)大徑d（名義直徑）2dzPp=2dLtgpλ=小徑d1（強度計算）中徑d2（分析效率）螺距P，導程L牙型角

a導程角λ牙型斜角β三、螺紋的主要參數(shù)螺紋的自鎖條件：λ≤ρv

式中當量摩擦角ρv＝arctan(μ/cosβ)

μ為實際摩擦系數(shù)2dzPp=2dLtgpλ=導程角λ牙型斜角β四、螺紋的特點與應(yīng)用三角形（分粗牙、細牙，細牙多用于振動、薄壁件和不經(jīng)常拆卸處）多用于聯(lián)接；梯形、矩形、鋸齒形多用于傳動。圓形多用于臟污環(huán)境和薄壁件。返回§3螺紋聯(lián)接的主要類型、預緊與防松一、類型和應(yīng)用1.螺栓聯(lián)接有受拉(力鎖和)、受剪(型鎖和)之分，最為常用。2.雙頭螺柱一件很厚且需經(jīng)常拆卸的場合，這種情況下，采用螺栓聯(lián)接要鉆深孔，細長螺栓也相對貴一些。3.螺釘聯(lián)接一件厚且無需經(jīng)常拆卸的地方，外露部分要美觀一些。4.緊定螺釘傳力不大，在光軸上可同時作軸向和周向固定，一般作為軸轂聯(lián)接的輔助聯(lián)接用。返回擰緊聯(lián)接能提高聯(lián)接的剛性、緊密性和防松能力。故絕大多數(shù)螺紋聯(lián)接在承受載荷之前都是要擰緊的。但過度擰緊也不行。二.預緊受力分析

如圖，擰緊螺母時，需要克服螺紋副的螺紋力矩T1和螺母的承壓面力矩T2;螺栓所受的螺紋力矩T1與頭部的承壓面力矩T3和夾持力矩T4相平衡。所以

擰緊時：擰緊力矩T＝T1＋T2T1=T3+T4在的影響下，螺紋副間有圓周力的作用，螺栓受到預緊力，被聯(lián)接件則受到預緊壓力。

1T'FtF'F二.預緊受力分析由機原知：)(2'21vtgFdTry+=2021323'dDdDFT--*=m310于是kFdtg(y+r)+FdTtv'2'2==202133'dDdDF--*m310式中)cos(βmrarctgv=采用標準扳手擰緊時有：即有：T=LF=15dFHHF=75F'H將常用的10~68mm螺紋的參數(shù)帶入上式，整理可得：0.2?tkkFdtg(y+r)+FdTtv'2'2==202133'dDdDF--*m310T?0.2F’d于是有：顯然：若螺栓太小，預緊稍有過載則斷，故不控制預緊力時，最好不要用M12以下的螺栓。對重要的聯(lián)接，應(yīng)控

制預緊力?？刹捎脺y力矩、

定力矩扳手，測量螺栓伸

長，控制螺母轉(zhuǎn)動圈數(shù)等。三.防松目的與方法在靜載荷作用下，聯(lián)接螺栓都能自鎖，不會松脫。但在振動、沖擊和溫度變化頻繁時，會出現(xiàn)F為零→T1為零的情況，在這種情況下，最終會導致螺栓松脫。因此應(yīng)考慮防松措施。防松的本質(zhì)就是防止螺母相對于螺栓轉(zhuǎn)動。具體方法分為三類：①利用附加摩擦力②機械方法鎖住③破壞螺紋副返回§4螺栓組設(shè)計與受力分析一.螺栓組設(shè)計

螺栓一般都是成組使用的，設(shè)計時常根據(jù)被聯(lián)接件的結(jié)構(gòu)和

聯(lián)接的載荷來確定聯(lián)接的傳力方式、螺栓的數(shù)目和布置。為了

減少所用螺栓的規(guī)格和提高聯(lián)接的結(jié)構(gòu)工藝性，通常都采用相同的螺栓（材料、直徑和長度）。目的：使各螺栓受力均勻，以最少螺栓滿足使用要求。

原則：1.布置最好對稱,受力矩作用時，最好遠離

對稱軸線。

2.螺栓數(shù)目應(yīng)便于劃線鉆孔，偶數(shù)為好。3.邊距、間距要合理(注意留出扳手空間)。二.螺栓組受力分析目的：找出受力最大的螺栓，求出其最大作用力，供

強度計算用。假設(shè)：①各螺栓材質(zhì)、幾何尺寸相同（避免誤裝）。的的的②各螺栓預緊力相等且螺栓的應(yīng)變在彈性

范圍內(nèi)。的的的③被聯(lián)接件為剛體（變形與被聯(lián)接件無關(guān)）。注意：以下分析中螺栓的受力，應(yīng)理解為螺栓分擔的

工作載荷，不一定就是螺栓的實際受力，詳見

強度計算一節(jié)。二.螺栓組受力分析zpD422p=zFFQ=則有圖示汽缸蓋螺栓聯(lián)接，工作氣壓的合力通過螺栓組形心，設(shè)螺栓的數(shù)目為，工作氣壓為。zp聯(lián)接受軸向力二.螺栓組受力分析2.聯(lián)接受橫向力采用受剪螺栓時有：zFFRS=聯(lián)接承受橫向力時，采用受拉螺栓有如下缺點：mzFkFsRfm='采用受拉螺栓時有：螺栓只受預緊力F’，靠接合面的摩擦力來傳遞載荷?？柯菟ㄅc被聯(lián)接件的相互剪切和擠壓作用來傳遞載荷。注意：由于板實際是彈性體，兩端螺栓所受剪力比中間螺栓大，所以沿載荷方向布置的螺栓數(shù)目不宜超過6個，以免受力嚴重不均。受剪螺栓3.聯(lián)接受旋轉(zhuǎn)力矩

受拉螺栓TkFfzs=(r

+r

+

+r)'21m...TkFfzs=(r

+r

+

+r)'21m...Fs1=1s2szr=…=FrFr2z12r于是:)(2maxmaxzSrrrTF+++=...22Fs1r1+Fs2r2+···+Fszrz=T螺栓變形協(xié)調(diào)條件4.聯(lián)接受傾覆力矩于是：力平衡條件變形協(xié)調(diào)條件MrFz=+21...rF+rF+z21rFz=21...rFrFz21==)(21maxmaxzrrrMrF+=...++222返回說明§5螺栓的強度計算螺紋聯(lián)接的失效往往由于螺栓的失效而引起。螺栓可能的失效形式有螺栓斷裂、螺紋牙塑性變形或經(jīng)常拆卸導致滑扣等。由于工作載荷的變化幾乎是不可避免的，因此最主要的失效形式還是疲勞斷裂。統(tǒng)計表明，斷裂發(fā)生的部位如圖所示。因螺紋聯(lián)接件已經(jīng)標準化，螺栓各部分的尺寸是根據(jù)等強度原則確定的，因此強度計算的目的是確定或驗算危險截面的尺寸?！?螺栓的強度計算￡[s]

2cpd4F圖示起重滑輪螺栓是受拉松螺栓，起重時才承受拉伸載荷。設(shè)螺紋部分危險截面的直徑為(一般取dc=d1)。cdF一.受拉松螺栓聯(lián)接則強度條件為：式中[σ]—松螺栓聯(lián)接的許用拉應(yīng)力，MPa二.只受預緊力的緊螺栓聯(lián)接如前所述，這種螺栓不僅受拉應(yīng)力作用，還受到螺紋力矩T1產(chǎn)生的剪力作用。其中：[]1.3322sstss￡?+=Tc拉應(yīng)力3231)('816cvcTdtgFddTprypt+==剪應(yīng)力[]'1.342sp￡.cdF于是強度條件為：2cs=４F’/(pd)s2)(2vctgddry+=螺栓通常是塑性材料，采用第四強度理論；再把10～68mm的單頭公制螺紋的參數(shù)及摩擦角的平均值帶入，經(jīng)整理得：圖示汽缸蓋螺栓在汽缸工作之前先要擰緊，因此螺栓受到預緊力F’

的作用，汽缸工作時，螺栓還要受到由汽缸內(nèi)部工作壓力引起的工作載荷F的作用。對于這種螺栓,因螺栓和被聯(lián)接件都是彈性體，一般情況下,螺栓所受總拉力

F0是否等于F

與

F’之和？三.受軸向工作拉力的緊螺栓1聯(lián)解得：變形諧調(diào)條件：于是，強度條件為：[]1.3420sp￡.cdF101"'cF+-=DdF=FF-F1c'?22"'cF-=DdFFcFF10'++=c1c2"0F+=FF靜平衡條件:"FcFF2'+-=c1c2說明1、強度條件式中，為螺栓危險截面的計算直徑，理論上dc=(d1＋d2－H/6)/2。對質(zhì)量良好的標準

件廠生產(chǎn)的螺栓，應(yīng)按此計算；當不清楚螺栓來源或為了簡化計算，可取，這樣做偏于安全。cd1ddc=說明2、受軸向工作拉力的緊螺栓聯(lián)接，不允許被聯(lián)接件間出現(xiàn)間隙。對于這種聯(lián)接，其設(shè)計程序為：

首先根據(jù)經(jīng)驗或推薦取定殘余預緊力從而確定總拉力："0FFF+=[]1.3420sp￡.cdF然后確定螺栓直徑:FcFF2"'++=c1c2最后確定合適的預緊力：顯然，這種聯(lián)接是不允許不控制擰緊力矩的。螺栓的擰緊力矩

T＝0.2F’d說明3、受軸向工作拉力的緊螺栓聯(lián)接的工作載荷在與之間變化時，螺栓總拉力在和之間變化，載荷變幅為：因螺栓在變應(yīng)力下工作，故應(yīng)校核應(yīng)力幅以保證疲勞強度：01F02F1F2F2)(211cFa-.+=-=02F01F1c2c1F2F[]()2122ccaacdFAFps￡+.-==1F1c2cas四.受剪螺栓受剪螺栓聯(lián)接的可能失效形式有：螺栓桿剪斷，螺栓桿和孔壁兩者中的弱者被擠壞。1.剪切強度計算4F2pd￡[t]S式中：d

為剪切面直徑，F(xiàn)

為一個剪切面所受的剪力。S2.擠壓強度計算影響擠壓應(yīng)力分布的因素很多且常常難以確定，故計算是經(jīng)驗性的。FS￡dh[s]p[s]p強度條件為：式中是弱者的許用擠壓應(yīng)力。五.關(guān)于螺栓材料、強度級別及安全系數(shù)的說明各強度計算式中的許用應(yīng)力按教材的表2.4～表2.6確定，但使用中要注意如下兩點。1、因同樣的材料在不同的熱處理或制造方法下，其機械性能相差較大，因此，確定材料就意味著確定材料種類及熱處理方法。為簡化設(shè)計工作，國標允許直接選擇螺栓的強度級別。強度級別數(shù)字的含義是：個位數(shù)×100=抗拉強度極限；小數(shù)部分×抗拉強度極限=屈服強度極限。例如強度級別4.8的含義是：MP4004×100b==saMP3200.8×400s==sa2、對于預緊力不加控制的緊螺栓聯(lián)接，由于安全系數(shù)與螺栓直徑有關(guān)，而設(shè)計之初直徑未知，因此只能采取試算法，即先憑經(jīng)驗初定安全系數(shù)，再求螺栓直徑，如求出的直徑與先前假定的一致則認可；否則，應(yīng)修正安全系數(shù)重新計算，直至假定值與計算值一致為止。返回例題１§6提高聯(lián)接螺栓強度的措施一.改善螺紋牙的受力不均

變形不諧調(diào)是螺紋牙受力不均的根本原因。懸置螺母內(nèi)斜螺母環(huán)槽螺母二.減小附加應(yīng)力螺栓受到附加彎矩作用是十分不利的，偏心拉伸對螺栓強度尤其不利。例如

螺栓的最大應(yīng)力一定時，應(yīng)力幅越小，疲勞強度越高。在工作載荷F和剩余預緊力F”不變的情況下，減小螺栓剛度或增大被聯(lián)接件剛度都能達到減小應(yīng)力幅的目的，但預緊力則應(yīng)增大。[]()2122ccaacdFAFps￡+.-==1F1c2cas疲勞強度:三.降低應(yīng)力幅

應(yīng)力變化幅度過大是疲勞斷裂的根本原因。四.減少應(yīng)力集中

對螺紋來講，形狀突變是產(chǎn)生應(yīng)力集中的主要原因。適當增大過渡圓角是有力的措施。五.改善制造工藝

制造工藝對螺栓的疲勞強度有重要影響。返回

采用滾壓螺紋，由于表層有殘余壓應(yīng)力、冷作硬化作用和金屬流線合理，其疲勞強度比車制螺紋高30％～40％。

采用氮化、噴丸等表面處理措施都可以提高螺栓的疲勞強度。

一鋼制液壓缸有關(guān)尺寸如圖示，油壓P=3N/mm2，為保證密封性要求，螺栓間距L不得大于4.5倍螺栓公稱直徑，試設(shè)計該雙頭螺柱聯(lián)接（確定螺柱直徑、個數(shù)及分布圓直徑D0）。分析：

1.螺栓結(jié)構(gòu)：受軸向工作

載荷作用的緊螺栓聯(lián)接

2.螺栓直徑與數(shù)目：

顯然，Q不變，螺柱直徑大則數(shù)目Z小；反之,Z大則螺柱直徑小。因此，Z取值不同本題可有多解。考慮到油缸是壓力容器，有緊密性要求，故Z應(yīng)適當大些。另外，數(shù)目Z最好是偶數(shù)，而且要便于分度。綜上：取Z=12。例題１一鋼制液壓缸有關(guān)尺寸如圖示，油壓P=3N/mm2，為保證密封性要求，螺栓間距L不得大于4.5倍螺栓公稱直徑，試設(shè)計該雙頭螺栓聯(lián)接（確定螺柱直徑、個數(shù)及分布圓直徑D0）。1、求螺柱總拉力(F0=F+F”)例題１NpDQ60288241==p因NZQF5024==螺柱工作拉力(單個)FF8.1=￠取￠于是螺柱總拉力14067.2N2.80=+￠￠=FFFF=（壓力容器）根據(jù)一般經(jīng)驗，放置螺栓處的缸體壁厚約為2.5倍螺紋大徑。因此，暫定dDD200mm2.50=+=臨界值為：，故取合理。4.5d=72mmD=200mm0查手冊，取M16（其d1=13.835>12.07）。2、確定螺柱直徑20112.0716014067.25.2[]5.2Fmmd=×.=3psp

擬用4

.6級的Q235螺柱，擰緊時控制預緊力，取，于是：。由強度條件得：asMPS160

][==ss1.5

=S3、確定螺柱分布圓直徑D0ZL=D180sin00=51.76mm.于是螺栓間距為：，4、確定螺柱具體規(guī)格螺柱旋入機體(鋼)端長度：L1≈d=16mm螺柱螺母端長度：

L=缸蓋厚度+墊圈厚度+螺母厚度+伸出長度

=16+4+14.8+5~10

=40mm螺柱規(guī)格：螺柱M16×40GB897L1≈d注按題意，本題確定Z=12，螺柱M16×40GB897，D0=200mm后就算解畢，但對于有密封性要求的螺栓聯(lián)接，一般還應(yīng)確定必須的預緊力和擰緊力矩。

現(xiàn)確定如下：由結(jié)構(gòu)示意圖知，缸蓋與缸體間無軟墊片,查手冊或教材可得相對剛度為：，0.25c1=+c1c2Fc0F12811.2N1=+-=F￠c1c2于是預緊力為：NF13000=￠最終取定：返回擰緊力矩T＝0.2F’d≈42Nm例題NQRv866030cos==oNQRH500030sin==o圖示支架用6個螺栓聯(lián)接在磚墻上。已知磚墻為水泥砂漿縫，載荷Q=10KN，螺栓強度級別4.6，支架底板與磚墻間摩擦系數(shù)=0.3，支架底板材料為ZG270-500，，試設(shè)計該螺栓聯(lián)接。c

+

c1c=

0.112m分析：支架正常工作的條件是：①在傾覆力矩M和水平力RH作用下上側(cè)螺栓不被拉斷；②在鉛垂力RV作用下底板不下滑；③底板上側(cè)與磚墻不能有間隙；④底板下側(cè)或磚墻不能被壓潰?？紤]到便于安裝和制造，采用普通受拉螺栓為好。解：根據(jù)力學原理，載荷對螺栓組聯(lián)接的作用可用RH、Rv及M的聯(lián)合作用來代替，其中：NmQMHv5156.800200480=+=Q1．由不下滑條件確

定螺栓予緊力設(shè)予緊力為F’，在螺栓軸向載荷作用上以后，底板與墻體間殘余予緊力產(chǎn)生的摩擦力總和應(yīng)大于，而力矩M不會影響下滑。6/HRVR例題c

+

c1c=

0.112m=0.3NRv8660=NRH5000=NmM5156.800=有：VfHRkRc3+-=￠mm)(6F2￠￠6Fc1c2其中可靠性系數(shù)見教材，這里取=1.1。故：fkfkNcRRkFHVf6042650000.90.3686601.1()661=*+*=+3￠m+c2c2*預緊力和RH引起的壓應(yīng)力：ap2MPWM0.645==s力矩M引起的壓應(yīng)力:顯然，底板不下滑條件是。為避免力矩M作用后上側(cè)出現(xiàn)間隙，應(yīng)將適當取大些。從后面的計算可知，取=8000N能滿足要求。NF60423￠F￠F￠2．由上側(cè)不出現(xiàn)間隙、下側(cè)

不被壓潰條件確定預緊力

底板接觸面積

A=(500-300)×300=6×104mm2

底板抗彎截面模量

W=300×(5002-3002)/6=8×106mm3

??è?×+-￠=662Hp1RcFAs1c2c由手冊查得水泥砂漿縫磚墻的許用擠壓應(yīng)力為：apMP2~1.5[]=s由下側(cè)不被壓潰條件:[]pp1ss￡+p2s()NRcAFHp2p930066[]2=×++-￡￠ss可求得:c1c2可知，滿足工作要求的預緊力范圍為：7200N9300N，￡￡'F2．由上側(cè)不出現(xiàn)間隙、下側(cè)

不被壓潰條件確定預緊力

由上側(cè)不出現(xiàn)間隙的條件：03-p1sp2s可得:NRcAFHp27200661=×++3￠sc2c2'F最終取=8000N3．根據(jù)螺栓不被拉斷的強度條件確定螺栓直徑

d上側(cè)螺栓受力最大，其中有，由RH引起的工作拉力，由力矩M引起的工作拉力，于是螺栓總拉力為：'F()6200/*=MFM6/=RFHH??è?NFFcccFFMH853212005156800650001.08000)('2110=++=+++=依題意，螺栓屈服極限，為確保安全，裝配時控制予緊力，取安全系數(shù)，于是。1.5][s=2/240mmNs=s2/160/][mmNs==ss][s由強度條件有：mmFd387.916085322.5][3.1401=*=*psp≥查手冊取M12可矣(其d1

=10.106>計算值9.387)。注1

如擰緊力不加控制，由著工人盡可能地擰緊，為避免螺栓擰斷，應(yīng)適當增大螺栓直徑。計算表明，在這種情況下，至少應(yīng)采用M18的螺栓。注2由本題看出，予緊力太大太小都不行，太小會因太小而使上側(cè)出現(xiàn)間隙；太大又會使太大，最終使下側(cè)壓潰。'F21ppss+-p1sp2s返回1.如何判定螺旋線的旋向是左旋還是右旋？2.為什么聯(lián)接螺紋常用三角形螺紋而傳動螺紋常用梯

形或鋸齒形螺紋？3.鉸制孔用螺栓與普通受拉螺栓的工作原理和結(jié)構(gòu)有

何不同？4.有一螺栓組聯(lián)接。測得被聯(lián)接件的剛度C2是螺栓剛

度C1的3倍，而預緊力F’=5000N。問：

①螺栓承受的總拉力F0為多大時，螺栓的伸長量剛

好是被聯(lián)接件壓縮量的5倍。

②螺栓承受的工作載荷F為多大時，被聯(lián)接件的彈

性變形等于零？思考題5.“只要制造和裝配精度足夠高，則旋合后螺紋牙各

圈的受力就相等”。這種說法正確嗎？為什么？6.試分析圖示的三種螺栓組聯(lián)接中，哪一種布置形式

最好。思考題對于圖示的受拉螺栓聯(lián)接，。平均取摩擦系數(shù)，可靠性系數(shù)，那麼就有。顯然這種聯(lián)接所需的預緊力很大，造成螺栓直徑較大，是比較浪費材料的。為克服這個缺點，可采用如下方法。RfFkF=m'0.15=m1.2=fkRF8F'=返回返回圖示鉤頭螺栓擰緊后，螺栓受到預緊力的偏心拉伸。將力向螺栓軸線簡化，得到一主矢和一主矩。'F'Fe'F主矢產(chǎn)生拉應(yīng)力2'4cldFps=3'32cwdeFps=主矩產(chǎn)生彎曲應(yīng)力cde?設(shè)，則螺栓截面應(yīng)力分布如圖，最大正應(yīng)力為拉應(yīng)力的9倍。說明：以上四種典型情況都是應(yīng)用力(或力矩)的平