第五章螺紋聯(lián)接

連接連接的目的

便于機(jī)器的制造、安裝、運(yùn)輸、維修以及提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。學(xué)習(xí)目標(biāo)

熟悉機(jī)器連接中常用的各種連接件的結(jié)構(gòu)、類型、性能和應(yīng)用場(chǎng)合，掌握設(shè)計(jì)理論和選用方法。連接的分類動(dòng)連接：靜連接：機(jī)器工作時(shí)，零部件之間可以有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。例如：機(jī)械原理中，各種運(yùn)動(dòng)副之間的連接。在機(jī)器工作中，不允許零部件之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的連接。靜連接可拆連接：不需毀壞連接中的任何一個(gè)零件就可拆開的連接。例如：螺紋連接、鍵連接。不可拆連接：至少毀壞連接中的一部分才能拆開的連接。例如：鉚接、焊接等。過盈連接螺紋螺紋連接的類型和標(biāo)準(zhǔn)連接件螺紋連接的預(yù)緊和防松螺栓組連接的設(shè)計(jì)螺紋連接的強(qiáng)度計(jì)算螺紋連接件的材料與許用應(yīng)力提高螺紋連接強(qiáng)度的措施第5章螺紋聯(lián)接與螺旋傳動(dòng)

補(bǔ)充螺紋如用一個(gè)三角形K沿螺旋線運(yùn)動(dòng)并使K平面始終通過圓柱體軸線YY-這樣就構(gòu)成了三角形螺紋。同樣改變平面圖形K，可得到矩形、梯形、鋸齒形螺紋的形成鋸齒形螺紋三角形螺紋矩形螺紋梯形螺紋§5.1螺紋

一、螺紋的類型和應(yīng)用螺紋有外螺紋和內(nèi)螺紋之分，它們共同組成螺旋副。按其作用分為：連接螺紋：如普通螺紋、米制錐螺紋、管螺紋；傳動(dòng)螺紋：梯形螺紋、矩形螺紋、鋸齒形螺紋。按使用單位制分為：英制螺紋：如管螺紋（螺距以每英寸牙數(shù)表示）；米制：其余均為米制。按螺紋牙型分為：矩形、三角形、梯形、鋸齒形等

三角形螺紋：粗牙螺紋——用于緊固件細(xì)牙螺紋——同樣的公稱直徑下，螺距最小，自鎖性好，適于薄壁細(xì)小零件和沖擊變載等根據(jù)螺旋線繞行方向：左旋——如圖右旋——常用根據(jù)螺旋線頭數(shù)：單頭螺紋（n=1）——用于聯(lián)接雙頭螺紋（n=2）——如圖多線螺紋（n≥2）——用于傳動(dòng)注:除矩形螺紋外，其余螺紋均已標(biāo)準(zhǔn)化。標(biāo)準(zhǔn)螺紋的基本尺寸，可查閱有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。常用螺紋的類型、特點(diǎn)和應(yīng)用1、普通螺紋(代號(hào)：MGB192-81)特點(diǎn)：螺紋的牙型角=2=60。因牙型角大，所以當(dāng)量摩擦系數(shù)大，自鎖性能好，主要用于連接。細(xì)牙螺紋與粗牙螺紋的比較粗牙：常用細(xì)牙的缺點(diǎn)：牙小，相同載荷下磨損快，易脫扣細(xì)牙：自鎖性能更好。常用于承受沖擊、振動(dòng)及變載荷、或空心、薄壁零件上及微調(diào)裝置中2、矩形螺紋特點(diǎn)：牙形為正方形，=0，所以效率高，用于傳動(dòng),牙根強(qiáng)度弱，加工困難，常被梯形螺紋代替3、梯形螺紋(代號(hào)：T特點(diǎn)：

=2=30。比矩形螺紋效率略低。牙根強(qiáng)度高，易于對(duì)中，易于制造，剖分螺母可消除間隙，在螺旋傳動(dòng)中有廣泛應(yīng)用。

rGB192-81)4、鋸齒形螺紋(代號(hào)：SJB923-66)特點(diǎn)：工作邊=3，非工作邊=30，便于加工。它綜合了矩形螺紋效率高和梯形螺紋牙根強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn),能承受較大的載荷,但只能用于單向傳動(dòng)5、圓柱管螺紋特點(diǎn)：用于管件連接的三角螺紋，=55螺紋面間沒有間隙，密封性好，適用于壓強(qiáng)在1.6MPa以下的連接6、圓錐螺紋特點(diǎn)：螺紋均布在錐度為1:16的管上,=55或60螺紋面間沒有間隙，不用填料，靠牙變形，密封性好，適用于高溫、高壓的連接二、螺紋的主要參數(shù)（1）大徑d（公稱直徑）（2）小徑d1（3）中徑d2（4）線數(shù)n:螺紋的螺旋線數(shù)目

單線螺紋

多線螺紋（5）牙型角α:螺紋軸向截面內(nèi)，螺紋牙型兩側(cè)邊的夾角（6）接觸高度h注：常用的連接螺紋要求自鎖性，故多采用單線螺紋；傳動(dòng)螺紋要求傳動(dòng)效率高，故采用雙線或三線螺紋。為了便于制造，一般線數(shù)n≤4。（7）螺距P:螺紋相鄰兩個(gè)牙型上對(duì)應(yīng)點(diǎn)間的軸向距離（8）導(dǎo)程S:螺紋上任一點(diǎn)沿同一條螺旋線轉(zhuǎn)一周所移動(dòng)的軸向距離，S=nP

單線螺紋S=P；多線螺紋S=nP。（9）螺紋升角Ψ:螺旋線的切線與垂直于螺紋軸線的平面間的夾角（10）螺紋旋向:左旋螺紋，右旋螺紋（常用）一、標(biāo)準(zhǔn)螺紋連接件§5.2

螺紋連接的類型和標(biāo)準(zhǔn)連接件二、螺紋連接的基本類型

螺栓連接：普通螺栓連接鉸制孔用螺栓連接

雙頭螺柱連接

螺釘連接

緊定螺釘連接其它：地腳螺栓連接、吊環(huán)螺栓連接、T型槽螺栓連接等螺紋緊固件大都為標(biāo)準(zhǔn)件，常用的有螺栓、雙頭螺柱、螺釘、緊定螺釘、螺母和墊圈等。1.普通螺栓連接特點(diǎn)：工作時(shí)受拉，無需在被聯(lián)件上加工螺紋孔，裝拆方便，用于兩被聯(lián)件均不太厚的場(chǎng)合。

2.鉸制孔用螺栓連接特點(diǎn)：工作時(shí)受剪，除起連接作用外，還起定位作用。3.雙頭螺柱連接特點(diǎn)：用于有一連接件較厚，并經(jīng)常裝拆的場(chǎng)合，拆卸時(shí)只需擰下螺母即可。4.螺釘連接螺釘擰入深度H

鋼或青銅H≈d

鑄鐵H=(1.25∽1.5)d鋁合金H=(1.5∽2.5)d特點(diǎn)：用于有一連接件較厚，且不需經(jīng)常裝拆的場(chǎng)合。

5.緊定螺釘連接特點(diǎn)：螺釘末端頂住另一零件的表面或相應(yīng)凹坑，以固定兩個(gè)零件的相互位置，并可傳遞不大的力或力矩。

地腳螺栓連接吊環(huán)螺栓連接

T形槽螺栓連接一、預(yù)緊的目的受載之前—擰緊螺母—預(yù)緊力F01.提高連接的緊密性2.防止連接松動(dòng)3.提高連接件強(qiáng)度§5.3螺紋連接的預(yù)緊

提高連接的緊密性防止連接松動(dòng)二、控制預(yù)緊力的方法原因：T↑→F0↑→拉斷、滑扣

T↓→不能滿足工作要求通常規(guī)定，擰緊后螺紋聯(lián)接件的預(yù)緊應(yīng)力不得超過其材料的屈服極限σS的80%。對(duì)于一般連接用的鋼制螺栓連接的預(yù)緊力F0，推薦按下列關(guān)系確定：碳素鋼螺栓：合金鋼螺栓：式中：σS螺栓材料的屈服極限；A1螺栓危險(xiǎn)截面的面積控制預(yù)緊力方法：測(cè)量螺栓伸長量：σμ（大型螺栓連接）定力矩扳手測(cè)力矩扳手一般情況憑經(jīng)驗(yàn)，擰緊即可。沖擊扳手采用測(cè)力矩扳手或定力矩扳手控制預(yù)緊力，準(zhǔn)確性較差，也不適用與大型的螺栓連接。為此，可以采用測(cè)量螺栓伸長量的方法來控制預(yù)緊力。

三、擰緊力矩與預(yù)緊力的關(guān)系以螺母分析：T=T1+T2T1螺紋副間的摩擦力矩

T2螺母支承面間的摩擦阻力矩

F0——預(yù)緊力；d2——螺紋中徑；ψ——螺紋升角；ψv——當(dāng)量摩擦角；fc——螺母與被聯(lián)接件承壓面間的摩擦系數(shù)；D0，d0——分別為承壓面的外徑和內(nèi)徑。

擰緊力矩與預(yù)緊力的關(guān)系d2≈0.9d;ψ=1o42’-3o2’ψv≈acrtg(1.155f);f≈0.1-0.2fc≈0.15;D0≈1.5d;d0≈1.1d代入整理：

注：不控制預(yù)緊力時(shí)，不宜采取M12以下的螺栓。小尺寸的螺栓連接很容易被過載擰斷。一般標(biāo)準(zhǔn)扳手的長度L=15d，設(shè)施加在扳手上的力為F，則有T=FL=15Fd，又由T=0.2F0d可得：F0=75F當(dāng)F=200N（一般大?。〧0=15000N（比較大）故對(duì)于小尺寸的螺栓連接很容易被過載擰斷，所以很少采用M12以下的螺栓，而改用螺釘連接，用改刀或起子來擰緊。FL1、螺紋連接按自鎖條件設(shè)計(jì)：ψ≤ρv?！囔o載下不會(huì)自行松脫。2、松動(dòng)原因沖擊、振動(dòng)、變載荷下溫度變化較大時(shí)螺旋副摩擦力Ff減小或瞬時(shí)消失松動(dòng)§5.4螺紋連接的防松對(duì)頂螺母3、防松方法——防止螺旋副相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。按防松原理不同，分為三類：a）摩擦防松特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單,適用于平穩(wěn)、低速和重載的固定裝置上的連接.a）摩擦防松自鎖螺母特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單,防松可靠，可多次裝拆而不降低防松性能。彈簧墊圈開口方向：斜向右下方彈性增壓尖端抵住a）摩擦防松特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單,使用方便。但墊圈的彈力不均，在沖擊、振動(dòng)的工作條件下，防松效果較差，用于不重要的連接。開口銷與槽形螺母b）機(jī)械防松（直接鎖?。┨攸c(diǎn)：適用于較大沖擊、振動(dòng)的高速機(jī)械中運(yùn)動(dòng)部件的連接。止動(dòng)墊圈特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單,使用方便，防松可靠。正確不正確注意金屬絲穿入方向串聯(lián)金屬絲特點(diǎn)：適用于螺釘組連接，防松可靠，但裝拆不便。c）破壞螺紋副關(guān)系不可拆聯(lián)接膠接沖點(diǎn)焊住§5-5螺栓組連接的設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)內(nèi)容及方法和步驟1．螺栓組連接的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理確定結(jié)合面的幾何形狀及螺栓的布置方式和個(gè)數(shù)；2．根據(jù)整個(gè)聯(lián)接受載情況，進(jìn)行受力分析,確定出各個(gè)螺栓的受力情況；3．根據(jù)螺栓受力進(jìn)行螺栓強(qiáng)度計(jì)算。二、螺栓組連接的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1．目的：合理解決連接結(jié)合面的幾何形狀，確定螺栓布置方式及個(gè)數(shù)；2．設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的問題：1)連接接合面的幾何形狀通常設(shè)計(jì)成對(duì)稱的簡單幾何圖形:圓形、圓環(huán)、矩形、框形等；2）螺栓的布置應(yīng)使各螺栓受力均勻合理；**對(duì)鉸制孔用螺栓連接，不要在平行于工作載荷的方向上成排布置8個(gè)以上的螺栓。**螺栓連接承受彎矩或轉(zhuǎn)矩時(shí)，應(yīng)使螺栓的位置靠近結(jié)合面的邊緣；**螺栓同時(shí)承受軸向載荷和較大的橫向載荷，應(yīng)采用抗剪零件。3）螺栓的排列應(yīng)有合理的間距和邊距；4）分布在同一圓周上螺栓數(shù)目，應(yīng)成4、6、8等偶數(shù)；5）避免螺栓承受附加的彎曲載荷。三、螺栓組連接的受力分析1．目的：找出受力最大的螺栓及力，為強(qiáng)度計(jì)算提供依據(jù)；2．假設(shè)：①被連接件為剛體，不會(huì)在載荷作用下變形，接合面始終保持為平面；②一組螺栓的直徑、長度、材料和預(yù)緊力都相同（即拉伸剛度、剪切剛度相同）；③螺栓組的對(duì)稱中心與接合面的形心重合。3．幾種典型受力形式（1）受橫向載荷FΣ作用（載荷作用線垂直于連接的結(jié)合面）

1）采用鉸制孔螺栓連接：承受橫向載荷時(shí)，靠螺栓的擠壓、剪切承受外載，每個(gè)螺栓所受的橫向工作剪力為：F=FΣ/z

式中z---為螺栓數(shù)目

2）采用普通螺栓連接：承受橫向力時(shí)，靠連接預(yù)緊后，在結(jié)合面間產(chǎn)生的摩擦力來抵抗橫向載荷。鉸制孔螺栓普通螺栓根據(jù)連接不產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，可確定螺栓的預(yù)緊力F0。不產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)的條件：

普通螺栓式中：KS---為防滑系數(shù)，KS=1.1～1.3；

i---為結(jié)合面數(shù)；Z---為螺栓數(shù)目。或（2）受轉(zhuǎn)矩T的螺栓組連接1）普通螺栓連接假定由每個(gè)螺栓的F0在結(jié)合面內(nèi)產(chǎn)生的摩擦力為集中力，且該力與螺栓中心和該組螺栓中心的連線相垂直。各力對(duì)底板形心的力矩與底版所受轉(zhuǎn)矩T相平衡，即:式中2）采用鉸制孔螺栓連接根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件:底板上各力產(chǎn)生的力矩應(yīng)平衡：聯(lián)解式上兩等式得，受力最大的螺栓的工作剪力為：（3）受軸向載荷的螺栓組連接

假設(shè)螺栓數(shù)目為z，螺栓組的軸線和與軸向載荷的作用線平行，各螺栓均勻受載，則每個(gè)螺栓受的軸向載荷為：受軸向載荷的普通螺栓連接（4）受傾覆力矩M的螺栓組連接①求單個(gè)螺栓受到的最大載荷Fmax傾轉(zhuǎn)力矩M作用在通過x-x軸線并垂直于連接的結(jié)合面，在傾轉(zhuǎn)力矩M的作用下，被連接的零件件有繞o-o軸線傾轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。

底板承受傾轉(zhuǎn)力矩之前，各螺栓已擰緊，各螺栓有預(yù)緊力F0，有均勻的伸長，地基在各螺栓的作用下有均勻的壓縮。

傾轉(zhuǎn)力矩M作用后，被連接的零件的結(jié)合面（底板）有繞o-o軸線傾轉(zhuǎn)了一個(gè)角度。假設(shè)結(jié)合面仍然保持為平面，此時(shí)，在軸線o-o左側(cè)的螺栓將進(jìn)一步拉伸，地基放松；而右側(cè)，螺栓放松，地基被進(jìn)一步壓縮。O1A螺栓的受力-變形線

上述過程可用螺栓組中單個(gè)螺栓-地基的受力變形圖來說明OmA地基的受力-變形線

取研究對(duì)象:底板

力矩M作用之前，螺栓和地基的工作點(diǎn)為A,螺栓上部給底板的向下力為F0,地基給底板的力也為F0,底板所受合力為0。

力矩M作用之后，左側(cè)螺栓和地基的工作平衡點(diǎn)為B1和C1,螺栓給地板的力為F2，地基給底板的力為F1，二者的合力正好等于螺栓組所受的工作載荷F。地基與螺栓間的分布力（用各螺栓中心的集中力）

力矩M作用之后，右側(cè)螺栓和地基的工作平衡點(diǎn)為B2和C2,螺栓給地板的力為F2m，地基給底板的力為F1m，二者的合力正好等于螺栓組所受的工作載荷Fm。

力矩M作用之后，底板左側(cè)所有的螺栓和地基給底板的合力左側(cè)為F，方向向下；右側(cè)為Fm，方向向上，它們形成的合力偶正好與螺栓組所受的翻轉(zhuǎn)力偶M相平衡。根據(jù)螺栓變形協(xié)調(diào)條件：由上得單個(gè)螺栓受最大軸向載荷為：F=F2-F1FFm=F1m-F2mFm

②防止螺栓組的結(jié)合面出現(xiàn)間隙的計(jì)算結(jié)合面受壓最小處不出現(xiàn)間隙的條件為：結(jié)合面受壓最小處③防止螺栓組的結(jié)合面壓潰的計(jì)算結(jié)合面受壓最大處不壓潰的條件為：結(jié)合面受壓最大處小結(jié)在實(shí)際使用中，螺栓組連接的受力狀態(tài)常常是以上四種簡單受力狀態(tài)的不同組合。但不論實(shí)際的受力狀態(tài)如何復(fù)雜，都可以利用靜力分析方法將復(fù)雜的受力狀態(tài)分解成上述簡單的受力狀態(tài)。1）普通螺栓連接軸向力F可根據(jù)軸向載荷和傾覆力矩確定，預(yù)緊力F0可根據(jù)橫向載荷和轉(zhuǎn)矩確定，然后確定螺栓的總拉力。

2）鉸制孔螺栓連接根據(jù)橫向載荷和轉(zhuǎn)矩確定螺栓的工作剪力。求得受力最大的螺栓及所受的剪力后，再進(jìn)行單個(gè)螺栓連接的強(qiáng)度計(jì)算。受復(fù)合載荷的螺栓組連接橫向載荷+軸向載荷+傾覆力矩受復(fù)合載荷的螺栓組連接橫向載荷+旋轉(zhuǎn)力矩受復(fù)合載荷的螺栓組連接計(jì)算時(shí)應(yīng)求出受力最大螺栓的受力§5-5螺紋連接的強(qiáng)度計(jì)算

實(shí)質(zhì)：根據(jù)連接的類型、連接的配合情況、載荷狀況進(jìn)行受力分析，找出螺栓組內(nèi)受力最大的螺栓及其所受的力，然后按單個(gè)螺栓，按相應(yīng)條件進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。方法和步驟：受力分析→確定失效形式→建立計(jì)算準(zhǔn)則→建立強(qiáng)度計(jì)算公式。

螺紋連接一般成組使用，其每一棵都一樣,但每一棵受載情況不一定完全相同。如圖示三角托架的螺紋連接：一、受力、失效形式和計(jì)算準(zhǔn)則1．普通螺栓連接受力情況：軸向拉力；失效形式：塑性變形和斷裂

靜力斷裂：靜載荷，且嚴(yán)重過載。疲勞斷裂：變載荷，多數(shù)屬此，且疲勞斷裂常發(fā)生在螺紋根部，即截面面積較小，并有缺口應(yīng)力集中的部位，有時(shí)也發(fā)生在螺栓頭與光桿的交接處。計(jì)算準(zhǔn)則：抗拉強(qiáng)度準(zhǔn)則，即

2．鉸制孔螺栓連接受力情況：橫向力失效形式：螺栓桿被剪斷螺栓桿與孔壁貼合面壓潰。計(jì)算準(zhǔn)則：保證連接擠壓強(qiáng)度足夠：

螺栓的剪切強(qiáng)度足夠：二、強(qiáng)度計(jì)算說明：①強(qiáng)度計(jì)算目的：主要是確定螺栓螺紋的小徑d1或?qū)ξｋU(xiǎn)截面進(jìn)行校核；螺栓其余部分尺寸，以及螺母、墊圈的尺寸，可按螺栓螺紋的公稱直徑，由標(biāo)準(zhǔn)中選定。②螺栓受力分析是強(qiáng)度計(jì)算的關(guān)鍵，要區(qū)分清楚螺栓組的受力情況與單個(gè)螺栓的受力情況，如螺栓組受一橫向載荷F（即F與螺栓軸線垂直）作用，當(dāng)采用普通螺栓連接,則螺栓受拉;采用鉸制孔螺栓,則螺栓受剪。（一）松螺栓連接

松連接：聯(lián)接在裝配時(shí)不擰緊螺母，在承受工作載荷之前，螺栓不受力。工作時(shí)才受到沿螺栓軸向的F力。起重吊鉤的松螺栓連接起重滑輪的松螺栓連接受力情況：軸向拉力；失效形式：塑性變形和斷裂計(jì)算準(zhǔn)則：抗拉強(qiáng)度準(zhǔn)則，（二）緊螺栓連接緊連接：連接在裝配時(shí)擰緊螺母，在承受工作載荷之前，螺栓有預(yù)緊力F0的作用。有兩類：1．僅受預(yù)緊力F0作用的緊連接（普通螺栓連接受橫向載荷）

2．受F0及軸向工作拉力F作用的緊連接（普通螺栓連接受軸向載荷）1．僅受預(yù)緊力F0作用的緊連接螺栓受力：拉力F0和扭矩T1

（由擰緊螺母時(shí)螺紋副間的摩擦力引起的力矩）。失效形式：塑性變形和斷裂計(jì)算準(zhǔn)則：抗拉強(qiáng)度準(zhǔn)則螺栓危險(xiǎn)截面的拉伸應(yīng)力：螺栓危險(xiǎn)截面的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力：由于螺栓材料是塑性的，螺桿橫截面上同時(shí)受到雙向應(yīng)力的作用，根據(jù)材料力學(xué)的第四強(qiáng)度理論，螺栓預(yù)緊狀態(tài)下的計(jì)算應(yīng)力：

強(qiáng)度校核公式：

強(qiáng)度設(shè)計(jì)公式：注:受F0作用的緊聯(lián)接，可直接按拉伸強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，但是應(yīng)把F0加大30%，來考慮螺紋副中摩擦力矩（扭轉(zhuǎn)）的影響。說明：（1）靠摩擦力抵抗工作載荷的緊連接，其螺栓僅承受F0作用，且F0不受工作載荷的影響。在振動(dòng)、沖擊或變載荷下，摩擦系數(shù)變化較大，將使連接的可靠性降低，此連接不宜用于載荷突然變化的場(chǎng)合。（2）靠摩擦力抵抗工作載荷的緊螺栓連接，螺栓直徑較大。

例單面接觸的受橫向載荷的普通螺栓連接使連接結(jié)合面不滑移的條件

F0≥F/f，若摩擦系數(shù)f=0.2時(shí)，則F0≥5F，結(jié)果必然使螺栓的結(jié)構(gòu)尺寸增加。通常采用減載零件來承擔(dān)橫向工作載荷。受橫向載荷的普通螺栓

采用減載零件（銷、套筒和鍵）的緊螺栓連接，其強(qiáng)度按減載零件的剪切、擠壓強(qiáng)度條件計(jì)算，而螺紋連接只是保證連接，不再承受工作載荷，因此預(yù)緊力不必很大，但這種連接增加了結(jié)構(gòu)和工藝上的復(fù)雜性。受橫向載荷的普通螺栓2.受F0及軸向工作拉力F作用的緊連接

螺栓在工作中既承受預(yù)緊力又承受工作拉力是緊螺栓連接中受力最為典型的情況。實(shí)例：氣缸蓋與氣缸體的螺栓連接如果氣缸蓋與氣缸體的螺栓連接設(shè)計(jì)不合理（螺栓直徑過?。?，在氣缸內(nèi)高壓氣體的作用下，可能導(dǎo)致螺栓因強(qiáng)度不夠發(fā)生斷裂失效，最終會(huì)使氣缸喪失工作能力。由此可見螺栓連接強(qiáng)度對(duì)于某些機(jī)器零部件正常工作起將起關(guān)鍵作用。下面我們就針對(duì)螺栓這種典型的受力狀態(tài)討論滿足螺栓連接正常工作的強(qiáng)度條件。問：螺栓在先后受F0、F的作用后，螺栓的總拉力F2應(yīng)為多少？F2＝F0＋FF2＝？之所以螺栓總拉力F2并不簡單的等于預(yù)緊力F0與工作拉力F之和，原因在于螺栓和被連接件在連接受力后均會(huì)發(fā)生彈性變形，因此必須考慮到螺栓和被連接件各自變形對(duì)螺栓受力產(chǎn)生的影響。螺栓及被連接件受力及變形的過程假設(shè)螺栓和被連接件的變形均在彈性變形范圍內(nèi)，則力與變形應(yīng)符合拉壓虎克定律（即：力=變形剛度）。設(shè)螺栓和被連接件的剛度分別為Cb和Cm。

力與變形的數(shù)量關(guān)系如下。螺栓受力及變形過程螺母擰緊時(shí)承受工作載荷后螺栓受力F0F2變形lblb+Dl關(guān)系F0=lbCbF2=(lb+Dl)Cb被連接件受力F0F1變形lmlm-Dl關(guān)系F0=lmCmF1=(lm-Dl)Cm力與變形的數(shù)量關(guān)系如下螺栓總拉力計(jì)算

上述受力與變形的關(guān)系還可以用線圖的形式直觀的來反映。在上面的分析的過程中，出現(xiàn)了一些重要概念：

⒈F1——?dú)堄囝A(yù)緊力

被連接件因?yàn)閴壕o程度減小，預(yù)緊力也隨之減小。但為保證連接的緊密性，防止連接受載后接合面出現(xiàn)間隙，必須使殘余預(yù)緊力F1>0。一般按經(jīng)驗(yàn)確定：有密封性要求的：F1=(1.5~1.8)F；普通聯(lián)接，工作載荷穩(wěn)定時(shí)：F1=(0.2~0.6)F；工作載荷不穩(wěn)定時(shí)：F1=(0.6~1.0)F

⒉Cb/(Cb+Cm)——螺栓的相對(duì)剛度由剛才得出的F2的計(jì)算方法可知，在F0和F不變的情況下，螺栓的相對(duì)剛度的大小將決定螺栓所受的總拉力F2的大小。顯然為降低螺栓的受力，提高螺栓的承載能力，應(yīng)盡量使其小些。即使螺栓的剛度Cb盡量?。ㄈ绮捎眉?xì)長或中空螺栓），被連接件的剛度Cm盡量大（采用硬金屬墊片或不使用墊片使被連接金屬直接接觸）。

找出螺栓所受最大拉力F2之后，即可按螺栓受軸向拉伸及扭轉(zhuǎn)的共同作用列出其強(qiáng)度條件。工程上一般將扭轉(zhuǎn)折算到拉伸上，即將總拉力增加30%以考慮扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力的影響，于是螺栓危險(xiǎn)截面的拉伸強(qiáng)度條件為：注：d1——為螺栓小徑；

［s］——許用應(yīng)力或螺栓拉抻強(qiáng)度計(jì)算強(qiáng)度計(jì)算步驟：受力分析，確定螺栓預(yù)緊力F0、工作拉力F按F2=F1+F或F2=F0+Cb?F/(Cb+Cm)計(jì)算螺栓的總拉力F2根據(jù)工作要求確定殘余預(yù)緊力F1確定Cb、Cm強(qiáng)度校核計(jì)算或設(shè)計(jì)計(jì)算氣缸蓋與氣缸體的螺栓連接受載示意圖返回習(xí)題：5-10圖示汽缸蓋螺栓組連接。已知汽缸內(nèi)的工作壓力p=0～1Mpa，缸蓋與缸體均為鋼制，直徑D1=350mm，D2=250mm，上下凸緣厚均為，試設(shè)計(jì)此連接。（如圖示）

單個(gè)螺栓連接受力變形圖螺母未擰緊螺母已擰緊已承受工作載荷返回螺栓被連接件由圖可知：F2=F1+F或F2=F0+F且有：則有：故返回1）靜強(qiáng)度：校核式:

或設(shè)計(jì)式:2）疲勞強(qiáng)度：對(duì)于受軸向變載荷的重要連接，除作靜強(qiáng)度計(jì)算外，還應(yīng)作疲勞強(qiáng)度校核。工作拉力：0～F（變載荷）螺栓受力：F2=F0～當(dāng)螺栓在受預(yù)緊力F0后，又受變化的軸向工作載荷F的作用，其受載、變形及應(yīng)力情況如圖示。螺栓總拉力的變化當(dāng)螺栓只受預(yù)緊力F0作用時(shí)；當(dāng)工作載荷F作用后；當(dāng)工作載荷F在(0～F)之間變化時(shí)，螺栓所受的總拉力在(F0～F2)之間變化，如圖示。疲勞強(qiáng)度校核方法和步驟：①根據(jù)螺栓受力的最小、最大值，計(jì)算其所受的最小、最大應(yīng)力（當(dāng)然不考慮螺紋摩擦力矩的扭轉(zhuǎn)作用）

②確定螺栓的應(yīng)力幅③計(jì)算螺栓的安全系數(shù)(按σmin=C，計(jì)算Sca)3．受工作剪力作用的緊螺栓連接這種連接是利用鉸制孔用螺栓抗剪切來承受載荷F的。鉸制孔螺栓連接的強(qiáng)度計(jì)算：擠壓強(qiáng)度準(zhǔn)則：

剪切強(qiáng)度準(zhǔn)則：LminFFd01.螺紋連接件的常用材料低碳鋼Q215、10號(hào)鋼：一般連接中碳鋼Q235、35、45號(hào)鋼：一般連接低合金鋼、合金鋼如15Cr、40Cr30CrMnSi等：承受振動(dòng)、沖擊、變載的重要連接墊片材料：普通墊片：Q215、15、35號(hào)鋼；彈簧墊片：65Mn。（需熱處理）§5-7螺紋連接件的材料及許用應(yīng)力螺栓、螺釘、螺柱性能等級(jí)

（摘自GB3098—1982）（1988年確認(rèn)）螺母性能等級(jí)

（摘自GB3098.2—1982）（1988年確認(rèn)）注：先選用性能等級(jí)，再選用推薦材料，一般采用4.6、4.8、5.6、5.8等幾個(gè)級(jí)別。2．許用應(yīng)力[σ]=σS/S，[τ]=σS/Sτ對(duì)于鋼對(duì)于鑄鐵式中σS、σB為螺栓材料的屈服極限和強(qiáng)度極限，常用鑄鐵連接件的σB

：200～250MPa。有關(guān)的安全系數(shù)查表5-10說明：

由于許用應(yīng)力的確定與安全系數(shù)有關(guān),而安全系數(shù)S又與螺栓的直徑有關(guān)。因此,用螺栓連接的強(qiáng)度計(jì)算公式設(shè)計(jì)螺紋公稱直徑時(shí),安全系數(shù)事先未知,故采用試算法試算法:對(duì)于d1的試算（因?yàn)閐1確定后，才能查表確定安全系數(shù)S）初估d→查表5-10→確定S→[σ]=σS/S→d1→查標(biāo)準(zhǔn)確定d（d應(yīng)與初估d相符）。通常只要最后確定的d在初估d的同一范圍內(nèi)就行，如M6～M16或M16～M30等例P92：圖示為一固定在鋼制立柱上的鑄鐵托架，已知載荷，其作用線與垂直線的夾角，底板高h(yuǎn)=340mm，寬b=150mm。試設(shè)計(jì)托架的螺栓組連接。FRFQFRFQM解:1)選擇螺栓類型:普通螺栓（載荷：軸向、橫向和翻轉(zhuǎn)力矩）2）螺栓配置：接合面形狀：方框(如圖所示）螺栓個(gè)數(shù)：z=4（或6或8等）3）受力分析：1、計(jì)算螺栓組所受的載荷軸向載荷：橫向載荷：翻轉(zhuǎn)力矩：2、計(jì)算在軸向載荷FQ作用下，各螺栓連接所受的工作拉力：3、計(jì)算在翻轉(zhuǎn)力矩M作用下，上面兩螺栓桿受到加載作用，下面兩螺栓桿受到減載作用，故上面兩栓受到的工作拉力最大，在M作用下的單個(gè)螺栓連接受到的最大載荷為：在FQ和M共同作用下,單個(gè)螺栓連接所受軸向工作載荷：MFRFQ4、在橫向載荷FR的作用下，底板可能向下滑移，螺栓擰緊加上工作載荷后，立柱和底板間的殘余正壓力為：避免底板向下滑移的條件為：查P76

表5-5：查P75：查P84：MFRFQ5、工作載荷加上后，上面單個(gè)螺栓桿內(nèi)所受總拉力為：4）設(shè)計(jì)確定螺栓的直徑d選擇螺栓材料為Q235、性能等級(jí)為4.6的螺栓，由P83表5-8得:擰緊時(shí)控制預(yù)緊力,P87表5-10,暫取S=1.5,則:螺栓的直徑d1:查螺紋手冊(cè),選用M12粗牙普通螺紋d=12mm(小徑d1=10.106mm>8.97mm)。按P87表5-10可知,預(yù)設(shè)的安全系數(shù)恰當(dāng)?shù)摹Ｇ斑M(jìn)普通三角形螺紋標(biāo)準(zhǔn)返回5）效核螺栓連接的結(jié)合面的工作能力1、校核連接結(jié)合面下端不壓潰（查P79表5-6）得:螺栓連接的結(jié)合面不會(huì)被壓潰。MFRFQ2、校核連接結(jié)合面上端不出現(xiàn)間隙連接結(jié)合面上端不出現(xiàn)間隙。6）確定螺栓長度、螺母和墊片等MFRFQ§5-8提高螺紋連接強(qiáng)度的措施螺栓連接的強(qiáng)度主要取決于螺栓的強(qiáng)度。影響螺栓強(qiáng)度的因素（著重考慮受軸向變載荷的緊螺栓連接）

1．應(yīng)力變化幅

2．螺紋牙的載荷分配

3．應(yīng)力集中

4．附加應(yīng)力

5．制造工藝提高強(qiáng)度的措施

一、降低影響螺栓疲勞強(qiáng)度的應(yīng)力幅

1.應(yīng)力幅對(duì)螺栓疲勞強(qiáng)度的影響

當(dāng)螺栓組結(jié)構(gòu)、螺栓材料、工作環(huán)境條件都確定后，Ｋ、、-1tc均為可確定的常數(shù)，并且當(dāng)螺栓預(yù)緊力F0不變時(shí)，則螺栓的最小應(yīng)力min也恒定不變，那么影響螺栓疲勞強(qiáng)度（即影響Sca大?。┑木椭挥袘?yīng)力幅a。顯然：應(yīng)力幅a越小，計(jì)算安全系數(shù)Sca越大，螺栓就越不容易發(fā)生疲勞破壞，連接的可靠性才越高。

根據(jù)max的計(jì)算公式

要減小應(yīng)力幅a，可通過減小max或增大min來實(shí)現(xiàn)。

由上式可知，在F0不變的情況下，若減小螺栓剛度Cb或增大被連接件剛度Cm，都可以達(dá)到減小總拉力F2的變動(dòng)范圍（即減小應(yīng)力幅）的目的。根據(jù)min的計(jì)算公式

由上式可知，增大預(yù)緊力F0就會(huì)使min增大，在max不變的情況下，應(yīng)力幅就會(huì)減小，同樣可提高螺栓的疲勞強(qiáng)度。但為了使max不變，一般在增大預(yù)緊力的同時(shí)還要減小螺栓剛度和增大被連接件剛度，如圖所示。2.提高螺栓疲勞強(qiáng)度的具體方法Ａ、要減小螺栓剛度Cb，可適當(dāng)增加螺栓長度，或采用腰狀桿螺栓或空心螺栓。另外還可在螺母下安裝彈性元件，效果與采用腰狀螺栓或空心螺栓相似，如圖所示。Ｂ、要增大被連接件剛度Cm，可以不用墊片或采用剛度較大的墊片。對(duì)于需要保持緊密性的連接，從增大被連接件的剛度的角度出發(fā)，采用較軟的汽缸墊片并不合適，此時(shí)以采用剛度較大的金屬墊片或密封環(huán)較好（如圖所示）。Ｃ、適當(dāng)增大預(yù)緊力F0，一方面可以使螺栓所受應(yīng)力幅減小，提高螺栓疲勞強(qiáng)度；另一方面又可使被連接件上的殘余預(yù)緊力F1不致減小過多，這對(duì)改善連接的可靠性和緊密性是有利的。但預(yù)緊力不宜增加過多，必須控制在所規(guī)定的范圍內(nèi)，以免對(duì)螺栓的靜強(qiáng)度造成不利影響（參見§5-3）。降低螺栓的剛度返回增大被連接件的剛度返回增大預(yù)緊力F0返回同時(shí)使用三種方法：減小螺栓剛度Cb增大被連接件剛度Cm腰桿狀螺栓和空心螺栓返回彈性元件軟墊片密封返回密封環(huán)密封二、改善螺紋牙受力分配當(dāng)連接受載時(shí)，螺栓受拉，螺距增大；而螺母受壓，螺距減小。采用圈數(shù)過多的加高螺母，并不能提高連接強(qiáng)度。

(a)旋合螺紋的變形示意圖（b）螺紋牙受力分配螺紋牙的受力

為改善螺紋牙受力，可采用懸置螺母結(jié)構(gòu)、內(nèi)斜螺母和環(huán)槽螺母。這些結(jié)構(gòu)特殊的螺母，由于制造費(fèi)工，只有在重要或大型的聯(lián)接中才使用。（a）懸置螺母（b）內(nèi)斜螺母（c）環(huán)槽螺母使螺紋牙受力分配較均勻的螺母結(jié)構(gòu)圖

三、減輕應(yīng)力集中

圓角和卸載結(jié)構(gòu)四、避免或減小附加彎曲應(yīng)力（a）承壓面傾斜（b）被連接件變形太大引起附加應(yīng)力的原因

(a)采用球面墊圈（b）采用斜墊圈（c）采用凸臺(tái)（d）采用沉頭座（e）采用環(huán)腰使栓桿減免彎曲應(yīng)力的措施五、采用合理的制造工藝

冷鐓螺栓頭部和滾壓螺紋氮化；氰化；噴丸等處理

§5-9螺旋傳動(dòng)一、螺旋傳動(dòng)的類型和應(yīng)用螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，螺母移動(dòng)：機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)；螺母固定，螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)并移動(dòng)：千斤頂。

按用途可分為承載小，工作時(shí)間短，有些要求較高的調(diào)整精度，有些要求較高的調(diào)整速度。如機(jī)床進(jìn)給的微調(diào)螺旋調(diào)整螺旋以傳遞運(yùn)動(dòng)為主，要求較高的運(yùn)動(dòng)速度和精度，如機(jī)床絲杠傳導(dǎo)螺旋以傳遞動(dòng)力為主，受力大，速度低，間歇工作，通常要求自鎖。如千斤頂傳力螺旋特點(diǎn)功能傳力螺旋

傳導(dǎo)螺旋

鏜刀差動(dòng)螺旋微調(diào)結(jié)構(gòu).調(diào)整螺旋

正、反螺旋快速調(diào)整結(jié)構(gòu)按螺旋副的摩擦可分為液體摩擦，摩擦阻力小，傳動(dòng)效率高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要專門的液壓系統(tǒng)供油。靜壓螺旋滾動(dòng)摩擦，摩擦阻力小，傳動(dòng)效率高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，滾動(dòng)螺旋滑動(dòng)摩擦，結(jié)構(gòu)簡單，便于制造，易于自鎖，摩擦阻力大，效率低，磨損快，滑動(dòng)螺旋特點(diǎn)摩擦性質(zhì)滑動(dòng)螺旋牙形：多用梯形螺紋,重載起重螺旋也有用鋸齒形螺紋,對(duì)效率要求