機械設計-第三章

目錄3-0概述3-1螺紋聯(lián)接3-2螺紋聯(lián)接類型和標準聯(lián)接件3-3螺紋聯(lián)接的預緊和防松3-4螺栓組聯(lián)接的受力分析3-5螺栓連接的強度計算3-6提高螺紋聯(lián)接強度的措施第三章聯(lián)接1、了解螺紋的基本知識——螺紋的基本參數(shù)、常用螺紋的種類、特性及其應用，螺旋副的受力分析、效率和自鎖。2、掌握螺紋聯(lián)接的基本知識——螺紋聯(lián)接的基本類型、結(jié)構(gòu)、特點及其應用，螺紋聯(lián)接標準件，螺紋聯(lián)接的預緊與防松。3、熟練掌握螺栓組聯(lián)接設計的基本方法——螺栓組聯(lián)接的受力分析、失效形式、計算準則，單個螺栓聯(lián)接的強度計算理論與方法。4、了解提高螺栓聯(lián)接強度的各種措施。教學目標及基本要求：重點及難點：重點：1、螺紋聯(lián)接的基本知識：螺紋聯(lián)接的類型、特點及其應用，預緊的目的、防松的原理及方法。2、單個螺栓聯(lián)接的強度計算：主要是受預緊力和工作拉力的緊螺栓聯(lián)接。難點：1、螺栓組聯(lián)接的受力分析。

1）受旋轉(zhuǎn)力矩T的螺栓組聯(lián)接。

2）受翻轉(zhuǎn)力矩M的螺栓組聯(lián)接。2、受預緊力和工作拉力的緊螺栓聯(lián)接的強度計算。一、聯(lián)接的作用零件構(gòu)件部件機器聯(lián)接聯(lián)接聯(lián)接二、聯(lián)接的分類1、動聯(lián)接：被聯(lián)接零件可相對運動—運動副2、靜聯(lián)接：被聯(lián)接零件無相對運動—構(gòu)件（1）可拆聯(lián)接：螺紋、鍵、銷、成型聯(lián)接（2）不可拆聯(lián)接：鉚接、焊接、膠結(jié)（3）過盈配合：溫差法裝入—可拆壓如法裝入—不可拆

§3-0概述§3-1螺紋聯(lián)接一、螺紋聯(lián)接的基礎知識1、螺旋線與螺紋（1）定義：動點繞定軸勻速圓周運動，并沿軸線方向勻速上升，動點軌跡為螺旋線。一、螺紋聯(lián)接的基礎知識（2）直觀：直角三角形斜邊與圓柱體表面的交線2、螺紋分類（1）螺紋位置：內(nèi)、外螺紋（2）母體形狀：圓柱、圓錐螺紋（3）牙型：三角形、矩形、梯形、矩齒形（4）旋向：左、右β§3-1螺紋聯(lián)接大徑d－公稱直徑（查標準）小徑d1－計算直徑（強度計算）中徑d2－幾何直徑（幾何計算）螺距P－相鄰螺牙對應點間軸向距離導程S－同一螺線相鄰螺牙對應點間軸向距離S=nP（n--線數(shù)）升角ψ－螺旋線的切線與垂直于螺紋軸線的平面間的夾角牙型角α－螺紋軸截面內(nèi)，牙型兩側(cè)邊的夾角牙型半角β－螺紋軸截面內(nèi)，牙型側(cè)邊與橫截面的夾角3、普通螺紋的主要參數(shù)一、螺紋聯(lián)接的基礎知識§3-1螺紋聯(lián)接二、常用螺紋的種類、特點和應用二、常用螺紋的種類、特點和應用1、聯(lián)接螺紋：要求自鎖—三角形螺紋（1）普通螺紋（α=60°）

粗牙：常用的聯(lián)接螺紋細牙：用于薄壁件或密封處（2）管螺紋（α=55°）（英制）—一般管路聯(lián)接

圓柱：螺紋中線與管軸線平行牙頂圓角，旋合后無隙，密封性好圓錐：螺紋中線與管子軸線不平行，自密封性好普通螺紋管螺紋§3-1螺紋聯(lián)接二、常用螺紋的種類、特點和應用2、傳動螺紋：要求效率高（1）矩形螺紋（α=0°）

效率高，牙根強度差，磨損難補償（2）梯形螺紋（α=30°）效率較高，牙根強，對中好，磨損后用剖分螺母補償間隙—常用（3）矩齒形螺紋（β工=3°

、β非工=30°）兼?zhèn)渚匦?、梯形螺紋的優(yōu)點，非工作面牙根圓角大，強度高矩形螺紋梯形螺紋鋸齒形螺紋三角形矩形梯形矩齒形§3-2螺紋聯(lián)接的類型與標準聯(lián)接件一、螺紋聯(lián)接類型1、螺栓聯(lián)接—被聯(lián)件較薄、易做成通孔處，可經(jīng)常拆卸。（1）普通螺栓：被聯(lián)件孔與螺栓桿有間隙，可傳橫向、軸向外載（2）鉸制孔螺栓：被聯(lián)件孔與螺栓桿過渡配合，只傳橫向外載普通螺栓鉸制孔螺栓桿孔間隙過渡配合面§3-2螺紋聯(lián)接的類型與標準聯(lián)接件螺栓聯(lián)接：兩被聯(lián)接零件較薄，可做成通孔場合§3-2螺紋聯(lián)接的類型與標準聯(lián)接件§3-2螺紋聯(lián)接的類型與標準聯(lián)接件被聯(lián)件之一較厚、不易做成通孔，不需經(jīng)常拆卸處2、螺釘聯(lián)接§3-2螺紋聯(lián)接的類型與標準聯(lián)接件3、雙頭螺柱聯(lián)接被聯(lián)件之一較厚、不易做成通孔，需經(jīng)常拆卸處§3-2螺紋聯(lián)接的類型與標準聯(lián)接件4、緊定螺釘聯(lián)接：固定兩零件相對位置，可傳不大扭矩平端緊定螺釘錐端緊定螺釘§3-2螺紋聯(lián)接的類型與標準聯(lián)接件二、標準聯(lián)接件1、螺紋聯(lián)接件均為標準件，設計中根據(jù)需要按工程尺寸選用2、螺紋聯(lián)接件等級GB3103.1-82規(guī)定：螺紋聯(lián)接件分A、B、C三級A級：精密配合，防振場合B級：受載較大，常拆卸調(diào)整、變載場合C級：一般聯(lián)接§3-3螺紋聯(lián)接的預緊與防松一、預緊—工作前擰緊1、目的：增加螺紋聯(lián)接剛度、緊密性和防松能力2、要求：裝配時控制預緊力在規(guī)定范圍內(nèi)對于一般聯(lián)接用的鋼制螺栓可推薦：碳素鋼螺栓合金鋼螺栓3、擰緊力矩的確定：擰緊力矩等于螺旋副間的摩檫阻力矩和螺母環(huán)形端面和被聯(lián)接件（或墊圈）支承面間的摩檫阻力矩之和，即預緊力：大多數(shù)螺紋聯(lián)接在裝配時都需要擰緊，使之在承受工作載荷之前，預先受到力的作用，這個預加作用力稱為預緊力?！?-3螺紋聯(lián)接的預緊與防松一、預緊對于M10~M64粗牙普通螺紋的鋼制螺栓：T≈0.2Qpd對一般標準扳手的長度L≈15d，若擰緊力為F,則Qp≈75F.因此，對于重要的聯(lián)接不宜采用直徑過?。ㄈ缧∮贛12）的螺栓?！?-3螺紋聯(lián)接的預緊與防松（3）測螺栓伸長量（1）測力矩扳手一、預緊（2）定力矩扳手4、預緊力控制方法:§3-3螺紋聯(lián)接的預緊與防松二、防松2、實質(zhì)：防止螺桿與螺母相對轉(zhuǎn)動3、防松方法：1、原因：設計條件下ψ≤ρv，靜載、恒溫條件不會松脫變載、振動、溫差大引起螺牙間摩擦力瞬時消失—松脫（1）、摩擦防松—利用輔助元件（結(jié)構(gòu)）防止螺紋副間摩擦力消失a、彈簧墊圈b、雙螺母防松c、橢圓口自鎖螺母d、橫向切口螺母二、防松§3-3螺紋聯(lián)接的預緊與防松（2）、機械防松—利用防松元件約束螺紋副相對運動-沖擊、變載場合止動墊片開口銷與開槽螺母二、防松§§3-3螺紋聯(lián)接的預緊與防松（2）、機械防松—利用防松元件約束螺紋副相對運動-沖擊、變載場合圓螺母止動墊片二、防松§3-3螺紋聯(lián)接的預緊與防松（3）、破壞螺紋副防松—防松可靠，沖擊振動大、重要聯(lián)接沖點法：沖壞螺紋副端焊法：端部焊死粘結(jié)法：擰緊時涂膠二、防松螺紋聯(lián)接組的設計1§3-4螺栓組聯(lián)接的結(jié)構(gòu)設計及受力分析在設計螺栓組聯(lián)接時，關鍵是聯(lián)接的結(jié)構(gòu)設計。它是根據(jù)被聯(lián)接件的結(jié)構(gòu)和聯(lián)接的用途，確定螺栓數(shù)目和分布形式。為了便于加工制造和對稱布置螺栓，保證聯(lián)接結(jié)合面受力均勻，通常聯(lián)接結(jié)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。螺栓的排列應有合理的間距、邊距。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)。避免螺栓承受附加的彎曲載荷。一、螺栓組聯(lián)接的結(jié)構(gòu)設計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間。大多數(shù)機械中螺栓都是成組使用的。

一、結(jié)構(gòu)設計螺紋聯(lián)接組的設計21．受橫向載荷2．受轉(zhuǎn)矩3．受軸向載荷4．受傾覆力矩受力分析的目的：根據(jù)聯(lián)接的結(jié)構(gòu)和受載情況，求出受力最大的螺栓及其所受的力，以便進行螺栓聯(lián)接的強度計算。受力分析時所作假設：所有螺栓的材料、直徑、長度和預緊力均相同；受載后聯(lián)接接合面仍保持為平面。受力分析的類型：二、螺栓組聯(lián)接的受力分析螺栓組的對稱中心與聯(lián)接接合面的形心重合；

§3-4螺栓組聯(lián)接的結(jié)構(gòu)設計及受力分析二、受力分析螺紋聯(lián)接組的設計51．受軸向載荷的螺栓組聯(lián)接

若作用在螺栓組上軸向總載荷FΣ作用線與螺栓軸線平行，并通過螺栓組的對稱中心，則各個螺栓受載相同，每個螺栓所受軸向工作載荷為：

§3-4螺栓組聯(lián)接的結(jié)構(gòu)設計及受力分析二、受力分析螺紋聯(lián)接組的設計3（1）對于普通螺栓聯(lián)接，按預緊后接合面間所產(chǎn)生的最大摩擦力必須大于或等于橫向載荷的要求，有：圖示為由四個螺栓組成的受橫向載荷的螺栓組聯(lián)接。2．受橫向載荷的螺栓組聯(lián)接

§3-4螺栓組聯(lián)接的結(jié)構(gòu)設計及受力分析二、受力分析(通常取Kf=1.1-1.3)或螺紋聯(lián)接組的設計3（2）對于鉸制孔用螺栓聯(lián)接，每個螺栓所受工作剪力為：式中：z為螺栓數(shù)目。2．受橫向載荷的螺栓組聯(lián)接

§3-4螺栓組聯(lián)接的結(jié)構(gòu)設計及受力分析二、受力分析普通螺栓傳遞力矩§3-4螺栓組聯(lián)接的結(jié)構(gòu)設計及受力分析二、受力分析（1）采用普通螺栓聯(lián)接：保證被聯(lián)接件不相對滑動（轉(zhuǎn)動），則保證不滑動，單個螺栓所需預緊力3.受扭轉(zhuǎn)力矩的螺栓組聯(lián)接§3-4螺栓組聯(lián)接的結(jié)構(gòu)設計及受力分析二、受力分析（2）采用鉸制孔螺栓聯(lián)接：距回轉(zhuǎn)中心最遠螺栓受力最大()鉸制孔螺拴傳遞扭矩根據(jù)底板力矩平衡條件得：Fs1r1+Fs2r2+···+Fszrz=T4.受傾翻力矩的螺栓組聯(lián)接（1）基本假定①螺栓、地基為彈性體；②

M作用在z-z平面內(nèi)，機座在M作用下繞O-O轉(zhuǎn)動③機座剛性較大，變形后與基礎的接觸面仍為平面（2）受力分析

螺栓接合面左側(cè)螺栓右側(cè)螺栓左側(cè)右側(cè)預緊狀態(tài)拉拉壓壓工作狀態(tài)↑↑↓↓被聯(lián)接件受力螺栓受力§3-4螺栓組聯(lián)接的結(jié)構(gòu)設計及受力分析二、受力分析力平衡條件由上兩式得變形協(xié)調(diào)條件§3-4螺栓組聯(lián)接的結(jié)構(gòu)設計及受力分析二、受力分析M左側(cè)螺栓所受最大力：右側(cè)螺栓所受最小力：：螺栓相對剛度：地基相對剛度§3-4螺栓組聯(lián)接的結(jié)構(gòu)設計及受力分析二、受力分析

保證螺栓不塑變、不被拉斷

左側(cè)不出縫隙

右側(cè)不被壓潰為防止螺栓被拉斷及機座與地基的接合面被壓潰或出縫隙，則§3-4螺栓組聯(lián)接的結(jié)構(gòu)設計及受力分析二、受力分析螺紋聯(lián)接的強度計算1（3）螺栓聯(lián)接的強度計算影響因素：主要與聯(lián)接的裝配情況（預緊或不預緊）、外載荷的性質(zhì)和材料性能等有關。（2）螺栓聯(lián)接強度計算的目的：是根據(jù)強度條件確定螺栓直徑，而螺栓和螺母的螺紋牙及其他各部分尺寸均按標準選定。（1）螺栓聯(lián)接的失效形式：主要是指螺紋聯(lián)接件的失效。對于受拉螺栓，其失效形式主要是：在靜載荷作用下，螺紋部分的塑性變形或斷裂；在變載荷作用下，螺桿的疲勞斷裂；因而其設計準則是保證螺栓的靜強度或疲勞拉伸強度；對于受剪螺栓，其失效形式可能是螺栓桿和孔壁的貼合面被壓潰或螺栓桿被剪斷；因而其設計準則是保證聯(lián)接的擠壓強度和螺栓的剪切強度。

§3-5螺栓聯(lián)接的強度計算失效形式及設計準則（

4）螺栓聯(lián)接強度計算思路：首先根據(jù)連接的類型、聯(lián)接裝配情況（是否預緊）、載荷情況等條件，確定螺栓的受力；然后按相應的強度條件確定螺栓的直徑或校核其強度?！?-5螺栓聯(lián)接的強度計算一、受拉螺栓聯(lián)接一、受拉螺栓聯(lián)接（一）松螺栓聯(lián)接工作前不預緊，只受工作載荷的作用，如：起重吊鉤1、只受預緊力的螺栓聯(lián)接（工作前預緊，工作中受力不變，如：受橫向載荷的普通螺栓聯(lián)接或普通設備蓋板）（1）受力分析合成應力：（2）失效形式：螺栓塑變或拉斷注：受拉、剪應力復合作用的螺栓，可按受純拉伸處理,將拉應力加大30%計入剪應力的影響。只受預緊力普通螺栓QpQpTT§3-5螺栓聯(lián)接的強度計算一、受拉螺栓聯(lián)接（二）緊螺栓聯(lián)接（1）工作原理：結(jié)合面摩擦力平衡橫向外力

（2）受力分析：螺栓受預緊拉力：QP

被聯(lián)件受預緊壓力：QP（3）失效形式：（1）螺栓塑變、拉斷

（2）被聯(lián)件相對滑移（4）設計準則：（1）螺栓不塑變、不拉斷（只受預緊力）（2）被聯(lián)接件不相對滑移注：普螺聯(lián)接傳橫向力，螺栓受拉裝拆放便，但所需螺栓直徑大，沖擊、振動時摩擦傳力不可靠?！?-5螺栓聯(lián)接的強度計算一、受拉螺栓聯(lián)接例：受橫向載荷的普通螺栓聯(lián)接的強度計算2、受預緊力Qp和工作載荷F作用的螺栓聯(lián)接（如：氣缸螺栓）（2）受力分析工作載荷F螺栓受載被聯(lián)接件受載預緊狀態(tài)F作用前預緊拉力QP預緊壓力QP工作狀態(tài)F作用后(拉力增加)總載荷

Q(壓力下降)殘余預緊力Q′PF螺母未擰緊螺母已擰緊受工作載荷F§3-5螺栓聯(lián)接的強度計算一、受拉螺栓聯(lián)接a.總載荷Q=?;殘余預緊力Q’p=？載荷螺栓變形被聯(lián)接件變形變形關系預緊狀態(tài)QP作用下伸長δL壓縮δFδL≠δF工作狀態(tài)QP

、F共同作用伸長δL+ΔδL壓縮δF-ΔδFΔδL=ΔδF由圖得總載荷:§3-5螺栓聯(lián)接的強度計算一、受拉螺栓聯(lián)接b.△F=？由圖知:

螺栓剛度:被聯(lián)接件剛度：§3-5螺栓聯(lián)接的強度計算一、受拉螺栓聯(lián)接討論：結(jié)論：為減小螺栓總載荷，被聯(lián)接件剛度不宜太??；（3）失效形式：a:被聯(lián)件結(jié)合面出縫隙；

b:螺栓塑變或被拉斷§3-5螺栓聯(lián)接的強度計算一、受拉螺栓聯(lián)接（4）設計準則：a:保證被聯(lián)件結(jié)合面不出縫隙§3-5螺栓聯(lián)接的強度計算一、受拉螺栓聯(lián)接b:保證螺栓不拉斷或塑變①F為靜載荷（考慮工作時需要補充擰緊，應計入螺紋力矩的影響）②

F為變載荷（按應力幅校核螺桿疲勞強度）§3-5螺栓聯(lián)接的強度計算一、受拉螺栓聯(lián)接二、受剪螺栓聯(lián)接（如：受橫向載荷的鉸制孔螺栓聯(lián)接）1、工作原理：桿孔擠壓、螺桿受剪傳遞橫向力2、失效形式：（1）桿孔結(jié)合面壓潰

（2）螺桿剪斷3、設計準則：（1）桿孔不壓潰鉸制孔螺拴傳遞橫向力（2）螺桿不剪斷§3-5螺栓聯(lián)接的強度計算二、受剪螺栓聯(lián)接三、螺紋聯(lián)接件的材料性能與許用應力三、螺紋聯(lián)接件的材料性能與許用應力1、螺紋聯(lián)接件的材料與性能等級（1）常用材料：碳鋼：Q215-A、Q235-A、35、45—一般聯(lián)接合金鋼：15Cr、20Cr、30CrMnSi等—重要聯(lián)接（2）螺栓、螺母材料性能等級（表3-7）

a、螺栓材料性能等級：3.6、4.6、4.8、5.6