機械設(shè)計 第二章 螺紋聯(lián)接

1、q聯(lián)接概述 q螺紋聯(lián)接概述 q螺紋聯(lián)接的擰緊與防松 q單個螺栓的受力分析 與強度計算 q螺紋組受力分析與討論 q提高螺紋聯(lián)接強度的措施 聯(lián)接的分類 動聯(lián)接：機器工作時，零部件之間可以有相對運動。 例如：機械原理中，各種運動副之間的聯(lián)接。 靜聯(lián)接：在機器工作中，不允許零部件之間存在相對 運動的聯(lián)接。 靜聯(lián)接 可拆聯(lián)接：不須毀壞聯(lián)接中的任何一個零件就可拆開的聯(lián)接。 例如：螺紋聯(lián)接、鍵聯(lián)接。 不可拆聯(lián)接：至少毀壞聯(lián)接中的一部分才能拆開的聯(lián)接。 例如：鉚接、焊接等。 1 1 概述概述 一、聯(lián)接分類一、聯(lián)接分類 二、螺紋基本知識二、螺紋基本知識 直徑 大徑d：公稱直徑。M20d=20mm 小徑d1：螺紋

2、的最小直徑。 中徑d2：齒厚=齒槽寬處直徑，幾何計 算用。 一般?。篸2=(d+d1)/2 螺距p 線數(shù)n：n=1時用于聯(lián)接；n1時用于傳動； n，但為便于制造n4 牙形角：螺紋牙兩側(cè)面夾角。 1、螺紋的主要參數(shù) 4 2、螺紋的類型 右旋左旋 螺紋位置：內(nèi)螺紋螺母；外螺紋螺釘。 旋向判定：順著軸線方向看，可見側(cè)左邊高 則為左旋，右邊高則為右旋。 螺紋旋向：左旋螺紋，右旋螺紋（常用）。 思考： 中徑升角： 2 arctan d np 導(dǎo)程s ：s=np 聯(lián)接：效率低、自鎖性好。 傳動：效率高、自鎖性差。 螺紋牙形：三角形、矩形、梯形、鋸齒形等 30 3 30 60 三角形 梯形鋸齒形 矩形 單線

3、，用于聯(lián)接雙線或多線，常用于傳動 粗牙：一般情況下使用。 細(xì)牙：d相同，p小， 小，牙淺，自鎖性好，但不 耐磨，易滑扣。 用于變載荷場合。 聯(lián)接螺紋：一般為單線、粗牙、右旋的三角螺紋。 螺紋線數(shù)：單線（聯(lián)接）；多線（傳動）。 三角螺紋三角螺紋 梯形螺紋梯形螺紋 鋸齒形螺紋鋸齒形螺紋 矩形螺紋矩形螺紋 按螺旋的作用分：聯(lián)接螺紋；傳動螺紋 傳動螺紋傳動螺紋 聯(lián)接螺紋聯(lián)接螺紋 2 2 螺紋聯(lián)接的主要類型、材料螺紋聯(lián)接的主要類型、材料 一、主要類型（一、主要類型（注意各圖的畫法注意各圖的畫法） 1、螺栓聯(lián)接 受拉普通螺栓 普通螺栓：無需在被聯(lián)件上加工螺紋 孔，裝拆方便，用于兩被 聯(lián)件均不太厚的場合。

4、受剪鉸制孔螺栓 鉸制孔螺栓：除起聯(lián)接作用外， 還起定位作用。 2、雙頭螺柱聯(lián)接 用于有一聯(lián)接件較厚，并 經(jīng)常裝拆的場合，拆卸時只需 擰下螺母即可。 3、螺釘聯(lián)接 用于有一聯(lián)接件較厚， 且不需經(jīng)常裝拆的場合。 4、緊定螺釘聯(lián)接 螺釘末端頂住另一零件的表面或相應(yīng)凹坑，以固定 兩個零件的相互位置，并可傳遞不大的力或力矩。 潘存云教授研制 地腳螺栓地腳螺栓 起吊螺釘起吊螺釘 5 專用螺紋聯(lián)接 T 型螺栓型螺栓 爆炸螺栓(箭星分離：起爆解鎖） 二、二、 螺紋緊固件螺紋緊固件 螺 紋 緊 固 件 雙頭螺柱 螺栓 螺釘、緊定螺釘 螺 紋 緊 固 件 螺釘、緊定螺釘 雙頭螺柱 螺栓 螺母 潘存云教授研制 其它

5、螺母： 其它螺母： 墊圈 平墊圈 薄平墊圈 A型平墊圈 B型平墊圈 螺母 螺釘、緊定螺釘 雙頭螺柱 螺紋緊固件 螺栓 螺 紋 緊 固 件 斜墊圈 彈簧墊圈 圓螺母用止動墊圈 作用：增加支撐面積以減小壓強， 避免擰緊螺母擦傷表面、防松。 三、性能等級（三、性能等級（P101P101） 1、螺栓等：十個性能等級，如：3.6、4.6、4.8、 性能等級材料性能 如：6.8 Bmin/100=6Bmin=600MPa 10(smin/Bmin)=8smin=480MPa 或smin=(68)10=480MPa 低碳鋼或中碳鋼 2、螺母：七個等級，與螺栓性能相配。（自學(xué)） 3 3 螺栓聯(lián)接的擰緊與防松螺

6、栓聯(lián)接的擰緊與防松 一、擰緊一、擰緊 受載之前擰緊螺母預(yù)緊力F 預(yù)緊 聯(lián)接剛度 防松能力 緊密性 1、擰緊力矩T=？ 螺母支承面間的摩擦阻力矩 以螺母分析：T=T1+T2 螺紋副間的摩擦力矩 2 2 1 d FT t )tan( vt FF 螺紋副間有效圓周力 2 )tan( 2 d F v a)螺母所 受轉(zhuǎn)矩 b)螺栓所 受轉(zhuǎn)矩 c)螺栓轉(zhuǎn) 矩圖 T1 T2 T1 T T T T4 3 4 T3 T1 f rFT 2 （rf支承面摩擦半徑） dFkTTT t 21 kt擰緊力矩系數(shù)，一般取kt=0.2 F/2F/2 d)螺栓和被聯(lián)接 件所受預(yù)緊力 e)計算螺母承壓面 力矩用的符號 F F/2

7、F/2 F D1 d1 2、控制T的方法 T F 拉斷、滑扣 T不能滿足工作要求 控制T的大小 一般情況憑經(jīng)驗，擰緊即可。 方法： 測量螺栓伸長量： （大型螺栓聯(lián)接） 定力矩扳手 測力矩扳手 沖擊扳手 采用測力矩扳手或定力矩扳手控制預(yù)緊力，準(zhǔn)確性較差，也不 適用與大型的螺栓聯(lián)接。為此，可以采用測量螺栓伸長量的方法來 控制預(yù)緊力。 測量螺栓伸長量測量螺栓伸長量 3、嚴(yán)格控制預(yù)緊力時dM12M16 標(biāo)準(zhǔn)扳手長度L=15d，若擰緊力為F，則： T=FL=15dF=0.2Fd F=75F 若F=200N，則F=15000N。 小于M12，則易拉斷。 二、防松二、防松 1、螺紋聯(lián)接按自鎖條件設(shè)計： v。

8、 靜載下不會自行松脫。 2、松動原因 沖擊、振動、變載荷下 溫度變化較大時 螺旋副摩擦力Ff減小或瞬時消失 松動 下螺母 上螺母 螺 栓 對頂螺母 3、防松方法防止螺旋副相對轉(zhuǎn)動。 按防松原理不同，分為三類： a ）摩擦防松 自鎖螺母 彈簧墊圈 開口方向：斜向右下方 彈性增壓 尖端抵住 開口銷與槽形螺母 b ）機械防松（直接鎖?。?正確 不正確 注意金屬絲穿入方向 串聯(lián)金屬絲 c ）破壞螺紋副關(guān)系 不可拆聯(lián)接 膠接 沖點 焊住 4 4 單個螺栓聯(lián)接的受力分析和強度計算單個螺栓聯(lián)接的受力分析和強度計算 螺栓聯(lián)接 受拉螺栓 受剪螺栓 松聯(lián)接：不擰緊，無預(yù)緊力F，僅受工作載荷F 緊聯(lián)接：需擰緊 僅受

9、預(yù)緊力F 同時受預(yù)緊力F和工作載荷F 一、受拉螺栓聯(lián)接一、受拉螺栓聯(lián)接 對于受拉螺栓，其失效形式主要是螺紋部分的塑性變形和 螺桿的疲勞斷裂。 65% 20%15% 危險截面面積由計算直徑dc確定：dc=d1-H/6，H0.866p； 其中：d1、p分別為螺紋小徑和螺距。 1、松聯(lián)接 如：起重滑輪螺栓 僅受軸向工作拉力F失效：拉斷 強度條件： 4/ 2 c d F MPa 校核式 式中：dc危險截面計算直徑 許用應(yīng)力， = sSs，見表6.3（P110）。 4 F dcmm 設(shè)計式 查手冊，選螺栓 2、緊聯(lián)接 （1）只受預(yù)緊力F的緊聯(lián)接 外載荷FR對螺栓為橫向力靠摩擦力傳遞 a. FR作用下，板

10、不滑移：FRFf，而FfF。 b. 按F計算： F為螺栓軸向負(fù)荷拉應(yīng)力 4/ 2 c d F c. 擰緊過程中，在T1作用下螺栓受扭產(chǎn)生T 4/ )tan( 2 16/ 2/)tan( 2 2 3 21 c v cc v T T d F d d d dF W T 對鋼制M10M68螺栓：T0.5。 d. 危險截面上受復(fù)合應(yīng)力（ 、 T）作用強度準(zhǔn)則 螺栓為塑性材料第四強度理論。 3 . 13 22 Tc 校核式 即： 4/ 3 . 1 2 c c d F 1.3意義：緊聯(lián)接時，將拉應(yīng)力增大30%以考慮擰緊力矩的影響。 3 . 14 F dc mm 設(shè)計式 （2）受預(yù)緊力F和軸向工作載荷F的緊螺

11、栓聯(lián)接 a、未擰狀態(tài) b、擰緊狀態(tài)F c、工作狀態(tài)F 變形受力過程： 無變形 F 1 2 +F 1+1 2-2 變形協(xié)調(diào)條件： 1= 2 = 各力定義 1、預(yù)緊力F（擰緊螺母后，作用在螺栓上的拉力和被聯(lián)件上壓力） 2、螺栓工作拉力F0 總拉力 3、工作載荷F（對螺栓聯(lián)接施加的外載荷） 4、F”剩余預(yù)緊力。（P108） 思考：圖b中，F(xiàn)0=？ 圖c中，F(xiàn)0=F+F？ 靜力平衡條件： F0=F+F” 即：螺栓總拉力等于工作載荷與剩余預(yù)緊力之和。 上述過程還可通過力變形圖表示 1 12 2 變形變形 力力 力力 1 1 2 2 1 1 2 2 變形變形 力力 螺栓剛度： 111 /tanFc 222

12、 /tanFc 被聯(lián)件剛度： 在合并圖中： 11 0 1 c FFF c FF 2 2 c FF F cc c FF 21 2 F cc c FFFF 21 1 0 檢查F”的大小 求總拉力 即：螺栓總拉力等于預(yù)緊力加上 部分工作載荷。 由于 21 兩圖合并 1 1 2 2 1 1 2 2 變形變形 力力 討論： 1、 21 1 cc c 螺栓相對剛度系數(shù) 當(dāng)F、F一定時， 21 1 0 cc c F 為螺栓受力 選擇不同墊片 21 1 cc c 應(yīng)使 2、0 F：不出現(xiàn)縫隙。(由F cc c FF 21 2 驗算) (P108) 同理，考慮扭轉(zhuǎn)作用，強度條件為： 校核式 4/ 3 . 1 2

13、 0 c c d F 3 . 14 0 F dc mm 設(shè)計式 F1 o時間o 工作載荷變化 2 力 F 變形 螺栓拉力變化 c1+c2 c1 F c2 c1+c2F2 F1 F2 F1 2 F02-F01 F01 F02 若工作載荷為變載荷： 當(dāng)工作載荷在F1F2變化時，螺栓總拉力在F01F02之間變化 變載荷下螺栓失效：Fa作用下的疲勞拉斷 Fa拉力變幅： 21 1120102 22CC CFFFF Fa )(2 21 1 2 12 a c a CC C d FF 應(yīng)力幅： 螺栓許用應(yīng)力幅 （P110）表6.3 即：變載荷下螺栓，應(yīng)力幅越小，疲勞強度越高。 h h FR 1 2 d 2 1

14、 剪斷破壞 擠壓破壞 被連接件 FR a)受剪螺栓聯(lián)接 b)螺栓被擠壓 二、受剪螺栓聯(lián)接二、受剪螺栓聯(lián)接 1、失效形式：剪斷、接觸表面壓潰。 2、螺栓剪切強度條件 4/ 2 dm Fsd桿抗剪面直徑 m抗剪面數(shù)目 許用剪應(yīng)力 3、擠壓強度條件 p s p hd F h對象受壓高度； p許用擠壓應(yīng)力，表6.4，取弱者計算； 5 5 螺栓組聯(lián)接的受力分析螺栓組聯(lián)接的受力分析 一、思路一、思路 聯(lián)接結(jié)構(gòu)形式、外載荷類型 螺栓受力 找出受載最大螺栓 按單個螺栓聯(lián)接的計算方法計算 二、基本假定二、基本假定 1、各螺栓剛度相同； 2、各螺栓F相同； 3、變形在彈性范圍內(nèi)； 4、被聯(lián)件為剛體； 三、四種典型

15、受載情況時三、四種典型受載情況時 的受力分析的受力分析 1、受軸向載荷的螺栓組聯(lián)接 特點：載荷與螺栓軸線平行，并通過螺栓組對稱中心。 各螺栓組平均受載： F=FQ/z 螺栓還受F F0 3 . 14 2 0 C d F 工作條件：F”0 2、受橫向載荷的螺栓組聯(lián)接 FR FR a)用受拉螺栓聯(lián)接 FF F FF F FR/2 FR/2 （1）特點：橫向載荷作用線與螺栓軸線垂直，并通過螺栓組對稱中心。 （2）承載方式： 形閉合：受剪螺栓（靠桿的剪切與擠壓承載） 力閉合：受拉螺栓（由F在結(jié)合面產(chǎn)生的摩擦力承載） （3）受力分析 a 、受拉螺栓 工作條件： Rfs FkzmF zm Fk F s R

16、f 按僅受F的緊聯(lián)接計算。 式中：s 結(jié)合面的摩擦系數(shù)； z 螺栓個數(shù)； m 結(jié)合面數(shù)目，圖中m=2； kf可靠系數(shù)（防滑系數(shù)）， kf=1.11.5； FR FR b)用受剪螺栓聯(lián)接 Fs/2Fs/2 Fs/2 Fs Fs/2 Fs FR/2 FR/2 b、受剪螺栓 假定每個螺栓受載相同，則 工作條件： Rs FFz zFF RS / 剪切計算 擠壓計算 3、受旋轉(zhuǎn)力矩T的螺栓組聯(lián)接 特點：在轉(zhuǎn)矩T作用下，底板有繞螺栓組形心軸線O-O旋轉(zhuǎn)的趨勢。 橫向力 受拉螺栓 受剪螺栓 摩擦力承載，各螺栓處產(chǎn)生相等 的摩擦力 F s （1）受拉螺栓聯(lián)接 工作條件： TkrFrFrF fzsss 21 z

17、 i is f zs f r Tk rrr Tk F 1 21 )( （2）受剪螺栓聯(lián)接 靠剪切和擠壓承載，各螺栓在T作用 下受橫向力Fs。 問題：Fs1= Fs2= = Fsz ？ 即Fsi與ri成正比： z szss r F r F r F 2 2 1 1 或 i sis r F r F max max 工作條件： Fs1r1+ Fs2r2+ + Fszrz= T 變形協(xié)調(diào)條件：底板視為剛體，ri 剪切變形量 Fsi max max r r FF i ssi 代入工作條件中： z i i z s r Tr rrr Tr F 1 2 max 22 2 2 1 max max 4、受翻轉(zhuǎn)力矩M

18、（傾覆力矩） 的螺栓組聯(lián)接 特點：在M作用下，底板有 繞螺栓組形心軸翻轉(zhuǎn)的趨勢。 作用M前：各螺栓受相同F(xiàn) 作用M后：左側(cè)：F拉(不均勻)， 右側(cè)：F壓(不均勻) F 工作條件： MrFrFrF zz 2211 變形協(xié)調(diào)條件： max max 2 2 1 1 r F r F r F r F z z z i i z r rM rrr rM F 1 2 max 22 2 2 1 max max 其它條件： 附加校核 討論：設(shè)計時，如何布置螺栓更合理？ 遠(yuǎn)離對稱中心riFmax 實際應(yīng)用可轉(zhuǎn)化為上述四種狀態(tài)的不同組合：分別計算 迭加 橫向載荷和旋轉(zhuǎn)力矩 F 軸向載荷和翻轉(zhuǎn)力矩F 0 F 強度計算 左

19、側(cè)不出現(xiàn)縫隙 右側(cè)邊緣不壓潰 6 6 提高螺紋聯(lián)接強度的措施提高螺紋聯(lián)接強度的措施 1、機理工作時， 螺栓受拉，p 螺母受壓，p 兩者產(chǎn)生螺距差 一、改善螺紋牙間受力分配一、改善螺紋牙間受力分配 第一圈：p最大，受力最大 第810圈后幾乎不受力 各圈受載不均 采用加高螺母不能 提高聯(lián)接強度。 2、辦法 采用受拉螺母（變形一致） 減小螺栓螺母螺距變化差 二、減小附加彎曲應(yīng)力二、減小附加彎曲應(yīng)力 螺紋牙根 彎曲應(yīng)力 斷裂 螺紋孔不正、被聯(lián)件表面不平、發(fā)生變形等。 引起附加彎曲應(yīng)力因素： a)螺栓受偏心載荷 e F b)被聯(lián)接件剛度不夠 a)采用球面墊圈 抗彎 力偶 e)采用環(huán)腰d)采用沉頭座 b)采用斜墊圈 c)采用凸臺 措施：墊圈、凸臺、沉孔等。思考：采用凸臺、沉孔的目的？ 三、減輕應(yīng)力集中三、減輕應(yīng)力集中 收尾：退刀槽；增大牙根處過渡圓角半徑。 四、降低應(yīng)力幅四、降低應(yīng)力幅 a a max 一定時：a疲勞強度 當(dāng)F、F”不變時： c1 或 c2。 措施： 1）螺栓長度