中職教材 螺紋連接

1、 第第5 5章章 螺紋連接螺紋連接 Screw joints 5-1 連接類型和螺紋連接簡介 Types of the joints and screw joints 5-2 螺紋連接的預(yù)緊和防松 Tightening and preventing unscrewing of screw joints 5-3 螺紋連接的強度計算 Strength calculations for a bolt 5-4 螺紋組連接的設(shè)計 Forces in group of screw joints 5-5 提高螺栓連接強度的措施 Measures of increasing joint strength of

2、 bolts 習(xí)題課習(xí)題課：螺紋連接設(shè)計實例 Design example of screw joint 主要內(nèi)容主要內(nèi)容 教學(xué)目標(biāo)教學(xué)目標(biāo) 與教學(xué)與教學(xué) 重點重點 1） 螺紋連接的基本類型及之間的區(qū)別；螺紋連接的基本類型及之間的區(qū)別； 2） 防松的必要性、基本原理和具體措施。防松的必要性、基本原理和具體措施。 3） 既受預(yù)緊力又受工作載荷的受拉緊螺栓連接強度計算。既受預(yù)緊力又受工作載荷的受拉緊螺栓連接強度計算。 4） 螺栓組連接的設(shè)計。螺栓組連接的設(shè)計。 1）熟悉螺紋連接的基本類型及其之間的區(qū)別；）熟悉螺紋連接的基本類型及其之間的區(qū)別； 2）了解螺紋連接擰緊的目的擰緊力矩的計算方法；）了解螺

3、紋連接擰緊的目的擰緊力矩的計算方法； 3）掌握螺紋連接防松的必要性以及防松的基本原理和措施；）掌握螺紋連接防松的必要性以及防松的基本原理和措施； 4） 掌握受剪螺栓連接強度計算方法；掌握受剪螺栓連接強度計算方法； 5） 掌握受拉螺栓連接強度計算方法。掌握受拉螺栓連接強度計算方法。 6）掌握螺栓組受力分析的方法；）掌握螺栓組受力分析的方法； 7） 掌握提高螺栓連接強度的幾項措施。掌握提高螺栓連接強度的幾項措施。 教教 學(xué)學(xué) 目目 標(biāo)標(biāo) 教教 學(xué)學(xué) 重重 點點 5-1 連接類型和螺紋連接簡介 Types of the joints and screw joints B 連接類型 B 螺紋的類型和主

4、要參數(shù) B 螺紋連接的類型和應(yīng)用 一、連接類型 Types of the joints Joints Separable joints Permanent joints Screw joints Key, spline and pin joints Shaped joints Interference fit joints Riveted joints Welded joints Adhesive joints Elastic ring joints Shafthub joints 二、螺紋的類型和主要參數(shù) Types and main parameters of screw 1.1.螺紋的形

5、成：螺紋的形成： 2.2.螺紋的分類：螺紋的分類： 3.3.螺紋的主要參數(shù)螺紋的主要參數(shù) a)按螺旋線方向分按螺旋線方向分: b)按螺旋線頭數(shù)分按螺旋線頭數(shù)分: c)按螺紋在母體的內(nèi)外表面分按螺紋在母體的內(nèi)外表面分: d)按螺紋的母體分按螺紋的母體分: e)按牙形分按牙形分: 左旋、右旋左旋、右旋 單線、多線單線、多線 外螺紋、內(nèi)螺紋外螺紋、內(nèi)螺紋 圓柱螺紋、圓錐螺紋圓柱螺紋、圓錐螺紋 三角形螺紋、矩形螺紋、梯形螺紋和鋸齒形螺紋三角形螺紋、矩形螺紋、梯形螺紋和鋸齒形螺紋 詳細(xì) 4.4.螺紋副的受力關(guān)系：螺紋副的受力關(guān)系： vt FFtan 擰緊時 vt FFtan 放松時 3 螺紋的主要參數(shù)

6、大徑d即螺紋的公稱直徑 小徑d1常用于連接的強度計算 中徑d2常用于連接的幾何計算 螺距P螺紋相鄰兩個牙型上 對應(yīng)點間的軸向距離 牙型角a螺紋軸向截面內(nèi)，螺紋 牙型兩側(cè)邊的夾角 線數(shù)n螺紋的螺旋線數(shù)目 導(dǎo)程S螺紋上任一點沿同一條 螺旋線轉(zhuǎn)一周所移動的 軸向距離，S=nP 升角y螺旋線的切線與垂直于 螺紋軸線的平面間的夾角 22 arctanarctan d nP d S y 螺紋連接通常有以下幾種形式： n螺栓連接 Bolt joints n雙頭螺柱連接 Stud joints n螺釘連接 Cap screw joints n緊定螺釘連接 Setscrew joints 三、螺紋連接簡介和應(yīng)用

7、 Screw joints and their applications 此外，還有一些特殊結(jié)構(gòu)的連接。例如： 標(biāo)準(zhǔn)螺紋連接件 1、螺紋連接的主要類型： 2、螺紋連接工程中的應(yīng)用： 轎車 機床 摩托車 飛機機翼 發(fā)動機氣缸 化工管道 自行車鎖緊螺母 汽車輪胎 5-2 螺紋連接的預(yù)緊和防松 Tightening and preventing unscrewing of screw joints A 螺紋連接的預(yù)緊 Tightening of screw joints A 螺紋連接的防松 Preventing unscrewing of screw joints 利用控制擰緊力矩的方法來控制預(yù)緊力

8、的大小。通?？刹捎美每刂茢Q緊力矩的方法來控制預(yù)緊力的大小。通?？刹捎脺y力矩扳手測力矩扳手或或 定力矩扳手定力矩扳手，對于重要的螺栓連接，也可以采用，對于重要的螺栓連接，也可以采用測定螺栓伸長測定螺栓伸長的方法來控制預(yù)的方法來控制預(yù) 緊力。緊力。 大多數(shù)螺紋連接在裝配時都需要擰緊，使之在承受工作載荷之前，大多數(shù)螺紋連接在裝配時都需要擰緊，使之在承受工作載荷之前， 預(yù)先受到力的作用，這個預(yù)加作用力稱為預(yù)緊力。預(yù)先受到力的作用，這個預(yù)加作用力稱為預(yù)緊力。 增強連接的可靠性和緊密性，以防止受載后被連接件間出現(xiàn)縫隙增強連接的可靠性和緊密性，以防止受載后被連接件間出現(xiàn)縫隙 或發(fā)生相對移動?；虬l(fā)生相對移動

9、。 注意：對于重要的連接，應(yīng)盡可能不采用直徑過小注意：對于重要的連接，應(yīng)盡可能不采用直徑過小(M12)的螺栓。的螺栓。 擰緊后螺紋連接件的預(yù)緊應(yīng)力不得超過其材料的屈服極限擰緊后螺紋連接件的預(yù)緊應(yīng)力不得超過其材料的屈服極限s ss的的80%。 v 預(yù)緊力預(yù)緊力： v 預(yù)緊的目的預(yù)緊的目的： v 預(yù)緊力的確定原則預(yù)緊力的確定原則： v 預(yù)緊力的控制預(yù)緊力的控制： v 預(yù)緊力和預(yù)緊力矩之間的關(guān)系：預(yù)緊力和預(yù)緊力矩之間的關(guān)系：dFT 0 2 . 0 詳細(xì)推導(dǎo) 一、螺紋連接的預(yù)緊 Tightening of screw joints 二、螺紋連接的防松 Preventing unscrewingPrev

10、enting unscrewing of screw jointsof screw joints 在靜載荷下，螺紋連接能滿足自鎖條件：導(dǎo)程角小于當(dāng)在靜載荷下，螺紋連接能滿足自鎖條件：導(dǎo)程角小于當(dāng) 量摩擦角。量摩擦角。 但在沖擊、振動和變載荷作用下，或當(dāng)溫度變但在沖擊、振動和變載荷作用下，或當(dāng)溫度變 化較大時，連接有可能松動，甚至松開，容易發(fā)生事故。所化較大時，連接有可能松動，甚至松開，容易發(fā)生事故。所 以，在設(shè)計螺紋連接時，必須考慮防松問題。以，在設(shè)計螺紋連接時，必須考慮防松問題。 防松的根本問題在于防止螺紋副在受載時發(fā)生相對轉(zhuǎn)動。防松的根本問題在于防止螺紋副在受載時發(fā)生相對轉(zhuǎn)動。 根據(jù)工作原

11、理來劃分，有根據(jù)工作原理來劃分，有利用摩擦利用摩擦、機械防松機械防松和和破壞螺破壞螺 紋副關(guān)系紋副關(guān)系三種方法。三種方法。 1、防松的必要性防松的必要性 2、防松的根本問題、防松的根本問題 3. 3. 防松的方法防松的方法 請見實例 實例 動畫模擬 實例 二、受剪螺栓（鉸制孔螺栓）二、受剪螺栓（鉸制孔螺栓） 5-3 螺紋連接的強度計算 Strength calculations for screw joints 一、受拉螺栓（普通螺栓） 1、受拉松螺栓、受拉松螺栓 2、受拉緊螺栓、受拉緊螺栓 a、受橫向工作載荷的受拉緊螺栓連接、受橫向工作載荷的受拉緊螺栓連接 (僅承受預(yù)緊力的緊螺栓連接僅承受預(yù)

12、緊力的緊螺栓連接) b、受軸向工作載荷的受拉緊螺栓連接受軸向工作載荷的受拉緊螺栓連接 (承受預(yù)緊力和工作拉力的緊螺栓連接承受預(yù)緊力和工作拉力的緊螺栓連接) (承受工作剪力的緊螺栓連接承受工作剪力的緊螺栓連接) 一、一、 受拉螺栓受拉螺栓 Tensile bolts 1. 受拉松螺栓 Loose bolts 這種連接只能承受靜載荷，螺栓這種連接只能承受靜載荷，螺栓 在工作時才受拉力在工作時才受拉力F。 當(dāng)連接承受工作載荷當(dāng)連接承受工作載荷F 時，螺時，螺 栓所受的工作拉力為栓所受的工作拉力為F，其螺紋部，其螺紋部 分的強度條件為：分的強度條件為： s s 2 1 4 d F 或：或： s F d

13、 4 1 校核式校核式 設(shè)計式設(shè)計式 2.只受預(yù)緊力的緊螺栓只受預(yù)緊力的緊螺栓 Tight bolts only subject to preload 一、一、 受拉螺栓受拉螺栓 Tensile bolts 緊螺栓連接裝配時，螺母需要擰緊，在擰緊力矩的作用下，螺栓除受緊螺栓連接裝配時，螺母需要擰緊，在擰緊力矩的作用下，螺栓除受 預(yù)緊力預(yù)緊力F0的拉伸而產(chǎn)生拉伸應(yīng)力外，還受螺紋摩擦力矩的拉伸而產(chǎn)生拉伸應(yīng)力外，還受螺紋摩擦力矩T1的扭轉(zhuǎn)而產(chǎn)生扭的扭轉(zhuǎn)而產(chǎn)生扭 切應(yīng)力，使螺栓處于拉伸和扭轉(zhuǎn)的復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下。切應(yīng)力，使螺栓處于拉伸和扭轉(zhuǎn)的復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下。 2 1 0 4 d F s 3 1 2 0 1

14、6 2 tan d d F W T v T sss3 . 13 22 ca s s 2 1 0 4 3 . 1 d F ca (受橫向載荷的緊螺栓連接) 根據(jù)第四強度理論，根據(jù)第四強度理論， 螺栓在預(yù)緊狀態(tài)下螺栓在預(yù)緊狀態(tài)下 的計算應(yīng)力的計算應(yīng)力: : 強度條件：強度條件： F0 F0 F F F0 F0 F F F0 F0 F F s5 . 0 說明 螺紋連接的強度計算3 (受軸向載荷的緊螺栓連接) F D D p 螺栓預(yù)緊力F0后，在工作拉力F 的作 用下，螺栓的總拉力F2 = ? FFF 12 s s 4/ 3 . 1 2 1 2 ca d F F CC C FF mb b 02 這時螺

15、栓的總拉力為： 為使工作載荷作用后，連接結(jié)合面間有殘余預(yù)緊力F1存在，要求螺栓 連接的預(yù)緊力F0為： F CC C FF mb m 10 靜強度條件： 式中F1為殘余預(yù)緊力，為保證連接的緊密性，應(yīng)使 F1 0，一般根據(jù) 連接的性質(zhì)確定F1的大小。 式中： mb b CC C 為螺栓的相對剛度，其取值范圍為 01。 詳細(xì)分析 疲勞強度校核 工作過程模擬 3.Tight bolts subject to preload and operating loadC 承受預(yù)緊力和工作載荷聯(lián)合作用的緊螺栓 螺紋連接的強度計算4 (承受工作剪力的緊螺栓連接) 這種連接是利用鉸制孔用螺栓抗剪切來承受載荷的。螺栓

16、桿與孔壁之間 無間隙，接觸表面受擠壓。在連接結(jié)合面處，螺栓桿則受剪切。 螺栓桿與孔壁的 擠壓強度條件為： 螺栓桿的剪切 強度條件為： 式中：F螺栓所受的工作剪力，單位為N； d0螺栓剪切面的直徑（可取螺栓孔直徑），單位為mm； Lmin螺栓桿與孔壁擠壓面的最小高度，單位為mm；設(shè)計時 應(yīng)使Lmin1.25d0 P min0 P ss Ld F 2 0 4 d F F F d0 Lmin 二、 受剪螺栓 Shear bolts 動畫模擬 n螺栓組連接的結(jié)構(gòu)設(shè)計 n螺栓組連接的受力分析 5-4 螺栓組連接的設(shè)計 Design of group of bolt joints 螺紋連接組的設(shè)計1 在設(shè)

17、計螺栓組連接時，關(guān)鍵是連接的結(jié)構(gòu)設(shè)計。它是根據(jù)被連接件的結(jié)在設(shè)計螺栓組連接時，關(guān)鍵是連接的結(jié)構(gòu)設(shè)計。它是根據(jù)被連接件的結(jié) 構(gòu)和連接的用途，確定螺栓數(shù)目和分布形式。構(gòu)和連接的用途，確定螺栓數(shù)目和分布形式。 v為了便于加工制造和對稱布置螺栓，保證連接結(jié)合面受力均勻，通常聯(lián)為了便于加工制造和對稱布置螺栓，保證連接結(jié)合面受力均勻，通常聯(lián) 接結(jié)合面的幾何形狀都設(shè)計成軸對稱的簡單幾何形狀。接結(jié)合面的幾何形狀都設(shè)計成軸對稱的簡單幾何形狀。 v螺栓布置應(yīng)使各螺栓的受力合理。螺栓布置應(yīng)使各螺栓的受力合理。 v螺栓的排列應(yīng)有合理的間距、邊距。螺栓的排列應(yīng)有合理的間距、邊距。 v 為了便于在圓周上鉆孔時的分度和畫線

18、，通常分布在同一圓周上的螺栓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)目取成數(shù)目取成4、6、8等偶數(shù)。等偶數(shù)。 v避免螺栓承受附加的彎曲載荷。避免螺栓承受附加的彎曲載荷。 說明說明 說明說明 說明說明 一、螺栓組連接的結(jié)構(gòu)設(shè)計 各螺栓之間的距離大小既要保證連接的可靠性又要考慮裝拆方便，還應(yīng)各螺栓之間的距離大小既要保證連接的可靠性又要考慮裝拆方便，還應(yīng) 留有足夠的扳手空間。留有足夠的扳手空間。 舉例舉例 螺紋連接組的設(shè)計2 1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)連接的結(jié)構(gòu)和受載情況，求出受力最大的螺栓受力分析的目的：根據(jù)連接的結(jié)構(gòu)和受載情況，求

19、出受力最大的螺栓 及其所受的力，以便進(jìn)行螺栓連接的強度計算。及其所受的力，以便進(jìn)行螺栓連接的強度計算。 受力分析時所作假設(shè)：所有螺栓的材料、直徑、長度和預(yù)緊力均相同；受力分析時所作假設(shè)：所有螺栓的材料、直徑、長度和預(yù)緊力均相同； 受載后連接接合面仍保持為平面。受載后連接接合面仍保持為平面。 受力分析的類型：受力分析的類型： 二、螺栓組連接的受力分析 螺栓組的對稱中心與連接接合面的形心重合；螺栓組的對稱中心與連接接合面的形心重合； F F ri O O M T fF0 fF0 FF Forces in group of bolts 螺紋連接組的設(shè)計3 （1）對于受剪螺栓（鉸制孔用螺栓）連接（圖b

20、），每個螺栓所受工作剪力 為： （2）對于受拉螺栓（普通螺栓）連接（圖a） ，按預(yù)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： 式中：z為螺栓數(shù)目。 1受橫向載荷的螺栓組連接 z F F FKzifF S0 fzi FK F S 0 或 Ks為防滑系數(shù)，設(shè)計中可取Ks =1.11.3。 F F FF b) a) 動畫模擬 The group of bolts bears transverse forces 螺紋連接組的設(shè)計4 2受轉(zhuǎn)矩的螺栓組連接 TKfrFfrFfrF sz02010 TrF z i ii 1 采用受拉螺栓，是靠連接預(yù)緊后在接合 面間產(chǎn)生的摩擦力矩來抵抗

21、轉(zhuǎn)矩T。 采用受剪螺栓，是靠螺栓的剪切和螺栓 與孔壁的擠壓作用來抵抗轉(zhuǎn)矩T。 i i r F r F max max Z i i r Tr F 1 2 max max z i i rf TK F 1 S 0 動畫模擬 動畫模擬 The group of bolts bears rotating torque 螺紋連接組的設(shè)計5 3受軸向載荷的螺栓組連接 若作用在螺栓組上軸向總載荷F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： 通常，各個螺栓還承受預(yù)緊力F0的作用，當(dāng)連接要有保證的殘余預(yù)緊 力為F1時，每個螺栓所承受的總載荷F2為。 z F

22、 F F2 = F1 + F Group of bolts bears axial force 螺紋連接組的設(shè)計6 4受傾覆力矩的螺栓組連接 傾覆力矩 M 作 用在連接接合面的 一個對稱面內(nèi)，底 板在承受傾覆力矩 之前，螺栓已擰緊 并承受預(yù)緊力F0。 作用在底板兩 側(cè)的合力矩與傾覆 力矩M平衡，即： 由此可以求出最大工作載荷： z i LFM 1 ii Z i L ML F 1 2 i max max 動畫模擬 Group of tensile bolts bears inverting moment max max L L FF i i 螺紋連接組的設(shè)計7 0 maxPP W M A zF

23、ss 0 0 minP W M A zF s 螺栓的總拉力： max mb b 02 F CC C FF 為防止結(jié)合面受壓最大處被壓碎或受壓最小處出現(xiàn)間隙，要求： 4受傾覆力矩的螺栓組連接 Group of tensile bolts bears inverting moment 提高螺紋連接強度的措施 以螺栓連接為例，螺栓連接的強度主要取決于螺栓的強度，因此，提高 螺栓的強度，將大大提高連接系統(tǒng)的可靠性。 影響螺栓強度的因素主要有以下幾個方面，或從以下幾個方面提高螺栓 強度。 改善螺紋牙上載荷改善螺紋牙上載荷 分布不均的現(xiàn)象分布不均的現(xiàn)象 降低影響螺栓疲降低影響螺栓疲 勞強度的應(yīng)力幅勞強度的

24、應(yīng)力幅 減小應(yīng)力集中減小應(yīng)力集中 的影響的影響 采用合理的制采用合理的制 造工藝造工藝 分析 分析分析 5-5 提高螺栓連接強度的措施 Methods of increasing joint strength of bolts 過程模擬 已知：支架和底板用2個受拉螺栓連接。支架和底板的材料為HT200、螺栓 的材料為Q235，支架重量不計。P=3000N、30、A200mm、B 50mm、2l250mm、H1300mm、 H2200mm、C60mm，試設(shè)計此螺 栓連接。 習(xí)題課： 螺栓連接設(shè)計實例 分析：此螺栓組采用受拉螺栓、并有軸向工作載荷， 設(shè)計公式如下： 其中受力最大螺栓的總拉力F2 、

25、螺栓的許用拉應(yīng)力 為未知 量。 通過查表得到， F2 通過受力分析獲得。 1.3F4 d 2 1 max mb b 012 F CC C FFFF 為計算方便，我們采用后一公式求F2。則首先應(yīng)求出受 力最大螺栓的工作載荷Fmax和預(yù)緊力F0。 一、螺栓組連接受力分析 1. 力系簡化力系簡化 2. 受力最大螺栓工作拉力受力最大螺栓工作拉力Fmax ）（ ）（ ）（ mN43005. 025892 . 01500QBRAM N150030sin3000PsinR N258930cos3000cosPQ ）（ ）（ ）（ N301917201299FFFF FFF N1720 25.0 430 2

26、M r.rr Mr F N1299 2 2589 Z Q F MQImax MQI 22 z 2 2 2 1 max M Q l l 3、分析可能的失效形式 n強度不滿足 n在橫向載荷R的作用下，支架有向下滑移的可能 n在軸向載荷Q的和傾覆力矩M的作用下，結(jié)合面上部可 能離縫； n在軸向載荷Q的和傾覆力矩M的作用下，支架或底板下 部被壓潰。 max mb m max mb m 10 maxmax1 F) CC C 4 . 0(F CC C FF F4 . 0F) 6 . 02 . 0(F 4、 確定確定F0？ （2）不滑移條件 無關(guān)）產(chǎn)生的（與 ）（）（ ）（ ）（ ）（ Q mb ms 0 2 Q mb m 0Q mb m 0II1I1 MQ mb m 0II mb m 0II1 MQ mb m 0I mb m 0I1 sII1I1 s0 F CC C Z RK F FM 2ZF CC C FZF CC C 2F2FF FF CC C FF CC C FF FF CC C FF CC C F RKFF RK f F f zifF （1）不離縫條件 N853912998 . 0 213. 0 15003 . 1 F CC CRK F