第11章 螺紋連接的強度設(shè)計

第11章螺紋連接的強度設(shè)計11.1螺紋11.2螺紋連接的類型和標(biāo)準(zhǔn)連接件11.3螺紋連接的預(yù)緊與防松11.4螺紋連接的力分析11.5螺紋連接的強度計算11.6螺紋連接的材料及性能等級由于使用、結(jié)構(gòu)、制造、裝配、運輸?shù)确矫娴脑?，機器中很多零件需要彼此聯(lián)接。機械零件之間的聯(lián)接分為：被聯(lián)接件之間相互完全固定。被聯(lián)接件之間能產(chǎn)生一定的相對運動。例如：運動副。靜聯(lián)接：動聯(lián)接：本課程介紹的聯(lián)接主要是靜聯(lián)接。聯(lián)接的類型：螺紋聯(lián)接鍵聯(lián)接、花鍵聯(lián)接、銷聯(lián)接彈性環(huán)聯(lián)接等鉚接焊接粘接聯(lián)接可拆聯(lián)接不可拆聯(lián)接過盈聯(lián)接（介于兩者之間）引言允許多次裝拆而無損使用性能的聯(lián)接，可拆聯(lián)接若不損壞組成零件就不能拆開的聯(lián)接，不可拆聯(lián)接2/1/20232設(shè)計聯(lián)接時要滿足的要求：保證聯(lián)接的牢固性；保證聯(lián)接的強度；保證聯(lián)接的剛度；對鍋爐、壓力容器等應(yīng)滿足緊密性要求。2/1/2023311.1.1螺紋的形成將一傾斜角為ψ的直線繞在圓柱上便形成了螺旋線。取一平面圖形，使它沿著螺旋線運動，運動時，保持此圖形通過六圓柱體的軸線，得到螺紋。螺旋線----一動點在一圓柱體的表面上，一邊繞軸線等速旋轉(zhuǎn)，同時沿軸向作等速移動的軌跡。11.1螺紋2/1/20234螺紋有外螺紋與內(nèi)螺紋之分，它們共同組成螺旋副。聯(lián)接用螺紋的當(dāng)量摩擦角較大，有利于實現(xiàn)可靠聯(lián)接；傳動用螺紋的當(dāng)量摩擦角較小，有利于提高傳動的效率。螺紋按工作性質(zhì)分為聯(lián)接用螺紋和傳動用螺紋。11.1.2螺紋的分類螺紋分為外螺紋內(nèi)螺紋常用右旋效率較高，主要用于螺旋傳動此外，還有管螺紋：主要用于管路的聯(lián)接。按牙型的不同分為普通螺紋：矩形螺紋梯形螺紋鋸齒形螺紋效率低，易自鎖，多用于聯(lián)接。圓柱螺紋圓錐螺紋左旋螺紋右旋螺紋單線螺紋多線螺紋2/1/20235左旋和右旋螺紋右旋左旋2/1/20236單線和多線螺紋雙線螺紋單線螺紋PSS=2PPSPS=P沿一根螺旋線形成的螺紋稱單線螺紋；沿兩根以上螺旋線形成的螺紋稱多線螺紋。2/1/20237單線和多線螺紋2/1/20238螺紋聯(lián)接與螺紋傳動2/1/20239螺紋副外螺紋內(nèi)螺紋螺旋副或螺紋副2/1/202310圓柱螺紋和圓錐螺紋圓柱螺紋圓錐螺紋管螺紋2/1/202311六種螺紋沿螺紋軸線方向剖切，所得到的螺紋牙齒剖面的形狀稱為螺紋的牙型。普通螺紋管螺紋自攻螺釘用螺紋矩形螺紋梯形螺紋鋸齒形螺紋2/1/202312六種螺紋-普通螺紋牙型為等邊三角形，牙型角為60°，內(nèi)外螺紋旋合后留有徑向間隙。外螺紋牙根允許有較大的圓角，以減小應(yīng)力集中。同一公稱直徑按螺距大小，分為粗牙和細牙。細牙螺紋的螺距小，升角小，自鎖性好，聯(lián)接強度高，因牙細不耐磨，容易滑扣。一般聯(lián)接多用粗牙螺紋，細牙螺紋常用于細小零件，薄壁管件或受沖擊、振動和變載荷的連接中。細牙螺紋也可作為微調(diào)機構(gòu)的調(diào)整螺紋用60?Pd粗牙dP細牙dP細牙2/1/202313六種螺紋-管螺紋常用的管螺紋根據(jù)牙型角的不同可分為55°和60°的管螺紋，牙頂有較大的圓角，螺紋分布在圓錐管壁上。管螺紋根據(jù)其密封的性能，可將其分為密封管螺紋和非密封管螺紋。密封管螺紋的螺旋副本身具有密封和機械聯(lián)接兩種功能，螺紋旋合后，利用本身的變形就可以保證聯(lián)接的緊密性，不需要任何填料。適用于管子、管接頭、旋塞、閥門和其它螺紋聯(lián)接的附件。非密封管螺紋則螺旋副本身僅具有機械聯(lián)接一種功能，但它可以鎖緊螺紋以外的密封結(jié)構(gòu)。管螺紋的尺寸規(guī)格直接采用相應(yīng)管子的尺寸規(guī)格，選用時只能使用與管子具有相同尺寸規(guī)格的管螺紋。2/1/202314六種螺紋-自攻螺釘用螺紋自攻螺釘用螺紋主要用于金屬薄板的聯(lián)接。自攻螺釘用螺紋與普通螺紋相比，牙型相同的，但是在相同的大徑時，自攻螺紋的螺距大而小徑則略小。自攻螺釘用螺紋已是一種標(biāo)準(zhǔn)化的螺紋。2/1/202315六種螺紋-矩形螺紋牙型為正方形，牙型角α=0°，其傳動效率較其它螺紋高，但牙根強度弱，螺旋副磨損后，間隙難以修復(fù)和補償，傳動精度降低。為了便于銑、磨削加工，可制成10°的牙型角。目前尚未標(biāo)準(zhǔn)化，已逐漸被梯形螺紋所代替。2/1/202316六種螺紋-梯形螺紋牙型為等腰梯形，牙型角為α＝30°，內(nèi)外螺紋以錐面貼緊不易松動。與矩形螺紋相比，傳動效率略低，但工藝性好，牙根強度高，對中性好。如用剖分螺母，還可以調(diào)整間隙。梯形螺紋是最常用的傳動螺紋。30o2/1/202317六種螺紋-鋸齒形螺紋牙型為不等腰梯形，工作面的牙側(cè)角為3°，非工作面的牙側(cè)角為30°，外螺紋牙根有較大的圓角,以減小應(yīng)力集中。內(nèi)、外螺紋旋合后，大徑處無間隙，便于對中。這種螺紋兼有矩形螺紋傳動效率高、梯形螺紋牙根強度高的特點，但只能用于單向受力的螺紋聯(lián)接或螺旋傳動中，如螺旋壓力機。30o3o2/1/20231811.1.3普通螺紋的主要參數(shù)大徑d－與外螺紋牙頂（內(nèi)螺紋牙底）相重合的假想圓柱體的直徑，即螺紋的公稱直徑。小徑d1－與外螺紋牙底（內(nèi)螺紋牙頂）相重合的假想圓柱體的直徑，常用于聯(lián)接的強度計算。中徑d2－假想圓柱體的直徑，該圓柱的母線上牙形溝槽和凸起寬度相等。常用于聯(lián)接的幾何計算。線數(shù)n－螺紋的螺旋線數(shù)目。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。梯形螺紋15o鋸齒形螺紋30o3o三角形螺紋30o2/1/202319接觸高度h—內(nèi)處螺紋旋全后的接觸面的徑向高度。升角ψ－螺旋線的切線與垂直于螺紋軸線的平面間的夾角。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

ψ的計算式為：hd2πd2SPPSPPψ2/1/20232011.2螺紋連接的基本類型和螺紋連接件螺紋連接的組成螺紋連接件―螺栓（釘）、螺母、墊圈等被連接件―箱蓋、箱座注意：螺紋連接和螺紋連接件的不同意義。箱蓋箱座墊圈螺栓螺母2/1/20232111.2.1

螺紋連接的基本類型螺栓普通螺栓聯(lián)接鉸制孔用螺栓聯(lián)接螺釘聯(lián)接雙頭螺柱聯(lián)接緊定螺釘聯(lián)接2/1/2023221.螺栓連接普通螺栓連接鉸制孔用螺栓連接孔與螺桿之間留有間隙注意：兩種連接的異同孔與螺桿之間沒有間隙2/1/202323普通螺栓聯(lián)接普通螺栓聯(lián)接的結(jié)構(gòu)特點是被聯(lián)接件的通孔與普通螺栓的桿部之間留有一定的間隙。通孔的加工精度要求較低，結(jié)構(gòu)簡單，裝拆方便，應(yīng)用十分廣泛。螺栓孔的直徑大約是螺栓公稱直徑的1.1倍。鉸制孔用螺栓聯(lián)接鉸制孔用螺栓聯(lián)接（也稱配合螺栓聯(lián)接）的被聯(lián)接件通孔與螺栓的桿部之間多采用基孔制過渡配合，螺栓能精確固定被聯(lián)接件的相對位置，并能承受橫向載荷。這種聯(lián)接對孔的加工精度要求較高，應(yīng)精確鉸制加工而成，聯(lián)接也因此得名。2/1/202324螺栓聯(lián)接2/1/202325FFfFFfF0F0F0F0傳力方式F0F0FF普通螺栓靠摩擦傳力F0F02/1/202326FFFF注意重點：當(dāng)連接受橫向外載荷F時普通螺栓受到的是軸向拉力F0（預(yù)緊力）而鉸制孔螺栓受到的是橫向力F（剪切力、擠壓力）鉸制孔用螺栓靠剪切和擠壓傳力2/1/2023272.雙頭螺柱聯(lián)接雙頭螺柱聯(lián)接使用于結(jié)構(gòu)上不能采用螺栓聯(lián)接的場合，例如，被聯(lián)接件之一太厚不宜制成通孔，材料又比較軟，且需要經(jīng)常拆卸的場合。3.螺釘聯(lián)接螺釘聯(lián)接的特點是螺釘直接擰入被聯(lián)接件的螺紋孔中，不必用螺母，結(jié)構(gòu)簡單緊湊。擔(dān)當(dāng)要經(jīng)常拆卸時，易使螺紋孔磨損，導(dǎo)致被聯(lián)接件報廢，故多用于受力不大，不許經(jīng)常拆卸的場合。2/1/202328雙頭螺柱聯(lián)接2/1/202329螺釘聯(lián)接2/1/202330雙頭螺柱連接與螺釘連接的異同相同之處：被連接件之一太厚，不宜鉆通孔不同之處：雙頭螺柱連接能常拆卸，螺釘連接不宜拆卸2/1/2023314.緊定螺釘聯(lián)接

緊定螺釘聯(lián)接是利用擰入零件螺紋孔中的螺釘末端頂住另一零件的表面或頂入相應(yīng)的凹坑中，以固定兩個零件的相對位置，并可同時傳遞不太大的力或力矩。

上列左圖為用平端緊定螺釘?shù)穆?lián)接，這種聯(lián)接不傷零件表面；右圖為用錐端緊定螺釘?shù)穆?lián)接，這種聯(lián)接通常應(yīng)在被聯(lián)接件上預(yù)制一錐凹坑。2/1/202332緊定螺釘聯(lián)接2/1/2023335.其他形式的螺紋連接除上述聯(lián)接的基本類型外，在機器中，還有一些特殊結(jié)構(gòu)的螺紋聯(lián)接。如：T型槽螺栓聯(lián)接、吊環(huán)螺釘聯(lián)接和地腳螺栓聯(lián)接等。T型槽螺栓聯(lián)接吊環(huán)螺釘聯(lián)接地腳螺栓聯(lián)接2/1/20233411.2.2標(biāo)準(zhǔn)螺紋聯(lián)接件螺紋聯(lián)接的類型很多，在機械制造中常見的螺紋聯(lián)接件的結(jié)構(gòu)型式和尺寸都已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，設(shè)計時可以根據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)選用。普通螺栓鉸制孔用螺栓內(nèi)六角螺栓雙頭螺柱機器螺釘緊定螺釘自攻螺釘六角螺母平墊圈彈簧墊圈止動墊圈詳細介紹2/1/20233511.3螺紋連接的預(yù)緊與防松11.3.1螺紋連接的預(yù)緊預(yù)緊―螺紋連接在裝配時的擰緊1.控制預(yù)緊力的原因

以增強連接的剛性、緊密性和防松能力。防止被連接件間出現(xiàn)縫隙和相對滑動。提高連接的強度。2.預(yù)緊力的確定原則擰緊后螺紋聯(lián)接件的預(yù)緊應(yīng)力不得超過其材料的屈服極限ss的80%。對于一般聯(lián)接用的鋼制螺栓聯(lián)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為螺栓材料的屈服極限；

A1為螺栓小徑處的截面積，

2/1/202336利用控制擰緊力矩的方法來控制預(yù)緊力的大小。通?？刹捎脺y力矩扳手或定力矩扳手，對于重要的螺栓聯(lián)接，也可以采用測定螺栓伸長的方法來控制預(yù)緊力。預(yù)緊力的控制：測力矩扳手的工作原理是根據(jù)扳手上的彈性元件１，在擰緊力的作用下所產(chǎn)生的彈性變形來指示擰緊力矩的大小。為了便于計量，可將指示刻度２直接以力矩值標(biāo)出。2/1/202337工作原理：當(dāng)擰緊力矩超過規(guī)定值時，彈簧3被壓縮，扳手卡盤1與圓柱銷2之間打滑，如果繼續(xù)轉(zhuǎn)動手柄，卡盤即不再轉(zhuǎn)動。擰緊力矩的大小可利用螺釘4調(diào)整彈簧壓緊力來加以控制。2/1/202338測定螺栓伸長控制預(yù)緊力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，也不適用于大型的螺栓聯(lián)接。為此，可以有采用測定螺栓伸長的方法來控制預(yù)緊力。2/1/202339

預(yù)緊力和預(yù)緊力矩之間的關(guān)系：對于一定公稱直徑d的螺栓，當(dāng)所要求的預(yù)緊力F0已知時，可按上述公式估計扳手的擰緊力矩T。一般普通的標(biāo)準(zhǔn)扳手的長度L≈15d，若擰緊力為F，則T=FL，因此有F0≈75F。若假設(shè)F=200N，則F0≈15000N。如果用這個預(yù)緊力擰緊M12以下的鋼制螺栓，就有可能被過載擰斷。因此，對于重要的聯(lián)接，應(yīng)盡量不采用直徑過小(例如小于M12）的螺栓。必須使用時，應(yīng)嚴(yán)格控制其擰緊力矩。式中：T——加于扳手上的擰緊力矩(N.mm)F0——螺栓的預(yù)緊力（計算從略）(N)d——螺紋的公稱直徑（大徑）(mm)F0的計算2/1/202340擰緊力矩計算2/1/202341螺紋聯(lián)接一般都能滿足自鎖條件，擰緊后螺母和螺栓頭部等支承面上也有防松作用，所以在靜載荷和工作溫度變化不大時，螺紋聯(lián)接不會自動松脫。但在沖擊、振動或變載荷作用下，或在高溫或溫度變化較大的情況下，螺紋聯(lián)接中的預(yù)緊力和摩擦力會逐漸減小或可能瞬時消失，導(dǎo)致聯(lián)接失效。螺紋聯(lián)接一旦失效，將嚴(yán)重影響機器的正常工作，甚至造成事故。因此，為保證聯(lián)接安全可靠，設(shè)計時必須采取有效的防松措施。防松的根本問題在于防止螺旋副相對轉(zhuǎn)動。按工作原理的不同，防松方法分為摩擦防松、機械防松和破壞螺紋副運動關(guān)系防松等。對于重要的聯(lián)接，特別是在機器內(nèi)部不易檢查的聯(lián)接，應(yīng)采用比較可靠的機械防松。11.3.2螺紋連接的防松2/1/202342螺紋防松方法1/7原理：兩螺母對頂擰緊后，使旋合螺紋間始終受到附加的壓力和摩擦力的作用。特點：結(jié)構(gòu)簡單，適用于平穩(wěn)、低速和重載的固定裝置的聯(lián)接。對頂螺母2/1/202343螺紋防松方法2/7原理：螺母擰緊后，靠墊圈壓平而產(chǎn)生的彈性反力使旋合螺紋間壓緊。同時墊圈斜口的尖端抵住螺母與被聯(lián)接件的支承面也有防松作用。特點：結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，但在振動沖擊載荷作用下，防松效果較差，一般用于不甚重要的聯(lián)接。彈簧墊圈2/1/202344螺紋防松方法3/7原理：

螺母一端制成非圓形收口或開封后徑向收口。當(dāng)螺母擰緊后，收口漲開，利用收口的回彈力使旋合螺紋間壓緊。特點：

結(jié)構(gòu)簡單，防松可靠，可多次裝卸而不降低防松性能。自鎖螺母2/1/202345螺紋防松方法4/7原理：

六角開槽螺母擰緊后，將開口銷穿入螺栓尾部小孔和螺母的槽內(nèi)，并將開口銷尾部掰開與螺母側(cè)面貼緊。特點：

適用于有較大沖擊、振動的高速機械中運動部件的聯(lián)接。2/1/202346螺紋防松方法5/7原理：螺母擰緊后，將單耳或雙耳止動墊圈分別向螺母和被聯(lián)接件的側(cè)面折彎貼緊，即可將螺母鎖住。若兩個螺栓需要雙聯(lián)鎖緊時，可采用雙聯(lián)止動墊圈，使兩個螺母相互制動。特點：

結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，防松可靠。帶舌止動墊片圓螺母與帶翅止動墊片螺栓組止動墊片2/1/202347螺紋防松方法6/7原理：

用鋼絲穿入各螺釘頭部的孔內(nèi)，將各螺釘串聯(lián)起來，使其相互制動。但需注意鋼絲的穿入方向。特點：

適用于螺釘組聯(lián)接，但是拆卸不方便。螺栓組串聯(lián)鋼絲正確錯誤2/1/202348螺紋防松方法7/7膠接沖點焊住2/1/20234911.4螺栓組連接的力分析強度計算連接受力分析11.4.1力分析的合理假設(shè)★同一螺栓組中，每個螺栓的材料、直徑、長度、預(yù)緊力均相等；★螺栓的應(yīng)變沒有超出彈性范圍；★被連接件為剛體體，受載后結(jié)合面仍保持為平面。★螺栓組的對稱中心與連接結(jié)合面的型心重合；單個螺栓受力

F

，F(xiàn)0受力分析的目的―為強度計算提供載荷依據(jù)2/1/202350受力分析的典型類型1.受橫向載荷的螺栓組連接2.受轉(zhuǎn)矩作用的螺栓組連接3.受軸向載荷作用的螺栓組連接4.受傾覆力矩作用的螺栓組連接11.4.2

常見螺栓組受力類型2/1/2023511.受橫向載荷的螺栓（組）連接（1）連接所受外載荷1）采用鉸制孔螺栓連接（2）單元連接受力（3）單個螺栓受力為：Z―螺栓個數(shù)FSFSRRRR對于鉸制孔螺栓連接單元連接所受的力也為單個螺栓所受的力問題：鉸制孔螺栓連接是否考慮預(yù)緊力的作用?2/1/202352RRRR2）采用普通螺栓連接（1）連接所受外載荷（2）取板1為研究對象分析受力（解法1）12Ff（3）螺栓的預(yù)緊力F′F′F′F′F′F′板1的平衡條件為：m—接合面數(shù)m=21RF′F′F′該方法是以整個連接為研究對象的受力分析Ks—防滑系數(shù)Z—螺栓個數(shù)fc—摩擦系數(shù)2/1/20235312（2）單元連接受力F′F′Ff（3）單個螺栓受力F′F′F′F′單個螺栓的預(yù)緊力（1）連接所受外載荷RRRR（解法2）板1單元連接的平衡條件為：1FF′其中：Z=1,m=1該公式是以單元連接為研究對象得出的。2/1/2023542受轉(zhuǎn)矩的螺栓組連接鉸制孔螺栓連接普通螺栓連接分析要點：（1）轉(zhuǎn)矩沒有直接作用螺栓桿上；（2）每個螺栓受的預(yù)緊力相等；（3）每個螺栓處的摩擦力

Ff相等且垂直于螺栓至型心o的連線,且：（4）在轉(zhuǎn)矩T作用下，被連接件不相對轉(zhuǎn)動（連接可靠）條件為：1）采用普通螺栓連接oTF′F′F′F′F′F′F′F′F′F′TTfFfFfTf2/1/202355o2）鉸制孔用螺栓連接分析要點：（1）螺栓桿直接受到扭矩T作用；（2）每個螺栓處的阻抗剪力

Fsi垂直于螺栓至型心o的連線.oτmaxTFmaxFiFsi與螺栓至型心o連線的距離

ri成正比。滿足下列關(guān)系：TTrmaxrir2/1/202356oT連接可靠條件為：強度校核2/1/2023573.受軸向載荷的螺栓組連接分析要點：(1)氣缸未工作前（沒充氣），螺栓已受預(yù)緊力F′作用；(2)汽缸工作后（充氣后）每個螺栓又受到工作拉力F作用（均分F∑）(3)單個螺栓所受到的總拉力

F0不簡單地等于預(yù)緊力F′與工作拉力F之和。即：PF∑F′F′FF2/1/202358δ2λ2δ1λ1力變形（4）單個螺栓的受力變形關(guān)系螺栓剛度―

C1被連接件剛度―

C2被連接件受力性質(zhì)―

壓力（a）（b）δ2δ1F′F′F′F′力變形力變形λ1λ2F′F′δ1δ2F′螺栓受力性質(zhì)―拉力2/1/202359λbλm變形力δ1△FF′FF〞F0（cFFF∑（bPF″F″FF（aδ2δ1F′F′F′F′F″F″δ22/1/202360λ1δ2λ1變形δ1λ1λ2λ1λ2力δ1δ2F′△FF′F″F0F2/1/202361θbλmθm變形λb△FF′F〞FF0令：2/1/202362―螺栓的相對剛度系數(shù),其值的變動范圍從0~1★當(dāng)螺栓剛度C1與被連接件剛度C2相比很小時:總拉力F0與螺栓相對剛度C1之間的關(guān)系則有：→0結(jié)論：當(dāng)螺栓相對剛度很小時，工作拉力F作用螺栓后，螺栓的總拉力F0增加很小。即：F0

≈F′2/1/202363★當(dāng)螺栓剛度Cb與被連接件剛度Cm相比不很小時:注意：★考慮螺栓相對剛度影響：★不考慮螺栓相對剛度影響：結(jié)論:

當(dāng)螺栓的相對剛度

，在同樣的工作拉力

F

作用下，總拉力F0明顯增大，即：

2/1/202364―螺栓的相對剛度系數(shù)，其值在0~1間變化0.2~0.3金屬墊片或無墊片0.7皮革墊片0.8銅皮石棉墊片0.9橡膠墊片★被連接件相對剛度與螺栓相對剛度之間的關(guān)系:熟記公式：2/1/202365單個緊螺栓受力變形圖1/22/1/202366單個緊螺栓受力變形演示2/22/1/202367螺栓預(yù)緊動畫2/1/202368（1）當(dāng)工作載荷沒有變化時，可?。?）當(dāng)工作載荷有變化時，可?。?）對于有緊密性要求的連接（如壓力容器的螺栓連接），可取殘余預(yù)緊力F〞可根據(jù)如下3種條件選?。?/1/2023694傾覆力矩螺栓組連接LmaxLi分析要點：(2)彎矩M作用前，螺栓已受預(yù)緊力F′作用；(2)彎矩M作用后，左側(cè)螺栓受到

M

引起的工作拉力作用，其拉力的大小與螺栓至對稱軸線

o-o距離Li成正比；(3)右側(cè)螺栓未受到

M

引起的工作拉力作用，但為處理方便起見，認(rèn)為右側(cè)螺栓受到與左側(cè)螺栓拉力程度相同的壓力作用（壓力實際作用在結(jié)合面）。注意：該類連接一般均采用普通螺栓連接F′F′F′F′Fmax拉力Fmax壓力M2/1/202370螺栓受力的大小與螺栓至對稱軸線o-o距離Li成正比，MMⅠⅠFmaxFmax拉力壓力左側(cè)螺栓受到的最大拉力為：LmaxLiⅠⅠM根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件：2/1/202371M☆在該連接中，受力最大的螺栓為連接最左側(cè)的螺栓☆最左側(cè)螺栓所受到的最大工作拉力（M引起）為：

☆最左側(cè)螺栓所受到的最大總拉力F0：F′F′F′F′Fmax2/1/20237211.5螺紋連接的強度計算單個螺栓的強度計算螺栓組的受力分析螺栓組的結(jié)構(gòu)設(shè)計螺栓連接設(shè)計的步驟螺栓連接強度的內(nèi)容

被連接件的強度連接件的強度螺栓連接強度的關(guān)鍵因素為螺栓的強度螺栓連接設(shè)計的兩大內(nèi)容結(jié)構(gòu)設(shè)計強度計算（工作能力）單個螺栓的受力2/1/202373螺栓的破壞形式：★

螺栓桿塑性變形或拉斷（普通螺栓，也稱受拉螺栓）★

螺栓桿或孔壁貼合面的壓潰和剪斷（受剪螺栓）★經(jīng)常裝拆因磨損而發(fā)生滑扣破壞性質(zhì)：90%的螺栓屬于疲勞破壞受拉螺栓不同部位發(fā)生破壞的比重15%20%65%2/1/20237411.5.1松螺栓連接的強度計算松螺栓聯(lián)接裝配時螺母不需擰緊，故在承受工作載荷之前螺栓不受力。這種聯(lián)接應(yīng)用范圍有限，主要用于拉桿、起重吊鉤等聯(lián)接方面。主要失效形式：拉斷。當(dāng)承受工作載荷F時，螺栓所受的工作拉力為F，則螺栓危險截面的拉伸強度條件為MPa

——校核式mm——設(shè)計式式中：F——工作拉力，N;

d1——螺栓危險截面直徑，mm[σ]——螺栓材料的許用拉應(yīng)力，MPa，[σ]=σs／[Ss]2/1/20237511.5.2僅承受預(yù)緊力的緊螺栓連接強度計算緊螺栓連接時，螺母需要擰緊，在擰緊力的作用下，螺栓除受預(yù)緊力F’的拉伸面產(chǎn)生拉應(yīng)力外，還受螺紋摩擦力矩的扭轉(zhuǎn)而產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，螺栓處于拉伸與扭轉(zhuǎn)的復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下。因此，進行僅承受預(yù)緊力的緊螺栓強度計時，應(yīng)綜合考慮拉應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力的作用。預(yù)緊力引起的拉應(yīng)力：F’F’FF螺牙間的摩擦力矩引起的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力：對鋼制M10~M68螺栓：τ≈0.5σ1。2/1/202376螺紋聯(lián)接的強度計算2根據(jù)第四強度理論，螺栓在預(yù)緊狀態(tài)下的計算應(yīng)力:說明：對于M10~M68螺栓，在擰緊時雖同時受拉伸和扭轉(zhuǎn)的聯(lián)合作用，但在計算時可以只按拉伸強度計算，并將受的拉力（預(yù)緊力）增大30%來考慮扭轉(zhuǎn)的影響。F’F’FF當(dāng)普通螺栓連接受到橫向載荷時，由于預(yù)緊力的作用，將在接合面間產(chǎn)生摩擦力來抵抗工作載荷，但預(yù)緊力不會受到工作載荷的影響。螺栓危險截面的拉伸強度條件：強度設(shè)計這種靠摩擦力抵抗工作載荷的緊螺栓連接，要保持較大的預(yù)緊力會使螺栓結(jié)構(gòu)尺寸增大。使連接接合面不滑移的預(yù)緊力F’>F/f，若f=0.2，則F’>5F。由于摩擦系數(shù)的變動，將使連接的可靠性降低，有可能會出現(xiàn)松脫。2/1/202377普通螺栓聯(lián)軸承受橫向載荷時，靠接合面上的摩擦力抵抗工作載荷。螺栓的結(jié)構(gòu)尺寸較大，聯(lián)接件可靠性也不高，為此常采用減載零件來承擔(dān)橫向載荷，這種具有減載零件的緊螺栓聯(lián)接，其聯(lián)接強度按減載零件的剪切、擠壓強度條件計算，而螺紋聯(lián)接只保證聯(lián)接，不再承受工作載荷。減載鍵減載套筒減載銷2/1/202378分析要點：（1）連接未受工作載荷之前，每個螺栓已受預(yù)緊力F′作用。（2）汽缸充氣后，單個螺栓的工作拉力為：（3）工作后（汽缸充氣后）單個螺栓既受預(yù)緊力F′作用，又受工作拉力F作用，所受的總拉力F0為：F∑F′P11.5.3螺栓危險截面的強度條件2/1/202379靜強度條件疲勞強度條件1.靜強度計算校核公式設(shè)計公式注意：校核公式中的1.3F0，系數(shù)1.3的含義為：考慮到螺栓在總拉力作用下，可能需要補充擰緊，故將總拉力增加30%以考慮扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力的影響2/1/2023802.疲勞強度條件★汽缸未充氣時，螺栓拉力為F′★汽缸充氣后，螺栓總拉力為F0P工作拉力總拉力最小拉應(yīng)力最大拉應(yīng)力F∑F′F′F0F0對于受軸向變載荷的重要螺栓連接（如內(nèi)燃機氣缸蓋螺紋連接），除應(yīng)按靜強度計算外，還應(yīng)進行疲勞強度精確校核計算。2/1/202381F∑PF′F′F0F0螺栓的工作拉力F和總拉力F0在整個工作過程中的變化圖λbλm力變形△FFF0F〞F′充氣前和排氣后，螺栓僅受預(yù)緊力

F′

作用充氣后螺栓的總拉力為F02/1/202382螺栓危險截面的應(yīng)力幅值為1）一般疲勞強度計算其中:（不控制預(yù)緊力）—為有效應(yīng)力集中系數(shù)，見表11.9?！瓑浩趶姸染C合影響系數(shù)。—應(yīng)力幅計算安全系數(shù)，見表11.6?！叽缦禂?shù)，見表11.8。（控制預(yù)緊力）2/1/2023832）精確疲勞強度計算安全系數(shù)法—材料的對稱循環(huán)拉壓疲勞極限，見表11.10，單位：MPa；—試件的材料常數(shù)，即循環(huán)應(yīng)力中平均應(yīng)力的的折算系數(shù)。（合金鋼）S—安全系數(shù)，見表11.5、表11.6。（碳素鋼）2/1/20238411.5.4受傾覆力矩作用的螺栓組連接強度計算分析要點：(1)彎矩M作用前，結(jié)合面所受的總壓力為ZF′,其壓應(yīng)力為：A―結(jié)合面面積(2)彎矩M作用在結(jié)合面左側(cè)為拉應(yīng)力，右側(cè)為壓應(yīng)力：W―接合面抗彎模量σwσwoσF1o2/1/2023851.按照螺栓拉伸強度條件進行計算（螺栓不拉斷條件）拉伸強度校核公式為:拉伸強度設(shè)計公式為:σwσwoσF1o2/1/2023862.按照接合面左側(cè)邊緣不應(yīng)出現(xiàn)縫隙條件計算3.按照接合面右側(cè)邊緣不壓潰條件計算A―底板與支承面的接觸面積，mm2；W―底板接合面的抗彎截面模量，mm3；[σp]―支承面材料的許用擠壓應(yīng)力，MPa，表11.4。σwσwoσF1o2/1/20238711.5.5承受橫向載荷和轉(zhuǎn)矩的鉸制孔用螺栓連接強度計算這種聯(lián)接是利用鉸制孔用螺栓抗剪切來承受載荷的。螺栓桿與孔壁之間無間隙，接觸表面受擠壓。在聯(lián)接結(jié)合面處，螺栓桿則受剪切。應(yīng)分別按擠壓及剪壓強度條件計算。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Lmin≥1.25d0注意：計算時假設(shè)計螺栓桿與孔壁表面上的壓力分布是均勻的，又因這種接所受預(yù)緊力很小，所以不考慮預(yù)緊力和螺紋摩擦力矩的影響。2/1/202388Fs―螺栓所受的工作剪力，N；d0―螺栓剪切面的直徑（可取為螺栓孔的直徑），mm；

Lmin―螺栓桿與孔壁擠壓面的最小高度，mm；[σp

]―螺栓或孔壁材料的許用擠壓應(yīng)力，MPa，見表11.4；[τ

]―螺栓材料的許用剪應(yīng)力，MPa。設(shè)計時應(yīng)使式中：2/1/20238911.6螺紋連接的材料及性能等級螺紋連接件常用材料碳素鋼合金鋼

15Cr，

40Cr，30CrMnSi等（用于沖擊、振動、變載荷）低碳鋼：Q215，10鋼等中碳鋼：Q235，35鋼、45鋼等無特殊要求的一般連接精密機械、中等載荷特殊用途螺紋連接件材料有防銹、防腐蝕、防磁、導(dǎo)電耐高溫等要求特種鋼鋁合金銅合金可采用表面處理（如氧化、鍍鋅、鍍鎘等）普通墊圈的材料：Q235、15鋼、35鋼；彈簧墊圈:65Mn，需經(jīng)熱處理和表面處理。2/1/202390螺紋連接件的力學(xué)性能等級螺栓、螺釘和螺柱的性能等級共分十級（見表11.11）3.6,4.6,4.8,5.6,5.8,6.8,8.8,9.8,10.9,12.9數(shù)字含義：3.6―強度極限σB=3×100=300MPa屈服極限σS=3×6×10=180MPa5.8―強度極限σB=5×100=500MPa屈服極限σS=5×8×10=400MPa螺母的性能等級共分七級：4，5，6，8，9，10，12螺栓與螺母性能等級的匹配原則：螺母的性能等級不能低于與之相配的螺栓的性能等級（見表11.12）2/1/202391圖11.17受軸向載荷的螺栓組連接。例11.1一鋼制液壓油缸，已知缸內(nèi)油壓(靜載)P=2MPa，液壓缸徑D2=125mm。缸蓋用六個M16的螺栓連接在缸體上，螺栓材料的許用應(yīng)力［σ］=120MPa。根據(jù)連接的緊密性要求，取殘余預(yù)緊力F″=1.5F，試校核螺栓連接的強度。解：

螺栓既受預(yù)緊力又受工作拉力作用，單個螺栓所受的總拉力為：1.

計算單個螺栓所受的工作拉力液壓缸蓋螺栓組所受的載荷單個螺栓的工作拉力2/1/202392查機械設(shè)計手冊（GB/T196-1981），知螺栓內(nèi)徑d1=13.8355mm故：2.求螺栓的總拉力殘余預(yù)緊力螺栓的總拉力校核螺栓連接的強度由上述分析計算可知此連接可靠。2/1/202393例11.2厚度δ的鋼板擬用三個M16螺栓緊固于「18槽鋼上，已知作用力FQ=9KN，鋼板材料45鋼，許用拉伸應(yīng)力［σ］=450MPa，許用剪切應(yīng)力［τ］=98MPa，許用擠壓應(yīng)力［σP］=240MPa試分別按普通螺栓連接和鉸制孔用螺栓連接進行設(shè)計，并比較兩種設(shè)計。解：1.

計算每個螺栓至型心的距離r1、r2、r32.受力分析1）將FQ向連接型心簡化由于連接所受的力FQ未作用在連接型心，應(yīng)先將向連接型心簡化，得：r1r3r2FQFQT2/1/202394o+r1r2r32）將FQ、T分別向每個螺栓處分解3）確定分解到螺栓處的最大力FSmax3.分別按普通螺栓連接和鉸制孔用螺栓連接進行設(shè)計1）按普通螺栓連接設(shè)計F2TFQF1F1F1F2F2FS2FS3（1）求螺栓的預(yù)緊力取單元連接分析受力2/1/202395（1）求螺栓的預(yù)緊力FSmaxFSmaxF′F′FfF′F′按照單元連接在橫向載荷FSmax作用下的平衡條件，得：按照表11-3查得摩擦系數(shù)

fc=0.15，可靠性系數(shù)

KS=1.2。（2）確定螺栓尺寸選螺栓材料為45鋼。屈服極限許用拉伸應(yīng)力2/1/202396螺栓內(nèi)徑：查機械零件設(shè)計手冊，根據(jù)GB/T193-181，選取M36，2）按鉸制孔用螺栓連接設(shè)計取FSmax作用的單元連接進行分析（取螺栓2、螺栓3作用處均可）。對于鉸制孔用螺栓連接，其單元連接所受的橫向力，即為單個螺栓所受之力。即FSmaxFSmax2/1/202397其中查機械零件設(shè)計手冊，根據(jù)GB/T27，選取M10，4.比較兩種設(shè)計方案由以上設(shè)計結(jié)果可知，選用鉸制孔用螺栓連接結(jié)構(gòu)會更為緊湊。2/1/202398例11.3軸承托架緊固在鋼立柱上，托架材料為鑄鐵，螺栓材料級別為6.6級，載荷P=4800N，其作用線與垂直線的夾角α=50°，底版高度h=340mm，寬b=150mm，螺栓數(shù)目Z=4，立柱的屈服極限σs=235MPa，強度極限σB=195MPa，試設(shè)計此螺栓連接。解：

1.螺栓組連接受力分析將P向水平、垂直兩個方向分解:PV

PH

αPPH

PV

將PH、PV向螺栓組型心簡化，得：MHMVM2/1/2023992.求單個螺栓受到的工作拉力PH

由PH引起的單個螺栓受力：由M引起的單個螺栓受力：上部螺栓所受的工作拉力為：M2/1/20231003.按支架不下滑條件確定螺栓的預(yù)緊力分析要點：此時結(jié)合面的總壓力為:

ZF″

★

ZF″只受水平載荷PH的影響，不受傾覆力矩M的影響。理解難點：結(jié)合面壓力由ZF′降為:

ZF″PH

F′F′F″

F″

★連接未受工作載荷前，結(jié)合面受力為：ZF′★連接受到PH作用后，結(jié)合面受力為：

ZF″

M根據(jù)連接平衡條件，有：每個螺栓所需預(yù)緊力為：2/1/2023101查機械設(shè)計手冊（GB193-81）初選M18螺栓（d1=15.294mm）已知螺栓強度級別6.6級，σS=360MPa校核螺栓強度結(jié)論：滿足拉伸強度。4.確定螺栓直徑螺栓總拉力5.校核螺栓強度2/1/2023102(1)支架上端不分離條件即：其中：代入上式得：滿足上端不分離條件。6.驗算連接的工作能力1）按考慮螺栓相對剛度影響驗算PHMF″

F″

2/1/2023103（2）支架下端不壓潰條件即：其中：根據(jù)表11.5查得滿足下端不壓潰條件。PHMF″

F″

2/1/20231042）按不考慮螺栓相對剛度影響驗算（1）支架上端不分離條件即：不考慮螺栓相對剛度影響，即認(rèn)為：滿足上端不分離條件。PH

MF′F′2/1/2023105（2）支架下端不壓潰條件即：滿足下端不壓潰條件。其中：PHMF′F′2/1/2023106本節(jié)結(jié)束2/1/2023107一、螺紋緊固件的材料及等級§5-8螺紋緊固件有兩類等級，一類是產(chǎn)品等級，另一類是機械性能等級。1.產(chǎn)品等級產(chǎn)品等級表示產(chǎn)品的加工精度等級。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，螺紋緊固件分為三個精度等級，其代號為A、B、C。A級精度最高，用于要求配合精確，防止振動等重要零件的聯(lián)接；B級精度多用于受載較大且經(jīng)常裝拆或受變載荷的聯(lián)接；C級精度多用于一般的螺紋聯(lián)接。螺紋聯(lián)接件的材料與許用應(yīng)力2/1/2023108一、螺紋緊固件的材料及等級§5-82.機械性能等級和材料國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了螺紋聯(lián)接件的性能等級。螺栓、螺柱、螺釘?shù)男阅艿燃壏譃?0級，螺母的性能等級分為7級。在一般用途的設(shè)計中，通常選用4.8級左右的螺栓，在重要的或有特殊要求設(shè)計中的螺紋聯(lián)接件，要選用高的性能等級，如在壓力容器中常采用8.8級的螺栓。螺紋聯(lián)接件的材料與許用應(yīng)力2/1/2023109三、螺紋緊固件的材料及等級§5-8

螺紋緊固件的強度級別（10個性能等級）用數(shù)字表示：螺栓用兩個數(shù)字表示，小數(shù)點前的數(shù)字表示抗拉強度極限σBmin的1/100，小數(shù)點后數(shù)字表示屈服極限σSmin與強度極限σBmin比值的10倍。螺母用一位數(shù)字表示，數(shù)字為σBmin/100。例如，螺栓（螺釘、雙頭螺柱）的強度級別標(biāo)記為4.6，表示抗拉強度極限σBmin=400MPa，屈服極限σSmin=240MPa。螺母的強度級別標(biāo)記為6，表示抗拉強度極限σBmin=600MPa。如：6.8σBmin/100=6σBmin=600MPa10(σsmin/σBmin)=8σsmin=480MPa或σsmin=(6×8)×10=480MPa螺紋聯(lián)接件的材料與許用應(yīng)力2/1/2023110一、螺紋緊固件的材料及等級§5-8

螺紋緊固件的常用材料為Q215、Q235、10、35和45號鋼，對于重要的螺紋緊固件，可采用15Cr、40Cr等。對于特殊用途（如防銹蝕、防磁、導(dǎo)電或耐高溫等）的螺紋緊固件，可采用特種鋼或銅合金、鋁合金等。彈簧墊圈用65Mn制造，并經(jīng)熱處理和表面處理。二、螺紋聯(lián)接件的許用應(yīng)力1．螺紋聯(lián)接件的許用拉應(yīng)力2．螺紋聯(lián)接件的許用剪應(yīng)力和許用擠壓應(yīng)力（被聯(lián)接件為鋼）（被聯(lián)接件為鑄鐵）螺紋聯(lián)接件的材料與許用應(yīng)力2/1/20231113.螺栓的性能等級§5-8螺紋聯(lián)接件的材料與許用應(yīng)力2/1/20231124.螺母的性能等級§5-8螺紋聯(lián)接件的材料與許用應(yīng)力2/1/20231133．螺紋聯(lián)接件的安全系數(shù)§5-8螺紋聯(lián)接件的材料與許用應(yīng)力2/1/2023114本章結(jié)束2/1/2023115標(biāo)準(zhǔn)件標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)接件1/14

普通螺栓國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，螺紋聯(lián)接件分為三個精度等級，其代號為Ａ、Ｂ、Ｃ級。Ａ級精度最高，用于要求配合精確、防止振動等重要零件的聯(lián)接；Ｂ級多用于受載較大且經(jīng)常裝拆、調(diào)整或承受變載荷的聯(lián)接；Ｃ級精度多用于一般的螺紋聯(lián)接。常用的標(biāo)準(zhǔn)螺紋聯(lián)接件通常選用Ｃ級精度。普通六角頭螺栓的種類很多，應(yīng)用最廣