機(jī)械設(shè)計(jì)之連接

第2章連接主講人：潘承怡

機(jī)械基礎(chǔ)工程系（新主樓C406）

Telhapter2Joints螺紋連接概述螺紋連接的基本類(lèi)型和標(biāo)準(zhǔn)螺紋連接件螺紋連接的擰緊和防松

單個(gè)螺栓連接的強(qiáng)度計(jì)算

螺栓組連接的受力分析提高螺栓連接強(qiáng)度的措施Chapter2ScrewJoints2.1概述2.1.1螺紋的形成Chapter2ScrewJoints2.1.2螺紋的分類(lèi)Chapter2ScrewJoints聯(lián)接：效率低、自鎖性好。傳動(dòng)：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，用于聯(lián)接粗牙：一般情況下使用。細(xì)牙：d相同，p小，ψ小，牙淺，自鎖性好，但不耐磨，易滑扣?！嘤糜谧冚d荷場(chǎng)合。Chapter2ScrewJoints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(jiàn)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：n=1n=2Chapter2ScrewJoints螺紋線數(shù)：?jiǎn)尉€（聯(lián)接）；雙線；多線（傳動(dòng)）。

（頭數(shù)）Chapter2ScrewJoints2.1.3螺紋的主要參數(shù)⑤

螺距p②線數(shù)n：n=1時(shí)用于聯(lián)接；n＞1時(shí)用于傳動(dòng)；

n↑→η↑，但為便于制造n≤4③牙形角

：螺紋牙兩側(cè)面夾角。①直徑大徑d：公稱直徑。M20→d=20mm小徑d1：螺紋的最小直徑。中徑d2：齒厚=齒槽寬處直徑，幾何計(jì)算用。一般?。篸2=(d+d1)/2④

牙形斜角：牙型側(cè)邊與螺紋軸線的垂直平面的夾角。

對(duì)于對(duì)稱牙型：=/2

Chapter2ScrewJoints⑦

中徑升角

：⑥

導(dǎo)程s：s=npChapter2ScrewJoints2.2

螺紋連接的主要類(lèi)型和標(biāo)準(zhǔn)螺紋連接件2.2.1主要類(lèi)型（注意各圖的畫(huà)法）1、螺栓連接受拉——普通螺栓普通螺栓：無(wú)需在被連件上加工螺紋孔，裝拆方便，用于兩被聯(lián)件均不太厚的場(chǎng)合。受剪——鉸制孔螺栓鉸制孔螺栓：除起連接作用外，還起定位作用。Chapter2ScrewJoints2、雙頭螺柱連接

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。3、螺釘連接用于有一連接件較厚，且不需經(jīng)常裝拆的場(chǎng)合。Chapter2ScrewJoints4、緊定螺釘連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(gè)零件的相互位置，并可傳遞不大的力或力矩。2.2.2標(biāo)準(zhǔn)螺紋連接件螺栓、螺釘、雙頭螺柱、螺母、墊圈Chapter2ScrewJointsChapter2ScrewJointsChapter2ScrewJoints1、螺栓、螺柱、螺釘：10個(gè)性能等級(jí)，如：3.6、4.6、4.8、……性能等級(jí)材料性能如：6.8σBmin/100=6σBmin=600MPa10(σsmin/σBmin)=8σsmin=480MPa或σsmin=(6×8)×10=480MPa低碳鋼或中碳鋼2、螺母：七個(gè)等級(jí)，與螺栓性能相配。（見(jiàn)表2.1，P18）2.2.3螺紋緊固件的力學(xué)性能等級(jí)2.3

螺栓連接的擰緊2.3.1擰緊的目的、實(shí)質(zhì)及預(yù)緊力F

’受載之前擰緊螺母預(yù)緊力F

’預(yù)緊↑連接剛度↑防松能力↑緊密性2.3.2擰緊力矩T的計(jì)算

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Chapter2ScrewJoints——螺紋副間有效圓周力Chapter2ScrewJoints∴kt——擰緊力矩系數(shù)，一般取kt=0.2Chapter2ScrewJoints2、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(yàn)，擰緊即可。方法：測(cè)量螺栓伸長(zhǎng)量（大型螺栓連接）定力矩扳手測(cè)力矩扳手沖擊扳手Chapter2ScrewJoints3、對(duì)不控制預(yù)緊力的受拉螺栓連接d≮M12~M16標(biāo)準(zhǔn)扳手長(zhǎng)度L=15d，若擰緊力為F，則：

T=FL=15dF=0.2F’d→F’=75F若F=200N，則F’=15000N?！∮贛12，則易拉斷。Chapter2ScrewJoints2.4螺紋連接的防松1、螺紋聯(lián)接按自鎖條件設(shè)計(jì)：

ψ≤ρv。∴

靜載下不會(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)Chapter2ScrewJoints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(lèi)：a）摩擦防松Chapter2ScrewJoints彈簧墊圈開(kāi)口方向：斜向右下方開(kāi)口銷(xiāo)與槽形螺母b）機(jī)械防松（直接鎖住）Chapter2ScrewJoints自鎖螺母Chapter2ScrewJointsChapter2ScrewJoints正確不正確注意金屬絲穿入方向串聯(lián)金屬絲Chapter2ScrewJointsc）破壞螺紋副關(guān)系不可拆連接膠接沖點(diǎn)焊住Chapter2ScrewJoints2.6

單個(gè)螺栓連接的受力分析和強(qiáng)度計(jì)算螺栓連接受拉螺栓受剪螺栓松聯(lián)接：不擰緊，無(wú)預(yù)緊力F’，僅受工作載荷F緊聯(lián)接：需擰緊僅受預(yù)緊力F’同時(shí)受預(yù)緊力F’和工作載荷F一、受拉螺栓連接對(duì)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。危險(xiǎn)截面面積由計(jì)算直徑dc確定：dc≈d1Chapter2ScrewJoints1、松連接如：起重滑輪螺栓僅受軸向工作拉力F——失效：拉斷強(qiáng)度條件：MPa

——校核式式中：d1——危險(xiǎn)截面計(jì)算直徑[σ]——許用應(yīng)力，[σ]=σs／[S]，見(jiàn)表2.3（P30）。mm——設(shè)計(jì)式查手冊(cè)，選螺栓Chapter2ScrewJoints2、緊連接（1）只受預(yù)緊力F’的緊聯(lián)接外載荷FR——對(duì)螺栓為橫向力——靠摩擦力傳遞a.FR作用下，板不滑移：FR≤Ff，而Ff—→F’。b.按F’計(jì)算：F’為螺栓軸向負(fù)荷—→拉應(yīng)力c.擰緊過(guò)程中，在T1作用下螺栓受扭—→產(chǎn)生τT對(duì)鋼制M10~M68螺栓：τT≈0.5σ。d.危險(xiǎn)截面上受復(fù)合應(yīng)力（σ、τT）作用—→強(qiáng)度準(zhǔn)則螺栓為塑性材料—→第四強(qiáng)度理論。Chapter2ScrewJoints——校核式即：1.3意義：緊連接時(shí)，將拉應(yīng)力增大30%以考慮擰緊力矩的影響。mm

——設(shè)計(jì)式（2）受預(yù)緊力F’和軸向工作載荷F的緊螺栓聯(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(guò)程：δ2F’

—→δ1—→+F—→δ1+Δδ1δ2-Δδ2變形協(xié)調(diào)條件：Δδ1=Δδ2=ΔδChapter2ScrewJoints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連件上壓力）2、螺栓工作拉力F0

—→總拉力3、工作載荷F（對(duì)螺栓連接施加的外載荷）4、F”殘余預(yù)緊力。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?！?/p>

上述過(guò)程還可通過(guò)力——變形圖表示Chapter2ScrewJoints螺栓剛度：被連件剛度：在合并圖中：∴——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。由于兩圖合并Chapter2ScrewJoints討論：1、——螺栓相對(duì)剛度系數(shù)當(dāng)F、F’一定時(shí)，∴為↓螺栓受力—→選擇不同墊片↓—→應(yīng)使2、：不出現(xiàn)縫隙。(由驗(yàn)算)(P32)同理，考慮扭轉(zhuǎn)作用，強(qiáng)度條件為：——校核式mm——設(shè)計(jì)式Chapter2ScrewJointsChapter2ScrewJoints若工作載荷為變載荷：當(dāng)工作載荷在F1~F2變化時(shí)，螺栓總拉力在F01~F02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：∴應(yīng)力幅：螺栓許用應(yīng)力幅（P30）表2.3降低C1或增大C2，疲勞強(qiáng)度提高。1、失效形式：2、螺栓剪切強(qiáng)度條件d——桿抗剪面直徑m——抗剪面數(shù)目[τ]——許用剪應(yīng)力3、擠壓強(qiáng)度條件h——對(duì)象受壓高度；[σp]——許用擠壓應(yīng)力，表2.4，取弱者計(jì)算；Chapter2ScrewJoints二、受剪螺栓連接剪斷、接觸表面壓潰。2.5

螺栓組連接的受力分析一、思路連接結(jié)構(gòu)形式、外載荷類(lèi)型—→螺栓受力—→找出受載最大螺栓—→按單個(gè)螺栓連接的計(jì)算方法計(jì)算二、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、被連件為剛體；三、四種典型受載情況時(shí)的受力分析1、受軸向載荷的螺栓組聯(lián)接Chapter2ScrewJoints特點(diǎn)：載荷與螺栓軸線平行，并通過(guò)螺栓組對(duì)稱中心?！髀菟ńM平均受載：F=FQ/z螺栓還受F’

—→F0

—→2、受橫向載荷的螺栓組連接Chapter2ScrewJoints（1）特點(diǎn)：橫向載荷作用線與螺栓軸線垂直，并通過(guò)螺栓組對(duì)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：按僅受F’的緊聯(lián)接計(jì)算。式中：μs——結(jié)合面的摩擦系數(shù)；

z——螺栓個(gè)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=1.1~1.5。Chapter2ScrewJointsb、受剪螺栓假定每個(gè)螺栓受載相同，則工作條件：剪切計(jì)算擠壓計(jì)算Chapter2ScrewJoints3、受旋轉(zhuǎn)力矩T的螺栓組連接特點(diǎn)：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(shì)。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（1）受拉螺栓聯(lián)接工作條件：（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(wèn)題：Fs1=Fs2=…=Fsz

？即Fsi與ri成正比：或工作條件：

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↑Chapter2ScrewJoints代入工作條件中：4、受翻轉(zhuǎn)力矩M（傾覆力矩）的螺栓組聯(lián)接特點(diǎn)：在M作用下，底板有繞螺栓組形心軸翻轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。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’↓Chapter2ScrewJoints工作條件：變形協(xié)調(diào)條件：其它條件：附加校核討論：設(shè)計(jì)時(shí)，如何布置螺栓更合理？——遠(yuǎn)離對(duì)稱中心ri↑→Fmax↓實(shí)際應(yīng)用可轉(zhuǎn)化為上述四種狀態(tài)的不同組合：分別計(jì)算迭加橫向載荷和旋轉(zhuǎn)力矩軸向載荷和翻轉(zhuǎn)力矩強(qiáng)度計(jì)算左側(cè)不出現(xiàn)縫隙右側(cè)邊緣不壓潰Chapter2ScrewJoints

螺栓組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)1、結(jié)合面幾何形狀力求簡(jiǎn)單（矩、圓、三角），且螺栓組的對(duì)稱中心與結(jié)合面形心重合，結(jié)合面受力均勻。3、分布在同一圓周上的z應(yīng)取偶數(shù)（4、6、8），便于分度劃線。4、避免附加彎曲載荷：凸臺(tái)、沉孔、斜墊圈等。5、螺栓排列應(yīng)有合理間距、邊距、扳手空間。6、合理防松方法。2、螺栓組受力合理：螺栓布置應(yīng)盡量遠(yuǎn)離對(duì)稱中心，鉸制孔螺栓組≯8個(gè)；同時(shí)承受軸向、橫向載荷時(shí)，可采用抗剪元件承受橫向力，↓d。Chapter2ScrewJoints2.7

提高螺栓連接強(qiáng)度的措施1、機(jī)理工作時(shí)，螺栓受拉，p↑螺母受壓，p↓兩者產(chǎn)生螺距差一、改善