螺栓連接的強(qiáng)度計(jì)算ppt課件

1、目的要求：通過(guò)討論螺旋副的效率和自鎖,并明確于 聯(lián)接和傳動(dòng)的螺紋類型 。 教學(xué)重點(diǎn)：螺紋聯(lián)接的自鎖條件 ；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)注 意的問(wèn)題、及防松方法。緊螺栓的強(qiáng)度 計(jì)算。 教學(xué)難點(diǎn)：受軸向載荷的緊螺栓的強(qiáng)度計(jì)算。受力 分析 教學(xué)內(nèi)容：螺旋副的受力分析、自鎖、效率；螺紋 聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算；螺紋聯(lián)接的結(jié)構(gòu)、預(yù) 緊和防松,第二講 螺紋聯(lián)接的預(yù)緊與防松、螺旋傳動(dòng),1,一、預(yù)緊,預(yù)緊目的保持正常工作。如汽缸螺栓聯(lián)接，有緊密性要求，防漏氣，接觸面積要大，靠摩擦力工作，增大剛性等。 增大剛性增加聯(lián)接剛度、緊密性和提高防松能力 預(yù)緊力QP預(yù)先軸向作用力（拉力）,螺紋聯(lián)接：松聯(lián)接在裝配時(shí)不擰緊，只存受外載時(shí)才受到力的作

2、用 緊聯(lián)接在裝配時(shí)需擰緊，即在承載時(shí)，已預(yù)先受力，預(yù)緊力QP,預(yù)緊過(guò)緊擰緊力QP過(guò)大，螺桿靜載荷增大、降低本身強(qiáng)度 過(guò)松擰緊力QP過(guò)小，工作不可靠,63 螺紋聯(lián)接和預(yù)緊和防松,2,扳手?jǐn)Q緊力矩T=FHL,擰緊時(shí)螺母：T=T1+T2 T擰緊力矩 T1螺紋摩擦阻力矩 T2螺母端環(huán)形面與被聯(lián)接件間的摩擦力矩,FH作用于手柄上的力，L力臂,一般 K=0.10.3,擰緊力矩系數(shù),由于直徑過(guò)小的螺栓，容易在擰緊時(shí)過(guò)載拉斷，所以對(duì)于重要的聯(lián)接不宜小于M10M14,3,預(yù)緊力QP的控制： 測(cè)力矩板手測(cè)出預(yù)緊力矩，如左圖 定力矩板手達(dá)到固定的擰緊力矩T時(shí)，彈簧受壓將自動(dòng)打滑，如右圖 測(cè)量預(yù)緊前后螺栓伸長(zhǎng)量精度較

3、高,二、螺紋防松,4,1、防松目的 實(shí)際工作中，外載荷有振動(dòng)、變化、材料高溫蠕變等會(huì)造成摩擦力減少，螺紋副中正壓力在某一瞬間消失、摩擦力為零，從而使螺紋聯(lián)接松動(dòng)，如經(jīng)反復(fù)作用，螺紋聯(lián)接就會(huì)松馳而失效。因此，必須進(jìn)行防松，否則會(huì)影響正常工作，造成事故,2、防松原理 消除（或限制）螺紋副之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，或增大相對(duì)運(yùn)動(dòng)的難度。 3、防松辦法及措施,1）摩擦防松,雙螺母、彈簧墊圈、尼龍墊圈、自鎖螺母等,5,彈簧墊圈,自鎖螺母螺母一端做成非圓形收口或開(kāi)峰后徑面收口，螺母擰緊后收口漲開(kāi)，利用收口的彈力使旋合螺紋間壓緊,2）機(jī)械防松： 開(kāi)槽螺母與開(kāi)口銷，圓螺母與止動(dòng)墊圈，彈簧墊片，軸用帶翅墊片，止動(dòng)墊片，串

4、聯(lián)鋼絲等,6,3）永久防松：端鉚、沖點(diǎn)、點(diǎn)焊 4）化學(xué)防松粘合,開(kāi)槽螺母 與開(kāi)口銷,圓螺母 與止動(dòng)墊圈,串聯(lián)鋼絲,7,針對(duì)不同零件的不同失效形式，分別擬定其設(shè)計(jì)計(jì)算方法，則失效形式是設(shè)計(jì)計(jì)算依據(jù)和出點(diǎn)。,1、失效形式和原因,受拉螺栓螺栓桿和螺紋可能發(fā)生塑性變形或斷裂 受剪螺栓螺栓桿和孔壁間可能發(fā)生壓潰或被剪斷,b）失效原因：應(yīng)力集中,a）失效形式,工程中螺栓聯(lián)接多數(shù)為疲勞失效,受拉螺栓：設(shè)計(jì)準(zhǔn)則為保證螺栓的疲勞拉伸強(qiáng)度和靜強(qiáng)度 受剪螺栓：設(shè)計(jì)準(zhǔn)則為保證螺栓的擠壓強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度,應(yīng)力集中促使疲勞裂紋的發(fā)生和發(fā)展過(guò)程,2、設(shè)計(jì)計(jì)算準(zhǔn)則與思路,64 單個(gè)螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算,8,、松螺栓聯(lián)接,如吊鉤螺

5、栓，工作前不擰緊，無(wú)QP，只有工作載荷F起拉伸作用,強(qiáng)度條件為：,驗(yàn)算用,設(shè)計(jì)用,d1螺桿危險(xiǎn)截面直徑（mm） 許用拉應(yīng)力 N/mm2 (MPa),s材料屈服極限Mpa表4-8 N 安全系數(shù)，表4-9,9,二、緊螺栓聯(lián)接工作前有預(yù)緊力QP,工作前擰緊，在擰緊力矩T作用下：,預(yù)緊力QP產(chǎn)生拉伸應(yīng)力,螺紋摩擦力矩T1產(chǎn)生剪應(yīng)力,復(fù)合應(yīng)力狀態(tài):,接第四強(qiáng)度理論：, 強(qiáng)度條件為：,10,式中：QP 預(yù)緊力（N） T1 螺紋摩擦力矩，起扭剪作用，又稱螺紋扭矩，N.mm 1.3系數(shù)將外載荷提高30%，以考慮螺紋力矩對(duì)螺栓聯(lián)接強(qiáng)度的影響，這樣把拉扭的復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)簡(jiǎn)化為純拉伸來(lái)處理，大大簡(jiǎn)化了計(jì)算手續(xù)，故又稱

6、簡(jiǎn)化計(jì)算法,11,1、橫向載荷的緊螺栓聯(lián)接計(jì)算主要防止被聯(lián)接件錯(cuò)動(dòng),特點(diǎn)：桿孔間有間隙，靠擰緊的正壓力(QP)產(chǎn)生摩擦力來(lái)傳遞外載荷，保證聯(lián)接可靠(不產(chǎn)生相對(duì)滑移)的條件為：,（1）普通螺栓聯(lián)接,f 接縫面間的摩擦系數(shù) i接縫界面數(shù)目 KS防滑系數(shù)（可靠性系數(shù)） KS=1.11.3,12,強(qiáng)度條件驗(yàn)算公式：,設(shè)計(jì)公式：,分析：由上式可知，當(dāng)f=0.2,i=1,KS=1則QP=5R，說(shuō)明這種聯(lián)接螺栓直徑大，且在沖擊振動(dòng)變載下工作極不可靠,為增加可靠性，減小直徑，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，提高承載能力 可采用如下減載裝置： a)減載銷 b)減載套筒 c)減載鍵,13,2、鉸制孔螺栓聯(lián)接防滑動(dòng),特點(diǎn)：螺桿與孔間緊密

7、配合，無(wú)間隙，由光桿直接承受擠壓和剪切來(lái)傳遞外載荷R進(jìn)行工作,螺栓的剪切強(qiáng)度條件為：,螺栓與孔壁接觸表面的擠壓強(qiáng)度條件為：,R 橫向載荷（N） d0螺桿或孔的直徑（mm） Lmin 被聯(lián)接件中受擠壓孔壁的最小長(zhǎng)度（mm），如圖所示 螺栓許用剪應(yīng)力，MPa，,，,螺栓或被聯(lián)接件中較弱者的許用擠壓應(yīng)力，MPa,鉸制孔螺栓能承受較大的橫向載荷，但被加工件孔壁加工精度較高，成本較高,14,2、軸向載荷緊螺栓聯(lián)接強(qiáng)度計(jì)算,工作特點(diǎn)：工作前擰緊，有QP；工作后加上工作載荷F 工作前、工作中載荷變化,工作原理：靠螺桿抗拉強(qiáng)度傳遞外載F,解決問(wèn)題： a) 保證安全可靠的工作，QP=？ b) 工作時(shí)螺栓總載荷，

8、 Q=？,分析：,圖1，螺母未擰緊螺栓螺母松馳狀態(tài),15,圖，擰緊預(yù)緊狀態(tài) 凸緣壓m QP 栓桿拉b QP,16,圖3，加載F后工作狀態(tài),栓桿繼續(xù)拉,凸緣 放松 ,殘余預(yù)緊力,總載,17, 作圖，為了更明確以簡(jiǎn)化計(jì)算（受力變形圖） 設(shè)：材料變形在彈性極限內(nèi)，力與變形成正比,單個(gè)緊螺栓聯(lián)接受力變形圖,左圖擰緊螺母時(shí),螺栓與被聯(lián)接件的力與變形,右圖將上兩圖合并，并施加工作載荷F,從圖線可看出，螺栓受工作載荷F時(shí)，螺栓總載荷：,18,變形協(xié)調(diào)條件：,凸緣壓力減量,變形縮小m,栓桿拉力增量,變形縮小b,變形協(xié)調(diào)條件,19,由圖可知，螺栓剛度：,被聯(lián)接件剛度：,稱螺栓相對(duì)于聯(lián)接的剛度，稱螺栓的相對(duì)剛度,

9、F 部分工作載荷,20,對(duì)殘余預(yù)緊力的要求，為保證受載后接合面聯(lián)接的緊密性應(yīng)使,QP的取法: QP =（1.51.8）F有密封要求 一般聯(lián)接 QP =（0.20.6）F 載荷穩(wěn)定 QP =（0.61.0）F 載荷不穩(wěn) QPF 地腳螺栓聯(lián)接,21,討論：,） 最不利的情況,） 最理想的情況,）不允許的情況有縫隙存在，漏氣,）降低螺栓受力的措施：,a) 必須采用剛度小螺栓（空心、加長(zhǎng)、細(xì)頸） b) 加硬墊片或直接擰在凸緣上均可提高強(qiáng)度,）為聯(lián)接緊密、不漏氣，要求,22,6）計(jì)算時(shí)可根據(jù)已知條件選擇其一進(jìn)行計(jì)算,a）軸向靜力緊螺栓聯(lián)接強(qiáng)度計(jì)算,靜力F不變，Q為靜力，但考慮補(bǔ)充擰緊防斷,強(qiáng)度條件驗(yàn)算公

10、式：,設(shè)計(jì)公式：,b）軸向變載荷緊螺栓聯(lián)接強(qiáng)度計(jì)算,分析：當(dāng)工作載荷，由0F,螺栓總載，由QpQ QP,部分載荷，由0F0,23,3、當(dāng)驗(yàn)算不滿足時(shí)措施：,b) 最好改善結(jié)構(gòu)、降低應(yīng)力集中。包括：工藝、結(jié)構(gòu)、制造、CmCb，適當(dāng)提高QP等綜合措施,a),24,三、螺栓材料與許用應(yīng)力計(jì)算,1、材料,螺母、螺栓強(qiáng)度級(jí)別：,1）根據(jù)機(jī)械性能，把栓母分級(jí)并以數(shù)字表示，此乃強(qiáng)度級(jí)別,2）所依據(jù)機(jī)械性能為抗拉強(qiáng)度極限Bmin和屈服極限Smin,螺栓級(jí)別:,帶點(diǎn)數(shù)字表示 ， 點(diǎn)前數(shù)字為,點(diǎn)后數(shù)字為,螺母級(jí)別:,注意：選擇對(duì)螺母的強(qiáng)度級(jí)別應(yīng)低于螺栓材料的強(qiáng)度級(jí)別，螺母的硬度稍低于螺栓的硬度（均低于2040HB

11、）,25,2、許用應(yīng)力,許用拉應(yīng)力：,已知：不控制QP的緊螺栓聯(lián)接，易過(guò)載。 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)取較大的完全系數(shù)。控制預(yù)緊力時(shí)可取較小的安全系數(shù)n。 顯然n，與d 有關(guān)。 設(shè)計(jì)時(shí)，先假設(shè)d，進(jìn)行試算，選取一安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與估計(jì)直徑相比較，如在原先估計(jì)直徑所屬范圍內(nèi)即可，否則需重新進(jìn)行估算。試算法,26,工程中螺栓皆成組使用，單個(gè)使用極少。因此，必須研究栓組設(shè)計(jì)和受力分析。它是單個(gè)螺栓計(jì)算基礎(chǔ)和前提條件。 螺栓組聯(lián)接設(shè)計(jì)的順序選布局、定數(shù)目、力分析、設(shè)計(jì)尺寸,一、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則,1、布局要盡量對(duì)稱分布，栓組中心與聯(lián)接結(jié)合面形心重合（有利于分度、劃線、鉆孔），以受力均勻,2、受剪螺栓組（鉸制孔螺栓

12、聯(lián)接）時(shí)，不要在外載作用方向布置8個(gè)以上，螺栓要使其受力均勻，以免受力太不均勻，但彎扭作用螺栓組，要適當(dāng)靠接縫邊緣布局，否則受力太不均,3、合理間距，適當(dāng)邊距，以利用扳手裝拆,65 螺栓組的設(shè)計(jì)與受力分析,27,4、避免偏心載荷作用 a）被聯(lián)接件支承面不平突起 b）表面與孔不垂直 c）鉤頭螺栓聯(lián)接,防偏載措施：a）凸合；b）凹坑（魚眼坑）；c）斜墊片,二、螺栓組受力分析,目的求受力最大載荷的螺栓,28,前提（假設(shè)）： 被聯(lián)接件為剛性不變形，只有地基變形。 各螺栓材料、尺寸、擰緊力均相同 受力后材料變形在彈性范圍內(nèi) 接合面形心與螺栓組形心重合，受力后其接縫面仍保持平面,1、受軸向載荷螺栓組聯(lián)接,

13、單個(gè)螺栓工作載荷為： F=P/Z P軸向外載 Z螺栓個(gè)數(shù),29,2、受橫向載荷的螺栓組聯(lián)接 特點(diǎn)：普通螺栓，鉸制孔用螺栓皆可用，外載垂直于螺栓軸線、防滑 普 通 螺 栓 受拉伸作用 鉸制孔螺栓受橫向載荷剪切、擠壓作用。 單個(gè)螺栓所承受的橫向載荷相等 R=RL/Z,30,3、受橫向扭矩螺栓組聯(lián)接,（1）圓形接合面：?jiǎn)蝹€(gè)螺栓所受橫向載荷,（2）矩形接合面,a)普通螺栓聯(lián)接,由靜平衡條件,則各個(gè)螺栓所需的預(yù)緊力為,聯(lián)接件不產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)的條件為：,31,b)鉸制孔螺栓聯(lián)接組,由變形協(xié)調(diào)條件可知，各個(gè)螺栓的變形量和受力大小與其中心到接合面形心的距離成正比,由假設(shè)板為剛體不變形，工作后仍保持平面，則剪應(yīng)變

14、與半徑成正比。在材料彈性范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變成正比,由靜平衡條件,32,4、受傾覆（縱向）力矩螺栓組聯(lián)接,特點(diǎn)：M在鉛直平面內(nèi)，繞O-O回轉(zhuǎn)，只能用普通螺栓，取板為受力對(duì)象，由靜平衡條件,設(shè)單個(gè)螺栓工作載荷為Fi,33,螺栓桿不拉斷的條件,設(shè)計(jì)公式,驗(yàn)算公式,右側(cè)不壓潰條件（被聯(lián)接件）,QP作用下接合面的擠壓應(yīng)力,M作用下接合面的擠壓應(yīng)力,34,左側(cè)不開(kāi)縫的條件,若受有橫向載荷PH，板不滑動(dòng)條件為：,被聯(lián)接件相對(duì)剛度,實(shí)際使用中螺栓組聯(lián)接所受的載荷是以上四種簡(jiǎn)單受力狀態(tài)的不同組合。計(jì)算時(shí)只要分別計(jì)算出螺栓組在這些簡(jiǎn)單受力狀態(tài)下每個(gè)螺栓的工作載荷，然后按向量疊加起來(lái)，便得到每個(gè)螺栓的總工作載荷，再

15、對(duì)受力最大的螺栓進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算即可,35,說(shuō)明：工程中受力情況很復(fù)雜，但均可轉(zhuǎn)化為四種典型情況進(jìn)行解決。 計(jì)算公式在對(duì)稱分布情況下推導(dǎo)，但不對(duì)稱也可以用 取轉(zhuǎn)軸不同，公式計(jì)算精度不同。,總設(shè)計(jì)思路：螺栓組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（布局、數(shù)目）螺栓組受力分析（載荷類型、狀態(tài)、形式）求單個(gè)螺栓的最大工作載荷（判斷哪個(gè)最大）按最大載荷的單個(gè)螺栓設(shè)計(jì)（求d1標(biāo)準(zhǔn)）全組采用同樣尺寸螺栓（互換的目的）,36,影響聯(lián)接強(qiáng)度的因素很多，如材料、結(jié)構(gòu)、尺寸、工藝、螺紋牙間、載荷分布、應(yīng)力幅度、機(jī)械性能，而螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度又主要取決于螺栓的強(qiáng)度。,一、改善螺紋牙間載荷分布不均狀況,工作中螺栓牙抗拉伸長(zhǎng)，螺母牙受壓縮短，伸與縮的螺距變

16、化差以緊靠支承面處第一圈為最大，應(yīng)變最大，應(yīng)力最大，其余各圈依次遞減，旋合螺紋間的載荷分布如圖所示。所以采用圈數(shù)過(guò)多的加厚螺母，并不能提高聯(lián)接的強(qiáng)度。,辦法：降低剛性，易變形、增加協(xié)調(diào)性，以緩和矛盾,63 提高螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度的措施,37,a) 懸置螺母 b) 環(huán)槽螺母 c)內(nèi)斜螺母 d)環(huán)槽內(nèi)斜,三、降低螺栓應(yīng)力幅,1、降低螺栓剛性,抗疲勞強(qiáng)度得到提高，可用豎心桿、細(xì)長(zhǎng)桿、柔性螺栓聯(lián)接,38,2、增大凸緣剛性,提高了螺栓聯(lián)接疲勞強(qiáng)度，采用高硬度墊片或直接擰在鑄鐵,3、同時(shí)使用Cb,Cm同時(shí)適當(dāng)增加QP,提高被聯(lián)接件剛性Cm 降低螺栓剛性Cb , 同時(shí)QP2QP2 理想方法,39,三、減小應(yīng)力集

17、中的影響,1）加大過(guò)渡處圓角(圖1) 2）改用退刀槽 3）卸載槽，(圖2) 4）卸載過(guò)渡結(jié)構(gòu)。（圖3）,40,四、采用合理的制造工藝,1）用擠壓法（滾壓法）制造螺栓，疲勞強(qiáng)度提高3040% 2）冷作硬化，表層有殘余應(yīng)力（壓）、氰化、氮化、噴丸等可提高疲勞強(qiáng)度 3）熱處理后再進(jìn)行滾壓螺紋，效果更佳，強(qiáng)度提高70100 %，此法具有優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低消耗功能 4）控制單個(gè)螺距誤差和螺距累積誤差,41,一、螺旋傳動(dòng)的類型、特點(diǎn)與應(yīng)用,1、應(yīng)用,螺旋傳動(dòng)是利用螺桿和螺母組成的螺旋副來(lái)實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)要求的。它主要用于將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)將直線運(yùn)動(dòng)變?yōu)榛剞D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)傳遞運(yùn)動(dòng)或動(dòng)力。,2、傳動(dòng)形式： a)螺桿轉(zhuǎn)螺母

18、移 b)螺桿又轉(zhuǎn)又移（螺平固定）用得多 c) 螺母轉(zhuǎn)螺桿移 d) 螺母又轉(zhuǎn)又移（螺桿固定）用得少,67 螺旋傳動(dòng),42,按用途分三類： 1）傳力螺旋舉重器、千斤頂、加壓螺旋 特點(diǎn)：低速、間歇工作，傳遞軸向力大、自鎖 2）傳導(dǎo)螺旋機(jī)床進(jìn)給匯杠傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力 特點(diǎn)：速度高、連續(xù)工作、精度高 3）調(diào)整螺旋機(jī)床、儀器及測(cè)試裝置中的微調(diào)螺旋。 特點(diǎn)：是受力較小且不經(jīng)常轉(zhuǎn)動(dòng),3、螺旋傳動(dòng)類型,螺旋傳動(dòng)按摩擦副的性質(zhì)分：,1、滑動(dòng)螺旋：構(gòu)造簡(jiǎn)單、傳動(dòng)比大，承載能力高，加工方便、傳動(dòng)平穩(wěn)、工作可靠、易于自鎖,缺 點(diǎn) ：磨損快、壽命短，低速時(shí)有爬行現(xiàn)象（滑移），摩擦損耗大，傳動(dòng)效率低（3040%）傳動(dòng)精度低,43,2、滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)摩擦性質(zhì)為滾動(dòng)摩擦。滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)是在具有圓弧形螺旋槽的螺桿和螺母之間連續(xù)裝填若干滾動(dòng)體（多用鋼球），當(dāng)傳動(dòng)工作時(shí)，滾動(dòng)體沿螺紋滾道滾動(dòng)并形成循環(huán)。按循環(huán)方式有：內(nèi)循環(huán)、外循環(huán)兩種,特點(diǎn)：傳動(dòng)效率高（可達(dá)90%），起動(dòng)力矩小，傳動(dòng)靈活平穩(wěn)，低速不爬行，同步性好，定位精度高，正逆運(yùn)動(dòng)效率相同，可實(shí)現(xiàn)逆?zhèn)鲃?dòng)。 缺點(diǎn)：不自鎖，需附加自鎖裝置，抗振性差，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造工藝要求高，成本較高。,44,3、靜壓螺旋液體摩擦，靠外部液壓系統(tǒng)提高壓力油，壓力油進(jìn)入螺桿與螺母螺紋間的油缸，促使螺桿、螺母、螺紋牙間產(chǎn)生壓力油膜而分隔開(kāi),特點(diǎn)：