第11章螺纹连接设计

.,第11章螺纹连接设计,11.1螺纹,11.2螺纹连接的类型和标准连接件,11.3螺纹连接的预紧与防松,11.4螺纹连接的力分析,11.5螺纹连接的强度计算,11.6螺纹连接的材料及性能等级,.,11.1螺纹,11.1.1螺纹的形成,螺纹,.,1.按螺纹线所旋绕母体分,内螺纹,外螺纹,2.按螺纹功用分,连接螺纹,传动螺纹,11.1.2螺纹的分类,.,3.按测量制度分,米制螺纹,英制螺纹,4.按螺纹牙型分,锯齿形螺纹,矩形螺纹,矩形螺纹,三角形螺纹,三角形螺纹,梯形螺纹,梯形螺纹,锯齿形螺纹,.,5.按螺纹的旋向分,左旋螺纹,右旋螺纹,双线螺纹,单线螺纹,S=2P,S=P,6.按螺旋线的头数分,单线螺纹,多线螺纹,右旋螺纹,左旋螺纹,.,7.按母体形状分,圆锥螺纹,圆柱螺纹,圆锥螺纹,管螺纹,圆柱螺纹,.,11.1.3螺纹的主要几何参数,1.大径d螺纹的最大直径在标准中定为公称直径,2.小径d1螺纹的最小直径。强度计算的危险截面直径,3.中径d2螺纹的平均直径,4.头数n螺纹的螺旋线根数,有单线和多线之分，一般n4,5.接触高度h内外螺纹旋合的接触面的径向高度。,6.牙形角螺纹两侧边之间所夹的角,.,8.导程S同一螺旋线转一周所移动的轴向距离S=nP,7.螺距P螺纹相邻两牙对应点间的轴向距离,9.螺旋升角中径上，螺旋线与螺纹轴线的垂线之间所夹的角,6.牙形角螺纹两侧边之间所夹的角,.,11.2螺纹连接的基本类型和螺纹连接件,螺纹连接的组成,螺纹连接件螺栓（钉）、螺母、垫圈等,被连接件箱盖、箱座,注意：螺纹连接和螺纹连接件的不同意义。,.,11.2.1螺纹连接的基本类型螺栓,1.螺栓连接,普通螺栓连接,铰制孔用螺栓连接,孔与螺杆之间留有间隙,注意：两种连接的异同,孔与螺杆之间没有间隙,.,普通螺栓连接与铰制孔用螺栓连接应用比较,相同之处：被连接件不很厚，均可钻通孔,2）造价不同；,3）钉杆与孔关系不同；,.,4）传力方式不同,.,注意重点：当连接受横向外载荷F时,普通螺栓受到的是轴向拉力F0（预紧力）而铰制孔螺栓受到的是横向力F（剪切力、挤压力）,.,3螺钉连接,2.双头螺柱连接,双头螺柱连接与螺钉连接的异同,相同之处：被连接件之一太厚，不宜钻通孔不同之处：双头螺柱连接能常拆卸，螺钉连接不宜拆卸,.,2.双头螺柱连接,3螺钉连接,不同之处：，双头螺柱连接能常拆卸，螺钉连接不宜拆卸,.,不同之处：，双头螺柱连接能常拆卸，螺钉连接不宜拆卸,2.双头螺柱连接,3螺钉连接,.,2双头螺柱连接,3螺钉连接,不同之处：，双头螺柱连接能常拆卸，螺钉连接不宜拆卸,.,3螺钉连接,2.双头螺柱连接,不同之处：，双头螺柱连接能常拆卸，螺钉连接不宜拆卸,.,不同之处：，双头螺柱连接能常拆卸，螺钉连接不宜拆卸,2双头螺柱连接,3螺钉连接,.,2.双头螺柱连接,3.螺钉连接,不同之处：，双头螺柱连接能常拆卸，螺钉连接不宜拆卸,.,4.紧定螺钉连接,功用：固定两个零件的相互位置,承载特征：不易传递很大的力或力矩,常用紧定螺钉的形状,.,吊环螺栓连接,T形槽螺栓连接,地脚螺栓连接,5.其它形式的螺纹连接,.,常用的标准螺纹连接件,六角头螺栓,小六角头螺栓,.,平垫圈,薄平垫圈,斜垫圈,弹簧垫圈,圆螺母用止动垫圈,螺母,六角扁螺母,六角厚螺母,六角扁螺母,圆螺母,垫圈,.,11.3螺纹连接的预紧与防松,11.3.1螺纹连接的预紧预紧螺纹连接在装配时的拧紧,1.控制预紧力的原因以增强连接的刚性、紧密性和防松能力。防止被连接件间出现缝隙和相对滑动。提高连接的强度。,预紧力的推荐值：,碳素钢螺栓,合金钢螺栓,s螺栓材料的屈服极限,A1螺栓危险截面的面积,2.常用的控制预紧力的方法,.,常用的控制预紧力的方法,1）不重要的连接经验法（凭手感拧紧）,2）常用连接预紧方法,（1）测力矩扳手预紧,（2）定力矩扳手预紧,测力矩扳手,定力矩扳手,拧紧力矩T的确定,3）重要连接的预紧方法,测量螺栓伸长量的方法,T1螺纹副间的摩擦力矩T2螺母与支承面间的摩擦力矩,.,将M10M60粗牙普通钢制螺纹的参数取平均值代入力矩公式，得：,一般标准扳手的长度L=15d,当拧紧力F=200N时，预紧力F=15000N,因此，对于重要的连接，尽量不要采用小于M12的螺栓，以免螺栓被拧断。,.,测力矩扳手和定力矩扳手操作简单但精确性差，且不适于大型连接，所以对于重要使用的大型连接，常采用测量螺栓伸长量的方法来控制预紧力。,图5-11测量螺栓伸长量,根据所需的预紧力F，拧紧后的螺栓总长为：,C1螺栓的刚度系数，N/mm,LS螺栓的原始长度。,LM螺栓受拉后的总长度。,.,11.3.2螺纹连接的防松,1.连接松脱的原因,1）冲击、振动、变载作用下，摩擦力瞬时消失；2）高温或温度变化较大，被连接件材料蠕变和应力松弛；,连接松脱的危害轻者造成机器运转恶化，重者造成严重事故,防松脱的关键防止螺纹副在力的作用下发生相对转动,2.防松脱的方法,摩擦防松,机械防松,破坏螺旋副运动关系防松,.,对顶螺母,1）摩擦防松（见表11.2）,（1）对顶螺母（增加摩擦面）,（2）弹簧垫圈,弹簧垫圈,（3）自锁螺母,.,（1）开口销与六角开槽螺母,2）机械防松（见表11.2）,.,（2）止动垫片,.,（3）串联钢丝,串联钢丝,.,3）永久止动（破坏螺旋副运动关系防松）,焊接,铆冲,冲点,（1）焊点和冲点,（2）粘合,.,11.4螺栓组连接的力分析,11.4.1力分析的合理假设同一螺栓组中，每个螺栓的材料、直径、长度、预紧力均相等；螺栓的应变没有超出弹性范围；被连接件为刚体体，受载后结合面仍保持为平面。螺栓组的对称中心与连接结合面的型心重合；,受力分析的目的为强度计算提供载荷依据,.,受力分析的典型类型,1.受横向载荷的螺栓组连接,2.受转矩作用的螺栓组连接,3.受轴向载荷作用的螺栓组连接,4.受倾覆力矩作用的螺栓组连接,11.4.2常见螺栓组受力类型,.,1.受横向载荷的螺栓（组）连接,（1）连接所受外载荷,1）采用铰制孔螺栓连接,（2）单元连接受力,（3）单个螺栓受力为：,Z螺栓个数,对于铰制孔螺栓连接单元连接所受的力也为单个螺栓所受的力,.,2）采用普通螺栓连接,（1）连接所受外载荷,（2）取板1为研究对象分析受力（解法1）,（3）螺栓的预紧力,板1的平衡条件为：,m接合面数,m=2,防滑系数,Z螺栓个数,fc摩擦系数,.,2受转矩的螺栓组连接,铰制孔螺栓连接,普通螺栓连接,分析要点：,（1）转矩没有直接作用螺栓杆上；,（2）每个螺栓受的预紧力相等；,（3）每个螺栓处的摩擦力Ff相等且垂直于螺栓至型心o的连线,（4）在转矩T作用下，被连接件不相对转动（连接可靠）条件为：,1）采用普通螺栓连接,且：,.,单个螺栓所受的预紧力F,摩擦阻力矩Tf为:,连接可靠条件为：,.,2）铰制孔用螺栓连接,分析要点：,（1）螺栓杆直接受到扭矩T作用；,（2）每个螺栓处的阻抗剪力Fsi垂直于螺栓至型心o的连线.,Fsi与螺栓至型心o连线的距离ri成正比。满足下列关系：,.,连接可靠条件为：,.,3.受轴向载荷的螺栓组连接,分析要点：,（1）气缸未工作前（没充气），螺栓已受预紧力F作用；,（2）汽缸工作后（充气后）每个螺栓又受到工作拉力F作用（均分F）,（3）单个螺栓所受到的总拉力F0不简单地等于预紧力F与工作拉力F之和。即：,.,（4）单个螺栓的受力变形关系,螺栓刚度C1被连接件刚度C2,被连接件受力性质压力,（a）,螺栓受力性质拉力,.,力,1,（a,F,F,2,.,.,令：,.,螺栓的相对刚度系数,其值的变动范围从01,当螺栓刚度C1与被连接件刚度C2相比很小时:,总拉力F0与螺栓相对刚度C1之间的关系,则有：,结论：当螺栓相对刚度很小时，工作拉力F作用,.,结论:当螺栓的相对刚度，在同样的工作拉力F作用下，总拉力F0明显增大，即：,当螺栓刚度Cb与被连接件刚度Cm相比不很小时:,不考虑螺栓相对刚度影响：,.,螺栓的相对刚度系数，其值在01间变化,0.20.3金属垫片或无垫片,0.7皮革垫片,0.8铜皮石棉垫片,0.9橡胶垫片,被连接件相对刚度与螺栓相对刚度之间的关系:,熟记公式：,.,（1）当工作载荷没有变化时，可取,（2）当工作载荷有变化时，可取,（3）对于有紧密性要求的连接（如压力容器的螺栓连接），可取,残余预紧力F可根据如下3种条件选取：,.,4倾覆力矩螺栓组连接,分析要点：,（1）弯矩M作用前，螺栓已受预紧力F作用；,（2）弯矩M作用后，左侧螺栓受到M引起的工作拉力作用，其拉力的大小与螺栓至对称轴线o-o距离Li成正比；,（3）右侧螺栓未受到M引起的工作拉力作用，但为处理方便起见，认为右侧螺栓受到与左侧螺栓拉力程度相同的压力作用（压力实际作用在结合面）。,.,螺栓受力的大小与螺栓至对称轴线o-o距离Li成正比，,左侧螺栓受到的最大拉力为：,根据变形协调条件：,.,在该连接中，受力最大的螺栓为连接最左侧的螺栓,最左侧螺栓所受到的最大工作拉力（M引起）为：,最左侧螺栓所受到的最大总拉力F0：,.,11.5螺纹连接的强度计算,单个螺栓的强度计算,螺栓组的受力分析,螺栓连接设计的步骤,螺栓连接强度的内容被连接件的强度连接件的强度,螺栓连接强度的关键因素为螺栓的强度,螺栓连接设计的两大内容结构设计强度计算（工作能力）,.,螺栓的破坏形式：.螺栓杆塑性变形或拉断（普通螺栓，也称受拉螺栓）.螺栓杆或孔壁贴合面的压溃和剪断（受剪螺栓）.经常装拆因磨损而发生滑扣,破坏性质：90%的螺栓属于疲劳破坏,受拉螺栓不同部位发生破坏的比重,.,11.5.1松螺栓连接的强度计算,设计公式,螺栓危险截面的拉伸强度计算条件为：,根据上式求得d1后，按GB196-1981选取标准螺纹直径。,.,11.5.2仅承受预紧力的紧螺栓连接强度计算,螺栓危险截面受的载荷,轴向拉力F（预紧力）,摩擦阻力矩T,该种连接的传力方式靠摩擦传力,.,设计准则保证螺栓拉伸强度,将M10M60粗牙普通钢制螺纹的参数取平均值代入：,根据第四强度理论求得螺栓危险截面的计算应力为：,普通螺栓的失效形式螺栓拉断(拉、扭综合作用),强度条件,.,普通螺栓的拉伸强度计算,强度校核,强度设计,mm,注意：当初步计算出螺栓的直径d1后，应查机械零件设计手册相关章节，按照国家标准选取螺栓的型号。,.,普通螺栓连接需要较大预紧力F以保持足够的的摩擦力,避免上述缺陷的措施是：采用各种减载零件来承担横向载荷F,b）减载套筒,c）减载销,其缺陷是：1）连接的可靠性差（容易松脱）；2）加大预紧力F，会使整个结构尺寸增加。,a）减载键,.,分析要点：,（1）连接未受工作载荷之前，每个螺栓已受预紧力F作用。,（2）汽缸充气后，单个螺栓的工作拉力为：,（3）工作后（汽缸充气后）单个螺栓既受预紧力F作用，又受工作拉力F作用，所受的总拉力F0为：,11.5.3螺栓危险截面的强度条件,.,静强度条件,疲劳强度条件,1.静强度计算,校核公式,设计公式,注意：校核公式中的1.3F0，系数1.3的含义为：考虑到螺栓在总拉力作用下，可能需要补充拧紧，故将总拉力增加30%以考虑扭转剪应力的影响,.,2.疲劳强度条件,汽缸未充气时，螺栓拉力为F,汽缸充气后，螺栓总拉力为F0,工作拉力,总拉力,最小拉应力,最大拉应力,对于受轴向变载荷的重要螺栓连接（如内燃机气缸盖螺纹连接），除应按静强度计算外，还应进行疲劳强度精确校核计算。,.,螺栓的工作拉力F和总拉力F0在整个工作过程中的变化图,充气前和排气后，螺栓仅受预紧力F作用,充气后螺栓的总拉力为F0,.,螺栓危险截面的应力幅值为,1）一般疲劳强度计算,其中:,（不控制预紧力）,为有效应力集中系数，见表11.9。,拉压疲劳强度综合影响系数。,应力幅计算安全系数，见表11.6。,尺寸系数，见表11.8。,（控制预紧力）,.,2）精确疲劳强度计算,安全系数法,，,材料的对称循环拉压疲劳极限，见表11.10，单位：MPa；,试件的材料常数，即循环应力中平均应力的的折算系数。,（合金钢）,S安全系数，见表11.5、表11.6。,（碳素钢）,.,11.5.4受倾覆力矩作用的螺栓组连接强度计算,分析要点：,（1）弯矩M作用前，结合面所受的总压力为ZF,其压应力为：,A结合面面积,（2）弯矩M作用在结合面左侧为拉应力，右侧为压应力：,W接合面抗弯模量,.,1.按照螺栓拉伸强度条件进行计算（螺栓不拉断条件）,拉伸强度校核公式为:,拉伸强度设计公式为:,.,2.按照接合面左侧边缘不应出现缝隙条件计算,3.按照接合面右侧边缘不压溃条件计算,A底板与支承面的接触面积，mm2；W底板接合面的抗弯截面模量，mm3；,支承面材料的许用挤压应力，MPa，表11.4。,.,11.5.5承受横向载荷和转矩的铰制孔用螺栓连接强度计算,该种连接，螺栓所受的预紧力F与其所受剪切力Fs相比，可忽略不计。,挤压强度校核,剪切强度校核,按挤压强度设计,按剪切强度设计,.,螺栓所受的工作剪力，N；,螺栓剪切面的直径（可取为螺栓孔的直径），mm；,螺栓杆与孔壁挤压面的最小高度，mm；,螺栓或孔壁材料的许用挤压应力，MPa，见表11.4；,螺栓材料的许用剪应力，MPa。,设计时应使,式中：,.,11.6螺纹连接的材料及性能等级,螺纹连接件常用材料,碳素钢,合金钢15Cr，40Cr，30CrMnSi等（用于冲击、振动、变载荷）,低碳钢：Q215，10钢等,中碳钢：Q235，35钢、45钢等,无特殊要求的一般连接,精密机械、中等载荷,特殊用途螺纹连接件材料,有防锈、防腐蚀、防磁、导电耐高温等要求,特种钢,铝合金,铜合金,可采用表面处理（如氧化、镀锌、镀镉等）,普通垫圈的材料：Q235、15钢、35钢；,弹簧垫圈:65Mn，需经热处理和表面处理。,.,螺纹连接件的力学性能等级,螺栓、螺钉和螺柱的性能等级共分十级（见表11.11）,3.6,4.6,4.8,5.6,5.8,6.8,8.8,9.8,10.9,12.9,数字含义：,3.6,强度极限B=3100=300MPa,屈服极限S=3610=180MPa,5.8,强度极限B=5100=500MPa,屈服极限S=5810=400MPa,螺母的性能等级共分七级：4，5，6，8，9，10，12,螺栓与螺母性能等级的匹配原则：,螺母的性能等级不能低于与之相配的螺栓的性能等级（见表11.12）,.,图11.17受轴向载荷的螺栓组连接。,例11.1一钢制液压油缸，已知缸内油压(静载)P=2MPa，液压缸内径D2=125mm。缸盖用六个M16的螺栓连接在缸体上，螺栓材料的许用应力=120MPa。根据连接的紧密性要求，取残余预紧力F=1.5F，试校核螺栓连接的强度。,解：螺栓既受预紧力又受工作拉力作用，单个螺栓所受的总拉力为：,1.计算单个螺栓所受的工作拉力,液压缸盖螺栓组所受的载荷,单个螺栓的工作拉力,.,查机械设计手册（GB/T196-1981），知螺栓内径d1=13.8355mm故：,2.求螺栓的总拉力,残余预紧力,螺栓的总拉力,校核螺栓连接的强度,由上述分析计算可知此连接可靠。,.,例11.2厚度的钢板拟用三个M16螺栓紧固于18槽钢上，已知作用力FQ=9KN，钢板材料45钢，许用拉伸应力=450MPa，许用剪切应力=98MPa，许用挤压应力P=240MPa试分别按普通螺栓连接和铰制孔用螺栓连接进行设计，并比较两种设计。,解：1.计算每个螺栓至型心的距离r1、r2、r3,2.受力分析,1）将FQ向连接型心简化,由于连接所受的力FQ未作用在连接型心，应先将向连接型心简化，得：,.,2）将FQ、T分别向每个螺栓处分解,3）确定分解到螺栓处的最大力FSmax,3.分别按普通螺栓连接和铰制孔用螺栓连接进行设计,1）按普通螺栓连接设计,（1）求螺栓的预紧力,取单元连接分析受力,.,（1）求螺栓的预紧力,按照单元连接在横向载荷FSmax作用下的平衡条件，得：,按照表11-3查得摩擦系数fc=0.15，可靠性系数KS=1.2。,（2）确定螺栓尺寸,选螺栓材料为45钢。屈服极限,许用拉伸应力,.,螺栓内径：,查机械零件设计手册，根据GB/T193-181，选取M36，,。,2）按铰制孔用螺栓连接设计,取FSmax作用的单元连接进行分析（取螺栓2、螺栓3作用处均可）。,对于铰制孔用螺栓连接，其单元连接所受的横向力，即为单个螺栓所受之力。即,.,其中,查机械零件设计手册，根据GB/T2