第4讲(螺纹连接)

5-6螺纹联接的强度计算,1螺纹联接的失效形式和设计准则,2松螺栓联接的强度计算,3紧螺栓联接的强度计算,潘存云教授研制,1螺纹联接的失效形式和设计准则,单个螺栓连接的受力分析,受轴向载荷,受横向载荷,受轴向载荷的螺栓,保证静力或疲劳拉伸强度,主要失效形式：螺栓杆螺纹部分发生塑性变形或断裂,轴向力作用下螺栓杆和螺纹部分发生塑性变形或断裂,受横向载荷的螺栓,保证结合处的挤压强度和螺栓杆的剪切强度,铰制孔用螺栓结合部位发生压溃或螺栓杆被剪断,2松螺栓联接的强度计算（不预紧）,螺栓工作之前不需拧紧，不受力。,拉杆,起重吊钩,拉伸强度条件为：d1一般为螺栓的小径注意：螺栓的危险截面,F,设计式为：,校核式,d1计算出后,再按标准查选螺纹的公称直径（大径）d。,粗牙普通螺纹基本尺寸,3紧螺栓联接的强度计算,紧螺栓联接强度计算,仅受预紧力的紧螺栓联接,受横向工作载荷的紧螺栓联接,同时受预紧力和工作拉力的紧螺栓联接,3紧螺栓联接的强度计算,仅受预紧力的紧螺栓联接拉伸应力（预紧力F0）扭转切应力（螺纹摩擦力矩T1）,F0,F0,T1,第四强度理论：螺栓的计算应力为,M10M64普通钢制螺栓=0.5,设计式为：,将所受的拉力（预紧力）增大30%以考虑扭转的影响,受横向工作载荷的紧螺栓联接,螺栓杆与孔壁的挤压强度条件：,螺栓杆的剪切强度条件：,Lmin挤压面的最小高度,Lmin1.25d0,d0光杆直径,当用铰制孔用螺栓联接时,当用普通螺栓联接时,T1,因横向载荷是由预紧力在被联接件间产生的摩擦力来抵抗的，所以应满足：,预紧力F0（拉伸应力）+螺纹摩擦力矩T1（扭转切应力）,强度计算准则（与仅受预紧力的螺栓联接相同）第四强度理论：螺栓的计算应力为：,校核式,设计式,同时受预紧力和工作拉力的紧螺栓联接,螺栓受预紧力F0后，再在工作拉力F的作用下，螺栓的总拉力F2=?,螺母未拧紧,螺母已拧紧,已承受工作载荷,受力变形图,F2,F0,被联接件总压缩量为：,螺栓总伸长量为：,F1为残余预紧力,F0,F2,螺栓:,F0F2,增至,被联接件:,F0F1,减至,螺栓中总拉力为：F2(F2F1),（1）,式中F1为残余预紧力,F0,F2,力与变形线图,螺栓,被联接件,合并后,预紧后：,预紧且有工作载荷后：,F,F0,Ob,Om,力,变形,A,B,C,b,m,b,m,F2,F,F1,力与变形线图,为保证连接的紧密性，应使残余预紧力F10，一般根据连接的性质确定F1的大小。,推荐采用的F1为：对于用密封要求的连接，F1=（1.51.8）F对于一般连接，工作载荷稳定时，F1=（0.20.6）F工作载荷不稳定时，F1=（0.61.0）F,各力定义:,1、预紧力F0（拧紧螺母后，作用在螺栓上的拉力和被联件上压力）2、工作拉力F（对螺栓联接施加的外载荷）3、残余预紧力F14、螺栓的总拉力F2,（2）,（3）,（1）,（3）,螺栓的相对刚度,强度计算这时即可套用前面预紧力作用下螺栓强度计算式，考虑受载后补充拧紧，总载荷取总拉力F2的1.3倍,设计式：,校核式,疲劳强度计算,轴向工作载荷变化范围：0F,螺栓所受的总轴向拉力：F0F2,螺栓中的应力变化范围：（忽略螺纹间摩擦力矩）,疲劳强度计算,应力幅：,那么，强度条件为：,对重要零件，校核疲劳安全系数：,5-5螺栓联接受力分析和强度分析总结,螺栓联接受力分析和强度分析总结,在强度计算公式中所使用的载荷必须是计入各种影响后螺栓承受的总的载荷：松螺栓联接为工作载荷F；对只承受预紧力的紧螺栓联接要考虑拧紧力矩的影响：为预紧力F0的1.3倍；对同时承受轴向工作载荷的紧螺栓联接，考虑受载后补充拧紧，总载荷取总拉力F2的1.3倍。,强度校核计算,由机器要求确定工作载荷F,由工作性能要求确定工作状态下连接的紧密性要求确定残余预紧力F1,计算螺栓中的最大拉力F2及危险截面最大应力ca,试选螺栓尺寸，确定d1,细节结构设计,NO,YES,由工作性能要求确定工作状态下连接的紧密性要求确定需要的残余预紧力F1,试选螺栓尺寸，确定d1,由机器要求确定工作载荷F,由螺栓材料性能计算螺栓可承受最大拉力F2,计算螺栓联接中的残余预紧力F1,细节结构设计,NO,YES,确定螺栓预紧情况F0,5-7螺纹联接件的材料与许用应力,1螺纹联接件材料,2螺纹联接件的许用应力,潘存云教授研制,1螺纹联接件材料,最常用的螺纹联接件材料为Q235、45等碳素钢。当强度要求高时，还可采用合金钢，如40Cr等。,普通垫圈(平垫)，通常采用Q235,弹簧垫圈，采用65Mn,螺栓、螺柱、螺钉、螺母,常用材料,国家标准规定了螺纹联接件的性能等级,螺栓、螺柱、螺钉的性能等级分为10级，从3.6到12.9,第八版表,螺栓、螺母材料性能等级,螺栓性能等级的代号及含义：,代号a.b,a表示公称抗拉强度,b表示屈服强度,螺母的性能等级分为7级，从4到12,2螺纹联接件的许用应力,螺纹联接件的许用应力,S安全系数,lim极限应力,5-8提高螺纹联接强度的措施,1降低应力幅，提高螺栓疲劳强度,2改善螺纹牙上载荷分布不均匀现象,3减小应力集中,4采用合理的制造工艺方法,潘存云教授研制,1降低应力幅，提高螺栓疲劳强度,由式可知：减小螺栓刚度Cb或增大被联接件的刚度Cm都可以减小应力幅，提高螺栓的疲劳性能。但是，F1减小，联接的紧密性受到了影响。可在不影响静强度的条件下增大预紧力，以保持联接紧密性。,减少螺栓刚度Cb,加长螺栓,柔性螺栓：空心、腰杆,螺母下加弹性元件,增加被联接件的刚度Cm,刚度大的垫圈,可以不用垫片,对于有紧密性要求的连接，从增大被连接件刚度角度来看，应尽量避免采用较软的气缸垫片可采用密封环实现密封功能。,2改善螺纹牙上载荷分布不均匀现象,螺栓所受的总拉力是通过相接触的螺纹牙面传递的，由于螺栓和螺母的刚度不同，变形性质不同，造成各圈螺纹牙上的受力不同。,采用均载螺母，如：悬置螺母、环槽螺母、内斜螺母或环槽且内斜螺母、或用钢丝螺套均载。,3减小应力集中,主要从螺栓结构上来说，加大过度部位圆角、设置卸载槽、设置卸载过渡结构、螺纹收尾处留退刀槽。,零件几何形状结构尺寸发生变化，当受载时都产生应力集中设计和制造中应增大过渡圆角，增加卸载结构，避免偏心载荷，提高制造精度。,从设计、装配、制造上设法避免附加应力的产生。,支承面不平,采用凸台或沉孔结构,球面垫圈,4采用合理的制造工艺方法,冷镦螺栓头部、滚压螺纹的螺栓比切制螺纹疲劳性能好，另外，氮化、氰化、喷丸处理可提高螺纹联接件的疲劳强度。,采用冷墩螺栓头部，滚压螺纹，使应力集中变小，金属流线合理，冷作硬化硬表面留有残余应力。滚压螺纹疲劳强度比切削提高3040，而且材料利用率高，生产效率高，制造成本低。实际证明螺栓的疲劳强度随直径的增大而降低，M20、M45、M75的螺栓疲劳极限之比约为2.5:1.5:1，所以对于受轴向变载荷的联接，应用数目较多的细长螺拴，但直径应不小于M12M16。,螺旋副的计算公式,螺纹升角,牙形角,效率,自锁条件,当量摩擦系数,当量摩擦角,线数n,螺距p,梯形螺纹,三角形螺纹,5-9螺旋传动,1、螺旋传动的类型和应用,2、滑动螺旋的结构和材料,3、滑动螺旋传动的设计计算,1、螺旋传动的类型和应用,螺旋传动是利用螺杆和螺母组成的螺旋副来实现传动的。它主要用于将回转运动转变为直线运动，同时传递动力。,机床,螺旋传动的运动形式有：,螺杆转动，螺母移动,螺母固定，螺杆转动并移动,螺旋传动按其用途不同，可分为以下三种类型:,传力螺旋传导螺旋调整螺旋,螺旋传动按其螺旋副摩擦性质的不同，又可分为：,滑动螺旋滚动螺旋静压螺旋,螺旋机构在机床的进给机构、起重设备、锻压机械、测量仪器、工具、夹具、玩具及其他工业装备中有着广泛的应用。,2、滑动螺旋的结构和材料,滑动螺旋的结构,螺杆,螺母,整体螺母简单，间隙不可调,组合螺母,剖分螺母,间隙可调,多线，梯形和锯齿形螺纹,组合螺母,支承的结构,在设计螺旋副的支承结构时，可将螺杆视为轴、螺母视为支承,螺杆和螺母的材料,要求：强度、耐磨性、减摩性,螺杆（耐磨）,螺母（减摩）f,一般传动：45,重要传动：40Cr,铸锡青铜ZCuSn10P1,3、滑动螺旋传动的设计计算,主要失效形式:螺纹的磨损,设计准则：按耐磨性计算，确定螺杆直径与螺母高度。,校核螺杆的强度、螺母螺纹牙的强度。,传力螺旋,塑性变形或断裂,长径比很大的螺杆,螺杆受压后失稳,校核螺杆的稳定性,转矩及轴向力,耐磨性计算,滑动螺旋的耐磨性计算，主要是限制螺纹工作面上的压力，其耐磨性条件：,螺旋副受力,校核式,F螺杆的轴向力,A螺纹的承压面积(指螺纹工作表面投影到垂直于轴向力的平面上的面积),h螺纹的工作高度,u螺纹工作圈数,H螺母高度,P螺纹螺距,螺旋副受力,螺旋副受力,设计式：,令,一般,对于矩形和梯形螺纹，h=0.5P，有,对于锯齿形螺纹，h=0.75P，有,设计式：,依据计算出的螺纹中径，按螺纹标准选择合适的直径和螺距。,螺母高度,验算：,若不满足要求，则增大螺距。,螺杆的强度计算,对于受力比较大的螺杆，需根据第四强度理论求出危险截面的计算应力：,F螺杆所受的轴向力,T螺杆所受的扭矩,A螺杆螺纹段的危险截面面积,WT螺杆螺纹段的抗扭截面系数,螺母螺纹牙的强度计算,其危险截面aa的剪切强度条件为：,螺牙