第05章 螺栓e.ppt

Joints,Separablejoints,Permanentjoints,Screwjoints,Key,splineandpinjoints,Shapedjoints,Interferencefitjoints,Rivetedjoints,Weldedjoints,Adhesivejoints,Elasticringjoints,Shafthubjoints,第二篇联接,机械联接可分为机械动联接(运动副如齿轮、凸轮机构等等)和机械静联接。本篇主要研究的是机械静联接。,第五章螺纹联接与螺旋传动,重点：螺纹联接中螺栓组的受力分析、强度计算,难点：螺栓组的受力分析,返回目录,前一页,后一页,退出,第一节螺纹,一、螺纹的类型和应用1、工程应用,返回目录,前一页,后一页,退出,2、按螺纹牙型分类：,返回目录,前一页,后一页,退出,联接用螺纹的当量摩擦角较大，有利于实现可靠联接；,传动用螺纹的当量摩擦角较小，有利于提高传动的效率。,二、螺纹主要参数螺纹可分左旋和右旋。,1、大径d：公称直径。2、小径d1：最小直径，强度算用。,返回目录,前一页,后一页,退出,4、线数n：螺纹的螺旋线数目。n4。n效率自锁性，n自锁性越好。因此，常用联接的螺纹要求自锁性，一般为单线。5、螺距P：相邻两螺纹牙型上对应点间距离。6、导程S：螺旋线上任一点沿同一条螺旋线旋转一周，该轴线上升的距离。S=nP,7、升角：螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面间的夹角。,可见，S效率自锁性。,8、牙型角：螺纹牙两侧边的夹角，对称牙形，=2，：牙侧角。,返回目录,前一页,后一页,退出,9、工作高度h：内外螺纹旋合的接触面的高度。,10、效率：,11、自锁条件：,返回目录,前一页,后一页,退出,第二节螺纹联接的类型及标准联接件,一、螺纹联接的类型,螺纹联接的类型,螺栓联接,普通螺栓联接,铰制孔螺栓联接,双头螺柱联接,螺钉联接,紧定螺钉联接,其它螺纹联接,二、标准螺纹联接件,返回目录,前一页,后一页,退出,常用标准件,第三节螺纹联接的预紧,一、预紧力,预紧力F0:绝大多数螺纹联接在装配时都必须拧紧，使联接在承受工作载荷之前，预先受到力的作用。这个预加作用力称为预紧力。,预紧目的：在于增强联接的可靠性和紧密性，以防止受载后被联接件间出现缝隙或发生相对滑动。,预紧力确定的原则：为保证联接的需要，且又要防止螺纹超载而破坏，一般要控制预紧力F0；螺栓拧紧后，预紧应力不得超过其材料的屈服限s的80%。,返回目录,前一页,后一页,退出,预紧力的限制,控制预紧力的方法：利用控制拧紧力矩的方法来控制预紧力的大小。通常可采用测力矩扳手或定力矩扳手，对于重要的螺栓联接，也可以采用测定螺栓伸长的方法来控制预紧力。,返回目录,前一页,后一页,退出,注意：对于重要的联接，应尽可能不采用直径过小(M12)的螺栓。,预紧力和拧紧力矩之间的关系：,详细推导,一般：扳手的长度：L=15d拧紧力：F=200N拧紧力矩：T=FL螺栓承受的预紧力：F0=15000N,第四节螺纹联接的防松,防松的根本问题：在于防止螺旋副相对转动。,防松方法：,摩擦防松,机械防松,其它防松,返回目录,前一页,后一页,退出,第五节螺纹联接的受力分析,大多数机器的螺纹联接件都是成组使用的，其中以螺栓组联接最具有典型性，故以螺栓组联接为例，讨论它的设计和计算问题，其结论对双头螺柱组、螺钉组联接也同样适用。螺栓设计步骤：1、结构设计：螺栓数目、布置方式。2、受力分析：找出受力最大的螺栓。3、强度计算：确定螺栓的直径。,返回目录,前一页,后一页,退出,一、螺栓组联接的结构设计目的：确定接合面的几何形状以及螺栓数目和布置形式。要求：1、联接接合面的几何形状通常都设计成轴对称的简单几何形状，如圆形、环形、矩形、三角形等。便于对称布置螺栓，使螺栓组的对称中心和联接接合面的形心重合，从而保证联接接合面受力比较均匀。,2、螺栓的布置应使各螺栓的受力合理。（1）对于铰制孔用螺栓联接，不要在平行于工作载荷的方向上成排地布置八个以上的螺栓，以免载荷分布过于不均。,返回目录,前一页,后一页,退出,（2）当螺栓联接承受弯矩或转矩时，应使螺栓的位置适当靠近联接接合面的边缘，以减小螺栓的受力。,（3）当采用普通螺栓联接时，如果螺栓同时承受轴向载荷和较大的横向载荷时，应采用销、套简、键等抗剪零件来承受横向载荷，以减小螺栓的预紧力及其结构尺寸。,返回目录,前一页,后一页,退出,3、螺栓的排列应有合理的间距、边距。各螺栓轴线间以及螺栓轴线和机体壁间的最小距离，应根据扳手所需活动空间的大小来决定。,4、分布在同一圆周上的螺栓数目，应取成偶数，以便在圆周上钻孔时的分度和画线。5、为了便于装配，同一螺栓组中所有螺栓的材料、直径和长度均应相同。6、避免螺栓承受附加的弯曲载荷。,返回目录,前一页,后一页,退出,返回目录,前一页,后一页,退出,二、螺栓组联接的受力分析螺栓组受力分析的目的：确定螺栓组中受力最大的螺栓及其所承受的工作载荷的大小。,1、受横向载荷的螺栓组联接（1）采用普通螺栓联接,返回目录,前一页,后一页,退出,保证接合面不产生滑移,或,（2）采用铰制孔用螺栓联接,若每个螺栓承受的工作载荷均为F，则根据平衡条件得zFF,2、受扭转力矩的螺栓组联接（1）采用普通螺栓联接,返回目录,前一页,后一页,退出,根据底板上各力平衡条件：,（2）采用铰制孔用螺栓联接,设底板为刚体，受载后结合面仍为平面，距离中心越远，其螺栓剪切变形越大，受力也越大。因此：,返回目录,前一页,后一页,退出,如图所示为汽缸盖螺栓组联接，每个螺栓所受的轴向工作载荷F：F=F/z,返回目录,前一页,后一页,退出,3受轴向载荷的螺栓组联接,4受倾覆力矩的螺栓组联接假定底板为刚体，在M作用下接合面仍保持平面；地基和螺栓为弹性体；底板受翻转力矩M作用后，将绕对称轴OO翻转。,根据力平衡条件得：,返回目录,前一页,后一页,退出,根据变形协调条件：,可以得到：,返回目录,前一页,后一页,退出,为了防止接合面受压最大处(如图底板右边缘)被压碎或受压最小处(如图底板左边缘)出现间隙，应使受载后地基接合面挤压应力的最大值不超过底板与地基两者中最弱材料的许用值，最小值不小于零。也就是：,式中：,（接合面产生的附加的挤压应力）,返回目录,前一页,后一页,退出,故：,返回目录,前一页,后一页,退出,实际中，螺栓组所受的外载荷常常是复合状态，但都可以简化成上述四种简单受力状态，再按力的叠加原理求出螺栓受力。求得受力最大的螺栓所受的载荷后，即可进行单个螺栓联接的强度计算。,三、螺栓联接的强度计算,返回目录,前一页,后一页,退出,螺栓的失效形式：1、受拉螺栓失效形式：螺栓杆螺纹部分发生断裂。设计准则：保证螺栓的静力或疲劳拉伸强度。,2、受剪螺栓失效形式：螺栓杆和孔壁的贴合面上出压溃或螺栓杆被剪断。设计准则：保证螺栓的挤压强度和剪切强度。,以起重机的吊钩为例，在承受工作载荷前螺纹不预紧，当承受拉伸载荷F时其拉伸的强度条件为：,返回目录,前一页,后一页,退出,（一）松螺栓联接的强度计算,（二）紧螺栓联接的强度计算(承受轴向拉力螺栓强度计算）1、仅承受预紧力的紧螺栓强度计算,危险截面的拉伸应力：,危险截面的剪应力：,紧螺栓在装配时，除了受预紧力F0产生的拉应力外，还承受补充扭紧时扭紧力矩T1产生的扭转剪应力的作用。,返回目录,前一页,后一页,退出,对于M12M64螺栓：,由此可得：,根据第四强度理论，其计算应力：,危险剖面的强度条件是：,系数1.3的意义：在补充拧紧时，将螺栓所承受的总拉力增大30%来考虑扭转产生剪切应力的影响。,返回目录,前一页,后一页,退出,2、既承受预紧力又承受工作拉力时紧螺栓强度计算,（1）受力分析,返回目录,前一页,后一页,退出,受力变形动画,（2）受力变形图,式中：Cb，Cm联接件与被联接件的刚度。,螺栓所承受的工作力F：,螺栓总的拉力：,令,返回目录,前一页,后一页,退出,说明,残余预紧力为：,结论：1、上述分析可见：螺栓承受的总拉力F2F0+F2、当F0及F一定时，F2取决于Cb/(Cb+Cm)Cb（Cm）螺栓受力F2，取采用刚度小的螺栓，刚度大的被联接件。3、为防止出现缝隙，残余预紧力应大于0,一般：F1=(0.21)F;有密封要求的F1=(1.51.8)F。,返回目录,前一页,后一页,退出,（3）强度计算1）工作载荷为静载荷在设计时首先计算螺栓的工作载荷F，再根据联接的要求选取F1值，计算螺栓的总拉力F2，在考虑可能补充拧紧将总拉力增大30后考虑扭切应力的影响。截面的拉伸强度条件是：,返回目录,前一页,后一页,退出,螺栓的最大拉应力为：,螺栓的最小拉应力为：,应力幅为：,计算安全系数,由前面知识可知这种应力状态为最小应力等于常数min=C,返回目录,前一页,后一页,退出,2）工作载荷为变载荷(螺栓的疲劳强度进行精确校核)工作载荷在0F变化时螺栓总拉力在F0,之间变化。,（三）承受工作剪力的紧螺栓联接,失效形式：螺杆被剪断及螺杆或孔壁被压溃。,挤压强度条件为：,螺栓杆的剪切强度条件为：,返回目录,前一页,后一页,退出,第六节螺纹联接件的材料及许用应力,返回目录,前一页,后一页,退出,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，螺母的性能等级分为7级。在一般用途的设计中，通常选用4.8级左右的螺栓，在重要的或有特殊要求设计中的螺纹联接件，要选用高的性能等级，如在压力容器中常采用8.8级的螺栓。,一、螺纹联接件材料,常用的螺纹联接件材料为Q215、Q235、35、45等碳素钢。当强度要求高时，还可采用合金钢，如15Cr、40Cr等。,性能等级,二、螺纹联接件的许用应力,1螺纹联接件的许用拉应力,2螺纹联接件的许用剪应力和许用挤压应力,3螺纹联接件的安全系数,说明,（被联接件为钢）,（被联接件为铸铁）,第七节提高螺纹联接强度的措施,返回目录,前一页,后一页,退出,从螺栓总拉力公式可以看出，在预紧力不变的情况下，减小应力幅实际就是减少螺栓的总拉力F2，所以有以下三种方法：,1）减小联接件的刚度,1、降低影响螺栓联接的应力幅,2）增加被联接件的刚度,3）适当增加预紧力及减小联接件的刚度和增大被联接件的刚度,返回目录,前一页,后一页,退出,减小联接件刚度方法：增加螺栓长度，采用腰状螺栓或空心螺栓。,增大被联接件刚度的方法：采用刚度较大的金属气缸垫片或采用密封环。,返回目录,前一页,后一页,退出,2、改善螺纹牙上载荷分布不均的现象,返回目录,前一页,后一页,退出,由于螺栓和螺母的刚度和变形的性质不同，即使制造和装配都很精确，各圈螺纹牙上受力也是不同的。当联接受载时，螺栓受拉伸，外螺纹螺距增大，而螺母被压缩，内螺纹螺距减小。螺纹的螺距变化，第一圈最大，以后各圈递减。经试验证明：约有1/3的载荷集中在第一圈上，第八圈以后，螺纹几乎不承受载荷。,改善螺纹牙载荷分布方法。1)采用悬置螺母（如图a）所示，使螺母受拉，其性质与螺栓完全相同，从而减小两者间的螺距差，使螺纹牙上的载荷分布均匀。,2)采用环槽螺母（如图b所示），使螺母下端（螺栓旋入端）局部受拉，其作用和悬置螺母相似。3)内斜螺母（如图c所示），螺母下端受力大的几圈螺纹处制成1015的斜角，使螺栓螺纹牙的受力面由上而下逐渐外移。使载荷分布均匀。4）图d所示结构，兼有环槽螺母和内斜螺母的作用。,返回目录,前一页,后一页,退出,3减小应力集中的影响增大过渡圆角或采用卸载结构,4、避免或减小附加载荷,返回目录,前一页,后一页,退出,返回目录,前一页,后一页,退出,5、合理的制造工艺采用冷镦螺栓头部和滚压螺纹的工艺方法，可以显著提高螺栓的疲劳强度。冷镦螺栓头、滚压螺纹牙、强化处理。,6、采用高强度钢制造螺栓,返回目录,前一页,后一页,退出,作业5-55-9,返回目录,前一页,后一页,退出,例题1、图示塔接板，用8个普通螺栓联接，每个螺栓危险剖面面积为225mm2，作用在联接板上的横向外力F=18000N，接合面间的摩擦系数F=0.15，防滑系数KS=1.2，求螺栓承受的最小工作应力。,解：1）求每个螺栓施加的预紧力。,2）求螺栓工作应力,返回目录,前一页,后一页,退出,例题2、图示凸缘联轴器，用六个普通螺栓将两半联轴器相联，被联轴的转速n=960r/min，传递的功率P=1.5kW，联轴器接合面间摩擦系数f=0.2，防滑系数Ks=1.2，螺栓材料屈服极限s=320Mpa，安全系数S=1.5，计算螺栓直径。,解：1）联轴器所传递转矩,2）螺栓所承受的预紧力F0,返回目录,前一页,后一页,退出,3）求许用应力,4）求螺栓直径,返回目录,前一页,后一页,退出,5、气缸盖联接结构如图所示，气缸内径D=250mm，为保证气密性要求采用12个M18的螺栓，螺纹内径15.294mm、中径16.376mm，许用拉应力=120MPa，取剩余预紧力为工作拉力的1.5倍，求气缸所能承受的最大压强。,解：1.单个螺栓所能承受的总的拉力,2.单个螺栓所承受的工作力,返回目录,前一页,后一页,退出,3.气缸盖所承受的总的拉力,4.气缸所能承受的最大压强。,返回目录,前一页,后一页,退出,例题4、一紧螺栓联接，已知，加工作载荷F后，螺栓又伸长1mm，此时螺栓受到轴向总载荷F2=5000kN，求螺栓的预紧力F0、工作载荷F、残余预紧力F1大小？,解：受轴向工作载荷的紧螺栓联接预紧时的受力-变形图。,返回目录,前一页,后一页,退出,例题5、如图所示，为龙门起重导轨托架，两块边板各用4个螺栓与立柱相联接，托架所承受的最大载荷为P=20kN，载荷有较大的变动。试问，此螺栓联接采用普通螺栓联接还是铰制孔用螺栓联接为宜？为什么？=100MPa，=150MPa,解：,返回目录,前一页,后一页,退出,返回目录,前一页,后一页,退出,返回目录,前一页,后一页,退出,4、如图所示结构，用四个M16普通螺栓联接，d1=13.835mm，螺栓材料的许用应力=88Mpa，各接合面的摩擦系数f=0.3，防滑系数Ks=1.2，接合面不滑移条件求该结构能够承担的最大载荷F。（设：,解：先将F简化到I中心O。MI=500FFI=F设螺栓的预紧力为F0I。按接合面不发生滑移条件，,返回目录,前一页,后一页,退出,在倾覆力矩作用下，受力最大螺栓1所承受的工作载荷F工作,螺栓1所承受总的轴向载荷：,由强度公式：,返回目录,前一页,后一页,退出,再计算处：将F简化到中心。T=200FF=F螺栓4受横向载荷最大。,由不滑移条件：（螺栓预紧力F0）,由强度公式：,所以接合面处最危险，且最大载荷为：F=242.29N,59螺旋传动,螺旋千斤顶,返回目录,前一页,后一页,退出,螺旋千斤顶作业任务书,一、题目：螺旋千斤顶,原始数据：,二、工作量：1）总装配图一张（M1：1）2）计算说明书一份,返回目录,前一页,后一页,退出,三、作业目的：1、熟悉螺旋千斤顶的工作原理、设计与计算方法；2、运用所学的知识解决设计中所遇到的具体实际问题，培养学生独立工作能力，以及初步学会综合运用所学知识，解决材料的选择、强度计算、制造工艺等方面的问题；3、熟悉有关设计资料，学会查阅手册和运用国家标准，四、螺旋千斤顶的设计螺旋千斤顶装配图（如图），其主要零件有螺杆、螺母、托杯、手柄和底座；扳动手柄，使螺杆在固定螺母中旋转上升或下降，把托杯上的重物举起或放落。设计时某些零件的主要尺寸是通过理论计算确定的，其它尺寸和某些零件的尺寸则是根