机械设计第5章螺纹联接和螺旋传动

1、第二篇第二篇 连连 接接 机械设计人员必须熟悉常用的连接方法及连机械设计人员必须熟悉常用的连接方法及连 接件的结构、类型、性能、适用场合，掌握它接件的结构、类型、性能、适用场合，掌握它 们的设计理论或选用方法。们的设计理论或选用方法。 连接对于机器的制造、安装、维修必不可少。连接对于机器的制造、安装、维修必不可少。 1.1.动连接动连接 2.2.静连接静连接 可拆连接可拆连接 不可拆连接不可拆连接 提问：提问： 有没有既是可拆连接又是不可拆连接的连接形式有没有既是可拆连接又是不可拆连接的连接形式 ？ 机械连接的分类：机械连接的分类： 如如: :各种运动副各种运动副 -如如: : 螺纹、键、销连

2、接等螺纹、键、销连接等 -铆、焊、粘接等铆、焊、粘接等 （永久连接）（永久连接） -被连接的零件间可以有相对运动的连接被连接的零件间可以有相对运动的连接 -被连接件之间不许产生相对运动的连接被连接件之间不许产生相对运动的连接 （一）过盈连接的特点及应用（一）过盈连接的特点及应用 特点：特点： 利用零件间的配合过盈来达到连接目的利用零件间的配合过盈来达到连接目的 过过 盈盈 连连 接接 简简 介介 过盈连接过盈连接 - - 干涉配合连接或紧配合连接干涉配合连接或紧配合连接 （一）过盈连接的特点及应用（一）过盈连接的特点及应用 特点：特点： 利用零件间的配合过盈来达到连接目的利用零件间的配合过盈来

3、达到连接目的 应用：应用：主要用于轴与毂、轮圈与轮芯、滚动轴承与轴主要用于轴与毂、轮圈与轮芯、滚动轴承与轴 或座孔的连接等。或座孔的连接等。 A AA-A 曲轴过盈连接组件曲轴过盈连接组件 d 过过 盈盈 连连 接接 简简 介介 A AA-A 曲轴过盈连接组件曲轴过盈连接组件 d 过过 盈盈 连连 接接 简简 介介 （二）过盈连接的工作原理（二）过盈连接的工作原理 工作原理工作原理 轴与孔配合中，轴的实际尺寸大轴与孔配合中，轴的实际尺寸大 于孔，于孔， 轴的尺寸减去孔的尺寸轴的尺寸减去孔的尺寸-过盈量过盈量 d F F d p p Mf T 当连接承受当连接承受轴向力轴向力F或或转矩转矩T时，

4、时， 配合面上便产生摩擦阻力或摩擦阻配合面上便产生摩擦阻力或摩擦阻 力矩以抵抗和传递外载荷。力矩以抵抗和传递外载荷。 p p 在装配后的配合面上，便产在装配后的配合面上，便产 生了一定的径向正压力。生了一定的径向正压力。 装配方法：装配方法： （二）过盈连接的工作原理（二）过盈连接的工作原理 压入法压入法 温差法温差法 冷却被包容件冷却被包容件（尺寸（尺寸） 加热包容件加热包容件（尺寸（尺寸） 本篇重点掌握第五章和第六章本篇重点掌握第五章和第六章 第五章第五章 螺纹连接和螺旋传动螺纹连接和螺旋传动 51 螺纹螺纹 52 螺纹连接的类型及标准连接件螺纹连接的类型及标准连接件 53 螺纹连接的预紧

5、螺纹连接的预紧 55 螺纹连接的强度计算螺纹连接的强度计算 57 螺纹连接件的材料及许用应力螺纹连接件的材料及许用应力 58 提高螺纹连接强度的措施提高螺纹连接强度的措施 54 螺纹连接的防松螺纹连接的防松 56 螺栓组连接的设计螺栓组连接的设计 本章主要内容有：本章主要内容有： 1 1螺纹连接的基本知识：螺纹连接的基本知识： 螺纹和螺纹连接件的类型、结构、特点，应用场合及螺纹和螺纹连接件的类型、结构、特点，应用场合及 选用原则，要特别注意普通螺栓连接与铰制孔用螺栓连接选用原则，要特别注意普通螺栓连接与铰制孔用螺栓连接 在传力、失效形式、结构及强度计算准则上的不同；在传力、失效形式、结构及强度

6、计算准则上的不同； 2 2螺纹连接的强度计算，主要是紧螺栓连接的强度计算。要螺纹连接的强度计算，主要是紧螺栓连接的强度计算。要 求掌握紧螺栓连接力与变形之间的关系、提高螺栓连接强求掌握紧螺栓连接力与变形之间的关系、提高螺栓连接强 度的措施；度的措施； 3 3螺纹连接的防松原理及防松装置；螺纹连接的防松原理及防松装置； 4 4螺栓组的受力分析、失效分析及强度计算方法；螺栓组的受力分析、失效分析及强度计算方法； 本章的重点及难点：本章的重点及难点： 受预紧力和轴向工作载荷的紧螺栓连接强度计算，多受预紧力和轴向工作载荷的紧螺栓连接强度计算，多 种受力状态下螺栓组连接的设计计算。种受力状态下螺栓组连接

7、的设计计算。 外螺纹外螺纹 内螺纹内螺纹 潘存云教授研制 外螺纹外螺纹 内螺纹内螺纹 螺旋副螺旋副 （一）螺纹的类型和应用（一）螺纹的类型和应用 5 -1 螺螺 纹纹 按螺纹的旋向分按螺纹的旋向分 右旋螺纹右旋螺纹 左旋螺纹左旋螺纹 右旋右旋左旋左旋 请判断下列螺纹的旋向？请判断下列螺纹的旋向？ 左旋左旋 右旋右旋 按螺旋线的数目分按螺旋线的数目分 单线螺纹单线螺纹 多线螺纹多线螺纹 双线螺纹双线螺纹单线螺纹单线螺纹 连接螺纹连接螺纹传动螺纹传动螺纹 潘存云教授研制 潘存云教授研制 按螺纹作用分按螺纹作用分 连接螺纹连接螺纹 传动螺纹传动螺纹 圆柱螺纹圆柱螺纹 圆锥螺纹圆锥螺纹 -用于一般的连

8、接和传动用于一般的连接和传动 -主要用于管道连接主要用于管道连接 按母体形状分按母体形状分 圆柱螺纹圆柱螺纹 圆锥螺纹圆锥螺纹 按螺纹的牙型分按螺纹的牙型分 30 3 矩形螺纹矩形螺纹 锯齿形螺纹锯齿形螺纹 梯形螺纹梯形螺纹 30 普通螺纹普通螺纹 60 管螺纹管螺纹 55 按螺纹的牙型分按螺纹的牙型分 普通螺纹普通螺纹 管螺纹管螺纹 矩形螺纹矩形螺纹 梯形螺纹梯形螺纹 锯齿形螺纹锯齿形螺纹 用于传动用于传动 用于连接用于连接 常用螺纹的类型、特点和应用，见表常用螺纹的类型、特点和应用，见表 5 - 1 5 -1 螺螺 纹纹 中径中径 d2 d1d2 d 小径小径 d1 （二）螺纹的主要参数（

9、二）螺纹的主要参数 -在标准中定为公称直径在标准中定为公称直径 大径大径 d -强度计算中常作为螺杆危险截面的强度计算中常作为螺杆危险截面的 计算直径计算直径 三三 径径 d1d2 d 导程导程（升距）（升距）S （二）螺纹的主要参数（二）螺纹的主要参数 螺距螺距 P S P 二二 距距 n-螺纹的线数螺纹的线数 单线螺纹单线螺纹: S = P 多线螺纹多线螺纹: S = nP d1d2 d S P 牙型角牙型角 牙侧角牙侧角 d2 S 螺纹升角螺纹升角 二二 角角 tan =d 2 S d2 nP = 中径中径 d2 d1d2 d 小径小径 d1 导程导程（升距）（升距）S S = nP （

10、二）螺纹的主要参数（汇总）（二）螺纹的主要参数（汇总） h 大径大径 d 螺距螺距 P S P 牙型角牙型角 牙侧角牙侧角 d2 S 螺纹升角螺纹升角 二二 角角 tan =d 2 S d2 nP = 三三 径径 二二 距距 线数（头数）线数（头数）n -螺纹的螺旋线数目螺纹的螺旋线数目 单线螺纹单线螺纹 自锁性好自锁性好 多用于连接多用于连接； 多线螺纹多线螺纹 传动效率高传动效率高 多用于传动。多用于传动。 为了便于制造，一般螺纹的线数为了便于制造，一般螺纹的线数 n44 复习：复习： 螺旋副的自锁条件：螺旋副的自锁条件： arctan cos arctan vv f f 螺旋副的效率：螺

11、旋副的效率： )tan( tan v tan = d2 nP S d2 = （二）螺纹的主要参数（二）螺纹的主要参数 自锁性能好，连接可靠自锁性能好，连接可靠 普通螺纹普通螺纹 细牙细牙 粗牙粗牙 普通螺纹同一公称直径可以有多种螺距，其中螺普通螺纹同一公称直径可以有多种螺距，其中螺 距最大的称为距最大的称为粗牙螺纹粗牙螺纹，其余的统称为，其余的统称为细牙螺纹细牙螺纹。 （一）基本常识（一）基本常识 1. 螺纹连接螺纹连接-螺纹零件螺纹零件-可拆连接可拆连接 2. 普通螺纹普通螺纹 =30，当量摩擦系数，当量摩擦系数 ，v , f cos =fv 5-2 螺纹连接的类型和标准连接件螺纹连接的类型

12、和标准连接件 arctan cos arctan vv f f 缺点：缺点：不耐磨易滑扣。不耐磨易滑扣。 应用：应用：薄壁零件、受变载荷的连接和微调机构。薄壁零件、受变载荷的连接和微调机构。 P d 粗牙粗牙 d P 细牙细牙 d P 细牙细牙 tg= d2 nP 自锁性更好、连接更可靠；且螺纹深度自锁性更好、连接更可靠；且螺纹深度 浅，强度高。浅，强度高。 细牙螺纹细牙螺纹 v P P , ,由于制造简单，一般连接常用。由于制造简单，一般连接常用。 p ， ， 优点：优点： 粗牙螺纹粗牙螺纹 5-2 螺纹连接的类型及标准连接件螺纹连接的类型及标准连接件 （二）螺纹连接的基本类型（二）螺纹连接

13、的基本类型 1.1.螺栓连接螺栓连接 铰制孔用螺栓连接铰制孔用螺栓连接 孔与螺杆之间孔与螺杆之间 留有间隙留有间隙 d0 d d0 普通螺栓连接普通螺栓连接 结构简单，装拆结构简单，装拆 方便，应用最广方便，应用最广 多用于承受横多用于承受横 向载荷的场合向载荷的场合 受拉螺栓 受剪螺栓 1. 螺栓连接螺栓连接 3. 螺钉连接螺钉连接 2. 双头螺柱连接双头螺柱连接 结构简单，省了螺母，不宜经常拆装， 以免损坏螺孔而修复困难。 d 思考：这两种连接适用在什么场合？各有何特点？思考：这两种连接适用在什么场合？各有何特点？ 双头螺柱是如何拧入、拧出的？双头螺柱是如何拧入、拧出的？ -不宜经常拆卸不

14、宜经常拆卸 -可经常拆装可经常拆装用于盲孔用于盲孔 的连接的连接 （二）螺纹连接的基本类型（二）螺纹连接的基本类型 5-2 螺纹连接的类型及标准连接件螺纹连接的类型及标准连接件 潘存云教授研制 4. 紧定螺钉连接紧定螺钉连接 紧定螺钉紧定螺钉 1. 螺栓连接螺栓连接 2. 螺钉连接螺钉连接 3. 双头螺柱连接双头螺柱连接 5-2 螺纹连接的类型及标准连接件螺纹连接的类型及标准连接件 （二）螺纹连接的基本类型（二）螺纹连接的基本类型 二、二、螺纹紧固件螺纹紧固件 螺栓螺栓 螺螺 纹纹 紧紧 固固 件件 螺栓的结构形式螺栓的结构形式 L L0 d 六角头六角头 L d L0 小六角头小六角头 5-

15、2 螺纹连接的类型及标准连接件螺纹连接的类型及标准连接件 d L0 L1 L L1 -座端长度座端长度 L0 -螺母端长度螺母端长度 二、螺纹紧固件二、螺纹紧固件 螺螺 纹纹 紧紧 固固 件件 双头螺柱双头螺柱 螺栓螺栓 5 5-2 螺纹连接的类型及标准连接件螺纹连接的类型及标准连接件 二、二、螺纹紧固件螺纹紧固件 螺螺 纹纹 紧紧 固固 件件 末端末端 结构结构 头部头部 结构结构 螺钉、紧定螺钉螺钉、紧定螺钉 双头螺柱双头螺柱 螺栓螺栓 二、二、螺纹紧固件螺纹紧固件 螺螺 纹纹 紧紧 固固 件件 地脚螺栓地脚螺栓 起吊螺钉起吊螺钉 螺钉、紧定螺钉螺钉、紧定螺钉 双头螺柱双头螺柱 螺栓螺栓

16、专用螺纹连接专用螺纹连接 T 型螺栓型螺栓 六角螺母六角螺母六角扁螺母六角扁螺母六角厚螺母六角厚螺母圆螺母圆螺母 二、二、螺纹紧固件螺纹紧固件 螺螺 纹纹 紧紧 固固 件件用于经常拆装 易磨损之处。 用于尺寸受限制之处。 国标罗列有六十余种不同结构的螺母螺母螺母 螺钉、紧定螺钉螺钉、紧定螺钉 双头螺柱双头螺柱 螺栓螺栓 专用螺纹连接专用螺纹连接 潘存云教授研制 其它螺母：其它螺母： 潘存云教授研制 其它螺母：其它螺母： 垫圈垫圈 螺母螺母 螺钉、紧定螺钉螺钉、紧定螺钉 双头螺柱双头螺柱 二、二、螺纹紧固件螺纹紧固件 螺栓螺栓 螺螺 纹纹 紧紧 固固 件件 平垫圈平垫圈 薄平垫圈薄平垫圈 A型平

17、垫圈型平垫圈B型平垫圈型平垫圈 斜垫圈斜垫圈 弹簧垫圈弹簧垫圈 圆螺母用止动垫圈圆螺母用止动垫圈 作用：作用： 增加支撑面积以减小增加支撑面积以减小 压强，避免拧紧螺母擦压强，避免拧紧螺母擦 伤表面、防松。伤表面、防松。 专用螺纹连接专用螺纹连接 5-3 螺纹连接的预紧螺纹连接的预紧 预紧力预紧力F0 ：螺纹连接在承受工作载荷之前，预先受螺纹连接在承受工作载荷之前，预先受 到的作用力到的作用力 预紧的目的：预紧的目的：增强连接的可靠性和紧密性，以防止增强连接的可靠性和紧密性，以防止 受载后被连接件间出现缝隙或发生相对移动。受载后被连接件间出现缝隙或发生相对移动。 预紧力的确定原则：预紧力的确定

18、原则： ( (一一) ) 概述概述 碳素钢螺栓：碳素钢螺栓：F0(0.6(0.60.7) s A1 合金钢螺栓：合金钢螺栓：F0 (0.5(0.50.6) s A1 A1 -危险截面积，危险截面积， A1 dd2 21 1/4/4 测力矩扳手测力矩扳手 预紧力控制方法预紧力控制方法: : F F 定力矩扳手定力矩扳手 通常螺纹连接拧紧是凭工人的经验来决定的， 重要螺栓则必须预紧力进行精确控制。 L LS S 1)1)凭手感经验；凭手感经验； 2)2)测力矩扳手；测力矩扳手； 3)3)定力矩扳手；定力矩扳手； 4)4)测定伸长量。测定伸长量。 L LM M L LS S 操作简单操作简单, ,但

19、准确性较差但准确性较差 5-3 螺纹连接的预紧螺纹连接的预紧 ( (二二) ) 拧紧力矩拧紧力矩T的计算的计算 T 5 5-3 螺纹连接的预紧螺纹连接的预紧 装配时，装配时，F0的大小通过拧紧力矩的大小通过拧紧力矩T来控制。来控制。 拧紧力矩 T 愈大则预紧力 F0 也愈大，那么两者之间有何关系呢？ F F0 0 d0 d D0 拧紧力矩：拧紧力矩： T 0.2 F 0.2 F0 d 标准扳手长度标准扳手长度 L15 d， 设：拧紧力为设：拧紧力为F ，则，则 T = FL FL= F15 d = 0.2 F F0 dF F0 = 75F 若：若： F = 200N 则：则： F0 15000

20、 N 若用这个预紧力拧若用这个预紧力拧M12以下的钢制螺栓，则很可能以下的钢制螺栓，则很可能 因过载而被拧断。因过载而被拧断。 对于重要的连接，不宜采用对于重要的连接，不宜采用 M12 的螺栓。的螺栓。 T 0.2 F 0.2 F0 d F L d （一）防松的目的（一）防松的目的 思考：连接螺纹一般具有自锁性，为何还要防松？思考：连接螺纹一般具有自锁性，为何还要防松？ （二）防松的方法（二）防松的方法 具体方法有三种：具体方法有三种： 5 5-4 螺纹连接的防松螺纹连接的防松 (自学自学) 1、摩擦防松：、摩擦防松：双螺母、弹簧垫圈、自锁螺母双螺母、弹簧垫圈、自锁螺母 2、机械防松：、机械防

21、松：开口销、止动垫片、串连钢丝开口销、止动垫片、串连钢丝 3、永久防松：、永久防松：焊、粘、冲焊、粘、冲 具体内容见表具体内容见表 5 - 3 QuestionQuestion： 表表5-3中串连钢丝防松方法图中串连钢丝防松方法图 b b）不正确的原因何在？）不正确的原因何在？ 防松的根本问题防松的根本问题 是防止螺纹副发生相对转动是防止螺纹副发生相对转动 防松的方法：防松的方法： 1. 利用附加摩擦力防松利用附加摩擦力防松 尼龙圈锁紧螺母尼龙圈锁紧螺母 弹簧垫圈弹簧垫圈 对顶螺母对顶螺母 5 5-4 螺纹连接的防松螺纹连接的防松 防松防松-防止螺旋副相对转动防止螺旋副相对转动 开口销与六开口

22、销与六 角开槽螺母角开槽螺母 串连钢丝串连钢丝 2. 采用专门防松元件防松采用专门防松元件防松 圆螺母用止动垫圈圆螺母用止动垫圈 潘存云教授研制 止动垫圈止动垫圈 3. 其他方法防松其他方法防松 11.5P 用冲头冲用冲头冲23点点 冲点防松法冲点防松法 粘合法防松粘合法防松 涂粘合剂涂粘合剂 5 5-4 螺纹连接的防松螺纹连接的防松 设计步骤：设计步骤： 定出螺栓的尺寸定出螺栓的尺寸 5-5 螺栓组连接的设计螺栓组连接的设计 结构设计结构设计受力分析受力分析( (单单) )强度计算强度计算确定确定d 1 确定螺栓的数确定螺栓的数 目及布置形式目及布置形式 找出受力最找出受力最 大的螺栓大的螺

23、栓 对不重要的螺栓连接，可用类比法确定，不再进行强度校核。对不重要的螺栓连接，可用类比法确定，不再进行强度校核。 （一）螺栓组连接的结构设计（一）螺栓组连接的结构设计 基本原则：基本原则： 1.1. 连接结合面的几何形状常设计成连接结合面的几何形状常设计成: : 轴对称的简单几何形状轴对称的简单几何形状 圆形圆形 圆环形圆环形 矩形矩形 矩形框矩形框 三角形 三角形 设计目的：设计目的： 确定接合面的几何形状和螺栓的布置形式，力求各确定接合面的几何形状和螺栓的布置形式，力求各 螺栓和接合面受力均匀、便于加工装配。螺栓和接合面受力均匀、便于加工装配。 5-5 螺栓组连接的设计螺栓组连接的设计 2

24、. 螺栓的布置应使各螺栓的受力合理螺栓的布置应使各螺栓的受力合理 F F F F A) 对铰制孔用螺栓连接，不要在平行于工作载荷的方向上成对铰制孔用螺栓连接，不要在平行于工作载荷的方向上成 排地布置个以上的螺栓，以免载荷分布过于不均；排地布置个以上的螺栓，以免载荷分布过于不均； 合理 不合理! B) 当螺栓连接受弯矩或转矩作用时，应使螺栓的位置靠近当螺栓连接受弯矩或转矩作用时，应使螺栓的位置靠近 接合面的边缘，以减少螺栓的受力。接合面的边缘，以减少螺栓的受力。 d h D 3. 螺栓的排列应有合理的间距、边距，以保证扳手空间螺栓的排列应有合理的间距、边距，以保证扳手空间 C) 若同时承受轴向载

25、荷和较大的横向载荷时，应采用抗剪零若同时承受轴向载荷和较大的横向载荷时，应采用抗剪零 件来承受横向载荷。件来承受横向载荷。 60 C C EE 60 A B 键键 套筒套筒 销销 对压力容器等紧密性要求较高的重要连接，螺栓的对压力容器等紧密性要求较高的重要连接，螺栓的 间距间距 t t0 0 不大于表 不大于表5-4所推荐的数值。所推荐的数值。 4. 为便于在圆周上钻孔时的分度和画线，分布在同为便于在圆周上钻孔时的分度和画线，分布在同 一圆周上的螺栓数目，应取成一圆周上的螺栓数目，应取成: 4、6、8 等偶数。等偶数。 同一螺栓组中的螺栓的材料、直径、长度应相同。同一螺栓组中的螺栓的材料、直径

26、、长度应相同。 螺栓间距螺栓间距 t0 工作压力 (MPa) 7d 4.5d 4.5d 4d 3.5d 3d t0 (mm) 1.6 1.6 4 4 10 10 16 16 20 20 30 d 表表5-45-4 t0 5. 5. 避免螺栓承受附加的弯曲载荷避免螺栓承受附加的弯曲载荷 采用斜垫圈采用斜垫圈 螺栓组的结构设计，还包括合理地选择螺栓组的防松装置。螺栓组的结构设计，还包括合理地选择螺栓组的防松装置。 支承面不平支承面不平 采用凸台或沉孔结构采用凸台或沉孔结构 切削加工支承面切削加工支承面 支承面倾斜支承面倾斜 ( (二二) ) 螺栓组连接的受力分析螺栓组连接的受力分析 目的：目的：

27、求出受力最大的螺栓及其所受的力，求出受力最大的螺栓及其所受的力，以便进行螺栓以便进行螺栓 连接的强度计算。连接的强度计算。 假设：假设： 1）所有螺栓的材料、直径、长度和预紧力均相同；所有螺栓的材料、直径、长度和预紧力均相同； 2）螺栓组的对称中心与连接接合面的形心重合；螺栓组的对称中心与连接接合面的形心重合； 3）受载后连接接合面仍保持为平面。受载后连接接合面仍保持为平面。 5-5 螺栓组连接的设计螺栓组连接的设计 典型的螺栓组受载情况：典型的螺栓组受载情况： M 受横向载荷受横向载荷 FF 受转矩受转矩 潘存云教授研制 O T p D 受轴向载荷受轴向载荷 F 受倾覆力矩受倾覆力矩 1 1

28、受横向载荷的螺栓组连接受横向载荷的螺栓组连接 铰制孔用螺栓连接铰制孔用螺栓连接 普通螺栓连接普通螺栓连接 Question：在横向载荷的作用下被连接件之间有何运动趋势？在横向载荷的作用下被连接件之间有何运动趋势？ 载荷的特点：载荷的特点： 载荷作用线与螺栓轴线垂直，并通过螺栓组的对载荷作用线与螺栓轴线垂直，并通过螺栓组的对 称中心。称中心。 F F FF ( (二二) ) 螺栓组连接的受力分析螺栓组连接的受力分析 1 1受横向载荷的螺栓组连接受横向载荷的螺栓组连接 A 若采用铰制孔用螺栓连接若采用铰制孔用螺栓连接 z F F 每个螺栓所受工作剪力为：每个螺栓所受工作剪力为： 工作原理工作原理:

29、 : 依靠螺栓杆受剪切和受挤压来抵抗横向载荷依靠螺栓杆受剪切和受挤压来抵抗横向载荷F F 螺栓数目螺栓数目 F F 1 1受横向载荷的螺栓组连接受横向载荷的螺栓组连接 B 若采用普通螺栓连接若采用普通螺栓连接 工作原理工作原理: : 靠螺栓预紧后在接合面上产生摩擦力来抵抗外载荷靠螺栓预紧后在接合面上产生摩擦力来抵抗外载荷F F FF F0 F0 F0 F0 A 若采用铰制孔用螺栓连接若采用铰制孔用螺栓连接 B 若采用普通螺栓连接若采用普通螺栓连接 工作原理工作原理: : 靠螺栓预紧后在接合靠螺栓预紧后在接合 面上产生摩擦力来抵抗外载荷面上产生摩擦力来抵抗外载荷F F 。 。 FF F0 F0

30、预紧后接合面间所产生的最大摩擦力预紧后接合面间所产生的最大摩擦力横向载荷：横向载荷： FKiZFf s0 表表5-5螺栓个数螺栓个数接合面数接合面数 防滑系数防滑系数， Ks =1.11.3 本题：本题：i =2 F0 F0 izf FK F s 0 预紧后接合面间所产生的最大摩擦力预紧后接合面间所产生的最大摩擦力横向载荷：横向载荷： FKiZFf s0 保证连接件不产生滑移时，保证连接件不产生滑移时， 单个螺栓所承受的轴向拉力单个螺栓所承受的轴向拉力 FF F0 F0 F0 F0 连接所受载荷与螺栓所连接所受载荷与螺栓所 受载荷之间有何不同。受载荷之间有何不同。 注意：注意： izf FK

31、F s 0 进一步分析：进一步分析： 当当 f = 0.2，KS =1.2 ， Z=1，i =1 时，时， F0 6F 1 1受横向载荷的螺栓组连接受横向载荷的螺栓组连接 5-5 螺栓组连接的设计螺栓组连接的设计 潘存云教授研制 O 采用普通螺栓和铰制孔用螺栓组成的 螺栓组受转矩时的受力情况是不同的。 2受转矩的螺栓组连接受转矩的螺栓组连接T 在转矩在转矩T T作用下，被连接件底板将绕通过螺栓组对称作用下，被连接件底板将绕通过螺栓组对称 中心中心O并与接合面相垂直的轴线转动，并与接合面相垂直的轴线转动， 1 1受横向载荷受横向载荷的螺栓组连接的螺栓组连接 ( (二二) ) 螺栓组连接的受力分析

32、螺栓组连接的受力分析 在转矩作用下被连接件之间有什么运动趋势？在转矩作用下被连接件之间有什么运动趋势？ QuestionQuestion： 5-5 螺栓组连接的设计螺栓组连接的设计 2受转矩的螺栓组连接受转矩的螺栓组连接 潘存云教授研制 O T r1 f F0 f F0 r2 A. 采用普通螺栓采用普通螺栓 -靠连接预紧后在接合面间产生的摩擦力矩来抵抗转矩靠连接预紧后在接合面间产生的摩擦力矩来抵抗转矩T T。 2受转矩的螺栓组连接受转矩的螺栓组连接 z i i rf TK 1 S 潘存云教授研制 O T r1 f F0 f F0 r2 根据作用在底板上的力矩平衡条件：根据作用在底板上的力矩平衡

33、条件： TKrfFrfFrfF SZ 02010 )( 21 0 Z S rrrf TK F A. 采用普通螺栓，是靠连接预紧后在接合面间产生的摩擦力采用普通螺栓，是靠连接预紧后在接合面间产生的摩擦力 矩来抵抗转矩矩来抵抗转矩T T。 传递传递T T时，每个螺栓所需的预紧力时，每个螺栓所需的预紧力 潘存云教授研制 TO 2受转矩的螺栓组连接受转矩的螺栓组连接 B.B. 采用铰制孔用螺栓采用铰制孔用螺栓 rmax Fmax ri Fi （1） -靠螺栓的剪切和螺栓与孔壁的挤压作用来抵抗转矩靠螺栓的剪切和螺栓与孔壁的挤压作用来抵抗转矩T T。 max max 2 2 1 1 r F r F r F

34、 r F r F i i z z 各螺栓的剪切变形量与其轴线到对称中心各螺栓的剪切变形量与其轴线到对称中心O的距离成正比。的距离成正比。 （亦螺栓离（亦螺栓离O越远，变形量越大，所受的工作剪力也越大）越远，变形量越大，所受的工作剪力也越大） 2受转矩的螺栓组连接受转矩的螺栓组连接 B. 采用铰制孔用螺栓，是靠螺栓采用铰制孔用螺栓，是靠螺栓 的剪切和螺栓与孔壁的挤压作用来的剪切和螺栓与孔壁的挤压作用来 抵抗转矩抵抗转矩T T。 潘存云教授研制 TO rmax Fmax ri Fi max max 2 2 1 1 r F r F r F r F r F i i z z z i i r rT F 1

35、 2 max max 据作用在底板上的力矩平衡条件：据作用在底板上的力矩平衡条件： TrFrFrF zz 2211 联立求解得：联立求解得： TrF z i ii 1 受力最大螺栓所受的工作剪力受力最大螺栓所受的工作剪力 （1） （2） 潘存云教授研制 TO rmax Fmax ri Fi z i i r rT F 1 2 max max 受力最大螺栓所受的工作剪力受力最大螺栓所受的工作剪力 可见，距旋转中心可见，距旋转中心O O点最远的螺栓点最远的螺栓 承受的工作剪力最大。承受的工作剪力最大。 图示凸缘连轴器，是承受转矩的图示凸缘连轴器，是承受转矩的 螺栓组连接的典型部件。螺栓组连接的典型部

36、件。 2受转矩的螺栓组连接受转矩的螺栓组连接 凸缘联轴器凸缘联轴器 铰制孔用螺栓铰制孔用螺栓 当螺栓分布在半径为当螺栓分布在半径为r r的圆周上，的圆周上， 请写出请写出F Fmax max的表达式。 的表达式。 Question： d 注意：注意：对承受转矩的螺栓组连接对承受转矩的螺栓组连接 若采用若采用普通螺栓普通螺栓，则要确定的是：，则要确定的是：预紧力预紧力F0 若采用若采用铰制孔用螺栓铰制孔用螺栓，则要确定的是：，则要确定的是：工作剪力 工作剪力Fmax 2受转矩的螺栓组连接受转矩的螺栓组连接 1 1受横向载荷受横向载荷的螺栓组连接的螺栓组连接 5-6 螺栓组连接的设计螺栓组连接的设

37、计 ( (二二) ) 螺栓组连接的受力分析螺栓组连接的受力分析 3受轴向载荷的螺栓组连接受轴向载荷的螺栓组连接 轴向总载荷轴向总载荷F F 作用线与螺栓轴线平行，并通过螺 作用线与螺栓轴线平行，并通过螺 栓组的对称中心。栓组的对称中心。 z F F p D F F F 2受转矩的螺栓组连接受转矩的螺栓组连接 1 1受横向载荷受横向载荷的螺栓组连接的螺栓组连接 ( (二二) ) 螺栓组连接的受力分析螺栓组连接的受力分析 载荷特点：载荷特点： 因螺栓均匀分布，则各个螺栓受载相同。因螺栓均匀分布，则各个螺栓受载相同。 每个螺栓所受轴向工作载荷：每个螺栓所受轴向工作载荷： 5-5 螺栓组连接的设计螺栓

38、组连接的设计 FFF 02 总拉力：总拉力： 此时，被连接件有分离的趋势。此时，被连接件有分离的趋势。 一般多用普通螺栓连接。一般多用普通螺栓连接。 p D F F F 轴向载荷轴向载荷F F作用下被连接件之间作用下被连接件之间 有什么运动趋势？有什么运动趋势？ Question： 3受轴向载荷的螺栓组连接受轴向载荷的螺栓组连接 注意：注意： 各螺栓除承受轴向载荷各螺栓除承受轴向载荷F之外，还受有预紧力之外，还受有预紧力F0的作用的作用 ( (二二) ) 螺栓组连接的受力分析螺栓组连接的受力分析 4受倾覆力矩的螺栓组连接受倾覆力矩的螺栓组连接 F1 F2m p2( F1m引起引起) p1( F

39、1引起引起) O O xx O M F0 F0 p ( F 0引起引起) 载荷特点：载荷特点：倾覆力矩倾覆力矩 M 作用在连接接合面的一个对称平面内。作用在连接接合面的一个对称平面内。 承受承受M之前，之前， 底板的受力情况底板的受力情况 承受承受M之后，之后， 底板的受力情况底板的受力情况 M 4受倾覆力矩的螺栓组连接受倾覆力矩的螺栓组连接 Li Lmax O O xx F1 F2mM 为阻止底板翻转，作用在底板两侧为阻止底板翻转，作用在底板两侧 的作用力，对的作用力，对0-00-0轴形成一个力矩，这轴形成一个力矩，这 个力矩应与外加的个力矩应与外加的M相平衡。相平衡。 （即：左侧螺栓以及右

40、侧支承面对（即：左侧螺栓以及右侧支承面对0-00-0 轴线的反力矩应与轴线的反力矩应与M相平衡）相平衡） O M Fi Fmax Li O M Fi Fmax Li 简化：简化： 底板的平衡条件为：底板的平衡条件为： MLFLFLF zz 2211 z i LFM 1 ii ii L L F F max max Z i L ML F 1 2 i max max 根据螺栓的拉伸变形量与其轴线到根据螺栓的拉伸变形量与其轴线到0 00 0轴之距成正比：轴之距成正比： max max 2 2 1 1 L F L F L F L F L F i i i i 底板的平衡条件为：底板的平衡条件为： MLFL

41、FLF zz 2211 z i LFM 1 ii 受力最大的螺栓所受力最大的螺栓所 受的工作拉力受的工作拉力 显然，距OO轴 线最左侧的两个 螺栓受力最大。 22 2 2 1 max z LLL LM 此时螺栓内部的总拉力此时螺栓内部的总拉力F F2 2： F2 = F0 + Fmax Question： ？ 受受M作用的螺栓组连接，除要保证螺栓有足够的强作用的螺栓组连接，除要保证螺栓有足够的强 度外，还需对接合面的情况进行验算。度外，还需对接合面的情况进行验算。 F1 F2mM 0 0 min W M A ZF p 为防止受压最小处出现间隙，要求为防止受压最小处出现间隙，要求 ： pp W

42、M A ZF 0 max 为防止受压最大处被压碎，要求：为防止受压最大处被压碎，要求： 表表5-6 -（5-20） -（5-21） 5、对受力复杂的螺栓组连接、对受力复杂的螺栓组连接 将复杂受力状态分解成四种简单受力状态；将复杂受力状态分解成四种简单受力状态； 实际螺栓组所受的工作载荷往往是以上四 种基本受力状态的不同组合。 3受轴向载荷的螺栓组连接受轴向载荷的螺栓组连接 2受转矩的螺栓组连接受转矩的螺栓组连接 1 1受横向载荷受横向载荷的螺栓组连接的螺栓组连接 ( (二二) ) 螺栓组连接的受力分析螺栓组连接的受力分析 4受倾覆力矩的螺栓组连接受倾覆力矩的螺栓组连接 作法：作法： 按各种简单

43、受力状态单独计算；按各种简单受力状态单独计算； 将螺栓受力向量迭加求出总的工作载荷。将螺栓受力向量迭加求出总的工作载荷。 P sin P cos P cos M= a P sin + b P cos P sin P a b 示例示例1： 示例示例2： Q a Q T T= Q a F合 合 示例示例3： 首先将首先将P P向向0 0点简化，可以得到一个横向力和一个转矩。点简化，可以得到一个横向力和一个转矩。 在在P P 作用下每个螺栓受到什么力作用？方向、大小如何？作用下每个螺栓受到什么力作用？方向、大小如何？ 在在T T 作用下每个螺栓受到什么力作用？方向、大小如何？作用下每个螺栓受到什么力

44、作用？方向、大小如何？ 将将P P和和T T作用下螺栓所受的力进行合成，结果如何？作用下螺栓所受的力进行合成，结果如何？ 图示为铰制孔用螺栓组连接的两种方案，试分析图示为铰制孔用螺栓组连接的两种方案，试分析 哪个方案较好？哪个方案较好？ L P 2a T P L P 2a T P 5、对受力复杂的螺栓组连接、对受力复杂的螺栓组连接 将复杂受力状态分解成四种简单受力状态；将复杂受力状态分解成四种简单受力状态； 作法：作法： 按各种状态单独计算；按各种状态单独计算； 将螺栓受力向量迭加可求出总的工作载荷。将螺栓受力向量迭加可求出总的工作载荷。 注意：注意： 对普通螺栓：对普通螺栓： 对铰制孔用螺栓

45、：对铰制孔用螺栓： 按横向载荷或转矩按横向载荷或转矩 按按 轴、倾轴、倾 螺栓的工作拉力螺栓的工作拉力F 横、转横、转连接所需的预紧力连接所需的预紧力F0 螺栓的总拉力螺栓的总拉力 确定螺栓所受的工作剪力确定螺栓所受的工作剪力 5-6 螺纹连接的强度计算螺纹连接的强度计算 塑性变形塑性变形 疲劳断裂疲劳断裂 断裂断裂 螺栓连接的主要失效形式：螺栓连接的主要失效形式： 受拉螺栓受拉螺栓 受剪螺栓受剪螺栓 剪断剪断 压溃压溃 螺杆和孔壁的贴合面 F F 螺栓连接的强度计算是针对螺栓组中受力最大的螺螺栓连接的强度计算是针对螺栓组中受力最大的螺 栓而进行的。栓而进行的。 螺栓连接的强度计算，一是按强度

46、条件去确定螺栓螺栓连接的强度计算，一是按强度条件去确定螺栓 的直径；另外，也可对选定了直径的螺栓去校核其强的直径；另外，也可对选定了直径的螺栓去校核其强 度。度。 螺栓连接的强度计算：螺栓连接的强度计算： 连接类型连接类型 装配情况装配情况 载荷情况载荷情况 确定螺栓受力确定螺栓受力计算计算 d d1 1 5-6 螺纹连接的强度计算螺纹连接的强度计算 螺栓与螺母的螺纹牙及其他各部尺寸是根据等强度原则及使用经验规定的。采用标准件时，这些部分都不需要 进行强度计算。所以，螺栓连接的计算主要是确定螺纹小径d1，然后按照标准选定螺纹公称直径d及螺距P等。 潘存云教授研制 （一）松螺栓连接强度计算（一）

47、松螺栓连接强度计算 强度条件：强度条件： 4/ 2 1 d F 式中式中: d1-螺纹小径螺纹小径 mm ， 许用应力许用应力 （二）紧螺栓连接强度计算（二）紧螺栓连接强度计算 F F 设计公式：设计公式： 4 1 F d 1.1.仅承受预紧力的紧螺栓连接仅承受预紧力的紧螺栓连接 2.2.承受预紧力和工作拉力的紧螺栓连接承受预紧力和工作拉力的紧螺栓连接 3.3.承受工作剪力的紧螺栓连接承受工作剪力的紧螺栓连接 装配时需拧紧螺母，静载荷、变载荷均可承受，在工程上应用装配时需拧紧螺母，静载荷、变载荷均可承受，在工程上应用 最广。最广。 1. 1. 仅承受预紧力仅承受预紧力F0的紧螺栓连接的紧螺栓连

48、接 此时的连接靠此时的连接靠F0在接合面产生摩擦力来抵抗横向载在接合面产生摩擦力来抵抗横向载 荷或转矩，在螺栓的轴线方向没有工作载荷。荷或转矩，在螺栓的轴线方向没有工作载荷。 （二）紧螺栓连接强度计算（二）紧螺栓连接强度计算 F F0 0拉伸应力拉伸应力 T T1 1扭转切应力扭转切应力 在拧紧力矩作用下，在拧紧力矩作用下， F0 F0 F0 F0 螺栓处于拉伸与扭转的复合应螺栓处于拉伸与扭转的复合应 力状态下力状态下 3 . 1 4/ 2 1 0 d F 由由F0产生的拉应力：产生的拉应力： 1. 1. 仅承受预紧力的紧螺栓连接仅承受预紧力的紧螺栓连接 由由T1产生的扭转切应力：产生的扭转切

49、应力： 16/ 3 1 11 d T W T T 16/ 2) ( 3 1 20 d dtgF 22 3 ca 22 )5 . 0( 3 代入代入M 10 M 64 的螺纹参数，得到：的螺纹参数，得到： 0.5 计算应力：计算应力： 强度条件：强度条件： 4 3.1 3.1 2 1 0 d F ca 对于紧螺栓连接，在计算时，可只按单纯拉伸强对于紧螺栓连接，在计算时，可只按单纯拉伸强 度计算，但需将所受拉力（预紧力）增大度计算，但需将所受拉力（预紧力）增大30%来考虑来考虑 扭转的影响。扭转的影响。 结论：结论： 在拧紧时虽同时承受拉伸和扭转的连合作用， 强度条件：强度条件： 4 3.1 3.

50、1 2 1 0 d F ca 1. 1. 仅承受预紧力的紧螺栓连接仅承受预紧力的紧螺栓连接 （二）紧螺栓连接强度计算（二）紧螺栓连接强度计算 5-6 螺纹连接的强度计算螺纹连接的强度计算 F F F0 F0 仅受预紧力作用的紧螺栓连接，其工作原理是利用仅受预紧力作用的紧螺栓连接，其工作原理是利用 预紧力的作用，在接合面产生的摩擦力来抵抗工作载荷。预紧力的作用，在接合面产生的摩擦力来抵抗工作载荷。 普通螺栓连接承受横向普通螺栓连接承受横向 载荷或转矩时，螺栓仅受预载荷或转矩时，螺栓仅受预 紧力的作用紧力的作用 izf FK F s 0 -受横向载荷（普）受横向载荷（普） z i i rf TK

51、F 1 S 0 -受转矩的（普）受转矩的（普） 预紧力的大小，可根据连接的受力状态， 由公式确定： F F F0 F0 izf FK F s 0 预紧力预紧力F0 ： 若取若取 f =0.2， Ks=1.2, i =1, 则：则： F0 6 6F 结构尺寸大结构尺寸大 靠摩擦力抵抗工作载荷的紧螺栓连接，靠摩擦力抵抗工作载荷的紧螺栓连接， b. b. 采用无间隙的铰制孔用螺栓。采用无间隙的铰制孔用螺栓。 F F/2 F/2 a. a. 采用键、套筒、销承担横向工作载荷。采用键、套筒、销承担横向工作载荷。螺栓仅起连接作用 改进措施：改进措施： 这时，其连接强度按减载零件的剪切、挤压强度条件计算，而

52、螺栓只是这时，其连接强度按减载零件的剪切、挤压强度条件计算，而螺栓只是 保证连接，不再承受工作载荷，因此预紧力不必很大。保证连接，不再承受工作载荷，因此预紧力不必很大。 5-6 螺纹连接的强度计算螺纹连接的强度计算 2. 承受预紧力和工作拉力的紧螺栓连接承受预紧力和工作拉力的紧螺栓连接 设流体压强为设流体压强为p p，螺栓数目为，螺栓数目为Z Z，则，则 缸盖上每个螺栓所受的轴向工作载荷为：缸盖上每个螺栓所受的轴向工作载荷为： p D2/4 F = = Z p D （二）紧螺栓连接强度计算（二）紧螺栓连接强度计算 前面分析过，当预紧后螺栓若再承受轴向工作载荷或倾覆力矩的作用，则螺栓内部的拉力会

53、进 一步增加， 螺栓所受的总拉力：螺栓所受的总拉力：F2 F0 + F特别注意：特别注意： 5-6 螺纹连接的强度计算螺纹连接的强度计算 F F 螺母未拧紧螺母未拧紧 b m 螺母已拧紧螺母已拧紧 F0 F0 螺栓伸长量为螺栓伸长量为: b 被连接件压缩量为：被连接件压缩量为：m 注意：注意： 虽然螺栓所受拉力等于被连接件所虽然螺栓所受拉力等于被连接件所 受压力，但由于两者的刚度不同，所受压力，但由于两者的刚度不同，所 以它们的变形量也不同。以它们的变形量也不同。 螺栓的伸长量：螺栓的伸长量： b b C F 0 m m C F 0 被连接件的压缩量：被连接件的压缩量： 螺栓的刚度螺栓的刚度

54、被连接件的刚度被连接件的刚度 螺母未拧紧螺母未拧紧 +b b m F1 F1 F F F2 螺母已拧紧螺母已拧紧 已承受工作载荷已承受工作载荷 F0 F0 m 加载加载 F 后后: 螺栓总伸长量增加为螺栓总伸长量增加为: +b 被连接件压缩量减少为：被连接件压缩量减少为： m =m - - 螺母未拧紧螺母未拧紧 +b b m F1 F1 F F F2 螺母已拧紧螺母已拧紧 已承受工作载荷已承受工作载荷 F0 F0 m 总拉力：总拉力： F2=F+F1 被连接件的压缩力减少为：被连接件的压缩力减少为： F F1 1 很显然很显然: F1 0 F F1 1 的选取原则如下：的选取原则如下： 有密封

55、性要求时：有密封性要求时： F1 =（1.51.8）F 工作载荷不稳定时工作载荷不稳定时 ：F1 =（0.61.0）F 工作载荷稳定的时：工作载荷稳定的时： F1 =（0.20.6）F 一般连接：一般连接： b 连接件变形连接件变形 力力 螺栓变形螺栓变形 力力 变形变形 力力 F2 F1 F F0F0 m F0 b m 螺栓所受的总拉力：螺栓所受的总拉力： F2= F+ F1 m b 以上螺栓连接的受力与变形关系可以用线图以上螺栓连接的受力与变形关系可以用线图 （即力与变形坐标图）来表示。（即力与变形坐标图）来表示。 被连接件受力变形图被连接件受力变形图 力 变形 b F0 Ob b 螺栓受

56、力变形图螺栓受力变形图 m F0 力 m Om 变形 设螺栓的刚度为设螺栓的刚度为Cb，被连接件的刚度为，被连接件的刚度为Cm则：则： b b b C F 0 tan m m m C F 0 tan F b m F- F 显见：显见：F0 = F1 + （FF） 力 变形 F0 b m b m F2 F1 F Ob Om F b m F- F 力力 变形变形 F0 b m bm F2 F1 F Ob Om 由图中的几何关系可得由图中的几何关系可得： FF F m b tan tan m b C C F CC C F mb b F CC C F mb b 见教材见教材p84p84页。其大小与螺栓

57、和被连接件的结构尺寸、材料以页。其大小与螺栓和被连接件的结构尺寸、材料以 及垫片等因素有关。数值在及垫片等因素有关。数值在0 01 1之间。之间。 螺栓的相对刚度螺栓的相对刚度 F b m F- F 力力 变形变形 F0 b m bm F2 F1 F Ob Om F CC C F mb b F CC C FF mb b 1 10 F CC C F mb m 1 FFF 02 F0 = F1 + （FF） 在承受轴向工作拉力的螺栓连接中，采用橡胶垫片在承受轴向工作拉力的螺栓连接中，采用橡胶垫片 和采用铁垫片哪一个对连接有利？为什么？和采用铁垫片哪一个对连接有利？为什么？ F CC C F mb

58、b 0 QuestionQuestion： -(5-31) -(5-32) FFF 12 F CC C FF mb b 02 螺栓所受的总拉力：螺栓所受的总拉力： -（5-29） -（5-32） 承受轴向工作载荷的紧螺栓连接，其设计步骤如下：承受轴向工作载荷的紧螺栓连接，其设计步骤如下： 按连接的受载按连接的受载 情况求出螺栓情况求出螺栓 的工作拉力的工作拉力F 根据连接根据连接 要求选取要求选取 F1 计算螺计算螺 栓的总栓的总 拉力拉力F2 按按F2进行进行 螺栓的强螺栓的强 度计算度计算 强度条件式：强度条件式： 2 14 2 3.1 d F ca （校核式）（校核式） 或：或： )(

59、3 . 14 2 1 mm F d （设计式）（设计式） 承受承受F0和和F共同作用的紧螺栓连接，其强度公式与仅共同作用的紧螺栓连接，其强度公式与仅 承受承受F0作用时的公式形式相同，区别在于一个是作用时的公式形式相同，区别在于一个是F2，一，一 个是个是F0。而。而F2的求法略微复杂。的求法略微复杂。 结论：结论： 以上是对静载荷作用下进行的计算，对于受轴向变以上是对静载荷作用下进行的计算，对于受轴向变 载荷的重要连接，除要作静强度计算外，还应对螺栓载荷的重要连接，除要作静强度计算外，还应对螺栓 的疲劳强度作精确校核。的疲劳强度作精确校核。 工作拉力工作拉力F F在在 0F 之间变化之间变化

60、 螺栓总拉力螺栓总拉力F2在在 F0F2 之间变化之间变化 4 2 1 2 max d F 应力幅：应力幅： 2 minmax a 2 1 2 d F CC C mb b 4 2 1 0 min d F 由图可见，无由图可见，无 论工作载荷论工作载荷 F 如何如何 变化，螺栓的最小变化，螺栓的最小 应力应力min是不变的，是不变的， 所以可按式（所以可按式（3-24） （即（即min = C 的情况）的情况） 进行校核进行校核。 螺栓最大应力计算安全系数为：螺栓最大应力计算安全系数为： S K K S a tc ca min min1 2 2 式中的参数说明见教材式中的参数说明见教材 P75。