机械设计螺纹连接的强度计算

1、5-6 螺纹联接的强度计算螺纹联接的强度计算1 螺纹联螺纹联接接的失效形式和的失效形式和设计准则设计准则2 松螺栓联接的强度计算松螺栓联接的强度计算3 紧螺栓联接的强度计算紧螺栓联接的强度计算3 紧螺栓联接的强度计算紧螺栓联接的强度计算紧螺栓联接紧螺栓联接强度计算强度计算仅受预紧力的紧螺栓联接仅受预紧力的紧螺栓联接受横向工作载荷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同时受预紧力和工作拉力的紧螺栓联接受横向工作载荷的紧螺栓联接受横向工作载荷的紧螺栓联接 螺栓杆与孔壁的挤压螺栓杆与孔壁的挤压强度强度条件：条件： ppLdF min0螺栓杆的剪切强度条件：螺栓杆的剪

2、切强度条件： 420dFLmin挤压面的最小高度挤压面的最小高度, Lmin 1.25d0d0 光杆直径光杆直径当用铰制孔用螺栓联接时当用铰制孔用螺栓联接时当用普通螺栓联接时当用普通螺栓联接时FF/2F/2F0F0T1 因横向载荷是由预紧力在被联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，所接件间产生的摩擦力来抵抗的，所以应满足以应满足：FnfF0nfFF0预紧力预紧力F0（拉伸应力）（拉伸应力）+ 螺纹螺纹摩擦力矩摩擦力矩T1（扭转切应力）（扭转切应力） 强度计算准则（与仅受预强度计算准则（与仅受预紧力的螺栓联接相同）第四强紧力的螺栓联接相同）第四强度理论：螺栓的计算应力为度理论：

3、螺栓的计算应力为 ： 2102243 . 13 . 13dFcaFF/2F/2F0F0T1校核式校核式nfFF0设计式设计式 013 . 14Fd同时受预紧力和工作拉力的紧螺栓联接同时受预紧力和工作拉力的紧螺栓联接FDDp 螺栓螺栓受受预紧力预紧力F0后，再在工作拉力后，再在工作拉力F 的作的作用下，螺栓的总拉力用下，螺栓的总拉力F2 = ?螺母未拧紧螺母未拧紧螺母已拧紧螺母已拧紧已承受工作载荷已承受工作载荷受力变形图受力变形图F2F0m被联接件总压缩被联接件总压缩量为：量为：b螺栓总伸长量为：螺栓总伸长量为：FFF12螺栓中总拉力为：螺栓中总拉力为： F2(F2 F1)（1）式中式中F1为残

4、余预紧力为残余预紧力F0F2 力与变形线图力与变形线图bF0Ob力变形变形mOm力F0mbObOm力力变形变形mbF0螺栓螺栓被联接件被联接件合并后合并后mmbbCtgCtg预紧后：预紧后：预紧且有工作载荷后：预紧且有工作载荷后：FF0ObOm力变形ABCbmbmF2FF1力与变形线图力与变形线图FFF12 为保证连接的紧密性，应使为保证连接的紧密性，应使残余预紧力残余预紧力F1 0，一般根据连接的性质确定一般根据连接的性质确定F1的大小。的大小。FDDp推荐采用的推荐采用的F1为：为：对于用密封要求的连接，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，对于一般连

5、接，工作载荷稳定时，F1=（0.20.6）F 工作载荷不稳定时，工作载荷不稳定时，F1=（0.61.0）F 各力定义各力定义: :1、预紧力、预紧力F0（拧紧螺母后，作用在螺栓上的拉力和被联件（拧紧螺母后，作用在螺栓上的拉力和被联件上压力）上压力）2、工作拉力、工作拉力F（对螺栓联接施加的外载荷）（对螺栓联接施加的外载荷）3、 残余预紧力残余预紧力F14、螺栓、螺栓的的总拉力总拉力F2 FDDpFFFFFFF1002那么：令：FCCCFCCFFFbmbmbmtgtgb由力与变形关系：FCCCFFFFFCCCFFmbbmbm00210或：联立二式求解得：FF0ObOm力变形ABCbmbmF2FF

6、1（2）（3）FFF12（1）强度计算强度计算 这时即可套用前面预紧力作用下螺栓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，总载荷取总拉力式，考虑受载后补充拧紧，总载荷取总拉力F2的的1.3倍倍21243.1dFca设计式：设计式：213.14Fd校核式校核式疲劳强度计算疲劳强度计算轴向工作载荷变化范围：轴向工作载荷变化范围：0 F螺栓所受的总轴向拉力：螺栓所受的总轴向拉力：F0 F2螺栓中的应力变化范围：螺栓中的应力变化范围：（忽略螺纹间摩擦力矩）（忽略螺纹间摩擦力矩）0214Fd2124dF疲劳强度计算疲劳强度计算应力幅应力幅：那么，强度条件为：对重要零件，校核

7、疲劳安全系数：21minmax22dFCCCmbbaambbadFCCC212SKKStccaminmaxmin122联接状态受力特点计算式设计式松螺栓联接承载前螺栓不受力，承载后螺栓受拉力紧螺栓联接仅受预紧力作用的螺栓联接受横向载荷普通螺栓螺栓只受预紧力，靠摩擦力抵抗外载时，应控制预紧力铰制孔用螺栓螺栓受预紧力，受工作载荷的剪切和挤压作用取二式计算结果中较大的ds 选择螺栓受轴向载荷工作前受预紧力，工作后受残余预紧力及工作载荷共同作用静强度疲劳强度 同上 013 . 14Fd2141dF 013 .14FdFd41214103.1dFFnfF0 mdFs241psphdFFFFCCCFFmb

8、b102214123.1dFca 213 .14FdambbadFCCC212SKKSatccaminmin122nfFF0214103.1dF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下连接的紧密性要求确定残余预紧力预紧力F1计算螺栓中的最大拉力计算螺

9、栓中的最大拉力F2及危险截面最大应力及危险截面最大应力ca ca试选螺栓尺寸，确定试选螺栓尺寸，确定d1细节结构设计细节结构设计NOYES由工作性能要求确定工作状态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下连接的紧密性要求确定需要的残余预紧力的残余预紧力F1试选螺栓尺寸，确定试选螺栓尺寸，确定d1由机器要求确定工作载荷由机器要求确定工作载荷F由螺栓材料性能计算螺栓由螺栓材料性能计算螺栓可承受最大拉力可承受最大拉力F2计算螺栓联接中的残余预紧力计算螺栓联接中的残余预紧力F1 11FF 细节结构设计细节结构设计NOYES确定螺栓预紧情况确定螺栓预紧情况F05-8 提高螺纹联接强度的措施

10、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改善螺纹牙上载荷分布不均匀现象象3 减小应力集中减小应力集中4 采用合理的制造工艺方法采用合理的制造工艺方法1 降低应力幅，提高螺栓疲劳强度降低应力幅，提高螺栓疲劳强度 由式由式 可可知：知：减小螺栓刚度减小螺栓刚度Cb或增大被联接件的刚度或增大被联接件的刚度Cm都都可以减小应力幅，提高螺栓的疲劳性能。可以减小应力幅，提高螺栓的疲劳性能。但是，但是， F1减小，联接的紧密减小，联接的紧密性受到了影响。性受到了影响。可在不影响静强度的条件可在不影响静强度的条件下增大预紧力，以保持联接

11、紧密性。下增大预紧力，以保持联接紧密性。21minmax22dFCCCmbbaFCCCFFmbm01F1F2F1F2FF b bCbCbF0 b b b减少螺栓刚度减少螺栓刚度Cb加长螺栓加长螺栓柔性螺栓：空心、腰杆柔性螺栓：空心、腰杆螺母下加弹性元件螺母下加弹性元件FFF2F2F1F1F0 m b m m mCmCm增加被联接件的刚度增加被联接件的刚度Cm刚度大的垫圈刚度大的垫圈2 改善螺纹牙上载荷分布不均匀现象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，造成各圈螺纹于螺

12、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。且内斜螺母、或用钢丝螺套均载。1015悬置螺母悬置螺母环槽螺母环槽螺母内斜螺母内斜螺母1015内斜与环槽螺母内斜与环槽螺母3 减小应力集中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。r r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被联接件变形太大被联接件变形太大球面垫圈球面垫圈腰环螺栓腰环螺栓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，