机械设计基础第七章螺纹连接

机械设计基础第七章螺纹连接第1页，课件共71页，创作于2023年2月8/20/20231机械设计基础

第七章螺纹连接主要内容：1.螺纹连接的基本知识2.螺纹连接的预紧和防松3.单个螺栓连接的强度计算（重点）4.螺栓组连接的设计计算与实例分析（难点）5.提高螺栓连接强度的措施第2页，课件共71页，创作于2023年2月8/20/20232机械设计基础第3页，课件共71页，创作于2023年2月8/20/20233机械设计基础7.1螺纹联接的基本知识一、螺纹的主要参数二、螺纹联接件主要类型机械设计基础——联接第4页，课件共71页，创作于2023年2月8/20/20234机械设计基础二、螺纹联接件主要类型标准螺纹联接件1.螺栓普通螺栓铰制孔螺栓2.双头螺栓3.螺钉联接螺钉紧定螺钉、自攻螺钉螺纹联接件通过组合形成螺纹联接机械设计基础——联接第5页，课件共71页，创作于2023年2月8/20/20235机械设计基础1.螺栓联接螺纹连接第6页，课件共71页，创作于2023年2月8/20/20236机械设计基础2.双头螺柱联接工作原理：螺栓受拉力，承受外载应用：被联接件较厚，且常拆卸处螺纹连接第7页，课件共71页，创作于2023年2月8/20/20237机械设计基础3.螺钉联接工作原理：螺栓受拉承受外载应用：一被联件较厚，但不常拆卸处螺纹连接第8页，课件共71页，创作于2023年2月8/20/20238机械设计基础4.紧定螺钉联接工作原理：靠拧入零件螺纹孔中的螺钉末端顶住另一个零件的表面，或者顶入相应的凹坑中，将零件固定。应用：薄壁件联接螺纹连接第9页，课件共71页，创作于2023年2月8/20/20239机械设计基础螺纹联接件实物第10页，课件共71页，创作于2023年2月8/20/202310机械设计基础7.2螺纹连接的预紧和防松第11页，课件共71页，创作于2023年2月8/20/202311机械设计基础1、预紧的作用：预紧可使连接在承受工作载荷之前就受到预紧力F0的作用，以防止连接受载后被连接件之间出现间隙或横向滑移。预紧也可以防松。2、控制预紧力的目的：在于增加连接的可靠性、紧密性和防松能力。预紧力过大，会使连接超载。预紧力不足，可能导致连接失效。重要的螺栓应控制预紧力。一、螺纹连接的预紧第12页，课件共71页，创作于2023年2月8/20/202312机械设计基础拧紧螺母时的力矩和预紧力3、拧紧力矩和预紧力的计算第13页，课件共71页，创作于2023年2月8/20/202313机械设计基础螺纹副摩擦力矩螺母与被连件摩擦力矩拧紧力矩第14页，课件共71页，创作于2023年2月8/20/202314机械设计基础

当钢制螺纹M10~M68时，由螺纹几何关系和摩擦系数可得：

F0大小可以根据螺栓的受力情况和连接的工作要求决定，一般规定，拧紧后不超过螺纹连接件材料屈服强度的80％。第15页，课件共71页，创作于2023年2月8/20/202315机械设计基础定力矩扳手测力矩扳手机械设计基础——联接4、装配时控制预紧力的方法第16页，课件共71页，创作于2023年2月8/20/202316机械设计基础定力矩扳手第17页，课件共71页，创作于2023年2月8/20/202317机械设计基础二、螺纹连接的防松（一）、摩擦防松1、双螺母在螺母和螺栓之间形成内力，保证摩擦力。结构简单、使用方便。可靠性不高。用于平稳、低速、重载。第18页，课件共71页，创作于2023年2月8/20/202318机械设计基础2、弹簧垫圈其反弹力使螺纹间保持一定压力，切口处的尖端也能阻止螺母转动脱落。不十分可靠，用于不太重要的连接。第19页，课件共71页，创作于2023年2月8/20/202319机械设计基础3、锁紧螺母镶嵌弹性环或尼龙圈挤入螺纹中椭圆口螺母。第20页，课件共71页，创作于2023年2月8/20/202320机械设计基础（二）、机械防松1、开口销第21页，课件共71页，创作于2023年2月8/20/202321机械设计基础2、止动垫圈第22页，课件共71页，创作于2023年2月8/20/202322机械设计基础止动垫圈第23页，课件共71页，创作于2023年2月8/20/202323机械设计基础3、串联钢丝第24页，课件共71页，创作于2023年2月8/20/202324机械设计基础（三）、永久防松焊接冲点涂胶第25页，课件共71页，创作于2023年2月8/20/202325机械设计基础问题：为什么要防松？防松的原理？防松零件的装配方法？机械设计基础——联接第26页，课件共71页，创作于2023年2月8/20/202326机械设计基础7.3、螺栓联接的计算松螺栓联接：无预紧力，只有工作拉力紧螺栓联接：有预紧力，还有工作拉力1失效形式2设计步骤3松螺栓联接强度设计4紧螺栓联接强度设计仅受预紧力的紧螺栓联接受横向载荷的紧螺栓联接受轴向载荷的紧螺栓联接受偏心载荷的紧螺栓联接机械设计基础——联接螺栓组联接第27页，课件共71页，创作于2023年2月8/20/202327机械设计基础1失效形式失效形式：

1.螺栓杆拉断（普通螺栓）

2.螺纹压溃和剪断（受剪螺栓）

3.经常装拆因磨损而发生滑扣普通螺栓主要为螺纹部分发生断裂受剪螺栓(铰制孔螺栓)主要为压溃和剪切机械设计基础——联接第28页，课件共71页，创作于2023年2月8/20/202328机械设计基础2设计步骤一般设计步骤：螺栓组受力和失效分析→找出受力最大的螺栓→单个螺栓受力分析和失效分析→单个螺栓强度计算→确定螺栓的尺寸（直径、长度）试算法：先选定一个螺栓直径d——查[

]——计算d1。若d1与d1（假定的小径）相近，则合用；否则再选机械设计基础——联接第29页，课件共71页，创作于2023年2月8/20/202329机械设计基础3松螺栓联接强度设计受载荷形式——轴向拉伸(工作拉力F)失效形式——螺栓拉断(静、疲劳)设计准则——保证螺栓拉伸强度强度条件：

s≤[s]设计计算方法：校核式:设计式:机械设计基础——联接F第30页，课件共71页，创作于2023年2月8/20/202330机械设计基础4紧螺栓联接强度设计(1)仅受预紧力的紧螺栓联接受载荷形式—拧紧后:轴向拉伸(工作拉力F0)

拧紧过程中:轴向拉伸F0、扭力T失效形式—螺栓拉断(拉、扭综合作用)设计准则—保证螺栓拉伸强度强度条件：

s≤[s]设计计算方法：校核式:机械设计基础——联接TF0F0拧紧力矩T→剪应力τ预紧拉力Fo→拉应力σ设计式:第31页，课件共71页，创作于2023年2月8/20/202331机械设计基础(2).横向载荷的螺栓联接计算——主要防止被联接件错动

特点：杆孔间有间隙，靠拧紧的正压力(F0)产生摩擦力来传递外载荷，保证联接可靠(不产生相对滑移)的条件为：F0f≥FR即

F0fm=kfFR1）普通螺栓联接：FR——横向外载荷m——接缝界面数目、f为摩擦系数Kf——防滑系数（可靠性系数）Kf=1.1~1.3第32页，课件共71页，创作于2023年2月8/20/202332机械设计基础分析：由上式可知，当FR=0.15,m=1,Kf=1.1则F0=7FR，说明这种联接螺栓直径大，且在冲击振动变载下工作极不可靠，因此应设法避免。为增加可靠性，减小直径，简化结构，提高承载能力可采用如下减载装置：a)减载销b)减载套筒c)减载键求出F0以后按右式进行强度计算第33页，课件共71页，创作于2023年2月8/20/202333机械设计基础受横向载荷的铰制孔螺栓联接受载荷形式—拧紧过程中:轴向拉伸Fs、扭力T(预紧力小，计算时可忽略)工作时：横向载荷F失效形式—侧面压溃及螺栓剪切设计准则—保证挤压、剪切强度强度条件：sp≤[sp]、t≤[t]设计计算方法：挤压强度：剪切强度：机械设计基础——联接第34页，课件共71页，创作于2023年2月8/20/202334机械设计基础讨论：普通螺栓受横向载荷F时，为保证结合面不发生滑移，靠结合面的摩擦力抵抗F预紧力Fs的大小，根据接合面不发生滑移的条件确定f=0.2时，FS=6F结论：横向载荷过大的情况下，不适宜用普通螺栓宜采用铰制孔螺栓必须采用普通螺栓时，应配合减载销、键或减载套筒使用减载装置强度计算同铰制孔螺栓计算机械设计基础——联接FSFsFFT第35页，课件共71页，创作于2023年2月8/20/202335机械设计基础(3)、承受轴向静载荷的紧螺栓联接强度计算第36页，课件共71页，创作于2023年2月8/20/202336机械设计基础①工作特点：工作前拧紧，有F0；工作后加上工作载荷F工作前、工作中载荷变化②工作原理：靠螺杆抗拉强度传递外载F③解决问题：a)保证安全可靠的工作，F0=？b)工作时螺栓总载荷，F=？④分析：

图1，螺母未拧紧螺栓螺母松驰状态，螺栓与被连接件均不受力。

第37页，课件共71页，创作于2023年2月8/20/202337机械设计基础图２，拧紧—预紧状态凸缘—压—λm—F0栓杆—拉—λb

→F0

图7.15b所示为螺栓被拧紧后，螺栓受预紧力F0，被联接件受预紧压力F0的作用而产生压缩变形δl的情况。第38页，课件共71页，创作于2023年2月8/20/202338机械设计基础图3，加载F后→工作状态图7.15c所示为螺栓受到轴向外载荷(因气缸内压力而引起的)F作用时的情况，螺栓被拉伸，变形增量为δ2，根据变形协调条件，δ2即等于被联接件压缩变形的减少量。此时被联接件受到的压缩力将减小为F/0，称为残余预紧力。显然，为了保证按联接件间密封可靠。应使：F∑＝F＋F´0此时螺栓所受的轴向总拉力F∑应为其所受的工作载荷F与残余预紧力F´0之和。第39页，课件共71页，创作于2023年2月8/20/202339机械设计基础第40页，课件共71页，创作于2023年2月8/20/202340机械设计基础第41页，课件共71页，创作于2023年2月8/20/202341机械设计基础第42页，课件共71页，创作于2023年2月8/20/202342机械设计基础五、螺栓材料和许用应力材料：一般用途：低碳钢或中碳钢(35~45及Q235~Q275)重要联接：合金钢（40Cr、30CrMnTi

）国标(GB/T3098.1_2000)规定螺栓按材料的力学性能分出十个等级：3.6,4.6,4.8,5.6,5.8,6.8,8.8,9.8,10.9,12.9规则：小数点前数字表示sB/100,小数点后数字表示10sS/sB如：5.8级：表示sB=500MPa，sS=400MPa许用应力：表7-1机械设计基础——联接计算螺栓小径时采用试算法来选用第43页，课件共71页，创作于2023年2月8/20/202343机械设计基础螺栓组连接的结构设计螺栓组连接的受力分析与计算§7.4螺栓组连接的设计

第44页，课件共71页，创作于2023年2月8/20/202344机械设计基础1、连接结合面的几何形状常设计成轴对称的简单几何形状第45页，课件共71页，创作于2023年2月8/20/202345机械设计基础2、螺栓的布置应使各螺栓的受力合理第46页，课件共71页，创作于2023年2月8/20/202346机械设计基础3、螺栓的排列应有合理的间距、边距第47页，课件共71页，创作于2023年2月8/20/202347机械设计基础扳手空间第48页，课件共71页，创作于2023年2月8/20/202348机械设计基础4、分布在同一圆周上的螺栓数目，应取4,6,8等偶数，以便钻孔时在圆周上分度和画线第49页，课件共71页，创作于2023年2月8/20/202349机械设计基础5、避免螺栓承受偏心载荷产生偏心载荷的原因第50页，课件共71页，创作于2023年2月8/20/202350机械设计基础斜垫圈的应用凸面和沉头座的应用避免偏载的结构第51页，课件共71页，创作于2023年2月8/20/202351机械设计基础螺栓组联接的基本受载类型：2．受横向载荷FSFS4．受倾覆力矩OM3．受转矩riOT1．受轴向载荷FFS假设：所有螺栓的刚度和预紧力均相同；被联接件为刚体；各零件的变形在弹性范围内。螺栓组连接的受力分析与设计螺栓组连接的设计第52页，课件共71页，创作于2023年2月8/20/202352机械设计基础§5-4螺栓组联接受力分析一、承受轴向载荷的螺栓组连接

如图所示为压力容器的螺栓组连接，所受轴向总载荷FQ通过螺栓组形心，螺栓组各螺栓所受的工作载荷相等。螺栓数目注：如FQ不通过螺栓组的形心，应向形心平移后再计算。螺栓组连接的设计轴向外载荷受轴向载荷的螺栓组连接

第53页，课件共71页，创作于2023年2月8/20/202353机械设计基础受横向载荷1二、承受横向载荷的螺栓组连接１.普通螺栓连接

螺栓预紧后在被联接件的接触面上产生正压力，靠由此产生的摩擦力承受。

保证被联接件不相对滑动，须满足：则所需预紧力为式中：K－可靠性系数－结合面的摩擦因数m－结合面数螺栓组连接的设计受横向载荷的螺栓组连接

第54页，课件共71页，创作于2023年2月8/20/202354机械设计基础受横向载荷2２.受铰制孔螺栓连接各螺栓承受的横向力相等。分别进行剪切强度和挤压强度计算。螺栓组连接的设计三、承受转矩T的螺栓组连接连接受载后有绕螺栓组形心转动的趋势，螺栓受力情况与承受横向工作载荷的螺栓连接类似

承受转矩的螺栓组连接

第55页，课件共71页，创作于2023年2月8/20/202355机械设计基础承受转矩T时1１.普通螺栓连接

靠结合面上的摩擦力承受T。

保证底板在T作用下不转动，须满足≥则所需预紧力≥螺栓组连接的设计r1、r2、…rz——各螺栓中心与螺栓组形心间的距离。第56页，课件共71页，创作于2023年2月8/20/202356机械设计基础承受转矩T时2２.铰制孔螺栓连接各螺栓所受的工作剪力与其中心到底板中心的距离成正比。底板的静力平衡方程为联立两式求解，得最大工作剪力即螺栓组连接的设计第57页，课件共71页，创作于2023年2月8/20/202357机械设计基础受翻转力矩M时1四、承受倾翻力矩M的螺栓组连接

在M作用下，底板有绕通过螺栓组形心的轴线O转动的趋势。

在前述假设下，各螺栓所受的工作拉力与其中心到翻转轴线的距离成正比。底板的静力平衡方程为联立两式求解，得最大工作拉力螺栓组连接的设计第58页，课件共71页，创作于2023年2月8/20/202358机械设计基础受翻转力矩M时2为防止结合面受压最小处出现间隙，要求：为防止结合面受压最大处被压溃，要求：式中：A－结合面的面积（mm2）W－结合面的抗弯截面模量（mm3）－许用挤压应力（Mpa）实际中，螺栓组往往同时承受两种或两种以上的载荷。螺栓组连接的设计工作时承受外载荷FP

轴向载荷FV横向载荷FH

翻转力矩M第59页，课件共71页，创作于2023年2月8/20/202359机械设计基础改善螺纹牙间的载荷分配减小螺纹的应力副减小附加弯曲应力§7.5提高螺纹连接强度的措施

第60页，课件共71页，创作于2023年2月8/20/202360机械设计基础螺纹联接组的设计1设计螺栓组连接时，通常是先进行结构设计，即确定结合面的形状、螺栓布置方式和数目，然后按螺栓组的结构和承载状况进行受力分析。为了便于加工制造和对称布置螺栓，保证连接结合面受力均匀，通常联接结合面的几何形状都设计成轴对称的简单几何形状。螺栓布置应使各螺栓的受力合理。

为了便于在圆周上钻孔时的分度和画线，通常分布在同一圆周上的螺栓数目取成4、6、8等偶数。螺栓的排列应有合理的间距、边距。各螺栓之间的距离大小既要保证联接的可靠性又要考虑装拆方便，还应留有足够的扳手空。

改善螺纹牙间的载荷分配提高螺纹连接强度的措施第61页，课件共71页，创作于2023年2月8/20/202361机械设计基础§5-5提高螺栓强度的措施

工作中，螺栓受拉，螺母受压，从而产生螺距差，导致旋合的各圈螺纹牙受载不均。提高螺栓连接强度的措施改善螺纹牙间的载荷分配螺栓受拉伸，其螺纹的螺距增大；螺母受压缩，其螺纹的螺距减小。约有1/3的载荷集中作用在第一圈，第八圈以后的螺纹牙几乎不承受载荷

第62页，课件共71页，创作于2023年2月8/20/202362机械设计基础１、悬置螺母螺杆与悬置螺母同时受拉力，使两者变形协调，可使旋合螺纹牙的载荷均匀分配。提高螺栓连接强度的措施２、环槽螺母环槽螺母和螺栓在支承面处的变形性质相同（均受拉），从而改善了旋合圈螺纹的受载状况。３、内斜螺母将螺母旋入端制成10

～15

的内锥，使螺栓受力较大的螺纹圈之受力点外移，螺栓疲劳强度可提高约20%。第63页，课件共71页，创作于2023年2月8/20/202363机械设计基础减小螺栓的应力幅增加螺栓的长度减小无螺纹部分螺杆的直径螺杆制成中空结构（柔性螺栓）在螺母下安装弹性元件措施提高螺栓连接强度的措施减小螺栓刚度或增大被连接件的刚度，都能使应力幅减小

第64页，课件共71页，创作于2023年2月8/20/202364机械设计基础采用合理的制造工艺。减小附加弯曲应力冷镦、碾压、氮化、喷丸等工艺均可提高螺栓的强度。提高螺栓连接强度的措施球面垫圈带环腰的螺栓第65页，课件共71页，创作于2023年2月8/20/202365机械设计基础7-3键联接一、键联接的分类及结构二、键的强度校核三、花键联接机械设计基础——联接第66页，课件共71页，创作于2023年2月8/20/202366机械设计基础1松联接（1）平键联接结构:键两侧与键槽相配合(静联接为过渡配合,动联接为间隙配合),上端面与轮毂键槽底面有间隙工作原理:两侧面是工作面，靠两侧面挤压传递转矩失效形式: