机械设计-第三章

目录3-0概述3-1螺纹联接3-2螺纹联接类型和标准联接件3-3螺纹联接的预紧和防松3-4螺栓组联接的受力分析3-5螺栓连接的强度计算3-6提高螺纹联接强度的措施第三章联接1、了解螺纹的基本知识——螺纹的基本参数、常用螺纹的种类、特性及其应用，螺旋副的受力分析、效率和自锁。2、掌握螺纹联接的基本知识——螺纹联接的基本类型、结构、特点及其应用，螺纹联接标准件，螺纹联接的预紧与防松。3、熟练掌握螺栓组联接设计的基本方法——螺栓组联接的受力分析、失效形式、计算准则，单个螺栓联接的强度计算理论与方法。4、了解提高螺栓联接强度的各种措施。教学目标及基本要求：重点及难点：重点：1、螺纹联接的基本知识：螺纹联接的类型、特点及其应用，预紧的目的、防松的原理及方法。2、单个螺栓联接的强度计算：主要是受预紧力和工作拉力的紧螺栓联接。难点：1、螺栓组联接的受力分析。

1）受旋转力矩T的螺栓组联接。

2）受翻转力矩M的螺栓组联接。2、受预紧力和工作拉力的紧螺栓联接的强度计算。一、联接的作用零件构件部件机器联接联接联接二、联接的分类1、动联接：被联接零件可相对运动—运动副2、静联接：被联接零件无相对运动—构件（1）可拆联接：螺纹、键、销、成型联接（2）不可拆联接：铆接、焊接、胶结（3）过盈配合：温差法装入—可拆压如法装入—不可拆

§3-0概述§3-1螺纹联接一、螺纹联接的基础知识1、螺旋线与螺纹（1）定义：动点绕定轴匀速圆周运动，并沿轴线方向匀速上升，动点轨迹为螺旋线。一、螺纹联接的基础知识（2）直观：直角三角形斜边与圆柱体表面的交线2、螺纹分类（1）螺纹位置：内、外螺纹（2）母体形状：圆柱、圆锥螺纹（3）牙型：三角形、矩形、梯形、矩齿形（4）旋向：左、右β§3-1螺纹联接大径d－公称直径（查标准）小径d1－计算直径（强度计算）中径d2－几何直径（几何计算）螺距P－相邻螺牙对应点间轴向距离导程S－同一螺线相邻螺牙对应点间轴向距离S=nP（n--线数）升角ψ－螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面间的夹角牙型角α－螺纹轴截面内，牙型两侧边的夹角牙型半角β－螺纹轴截面内，牙型侧边与横截面的夹角3、普通螺纹的主要参数一、螺纹联接的基础知识§3-1螺纹联接二、常用螺纹的种类、特点和应用二、常用螺纹的种类、特点和应用1、联接螺纹：要求自锁—三角形螺纹（1）普通螺纹（α=60°）

粗牙：常用的联接螺纹细牙：用于薄壁件或密封处（2）管螺纹（α=55°）（英制）—一般管路联接

圆柱：螺纹中线与管轴线平行牙顶圆角，旋合后无隙，密封性好圆锥：螺纹中线与管子轴线不平行，自密封性好普通螺纹管螺纹§3-1螺纹联接二、常用螺纹的种类、特点和应用2、传动螺纹：要求效率高（1）矩形螺纹（α=0°）

效率高，牙根强度差，磨损难补偿（2）梯形螺纹（α=30°）效率较高，牙根强，对中好，磨损后用剖分螺母补偿间隙—常用（3）矩齿形螺纹（β工=3°

、β非工=30°）兼备矩形、梯形螺纹的优点，非工作面牙根圆角大，强度高矩形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹三角形矩形梯形矩齿形§3-2螺纹联接的类型与标准联接件一、螺纹联接类型1、螺栓联接—被联件较薄、易做成通孔处，可经常拆卸。（1）普通螺栓：被联件孔与螺栓杆有间隙，可传横向、轴向外载（2）铰制孔螺栓：被联件孔与螺栓杆过渡配合，只传横向外载普通螺栓铰制孔螺栓杆孔间隙过渡配合面§3-2螺纹联接的类型与标准联接件螺栓联接：两被联接零件较薄，可做成通孔场合§3-2螺纹联接的类型与标准联接件§3-2螺纹联接的类型与标准联接件被联件之一较厚、不易做成通孔，不需经常拆卸处2、螺钉联接§3-2螺纹联接的类型与标准联接件3、双头螺柱联接被联件之一较厚、不易做成通孔，需经常拆卸处§3-2螺纹联接的类型与标准联接件4、紧定螺钉联接：固定两零件相对位置，可传不大扭矩平端紧定螺钉锥端紧定螺钉§3-2螺纹联接的类型与标准联接件二、标准联接件1、螺纹联接件均为标准件，设计中根据需要按工程尺寸选用2、螺纹联接件等级GB3103.1-82规定：螺纹联接件分A、B、C三级A级：精密配合，防振场合B级：受载较大，常拆卸调整、变载场合C级：一般联接§3-3螺纹联接的预紧与防松一、预紧—工作前拧紧1、目的：增加螺纹联接刚度、紧密性和防松能力2、要求：装配时控制预紧力在规定范围内对于一般联接用的钢制螺栓可推荐：碳素钢螺栓合金钢螺栓3、拧紧力矩的确定：拧紧力矩等于螺旋副间的摩檫阻力矩和螺母环形端面和被联接件（或垫圈）支承面间的摩檫阻力矩之和，即预紧力：大多数螺纹联接在装配时都需要拧紧，使之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。§3-3螺纹联接的预紧与防松一、预紧对于M10~M64粗牙普通螺纹的钢制螺栓：T≈0.2Qpd对一般标准扳手的长度L≈15d，若拧紧力为F,则Qp≈75F.因此，对于重要的联接不宜采用直径过小（如小于M12）的螺栓。§3-3螺纹联接的预紧与防松（3）测螺栓伸长量（1）测力矩扳手一、预紧（2）定力矩扳手4、预紧力控制方法:§3-3螺纹联接的预紧与防松二、防松2、实质：防止螺杆与螺母相对转动3、防松方法：1、原因：设计条件下ψ≤ρv，静载、恒温条件不会松脱变载、振动、温差大引起螺牙间摩擦力瞬时消失—松脱（1）、摩擦防松—利用辅助元件（结构）防止螺纹副间摩擦力消失a、弹簧垫圈b、双螺母防松c、椭圆口自锁螺母d、横向切口螺母二、防松§3-3螺纹联接的预紧与防松（2）、机械防松—利用防松元件约束螺纹副相对运动-冲击、变载场合止动垫片开口销与开槽螺母二、防松§§3-3螺纹联接的预紧与防松（2）、机械防松—利用防松元件约束螺纹副相对运动-冲击、变载场合圆螺母止动垫片二、防松§3-3螺纹联接的预紧与防松（3）、破坏螺纹副防松—防松可靠，冲击振动大、重要联接冲点法：冲坏螺纹副端焊法：端部焊死粘结法：拧紧时涂胶二、防松螺纹联接组的设计1§3-4螺栓组联接的结构设计及受力分析在设计螺栓组联接时，关键是联接的结构设计。它是根据被联接件的结构和联接的用途，确定螺栓数目和分布形式。为了便于加工制造和对称布置螺栓，保证联接结合面受力均匀，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。螺栓的排列应有合理的间距、边距。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。避免螺栓承受附加的弯曲载荷。一、螺栓组联接的结构设计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间。大多数机械中螺栓都是成组使用的。

一、结构设计螺纹联接组的设计21．受横向载荷2．受转矩3．受轴向载荷4．受倾覆力矩受力分析的目的：根据联接的结构和受载情况，求出受力最大的螺栓及其所受的力，以便进行螺栓联接的强度计算。受力分析时所作假设：所有螺栓的材料、直径、长度和预紧力均相同；受载后联接接合面仍保持为平面。受力分析的类型：二、螺栓组联接的受力分析螺栓组的对称中心与联接接合面的形心重合；

§3-4螺栓组联接的结构设计及受力分析二、受力分析螺纹联接组的设计51．受轴向载荷的螺栓组联接

若作用在螺栓组上轴向总载荷FΣ作用线与螺栓轴线平行，并通过螺栓组的对称中心，则各个螺栓受载相同，每个螺栓所受轴向工作载荷为：

§3-4螺栓组联接的结构设计及受力分析二、受力分析螺纹联接组的设计3（1）对于普通螺栓联接，按预紧后接合面间所产生的最大摩擦力必须大于或等于横向载荷的要求，有：图示为由四个螺栓组成的受横向载荷的螺栓组联接。2．受横向载荷的螺栓组联接

§3-4螺栓组联接的结构设计及受力分析二、受力分析(通常取Kf=1.1-1.3)或螺纹联接组的设计3（2）对于铰制孔用螺栓联接，每个螺栓所受工作剪力为：式中：z为螺栓数目。2．受横向载荷的螺栓组联接

§3-4螺栓组联接的结构设计及受力分析二、受力分析普通螺栓传递力矩§3-4螺栓组联接的结构设计及受力分析二、受力分析（1）采用普通螺栓联接：保证被联接件不相对滑动（转动），则保证不滑动，单个螺栓所需预紧力3.受扭转力矩的螺栓组联接§3-4螺栓组联接的结构设计及受力分析二、受力分析（2）采用铰制孔螺栓联接：距回转中心最远螺栓受力最大()铰制孔螺拴传递扭矩根据底板力矩平衡条件得：Fs1r1+Fs2r2+···+Fszrz=T4.受倾翻力矩的螺栓组联接（1）基本假定①螺栓、地基为弹性体；②

M作用在z-z平面内，机座在M作用下绕O-O转动③机座刚性较大，变形后与基础的接触面仍为平面（2）受力分析

螺栓接合面左侧螺栓右侧螺栓左侧右侧预紧状态拉拉压压工作状态↑↑↓↓被联接件受力螺栓受力§3-4螺栓组联接的结构设计及受力分析二、受力分析力平衡条件由上两式得变形协调条件§3-4螺栓组联接的结构设计及受力分析二、受力分析M左侧螺栓所受最大力：右侧螺栓所受最小力：：螺栓相对刚度：地基相对刚度§3-4螺栓组联接的结构设计及受力分析二、受力分析

保证螺栓不塑变、不被拉断

左侧不出缝隙

右侧不被压溃为防止螺栓被拉断及机座与地基的接合面被压溃或出缝隙，则§3-4螺栓组联接的结构设计及受力分析二、受力分析螺纹联接的强度计算1（3）螺栓联接的强度计算影响因素：主要与联接的装配情况（预紧或不预紧）、外载荷的性质和材料性能等有关。（2）螺栓联接强度计算的目的：是根据强度条件确定螺栓直径，而螺栓和螺母的螺纹牙及其他各部分尺寸均按标准选定。（1）螺栓联接的失效形式：主要是指螺纹联接件的失效。对于受拉螺栓，其失效形式主要是：在静载荷作用下，螺纹部分的塑性变形或断裂；在变载荷作用下，螺杆的疲劳断裂；因而其设计准则是保证螺栓的静强度或疲劳拉伸强度；对于受剪螺栓，其失效形式可能是螺栓杆和孔壁的贴合面被压溃或螺栓杆被剪断；因而其设计准则是保证联接的挤压强度和螺栓的剪切强度。

§3-5螺栓联接的强度计算失效形式及设计准则（

4）螺栓联接强度计算思路：首先根据连接的类型、联接装配情况（是否预紧）、载荷情况等条件，确定螺栓的受力；然后按相应的强度条件确定螺栓的直径或校核其强度。§3-5螺栓联接的强度计算一、受拉螺栓联接一、受拉螺栓联接（一）松螺栓联接工作前不预紧，只受工作载荷的作用，如：起重吊钩1、只受预紧力的螺栓联接（工作前预紧，工作中受力不变，如：受横向载荷的普通螺栓联接或普通设备盖板）（1）受力分析合成应力：（2）失效形式：螺栓塑变或拉断注：受拉、剪应力复合作用的螺栓，可按受纯拉伸处理,将拉应力加大30%计入剪应力的影响。只受预紧力普通螺栓QpQpTT§3-5螺栓联接的强度计算一、受拉螺栓联接（二）紧螺栓联接（1）工作原理：结合面摩擦力平衡横向外力

（2）受力分析：螺栓受预紧拉力：QP

被联件受预紧压力：QP（3）失效形式：（1）螺栓塑变、拉断

（2）被联件相对滑移（4）设计准则：（1）螺栓不塑变、不拉断（只受预紧力）（2）被联接件不相对滑移注：普螺联接传横向力，螺栓受拉装拆放便，但所需螺栓直径大，冲击、振动时摩擦传力不可靠。§3-5螺栓联接的强度计算一、受拉螺栓联接例：受横向载荷的普通螺栓联接的强度计算2、受预紧力Qp和工作载荷F作用的螺栓联接（如：气缸螺栓）（2）受力分析工作载荷F螺栓受载被联接件受载预紧状态F作用前预紧拉力QP预紧压力QP工作状态F作用后(拉力增加)总载荷

Q(压力下降)残余预紧力Q´PF螺母未拧紧螺母已拧紧受工作载荷F§3-5螺栓联接的强度计算一、受拉螺栓联接a.总载荷Q=?;残余预紧力Q’p=？载荷螺栓变形被联接件变形变形关系预紧状态QP作用下伸长δL压缩δFδL≠δF工作状态QP

、F共同作用伸长δL+ΔδL压缩δF-ΔδFΔδL=ΔδF由图得总载荷:§3-5螺栓联接的强度计算一、受拉螺栓联接b.△F=？由图知:

螺栓刚度:被联接件刚度：§3-5螺栓联接的强度计算一、受拉螺栓联接讨论：结论：为减小螺栓总载荷，被联接件刚度不宜太小；（3）失效形式：a:被联件结合面出缝隙；

b:螺栓塑变或被拉断§3-5螺栓联接的强度计算一、受拉螺栓联接（4）设计准则：a:保证被联件结合面不出缝隙§3-5螺栓联接的强度计算一、受拉螺栓联接b:保证螺栓不拉断或塑变①F为静载荷（考虑工作时需要补充拧紧，应计入螺纹力矩的影响）②

F为变载荷（按应力幅校核螺杆疲劳强度）§3-5螺栓联接的强度计算一、受拉螺栓联接二、受剪螺栓联接（如：受横向载荷的铰制孔螺栓联接）1、工作原理：杆孔挤压、螺杆受剪传递横向力2、失效形式：（1）杆孔结合面压溃

（2）螺杆剪断3、设计准则：（1）杆孔不压溃铰制孔螺拴传递横向力（2）螺杆不剪断§3-5螺栓联接的强度计算二、受剪螺栓联接三、螺纹联接件的材料性能与许用应力三、螺纹联接件的材料性能与许用应力1、螺纹联接件的材料与性能等级（1）常用材料：碳钢：Q215-A、Q235-A、35、45—一般联接合金钢：15Cr、20Cr、30CrMnSi等—重要联接（2）螺栓、螺母材料性能等级（表3-7）

a、螺栓材料性能等级：3.6、4.6、4.8、5.6