单个螺栓连接的强度计算.ppt

1、螺纹 螺纹连接 单个螺栓连接的强度计算 螺栓组连接的设计 提高螺纹连接强度的措施,第十四章 螺纹连接,螺纹的主要参数 常用螺纹,14.1 螺纹,5-1 螺纹,大径d 是螺纹的公称直径。,小径d1常用于强度计算。,中径d2常用于几何计算。,螺距P 中径线上，相邻两螺纹牙上对应点间的轴向距离。,导程 S 沿螺纹上同一条螺旋线 转一周所移动的轴向距离，S = nP。,线数 n 螺纹的螺旋线数目。,牙型角a在轴向截面内，螺纹牙型两侧边的夹角。,螺纹,螺纹的主要参数,牙型高度h牙顶和牙底间垂直于轴线的距离,螺纹旋向分左旋和右旋，常用右旋螺纹,螺纹升角y螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面间的夹角。,按轴向

2、剖面形状（螺纹的牙型）,三角形螺纹：,常用于连接，,常用于传动，单向受载,常用于传动,梯形螺纹：,锯齿形螺纹：,按螺旋线数目分,单头螺纹：,多头螺纹：,常用于连接，,常用于传动,按螺旋线绕行方向分,左旋,右旋（常用）,常用螺纹,螺纹,左旋,右旋,螺纹连接的类型和螺纹紧固件的材料及精度 螺纹连接的预紧及其控制 螺纹连接的防松,14. 螺纹连接,1. 螺栓联接,螺纹连接的类型和螺纹紧固件的材料和精度,螺纹连接,一、螺纹连接的类型,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,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

3、常拆卸处,螺纹连接,4. 紧定螺钉联接,工作原理：,靠 承受外载,应用：,薄壁件联接,螺纹连接,螺栓、螺钉、双头螺柱、螺母、垫圈、 防松零件等,标准化,螺钉、螺母、垫圈,二、螺纹紧固件,螺纹连接,按公差等级分成A、B、C三级。A级的公差等级最高,C级公差等级较低 螺栓、螺母、螺钉和双头螺柱的常用材料有Q215、Q235、35和45钢。,螺纹联接件实物,1. 螺栓联接,螺纹连接的预紧及其控制,螺纹连接,一、螺纹连接的类型,拧紧目的：提高螺栓联接刚 性、紧密性、紧固性要求；以及防松,拧紧力矩和预紧力,预紧： 安装时将螺母拧紧，使联接受到一定的预紧力 。,螺纹间摩擦力矩,支承面处与螺母间摩擦力矩,拧

4、紧力矩T,螺纹连接的预紧及其控制,螺纹连接,T2 = fc F/ rf,F/预紧力;d2螺纹中径; /当量摩擦角 ;,fc螺母与被联接件支承面间摩擦系数,无润滑时取fc0.15； rf支承面摩擦半径rf(D1+d0)/4 ；,式中,D1、d0螺母支承面的外径、内径。,螺纹连接,注意：对于重要的联接，尽可能不采用直径过小(M12)的螺栓。,简化计算：对M10M68的粗牙普通螺纹 取 f /=tg / =0.15 ， fc0.15,得：T0.2F/d N.mm,控制拧紧力矩方法,1）拧紧程度通常由经验控制,螺纹连接,使用测力矩扳手 测力矩扳手原理：利用弹性件的变形量正比于拧紧力矩的原理，借助手柄上

5、的指针指示刻度扳上拧紧力矩值,以控制F。,使用定力矩扳手 定力矩扳手原理：当拧紧力矩超过规定值时，弹簧压缩，卡盘与圆柱销之间打滑，如果继续转动手柄，卡盘不再回转，拧紧力矩的大小可用螺钉调整弹簧压力来加以控制。,螺纹连接,1、螺纹联接多采用单线普通螺纹，一般都具有自锁性； 2、在静载荷和工作环境温度变化不大的情况下不会自动松脱。但在振动、冲击、变载荷或温度变化很大时， 3、联接就有可能松脱。为保证联接安全可靠，设计时必须考虑放松问题。,防松方法： 摩擦防松 机械防松 永久止动,螺纹连接的防松,螺纹连接,受拉螺栓连接的强度计算 铰制孔螺栓（受剪螺栓）连接的强度计算 螺纹连接件的许用应力,14. 单

6、个螺栓连接的强度计算,5-3 单个螺栓联接的强度,本节以螺栓联接为代表，讨论强度计算问题，其方法和结论也适用于其他形式的螺纹联接。,螺栓联接强度计算的目的是：确定防止失效所需的螺栓直径。,联接的强度计算内容，根据其可能的失效形式而定。,螺纹联接的受载形式基本分为：,采用受拉螺栓,可用受剪螺栓，也可用受拉螺栓。,下面按螺栓类型和受载形式的不同，分别讨论其强度计算方法。,单个螺栓连接的强度计算,受拉螺栓的强度,一、受横向工作载荷的受拉螺栓连接,受拉螺栓连接的强度计算,单个螺栓连接的强度计算,1）仅受预紧力 F的紧螺栓联接,Fs为横向工作载荷；s为被连接件结合面间的摩擦因数，m为结合面个数；K为可靠

7、性因子，通常K1.11.3,F引起的拉应力：,拧紧力矩 M 引起的切应力,经分析推导可知：,仅受预紧力的螺栓联接,按第四强度理论计算当量应力，则,单个螺栓连接的强度计算,强度条件为：,设计式为：,验算用,设计用。 查手册，选螺栓,当s0.15、m1、K1.2时，则F 8Fs。可见，要想传递一定的外载荷，需在螺栓上施加8倍于外载荷的预紧力，这将导致螺栓与连接的结构尺寸过大。 为避免上述缺点可采用减载装置，如减载销、减载套等，或采用铰制孔用螺栓连接。,减载装置 a) 减载销 b) 减载套,承受轴向载荷的紧螺栓联接,二、受轴向工作载荷的受拉螺栓连接,如图所示的气缸盖上的联接即属此种类型。,虽然，这种

8、螺栓是在受预紧力F的基础上，又受工作拉力F 。但是，螺栓的总拉力,单个螺栓连接的强度计算,1. 受力分析,承受轴向载荷的紧螺栓2,预紧时,受工作载荷后,F剩余预紧力,螺栓的总拉力为,单个螺栓连接的强度计算,承受轴向载荷的紧螺栓3,可用载荷变形图分析各力之间的关系。,则螺栓的总拉力,或写成：,受力变形动画,单个螺栓连接的强度计算,承受轴向载荷的紧螺栓4,为保证联接的紧密性，应使 F 0 。通常根据工作拉力 F 的性质确定F。,.受轴向静载荷时螺栓连接的强度计算,单个螺栓连接的强度计算,单个螺栓连接的强度计算,3.受轴向循环载荷时螺栓连接的强度计算,静强度计算（同上） 疲劳强度计算螺栓的工作载荷在

9、0F之间循环变化时，螺栓所受的总拉力将在F F0之间循环变化,a,受轴向循环载荷螺栓的拉力变化,受剪螺栓的强度,、螺栓杆的剪切强度条件为：,式中：Fs螺栓所受的工作剪力（N）；ds螺栓剪切面的直径（mm）；m螺栓受剪面数； 螺栓的许用切应力。,铰制孔螺栓联接的强度计算,单个螺栓连接的强度计算,、螺栓杆与孔壁的挤压强度条件为：,式中： h计算对象（ 即 最小者）的挤压面高度（mm）； 计算对象的许用挤压应力（Mpa),单个螺栓连接的强度计算,螺纹联接件的许用应力,螺纹连接的许用应力受诸多因素的影响，如材料性能、热处理工艺、结构尺寸、载荷性质、使用工况等。必须综合上述各因素确定许用应力，一般设计时

10、可参阅表14-8,14-9,14-10,14-11。,螺栓组连接的结构设计 螺栓组连接的受力分析与计算,14.4 螺栓组连接的设计,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，

11、还应留有足够的扳手空。,螺栓组连接的结构设计,螺栓组连接的设计,扳手空间,螺栓组连接的设计,应保证螺栓与螺母的支承面平整，并与螺栓轴线相垂直，以避免引起偏心载荷。为此，应将被连接件的支承表面制成凸台或沉头座当支承面倾斜时，可采用斜面垫圈,凸台与沉头座,螺栓组联接的基本受载类型：,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,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

12、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,受横向载荷1,二、承受横向载荷的螺栓组连接,.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,螺栓组连接的设计,受横向载荷的螺栓组连接,受横向载荷2,. 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,承受转矩 T 时1,.普通螺栓连接,

13、靠结合面上的摩擦力承受T 。,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。,承受转矩 T 时2,. 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,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,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

14、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,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,14.5 提高螺纹连接强度的措施,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

15、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,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,、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,、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