机械设计第05章螺栓

机械连接可分为机械动连接(运动副如齿轮、凸轮机构等等)和机械静连接。本篇主要研究的是机械静连接。第二篇连接第五章螺纹连接与螺纹传动重点：螺纹连接中螺栓组的受力分析、强度计算难点：螺栓组的受力分析返回目录前一页后一页退出第一节螺纹一、螺纹的类型和应用1、工程应用返回目录前一页后一页退出2、按螺纹牙型分类：返回目录前一页后一页退出粗牙螺纹：常用螺纹细牙螺纹：螺距小，升角小，自锁性好，强度高，但易滑扣。螺纹联接螺纹传动螺纹普通螺纹：牙型：三角形。牙型角：α=60°米制螺纹：牙型角α=60°，螺纹分布在锥角为1：16圆锥壁上管螺纹：牙型：三角形；牙角α=55°。矩形螺纹：牙型：正方形；牙型角：α=0°传动效率高，但牙根强度弱。梯形螺纹：牙型：等腰梯形；牙型角：α=0°效率低于矩形螺纹，但牙根强度高，对中性好，较常用。锯齿形螺纹：牙型：锯齿形；工作面牙侧角为3°；非工作面牙侧角为30°；兼有螺纹传动效率高、梯形螺纹牙根强度高特点。只用于单向螺旋传动。联接用螺纹的当量摩擦角较大，有利于实现可靠联接；传动用螺纹的当量摩擦角较小，有利于提高传动的效率。二、螺纹主要参数螺纹可分左旋和右旋。1、大径d：公称直径。2、小径d1：最小直径，强度算用。返回目录前一页后一页退出)(21212ddd动力、运动、几何分析中用。3、中径d2：4、线数n：螺纹的螺旋线数目。n≤4。n↑→效率↑→自锁性↓，n↓→自锁性越好。因此，常用联接的螺纹要求自锁性，一般为单线。5、螺距P：相邻两螺纹牙型上对应点间距离。6、导程S：螺旋线上任一点沿同一条螺旋线旋转一周，该轴线上升的距离。S=nP7、升角：螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面间的夹角。22dnPdstg可见，ψ↑→S↑→效率↑→自锁性↓。8、牙形角α：螺纹牙两侧边的夹角，对称牙形，α=2β，β：牙型侧角。返回目录前一页后一页退出9、工作高度h：内外螺纹旋合的接触面的高度。10、效率η：)(Vtgtg11、自锁条件：返回目录前一页后一页退出第二节螺纹连接的类型及标准联接件一、螺纹连接件的类型螺纹连接件的类型螺栓连接普通螺栓连接铰制孔用螺栓连接双头螺柱连接螺钉连接紧定螺钉连接地脚螺栓二、标准螺纹连接件返回目录前一页后一页退出常用标准件第三节螺纹连接的预紧一、预紧力预紧力F0:绝大多数螺纹连接在装配时都必须拧紧，使连接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。预紧目的：在于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滑动。预紧力确定的原则：为保证连接的需要，且又要防止螺纹超载而破坏，一般要控制预紧力F0；螺栓拧紧后，预紧应力不得超过其材料的屈服限σs的80%。返回目录前一页后一页退出预紧力的限制控制预紧力的方法：利用控制拧紧力矩的方法来控制预紧力的大小。通常可采用测力矩扳手或定力矩扳手，对于重要的螺栓连接，也可以采用测定螺栓伸长的方法来控制预紧力。返回目录前一页后一页退出注意：对于重要的连接，应尽可能不采用直径过小(＜M12)的螺栓。预紧力和预紧力矩之间的关系：dFT02.0详细推导一般：扳手的长度：L=15d拧紧力：F=200N拧紧力矩：T=FL螺栓承受的预紧力：F0=15000N第四节螺纹连接的防松防松的根本问题：在于防止螺旋副相对转动。防松方法：摩擦防松机械防松其它防松返回目录前一页后一页退出第五节螺栓组连接的设计大多数机器的螺纹连接件都是成组使用的，其中以螺栓组连接最具有典型性，故以螺栓组连接为例，讨论螺纹连接的设计和计算问题，其结论对双头螺柱组、螺钉组连接也同样适用。螺栓设计步骤：1、结构设计：螺栓数目、布置方式。2、受力分析：找出受力最大的螺栓。3、强度计算：确定螺栓的直径。返回目录前一页后一页退出一、螺栓组连接的结构设计目的：确定螺栓数目及布置形式。要求：设计时综合考虑以下六个方面问题1、连接接合面的几何形状通常都设计成轴对称的简单几何形状，如圆形、环形、矩形、三角形等。便于对称布置螺栓，使螺栓组的对称中心和连接接合面的形心重合，从而保证连接接合面受力比较均匀。2、螺栓的布置应使各螺栓的受力合理。（1）对于铰制孔用螺栓连接，不要在平行于工作载荷的方向上成排地布置八个以上的螺栓，以免载荷分布过于不均。返回目录前一页后一页退出（2）当螺栓连接承受弯矩或转矩时，应使螺栓的位置适当靠近连接接合面的边缘，以减小螺栓的受力。（3）当采用普通螺栓连接时，如果螺栓同时承受轴向载荷和较大的横向载荷时，应采用销、套筒、键等抗剪零件来承受横向载荷，以减小螺栓的预紧力及其结构尺寸。返回目录前一页后一页退出3、螺栓的排列应有合理的间距、边距。各螺栓轴线间以及螺栓轴线和机体壁间的最小距离，应根据扳手所需活动空间的大小来决定。4、分布在同一圆周上的螺栓数目，应取成偶数，便于在圆周上钻孔时的分度和画线。5、为了便于装配，同一螺栓组中所有螺栓的材料、直径和长度均应相同。6、避免螺栓承受附加的弯曲载荷。返回目录前一页后一页退出返回目录前一页后一页退出二、螺栓组连接的受力分析螺栓组受力分析的目的：确定螺栓组中受力最大的螺栓及其所承受的工作载荷的大小。1、受横向载荷的螺栓组连接（1）采用普通螺栓连接izfFKFKizfFffF00返回目录前一页后一页退出保证被连接件接合面不产生滑移（2）采用铰制孔用螺栓连接若每个螺栓承受的工作载荷均为F，则根据平衡条件得zF＝F∑2、受扭转力矩的螺栓组连接（1）采用普通螺栓连接（假设各螺栓的预紧程度相同,则各螺栓连接处产生的摩擦力均相等，并假设此摩擦力集中作用在螺栓的中心处）ziissziirfTKFTKrfF1010TKfrFfrFfrFSz02010返回目录前一页后一页退出根据底板上力矩平衡条件：（2）采用铰制孔用螺栓连接设底板为刚体，受载后结合面仍为平面，则各螺栓的剪切变形量与该螺栓轴线到螺栓组中心O的距离成正比，所以距离中心越远，其螺栓剪切变形越大，受力也越大。因此：maxmaxmaxmax///rrFFrFrFiiiiziirTrF12maxmax/返回目录前一页后一页退出如图所示为气缸盖螺栓组连接，每个螺栓所受的轴向工作载荷F：F=F∑/z思考：各螺栓在工作时所受的总拉力，是不是等于F与F0之和？返回目录前一页后一页退出3．受轴向载荷的螺栓组连接4．受倾覆力矩的螺栓组连接假定底板为刚体，在M作用下接合面仍保持平面；地基和螺栓为弹性体；底板受翻转力矩M作用后，将绕对称轴O—O翻转。根据力矩平衡条件得：MLFziii1返回目录前一页后一页退出根据变形协调条件：iiLFLF//maxmax可以得到：ziiLMLF12maxmax返回目录前一页后一页退出为了防止接合面受压最大处(如图底板右边缘)被压碎或受压最小处(如图底板左边缘)出现间隙，应使受载后地基接合面挤压应力的最大值不超过底板与地基两者中最弱材料的许用值，最小值不小于零。也就是：ppppmaxmax：右侧防止压溃0maxminppp：左侧防止离缝AzFp/0式中：WMCCCMWmbm)(1max（接合面产生的附加的最大挤压应力，其中W-抗弯截面系数）返回目录前一页后一页退出故：00min0maxWMAzFWMAzFppp返回目录前一页后一页退出实际中，螺栓组所受的外载荷常常是复合状态，但都可以简化成上述四种简单受力状态，再按力的叠加原理求出螺栓受力。求得受力最大的螺栓所受的载荷后，即可进行单个螺栓连接的强度计算。三、螺栓连接的强度计算返回目录前一页后一页退出螺栓的失效形式：1、受拉螺栓失效形式：螺栓杆螺纹部分发生断裂。设计准则：保证螺栓的静力或疲劳拉伸强度。][420dF＝ppLdFmin0SdFAFs21141＝＝2、受剪螺栓失效形式：螺栓杆和孔壁的贴合面上出压溃或螺栓杆被剪断。设计准则：保证螺栓的挤压强度和剪切强度。65%20%15%SdFAFs21141＝＝Fd41或以起重机的吊钩为例，在承受工作载荷前螺纹不预紧，当承受拉伸载荷F时其拉伸的强度条件为：返回目录前一页后一页退出（一）松螺栓连接的强度计算（二）紧螺栓连接的强度计算(承受轴向拉力螺栓强度计算）1、仅承受预紧力的紧螺栓强度计算危险截面的拉伸应力：21041/dF＝危险截面的剪应力：1612)tan(21201ddFWTv＝＝紧螺栓在装配时，除了受预紧力F0产生的拉应力外，还承受补充扭紧时扭紧力矩T1产生的扭转剪应力的作用。返回目录前一页后一页退出对于M12~M64螺栓：05.0tan08.1~04.117.0tan12，，ddv由此可得：5.0根据第四强度理论，其计算应力：3.1)5.0(332222ca危险剖面的强度条件是：210413.1dFca系数1.3的意义：在补充拧紧时，将螺栓所承受的总拉力增大30%来考虑扭转产生剪切应力的影响。返回目录前一页后一页退出2、既承受预紧力又承受工作拉力时紧螺栓强度计算（1）受力分析返回目录前一页后一页退出受力变形动画→（2）受力变形图式中：Cb，Cm——联接件与被联接件的刚度。)(mbCCFFFmbCCF故螺栓所承受的工作力F：螺栓总的拉力：FFF02bCF0FCmCCFbb0FF1；mmbbCCtan,tan令返回目录前一页后一页退出bbΔλCθΔλΔFtanmmCΔΔFtan'式中：mbbCCC为螺栓的相对刚度，其取值范围为0~1。说明残余预紧力为：FFF21FCCCFmbm0结论：1、上述分析可见：螺栓承受的总拉力F2≠F0+F2、当F0及F一定时，F2取决于Cb/(Cb+Cm)Cb↓（Cm↑）→螺栓受力F2↓，采用刚度小的螺栓，刚度大的被联接件。3、为防止出现缝隙，残余预紧力应大于0,一般：F1=(0.2~1)F;有密封要求的F0=(1.5~1.8)F。FFCCCFmbb0返回目录前一页后一页退出（3）强度计算1）工作载荷为静载荷在设计时首先计算螺栓的工作载荷F，再根据连接的要求选取F1值，计算螺栓的总拉力F2，在考虑可能补充拧紧将总拉力增大30％后考虑扭切应力的影响。截面的拉伸强度条件是：212123.1441/3.1FddFca，或：返回目录前一页后一页退出如果不考虑螺纹摩擦力矩的扭转作用螺栓的最大拉应力为：212max41dF螺栓的最小拉应力为：210min41dF应力幅为：21minmax22dFCCCmbba计算安全系数][)2)(()(2minmin1''max'maxlimSKKSaamameaeca由前面知识可知这种应力状态为最小应力等于常数σmin=C返回目录前一页后一页退出2）工作载荷为变载荷(螺栓的疲劳强度进行精确校核)工作载荷在0～F变化时螺栓总拉力在F0～FCmCCFFbb02之间变化。（三）承受工作剪力的紧螺栓连接这种连接是利用铰制孔用螺栓抗剪切力来承受载荷F的。失效形式：螺杆被剪断及螺杆或孔壁被压溃。挤压强度条件为：ppLdFmin0螺栓杆的剪切强度条件为：返回目录前一页后一页退出第六节螺纹连接件的材料及许用应力返回目录前一页后一页退出国家标准规定了螺纹连接件的性能等级。螺栓、螺柱、螺钉的性能等级分为10级，螺母的性能等级分为7级。在一般用途的设计中，通常选用4.8级左右的螺栓，在重要的或有特殊要求设计中的螺纹连接件，要选用高的性能等级，如在压力容器中常采用8.8级的螺栓。一、螺纹连接件材料常用的螺纹连接件材料为Q215、Q235、35、45等碳素钢。当强度要求高时，还可采用合金钢，如15Cr、40Cr等。性能等级二、螺纹连接件的许用应