机械设计第5章(螺纹连接)

1第二篇连接连接的概念机盖机座螺栓螺母连接件被连接件连接:被连接件+连接件2静连接动连接——运动副与动力源组合零件构件机构机器静连接动连接(运动副)可拆连接：螺纹连接、键连接、销连接等不可拆连接：铆接、焊接、胶接等连接连接的分类标准件了解：结构、类型、性能和应用掌握：1.选用方法2.设计（或校核）计算3第五章螺纹连接§5-1螺纹§5-2螺纹连接的类型及标准连接件§5-3螺纹连接的预紧§5-4螺纹连接的防松§5-5螺栓组连接的设计§5-6螺纹连接的强度计算§5-7螺纹连接件的材料及许用应力§5-8提高螺纹连接强度的措施4§5-1螺纹螺旋线的形成螺纹的形成平面图形:三角形、矩形、梯形、锯齿形螺纹的牙型•螺纹的线数n:单线(n=1)、多线(n1)•螺纹的旋向:右旋、左旋d2SP5螺纹旋向判断6（一）螺纹类型和应用1.三角形螺纹（普通螺纹）:a=60，f’大，易自锁–粗牙:牙高,d1小,ψ大–细牙:牙浅,d1大,ψ小,更易自锁2.管螺纹:a=55，紧密,无径向间隙3.梯形螺纹：a=30、b=154.锯齿形螺纹：a=33、a工=35.矩形螺纹：a=0连接螺纹：普通三角螺纹、锥螺纹、管螺纹(英制)（ψ小，单线，自锁好）传动螺纹：矩形螺纹、梯形螺纹、锯齿螺纹（α小、ψ大，多线，效率高）7（二）螺纹的主要参数1.大径d(D)：公称直径2.小径d1(D1)：3.中径d2(D2)：4.螺距P：相邻两牙轴向距离5.线数n6.导程S：同一条螺纹线的相邻两牙间的轴向距离，S=nP7.升角y8.牙型角a9.接触高度hd1D,dαd2SPd28（一）螺纹连接的基本类型1.螺栓连接普通螺栓连接、铰制孔用螺栓连接2.双头螺栓连接3.螺钉连接4.紧定螺钉连接：5.其他螺钉连接：如地脚螺栓连接、吊环螺钉连接结构特点应用场合受力性质§5-2螺纹连接的类型及标准连接件91.螺栓连接普通螺栓连接铰制孔用螺栓连接（受拉螺栓连接）（受剪螺栓连接）10普通螺栓连接•钻孔•安装11铰制孔用螺栓连接•钻孔•安装•铰孔122.双头螺柱连接3.螺钉连接13双头螺柱连接、螺钉连接•钻孔•安装•螺纹加工14４.紧定螺钉连接•锥端螺钉连接•平端螺钉连接•圆柱端螺钉连接155.其他螺纹连接•地脚螺栓连接、吊环螺栓连接、T形槽螺栓连接16(二)标准螺纹连接件•螺栓–普通螺栓–铰制孔螺栓•双头螺柱•螺钉–连接螺钉–紧定螺钉、自攻螺钉•螺母：六角螺母、圆螺母•垫圈：平垫圈、斜垫圈GB/T3103.1-1982:螺纹连接件精度等级A、B、C,常用C级精度17一、预紧的目的•1.提高连接的紧密性•2.防止连接松动•3.提高连接件强度•通常规定，螺栓预紧应力不得超过材料的屈服极限S的80%一般连接用螺栓，预紧力推荐：§5-3螺纹连接的预紧•碳素钢螺栓：F0≤（0.6~0.7)σSA•合金钢螺栓：F0≤（0.5~0.6)σSA18•螺纹连接预紧后，被连接件和螺栓受到力的作用•被连接件：预紧压力F0•螺栓：预紧拉力F0F0F0FFTF0F0控制拧紧力矩T控制预紧力F0T与F0的关系?19二、拧紧力矩与预紧力F0的关系210tan()2vdTFTT1T2330020220013cDdTfFDdFLTTT21•螺纹副间的摩擦力矩T1•螺母与支承面间摩擦力矩T2T≈0.2F0d20三、控制拧紧力矩的方法•定力矩扳手•测力矩扳手•普通扳手21(一)防松的目的•螺纹连接件一般采用单线普通螺纹,螺纹升角ψ=1º42'~3º2',当量摩擦角v=6.5º~10.5º(自锁);满足自锁条件:ψv静载荷或温度变化不大时,不会松脱•冲击、振动、变载荷下：摩擦力减小、瞬时消失，可能松脱•防松的关键在于限制螺旋副的相对转动§5-4螺纹连接的防松22(二)防松方法按工作原理有如下三种方法摩擦防松、机械防松、破坏螺纹副防松1．摩擦防松使螺纹接触面间始终保持一定的压力，始终有阻止螺旋副转动的摩擦阻力矩弹簧垫圈23自锁螺母防松24对顶螺母防松•使螺纹接触面间始终保持一定的压力，始终有阻止螺旋副转动的摩擦阻力矩25２．机械防松•用机械方法把螺母和螺栓连成一体，消除了它们之间相对转动的可能性开口销螺栓开槽螺母开口销装配图26止动垫片27串联钢丝防松正确错误28３．破坏螺纹副关系焊接铆冲29§5-6螺纹连接的强度计算铰制孔用螺栓连接（受剪螺栓连接）普通螺栓连接（受拉螺栓连接）30失效形式和强度计算•受拉螺栓连接失效形式强度计算螺栓杆拉断保证螺栓的拉伸强度•受剪螺栓连接失效形式强度计算螺栓杆和孔壁间压溃保证连接的挤压强度螺栓剪断保证螺栓的剪切强度31重点内容受力分析→失效形式→强度计算→结构设计受力分析三部曲螺栓组连接单个螺栓连接螺栓本身多种形式横向力轴向力“普”：拉力“铰”：剪力32授课次序受拉螺栓连接(普通螺栓连接)松螺栓连接紧螺栓连接受剪螺栓连接(配合螺栓连接)螺栓连接重点内容:受力分析→失效形式→强度计算33受力分析三部曲螺栓组连接单个螺栓连接螺栓本身多种形式横向力轴向力“普”：拉力“铰”：剪力“§5-6单个螺栓连接的强度计算”内容：单个螺栓连接螺栓本身强度计算34(一)松螺栓连接强度设计•单个连接：轴向F•螺栓：拉力F•强度条件：σ[σ]214dFAF][41Fd一、受拉螺栓连接强度设计校核公式:设计公式:(MPa)(mm)如:d1≥19.947查手册选M24(d1=20.752)35单个螺栓连接:横向力、轴向力F0FFF01.单个螺栓连接受横向力•单个连接：横向力F•螺栓：预紧力F0•强度条件：σ[σ]问题1:预紧力F0如何确定?答:根据被连接件接合面不滑移条件确定:(二)紧螺栓连接强度设计fF0≥FfF0≥KSF考虑到摩擦传力的不可靠性KS—防滑可靠性系数36mfF0≥KSFm—接合面数F0≥KSFmf问题2:强度条件如何建立?强度条件：σ[σ]214dFAF松连接：F0FFF0σ=F0A=4F0πd12[σ]?37紧螺栓连接在装配时须拧紧螺母：T=T1+T25.0第四强度理论：3.1)5.0(332222ca校核公式:][caF0σT1τ拉伸、扭转复合应力状态0211.3[]/4caFd0141.3[]Fd设计公式:38(二)紧螺栓连接强度设计2.单个螺栓连接受轴向力1.单个螺栓连接受横向力√单个连接：轴向力螺栓：受拉力。工作前：预先受预紧拉力F0工作时：进一步受工作拉力F螺栓所受总拉力：F2=F0+F强度条件单个连接受力螺栓受力?分析39FFF2F2根据静力平衡和变形协调条件求解分析的前提：被连接件和螺栓都是弹性体，受力后会产生弹性变形。2.单个螺栓连接受轴向力螺栓：工作前：预先受预紧拉力F0工作时：进一步受工作拉力F螺栓所受总拉力：F2=F0+F？F0F0T40被连接件和螺栓的变形和受力分析bmTF0F0FFF2F2F0F0F1F1预紧受载F被连接件（压缩）螺栓（拉伸）压力F0，缩短量m拉力F0，伸长量b压力F1,缩短量m-拉力F2,伸长量b+未预紧未受力、无变形未受力、无变形FFF1F12210FFFFFF41设计步骤：先根据螺栓组的受载情况,求出受力最大的单个螺栓连接的工作拉力F;根据连接的工作要求选取剩余预紧力F1;查P.83紧密性载荷稳定载荷不稳定地脚螺栓(1.5~1.8)F(0.2~0.6)F(0.6~1.0)FF求出螺栓的总拉力F2:F2=F1+F强度计算:校核公式:2211.3[]/4caFd2141.3[]Fd设计公式:42“受力-变形”线图变形与力关系:螺栓刚度变形力bmF1FF2F0被连接件螺栓mFFEAC0bbFC被连接件刚度0mmFC总拉力F2、预紧力F0、残余预紧力F1的关系式F2=F1+Fb20bmCFFFCCm10bmCFFFCCbbmCCC螺栓的相对刚度金属垫片或无垫片皮革垫片铜皮石棉垫片橡胶垫片0.2~0.30.70.80.943一、受拉螺栓连接√二、受剪螺栓连接挤压强度：剪切强度：][min0ppLdF][420dF强度条件：•挤压强度：p[p]•剪切强度：[]][420dmF§5-6螺纹连接的强度计算44受力分析三部曲螺栓组连接单个螺栓连接螺栓本身1.轴向载荷2.横向载荷3.转矩4.翻转力矩横向力轴向力“普”：拉力“铰”：剪力单个螺栓连接螺栓本身强度计算§5-6螺纹连接的强度计算√§5-5螺栓组连接的设计和受力分析内容:螺栓组连接单个螺栓连接45§5-5螺栓组连接的设计和受力分析内容：首先选定螺栓的数目和布置形式；然后确定螺栓连接的结构尺寸。对重要连接，须作受力分析和强度计算（一）螺栓组连接的结构设计1）合理选定连接接合面的几何形状和螺栓的布置形式，力求使各螺栓和连接接合面受力均匀，便于加工和装配。46§5-5螺栓组连接的设计和受力分析（一）螺栓组连接的结构设计1）合理选定连接接合面的几何形状和螺栓的布置形式，力求使各螺栓和连接接合面受力均匀，便于加工和装配。2)螺栓的布置应使各螺栓的受力合理。不合理合理47§5-5螺栓组连接的设计和受力分析（一）螺栓组连接的结构设计1）合理选定连接接合面的几何形状和螺栓的布置形式，力求使各螺栓和连接接合面受力均匀，便于加工和装配。2）螺栓的布置应使各螺栓的受力合理。3）螺栓的排列应有合理的间距和边距。表5-44）分布在同一圆周上的螺栓数目，应取成4、6、8等偶数，以便钻孔时分度和划线。同一螺栓组中的螺栓的材料、直径和长度均应相同。48§5-5螺栓组连接的设计和受力分析1.轴向载荷2.横向载荷3.转矩4.翻转力矩螺栓组连接1.横向载荷螺栓组:横向载荷F∑单个连接：横向力FF=F∑/z螺栓本身：普通螺栓：预紧力F0：F0≥KSFmf配合螺栓：剪力F：F=F∑/zF∑F∑（二）螺栓组连接的受力分析492.转矩螺栓组:转矩T单个连接：横向力F问题：横向力F如何计算？关键：“普”和“铰”计算方法不同。(1)“普”：F1=F2=·····Fi=·····=Fz=F=fF0TrFrFrFrFz1iiizz2211TrFrFz1iz1iiiiOriFiTfF0OriTfF0（二）螺栓组连接的受力分析501zziiiii1FrFrT1ziiTFr(1)“普”：单个连接受横向力F1=F2=·····Fi=·····=Fz=F螺栓受预紧力F0：1ziiKFKTFffrSS0OriFiT51课堂练习解:(一)受力分析把实际受力往螺栓组对称中心平移并转化，得１．螺栓组:横向载荷:F∑转矩:T=F∑·L2．螺栓：受预紧力F0F∑L(2)在转矩T作用下，各螺栓受预紧力F0”0iSS4i1KTKTF4frfrF∑T(1)在横向载荷F∑作用下，各螺栓受预紧力F0''0SKFFzf故螺栓所受预紧力F0为：F0＝F0'＋F0”(二)强度计算错误解法52课堂练习解:(一)受力分析把实际受力往螺栓组对称中心平移并转化，得１．螺栓组:横向载荷:F∑转矩:T=F∑·L２．单个连接：(1)在横向载荷F∑作用下，各单个连接受横向力F’F∑LFF'4(2)在转矩T作用下，各单个连接受横向力F”i4i1TTF4rrrF∑T正确解法53解(续):(一)受力分析１．螺栓组:２．单个连接：F∑L在横向载荷F∑和转矩T作用下，各单个连接受横向力rF∑TFF'FF’F”Fα22FF'F2F'Fcosα3．螺栓：受预紧力F00SKFFf(二)强度计算211.3[]4caFσσπd/0141.3[]Fdπσ0或541.横向载荷√2.转矩螺栓组:转矩T单个连接：横向力F问题：横向力F如何计算？关键：“普”和“铰”计算方法不同。(1)“普”：√(2)“铰”：？11221zzziiiFrFrFrFr