螺栓组结构设计

第五章螺纹连接与螺旋传动本章学习要求：1．对于螺纹连接基本知识，应了解螺纹及螺纹连接件的类型、特性、标准、结构、应用场合及有关的防松方法等，以使在设计时能够正确地选用它们；2．对于螺栓连接设计及强度计算部分，应掌握其结构设计原则及强度计算的理论与方法，能够较为合理地设计出可靠的螺栓组连接；3、了解螺旋传动的设计过程。引言§5-0引言由于使用、结构、制造、装配、运输等方面的原因，机器中很多零件需要彼此连接。机械零件之间的连接分为：被连接件之间相互完全固定。被连接件之间能产生一定的相对运动。例如：运动副。静连接：动连接：本课程介绍的连接主要是静连接。连接的类型：螺纹连接键连接、花键连接、销连接铆接焊接粘接连接可拆连接不可拆连接过盈连接（介于两者之间）§5-1螺纹§5-1螺纹一、螺纹的主要参数大径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－－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。牙侧角－－在轴向截面内，螺纹牙型一侧边与螺纹轴线的垂线之间的夹角。螺纹的类型螺纹升角y－－螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面间的夹角。螺纹22ππtandnPdSy二、螺纹的类型螺纹分为外螺纹内螺纹圆柱螺纹圆锥螺纹左旋右旋常用右旋效率较高，主要用于螺旋传动此外，还有管螺纹：主要用于管路的连接。按牙型的不同分为普通螺纹：矩形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹（详见表5－1）效率低，易自锁，多用于连接。详细介绍§5-2螺纹连接§5-2螺纹连接一、螺纹连接的基本类型1、螺栓连接（1）普通螺栓连接特点：杆与通孔有间隙使用不受被连接件材料限制受力：杆受拉应力和扭转切应力力传递：时，被连接件不发生相对错动优点：通孔精度低，结构简单，装拆方便缺点：不能准确定位外加FFf螺纹连接ddmmdedadldldldll1.146~333.0~2.0275.05.0~3.01011111、通孔直径）（边缘距离、螺栓轴线到被连接件）（、螺纹伸出长度铰制孔用螺栓：；冲击载荷或弯曲载荷变载荷，）（静载荷普通螺栓：、螺纹余留长度主要尺寸关系：螺纹连接（2）铰制孔用螺栓连接特点：杆与通孔无间隙，采用基孔制过渡配合受力：杆受剪切力和挤压力优点：可准确定位缺点：通孔加工精度要求高67,67nHmH螺栓连接应用场合：被连接件不太厚，有通孔，且能从连接的两边进行装配螺纹连接2、双头螺柱连接双头螺栓连接座端被旋入并拧紧在被连接件之一的螺纹孔中特点及应用场合：用于结构上不能采用螺栓连接的场合且需要经常拆装的场合。3、螺钉连接特点与应用：螺钉连接不用螺母，结构简单紧凑，而且能有光整的外露表面；应用与双头螺柱连接相似，但不宜用于经常拆卸的连接，以免损坏被连接件的螺纹孔。螺纹连接双头螺柱连接和螺钉连接的主要尺寸关系：；）（铝合金；）（铸铁钢或青铜，当带螺纹孔材料为：拧入深度dHdHdHH5.2~5.15.1~25.1;螺纹连接4、紧定螺钉连接特点：利用拧入的螺钉末端顶住另一个零件的表面或顶入相应的凹坑中，以固定两个零件的相对位置，并可同时传递不大的力或扭矩。螺纹连接6、特殊结构的连接（1）地脚螺栓连接（2）吊环螺钉连接（3）T形槽螺栓连接二、标准螺纹连接件螺纹连接标准螺纹连接件精度A级：公差小，精度最高，用于准确定位、装配要求高的场合B级：精度居中，用于受载较大，且需要调整、装拆的零件C级：精度较低，用于一般场合的标准螺纹连接件注意：（1）标准螺纹连接件的结构形式、尺寸、画法等均已标准化，设计时可查手册。（2）自学表5-2，总结各标准连接件特点和应用规定，拧紧后螺纹连接件在预紧力作用下产生的预紧应力不得超过其材料屈服极限的80%推荐：碳素钢螺栓合金钢螺栓螺纹连接的拧紧s1010)6.0~5.0()7.0~6.0(AFAFss螺纹连接三、螺纹连接的拧紧大多数螺纹连接在装配时就已经拧紧，称之为预紧。预紧使连接中的零件所受的力称为预紧力，用F0表示。预紧的目的：增大连接的刚性；提高紧密性；防松。预紧力的控制：0F紧螺栓连接：工作前安装时就拧紧，各零件已受力松螺栓连接：工作前安装时不拧紧，各零件不受力分类螺纹连接控制预紧力的方法：通常，通过控制拧紧力矩M来控制预紧力。预紧力和预紧力矩之间的关系：dFT02.0注意：对于重要的连接，尽可能不采用直径过小(＜M12)的螺栓。可采用测力矩扳手或定力矩扳手控制拧紧力矩。对于重要的螺栓连接，也可以通过控制螺栓的伸长量来控制预紧力。FFFLFdLTd75T,,150若拧紧力标准扳手长度—扳手的拧紧力矩——螺栓公称直径—其中：纹连接的防松螺纹连接四、螺纹连接的防松螺纹连接一般都能满足自锁条件不会自动松脱。但在冲击、振动或变载荷作用下，或在温度变化较大的情况下，螺纹连接可能会产生松脱现象。防松的本质在于防止螺旋副相对转动。按工作原理的不同，防松方法分三类：（详见表5－3）摩擦防松机械防松破坏螺旋副关系放松（永久防松）详细说明§5-3螺栓组连接的设计一、螺栓组连接设计步骤1、进行螺栓组的结构设计，即确定螺栓的数目、布置形式、间距、边距等；2、对螺栓组进行受力分析，求出每一个螺栓所受的力，找出受力最大的螺栓及其所受的力；3、对找出的受力最大的螺栓进行强度计算，求出螺栓的最小直径d14、根据求出的最小直径d1，查国家手册来选取合适的螺栓的公称直径d及长度L，再据公称直径d查手册选与螺栓相配合的螺母和垫圈。螺栓组连接的设计目的：合理的确定连接接合面的几何形状和螺栓的布置形式，力求各螺栓和连接接合面间受力均匀，便于加工和装配。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。说明说明说明二、螺栓组连接的结构设计目的：求出螺栓组中受力最大的螺栓及其所受的力，以便进行螺栓连接的强度计算。一、承受轴向载荷时（仅能用普通螺栓连接）FFPFF设平行于螺栓轴线且通过螺栓组形心，则各螺栓所受的工作载荷相等。FF则zFF螺栓个数注：如不通过螺栓组的形心，应向形心平移后再计算。F螺栓组连接的基本受载类型有四种：螺栓组连接的受力分析与计算假设：所有螺栓的材料、直径、长度和预紧力均相同；螺栓组的对称中心与连接接合面的形心重合；被连接件为刚体，受载后连接接合面仍保持为平面；各螺栓刚度相同，且螺栓的变形在弹性范围内。螺栓组连接的受载类型螺栓组连接的受载类型螺栓组连接的基本受载类型：2．受横向载荷FF4．受倾覆力矩OM3．受转矩riOT1．受轴向载荷FF受横向载荷1二、受横向载荷时F1）用普通螺栓连接（受拉螺栓）设螺栓仅受预紧作用，靠接合面间产生的摩擦力承受横向载荷。设各螺栓连接接合面摩擦力相等并集中在螺栓中心处，则保证被连接件不相对滑动，须满足：FKzifFs0则所需预紧力为zfiFKFs0式中：Ks－防滑系数，Ks=1.1~1.3。－结合面的摩擦因数。表5-5。i－结合面数。（图中，i=2）f注：为提高承载能力，可采用减载措施。说明F∑F∑F∑F∑b)a)FFFF螺栓组连接受力分析与计算受横向载荷22）用铰制孔用螺栓连接（受剪螺栓）F∑F∑F∑F∑b)a)F∑F∑F∑F∑b)a)FF通过螺栓组形心时，在前述假设下，各螺栓承受的横向力相等。则FFzFF注：a)不通过螺栓组形心时，向形心平移后再计算。Fb)沿方向上的受剪螺栓个数不宜过多。F螺栓组连接受力分析与计算靠螺栓杆受剪切和螺栓杆与孔壁之间的挤压传递载荷，一般忽略拧紧产生的摩擦力。承受转矩T时1三、承受转矩T时1）用受拉螺栓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TKrfFrfFrfFsz02010则所需预紧力0F≥)(21zsrrrfTK式中：、－同上。sKf螺栓组连接受力分析与计算OT1r2r0fF0fF假设：各螺栓预紧程度相同，则各螺栓产生的摩擦力均相等；各摩擦力集中在螺栓中心处，并与螺栓中心与底板中心的连线垂直。承受转矩T时22F2）用受剪螺栓螺栓组连接受力分析与计算靠螺栓杆受剪切和挤压来抵抗转矩TrFrFrFzz2211联立两式求解，得最大工作剪力22221maxmaxzrrrTrFmaxmaxmaxmax2211rrFFrFrFrFii即OT1r2r1F据螺栓变形协调条件：螺栓所受工作横向力与螺栓轴线到螺栓组对称中心o的距离成正比：据前述假设：螺栓所受横向力与螺栓轴线到螺栓组对称中心o的连线垂直；据静力平衡方程：受翻转力矩M时1ziiiLFM1ziiLLFM1max2max螺栓组连接受力分析与计算四、受倾翻力矩M时（仅能用普通螺栓连接）MO1F2F3F4F3L1L2L4L（1）作用效果：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。（3）据变形协调条件，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。iFiLmaxmaxmaxmax2211LLFFLFLFLFii即（2）在前述假设条件下：由静力矩平衡条件，得：ziiLLMF12maxmax（4）螺栓所受最大工作载荷：受翻转力矩M时200minPWMAzF为防止结合面受压最小处出现间隙，要求：][0maxPPWMAzF（5）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），见表5－6。］［p螺栓组连接受力分析与计算注：实际中，螺栓组往往同时承受两种或两种以上的载荷。利用静力学分析方法将复杂的受力状态简化为4种简单受力状态分析；一般，对普通螺栓连接可按：轴向载荷或（和）倾覆力矩确定螺栓的工作拉力；横向载荷或（和）转矩确定连接所需的预紧力；铰制孔用螺栓连接，按横向载荷或（和）转矩确定工作载荷。螺栓组连接受力分析与计算实例螺栓组连接受力分析与计算例：如图所示的支架受F力。MABFOOHFVFHFVF将F力分解并向螺栓组形心及结合面平移，得：轴向载荷横向载荷翻转力矩HFVFBFAFMHV设计中，采用普通螺栓连接，需要防止如下四种可能的失效形式：上沿开缝：下沿压溃：支架下滑：需要足够大的。0F螺栓拉断：需要足够大的螺栓直径。1d0minpmaxp］［p§5-3单个螺栓连接的强度§5-4单个螺栓连接的强度计算本节以螺栓连接为代表，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连接。螺栓连接强度计算的目的是：确定防止失效所需的螺栓直径。连接的强度计算内容，根据其可能的失效形式而定。螺纹连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。轴向载荷（沿轴线方向）：横向载荷（⊥轴线方向）：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。一、受剪螺栓连接的强度计算其主要失效形式为：螺栓被剪断——剪切强度孔壁被压溃——挤压强度受剪螺栓的强度2）螺栓杆与孔壁的挤压强度条件为：1）螺栓杆的剪切强度条件为：Pmin0PLdFidF2040dminLFF式中：F－螺栓所受的工作剪力（N）；d0－螺栓剪切面的直径（mm）；i－螺栓受剪面数；－螺栓材料的许用切应力。单个螺栓连接的强度计算式中：Lmin－螺栓杆与孔壁挤压面的最小高度（mm），设计时；－螺栓或孔壁材料的许用挤压应力（Mpa)。］［p0min25.1dL受拉螺栓的强度单个螺栓连接的强度计算二、受拉螺栓连接的强度计算受拉螺栓连接松连接：不预紧的。紧连接：预紧的。1.松螺栓连接的强度计算工作中，松螺栓只受工作拉力F。设计准则：拉伸强度计算。4/π21dF强度条件为：设计式为：