第7章螺纹连接讲述案例

§7.1螺纹联接的基本知识§7.2螺纹联接的预紧与防松§7.3单个螺栓联接的强度计算§7.4螺栓组联接的设计计算与实例分析§7.5提高螺栓联接强度的措施§7.6螺旋传动第7章螺纹联接引言由于使用、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联接。机械零件之间的联接分为：联接的类型：螺纹联接键联接、花键联接、销联接弹性环联接等铆接焊接粘接联接可拆联接不可拆联接过盈联接（介于两者之间）联接概述7.1螺纹联接的基本知识左旋螺纹和右旋螺纹单线螺纹和多线螺纹螺纹分为内螺纹和外螺纹，二者共同组成螺纹副用于联接和传动。螺纹的牙型一、螺纹的类型三角形矩形梯形锯齿形主要用于联接多用于传动大径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。牙型斜角β－螺纹轴截面内，牙型侧边与横截面的夹角。22arctanarctanSnPdd7.1螺纹联接的基本知识二、螺纹的主要参数。普通螺纹三、常用螺纹的特点及应用管螺纹矩形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹7.1螺纹联接的基本知识1.螺栓联接四、螺纹联接的基本类型7.1螺纹联接的基本知识2.双头螺柱联接7.1螺纹联接的基本知识3.螺钉联接7.1螺纹联接的基本知识4.紧定螺钉联接7.1螺纹联接的基本知识五、标准螺纹联接件1.螺栓、螺柱、螺钉联接件7.1螺纹联接的基本知识2.紧定螺钉、螺母7.1螺纹联接的基本知识3.垫圈7.1螺纹联接的基本知识六、螺旋机构的效率与自锁7.1螺纹联接的基本知识tantan()v2、螺纹自锁的条件为三角螺纹满足自锁条件1、螺旋机构的效率vv－当量摩擦角vf－当量摩擦系数故λ增大，φv减小，传动效率提高。三角螺纹用于联接，其他牙型用于传动，多线螺纹传动效率高。22arctanarctanSnPddarctanvvf/cosvff7.2螺纹联接的预紧和防松一般螺纹联接在装配的时候都必须拧紧，使联接在承受工作载荷之前，预先受到力的作用，这个预加的作用力称为预紧力F0。预紧目的：以增强联接的可靠性、紧密性和防松能力。一、螺纹联接的预紧对于一般联接，可凭经验来控制预紧力F0的大小，但对于重要的联接就要严格控制其预紧力。T=T1+T2=KF0d拧紧时扳手力矩为预紧力控制方法：⑴采用测力矩扳手⑵采用定力矩扳手⑶测螺栓伸长量式中K为拧紧力矩系数,可查表一般也可取为0.2。二、螺纹联接的防松联接中常用的单线普通螺纹和管螺纹在冲击、震动或变载荷的作用下容易产生松脱现象。螺纹联接放松的根本问题在于要防止螺旋副的相对运动。常用的防松方法:摩擦防松机械防松:其他防松•弹簧垫圈•对顶螺母•尼龙圈锁紧螺母•开口销•带翅垫片•止动垫片7.2螺纹联接的预紧和防松7.3单个螺栓联接的强度计算单个螺栓联接的强度计算是螺纹联接设计的基础。根据联接的的工作情况，可将螺栓按受力形式分为受拉螺栓和受剪螺栓，两者失效形式是不同的。设计准则：针对具体的失效形式，通过对螺栓的相应部位进行相应强度条件的设计计算（或强度校核）。螺栓联接的计算主要是确定螺纹小径d1，然后按照标准选定螺纹的公称直径（大径）d等。一、受拉螺栓联接－普通螺栓联接1.松螺栓联接强度条件：设计公式：][421dFAF][41Fd式中[s]为松联接螺栓的许用拉应力（MPa）,查表d1计算出后,再按标准查选螺纹的公称直径d。7.3单个螺栓联接的强度计算2.紧螺栓联接(1)只受预紧力的紧螺栓联接螺栓螺纹部分处于拉伸与扭转的复合应力状态。螺栓危险界面上的拉伸应力为4210dF螺栓危险界面上的扭转剪切应力为162/)tan(163120311ddFdTv7.3单个螺栓联接的强度计算对于常用的单线、三角形螺纹的普通螺栓，取fv=tanv=0.15，简化处理的=0.5，根据第四强度理论，可求出当量应力e为3.1)5.0(332222e因此，强度条件为：][3.1e即][43.1210dF设计公式为][3.1401Fd7.3单个螺栓联接的强度计算(2)受横向外载荷的紧螺栓联接载荷与螺栓轴向垂直，靠被联接件间的摩擦力传递。螺栓受载前需预紧,受载前后受力相同。受力特点螺栓预紧力7.3单个螺栓联接的强度计算0fRfFmzKF0fRKFFfmz式中：f—接合面间摩擦系数；m—接合面数；Kf—考虑摩擦系数不稳定及靠摩擦传力有时不可靠而引入的可靠性系数。一般Kf=1.1~1.3当f=0.15、Kf=1.2、m=1时，可得01.280.151RRFFF此结构，要使联接不发生滑动，螺栓要承受8倍于横向外载荷的预紧力。结构笨重、不经济。因此横向外载荷较大时，可采用以下措施：7.3单个螺栓联接的强度计算①采用减载装置：a)减载销b)减载套筒c)减载键②采用铰制孔用螺栓(3)承受轴向静载荷的紧螺栓联接载荷方向与螺栓轴向一致,螺栓受载前需预紧,受载前后受力不同.螺栓内部危险截面上同样既有拉应力,又有扭转剪应力.受力特点强度条件:设计公式:][4/3.121dF][3.141Fd7.3单个螺栓联接的强度计算式中FS为螺栓受载后所受的轴向总拉力(N)。式中F0'为残余预紧力，为保证联接的紧密性，应使F0'＞0一般根据联接的性质确定F0'的大小。•对于有密封要求的联接：F0'=(1.5~1.8)F；•对于一般联接，工作载荷稳定时：F0'=(0.2~0.6)F；•工作载荷不稳定时：F0'=(0.6~1.0)F；•对于地脚螺栓联接：F0'≥F；FS为螺栓受载后所受的轴向总拉力(N),通过受载前对螺栓的预紧，和受载后螺栓轴向拉力的分析,可知FS=F0'+F7.3单个螺栓联接的强度计算FkkkFF2110S'10012(1)kFFFkk211kkk为螺栓的相对刚度系数k1－螺栓的刚度系数；k2－连接件的刚度系数7.3单个螺栓联接的强度计算螺栓所受总拉力FS也可表示为为使工作载荷作用后，联接结合面间有残余预紧力F0'存在，要求螺栓联接的预紧力F0为：（螺栓的相对刚度系数）越小，总拉力FS越小。—其值可根据垫片材料选取。k1越小，k2越大，211kkk二、受剪切螺栓联接－铰制孔用螺栓联接受力特点：螺栓受载前后不需预紧，横向载荷靠螺栓杆与螺栓孔壁之间的相互挤压传递。挤压强度条件剪切强度条件][psRpdF][4/2sRdmF][p][－螺栓材料的许用切应力－螺栓与孔壁中较弱材料的许用挤压应力7.3单个螺栓联接的强度计算三、螺纹联接件的材料与许用应力1.螺纹联接件的材料其它对螺纹有特殊要求（如防腐、耐高温）时，应选择有特殊性能的材料。一般螺纹联接件常用材料为低碳钢和中碳钢，如Q215、Q235、15、35、45等受冲击、振动和变载荷作用的螺栓可用合金钢，如15Cr、40Cr、30CrMnSi、15CrVB等7.3单个螺栓联接的强度计算2.螺栓、螺母材料性能等级a、螺栓材料性能等级：3.6、4.6、4.8、5.6、5.8、6.8、8.8、9.8、10.9、12.910.100.BsBba螺栓性能等级含义：MpabaMpaasB18010631030010031006.3例：螺栓材料性能等级b、螺母的性能等级：4，5，6，8，9，10，12螺母性能等级表示可与该螺母相配最高性能等级螺栓抗拉强度的1/100MpaaB40010041004度为，相配螺栓最高抗拉强例：螺母材料性能等级7.3单个螺栓联接的强度计算3.螺纹联接件的许用应力7.3单个螺栓联接的强度计算表7.4螺栓联接的许用应力表7.5紧螺栓联接的安全系数（不控制预紧力时）7.4螺栓组联接的设计计算与实例分析要设计成轴对称的几何形状。一、螺栓组联接的结构设计螺栓的布置应使螺栓的受力合理7.4螺栓组联接的设计计算与实例分析螺栓的布置应有合理的间距、边距7.4螺栓组联接的设计计算与实例分析扳手空间尺寸同一组螺栓联接中各螺栓的直径和材料均应相同。分布在同一圆周上的螺栓应取4、6、8等偶数，便于分度。7.4螺栓组联接的设计计算与实例分析避免螺栓承受偏心载荷7.4螺栓组联接的设计计算与实例分析7.4螺栓组联接的设计计算与实例分析避免螺栓承受偏心载荷的措施二、螺栓组联接的受力分析螺栓组受力分析的目的是，根据螺栓组联接的结构和受载况，求出受载最大的螺栓及其受力。受力分析是在作如下假设条件下进行的，即：同组中的各螺栓都受相同的预紧力。螺栓组的对称中心与被联接结合面的形心重合。被联接件为刚体,联接结合面为刚性平面。螺栓的变形在弹性范围内。7.4螺栓组联接的设计计算与实例分析螺栓组受力可划分为4种典型情况：受横向载荷的螺栓组联接受旋转力矩的螺栓组联接受轴向载荷的螺栓组联接受翻转力矩的螺栓组联接各种复杂受力情况都可看作以上四种情况的不同组合。7.4螺栓组联接的设计计算与实例分析1、受横向载荷R的螺栓组连接（1）普通螺栓连接SRfFKmzfF0fmzFKFRfS0式中：f—接合面间摩擦系数m—接合面数Kf—考虑摩擦系数不稳定及靠摩擦传力有时不可靠而引入的可靠性系数一般Kf=1.1~1.37.4螺栓组联接的设计计算与实例分析(2)用绞制孔螺栓连接zFFRRS单个螺栓受力7.4螺栓组联接的设计计算与实例分析2、受旋转力矩T的螺栓组连接7.4螺栓组联接的设计计算与实例分析式中:r1、r2、...rz：各螺栓中心至螺栓组形心O的距离Kf—可靠性系数f—接合面间摩擦系数01020012)1....(...zfffzziifFrfFrfFrKTKTKTFfrrrfr7.4螺栓组联接的设计计算与实例分析（1）采用普通螺栓连接时，靠预紧后在接合面上各螺栓处摩擦力对形心的力矩之和平衡外加力矩T。（距回转中心最远螺栓受力最大）ziiRiTrF1力矩平衡条件：maxmaxRiRiFFrr变形协调条件：maxmaxrrFFiSSiziiRrTrF12maxmax（2）采用绞制孔用螺栓连接时，忽略接合面上的摩擦力，外加力矩T靠螺栓所受剪力对底板旋转中心的力矩之和来平衡。7.4螺栓组联接的设计计算与实例分析3、受轴向载荷Q的螺栓组连接zFFQ设定有z个螺栓则：单个螺栓受外力7.4螺栓组联接的设计计算与实例分析4、普通螺栓组承受倾翻力矩M作用在x-x平面内，机座在M作用下绕O-O转动。机座刚性较大，变形后与基础的接触面仍为平面。受力分析表左Q右Qminpmaxp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0F↑↑↓↓0F0F0F7.4螺栓组联接的设计计算与实例分析(2)1MLFniii力平衡条件MFLLniimax1max2(1)代入(2)变形协调条件(1)maxmaxmaxmaxFLLFLFLFiiiimaxiLLiM式中：受力最大螺栓至翻转中心之距第个螺栓至翻转中心之距倾翻力矩最大工作载荷7.4螺栓组联接的设计计算与实例分析受倾覆力矩的螺栓组连接除要求螺栓强度足够外，还应保证接合面既不出缝隙也不被压馈。接合面右端应满足：ppppppWMAzF][][0maxmaxmaxMPaMPa左端应满足：000minmaxminWMAzFppppMPaMPaA—接合面的有效接触面积mm2W—接合面的有效抗弯截面系数mm37.4螺栓组联接的设计计算与实例分析步骤：1.螺栓连接结构设计（结构、形状、数目、布局）2.螺栓设计：（1）螺栓类型选择（2）螺栓尺寸确定d×LA.受力分析→求单个螺栓的最大工作载荷（判断哪个最大）B.强度计算→求d1(按最大载荷