螺栓组的受力分析

第四章螺纹零件一、概述1、作用联接：起联接作用的螺纹;传动：起传动作用的螺纹;外螺纹内螺纹圆柱圆锥母体2、螺纹的形成刀具——做直线运动；工件——做旋转运动；螺纹线：转动与直线运动；螺纹牙：某一个形状小面积沿螺旋线运动就形成；3、螺纹的种类牙型形状：三角=30矩形=0梯形=15锯齿=30、3右旋——多数用右旋左旋旋向单线螺纹：沿一根螺旋线形成的螺纹；双线螺纹：沿二根螺旋线形成的螺纹；多线螺纹：沿三根以上螺旋线形成的螺纹；线数•常用螺纹的类型见表9-1，P201。常用的联接螺纹要求自锁性，故多用单线螺纹；传动螺纹要求传动效率高，故多用双线或三线螺纹。米制：我国多采用米制螺纹；英制（管螺纹）；标准制4、主要尺寸、参数（看图P199，图9-1a）1）外径d——螺纹的最大直径，在标准中定为公称直径；2）内径d1——螺纹的最小直径，在强度计算中常作为螺杆危险截面的计算直径；3）中径d2——近似等于螺纹的平均直径；4）螺距t——相邻两牙中径线上对应轴线间的距离;5）导程S——同一条螺旋线相邻两牙的轴向距离；单线：S=t双线：S=2t多线：S=ntn——头数；右旋6）升角：螺旋线与水平线夹角；ttSd22dStgSd27）牙型角牙型斜角8）牙的工作高度h二、各种螺纹的特点、应用cosffvtgtg自锁条件：升角v（摩擦角）；牙型斜角越小越不容易加工。综合摩擦系数：牙型斜角大，cos小，f大v大1——用于联接；2、3、4——很少用联接；v矩形、梯形——传动丝杠；三、螺纹联接1、类型表9-1图螺栓联接书P201（松配）上、下受力表9-1图螺栓联接书P201（紧配）左、右受力表9-1图螺杆与孔之间有一定的间隙——普通螺栓联接；表9-1图螺杆与孔之间无间隙，有配合——铰制孔螺栓联接；表9-1图这种联接适用于结构上不能采用螺栓联接的场合，例如被联接件之一太厚不宜制成通孔，且需要经常拆装时，往往采用双头螺柱联接；表9-1图这种联接在结构上比双头螺柱联接简单、紧凑。其用途和双头螺柱联接相似，但如经常拆装时，易使螺纹孔磨损，故多用于受力不大，或不需要经常拆装的场合。表9-1图双头螺柱联接书P201表9-1图螺钉联接书P201把轴上零件与轴联接在一起，联接强度不大时：表9-1图拧紧后与轴紧贴，则与轴表面有摩擦力，联接力不大；表9-1图在轴上挖一凹槽，头部有顶尖，比第一个联接力要大些，不会转动，也不会轴向移动。表9-1图紧定螺钉联接（平底）书P202表9-1图紧定螺钉联接（带顶尖）书P202图9-4将机架固定在地基上，坑里放石子、水泥，等干后，对好孔拧紧后就固定住了。2、装配形式普通螺栓联接孔轴松配（受拉应力）铰制孔螺栓联接孔=轴紧配（受剪应力）——从受力来分析图9-4地脚螺栓联接书P2023、安装形式紧螺栓——拧紧；螺母需要拧紧，处于拉伸与扭转复合应力状态下；松螺栓——不拧紧；螺母不需要拧紧，在承受工作载荷之前，螺栓不受力。例如起重吊钩等；P2144、螺纹零件精度等级A、B、C：A级精度最高，通常用C级；材料热处理尺寸系列化标准化M10×100（三角、中径、长度）四、拧紧在使用上，绝大多数螺纹联接在装配时都必须拧紧；预紧的目的在于增强联接的可靠性和紧密性。预紧力的大小是通过拧紧力矩来控制的。因此，应从理论上找出预紧力和拧紧力矩之间的关系。端面摩擦力矩T2摩擦力矩T1拧紧力矩TQp如图所示，由于拧紧力矩T（T=FL）的作用，使螺栓和被联接件之间产生预紧力Qp。由《机械原理》可知，拧紧力矩T等于螺旋副间的摩擦阻力矩T1和螺母环形端面和被联接件（或垫圈）支撑面间的摩擦阻力矩T2之和，即：其中：kt——拧紧系数，0.1～0.3；Qp——预紧力；d——螺栓的公称直径；对于一定公称直径d的螺栓，当所要求的预紧力Qp已知时，即可按上式确定扳手的拧紧力矩T。控制预紧力的方法很多，有以下几种方法：1、根据经验、伸长、圈数来判断拧紧力的大小；2、用测力矩扳手、定力矩扳手；dQkTTTpt21图9-6测力矩扳手书P204图9-6定力矩扳手书P204五、设计螺栓的方法成组使用，，应力均匀分布。QpSPFmax=?pQFQmax?螺栓组受力分析——求Fmax;单个螺栓的受力分析——求Q；1、受力分析SPF总2、应力分析3、失效分析4、材料选择5、计算准则6、主要参数计算：d——查标准螺栓、螺母、垫片；7、结构设计l（螺杆长度）——根据被联接件的厚度；习题：第四章螺纹零件一、选择题1、在常用的螺旋传动中，传动效率最高的螺纹是。（1）三角形螺纹；（2）梯形螺纹；（3）锯齿形螺纹；（4）矩形螺纹；2、在常用的螺纹联接中，自锁性最好的螺纹是。（1）三角形螺纹；（2）梯形螺纹；（3）锯齿形螺纹；（4）矩形螺纹；3、当两个被联接件不太厚时，宜采用。（1）双头螺柱联接；（2）螺栓联接；（3）螺钉联接；（4）紧定螺钉联接；4、当两个被联接件之一太厚，不宜制成通孔，且需要经常拆装时，往往采用。（1）螺栓联接；（2）螺钉联接；（3）双头螺柱联接；（4）紧定螺钉联接；41235、当两个被联接件之一太厚，不宜制成通孔，且联接不需要经常拆装时，往往采用。（1）螺栓联接；（2）螺钉联接；（3）双头螺柱联接；（4）紧定螺钉联接；6、在拧紧螺栓联接时，控制拧紧力矩有很多方法，例如。（1）增加拧紧力；（2）增加扳手力臂；（3）使用测力矩扳手或定力矩扳手；7、螺纹联接预紧的目的之一是。（1）增强联接的可靠性和紧密性；（2）增加被联接件的刚性；（3）减小螺栓的刚性；8、有一汽缸盖螺栓联接，若汽缸内气体压力在0～2Mpa之间循环变化，则螺栓中的应力变化规律为。（1）对称循环变应力；（2）脉动循环变应力；（3）非对称循环变应力；（4）非稳定循环变应力；2313六、螺栓组的受力分析绝大多数情况下，螺栓都是成组使用的，在这一组中，螺栓规格完全一致。进行螺栓组受力分析的目的是：求出受力最大的螺栓及其所受的力。下面针对几种典型的受载情况，分别加以讨论。1、受轴向载荷的螺栓组联接ZFF图1为一受轴向总载荷F的汽缸盖螺栓组联接。F的作用线与螺栓轴线平行，根据螺栓的静力平衡及变形协调条件，每个螺栓所受的轴向工作载荷为：Z——螺栓个数；PF=PS图1汽缸盖螺栓组联接2、受横向载荷的螺栓组联接QpFFFfFFfspkFfQza）松配（普通螺栓联接）上图所示为一由螺栓组成的受横向载荷的螺栓组联接。横向载荷的作用线与螺栓轴线垂直，当采用普通螺栓联接时，靠联接预紧后在结合面间产生的摩擦力来抵抗横向载荷。对于普通螺栓联接，应保证联接预紧后，结合面间所产生的最大摩擦力必须大于或等于横向载荷。假设各螺栓所需要的预紧力均为Qp，螺栓数目为z，则其平衡条件为（靠摩擦力与外载荷平衡）：ks——防滑系数，1.1～1.3;QpFFFfspkFfQzizfiFkQspi——结合面数；B）紧配（铰制孔螺栓联接）FzFF当采用紧配螺栓联接时，靠螺栓杆受剪切和挤压来抵抗横向载荷。因此，每个螺栓所受的横向工作剪力为：z——螺栓数目；3、受转矩的螺栓组联接Tr1r3r4r2QpfQpf松配Tr1r3r4r2QpfQpf紧配机架地基A）松配当采用普通螺栓时，靠联接预紧后在结合面间产生的摩擦力矩来抵抗转矩T。根据作用在底板上的力矩平衡的条件得：szpppkTrQfrQfrQf21ziiszsprfTkrrrfkTQ121由上式可得各螺栓所需的预紧力为：式中：f——结合面的摩擦系数；ri——第i个螺栓的轴线到螺栓组对称中心O的距离；z——螺栓数目；ks——防滑系数，同前。b)紧配当采用紧配螺栓时，在转矩T的作用下，各螺栓受到剪切和挤压作用，则各螺栓的剪切变形量与各该螺栓轴线到螺栓组对称中心O的距离成正比。即距螺栓组对称中心O越远，螺栓的剪切变形量越大，其所受的工作剪力也越大。如图所示，用ri、rmax分别表示第i个螺栓和受力最大螺栓的轴线到螺栓组对称中心O的距离；Fi、Fmax分别表示第i个螺栓和受力最大螺栓的工作剪力，则得：iirFrFmaxmaxmaxmaxrrFFii上式可变形为：根据作用在底板上的力矩平衡的条件得：TrFrFrFzz2211iirrFFmaxmaxTrFzii1ziirrTF12maxmax把代入联解以上两式，可求得受力最大的螺栓的工作剪力为：4、受倾覆力矩M机架地基M在M的作用下，轴线左边的螺栓将受到工作拉力F，而轴线右边的螺栓的预紧力将减小。根据底板的静力平衡条件有：zzrFrFrFM2211iirFrFmaxmax根据螺栓的变形协调条件得知，各螺栓的工作拉力也与这个距离成正比，于是有：各螺栓的工作拉力即可通过联立以上两式求出。在图中左边距底板翻转轴线最远的螺栓1和10的工作拉力最大，为：ziirrMF12maxmax一般来说，其他型式的螺栓受力也可这样分析，其中有些还是上述四种的特例或组合。总结螺栓组单个螺栓轴向——轴向力松配：——轴向力Qp紧配：——横向力（假定每个螺栓所受力相同）松配：——轴向力Qp紧配：——横向力（单个螺栓所受力是不等的）（rmax）轴向力横向力横向——转矩——对于单个螺栓来讲只受两个方向的载荷倾覆力矩——轴向力（rmax）翻转半径最大的地方;例题1平行，均匀分布F支架吊环4FF解：例题2某钢制吊架用螺栓组固定在水平钢梁上，螺栓组由四个普通螺栓组成。吊架FQFQMr1r2r3r24QFF24232221maxmaxrrrrrMFmaxFFF总解：找中心线，向中心简化，向联接中心平移。有两种基本外载荷：轴向力和倾覆力矩，在倾覆力矩作用下，一边受拉，另一边受力减小，力臂最大处，载荷最大。例题3螺栓组联接的的三种方案如图示，试问哪个方案较好？哪种螺栓布局更合理？RRRaaaar=aF1F2F1F2RF1TF1-F2F1fFFkQsp2121maxFFF解：(1)a）松配b）紧配F1F2F1F2RT（2）第二种方案半径为a22aFTRF1F2F1F2Fmax23aFT（3）第三种半径为a，最合理。同时由三个螺栓来承受转矩T，每个螺栓F2。F2是有两个螺栓起作用。用平行四边形法则，预紧力小。a)紧配横向力比第一种小，要合理一些，所用的螺栓直径很小。例题4试分析图示电动机螺栓联接中受哪几种基本载荷？RVHHVMHVVMVHHT解：左、右翻，前、后翻。同时受横向、轴向、转矩和翻转力矩的作用。七、失效分析、计算准则轴向、横向载荷——无论受何种形式；受轴向载荷：断裂、塑性变形受横向载荷：剪断、压溃断裂剪断压溃pp失效计算准则对单个螺栓联接而言，其受力的形式不外乎是受轴向力或受横向力。对于受拉螺栓，其主要破坏形式是螺栓杆螺纹部分发生断裂，因而其设计准则是保证螺栓的静力拉伸强度；对于受剪螺栓，其主要破坏形式是螺栓杆和孔壁间压溃或螺栓杆被剪断，其设计准则是保证联接的挤压强度和螺栓的剪切强度。八、单个螺栓的受力分析1、受轴向载荷a)松螺栓联接松螺栓联接装配时，螺母不需要拧紧。在承受工作载荷之前，螺栓不受力。例如起重吊钩等的螺纹连接均属此类。图9-18起重吊钩的松螺栓联接书P214现以起重吊钩的螺纹联接为例，说明松螺栓联接的强度计算方法。如图9-18所示，当联接承受工作载荷F时，螺栓所受的工作拉力为F，则螺栓危险截面的拉伸强度条件为：F（拉应力）214dFFd41或式中：d1——螺栓危险截面的直径，mm；[]——螺栓材料的许用应力，Mpa；b)只受预紧力214dQp31116dT紧螺栓联接装配时，螺母需要拧紧，，在拧紧力矩作用下，螺栓除受预紧力Qp的拉伸而产生拉伸应力外，还受螺纹摩擦力矩T1的扭转而产生扭转剪应力，使螺栓处于拉伸与扭转的复合