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1、 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：=60 米制螺纹：牙型角=60，螺纹分布在锥角为1：16圆锥壁上 管螺纹：牙型：三
2、角形；牙角=55。 矩形螺纹：牙型：正方形；牙型角：= 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： = 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 动力、运动、几何分析中用 。 3、中径d
3、2： 4、线数n：螺纹的螺旋线数目。n4。 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= nP 7、升角 ：螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面间的夹角。 可见，S效率自锁性。 8、牙形角：螺纹牙两侧边的夹角，对称牙形，=2 ， ：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： 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
4、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s的80%。 返回目录前一页后一页退 出 预紧力的限制 控制
5、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：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
6、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
7、 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，
8、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 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 zFF 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
9、摩擦力均相 等，并假设此摩擦力集中作用在螺栓的中心处 ） 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： 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
10、为弹 性体；底板受翻转力矩M作用后，将绕对称轴OO翻转。 根据力矩平衡条件 得： 返回目录前一页后一页退 出 根据变形协调条件： 可以得到： 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： 式中： （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： 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
11、 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。 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。 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
12、拉伸应力 ： 危险截面的剪应力： 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M12M64螺栓： 由 此 可 得： 根据第四强度理论，其计算应力 ： 危险剖面的强度条件是： 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。 螺栓所承受的工作力F： 螺栓总的拉力：
13、 令 返回目录前一页后一页退 出 式中：为螺栓的相对刚度，其取值范围为 01。 说明 残余预紧力为 ： 结论： 1、上述分析可见：螺栓承受的总拉力F2F0+F 2、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 =(0.21)F; 有密封要求的F0 =(1.51.8)F。 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
14、的影响。截面的拉伸强度条件是： 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： 螺栓的最小拉应力为： 应力幅为： 计算安全系数 由前面知识可知这种应力状态为最小应力等于常数 min=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0F变化时螺栓总拉力在F0 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 ： 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力 1螺纹连接件的许用拉应力 2螺纹连接件的许用剪应力和许用挤压应力 3螺纹连接件
