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1、第15章 联接设计,桑塔纳轿车,15.1 螺纹连接的类型和防松,机床,摩托车,飞机机翼,发动机气缸,化工管道,自行车,锁紧螺母,汽车轮胎,螺旋线的形成：将直角三角形(直角底边长d2)绕到直径为d2的圆柱体上，其斜边即在圆柱体上形成螺旋线。,螺纹的形成：取一通过圆柱体轴线的平面图形(三角形、矩形、梯形等)沿螺旋线运动，该图形在空间形成的体形即为螺纹。,15.1 螺 纹 参 数,一、螺纹的形成,二、螺纹的主要参数,d 螺纹大径，公称直径,d1 螺纹小径,d2 螺纹中径,n 螺纹线数,p 螺距,L 导程，L = n.p, 升角, 牙型角, 牙侧角,1）按轴向剖面形状（螺纹的牙型）,三 、螺纹的种类：
2、,三角形螺纹,梯形螺纹,锯齿形螺纹,管制螺纹,矩形螺纹,2）按螺旋线数目分,单头螺纹：,多头螺纹：,3）按螺旋线绕行方向分,左旋,右旋（常用）,左旋,右旋,15.2 螺纹联接的基本类型及螺纹联接件,一、螺纹联接主要类型,1、螺栓联接,a) 普通螺栓联接被联接件不太厚，通孔不带螺纹，螺杆穿过通孔与螺母配合使用。装配后孔与杆间有间隙，并在工作中间隙不许消失，结构简单，装拆方便。,b) 精密螺栓联接装配后无间隙，主要承受横向载荷，也可作定位用，采用基孔制配合铰制孔螺栓联接。,2、双头螺栓联接螺杆两端无钉头，但均有螺纹，装配时一端旋入被联接件，另一端配以螺母。适于常拆卸而被联接件之一较厚时。拆装时只需
3、拆螺母，而不将双头螺栓从被联接件中拧出。,3、螺钉联接适于被联接件之一较厚（上带螺纹孔），不需经常装拆，一端有螺钉头，不需螺母，适于受载较小情况,4、紧定螺钉联接拧入后，利用杆末端顶住另一零件表面或旋入零件相应的缺口中以固定零件的相对位置。可传递不大的轴向力或扭矩。,地脚螺栓联接 吊环螺钉联接 T型槽螺栓,5、其它类型,二、螺纹联接件,1）螺栓 普通螺栓 六角头，小六角头，标准六角头，大六角头, 内六角 铰制孔螺栓螺纹部分直径较小,各种螺栓,2）双头螺柱两端带螺纹 A型有退刀槽 B型无退刀槽,3）螺钉： 与螺栓区别螺纹部分直径较粗;全螺纹.,4）紧定螺钉 锥 端适于零件表面硬度较低不常拆卸的场
4、合 平 端接触面积大、不伤零件表面，用于顶紧硬度较大的平面，适于经常拆卸 圆柱端压入轴上凹坑中，适于顶紧轴上零件的位置,5）自攻螺钉由螺钉攻出螺纹,6）螺母：六角螺母、锁紧螺母、圆螺母、蝶形螺母、圆盖螺母、法兰螺母、加长螺母等,圆螺母+止退垫圈带有缺口，应用时带翅垫圈内舌嵌入轴槽中，外舌嵌入圆螺母的槽内，螺母即被锁紧,六角螺母按厚度的不同，分为标准、厚、薄型螺母.,蝶形螺母,7）垫圈,放置在螺母和被联接件之间，起保护支承表面等作用。斜垫圈为用于倾斜支承面的垫圈。,一、预紧,1、预紧目的保持正常工作。如气缸螺栓联接，有紧密性要求，防漏气，接触面积要大，靠摩擦力工作，增大联接刚度、紧密性和提高防松
5、能力等。,螺纹联接,预紧过紧预紧力过大，螺杆静载荷增大、降低本身强度 预紧过松预紧力过小，工作不可靠,15.3 螺纹联接的预紧和防松,松联接,紧联接,拧紧时螺母：T=T1+T2 T拧紧力矩 T1螺纹摩擦阻力矩 T2螺母端环形面与被联接件间的摩擦力矩,2、拧紧力矩,其中,由于直径过小的螺栓，容易在拧紧时过载拉断，所以对于重要的联接不宜小于M10M14,对于M10M68的粗牙螺纹：,设计时首先应保证所需的预紧力, 但拧紧后螺纹连接件预紧应力不得大于其材料屈服极限S的80%。对于一般用钢制螺栓, 推荐用预紧力极限值为,碳素钢螺栓： 合金钢螺栓：,3、预紧力的控制： 测力矩板手测出预紧力矩； 定力矩板
6、手达到固定的拧紧力矩时，将自动打滑。,扳手拧紧力矩T=FHL,其中，FH作用于手柄上的力，L力臂,1、防松目的 实际工作中，外载荷有振动、变化、材料高温蠕变等会造成摩擦力减少，螺纹副中正压力在某一瞬间消失、摩擦力为零，从而使螺纹联接松动，如反复作用，螺纹联接就会松驰而失效。因此，必须进行防松，否则会影响正常工作，造成事故.,2、防松原理 消除（或限制）螺纹副之间的相对运动，或增大相对运动的难度。,二、螺纹防松,3、防松办法及措施,1）摩擦防松,2）机械防松,3）永久防松,自锁螺母螺母一端做成非圆形收口或开峰后径面收口，螺母拧紧后收口涨开，利用收口的弹力使旋合螺纹间压紧,1）摩擦防松,2）机械防
7、松 开槽螺母与开口销，圆螺母与止动垫圈，轴用带翅垫片，止动垫片，串联钢丝等,3）永久防松：点焊、冲点、粘合,15.4 单个螺栓联接的强度计算,针对不同零件的不同失效形式，分别拟定其设计计算方法. 失效形式是设计计算的依据和出发点。,1、失效形式,受拉螺栓螺栓杆和螺纹可能发生塑性变形或断裂 受剪螺栓螺栓杆和孔壁间可能发生压溃或被剪断,工程中螺栓联接多数为疲劳失效,受拉螺栓：设计准则为保证螺栓的疲劳拉伸强度和静强度 受剪螺栓：设计准则为保证螺栓的挤压强度和剪切强度,2、设计计算准则与思路,、松螺栓联接,如吊钩螺栓，工作前不拧紧，无预紧力，只有工作载荷 F 起拉伸作用,强度条件为：,验算用,设计用,
8、式中：d1 螺杆危险截面直径（mm） 许用拉应力 (MPa),二、紧螺栓联接,根据所受拉力不同, 紧螺栓连接可分为 1 只受预紧力 2 受预紧力和静工作拉力 3 受预紧力和变工作拉力三类。,工作前要进行预紧，螺栓处于复合应力状态:,1）预紧力产生拉伸应力,2）螺纹阻力矩产生剪应力,按第四强度理论：,(1) 只受预紧力的紧螺栓连接,式中：F轴向拉力或预紧力（N） T 螺纹摩擦力矩，起扭剪作用，又称螺纹扭矩，N.mm 1.3系数将外载荷提高30%，以考虑螺纹力矩对螺栓联接强度的影响，把拉扭的复合应力状态简化为纯拉伸来处理，简化了计算手续，故又称简化计算法, 强度条件为：,F的大小根据被连接面间不产
9、生滑移条件确定,即 F F /f , f 为被连接面间的摩擦系数,查表 15.3; 为静载紧连接螺栓的许用拉应力,MPa ,其值由表 15.8 查得。,设计公式：,仅靠预紧力传递横向力,需很大的预紧力,且连接不可靠。,螺栓所受的总拉力：,Fa = F0+ FE,?,此时，联接中各零件的受力关系属静不定问题,未知力有两个：,Fa 总拉力,FR 残余预紧力,须根据静力平衡方程和变形协调条件求解,(2) 受预紧力和工作拉力的紧螺栓连接 (压力容器),变形协调条件： b = c = ,静力平衡条件： Fa = FR + FE,螺栓 总拉力,残余 预紧力,轴向 外载荷,(a),(b),(c),螺栓刚度:
10、 c1 = F0/b0,被联接件刚度: c2= F0/c0,当c2 c1时， 相对刚度系数0， Fa F0,当c2 c1时， 相对刚度系数1， Fa F0+FE,总拉力公式也写成:,K0为预紧系数,查表 15.4;预紧力 F0 = K0 FE; Kc 螺栓的相对刚度系数, Kc =c1/(c1+c2)。螺栓的相对刚度系数的大小与螺栓及被连接件的材料、 尺寸和结构有关,其值在 01 之间变化,一般可按表 15.5 选取,强度条件：,注意：对于普通螺栓联接，无论联接是受横向工作载荷还是轴向工作载荷，螺栓本身总是受拉力作用,1）无特殊要求时 FR =（0.20.6) FE,2）变载作用时 FR =（
11、0.61.0) FE,3）有紧密性要求时 FR =（1.51.8) FE,紧螺栓连接应能保证被连接件的接合面不出现缝隙，残余预紧力应满足下列要求：,一般的计算过程： FE FR Fa e,设计时, 通常在求出F E和预紧力F0后, 可以公式求总拉力Fa,一般的计算过程： FE F0 Fa e,在预紧力难以确定或重要的连接, 可先确定残余预紧力,当工作载荷FE在0与FE之间变化时, 螺栓的拉力在Fa与F0之间变化, 螺栓的拉力变幅为,由于变载零件的疲劳强度应力幅a是主要因素, 故应满足强度条件,3)轴向载荷+变工作载荷,特点：螺杆与孔间紧密配合，无间隙，由光杆直接承受挤压和剪切来传递外载荷F进行
12、工作,3. 受剪螺栓连接,螺栓的剪切强度条件为：,式中： F -横向载荷（N） d0-螺杆或孔的直径（mm） 螺栓许用剪应力，MPa,螺栓与孔壁接触表面的挤压强度条件为：,式中： 被联接件中受挤压孔壁的最小长度（mm） 螺栓或被联接件中较弱者的许用挤压应力，MPa,铰制孔螺栓能承受较大的横向载荷，但被加工件孔壁加工精度较高，成本较高,国家标准规定了螺纹联接件的性能等级。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联接件，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。,常用的螺纹联接件
13、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。,4. 螺栓的材料和许用应力,二、螺纹联接件的许用应力,1螺纹联接件的许用拉应力,2螺纹联接件的许用剪应力和许用挤压应力,3螺纹联接件的安全系数,（被联接件为钢）,（被联接件为铸铁）,15.5 螺栓组连接的设计计算,螺栓组连接设计主要有以下内容: 1) 结构设计：按连接的用途和被连接件的结构, 选定螺栓的 数目和布置形式; 2) 受力分析：按连接布置形式和载荷情况, 求出受力最大的螺栓所受的力; 3) 强度计算：按受力最大的螺栓进行单个螺栓的强度计算。,为了便于加工制造和对称布置螺栓，保证联接
14、结合面受力均匀，通常联 接结合面的几何形状都设计成轴对称的简单几何形状。,螺栓的排列应有合理的间距、边距。各螺栓之间的距离大小既要保证联 接的可靠性又要考虑装拆方便，还应留有足够的扳手空间。,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。,一、螺栓组联接的结构设计,结构设计的主要目的, 在于合理地确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间受力均匀, 便于加工和装配。,1受横向载荷,2受转矩,3受轴向载荷,4受倾覆力矩,受力分析的目的：根据联接的结构和受载情况，求出受力最大的螺栓 及其所受的力，
15、以便进行螺栓联接的强度计算。,受力分析时所作假设：所有螺栓的材料、直径、长度和预紧力均相同；,受载后联接接合面仍保持为平面。,受力分析的类型：,二、螺栓组联接的受力分析,螺栓组的对称中心与联接接合面的形心重合；,1受轴向载荷的螺栓组联接,若作用在螺栓组上轴向总载荷F作用线与螺栓轴线平行，并通过螺栓组的对称中心，则各个螺栓受载相同，每个螺栓所受轴向工作载荷为：,通常，各个螺栓还承受预紧力F0的作用，当联接要有保证的残余预紧 力为FR时，每个螺栓所承受的总载荷Fa为。,Fa = F + FR,（2）对于铰制孔用螺栓联接（图b），每个螺栓所受工作剪力为：,式中：z为螺栓数目。,图示为由四个螺栓组成的
16、受横向载荷的螺栓组联接。,2受横向载荷的螺栓组联接,（1）对于普通螺栓联接(图a)，按预紧后接合面间所产生的最大摩擦 力必须大于或等于横向载荷的要求，有：,或,Kf为防滑系数，设计中可取Ks =1.11.3。,m为结合面数量，z为螺栓数目，f为摩擦系数,分析：当f=0.15，m=1，C=1.2，则F08F，说明这种联接螺栓直径大，且在冲击振动变载下工作极不可靠.,为增加可靠性，减小直径，简化结构，提高承载能力可采用如下减载装置： a)减载销 b)减载套筒 c)减载键,采用普通螺栓和铰制孔用螺栓组成的螺栓组受转矩时的受力情况是不同的。,3受旋转力矩 T 的螺栓组连接,1）采用普通螺栓，是靠连接预紧后在接合面间产生的摩擦力矩来抵抗转矩T。,2）采用铰制孔用螺栓，是靠螺栓的剪切和螺栓与孔壁的挤压作用来抵抗转矩T。,与,4受倾覆力矩的螺栓组联接,倾覆力矩 M 作用在联接接合面的一个对称面内，底板在承受倾覆力矩之前，螺栓已拧紧并承受预紧力F0。,
