螺纹连接设计讲义

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1、第11章 螺纹连接设计,11.1 螺纹,11.2 螺纹连接的类型和标准连接件,11.3 螺纹连接的预紧与防松,11.4 螺纹连接的力分析,11.5 螺纹连接的强度计算,11.6 螺纹连接的材料及性能等级,11.1 螺纹,11.1.1 螺纹的形成,螺纹,1. 按螺纹线所旋绕母体分,内螺纹,外螺纹,2.按螺纹功用分,连接螺纹,传动螺纹,11.1.2 螺纹的分类,3.按测量制度分,米制螺纹,英制螺纹,4.按螺纹牙型分,锯齿形螺纹,矩形螺纹,矩形螺纹,三角形螺纹,三角形螺纹,梯形螺纹,梯形螺纹,锯齿形螺纹,5.按螺纹的旋向分,左旋螺纹,右旋螺纹,双线螺纹,单线螺纹,S = 2P,S =P,6.按螺旋线

2、的头数分,单线螺纹,多线螺纹,右旋螺纹,左旋螺纹,7.按母体形状分,圆锥螺纹,圆柱螺纹,圆锥螺纹,管螺纹,圆柱螺纹,11.1.3 螺纹的主要几何参数,1. 大径d螺纹的最大直径在标准中定为公称直径,2. 小径d1螺纹的最小直径。强度计算的危险截面直径,3. 中径d2螺纹的平均直径,4. 头数n螺纹的螺旋线根数,有单线和多线之分，一般n4,5. 接触高度h内外螺纹旋合的接触面的径向高度。,6.牙形角螺纹两侧边之间所夹的角,8. 导程S同一螺旋线转一周所移动的轴向距离S=nP,7. 螺距P螺纹相邻两牙对应点间的轴向距离,9. 螺旋升角中径上，螺旋线与螺纹轴线的垂线之间所夹的角,6.牙形角螺纹两侧边

3、之间所夹的角,11. 2 螺纹连接的基本类型和螺纹连接件,螺纹连接的组成,螺纹连接件螺栓（钉）、螺母、垫圈等,被连接件箱盖、箱座,注意：螺纹连接和螺纹连接件的不同意义。,11.2.1 螺纹连接的基本类型螺栓,1. 螺栓连接,普通螺栓连接,铰制孔用螺栓连接,孔与螺杆之间留有间隙,注意：两种连接的异同,孔与螺杆之间没有间隙,普通螺栓连接与铰制孔用螺栓连接应用比较,相同之处： 被连接件不很厚，均可钻通孔,2）造价不同；,3）钉杆与孔关系不同；,4）传力方式不同,注意重点：当连接受横向外载荷F时,普通螺栓受到的是轴向拉力F0（预紧力） 而铰制孔螺栓受到的是横向力F （剪切力、挤压力）,3 螺钉连接,2

4、. 双头 螺柱连接,双头 螺柱连接与螺钉连接的异同,相同之处：被连接件之一太厚，不宜钻通孔 不同之处：双头 螺柱连接能常拆卸，螺钉连接不宜拆卸,2. 双头 螺柱连接,3 螺钉连接,不同之处：，双头 螺柱连接能常拆卸，螺钉连接不宜拆卸,不同之处：，双头 螺柱连接能常拆卸，螺钉连接不宜拆卸,2 .双头 螺柱连接,3 螺钉连接,2 双头 螺柱连接,3 螺钉连接,不同之处：，双头 螺柱连接能常拆卸，螺钉连接不宜拆卸,3 螺钉连接,2. 双头 螺柱连接,不同之处：，双头 螺柱连接能常拆卸，螺钉连接不宜拆卸,不同之处：，双头 螺柱连接能常拆卸，螺钉连接不宜拆卸,2 双头 螺柱连接,3 螺钉连接,2 .双头

5、 螺柱连接,3. 螺钉连接,不同之处：，双头 螺柱连接能常拆卸，螺钉连接不宜拆卸,4. 紧定螺钉连接,功用：固定两个零件的相互位置,承载特征：不易传递很大 的力或力矩,常用紧定螺钉的形状,吊环螺栓连接,T形槽螺栓连接,地脚螺栓连接,5. 其它形式的螺纹连接,常用的标准螺纹连接件,六角头螺栓,小六角头螺栓,平垫圈,薄平垫圈,斜垫圈,弹簧垫圈,圆螺母用止动垫圈,螺母,六角扁螺母,六角厚螺母,六角扁螺母,圆螺母,垫圈,11.3 螺纹连接的预紧与防松,11.3.1 螺纹连接的预紧 预紧螺纹连接在装配时的拧紧,1. 控制预紧力的原因以增强连接的刚性、紧密性和防松能力。 防止被连接件间 出现缝隙和相对滑动

6、。提高连接的强度。,预紧力的推荐值：,碳素钢螺栓,合金钢螺栓,s螺栓材料的屈服极限,A1螺栓危险截面的面积,2. 常用的控制预紧力的方法,常用的控制预紧力的方法,1） 不重要的连接经验法（凭手感拧紧）,2） 常用连接预紧方法,（1）测力矩扳手预紧,（2）定力矩扳手预紧,测力矩扳手,定力矩扳手,拧紧力矩T的确定,3） 重要连接的预紧方法,测量螺栓伸长量的方法,T1螺纹副间的摩擦力矩 T2螺母与支承面间的摩擦力矩,将M10M60粗牙普通钢制螺纹的参数取平均值代入力矩公式，得：,一般标准扳手的长度L=15d,当拧紧力F=200N时，预紧力F=1500N,因此，对于重要的连接， 尽量不要采用小于M12

7、 的螺栓，以免螺栓被拧断。,测力矩扳手和定力矩扳手操作简单但精确性差，且不适于大型连接，所以对于重要使用的大型连接，常采用测量螺栓伸长量的方法来控制预紧力。,图5-11测量螺栓伸长量,根据所需的预紧力 F， 拧紧后的螺栓总长为：,C1 螺栓的刚度系数，N/mm,LS螺栓的原始长度。,LM螺栓受拉后的总长度。,11.3.2 螺纹连接的防松,1. 连接松脱的原因,1）冲击、振动、变载作用下，摩擦力瞬时消失； 2）高温或温度变化较大，被连接件材料蠕变和应力松弛；,连接松脱的危害轻者造成机器运转恶化，重者造成严重事故,防松脱的关键防止螺纹副在力的作用下发生相对转动,2.防松脱的方法,摩擦防松,机械防松

8、,破坏螺旋副运动关系防松,对顶螺母,1） 摩擦防松（见表11.2）,（1）对顶螺母 （增加摩擦面）,（2）弹簧垫圈,弹簧垫圈,（3）自锁螺母,（1）开口销与六角开槽螺母,2）机械防松（见表11.2）,（2）止动垫片,（3）串联钢丝,串联钢丝,3）永久止动（破坏螺旋副运动关系防松）,焊接,铆冲,冲点,（1）焊点和冲点,（2）粘合,11.4 螺栓组连接的力分析,11.4.1 力分析的合理假设 同一螺栓组中，每个螺栓的材料、直径、长度、预紧力均相等； 螺栓的应变没有超出弹性范围； 被连接件为刚体体，受载后结合面仍保持为平面。 螺栓组的对称中心与连接结合面的型心重合；,受力分析的目的为强度计算提供载荷

9、依据,受力分析的典型类型,1. 受横向载荷的螺栓组连接,2 .受转矩作用的螺栓组连接,3. 受轴向载荷作用的螺栓组连接,4. 受倾覆力矩作用的螺栓组连接,11.4.2 常见螺栓组受力类型,1. 受横向载荷的螺栓（组）连接,（1）连接所受外载荷,1）采用铰制孔螺栓连接,（2）单元连接受力,（3）单个螺栓受力为：,Z螺栓个数,对于铰制孔螺栓连接 单元连接所受的力 也为单个螺栓所受的力,2）采用普通螺栓连接,（1）连接所受外载荷,（2）取板1为研究对象分析受力（解法1）,（3）螺栓的预紧力,板1的平衡条件为：,m 接合面数,m= 2,防滑系数,Z 螺栓个数,fc 摩擦系数,（2）单元连接受力,（3）

10、单个螺栓受力,单个螺栓的预紧力,（1）连接所受外载荷,（解法2）,板1单元连接的平衡条件为：,其中：,本小节易混淆的概念, 单个螺栓受力,本小节分析的思路,当连接承受横向载荷R时,本小节结论,普通螺栓受轴向力（F）作用,铰制孔用螺栓受横向力 Fs 作用,单元螺栓连接所受的力 也为单个螺栓所受的力, 单元连接受力, 连接受力,注意：对于铰制孔用螺栓,2. 普通螺栓连接中单个螺栓受力,本小节应熟记的公式,1. 铰制孔用螺栓连接中单个螺栓受力,用 解法1 求解时，（以整个连接为研究对象）,用 解法2 求解时， （以单元连接为研究对象）,其中：,2 受转矩的螺栓组连接,铰制孔螺栓连接,普通螺栓连接,分

11、析要点：,（1）转矩没有直接作用螺栓杆上；,（2）每个螺栓受的预紧力相等 ；,（3）每个螺栓处的摩擦力 Ff相等且垂直于螺栓至型心o的连线,（4）在转矩 T 作用下，被连接件不相对转动（连接可靠）条件为：,1）采用普通螺栓连接,且：,单个螺栓所受的预紧力F,摩擦阻力矩 Tf 为:,连接可靠条件为：,2）铰制孔用螺栓连接,分析要点：,（1）螺栓杆直接受到扭矩T作用；,（2）每个螺栓处的阻抗剪力 Fsi垂直于螺栓至型心o的连线.,Fsi与螺栓至型心o连线的距离 ri 成 正比。满足下列关系：,连接可靠条件为：,3 . 受轴向载荷的螺栓组连接,分析要点：,（1）气缸未工作前（没充气），螺栓已受预紧力

12、F作用；,（2）汽缸工作后（充气后）每个螺栓又受到工作拉力F作用（均分 F ）,（3）单个螺栓所受到的总拉力 F 0不简单地等于预紧力F与工作拉力 F 之和。即：,（4）单个螺栓的受力变形关系,螺栓刚度 C 1 被连接件刚度 C2,被连接件 受力性质 压力,（a）,螺栓受力性质拉力,力,1,（a,F,F,2,令：,螺栓的相对刚度系数,其值的变动范围从01, 当螺栓刚度C1与被连接件刚度C2相比很小时:,总拉力F0与螺栓相对刚度C1之间的关系,则有：,结论：当螺栓相对刚度 很小时，工作拉力 F 作用,结论: 当螺栓的相对刚度 ，在同样的工作拉力 F 作用下，总拉力F0明显增大，即：, 当螺栓刚度

13、Cb与被连接件刚度Cm相比不很小时:,不考虑螺栓相对刚度影响：,螺栓的相对刚度系数，其值在01间变化,0.20.3 金属垫片或无垫片,0.7 皮革垫片,0.8 铜皮石棉垫片,0.9 橡胶垫片, 被连接件相对刚度与螺栓相对刚度之间的关系:,熟记公式：,（1）当工作载荷没有变化时，可取,（2）当工作载荷有变化时，可取,（3）对于有紧密性要求的连接（如压力容器的螺栓连接），可取,残余预紧力F可根据如下3 种条件选取：,4 倾覆力矩螺栓组连接,分析要点：,（1）弯矩M作用前，螺栓已受预紧力F作用；,（2）弯矩M作用后，左侧螺栓受到 M 引起的工作拉力作用，其拉力的大小与螺栓至对称轴线 o-o 距离Li

14、 成正比；,（3）右侧螺栓未受到 M 引起的工作拉力作用，但为处理方便起见，认为右侧螺栓受到与左侧螺栓拉力程度相同的压力作用（压力实际作用在结合面）。,螺栓受力的大小与螺栓至对称 轴线o-o距离Li 成正比，,左侧螺栓受到 的最大拉力为：,根据变形协调条件：, 在该连接中，受力最大的螺栓为连接最左侧的螺栓, 最左侧螺栓所受到的最大工作拉力（M引起）为：,最左侧螺栓所受到的最大总拉力F0：,11.5 螺纹连接的强度计算,单个螺栓的强度计算,螺栓组的受力分析,螺栓连接设计的步骤,螺栓连接强度的内容被连接件的强度连接件的强度,螺栓连接强度的关键因素为螺栓的强度,螺栓连接设计的两大内容 结构设计 强度计算（工作能力）,螺栓的破坏形式： . 螺栓杆塑性变形或拉断（普通螺栓，也称受拉螺栓） . 螺栓杆或孔壁贴合面的压溃和剪断（受剪螺栓） . 经常装拆因磨损而发生滑扣,破坏性质：90%的螺栓属于疲劳破坏,受拉螺栓不同部位发生破坏的比重,11.5.1 松螺栓连接的强度计算,设计公式,螺栓危险截面的拉伸强度 计算条件为：,根据上式求得d1后，按GB196-1981选取标准螺纹直径。,11.5.2 仅承受预紧力的紧螺栓连接强度计算,