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1、基本内容与学习要求基本内容与学习要求基本内容基本内容n螺栓的几何参数、预紧、防松螺栓的几何参数、预紧、防松n螺栓组连接的设计计算螺栓组连接的设计计算n提高螺栓连接强度的措施提高螺栓连接强度的措施学习要求学习要求n重点掌握重点掌握紧螺栓组连接的设计计算紧螺栓组连接的设计计算n理解理解提高螺栓连接强度的措施提高螺栓连接强度的措施n其它方面作一般了解其它方面作一般了解连接件被连接件可拆连接可拆连接& ch5 连接连接按是否可拆分为按是否可拆分为 连接：连接：将两个或两个以上的零件组合成一体的结构。将两个或两个以上的零件组合成一体的结构。不可拆连接：不可拆连接：螺纹连接螺纹连接键连接键连接销连接销连接
2、焊接焊接粘接粘接铆接铆接第五章 螺纹连接与螺旋传动5-1 螺纹5-2 螺纹连接的类型和标准连接件5-3 螺纹连接的预紧5-6 5-6 螺栓组连接的设计螺栓组连接的设计5-5 5-5 螺纹连接的强度计算螺纹连接的强度计算5-8 提高螺纹连接强度的措施5-7 螺纹连接件的材料及许用应力5-9 螺旋传动5-4 螺纹连接的防松螺纹的形成 按螺旋线数目分单线螺纹多线螺纹一、普通螺纹的主要参数一、普通螺纹的主要参数大径d小径d1 中径d2螺距P导程S升角牙型角a 牙侧角bP645-1 螺纹大径大径 ：螺纹的公称直径：螺纹的公称直径小径小径 ：常用于连接的强度计算常用于连接的强度计算中径中径 ：常用于连接的
3、几何计算常用于连接的几何计算螺距螺距P ：相邻两牙在中径线上对应两点的轴相邻两牙在中径线上对应两点的轴 向距离。向距离。导程导程S S ：同一条螺线上相邻两牙在中径线上同一条螺线上相邻两牙在中径线上 对应两点间的轴向距离对应两点间的轴向距离升角升角 ：在在 圆柱上，螺线切线与垂直于圆柱上，螺线切线与垂直于 螺线轴线平面间的夹角螺线轴线平面间的夹角牙型角牙型角a a与牙侧角与牙侧角b b ： 轴向剖面内牙型相邻两侧边的夹角，称为轴向剖面内牙型相邻两侧边的夹角，称为牙型角牙型角a a，牙型侧边，牙型侧边 与螺纹轴线垂线间的夹角称为牙侧角与螺纹轴线垂线间的夹角称为牙侧角b b。装配仿真工作仿真工作过
4、程：用一绞杠使螺旋杆在螺套中转动，而螺套镶在底座里，并用螺钉定位。在螺旋杆的一端球面上，套装一个顶垫并加装一个螺钉，使其不脱落。绞杠转动时，螺旋杆做旋转运动的同时做轴向移动。工作原理： 利用螺纹传动来顶起重物& 5-1 螺纹连接之补充部分螺纹连接之补充部分-受力分析受力分析vFnFRFFaF FF Fa aFR+拧紧力矩拧紧力矩 螺母等速旋转并上升相当于滑块沿斜面等速上移螺母等速旋转并上升相当于滑块沿斜面等速上移拧紧螺母拧紧螺母放松力矩放松力矩 螺母等速旋转并下降相当于滑块沿斜面等速下降螺母等速旋转并下降相当于滑块沿斜面等速下降放松螺母放松螺母FR-FavFnFFFRFa& 5-1 螺纹连接之
5、补充部分螺纹连接之补充部分-受力分析受力分析1）滑块等速上升时（拧紧螺母）滑块等速上升时（拧紧螺母）水平推力水平推力驱动力矩驱动力矩 2）滑块等速下滑时（旋松螺母）滑块等速下滑时（旋松螺母）水平推力水平推力驱动力矩驱动力矩& 5-1 螺纹连接之补充部分螺纹连接之补充部分-受力分析受力分析自锁条件：自锁条件：放松螺母放松螺母若不加驱动力若不加驱动力F F，无论，无论 FaFa多大，滑块（螺母）都不多大，滑块（螺母）都不会自行下滑会自行下滑自锁状态自锁状态。水平推力水平推力驱动力矩驱动力矩 时，斜坡平缓，此时时，斜坡平缓，此时 F0（与假定（与假定方向相反），方向相反），略去升角的影响，在同样轴向
6、载荷略去升角的影响，在同样轴向载荷作用下，非矩形螺纹的法向力比矩作用下，非矩形螺纹的法向力比矩形螺纹的大，造成摩擦力较大：形螺纹的大，造成摩擦力较大：当量摩擦系数当量摩擦系数当量摩擦角当量摩擦角把把法向力法向力的增加看作的增加看作摩擦系数摩擦系数的增加的增加拧紧，螺母等速上升时：拧紧，螺母等速上升时：放松，螺母等速下降时：放松，螺母等速下降时：非矩形螺纹的自锁条件：非矩形螺纹的自锁条件：螺旋副的效率：螺旋副的效率：三、螺纹的形成与加工三、螺纹的形成与加工一、螺纹连接的基本类型一、螺纹连接的基本类型此外，还有：此外，还有：T T型槽螺栓连接、吊环螺钉连接和地脚螺栓连型槽螺栓连接、吊环螺钉连接和地
7、脚螺栓连接等。接等。说明 5-2 螺纹连接的类型和标准连接件P64(1) 普通螺栓连接和铰制孔螺栓连接普通螺栓连接和铰制孔螺栓连接(2) 双头螺柱连接双头螺柱连接螺栓受拉，承受外载。螺栓受拉，承受外载。用于被连接件厚，常拆卸处用于被连接件厚，常拆卸处(3) 螺钉连接螺钉连接螺栓受拉，承受外载。用于被连接件厚，不常拆螺栓受拉，承受外载。用于被连接件厚，不常拆卸处卸处(4) 紧定螺钉连接紧定螺钉连接用于薄壁件连接用于薄壁件连接二、标准螺纹连接件二、标准螺纹连接件结构型式和尺寸结构型式和尺寸 螺纹连接的预紧P68 大多数螺纹连接在装配时都需要拧紧，使之在承受工作载荷之前，预先受到力的作用，这个预加作
8、用力称为预紧力。 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移动。 拧紧后螺纹连接件的预紧应力不得超过其材料的屈服极限ss的 80%。 v 预紧力：v 预紧的目的：v 预紧力的确定原则：5-3 螺纹连接的预紧v 预紧力的控制：（1）测力矩扳手：注：直径过小的螺栓，容易在拧紧时过载注：直径过小的螺栓，容易在拧紧时过载拉断，所以对于重要的连接，若无控制拧拉断，所以对于重要的连接，若无控制拧紧力矩的措施，不宜采用小于紧力矩的措施，不宜采用小于M12M12的螺栓。的螺栓。v 预紧力和预紧力矩之间的关系：（2 2）定力矩扳手：）定力矩扳手：拧紧力矩T螺旋副间的摩擦阻力矩支承面间的
9、摩擦阻力矩螺栓预紧螺栓预紧 在设计螺栓组连接时，关键是在设计螺栓组连接时，关键是连接的结构设计连接的结构设计。它。它是根据被连接件的结构和连接的用途，是根据被连接件的结构和连接的用途，确定螺栓数目和确定螺栓数目和分布形式分布形式。一、螺栓组连接的结构设计一、螺栓组连接的结构设计成组使用成组使用5-5 5-5 螺栓组连接的设计螺栓组连接的设计P73v为了便于加工制造和对称布置螺栓，保证连接结合面受力均匀，通常联为了便于加工制造和对称布置螺栓，保证连接结合面受力均匀，通常联接结合面的几何形状都设计成接结合面的几何形状都设计成轴对称的简单几何形状轴对称的简单几何形状。v 为了便于在圆周上钻孔时的分度
10、和画线，通常分布在同一圆周上的螺栓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数目取成4 4、6 6、8 8等偶数等偶数。v螺栓布置应使各螺栓的受力合理。螺栓布置应使各螺栓的受力合理。合理合理不合理不合理螺栓连接螺栓连接承受转矩承受转矩时，使螺栓时，使螺栓靠近边缘靠近边缘，减小受力，减小受力TT同时同时承受较大的轴向和横向载荷承受较大的轴向和横向载荷时，采用时，采用减载零件减载零件铰制孔用螺栓，在与载荷平行的方向上布置螺栓的数目不要超过铰制孔用螺栓，在与载荷平行的方向上布置螺栓的数目不要超过8 8个，个，避免载荷分配不均避免载荷分配不均v螺栓的排列应有合理的间距、边距
11、。螺栓的排列应有合理的间距、边距。v避免螺栓承受附加的弯曲载荷。避免螺栓承受附加的弯曲载荷。 受力分析的受力分析的目的目的： 根据连接结构和受载情况根据连接结构和受载情况 求出求出受力最大的螺栓受力最大的螺栓及其所受的力及其所受的力 进行螺栓连接的强度计算进行螺栓连接的强度计算二、螺栓组连接的受力分析二、螺栓组连接的受力分析P742 2受横向载荷受横向载荷3 3受转矩受转矩1 1受轴向载荷受轴向载荷4 4受倾覆力矩受倾覆力矩 受力分析的类型：受力分析的类型：螺纹连接组的设计螺纹连接组的设计5 51 1受受轴向载荷轴向载荷的的紧紧螺栓组连接螺栓组连接轴向总载荷轴向总载荷F F与螺栓轴线与螺栓轴线
12、平行平行通过螺栓组的通过螺栓组的对称中心对称中心各个螺栓受载相同各个螺栓受载相同容器内压力：容器内压力：p p轴向载荷：轴向载荷： F F总总=pA=pA单个螺栓的轴向载荷：单个螺栓的轴向载荷： F=FF=F总总/Z/Z失效形式：失效形式： 螺栓杆被拉断螺栓杆被拉断: :强度不足强度不足 容器内气（液）体泄漏容器内气（液）体泄漏- -缸体缸盖压紧力缸体缸盖压紧力00缸体和缸盖有缸体和缸盖有残余预紧力残余预紧力F1 1缸盖的缸缘通过螺母使螺栓受缸盖的缸缘通过螺母使螺栓受外载外载FF2压力缸（压力缸（装配时需要装配时需要预紧预紧）：螺栓的轴向总拉力：紧螺栓连接应能保证被连接件的接合面不出现缝紧螺栓
13、连接应能保证被连接件的接合面不出现缝隙，隙，当工作载荷当工作载荷F 没有变化时，取没有变化时，取当工作载荷当工作载荷F 有变化时，取有变化时，取有紧密性要求（如压力容器），取有紧密性要求（如压力容器），取残余预紧力残余预紧力设计结束了吗？设计结束了吗？F F0 0？否否式中：式中：为螺栓的相对刚度，其取值范围为为螺栓的相对刚度，其取值范围为 01。这时螺栓的总拉力为：这时螺栓的总拉力为：可根据垫片材料选值：见可根据垫片材料选值：见P84P84第第2 2段段压力缸（压力缸（需要需要拧紧拧紧）：在在F2作用下：作用下： 受轴向拉力产生受轴向拉力产生拉伸应力拉伸应力； 受螺旋副旋合所引起的受螺旋副旋
14、合所引起的扭切应力扭切应力; 即螺栓处于即螺栓处于拉伸拉伸和和扭转扭转的复合应力状态的复合应力状态。螺栓拉伸应力T1扭剪应力据第四强度理论（螺栓塑性）应力表达F2强度条件：强度条件：再求出螺栓的总拉伸载荷再求出螺栓的总拉伸载荷然后计算螺栓强度然后计算螺栓强度计计算算方方法法先根据工作要求规定残余预紧力先根据工作要求规定残余预紧力F1例题例题5-35-3：一钢制液压油缸，采用双头螺柱一钢制液压油缸，采用双头螺柱联接。已知油压联接。已知油压p=3MPa=3MPa，油缸内径，油缸内径D= = 160mm160mm，若取螺柱屈服极限为，若取螺柱屈服极限为400MPa400MPa，装配，装配时不严格控制
15、预紧力，取时不严格控制预紧力，取S=3=3，试计算此油，试计算此油缸螺柱小径缸螺柱小径d1 1。 2 2受受横向载荷横向载荷的螺栓组连接的螺栓组连接（1 1）普通螺栓连接普通螺栓连接预紧预紧后接合面间所后接合面间所产生的产生的最大摩擦最大摩擦力力必须大于或等于必须大于或等于F FK Ks s为防滑系数，为防滑系数，K Ks =1.1s =1.11.31.3。四个螺栓组成四个螺栓组成 受横向载荷受横向载荷 螺栓组连接螺栓组连接Ks 防滑系数，防滑系数，1.11.3结合面数结合面数结合面摩擦系数结合面摩擦系数if-当f=0.15，Ks=1.2，i=1时，F08F对于单个螺栓：为增加可靠性，为增加可
16、靠性，减小螺栓直径，提高承载能力，减小螺栓直径，提高承载能力，可采用如下可采用如下减载装置：减载装置： a)a)销销 b)b)套筒套筒 c)c)键键即用键、套筒或销承担横向工作载荷而螺栓仅起连接作用。即用键、套筒或销承担横向工作载荷而螺栓仅起连接作用。螺栓受拉，仅受预紧力螺栓受拉，仅受预紧力装配时需要拧紧。在拧紧力矩装配时需要拧紧。在拧紧力矩T作用下：作用下： 螺栓受轴向拉力（预紧力）螺栓受轴向拉力（预紧力）F0的作用而产生的作用而产生拉伸应力；拉伸应力； 同时还受到螺纹力矩同时还受到螺纹力矩T1所引起的扭切应力所引起的扭切应力; 即螺栓处于即螺栓处于拉伸拉伸和和扭转扭转的复合应力状态的复合应
17、力状态。P80螺栓拉伸应力T1扭剪应力据第四强度理论（螺栓塑性）强度条件：强度条件：应力表达F0例题例题5-45-4：用用2 2个个M10M10（d1 1=8.376mm=8.376mm）的）的螺钉固定一牵曳钩，若螺钉屈服强度螺钉固定一牵曳钩，若螺钉屈服强度为为240MPa240MPa，装配时控制预紧力，取，装配时控制预紧力，取S=1.35=1.35，接合面摩擦系数，接合面摩擦系数f=0.15=0.15，可靠，可靠性系数性系数Ks=1.2=1.2，求其允许的牵曳力。，求其允许的牵曳力。 牵曳力牵曳力 螺纹连接组的设计螺纹连接组的设计3 3（2 2）铰制孔用螺铰制孔用螺栓连接（图栓连接（图b b
18、）每个螺栓所受工每个螺栓所受工作剪力为：作剪力为： 式中：式中：Z Z为螺栓数目为螺栓数目 铰制孔用螺栓螺栓光杆与孔壁紧密螺栓光杆与孔壁紧密配合，无间隙配合，无间隙由由光杆光杆直接承受直接承受剪剪切和挤压切和挤压孔壁受挤压孔壁受挤压螺栓的剪切强度条件为：螺栓的剪切强度条件为：螺栓与孔壁的挤压强度条件螺栓与孔壁的挤压强度条件：结合面数结合面数i-LminF螺纹连接组的设计43 3受受转矩转矩的螺栓组连接的螺栓组连接普通螺栓：普通螺栓： 靠预紧后在接合面间产生的摩擦力矩来抵抗转矩靠预紧后在接合面间产生的摩擦力矩来抵抗转矩T T 若为中心对称结合面若为中心对称结合面 r相等相等校核公式：校核公式：
19、设计公式：设计公式：需要预紧需要预紧螺栓处于螺栓处于拉伸拉伸和和扭转扭转的复合的复合应力状态应力状态Ks 防滑系数，防滑系数，1.11.3结合面数结合面数结合面摩擦系数结合面摩擦系数if-例题例题5-65-6：图示凸缘联轴器，允许传递最大转图示凸缘联轴器，允许传递最大转矩矩T T为为630Nm630Nm（静载），材料为（静载），材料为HT250HT250。 6 6个个M16M16螺栓依靠摩擦力来传递转矩，螺栓分布圆螺栓依靠摩擦力来传递转矩，螺栓分布圆直径为直径为130mm130mm，接合面摩擦系数，接合面摩擦系数f=0.15=0.15，安装，安装时不要求严格控制预紧力时不要求严格控制预紧力S=
20、4=4，防滑系数，防滑系数Ks=1.2=1.2，确定螺栓的屈服强度值。，确定螺栓的屈服强度值。铰制孔用螺栓：铰制孔用螺栓： 靠螺栓的靠螺栓的剪切剪切和螺栓与和螺栓与孔壁的孔壁的挤压挤压来抵抗转矩来抵抗转矩T T。剪切力剪切力- -剪切变形剪切变形-r-r若为中心对称结合面若为中心对称结合面 r相等相等螺栓的剪切强度条件为：螺栓的剪切强度条件为：螺栓与孔壁的挤压强度条件螺栓与孔壁的挤压强度条件：铰制孔螺栓能承受较铰制孔螺栓能承受较大的横向载荷，但被大的横向载荷，但被连接件孔壁加工精度连接件孔壁加工精度较高，成本较高较高，成本较高例题例题5-55-5：图示凸缘联轴器，凸缘厚度为图示凸缘联轴器，凸缘
21、厚度为20mm20mm，允许传递最大转矩，允许传递最大转矩T为为630Nm630Nm（静载），材（静载），材料为料为HT250HT250。联轴器用。联轴器用4 4个个M12M12铰制孔用螺栓连铰制孔用螺栓连成一体，螺纹段长成一体，螺纹段长22mm22mm，螺栓屈服强度为，螺栓屈服强度为640MPa640MPa，安全系数均取，安全系数均取2.5 2.5 。校核螺栓的剪。校核螺栓的剪切和挤压强度。切和挤压强度。 综合例5-7：用四个普通螺栓将钢板A固定在钢板B上。图中尺寸a=100mm，L=500mm。钢板间摩擦系数f=0.14，连接可靠系数（防滑系数）Ks=1.3，螺栓的许用拉应力 =140Mp
22、a，F=1400N，试计算螺栓的小径d1至少要多少？例5-7：如图所示为一支架与机座用4个普通螺栓连接，所受外载荷分别为横向载荷FR=5000N，轴向载荷FQ=16000N。已知螺栓的相对刚度Cb/（Cb+Cm）=0.25，接合面间摩擦系数f=0.15，可靠性系数Ks=1.2，螺栓材料的机械性能级别为8.8级，屈服极限s=640MPa，安全系数S=2，试计算该螺栓小径d1的计算值。螺纹连接组的设计64 4受倾覆力矩受倾覆力矩的螺栓组连接的螺栓组连接 底板底板地基地基 倾覆力矩MFcFbFaFdaabbccdd螺纹连接组的设计6 倾覆力矩M 由此可以求出最大工作载荷：由变形协调条件：例5-8：如
23、图5-4所示的底板螺栓组连接受外力的作用。外力作用在包含x轴并垂直于底板接合面的平面内。试分析底板螺栓组的受力情况，并判断哪个螺栓受力最大？保证连接安全工作的必要条件有哪些？ 保证连接安全工作的必要条件有：保证连接安全工作的必要条件有：（1 1）接合面右端的最大挤压应力不超过）接合面右端的最大挤压应力不超过 许用值，以避免接合面压碎；许用值，以避免接合面压碎；（2 2）为避免接合面产生缝隙，接合面左）为避免接合面产生缝隙，接合面左 端的最小挤压应力应大于零；端的最小挤压应力应大于零；（3 3）在横向载荷的作用下，接合面不能）在横向载荷的作用下，接合面不能 产生相对滑动；产生相对滑动；（4 4）
24、螺栓所需的预紧力应小于屈服极限）螺栓所需的预紧力应小于屈服极限 的限定值。的限定值。 (5) (5) 螺栓不被拉断。螺栓不被拉断。P78，例题见，例题见P921010级级螺纹连接件的材料与许用应力一、螺纹连接件材料一、螺纹连接件材料 5-7 螺纹连接件的材料及许用应力一般用途：一般用途：4.84.8级级重要的或有特殊要求：重要的或有特殊要求： 高性能等级，如压力容器采用高性能等级，如压力容器采用8.88.8级级螺母：螺母：7 7级级 常用材料：常用材料： 碳素钢，如碳素钢，如Q215Q215、Q235Q235、3535、4545 合金钢，强度要求高，如合金钢，强度要求高，如15Cr15Cr、4
25、0Cr40Cr螺纹连接件的材料与许用应力二、螺纹连接件二、螺纹连接件的许用应力的许用应力1 1许用拉应力许用拉应力2 2许用剪应力和许用挤压应力许用剪应力和许用挤压应力（被连接件为钢）被连接件为钢）（被连接件为铸铁）（被连接件为铸铁） 3 3螺纹连接件的安全系数螺纹连接件的安全系数提高螺纹连接强度的措施 1) 1) 降低螺栓总载荷降低螺栓总载荷F F2 25-8 5-8 提高螺纹提高螺纹连接强度的措施连接强度的措施Measure：F0=C，F1 减小螺栓刚度a.柔性螺栓b.弹性元件 增大被连接件刚度a.金属垫片b.密封环选择恰当的预紧力并保持不减退提高螺纹连接强度的措施 2) 改善螺纹牙间受力
26、分配螺栓受拉：螺栓受拉：自上而下，自上而下，p逐渐变大逐渐变大螺母受压：螺母受压：自上而下，自上而下，p逐渐变小逐渐变小旋合处螺旋合处螺距差最大距差最大内斜螺母环槽螺母悬置 采用受拉螺母：悬置螺母和环槽螺母采用受拉螺母：悬置螺母和环槽螺母 采用内斜螺母：最下面几圈易变形采用内斜螺母：最下面几圈易变形 采用均载装置：钢丝螺套采用均载装置：钢丝螺套 螺栓螺栓p螺母螺母p除钢丝螺套，皆采用变形协调条件除钢丝螺套，皆采用变形协调条件3) 减轻应力集中主要在加工和结构处理时考虑避免附加弯曲应力作业：课本作业：课本P102：1、5-162 、5-63 、 5-84、5-10（p=1MPa）补充题补充题螺栓连接双头螺柱连接螺钉连接紧定螺钉连接弹簧垫圈弹簧垫圈右旋右旋左旋左旋对顶螺母F F上上F F下下尼龙圈锁紧螺母开口销带翅垫片止动垫片冲点法粘合法焊点法串联钢丝焊接铆钉弹性元件金属垫片密封环r1Tr2l 2l 1变形协调条件ab
